导读：近几年高温超导电缆应用发展日新月异，美国、日本、丹麦、我国已相继投入电网运行，成为短距离输送低电压大电流的最好输电方式，节能效果显著、大大提高社会经济效益，其发展前景令人瞩目。
高温超导体（HTS）从1986年发现以来，因之能在液氮沸点温度下（77°K）工作，就此打开了高温超导应用的大门。近几年高温超导电缆应用的好消息接连不断，记录不断被打破，其发展前景呈现日新月异的景象。超导电力技术在世界各国相应的技术市场也在2005年左右陆续推向商用，发展规模产业令人瞩目。本文就超导材料特性与基本临界参量、超导材料分类发展历程、实用超导材料、高温超导材料及电缆的新进展作专题综述如下。
一、 超导材料特性与基本临界参量
具有在一定低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线性质的材料，在元素周期表中已发现有32种这类超导元素和超导氧化物金属元素成分。按原子序数、元素符号、元素名称可排列成下表（见表1）。
（表1）
1、 超导体的基本特性：
①、零电阻：超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地传输电流。1911年发现汞样品浸在液态氦中，在4.2°K左右电阻突然下降，小于可能测出的10-25 Ω•CM ,比良导体铜在4.2°K时的电阻率10-9Ω•CM 小1016 倍，可认为是零电阻。
②、完全抗磁性（迈斯纳效应）：超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值，磁力线不能透入，超导材料内部的磁场恒为零。这种完全抗磁性效应以发现者命名为迈斯纳效应。但完全抗磁性并非由零电阻引起，它们是俩个独立的基本特性。其磁场穿透深度λ= 5×10-5 CM.
③、约瑟夫森效应 — 超导电子对效应。
1962年约瑟夫森指出两超导材料之间有一薄绝缘（厚1 n m ）而形成低电阻连接时，会有电子对穿过绝缘层形成电流，而绝缘层两侧没有电压，即绝缘层也成了超导体，有点类似半导体隧道二极管的伏安特性，这一发现开拓了超导电现象在精密电磁测量和电子技术中的应用。
④、超导电现象的电子对解释
经过近半个世纪的理论探索，人们解决了物理学上的难题 — 超导电现象，建立了微观超导理论（BCS理论——即巴丁、库柏、施里弗理论），这一理论解释了一些问题，诸如为什么超导体处在正常态时有电阻，而在超导态时却变成了理想的导体？交流时超导体为什么又有电阻，为什么大部分金属良导体反而不是超导体？
因为超导体在正常态时，同一般金属一样是内部自由电子的定向运动，运动中不断地和处在晶格点阵上的正离子作用而碰撞形成电阻，在超导态时，导电的并不是自由电子而是电子对的定向运动，电子对不被晶格离子所散射，表现出直流电阻为零的完全导电特性。
交流时，超导体内产生了电场，在电场的推动下，正常电子也产生了定向运动，这时导体既有电子对的电流，也有正常自由电子的电流，后者有了电阻也有了损耗，频率越高、能量越大，电子对被拆散的越多，损耗越大。
大部分良导体铜、银、金等由于电子 - 晶格作用力弱，不能结成电子对，不能成为超导体。导电能力差的铝、铅、铌等由于电子 - 晶格作用力强，电子能结成对是良导体，也是超导体，但临界温度低（它们依次各为1.18°K、7.2°K、9.2°K），不能作为超导元素单独使用。
2、 超导体的基本临界参量和有关参数
有以下三个基本临界参量和一个参数：
①、临界温度：外磁场为零时超导材料由正常态转变为超导态（或相反）的温度，以Tc表示，最低Tc的超导元素钨(W)是0.012°K, 1986~1987年发现有的超导材料Tc值已高达100°K左右，目前有高达135° K的 HgBaCaCuO，加压力的 HgBaCaCuO 可达164°K。 Tc由超导材料的化学组成和晶格结构决定的，晶体缺陷对它也有影响。
②、临界磁场：使超导材料的超导态破坏而转变成正常态所需要的磁场强度，以Hc表示。
