高温超导材料在铁路上的运用_动车论坛_.doc

高温超导材料在铁路上的运用1、引文超导技术应用在铁路上存在广泛的可能性，超导磁悬浮列车以及相应的研发使其应用于实际正在火热的进行中。电气化铁路具有例如产生，传送，收集，改变和储存电，并将其提供到动力设备的基本功能。日常运行的电力和通信系统是保证一个安全可靠运输系统的重要因素。包括无损评价的调查日夜不停的进行，以确定车辆，轨道，结构和电力设施的安全。众所周知，铁路系统具有高能效率和低环境影响的特点。不过，我们应该在减少铁路运输系统能耗和提高其效率上继续努力。1000米的老的软导线已经发展成为银纸包裹着的，BiSrCaCuO系超导线缆，这种线缆当温度达到77K时表现出高临界电流密度。最新研究显示熔融过程中的RE-Ba-Cu-O（RE指稀土元素，Y， Nd，Sm等）超导体在77K时具有高临界电流密度，并且在强磁场也表现出相同的性质，这些材料，比如用液体氮冷藏的超导永磁体，做为理想材料应用于高端领域。尽管如此，将超导体应用于实际当中还需要很长的路要走，在现有的设备可被考虑替换之前，还有许多技术问题需要解决。最好的办法是找出其具有的，而传统技术不能认识和解决的功能和特性。超导技术被认为是二十一世纪关键的工业技术之一。在介绍完高温超导材料之后，本文接着讨论了超导体在电气化铁路上应用的可能性，比如用于电力机车牵引变压器，SMES系统，整速轮和电缆等。2、高温超导体21 RE-Ba-Cu-O超导体高温超导体，是一种工业陶瓷，在高温下能瞬间导热，进行氧化，从普通导体转化为超导体，这时的温度被称为临界温度。从发现LA系开始，当发现Y系（Y-Ba-Cu-O）和Bi系（Bi-Sr-Ca-Cu-O）时，超导温度迅速增加到超过90K，如图1中所示。这些由重金属或者稀土元素（例如LA，Y，BI等）和Ba, Cu 和 O组成。具有最高超导温度的TI系和Hg系随后也被发现了。其它的许多物质，例如无铜超导体和有机超导体也被发现了。不过专家证实，室温条件下的超导体尚未被发现。高温超导体是二维的，并呈各向异性晶体形态。高温导体是坚硬性及脆性，并且是有空隙的，因此自发现以来就伴随着技术难题。对高温超导体进行机械加工是很不容易的，而这种加工正是制造超导线缆必不可少的。应当指出，在以正常烧结方式获得氧化物，Y123或者RE123系之后，由于熔融加工，高温超导体的性能被极大的提升了，这种熔融加工适用于从熔体的热处理，与金属凝固过程类似。然后，高温超导体临界温度时的密度就提升了一个数量级。LRE-Ba-Cu-O（LRE代表轻稀土）超导体，例如Nd (Nd-Ba-Cu-O) 和Sm 系，在稍后时间内被研发了出来，临界温度时的密度又被大量的提升了。超导材料在应用于制造机械设备时，应该是呈大块的和均匀的。以下三种在规格上的进步应该能满足在应用上的需求：扩大的均匀的体积，载流量密度和相当磁场流的提升，以及机械特性的提升。量化目标就是在77K温度时， 制造一个直径大于10厘米的，3吨到5吨的或者更大的磁场，如图2所示。图3所示为SM1223单域成批超导体的光学外观，这种超导体就是铁路技术研究所利用Nd123/MgO薄膜播种技术熔化加工而制造的。在这个实验中，我们准备了2030mm510 mm大小的圆柱前体颗粒，SmBaCu0，5-40mol% SmBaCu0(Sm211)，10wt%Ag0，以及0.5wt%Pt，以氧化钐，碳酸钡和氧化铜粉末为载体。(001)Nd123/MgO薄膜被置于圆柱体顶端，并在热循环前置于室温之中这就是所谓的冷却播种方法。然后，我们采用1060-1100的最高温度和一定的保温温度，例如，1020对应T = 5冷却程度。在给予一个5-20小时的保温时间之后，样品被淬火或者快速冷却到室温。可见，c-轴的晶体几乎是垂直于样品表面的大部分。最后，近一段时间内，在REBaCuO研发领域的热门话题一直是Y123系统的涂层导体。这种导体被称为第二代抑或是下一代电线。这种材料较之Bi电线具有更高的密度，并且现在，与更高密度的材料一起，日本、美国和欧洲国家就些继续进行研发工作。