超导电缆输电原理?

超导电缆的结构通常采用同轴方式，由两个或多个超导同轴圆柱组成。图示为单回路三相(a)以及双回路六相(b)交流超导电缆的结构示意图,每相均由双层同轴超导体组成,中间设有电绝缘层。超导电缆采用同轴结构的原因在于要提高超导电缆的工作电流需采取措施屏蔽这些电流产生的磁场，而同轴结构只在超导体层之间存在磁场。其次，超导输电不要求很高的电压就可以传输很大的容量，但交流超导输电受到静态稳定的限制，同轴结构减小了线路的电感，可以使静态稳定极限大幅度增加。

　　研制液氮温区内临界电流密度高的超导体给发展超导输电提供新的前景，因为液氮冷却系统的技术比液氦系统简单，成本也低得多。

中国科学院等离子物理研究所宣布，我国的超导托卡马克实验装置EAST即人造太阳，已实现了世界上第一个高约束操作，即5000万度等离子体连续放电1012秒，创造了世界上的物理奇迹，中国科学院合肥研究所等离子研究所副所长表示，实际上每一次进步，物理实验的每一次成功都伴随着很多工程，要做很多验证实验，经历很多失败。

实际上科学院的人每天放电了数千次，但失败了许多次，他们现在已按顺序排放了70,000多次，里面的核心部件就是这样的真空环形舱，在这个真空环形舱中，有许多聚变燃料核，它们的温度为数千万度甚至数亿度，真空室外面被水平和垂直的超导线圈密集地覆盖着，看起来像一个甜甜圈，悬浮在真空室内，急剧变化的燃料核在甜甜圈中运行并碰撞，大量的溢出能量将被生产。

刷新世界纪录的研究人员正在准备新一轮的实验，冲刺更高的实验温度和更长的实验时间。中国科学院合肥研究所等离子体研究所副所长带领着科学家们正在冷却整个超导磁体，将整个磁体减小到负269度，从而使整个磁体进入超导状态，在真空室周围，科学家将使用自行开发的超导线来形成强磁场，以约束内部燃料。

这是一条小于1毫米的超导线，其中有成千上万的超导线，每根导线只有6微米，大约是头发的十分之一。 我认为我国已经成为聚变科学和技术领域的世界领导者，更重要的是，我国有一个雄心勃勃的计划来建造自己的聚变工程实验堆，这将重新定义世界的聚变能发展速度和过程，我真的为此感觉到骄傲。

楞次定律：感应电动势总有这样的方向，即它产生的感应电流在回路中产生的磁场会阻碍引起感应电动势的磁通量的变化。

超导体的一个特点：超导体内电场总为零。这是因为对于超导体来说，由于它的电阻为零，即使在其中有电流产生，维持该电流也不需要加电场。

超导线圈有如下重要特性：超导环内的磁通量（这个是指穿过线圈的所有磁通的总和）是不能变的。因为如果改变了，根据电磁感应定律，在环内就产生电场，这和超导体内电场为零是矛盾的。

那么在磁铁从无穷远靠近超导线圈的过程中，线圈会产生阻碍磁铁靠近的电流（即磁场）。至于靠近的过程中电流的大小如何变化，这要看磁铁的磁场在线圈内产生的磁通量的大小（而不是磁通量的变化率）如何变化：要是一直变大，则感应电流一直变大。

这样，可以得知：在整个过程中，线圈中有感应电流的产生。但是在磁铁回到无穷远处以后，线圈内电流恢复为零。

貌似我没有用到楞次定律，但是楞次定律是电磁感应定律的一个等价定律。如果再从能量守恒的观点出发的话，磁铁和超导线圈组成的系统是个与外界没有能量交换也没有物质交换的封闭系统，由于磁铁前后状态没有发生任何改变（初始时是在无穷远处，末时也在无穷远处），那么超导线圈当然也不会产生多余的能量（电流），即最后当然不会有电流存在！