Hc与温度T的关系为：
Hc = Ho〔 1 - ( T / To )2 〕
式中Ho为0°K时的临界磁场，在抗磁状态和强磁场工作的超导体应有高的Hc。
③、临界电流和临界电流密度：通过超导材料的电流达到一定数值时也会使超导态破坏，而转变为正常态，以Ic 表示，Ic随温度和外磁场的增加而减少。单位截面的Ic为临界电流密度，以 Jc表示。
④、超导体在交变电场中的交流损耗：在交变电场和交变磁场下会出现不同程度的损耗，从而增加制冷费用，并限制了超导体的使用。在Hc值不大，只有几百高斯的超导材料中，在106 Hz以下交变场中不产生功率损耗，强磁场超导体即使在低频率下也有功率损耗。
1986年以前发现的几种实用超导体，其最高Tc为23.2°K，其Hc、Jc如下表2所示：
（表2）
二、超导材料分类发展历程
超导材料按其化学成分可分为元素材料、合金材料、化合物材料和超导陶瓷材料。
①、超导元素：表1列出的32种元素中有的是作为合金材料的元素应用，早期某些元素超导材料的特性见表3 （Hc 单位：千高斯）
（表3）*
* 表中 Hc1 和 Hc2为第二类超导材料，它有两个临界磁场，Hc1为下临界磁场，Hc2为上临界磁场，当外加H < Hc1时，与第一类超导体一样为完全抗磁体。H = Hc1时，磁通线开始进入超导体内，若H再增加则更多的磁通线进入体内，表明已有部分超导区域转变为正常态，这时处于超导和非超导的混合态，当H = Hc2时，超导态完全转变为正常态。
②、1911到2000年金属及合金超导体，从4.2°K到40 K的发展为：1911年4.2°K的汞、1914年的4.5° K的锡、1919年11° K的 铅、1928年12° K的铅-铋、1931年12° K的铌 、1932年13° K的 NbC、1941年17 °K的 NbN、1951年16° K 的 V2 Ga、1954年17°K的V2Si、1957年18° K的 Nb2 Sn、1966年20° K、1969年19° K的 Nb2As、1973年23° K的 Nb2 Ge、2000年38° K 的MgB2、Nb2 (Al、Ge〕等。
③、自从1986年发现高温超导体（HTS）后，高温超导体及高温超导电缆正向我们招手，因为它可用在液氮下工作了，1986年瑞士物理学家 K、A米勒和德国物理学家 J、G贝德诺尔茨发现镧-钡-铜氧化物陶瓷材料的超导性将Tc提高到35° K，一年后新材料的Tc又提高到100° K左右，这种突破为超导材料的应用开辟了广阔的前景。上述俩位物理学家也因此获得1987年诺贝尔物理学奖。1987年中国、美国、日本等国科学家在钡钇铜氧化物中发现Tc处于液氮温度区有超导性，使超导陶瓷成为极有发展前景的超导材料，1996年西门子公司利用铋-铅-铜-铝氧的银带在直径为45.2毫米的管上绕制了2米长的超导电缆样品，其临界温度Tc为110° K，Ic = 5000安。从1972年发现BaPbBiO用于12°K起 ，1987 年37°K的 LaSrCuO、1990年90°K的 YBaCuO 、1990 110°K的 BiSrCaCuO 、1991 年 125° K的 TiBaCaCuO、1996年 Tc = 110°K的BiPbCuSrO，其 Ic = 5000安。1994年135°K的 HgBaCaCuO、一路攀升到加压的164ºK的HgBaCaCuO超导体出现。
与金属超导材料不同，这些（HTS）都是铜酸盐类的陶瓷，是一些由许多CuO2层组成叠层结构的复杂化合物，由于在超导体中的电子流是高度有序的，因而为了运载这种高度有序的电子流，CuO2层就必须对整齐。
三、 超导线和超导电缆技术的发展
（1）、以下表4列出HTS线的发展一览表 （表4）
（2）、目前正在试验的高温超导电缆有几种结构形式：
①、常温绝缘又称温介质（WD）：其超导电缆结构从外到内为——管道—流体—滑道线—介质—低温绝缘层—高温超导层—液氮。
