第1章 超导电力技术简介
　　1.1 引言
　　1911年，荷兰莱登实验室的昂尼斯(Onnes)在测量金属在低温下的电导率时发现：当温度下降到液氮4.2K时，水银的电阻完全消失，他把这种现象称为超导电性。1933年，迈斯纳(Meissner)和奥森菲尔德(Ochsenfeld)两位科学家发现，如呆把超导体放在磁场中冷却，那么当材料电阻消失的同时，磁通线将从超导体中排出，这种现象被称为完全抗磁性圄后来，人们也把这种现象称为迈斯纳效应(Meissner effect)。1962年，约瑟夫森(Josephson)从理论角度预言了超导量子隧道效应的存在。随后，安德森(Anderson)和罗威尔(Rowell)等从实验角度证实了约瑟夫森的预言：当两块超导体通过绝缘薄层(厚度为1nm左右)连接起来，一块超导体中的电子可穿过绝缘层势垒进入另一块超导体中，这就是超导体的量子隧道效应，也称为约瑟夫森效应(Josephson effect)。
　　由于具有零电阻、抗磁性和量子隧道效应等奇特的物理特性，超导体自从其被发现以来，超导电性及其应用一直是当代科学技术中*活跃的前沿研究领域之一。超导技术的应用主要包括两个方面：电工学应用和电子学应用。表1.1列出了超导电工技术的主要研究方向及其应用领域。
　　表1.1 超导电工技术的主要研究方向及其应用领域
　　由表1.1可见，超导技术在能源、信息、交通、科学仪器、医疗技术、国防以及重大科学工程等方面均具有重要的应用价值。自从超导体被发现以来，实现超导技术的广泛应用一直是科技人员的共同追求。经过近半个世纪的探索和研究，20世纪60年代，人们制备出实用化的NbTi超导线和Nb3Sn超导线，超导技术特别是超导磁体技术才在实验室得到了实际的应用，但是由于需要液氮温度(4.2K)的工作环境，超导技术难以大面积推广。20世纪80年代以来，超导核磁共振成像系统逐步进入医院，用于临床诊断。1986年，IBM苏黎世研究中心研制出铜氧化合物超导体。1987年，美国华裔科学家朱经武和中国科学家赵忠贤相继研制出忆锁铜-氧(YBCO)超导体，他们把超导体的临界温度提高到了90K以上，使得超导装置工作在液氮温度(77K)成为现实，使人们看到了超导技术广泛应用的曙光。20世纪90年代后期，高温超导材料实用化技术取得了重大的突破，高温超导带材很快进入了商业化阶段，发达国家政府和跨国公司太规模地开展超导应用技术研究，大部分应用产品已开发出样机，并进行了应用试验。目前，各国正进一步加大投入，开始以商业化产品为目标的新一轮研究与开发，超导技术不断取得突破.从“七五”计划以来，在国家863计划和国家重点基础研究计划的支持下，我国在超导物理理论、超导材料及超导技术等方面取得了长足的进步，目前基本处于与国际同步发展的水平。
　　超导电工技术主要是利用超导体的高密度无阻载流特性发展起来的相关应用技术，主要包括超导电力技术和超导磁体技术两个方面。
　　1.2 超导电力技术
　　超导电力技术是利用超导体的无阻高密度载流能力及超导体的超导态正常态相变的物理特性发展起来的应用技术.表1.2列出了超导电力技术的主要研究方向及其对电力工业的作用和影响。
　　表1.2 超导电力技术的主要研究方向及其应用领域
　　从表1.2可以看出，采用超导电力技术，不仅可以明显改善电能的质量，提高电力系统运行的稳定性和可靠性，降低电压等级，提高电网的安全性，使超大规模电网的实现成为可能，而且还可以大大提高单机容量和电网的输送容量，并大大降低电网的损耗。不仅如此，通过超导储能还可大大改善可再生能源的电能质量，并使其与大电网有效地联结。
