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超导发电机
李杨凯
延边大学物理系2010级
(关键词:超导、超导发电机、励磁绕组、零电阻)
超导由荷兰莱顿大学的卡末林—昂内斯于1911年意外发现，他将汞冷却到-268.98?时，汞的电阻突然消失;后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性。
超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消失，被称作零电阻效应。导体没有了电阻，电流流经超导体时就不发生热损耗，电流可以毫无阻力地在导线中形成强大的电流，从而产生超强磁场。
超导使物理的性质与平常状态不太相同，具有了一些特殊的性质。利用物质的超导，可以制造超导发电机。
一、基本结构
同步发电机中励磁绕组传输直流电流，电枢绕组承载交变电流，在稳定运行时电枢绕组的交流磁场和转子同步旋转，两者相对静止，对转子而言其背景磁场是直流磁场，同时由于超导体在交变磁场中会产生交流损耗，因此仅在励磁绕组中使用超导材料的半超导发电机比励磁和电枢绕组都采用超导线绕制的全超导发电机要容易实现。到目前为止，大部分超导发电机均属半超导发电机。
超导同步发电机的励磁绕组将能产生很强的气隙磁场，因而在超导电机的转自绕组磁路中不需要设置软磁铁磁路。
但为承受很大的电磁力，转子结构必须用飞磁性高强度材料构成，转子励磁绕组要用液氦或液氮进行冷却。为防止热辐射减少漏热，超导同步发电机的转子多采用具有真空夹层的多层圆筒结构，转子内筒为冷却剂储槽，内筒外为超导绕组及其支撑、辐射热屏蔽筒及阻尼筒。
二、基本特点
超导体的高载流能力决定了超导发电机的结构和特性:可以去除转子和定子绕组铁芯，运行在远高于铁芯饱和磁密的高磁场强度下，且没有铜损。与常规发电机相比较，超导发电机具有极大的优越性:
(1)在相同的容量定额下，体积小、重量轻。
(2)损耗小效率高。
转子绕组采用超导线绕制，运行时，超导绕组电阻几乎为零，没有焦耳热损耗。
(3)系统稳定性提高。
(4)发电机输出功率范围增大。
(5)绝缘设计较为简单。
三、发展与研究现状
20世纪60年代，美国首先研制成功一台8kW的4极超导发电机，其励磁绕组是用NbZr超导线制成，电枢绕组仍采用铜导线。
1969年，麻省理工学院研制成功一台45kVA超导发电机，它已成为现代超导发电机基本结构的原型。
1977年上海发电设备成套设计研究所研制实验了一台400kVA超导同步发
电机，在此基础上于1981年又开始研制一台400,800kVA超导同步发电机，并进行过并网实验，其最长发电时间达,h。
1987年日本开始研制70MW级的超导发电机，并于1999年通过了77kV/6.6kV电网成功地并网运行，该发电机最大出力达79MW，连续运行时间达1500h。
在全超导发电机方面，1989年法国开发出了世界上第一台全超导发电机，额定容量18.5kVA，但输出电流仅28A。
1991年，日本佐贺大学和横滨大学分别开发出了19.6kVA和30kVA的更大输出电流的全超导发电机。
四、关键技术问题
超导发电机还出于研制阶段，许多关键技术问题有待解决:如需要高电流密度、低损耗、高稳定性的超导材料;解决超导励磁线圈机械结构;超导带材料焊接部位结构的可靠性;构造常温阻尼器;研究超导发电机内冷却技术和实现气隙、电枢结构最优化等。
参考文献:
时东陆，周午纵，梁维耀。《高温超导应用研究》。上海科学技术出版社。2008，10。400页