北极星智能电网在线讯:超导技术是近期全球科学工作者讨论、研究的热点。超导技术到底是什么？它能给人类社会带来什么样的改变？事实上，超导技术应用范围很广，已经在能源、交通、医学等领域产生了很大的影响。核磁共振成像、磁悬浮列车等都使用了超导技术。超导技术在能源电力领域的应用可大幅提高电力系统的运行效率，降低能源损耗，助推能源电力行业可持续发展。
超导体具有低电阻和排斥磁场的特性
超导是指某些材料在极低温度下（通常低于临界温度）表现出零电阻和完全排斥磁场的特殊状态。要理解这一现象，首先需要了解电阻和磁场。
手机在充电时发热是因为电流通过导体时产生了热量，这个热量的来源就是电阻。电阻的产生是由于电子在材料内部运动时会遇到各种阻碍。而在超导材料中，电子之间形成了某种配对，使得电流几乎没有阻碍，从而产生零电阻状态。1911年，荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯发现汞在温度降至约零下269摄氏度时突然进入一种新状态，其电阻小到实际上测不出来，称之为“超导态”。此后，人们又发现许多材料也具有超导电性。
对磁场的影响也是超导研究中的重要内容。1933年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质：当锡和铅处在超导状态时，内部的磁感应强度为零，超导体把原来存在于体内的磁场排挤出去了，无论对N极还是S极均表现出排斥特性。人们将这种现象称为迈斯纳效应，即抗磁性。
长期以来，人们发现的超导体几乎都是在超低温且超高压的特殊状态下，以至于零下100多摄氏度的超导体就被称作“高温”超导体。目前成熟的超导材料基本为高温常压超导体，临界温度多在零下200摄氏度左右。
超导体低电阻和排斥磁场的特性使得它在能源、交通、医学、电子设备等领域具有巨大的应用潜力。在强电应用方面，超导发输电、超导磁储能等可实现电力无损耗或低损耗传送，大幅提升能源传输、转换和存储效率。在弱电应用方面，超导材料可用于制造高速、高性能的超导电子器件和量子计算机，支撑数据快速存储和计算。在抗磁性应用方面，利用超导材料的磁力排斥原理研发了磁悬浮列车，利用超导磁体产生的强磁场和超导线圈接收的电磁信号产生磁共振成像，展现人体内部结构清晰图像。
高温超导材料在电力系统中初步应用
高温超导材料目前已在电力系统中初步应用，如超导发电机、超导电缆、超导电抗器、超导磁储能、超导限流器、超导变压器等。其中，超导发电机容量大、体积小、重量轻，利用超导线圈来产生磁场，效率较常规机组提升30%以上。超导电缆容量是传统线路的5至10倍，而损耗却只有常规输电线路的5%至9%。超导电抗器和超导磁储能可以储存和释放大量的电能，当电力系统的电流发生变化时，它们可以助力保持电力系统稳定。这些超导电力设备可以使电力系统更加安全、高效、稳定地运行。
超导电力技术从诞生之初就受到了世界各国的重视。20世纪90年代以来，美国、日本、韩国、德国等相继开展高温超导电缆及其输电技术的研究，并有多个工程投运。
我国电力领域的超导研究虽然起步较晚，但发展很快。2011年，世界首座10千伏超导变电站在甘肃白银建成，站内有630千伏安三相超导变压器、超导限流器和电缆、超导磁储能系统。2021年12月，上海35千伏超导电缆示范工程投运，是目前世界上输送容量最大、距离最长的全商业化运行35千伏超导电缆工程。工程以1条35千伏超导电缆替代4条35千伏常规电缆，节省了70%的地下管廊空间，投运至今运行稳定、状态良好。
总体来看，目前高温超导材料在电力系统中运行的可靠性和节能降碳优势已得到验证，但受制于制冷设备的昂贵投资和超导电力系统的高额运维费用，其商业化应用仍处在较低水平，大规模开发利用仍有赖于超导技术的进一步发展。
室温常压超导可推动电力系统跨越式发展
自超导被发现以来，世界各国的科学家一直在追求更高性能的超导材料。超导材料的转换温度越来越高，制作工艺越来越简单，成本越来越低。
近年来，超导的终极形态——室温常压超导成为科学家研究的重点。室温常压超导技术一旦成熟并实现规模化产业应用，将推动能源、交通等领域产生颠覆性变革，尤其将推动电力系统跨越式发展。
室温常压超导材料将变革电力生产方式。室温超导能提供超强容器“磁封闭体”，是实现可控核聚变的关键技术之一。低损耗超强磁场可大幅延长核反应时间，有效降低投资规模、缩短可控核聚变研发应用周期。而可控核聚变具有能量密度大、清洁、燃料丰富、安全性高等优点，是人类未来开发利用的理想能源。
室温常压超导输电可重塑电网物理结构。与常规输电线路相比，室温常压超导输电线路可实现电流无阻力传输，大幅提升输电容量，显著降低线路损耗。
室温常压高密度超导储能可颠覆能源消费模式。室温超导体体积小、效率高、寿命长，基本可实现能量无损耗储存，储存的能量密度可达普通锂电池的数十倍，能为日常生产生活提供能源供给，配合分布式光伏等发电资源，可能使“自产自销”的微电网模式迎来规模化发展。（范莹 焦婷 赵三珊 作者单位：国网上海市电力公司电力科学研究院）