　　由于超导电力技术具有常规电力技术不可比拟的优势，自从超导体被发现以来，人们就开展了超导电力技术的研究开发工作。20世纪60年代，随着实用化低温超导材料的制备走向成熟，美国、日本和苏联等相继开展了超导电力装置的研制，但是由于液氮温度的冷却成本高、难度大，这些超导电力装置并没有投入实际试验运行。90年代以来，随着高温超导带材走向商品化，世界各国相继开展了超导电力技术的研究开发。美国、日本、欧洲和韩国等都批准了发展超导电力技术的相关计划：美国批准了SPI计划以发展超导电力技术及相关技术，由美国能源部组织国家实验室、大学和相关公司及电力公司联合攻关；日本NEDO、通产省和各大电力公司(如东京电力、九州电力)以及东芝、日立等公司都投资超导电力技术的研究开发；日本政府批准了Super-ACE计划以促进超导电力技术的产业化；韩国政府批准了DAPAS计划，并以商业化为目标，投入资金达1.5亿美元；欧洲一些大的公司如ABB、西门子、NEXANS等也积极投资于该方面的研究，以争取未来的市场，在超导电磁感应加热器研发方面，Zenergy公司已有产品销售。
　　近年来，国际上超导电力装置研发的重点是高温超导限流器、超导储能系统、高温超导电缆、高温超导变压器和高温超导电机.这些超导电力装置已研制出样机，并已经进入示范试验运行阶段，其中，超高电缆己实现挂网试运行。
　　近10年来，我国在超导电力技术方面也取得了重大进展在超导电缆方面，成功研制出75m长、10.5kV/1.5kA和30m长、35kV/1.5kA兰相交流高温超导电缆，并实现了挂网试验运行；在超导限流器方面，研制出10.5kV/1.5kA桥路型和35kV/1.5kA磁饱和型高温超导限流器样机，并投入变电站试验运行；在超导变压器方面，成功研制630kVA/10.5kV三相高温超导变压器样机和单相300kVA机车牵引变压器样机，其中三相高温超导变压器已投入配电网试验运行；在超导储能方面，先后研制出100kJ/25kV、500kJ/150kVA和35kJ/7kW的高温超导储能样机，并在电力系统动态模拟实验室进行了模拟试验运行。
　　1.3 超导电力装置
　　随着我国电力需求量的日益增大和电力工业的发展，人们对电力系统的安全可靠性和电能质量提出越来越高的要求，同时，环保、节能和电力设备的小型化、轻量化也成为共同的追求目标。超导电力技术的应用能够克服常规电力技术的固有缺陷，实现电力工业的重大革新，对于满足我国电力工业发展需要具有重大的意义。超导电力装置主要包括下面7种。
　　1.超导限流器
　　超导故障电流限制器，即超导限流器具有以下优点：能在高压下运行；在正常运行时可通过大电流而只呈现很小的阻抗甚至零阻扰，只在短路故障时呈现一个大阻抗，因而其限流效果非常明显；反应速度快(能在毫秒级的时间内作出反应)，能自动触发和自动复位，同时集检测、触发和限流功能于一体。由于超导限流器具有这些元可比拟的优点，因而被认为是目前*好的而且也是唯一的行之有效的短路故障电流限制装置。
　　通过超导限流器限制短路电流后，不仅可以太太提高电网的稳定性、改善供电的可靠性和安全性、增加电网的输送容量，而且可以显著降低断路器的容量、大大降低电网的建设成本和改造费用、延长电气设备的寿命。因此，超导限流器的研究符合我国电力工业持续发展的需求，具有重大的现实意义。
　　超导限流器从开发适用于配电网的示范样机开始，逐步向适用于高压输电网(电压等级110kV及以上)的限流器方向发展，同时，其种类也将呈现多样化的趋势。
　　2.超导储能革统
　　由于超导储能系统存储的是电磁能，在应用时元须能量形式的转换，因而超导储能系统的响应速度极快，这是其他储能形式无法比拟的，同时，它的功率密度极高，这就保证了它能够非常迅速地以大功率形式与电力系统进行能量交换.相对于其他几种储能技术而言，无论如何发展都不可能消除能量形式转换这一过程，所以无论是现在还是将来，超导储能技术将始终在功率密度和响应速度这两方面保持绝对优势。另外，超导储能系统的功率规模和储能规模可以做得很大，它具有系统效率高、技术较简单、没有旋转机械部分、没有动密封问题等优点。
　　超导储能技术在进行输/配电系统的瞬态质量管理、提高瞬态电能质量、电网暂态稳定性和紧急电力事故应变等方面具有不可替代的作用，为实现我国西电东送和打造新的电力市场机制提供了技术基础，具有广阔的应用前景。