2、超导技术在铁路的应用4.1 应用可能性 大量的超导技术已经应用在铁路上，在近一段时间超导磁悬磁列车的研发工作将着手。显而易见，电气化具有例如产生，传送，收集，改变，并且储存电以及将电能转化为动能的基本功能。日常运行的电力和通信系统是保证一个安全可靠运输系统的重要因素。包括无损评价的调查日夜不停的进行，以确定车辆，轨道，结构和电力设施的安全。在传统的铁路上，例如在电力机车牵引变压器，SMES系统，整速轮和电报都具有潜在的应用。专家们也有兴趣将超导量子干涉传感器应用于NDE设备中。而且，在磁分离，FCLS，电动机和作动器也有潜在的应用价值，就像电力设备中的相似项目一样。在磁悬浮列车系统中，超导磁体，电流引线和磁屏蔽也具有应用前景。42 牵引供电变压器就铁路变压器而言，在它能节省能量和降低维修费用时尽可能的减少重量是关键。超导供电变压器应用于交流电的车辆是最有前途的应用之一，因为这种变压器，包括它的制冷机，低温恒温器，液氮将比传统的铜-铁变压器轻。高温超导供电变压器的可行性已经开始调查了。列车的主要研发标准是高速运行，安全，可靠，低环境影响和低维护。比如，基于交流电的新干线上的牵引供电变压器遵循以下操作限制：1、强烈要求减少重量2、他们的能力与电力相较较小，只有几兆瓦3、额定电压25千伏，额定电流约1000安4、单相5、存在电源瞬时断路，当经过喂养节的边界地带是会产生过激电流6、次电流包括谐波分量，因为第二部分与接通动力变换器的半导体相连接7、严禁变压器放在车地板下8、在运行过程中有机械振动和冲击初步设计说明当AC损失可以减少时，高温超导变压器的重量将小于生产几兆瓦的一台传统的变压器的总重量。损失量决定变压器的总重，主要是国为这个冷却器的容量由AC损失的热耗散，而这个冷却器的重量取决于容量。43储能：超导储能（SMES）能量贮存是最重要的未来科技之一。由于环境问题的存在，使得自然资源和能源的问题被广泛的意识到。有预言，对由长期和大能力贮能装置供能的电力设备的需求的增长主要在都市通勒列车，这归因于电力负荷的变化，以及早晚火车频繁运行带来的对电力需求的增加。自从最新刹车系统已经得到广泛使用，最新的电力供应线效率的提高同样被期待着。SMES系统，能储存电力作为磁能，以高储存效率和快速的储存和释放为特色。他可以用来均衡负荷，调节负荷变化，使电力系统稳定，并且作为备用电力。据SMES专家称，在电气化铁路上，具有几兆瓦的高温超导储能系统的概念设计已经被用于平均化处理高铁的负荷。在这种情况下，能力为0.5兆瓦的SMES系统对负荷有平均效应。例如，数米的环形SMES的外径被考虑，以提升高铁的利用空间。第二个例子是一种磁悬浮列车系统的SMES概念设计，采用NbTi超导线缆，源自专家关于一种环形SMES可以储能几兆瓦的概念设计，而它采用的是新一代的YBaCuO线缆。它们假定了磁悬浮列车的速度和时间间隔，变电站的位置和最大的电力。之后，给出了线圈的尺寸和数量。44 能源贮存II：飞轮飞轮具有通过改变电流成为旋转能源，而储存能源的功效。飞轮可以储存电能，是因为其可以高速旋转。它也可以通过旋转将旋转能源改变为电力来释放旋转能源，以达到电力负荷的平均值。减小损失和电力贮存几小时的指令们可以通过磁悬浮旋转来实现，而这是基于高TC超导体应用之上的非接触性支持。另一方面，传统机械飞轮的损耗是较大的，而且只能应用几秒钟。这种飞轮是基于的原则和超导磁轴承的结构，以及磁钉原则，标志着非接触式和磁悬浮旋转，使用旋转轴和氧化物超导的定子永久磁铁。在工业中，已经制造出0.5-1千瓦时标准的飞轮模型，在新能源产业技术综合开发机构（NEDO）的项目，研发的10千瓦级中型模型和未来的100千瓦时类的前期调研已经在进行之中。在铁路的应用之中，飞轮可用于保存可再生能源，并补偿料线电压。一个传统的列车上线动能约100兆焦耳。例如容量为90兆焦耳（25千瓦时）的飞轮，使用变电站直流电压调节能力，配备机械轴承，就已经应用在日本京滨铁路之上。45 电力传输线缆超温超导线缆需要超导材料具用高电流密度，并且产生的磁场相对很弱。关于超导线缆的研发在世界范围内广泛的开展起来。在日本，一家电力公司已经提出一种66KV，9000A