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超導發電機
李楊凱
延邊大學物理系2010級
(關鍵詞:超導、超導發電機、勵磁繞組、零電阻)
超導由荷蘭萊頓大學的卡末林—昂內斯于1911年意外發現，他將汞冷卻到-268.98?時，汞的電阻突然消失;后來他又發現許多金屬和合金都具有與上述汞相類似的低溫下失去電阻的特性。
超導體的直流電阻率在一定的低溫下突然消失，被稱作零電阻效應。導體沒有了電阻，電流流經超導體時就不發生熱損耗，電流可以毫無阻力地在導線中形成強大的電流，從而產生超強磁場。
超導使物理的性質與平常狀態不太相同，具有了一些特殊的性質。利用物質的超導，可以制造超導發電機。
一、基本結構
同步發電機中勵磁繞組傳輸直流電流，電樞繞組承載交變電流，在穩定運行時電樞繞組的交流磁場和轉子同步旋轉，兩者相對靜止，對轉子而言其背景磁場是直流磁場，同時由于超導體在交變磁場中會產生交流損耗，因此僅在勵磁繞組中使用超導材料的半超導發電機比勵磁和電樞繞組都采用超導線繞制的全超導發電機要容易實現。到目前為止，大部分超導發電機均屬半超導發電機。
超導同步發電機的勵磁繞組將能產生很強的氣隙磁場，因而在超導電機的轉自繞組磁路中不需要設置軟磁鐵磁路。
但為承受很大的電磁力，轉子結構必須用飛磁性高強度材料構成，轉子勵磁繞組要用液氦或液氮進行冷卻。為防止熱輻射減少漏熱，超導同步發電機的轉子多采用具有真空夾層的多層圓筒結構，轉子內筒為冷卻劑儲槽，內筒外為超導繞組及其支撐、輻射熱屏蔽筒及阻尼筒。
二、基本特點
超導體的高載流能力決定了超導發電機的結構和特性:可以去除轉子和定子繞組鐵芯，運行在遠高于鐵芯飽和磁密的高磁場強度下，且沒有銅損。與常規發電機相比較，超導發電機具有極大的優越性:
(1)在相同的容量定額下，體積小、重量輕。
(2)損耗小效率高。
轉子繞組采用超導線繞制，運行時，超導繞組電阻幾乎為零，沒有焦耳熱損耗。
(3)系統穩定性提高。
(4)發電機輸出功率范圍增大。
(5)絕緣設計較為簡單。
三、發展與研究現狀
20世紀60年代，美國首先研制成功一臺8kW的4極超導發電機，其勵磁繞組是用NbZr超導線制成，電樞繞組仍采用銅導線。
1969年，麻省理工學院研制成功一臺45kVA超導發電機，它已成為現代超導發電機基本結構的原型。
1977年上海發電設備成套設計研究所研制實驗了一臺400kVA超導同步發
電機，在此基礎上于1981年又開始研制一臺400,800kVA超導同步發電機，并進行過并網實驗，其最長發電時間達,h。
1987年日本開始研制70MW級的超導發電機，并于1999年通過了77kV/6.6kV電網成功地并網運行，該發電機最大出力達79MW，連續運行時間達1500h。
在全超導發電機方面，1989年法國開發出了世界上第一臺全超導發電機，額定容量18.5kVA，但輸出電流僅28A。
1991年，日本佐賀大學和橫濱大學分別開發出了19.6kVA和30kVA的更大輸出電流的全超導發電機。
四、關鍵技術問題
超導發電機還出于研制階段，許多關鍵技術問題有待解決:如需要高電流密度、低損耗、高穩定性的超導材料;解決超導勵磁線圈機械結構;超導帶材料焊接部位結構的可靠性;構造常溫阻尼器;研究超導發電機內冷卻技術和實現氣隙、電樞結構最優化等。
參考文獻:
時東陸，周午縱，梁維耀?！陡邷爻瑢醚芯俊?。上?？茖W技術出版社。2008，10。400頁