　　超导储能系统主要是发展小型分布式储能系统，用于改善用户端的电力质量和供电可靠性，也可以用于输电网以改善电网的稳定性。
　　3.超导电缆
　　我国城市人口密集，电力负荷增长迅速.随着经济的发展，许多大中城市中心区的电力负荷增容，将面临着地下电缆通道空间有限、新增干线敷设困难的局面。
　　由于采用具有很高的传输电流密度的超导材料作为导体和采用液态氮作为冷却介质，超导电缆具有体积小、重量轻、损耗低以及元火灾隐患的优点。在城市电网设施的改造及增容过程中，超导电缆因其所具有的优越性是常规电缆很好的替代产品，特别是在低电压大容量的场合，超导电缆具有明显的竞争力。随着超导电缆制造技术的发展及超导材料成本的降低，超导电缆将会在短距离大电流输电场合得到应用。
　　超导电缆的应用，将使城市配电网的结构更为简单合理，为实现高密度供电提供技术基础。
　　4.超导变压器
　　超导变压器具有体积小、重量轻、损耗低和元火灾隐患的优点。特别是容量大于30MVA的场合，超导变压器具有更为明显的优势。此外，超导变压器还具有一定的短路电流限制功能。在特殊场合，如地下变电站或电力机车，对电气设备的占空有严格限制，超导变压器也能发挥其体积小的优势。
　　因此，超导变压器在输电和配电系统方面都具有广阔的应用前景，超导变压器的应用对于减少电气设备占地面积、实现变电站的紧凑化具有重要的意义。

目录
前言
第1章 超导电力技术简介 1
1.1 引言 1
1.2 超导电力技术 2
1.3 超导电力装置 4
1.4 超导磁体技术 6
1.4.1 超导磁体在科学工程上的应用 6
1.4.2 超导磁体在科学仪器上的应用 7
1.4.3 超导磁体在电磁感应加热方面的应用 8
参考文献 8
第2章 超导电性基础 10
2.1 超导体的基本特性 10
2.1.1 零电阻效应 10
2.1.2 完全抗磁性——迈斯纳效应 15
2.1.3 约瑟夫森效应 18
2.1.4 超导体的临界参量 20
2.2 超导体的分类及其磁化曲线 23
2.2.1 超导体的相干长度 23
2.2.2 超导体的分类 23
2.2.3 第Ⅰ类超导体及其磁化曲线 24
2.2.4 第Ⅱ类超导体及其磁化曲线 24
2.3 超导体的临界特性参数的测量 29
2.3.1 低温实验常用的低温温度计 29
2.3.2 超导体的临界温度的测量 30
2.3.3 超导体临界电流I的测量 34
2.3.4 临界磁场的测量 40
参考文献 43
第3章 超导体的机械特性和各向异性特性 45
3.1 超导材料的机械特性 45
3.1.1 机械特性的一般描述 45
3.1.2 拉伸特性 46
3.1.3 弯曲特性 47
3.2 超导材料的电磁各向异性 48
3.2.1 高温超导材料临界电流的各向异性 49
3.2.2 高温超导材料n值的各向异性 53
3.3 低温超导材料的临界电流特性 54
3.3.1 NbTi超导材料的临界电流随磁场的变化 54
3.3.2 临界电流随归一化磁场和归一化温度变化的模型 55
3.3.3 Nb3Sn临界电流随磁场变化的模型 55
3.4 超导材料的不可逆场 56
3.5 几种高温超导材料临界电流密度与温度的关系 57
3.6 常用超导材料的热力学特性 58
3.6.1 常用超导材料的热学特性 58
3.6.2 常用超导材料的热收缩特性 61
参考文献 64
第4章 超导体的稳定性 66
4.1 超导体的临界态 66
4.2 超导体的绝热稳定化 67
4.3 磁通跳跃的绝热稳定性 69
4.4 超导体的自场稳定性 73
4.5 超导体的动态稳定性 75
4.5.1 板状复合导体宽边冷却稳定性 77
4.5.2 板状复合导体侧边冷却稳定性 79
4.5.3 载流板状复合超导体的动态稳定性 81
4.5.4 载流圆截面复合超导体的自场动态稳定性 83
4.6 超导体的低温稳定性 87