TU1一号 无氧铜化学成分力学性能介绍

牌号：TU1

TU1一号 无氧铜化学成分：

品牌：绿兴金属

规格：板，棒，线，带，管，异形材料，毛细管

Cu：9997

P：0002

Bi：0001

Sb：0002

As:0002

Fe：0004

Ni：0002

Pb：0003

Sn：0002

S：0004

Zn：0003

O：0002

TU1一号 无氧铜力学性能用途：

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不含氧也不含任何脱氧剂残留物的纯铜。但实际上还是含有非常微量氧和一些杂质。按标准规定，氧的含量不大于0003%，杂质总含量不大于005%，铜的纯度大于9995%。

无氧铜制品主要用于电子工业。常制成无氧铜板、无氧铜带、无氧铜线等铜材。

无氧铜（oxygen-free copper）

根据含氧量和杂质含量，无氧铜又分为一号和二号无氧铜。一号无氧铜纯度达到9997%，氧含量不大于0003%，杂质总含量不大于003%；二号无氧铜纯度达到9995%，氧含量不大于0005%，杂质总含量不大于005%。

无氧铜无氢脆现象，导电率高，加工性能和焊接性能、耐蚀性能和低温性能均好。各国对于含氧量的标准也不完全相同，存在一定的差异。

OFC（无氧铜）：纯度为99995% 的金属铜。一般用于音响器材、真空电子器件、电缆等电工电子应

用之中。其中无氧铜中又有深圳市绿兴金属有限公司成立于2008年，位于深圳市龙岗区龙岗大道建材市场，占地面积40多亩，公司注册资金1000万元，是一家集生产与销售一体的公司。绿兴金属公司目前主要经营进口及国产优质硅青铜，紫铜，锡青铜，无氧铜，铍铜，铍青铜，铝青铜，碲铜，白铜，钨铜，磷铜，铅黄铜，合金铝，纯铝、透气钢，钛合金等金属原材料。 材料规格分为以下几大总类：薄板，中厚板，棒，线，带，箔，管，扁条，六角棒，六角管，方棒，方通。

LC-OFC（线形结晶无氧铜或结晶无氧铜）：纯度在99995%以上和OCC（单晶无氧铜）：纯度最高，在99996%以上，又分为PC-OCC和UP-OCC 等。

采用UP-OCC技术（Ultra Pure Copper by Ohno Continuous Casting Process）制造的单结晶无氧铜，无方向性、高纯度、防腐蚀、极低的电气阻抗使得线材适合高速优质的传

输信号。

无氧铜的熔炼

严格区分，无氧铜应分为普通无氧铜和高纯无氧铜。普通无氧铜可以在工频有铁心感应电炉中进行熔炼，高纯无氧铜的熔炼则应该在真空感应电炉中进行。

采用半连续铸造方式时，熔体在熔炼炉和保温炉内的精炼过程可以不受时间约束。连续铸造则不同，铜液的质量不仅依赖于熔炼炉和保温炉的精炼质量，更重要的是还需要依赖于整个系统和全过程的稳定性。

为了不使熔体被污染，无氧铜熔炼一般不采用任何添加剂的方式熔炼和精炼，熔池表面覆盖木炭以及所形成的还原性气氛是普遍采用的熔炼气氛。

感应电炉

熔炼无氧铜的感应电炉应该具有良好的密封性。

熔炼无氧铜应该以优质阴极铜作为原料。熔炼高纯无氧铜，应该以高纯阴极铜作为原料。阴极铜在进入炉膛之前，如果先经过干燥和预热，可以除去其表面可能吸附的水分或潮湿空气。

熔炼无氧铜时炉内熔池表面上覆盖的木炭层厚度，应该比熔炼普通纯铜时加倍，并需要及时更新木炭。木炭覆盖尽管有许多优点，例如保温、隔绝空气和还原作用，然而它同时存在一定的缺点。例如木炭容易吸附潮湿空气，甚至直接吸收水分，从而成为可能使铜液大量吸收氢的渠道。

木炭或一氧化碳对氧化亚铜具有还原作用，但对于氢则完全无能为力。因此，木炭在加入炉内之前，应该进行仔细挑选和煅烧。

在熔炼、转注、保温以及整个铸造过程中，对熔体采取全面的保护是无氧铜生产的必要条件。许多现代化的无氧铜熔炼铸造生产线，不仅熔炼，包括炉料的干燥预热、转注流槽、浇注室等都采取了全面的保护。

