低温系统及其在超导电力传输中的应用

甘泉 刘丽颖

1.华北电力大学，河北 保定 071003；2.承德供电公司， 河北 承德 067000

低温系统及其在超导电力传输中的应用

甘泉1，2刘丽颖2

1.华北电力大学，河北 保定 071003；2.承德供电公司， 河北 承德 067000

本文对各种低温获得与保持技术进行了广泛的论述。针对超导电力传输研究的需要，在不同的研究阶段，需要灵活的采取合适的低温技术与设备，取得成本、性能与可操作性的平衡。在经济与科技比较发达的地区，适合采用制冷剂型的低温设备；在其它地区，则比较适合采用制冷机型的低温设备。

电力传输；超导；低温

1、超导电力传输

一般来说，根据物体导电能力的强弱，可以把物体分为导体、半导体和绝缘体。导体的主要代表有铜、铝、银等金属，绝缘体的典型代表有陶瓷、塑料、橡胶和玻璃，现在电力传输所用的电缆，都是用铜、铝作为内芯，外面包覆一层绝缘体。物体的导电特性和温度有非常大的关系，对于金属材料，温度越低，材料的电导率越大。

1911年，荷兰物理学家昂内斯在用液氦将汞的温度降到4.15K（零下273摄氏度为0K）时，发现汞的电阻降为零。他把这种现象称为超导性[1]。后来昂内斯和其他科学家陆续发现其他一些金属也是超导体，昂内斯因为这项重大发现而获得1913年的诺贝尔物理学奖。超导现象是指材料在低于某一温度时，电阻变为零的现象，而这一温度称为超导转变温度（Tc）。起初人们发现的超导体主要是金属和合金，它们的超导转变温度一般都在20K以下。1987年，美国华裔科学家朱经武与台湾物理学家吴茂昆以及中国科学家赵忠贤相继在钇钡铜氧系材料上把临界超导温度提高到90K以上[2]。

由于超导体的电阻为零，所以用超导材料制成的电缆，可以把电力几乎无损耗地输送给用户。据统计，目前的铜或铝导线输电，约有15%的电能损耗在输电线路上，光是在中国，每年的电力损失即达1000多亿度。若改为超导输电，节省的电能相当于新建数十个大型发电厂，在超导电力传输方面，美国走在了世界的最前沿。

图1 常规铜电缆（左）与超导电缆（右）对比

2008年7月2 号，美国超导公司正式在一个商业电网中部署了世界上第一个高温超导输电系统。这一超导输电系统在满负荷运转时能够满足30万户家庭的用电需求，仅由三根138千伏的电缆组成。相比同样粗细的铜导线，他们的输电能力高达150倍。尽管这一工程造价昂贵，但是新型超导电缆的造价将降低五分之四，输电缆沟的宽度仅为一米左右。它的另一个优点是这种电缆能够防止由电网短路造成的故障电流。超导体有一种天生的电流限制能力，一旦电流增强到一定程度，它们就会失去超导性而变得像普通导体一样有电阻，使电流衰减。因此，该技术也得到美国国土安全部的支持。2009年10月13日，美国超导公司宣布超导输电通道已经被美国第一个可再生能源市场中心TresAmigas项目选用，该项目首次连接美国的三个电网，即东部电网、西部电网和德克萨斯电网，以满足新能源传输的增长并增强电网的可靠性。TresAmigas可再生能源枢纽将会是一个好几英里三角形的超导输电通道，能够在三个电网内传输和平衡几千兆瓦的可再生能源。

从电力传输角度来说，超导传输线的两个最重要的参数是超导转变温度Tc和临界电流Jc。当超导体中通过的电流大于临界电流的时候，超导体将恢复常态，一般来说，超导体的温度越低，临界电流的数值越大。由于超导特性只有在低温下才能出现，所以决定超导电力传输的主要问题就是低温技术。温度越低，超导电缆的性能越好，但是获得低温所用的成本也越高。所以超导电缆研究的最主要目标就是提高电缆的超导转变温度和临界电流。

2、低温获得技术

低温获得技术可以分为两大类，一类是采用制冷剂，第二类是采用制冷机。下面将对这两种方式分别做介绍。

制冷剂是温度非常低的物质，当它和物体接触时会吸收物体的热量，从而使物体降温。制冷剂吸收热量以后会散发掉，为了维持恒定的低温，就需要不断的消耗制冷剂。最常见的制冷剂是液氦和液氮，不太常用的制冷剂主要有液氢。