4.6.1 Stekly参数 87
4.6.2 一维正常传播区 91
4.6.3 三维*小传播区和*小失超能 92
4.7 绝热复合超导体中正常区传播速度 95
4.7.1 纵向传播速度 95
4.7.2 横向传播速度 96
4.8 超导磁体的机械稳定性 98
4.9 超导磁体的退化和锻炼效应 99
4.9.1 超导磁体的退化 99
4.9.2 超导磁体的锻炼效应 100
4.10 超导磁体的失超和保护 101
4.10.1 失超过程中电阻的增长和电流的衰减 101
4.10.2 引起超导磁体失超的原因 107
4.10.3 主动保护 109
4.10.4 被动保护 112
4.10.5 超导磁体失超的数值模拟 118
4.11 超导体稳定性试验 118
4.11.1 磁通跳跃试验 119
4.11.2 超导体失超参数测量技术 120
参考文献 122
第5章 超导体的交流损耗 124
5.1 板状超导体的交流损耗 124
5.1.1 平行交变磁场下的超导板的交流损耗 124
5.1.2 垂直交变磁场下的超导板的交流损耗 127
5.1.3 超导薄板的自场损耗 127
5.1.4 处于交直流磁场中并载有交直流电流的超导薄板的交流损耗 128
5.1.5 载有交直流电流的超导薄板的交流损耗 129
5.1.6 载有交流电流并处于垂直交变磁场中的超导薄板的交流损耗 130
5.1.7 处于垂直交直流磁场中的超导薄板的交流损耗 132
5.1.8 处于垂直和平行交直流磁场中并载有交直流电流的超导薄板的磁通流动损耗 133
5.1.9 处于任何方向交变磁场和交变电流的超导薄板的总交流损耗 136
5.2 圆形截面超导体的交流损耗 137
5.2.1 纵向交变磁场下的圆形截面超导体的交流损耗 137
5.2.2 横向交变磁场下的圆形截面超导体的交流损耗 138
5.2.3 横向交变磁场中有传输直流电流的圆形截面超导体的交流损耗 140
5.2.4 圆形截面超导体的自场交流损耗 141
5.2.5 横向交变磁场中传输交流电流并处于同位相横向交流磁场中的圆形截面超导体的交流损耗 143
5.2.6 处于交变磁场和载有交直流的圆形截面超导体的磁通流动损耗 144
5.3 横向交变磁场中圆形截面柱状混杂超导体的交流损耗 145
5.4 纵向交变场下圆筒超导体的交流损耗 146
5.5 大旋转磁场中的交流损耗 147
5.6 交变磁场和交变电流不同相位时的交流损耗 148
5.6.1 载流超导薄板在不同相位的平行交变磁场中的交流损耗 148
5.6.2 载流超导薄板一侧具有不同相位的平行交变磁场中的交流损耗 149
5.6.3 载流超导薄板两侧对称处于不同相位的平行交变磁场中的交流损耗 151
5.7 其他波形磁场时超导薄板的交流损耗 153
5.8 其他临界态模型的交流损耗 155
5.8.1 Kim模型 155
5.8.2 电压电流幂指数定律模型非线性导体模型 156
5.8.3 Kim-Anderson临界态模型的交流损耗 158
5.8.4 同时考虑阻m-Anderson临界态模型和电压电流幂指数模型的交流损耗 158
5.9 其他形式的交流损耗 159
5.9.1 涡流损耗 159
5.9.2 横向交变磁场中复舍多丝超导体的穿透损耗 161
5.9.3 扭矩的确定 162
5.9.4 纵向交变磁场中的复合导体交流损耗 163
5.9.5 藕合损耗 165
5.9.6 其他波形交变场的涡流损耗 168
5.10 交流损耗测量 170
5.10.1 磁测法 170
5.10.2 电测法 172
5.10.3 热测法 175
5.10.4 电测法和热测法的比较 178
5.11 超导电力装置交流损耗简介 179
5.11.1 超导材料价格及年成本 179
5.11.2 制冷机效率 179
5.11.3 超导电力装置的磁场和交流损耗 180
参考文献 182