现代化的大型无氧铜生产线，有些是以发生炉煤气作为保护性气体，而煤气发生炉则大都以天然气为原料。

国外普遍采用的一种保护性气体的制造方法是：首先使硫含量比较低的天然气和94%～96%甲烷用理论值空气进行燃烧，以氧化镍为媒介除去氢，制成的气体主要由氮和碳酸气组成。然后，通过热木炭使碳酸气变成一氧化碳，得到含一氧化碳为20%～30%，其余为氮的无氧气体。

除发生炉煤气外，也有采用氮、一氧化碳或氩等气体作为无氧铜熔体保护或精炼用介质材料。

真空熔炼

真空熔炼应该是熔炼高品质无氧铜的最好选择。

真空熔炼不仅可以使氧含量大大降低，同时也可以使氢以及某些其他杂质元素的含量亦同时大大降低。

在真空中频无芯感应炉内熔炼时，多采用石墨坩埚和选用经过两次精炼的高纯阴极铜或重熔铜作为原料。与阴极铜一起装入炉内的，还包括用以脱氧的鳞片状石墨粉。其实，脱氧主要是通过石墨坩埚材料中的碳进行。碳的消耗量，可以通过计算得知，例如1 kg铜消耗100 g碳。经验表明，开始时铜液中氧含量越高，熔炼初期脱氧反应进行得越迅速。

通过真空熔炼获得的无氧铜，其氧含量可以低于00005%，氢含量低于00001%～00003%。实际上，只有在一定的真空度下熔炼和铸造的铜，才可能获得完全不含氧和其他气体的铸件，因此生产电子管用铜材所用真空炉的真空度应在10-6以上。

氧铜杆和无氧铜杆

氧铜杆和无氧铜杆由于制造方法的不同，致使存在差别，具有各自的特点。

1）关于氧的吸入和脱去以及它的存在状态

生产铜杆的阴极铜的含氧量一般在10～50ppm，在常温下氧在铜中的固溶度约2ppm。低氧铜杆的含氧量一般在200（175）～400（450）ppm，因此氧的进入是在铜的液态下吸入的，而上引法无氧铜杆则相反，氧在液态铜下保持相当时间后，被还原而脱去，通常这种杆的含氧量都在10～50ppm以下，最低可达1～2ppm，从组织上看，低氧铜中的氧，以氧化铜状态，存在于晶粒边界附近，这对低氧铜杆而言可以说是常见的但对无氧铜杆则很少见。氧化铜以夹杂形式在晶界出现对材料的韧性产生负面影响。而无氧铜中的氧很低，所以这种铜的组织是均匀的单相组织对韧性有利。在无氧铜杆中的多孔性是不常见的，而在低氧铜杆中则是常见的一种缺陷。

2）热轧组织和铸造组织的区别

低氧铜杆由于经过热轧，所以其组织属热加工组织，原来的铸造组织已经破碎，在8mm的杆时已有再结晶的形式出现，而无氧铜杆属铸造组织，晶粒粗大，这是为什么，无氧铜的再结晶温度较高，需要较高退火温度的固有原因。这是因为，再结晶发生在晶粒边界附近，无氧铜杆组织晶粒粗大，晶粒尺寸甚至能达几个毫米，因而晶粒边界少，即使通过拉制变形，但晶粒边界相对低氧铜杆还是较少，所以需要较高的退火功率。对无氧铜成功的退火要求是：由杆经拉制，但尚未铸造组织的线时的第一次退火，其退火功率应比同样情况的低氧铜高10～15%。经继续拉制，在以后阶段的退火功率应留有足够的余量和对低氧铜和无氧铜切实区别执行不同的退火工艺，以保证在制品和成品导线的柔软性。

3）夹杂，氧含量波动，表面氧化物和可能存在的热轧缺陷的差别

无氧铜杆的可拉性在所有线径里与低氧铜杆相比都是优越的，除上述组织原因外，无氧铜杆夹杂少，含氧量稳定，无热轧可能产生的缺陷，杆表氧化物厚度可达≤15A。在连铸连轧生产过程中如果工艺不稳定，对氧监控不严，含氧量不稳定将直接影响杆的性能。如果杆的表面氧化物能在后工序的连续清洗中得以弥补外，但比较麻烦的是有相当多的氧化物存在于“皮下”，对拉线断线影响更直接，故而在拉制微细线，超微细线时，为了减少断线，有时要对铜杆采取不得已的办法——剥皮，甚至二次剥皮的原因所在，目的要除去皮下氧化物。