由于液氦的温度很低，所以液化氦气需要大量的复杂的设备，液氦的储存、运输都需要特殊的容器，才能减少液氦的损耗，即便如此，液氦还是会在储存、运输过程中不断流失。氦在地球中的含量很少，所以事实上只有美国大量生产液氦。由于液氦必须储存在特殊的液氦罐中，所以无论用多少液氦，都要买一整罐，用剩下的液氦只能白白浪费掉。所以液氦的主要缺点是价格昂贵。

液氮的主要问题就是它的沸点太高。在实际使用中，只有钇钡铜氧能够在液氮温度下使用，但钇是稀土元素，地壳中含量很少，所以价格昂贵。钇钡铜氧是一种陶瓷，所以很难将它加工成电缆，也很难和其它金属电缆连接。现在人们正在探索液氮温区的新兴高温超导材料。

液氢是最近研究比较密集的一种制冷剂，它的沸点是20K左右，能够达到一些新型超导材料的超导转变温度要求。其中比较引人注目的材料是MgB2，它的超导转变温度是40K，临界电流密度也很高。液氢本来不作为制冷剂使用，因为氢气容易发生爆炸。随着对清洁能源的不断需求，人们设想出了一种新奇的能量传输方式：用管道传输液氢，在液氢中间放入超导线，传输电能。

由于制冷剂在使用过程中需要不断的消耗，所以维持使用非常不方便。制冷机则可以在只消耗电能的情况下实现低温。使用的制冷机有两种，一种是GM机，另一种是脉管机。

GM机的基本本原理是：室温下压缩氦气，然后通过柔性管线输运至制冷机。压缩的氦气通过膨胀制冷，为制冷机的两个“热站”提供冷量。气体在制冷机制冷后返回压缩机周而复始，就可以连续地进行制冷。

脉管(PT)制冷机使用类似G-M 制冷机的压缩和膨胀循环过程，但是没有G-M制冷机中的运动部件回热器，从而在相同真空法兰连接情况下，脉管制冷机的振动比G-M要小。

3、低温保持技术

低温下的物体会通过传导、对流和热辐射的方式吸收周围环境的热量，从而温度上升，为了保持物体的低温，就需要隔绝物体与环境之间的热量传输，物体外部的腔体叫做低温恒温器。为了阻止热传导和对流，需要在恒温器内部维持真空，为了减少热辐射，就需要在物体外面安装一层镜面，叫做防辐射屏。

低温恒温器可以分为两大类，一类是传导型低温恒温器，另一类是交换气体型低温恒温器。传导型低温恒温器结构简单，通过金属块将冷源的冷量，传导给被降温的物体；交换气体型恒温器通过把制冷剂汽化，然后冷的蒸汽再将物体降温。冷源可以是通过制冷剂，也可以通过制冷机。

图2 以制冷机为冷源的低温恒温器[4]

在检测超导电缆的临界温度的时候，需要检测电缆电阻随温度的变化关系，由于超导体电阻极小，所以一般采用四端法测量电阻。四端法的基本特点是恒流电源通过两个电流引线极将电流供给待测低值电阻，而电压则通过两个电压引线来测量,由恒流电源所供电流而在待测低值电阻上所形成的电位差。由于两个电流引线极在两个电压引线极之外，因此可排除电流引线极接触电阻和引线电阻对测量的影响。又由于电压表的输入阻抗很高，电压引线极接触电阻和引线电阻对测量的影响可忽略不计。检测超导电缆的临界温度一般选用接触型的低温恒温器，这种恒温器结构简单，价格便宜，升降温方便。

图3 四端法测量低电阻[3]

图4 交换气体型液氦低温恒温器[4]

4.结语

综上所述，在进行超导电缆性质研究的过程中，应该根据实际情况，选取合适的低温恒温器。交换气体型液氦低温恒温器非常适合超导电缆性质的研究，但是液氦价格昂贵，不容易获得；如果液氦来源不方便，可以采用大功率制冷机为冷源的交换气体型低温恒温器，这种恒温器只需要消耗电力，但是价格昂贵；如果不进行临界电流测量，最合适的就是热传导型低温恒温器。

[1]Onnes HK (1911) The resistance of pure mercury at helium temperatures.Commun Phys Lab Univ.Leiden 12

[2]Superconducting properties of natural and artificial grain boundaries in bulk melt-textured YBCO.Phys C: Supercond 302(4):257–270, 1998.

[3]低电平测量手册：精确的直流电流、电压和电阻测量，Keithley Instruments Inc

[4]www.janis.com

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.24.033

甘泉（1981—），男，大学本科，助理工程师，工学学士，毕业于华北电力大学，现就职于华北电网有限公司承德供电公司。

刘丽颖（1983—），女，大学本科，助理经济师，管理学学士，毕业于河北大学，现就职于华北电网有限公司承德供电公司。