第6章 实用超导材料制备工艺简介 184
6.1 NbTi超导线的制备 186
6.2 Nb3Sn超导线的制备 188
6.2.1 内扩散法 188
6.2.2 外扩散法 189
6.3 Nb3AL超导线材的制备 190
6.4 MgB2线材的制备 191
6.5 第一代高温超导带材的制备 193
6.6 第二代高温超导带材——YBCO涂层导体 196
6.6.1 基板及织构化隔离层 197
6.6.2 高临界电流密度超导层的沉积 198
参考文献 199
第7章 高温超导带材临界电流和n值的非接触测量原理和技术 202
7.1 临界电流和n值简介 202
7.2 高温超导带材临界电流的非接触测量技术 203
7.2.1 剩余磁场法 203
7.2.2 交流磁场感应法 204
7.2.3 力学方法 206
7.3 高温超导带材n值的非接触测量技术 208
7.3.1 磁滞损耗分量法——变幅值法 208
7.3.2 基波分量法变频法 209
7.3.3 三次谐波分量法 210
7.4 实用长度高温超导带材临界电流和n值均匀性的分析 211
7.4.1 高斯分布统计法 211
7.4.2 Weibull统计分布 212
7.5 下一步临界电流和n值的非接触测量技术 213
参考文献 213
第8章 低温绝缘材料及其电性能 216
8.1 超导电力装置对低温绝缘材料的要求 216
8.2 低温气体的绝缘特性 216
8.2.1 常用低温气体的绝缘特性 216
8.2.2 其他气体的绝缘特性 220
8.3 低温介质的绝缘特性 220
8.3.1 低温介质的性能比较 220
8.3.2 低温介质的电性能 221
8.4 有机绝缘薄膜材料的绝缘特性 229
8.4.1 薄膜材料的热力学性能 229
8.4.2 薄膜材料的电阻率 232
8.4.3 薄膜材料的介电常数 232
8.4.4 介质损耗 234
8.4.5 击穿电压 236
8.4.6 电老化特性 238
8.5 低温绝缘漆和低温黏合剂 240
8.6 低温绝缘结构材料 242
8.7 无机绝缘材料 244
8.7.1 玻璃的热力学性能 244
8.7.2 陶瓷的电特性 245
8.7.3 云母玻璃的热力学和电学特性 246
参考文献 248
第9章 低温容器与低温制冷 249
9.1 低温冷却介质 249
9.2 低温容器 251
9.2.1 低温绝热基础 252
9.2.2 低温绝热的基本类型和结构 261
9.2.3 低温容器的结构设计 272
9.2.4 低温介质输液管及低温管道 275
9.2.5 极低温容器——双社瓦结构容器 277
9.3 低温制冷 278
9.3.1 低温制冷原理和制冷机 278
9.3.2 适合于超导电力装置的制冷机的选择 284
9.4 超导电力装置的冷却技术 285
9.4.1 开式浸泡式冷却 285
9.4.2 闭式减压浸泡式冷却 286
9.4.3 闭式浸泡式冷却 286
9.4.4 迫流循环冷却 287
9.4.5 制冷机直接冷却 288
参考文献 289
第10章 超导电力装置供电技术 291
10.1 电流引线的设计 291
10.1.1 传导冷却电流引线 292
10.1.2 传导冷却电流引线近似设计 295
10.1.3 可插拨(拆卸)电流引线 300
10.1.4 气冷电流引线 300
10.1.5 高温超导电流引线 303
10.1.6 瑞尔帖热电效应 305
10.1.7 瑞尔帖气冷电流引线 308
10.2 超导开关 313
10.2.1 低温超导开关的设计 314
10.2.2 高温超导开关的设计 314
10.2.3 超导开关的制造 315
10.3 超导磁通泵 317
10.3.1 超导磁通泵的工作原理 317
10.3.2 变压器型超导磁通泵 318
10.3.3 超导永磁体磁通泵 319
参考文献 321
附录 323
A1 复合导体热容、热导率和电阻率的计算