超导电缆特性

某些金属和金属化合物在某一温度以下，直流电阻率几乎等于零，这 一现象称为超导现象。导体呈现超导现象的最高温度称为超导临界温 度。运行温度在导体的超导临界温度以下的电缆称为超导电缆。运行温 度在超导临界温度以上 20K 和 80K 左右的电缆为低温有阻电缆。二者结 构大体相同。低温有阻电缆是采用涤冷技术把导体冷却到很低的温度， 可使导体电阻系数大大降低，从而提高电流密度，增加传输容量。而超导 电缆导体处于超导状态，导体电阻等于零，其传输的容量会更大。现就超 导电缆的结构简述之。

1. 超导电缆的特性

超导体分为 I 型和 Ⅱ 型两类。 I 型超导体包括除铌、钛以外的大部 分纯金属如铅、锡和汞等。这类超导体的特点是超导性能决定于一个较

低的临界磁场 Hc 。当磁场超过 Hc 时即回到正常状态。在超导状态下它 们几乎是反磁性的，即磁场不能入导体内部，只存在于表面极薄的一层， 其厚度约为 10 - 6  ~ 10 - 7 mm。这类超导体的缺点是临界磁场低而且临界 温度亦低，因此不利于应用。 Ⅱ 型超导体包括铌、钒和它的许多合金如铌 三锡(Nb3 sn)，铌钛(NbTi)，铌锆(NbZr)，铌三锗(Nb3 Ge)，钒三镓(V3 Ga)以 及近来发现的铌铝锗合金 Nb3 (A10 . 8Ge0 . 2)等。它们具有两个临界磁场， 在达到第一个临界磁场 Hc1  之前，其性能与 I 型的相似。超过这一点后， 导体就不是完全反磁性的，有一些磁场能透过导体内部。在这个阶段内 导体处于超导和正常的混合状态，直至磁场达到第二个临界值 Hc2  以后， 导体就完全回到正常状态。这类超导体的临界温度和临界磁场均比 I型 的高。

从理论上说，在 I型超导体中，当磁场低于临界值时，应该没有损耗。 但实际上由于在导体表面极薄的一层厚度内仍有一些磁场透过，加上导 体表面的缺陷，会导致一些磁滞，从而产生小的交流损耗。 同样，对于 Ⅱ 型来说，当磁场低于第一临界值时，也有一些交流损耗，但当磁场超过第 一临界值，导体处于混合状态时，交流损耗就较大。

2 . 超导电缆的结构型式www.6xv1830.com

对于超导电缆来说，为了获得大的载流能力和低的交流损耗，选用的 超导体必须具有高的临界磁场值和临界温度。从目前来看，铌似乎是最 合适的，但它的价格较贵。铌的临界温度为 9 . 2K，必须采用液氦作为冷却 介质。

在超导体中，电流只在表面极薄的一层流过，因此对导体不要求有大 的截面，而要求有大的表面，一般采用细小的绞线束或大直径的管形导 体。超导电缆的导体可以用纯铝作为底材，在其表面涂以一层铌；或用铜 作底材在其表面涂以一层铌的合金。铌的交流损耗与其厚度无关。在发 生故障时，底材将分担通过一部分故障电流，此外，它将增大导体的热容 量，从而防止超导体过热。

图 13 - 18 为最早设计的( 1967 年提出)超导直流电缆。缆芯由铌三 锡超导体的细绞线构成，外面包有一层塑料绝缘。两个缆芯电缆和一根 液氦管道一起装在一个直径为 12cm 的管子内。管子内部的空隙是液氦 的回路。电缆的外层是热辐射屏蔽，直径为 14cm，它借液氮的冷却，保持 温度在 77K 左右。电缆管与热辐射屏蔽之间的空隙保持真空。 电缆管道 下面有二根液氮管道。整个系统装在一个密封的真空金属槽内，使与周 围环境隔热。因为是直流，所以导体应该没有损耗，但由于输送功率的波

动，会导致一些损耗，特别是合上和切断电源时。对于 20km 长的这种线 路，液氦的热负荷所需的制冷功率约为 300kW，而液氮的制冷功率则需

1200kW。