4）低氧铜杆和无氧铜杆的韧性有差别

两者都可以拉到0015mm，但在低温超导线中的低温级无氧铜，其细丝间的间距只有0001mm

5）从制杆的原材料到制线的经济性有差别。

制造无氧铜杆要求质量较高的原材料。一般，拉制直径>1mm的铜线时，低氧铜杆的优点比较明显，而无氧铜杆显得更为优越的是拉制直径<05mm的铜线。

6）低氧铜杆的制线工艺与无氧铜杆的有所不同。

低氧铜杆的制线工艺不能照搬到无氧铜杆的制线工艺上来，至少两者的退火工艺是不同的。因为线的柔软性深受材料成份和制杆，制线和退火工艺的影响，不能简单地说低氧铜或无氧铜谁软谁硬。

铜具有高的电导率和热导率、良好的可焊性、优良的塑性和延展性、极好的冷加工性能且无磁性，而弥散无氧铜又克服了退火后屈服强度较低和高温下抗蠕变差的缺点，具有高温、高强度和高热导率的特性，受到电子材料专家的高度重视。铜及其合金已在电子工业中得到广泛应用，在真空电子器件中，无氧铜已居该领域中七大结构材料中用量之首。

含氧量是无氧铜最重要的性能之一，由于氧和铜固熔量很小，因而无氧铜中之氧，实际是以Cu2O形式而存在。在高温下，氢以很大的速度在铜中扩散，遇到Cu2O并将其还原，产生大量的水蒸气。水蒸气的数量比例于铜的含氧量。例如，001%含氧量的铜，退火后，在100g铜中会形成14cm3的水蒸气，该水蒸气不能经致密铜而扩散，因而在存在Cu2O的地方，会产生几千兆帕压力，从而使铜破坏并产生脆裂和失去真空致密。因而，对氧含量必须进行严格限制。

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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）。超导现象的特征是零电阻和完全抗磁性，因此超导现象在生活中应用广泛；特征如下：

1、完全抗磁性

1933年，德国物理学家迈斯纳（WMeissner）通过实验发现：当置于磁场中的导体通过冷却过渡到超导态时，原来进入此导体中的磁感线会一下子被完全排斥到超导体之外，超导体内磁感应强度变为零，这表明超导体是完全抗磁体。这个现象称为迈斯纳效应。

2、存在临界磁场

实验表明，超导态可以被外磁场所破坏，在低于Tc的任一温度T下，当外加磁场的磁感应强度B小于某一临界值Bc时。超导态可以保持;当B大于Bc 时，超导态会被突然破坏而转变成正常态。临界磁场Bc不仅与超导体本身性质有关，还与温度T有关。

3、同位素效应

超导体的临界温Tc与其同位素质量M有关。M越大，Tc越低，这称为同位素效应。例如，原子量为19955的汞同位素，它的Tc是418开，而原子量为2034的汞同位素，Tc 为4146开。

超导体的应用

1、零电阻输电

在电网的输电过程中，电能的损耗在5%-7%，如果国家电网都用超导线进行输电，则年可节约几千亿度电，这对节约能源、减少碳排放有重要作用。

2、磁悬浮列车

磁悬浮列车的速度可达600km/h，若放在真空管道，则可达3000km/h以上，可极大提高运输效率。

3、核磁共振

稳定的强磁场可以给医院的核磁共振设备带来更加精确的检测结果。

4、超导量子干涉仪

利用超导体的约瑟夫森效应可以做成超导量子干涉仪，其对磁场的测量精度可达地磁场的亿分之一，是非常重要的科研仪器。

5、回旋加速器

欧洲核子研究中心的回旋加速器，使用了约1200吨的超导线材，以帮助提供稳定的强磁场，以实现粒子的偏转。

6、可控核聚变

在目前的托卡马克核聚变装置中，仅超导线材的长度就达到了15万公里，这些超导体可以提供强磁场来束缚上亿度的等离子体。

7、量子计算机

有理论表明，量子计算机的计算能力相较于普通计算机有质的飞跃，其中的超导芯片可以在提高运算速度的同时，也降低功耗。