②、冷介质同轴结构（CDC）：其超导电缆结构从外到内为——管道—滑道线—低温绝缘层—液氮—高温超导层回路—介质—高温超导层—液氮。
WD设计是为改进高压钢管充油电缆线路增加电力容量的，如美国有20%以上钢管充油电缆已用过40年寿命，应该替换，但又难以重新敷设，故可将老的电缆芯抽出，将新的HTS电缆芯拉入就可达到数倍提高载流量的要求。在欧洲、日本采用CDC结构，这种电缆结构中绝缘层是浸在77 °K的液氮中，绕包带绝缘可获得较好效果，可以较小的输送大功率，功率为常规电缆五倍时损耗只有2 / 3。
③、欧洲近来HTS电缆的载流能力是同直径铜缆的5倍，其导电媒质由一些与滑石粉相似的铜基陶瓷氧化物构成，导电媒质封闭在银管中，银管通过加热和轧制，形成扁带，将这些扁带绕制在一个充有制冷液氮的芯体上，制成电缆，然后对它进行绝缘。
（3）、超导传输特点
①、超导输电的输送容量远远超过传统的架空输电线路和充油电缆线路，也大于充气输电管道和低温低阻电缆输电。超导输电系统的主要部分包括超导电缆、低温冷却系统以及超导电缆的端头和套管等。
②、临界电流密度，临界磁场强度大的超导体也适合制作电力电缆，当电流密度，磁场强度或温度超过临界值时，超导态转变为正常态，即失超，使超导出现不稳定性（称为热磁不稳定性），这时因磁场和电流的增加，磁通线发生急剧运动（磁通跳跃），引起局部发热（失超），为使局部热量迅速传走，一般采用超导材料敷铜的办法，即使铜和超导线绞合在一起，有时在线间填以低熔点金属铟以增加超导线和正常导线间的电热接触，增加机械结合、防氧化等。由于铜在低温下的热导比超导材料大，热量可以迅速传到低温冷却工质（液氮）中，低温下铜的电阻率在4.2 °K时为10-9 ~ 10-10 Ω•CM，比正常态超导材料低得多，若某一部分超导态被破坏，电流会分流入铜层，即旁路电流会通过铜层，因而克服了超导材料早期不稳定性，即超导体承载传输电流，铜或铝金属导体承载失超电流。
③、超导电流可采用交流或直流，交流超导输电有微量的能量损耗，HTS用液氮冷却工质价格低廉约0.05美元 / 斤，除超导体外，超导电缆的主要部分还包括电绝缘和热绝缘，要求电绝缘在低温下有足够的耐电强度，极小的介质损耗，有一定的柔软性，常用液氮浸渍的塑料薄膜带包绝缘，薄膜型有聚酯、聚丙烯，纤维型有硫酸盐木浆纸、芳香族聚酰胺纤维（Nomex）纸和聚乙烯纤维纸（Tyrek）、PPLP—聚丙烯复合纸与液氮组成浸渍组合绝缘，其击穿强度可达20 ~ 55 KV/mm。
四、 超导电缆技术（以HTS为主）产业规模化
①、第五届国际超导工业高峰会议（ISIS -3）预测，超导电力技术（以HTS为主）将在2010 ~ 2015年获大规模应用，2010年全球超导产业规模将达到74亿美元，站整个超导产业的30 % ，到2020年整个超导产业将达到700亿美元。在2000年HTS电缆，美国EPRI研究单位通过试验为30 m，115 KV、2 KA交流，美国 Southwire 30 m，12.5 KV，1.25 KA三相已经安装。美国 Pirelli 等 120 m，24 KV、24 KA也在2000年 安装。这一550万美元的项目是敷设三根120米长HTS电缆取代现有铜缆，已投入运行24 KV下传送24 KA，是现有铜缆的三倍电流，这些电缆重仅110公斤多一点，而与此对应的铜缆中铜重量就超过8000 公斤，这些新的超导电缆被敷设在Detroit Edison 的 Frisbie 变电所的三条空管道内。可见用于现有电缆管道容量升值改造，不需要进行既化钱又具破坏性的开挖工程。美国能源部估计，由于减少了全国供电网络的损耗，超导技术每年可为美国节省60多亿美元，这些损耗站美国发电量的8 % ，超过非洲的电力总消耗量。估计超导电力技术的世界市场价值到2020年将达到300亿美元以上。
在日本东京电力50 m 、2 KA交流通过试验，在我国国家超导中心， 1 m、1 KA 直流，1998年完成，6 m、2 KA 直流，2000年完成。
