趙文春，楊 崢，劉勝道

?

高溫超導(dǎo)電纜在艦船消磁系統(tǒng)中的應(yīng)用概述

趙文春，楊 崢，劉勝道

(海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢430033)

高溫超導(dǎo)電纜具有重量輕、損耗低、電流運(yùn)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，將高溫超導(dǎo)電纜運(yùn)用在艦船消磁系統(tǒng)中可以提高艦船消磁系統(tǒng)的消磁能力，增強(qiáng)艦船的戰(zhàn)斗力。本文結(jié)合高溫超導(dǎo)電纜的特點(diǎn)，概述了消磁繞組使用高溫超導(dǎo)電纜代替銅質(zhì)電纜的意義，并從工程實(shí)施方面對高溫超導(dǎo)電纜應(yīng)用于艦船消磁的可行性進(jìn)行了分析，最后提出實(shí)現(xiàn)高溫超導(dǎo)消磁系統(tǒng)需要解決的問題。

高溫超導(dǎo) 艦船消磁系統(tǒng) 可行性

0 引言

艦船在長期航行中受地球磁場、機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)和海水等影響會產(chǎn)生一定的磁場，我們稱之為艦船磁場。艦船消磁是一種采取現(xiàn)代電磁方法和控制技術(shù)將艦船磁場消除或補(bǔ)償?shù)揭欢ǚ秶鷥?nèi)的技術(shù)，用于防御敵方探測設(shè)備的探測和水中兵器的攻擊，保障艦船航行安全。

艦船消磁分為臨時(shí)線圈消磁法和消磁系統(tǒng)補(bǔ)償法，臨時(shí)線圈消磁法主要用于消除艦船的固定磁場，消磁系統(tǒng)補(bǔ)償法主要用于補(bǔ)償艦船的感應(yīng)磁場和剩余固定磁場。

艦船消磁系統(tǒng)主要由消磁繞組、消磁電源和消磁電流控制器組成，如圖1所示[1]。艦船消磁系統(tǒng)補(bǔ)償艦船磁場的方法是：在艦船內(nèi)部敷設(shè)不同形式的消磁繞組，在消磁繞組中通入一定大小電流，使其在船外空間產(chǎn)生一個(gè)與艦船磁場大小相等、方向相反的磁場。

目前消磁繞組主要使用銅質(zhì)電纜，但隨著海軍使命任務(wù)的變化，以及高靈敏度磁傳感器在磁引信水雷上的應(yīng)用，艦船消磁技術(shù)的發(fā)展變得越發(fā)迫切。如果利用銅質(zhì)消磁電纜進(jìn)一步提高艦船消磁系統(tǒng)的消磁能力將帶來費(fèi)用、重量和體積的增加，而且布設(shè)過多的繞組也會顯著增加安裝難度[2]。因此，有必要尋找一種能夠代替銅質(zhì)電纜的材料提高艦船消磁系統(tǒng)的消磁能力。本文就此思路，對高溫超導(dǎo)電纜進(jìn)行了研究。結(jié)合高溫超導(dǎo)電纜的特點(diǎn)，概述了高溫超導(dǎo)電纜替代銅質(zhì)電纜的意義，并從工程實(shí)施方面對高溫超導(dǎo)電纜應(yīng)用于艦船消磁系統(tǒng)的可行性進(jìn)行分析。

1高溫超導(dǎo)電纜的特點(diǎn)

1986年以來，高溫超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)并很快形成實(shí)用化帶材。美、日、韓、德等國投入了大量的資金進(jìn)行高溫超導(dǎo)電纜的實(shí)用化研究。其中，美國對高溫超導(dǎo)電纜的研究處于世界領(lǐng)先地位，2008年紐約長島州電力局和美國超導(dǎo)公司合作研制的第二代高溫超導(dǎo)電纜投入商業(yè)電網(wǎng)運(yùn)行[3]。對比銅質(zhì)電纜，高溫超導(dǎo)電纜具有以下特點(diǎn)。

低損耗，高溫超導(dǎo)電纜由于其“零電阻”的特性，焦耳損耗非常小，它的主要損耗來自于制冷劑的能量損耗，運(yùn)行過程中的總損耗只是常規(guī)銅質(zhì)電纜損耗的一半左右。

