自從發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體以來,超導(dǎo)體的臨界溫度在很長時(shí)間沒有明顯提高。直至1986年4月瑞士兩位學(xué)家宣布兩種La、Ba、Cu三元氧化物的超導(dǎo)體的臨界溫度為35K。1987年2月16日休斯敦大學(xué)美籍華裔教授朱經(jīng)武報(bào)告Y-Ba-Cu-O系統(tǒng)在80-93K溫度區(qū)可獲得穩(wěn)定的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變,首次實(shí)現(xiàn)了在液氮沸點(diǎn)(77K)以上的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變。我國科學(xué)家趙忠賢在1987年2月19日也獲得了Y-Ba-Cu-O超導(dǎo)體。這使超導(dǎo)材料應(yīng)用進(jìn)入了一個(gè)新的階段。通常,將臨界溫度高于液氮沸點(diǎn)(77K)的超導(dǎo)體稱為高溫超導(dǎo)體。目前關(guān)于高溫超導(dǎo)體的研究有以下四個(gè)方向:
采用高溫超導(dǎo)體作導(dǎo)電線芯的高溫超導(dǎo)電纜能夠傳輸比同尺寸的常規(guī)電纜大3-5倍的功率,其損耗只有不到1%,比常規(guī)電纜8%損耗小得多。但高溫超導(dǎo)電纜比傳統(tǒng)電纜多了絕熱套和相應(yīng)的制冷系統(tǒng),以確保導(dǎo)體的低溫環(huán)境。因此,高溫超導(dǎo)電纜具有載流能力大、損耗低、體積小和重量輕等優(yōu)點(diǎn)。且有無火災(zāi)隱患、無電磁輻射污染等常規(guī)電纜無法比擬的諸多優(yōu)點(diǎn)。高溫超導(dǎo)電纜明顯地節(jié)約占地面積和空間,節(jié)省寶貴的土地資源。用高溫超導(dǎo)電纜改裝現(xiàn)有地下電纜系統(tǒng),不但能將傳輸容量提高3倍以上,而且能將總費(fèi)用降低20%。利用高溫超導(dǎo)電纜還可以改變傳統(tǒng)輸電方式,采用低電壓大電流傳輸電能。因此,高溫超導(dǎo)電纜可以大大降低電力系統(tǒng)的損耗,提高電力系統(tǒng)的總效率,具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。高溫超導(dǎo)電纜將首先應(yīng)用于短距離傳輸電力的場合(如發(fā)電機(jī)到變壓器、變電中心到變電站、地下變電站到城市電網(wǎng)端口)及電鍍廠、發(fā)電廠和變電站等短距離傳輸大電流的場合,以及大型或超大型城市電力傳輸?shù)膱龊稀?/p>
我國從20世紀(jì)90年代中期開始從事高溫超導(dǎo)電纜技術(shù)的研究,第一根高溫超導(dǎo)電纜于2004年在昆明使用,這使我國成為第三個(gè)將高溫超導(dǎo)電纜并入電網(wǎng)的國家。采用的超導(dǎo)體均是Bi-2223HTS。
由于高溫超導(dǎo)電纜的上述優(yōu)點(diǎn),美國、日本、德國、韓國競相投入大量人力、物力進(jìn)行開發(fā)研究和工業(yè)應(yīng)用研究,其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)電纜商業(yè)運(yùn)行。據(jù)2000年美國應(yīng)用超導(dǎo)會(huì)議預(yù)測,預(yù)計(jì)到2020年,全世界超導(dǎo)體應(yīng)用的總市場達(dá)到2440億美元,高溫超導(dǎo)電纜約占5%,美國已經(jīng)計(jì)劃于2030年前建立覆蓋全國的超導(dǎo)電纜網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)我國電線電纜行業(yè)統(tǒng)計(jì)資料表明,10kV及以上交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜的年需求量約為10萬km,假如其總量的5%被高溫超導(dǎo)電纜所取代,則高溫超導(dǎo)電纜在我國每年的需求總量將會(huì)達(dá)到5000km。
超導(dǎo)體的基本特征之一是直流運(yùn)行條件下電阻為0,因此在直流狀態(tài)下沒有損耗。因而高溫超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用于直流輸電將帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。而且,超導(dǎo)輸電的研究一開始是在直流輸電領(lǐng)域,高溫超導(dǎo)電纜應(yīng)用于直流輸電時(shí)沒有導(dǎo)體損耗和無功損耗,被認(rèn)為是最有效的應(yīng)用領(lǐng)域。高溫超導(dǎo)直流輸電比交流輸電的容量更大,效率更高。不過目前的主要輸電方式是交流,所以相對而言,直流超導(dǎo)輸電研究比較滯后,但目前直流輸電的種種優(yōu)勢又激發(fā)人們的研究熱情,超導(dǎo)直流輸電的研究越來越多,如英國BICC電纜公司和意大利公司合作,研究高溫超導(dǎo)直流輸電電纜。他們認(rèn)為,超導(dǎo)直流輸電電纜幾乎沒有損耗,雖然電纜終端需要整流和逆變裝置,但在傳輸一定功率下,輸電電壓可以比常規(guī)電壓低,因此整流和逆變裝置更為簡單和價(jià)格低廉。該公司已經(jīng)制成1.4m長樣品,計(jì)劃研制100km長,40kV,10kA超導(dǎo)直流電纜。
目前高溫超導(dǎo)電纜已不存在大的技術(shù)障礙,并且已經(jīng)走向?qū)嶋H應(yīng)用。超導(dǎo)電纜特別適用于短距離傳輸大電流的場合,如電鍍廠、發(fā)電廠、變電站以及大型城市電力傳輸場合。