②、我国第一组超导电缆系统自2004年4月19日在云南昆明市普吉变电站投入运行以来，经受了多种气象条件的考验，截至2004年12月30日，在试运行和挂网运行中已正常供电4455万5千千瓦时。它是由北京云电英纳超导电缆有限公司牵头研发，用国产新材料、新技术共同研制的科技项目，各项技术指标达到美国、丹麦同类产品水平，传输电能比常规电缆高3 ~ 5倍，挂网运行以来容量为121兆瓦，而美国南线超导电缆容量为26兆瓦，丹麦超导电缆容量为104兆瓦，我国第一组实用超导电缆长度为33.5米，额定电压为35KV，额定电流为2 KA。这组超导电缆研发中，导体首次采用组合式绕制方法，首次在热绝缘超导电缆中应用双层液氮循环冷却结构。电缆终端在世界上首次采用通用化、积木式模块设计，可折式大电流低阻锥面接头，高电压绝缘氮气接管，超导带材的焊接和混合式超导输电电缆科技成果，解决了诸多难题，申报了一项国际发明专利及11项国内发明专利。2004年7月10日，我国第一组应用国产超导材料研制的超导电缆系统在云南正式并网，标志着继美国、丹麦之后，我国成为世界上第三个将超导电缆投入电网运行的国家。
③、不久前由中科院电工所与甘肃长通电缆科技股份有限公司等研究开发的75米长，10.5 KV，15 KA三相交流高温超导电缆顺利完成系统集成，通过了系统检测和调试，即将投入并网试验运行。75米HTS电缆是继完成我国10米，10.5 KV，1.5千安三相交流高温超导电缆的研制之后，它是目前世界上正在并网试运行的最长的高温超导电缆。
试验研究证明，HTS电缆在长度上有一个经济临界点，当长度不到50米时，其损耗等于甚至大于相同容量的常规电缆，而当电缆长度大于50米时，就能显示出很好的节能效应和经济效应，且长度越长节能效果越好。75米长该电缆由超导电缆芯、低温容器、高压绝缘、终端、低温系统以及在线监测系统组成。
在研制中，对电缆的均流、电缆的绕制、电缆的电磁屏蔽、电缆的高电压绝缘和终端绝缘，电缆芯与终端的焊接、长距离加压过冷低温循环系统的优化设计，电缆的多段连接以及电缆在线监控系统方面取得一系列自主知识产权。
75米HTS电缆研制成功解决了高温超导电缆通向产业化的一系列关键技术，如低温连接、75米HTS电缆的弯曲半径可达12米等等，完成了实用化的一系列攻关技术，国内行业的合作也使该电缆成本比国际平均成本低。
HTS电缆由于具有体积小、重量轻、损耗低、传输容量大的优点，首先应用于短距离传输电力的场合（如发电机到变压器、变电中心到变电站、地下变电站到城市电网端口）及电镀厂、发电厂和变电站等短距离传输大电流的场合以及大型或超大型城市电力传输的场合。
④、HTS电缆的传输损耗仅为传输功率的0.5 % ，比常规电缆5.8 % 的损耗要低得多，在重量尺寸相同的情况下，与常规电力电缆相比，HTS电缆的容量可提高3.5倍，损耗下降60 % ，可明显地节约占地面积和空间，节省宝贵的土地资源，用HTS电缆改装现有地下电缆，能将传输容量提高3倍以上，且能将总费用降低20 % ，并可改变传统的输电方式，用低电压大电流传输电能。因此高温超导电缆可大大降低电力系统的损耗，提高电力系统的总效率，具有可观的经济效益。
我国10 KV及以上XLPE电力电缆的年需求量约为10万公里，如果其总量的5 % 被高温超导电缆所取代，则高温超导电缆在我国每年需求总量将会达到5000公里，那时就会显示出巨大的社会经济效益。以平均每公里200万元计算，潜在的市场约为100亿元。
据预测HTS电缆市场前景广阔，预测到2020年世界超导技术应用市场将达到2440亿美元，HTS电缆约占5 % 的份额。挑战与机遇并存，我国电线电缆行业应紧紧抓住这一良机，整合改组，一路走好，占领HTS电缆高科技阵地这一广阔的应用前景，带来十分可观的经济效益，恰似春风迎面吹来，振兴我国电线电缆行业排除恶性无序竟争，迎接真正的辉煌远景的到来。
上海电机技术研究所 江苏中天科技股份有限公司 高级顾问 吴炯