體積小、電流容量大。相同橫截面的高溫超導(dǎo)電纜的電流傳輸能力是常規(guī)銅質(zhì)電纜的3~5倍。例如，在消磁系統(tǒng)中原本需要3~5根銅質(zhì)電纜，如果換做相同截面積的高溫超導(dǎo)電纜，只需一根就可以解決問題。

無污染。高溫超導(dǎo)電纜具有環(huán)境友好的特點(diǎn)，可以用液氮做為冷卻劑來保持高溫超導(dǎo)電纜的運(yùn)行環(huán)境，對環(huán)境沒有污染。而常規(guī)的充油電纜卻存在著漏油而造成環(huán)境污染的缺點(diǎn)[4]。

穩(wěn)定性好。高溫超導(dǎo)電纜在短時(shí)間內(nèi)可承受短路電流，可以提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性[5]。

2高溫超導(dǎo)電纜代替銅質(zhì)電纜的意義

1)國內(nèi)主要通過消磁站、消磁船和艦船消磁系統(tǒng)三種方法為艦船做磁性處理。消磁站和消磁船的主要任務(wù)是消除艦船的固定磁場，而艦船消磁系統(tǒng)除了可以補(bǔ)償艦船的感應(yīng)磁場外，同時(shí)也可以用來補(bǔ)償一部分固定磁場。銅質(zhì)電纜受電阻值和自身重量的局限，能夠補(bǔ)償固定磁場的量較小，而高溫超導(dǎo)電纜具有運(yùn)載電流能力強(qiáng)的特點(diǎn)，理論上可以補(bǔ)償更大的固定磁場，使艦船不必非要去消磁站或用消磁船做磁性處理，這將會減小艦船定期消磁的頻率，并且降低消磁站的消磁負(fù)荷。

2)艦船消磁系統(tǒng)主要包括線纜、電源系統(tǒng)、管道、接線箱等器件，分別從這幾個(gè)方面的花費(fèi)以及安裝費(fèi)用進(jìn)行估算，繪制出餅狀圖。如圖2所示，雖然傳統(tǒng)銅質(zhì)消磁系統(tǒng)和高溫超導(dǎo)消磁系統(tǒng)的總體費(fèi)用相差并不大，但費(fèi)用比例卻不盡相同。傳統(tǒng)銅質(zhì)消磁系統(tǒng)安裝費(fèi)用占的比重比較大，而高溫超導(dǎo)消磁系統(tǒng)由于使用了價(jià)格相對昂貴的高溫超導(dǎo)電纜，所以線纜費(fèi)用占的比重相對較大[6]。高溫超導(dǎo)消磁系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢體現(xiàn)在使用過程中，高溫超導(dǎo)電纜運(yùn)行功耗僅為傳統(tǒng)銅質(zhì)消磁系統(tǒng)的一半左右。所以長遠(yuǎn)來看，高溫超導(dǎo)消磁系統(tǒng)比傳統(tǒng)銅質(zhì)消磁系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)的多。

3)將傳統(tǒng)的銅質(zhì)消磁系統(tǒng)與高溫超導(dǎo)消磁系統(tǒng)在重量方面進(jìn)行估算并繪制出餅狀圖。如圖3所示，高溫超導(dǎo)消磁系統(tǒng)在重量方面大大減輕，僅為傳統(tǒng)銅質(zhì)消磁系統(tǒng)重量的五分之一。這不但為艦船減輕了負(fù)擔(dān)，而且可以允許艦船裝載更多的武器設(shè)備，提高艦船的敏捷性和作戰(zhàn)能力。

3高溫超導(dǎo)電纜用于艦船消磁系統(tǒng)的可行性分析

1)目前具有使用價(jià)值的高溫超導(dǎo)帶材主要有三種。分別是Bi-2223和Bi-2212等第一代Bi系高溫超導(dǎo)帶材、YBCO等第二代高溫超導(dǎo)帶材和近年來發(fā)現(xiàn)的MgB2高溫超導(dǎo)帶材[7]。第一代鉍系高溫超導(dǎo)帶材需包上銀或銀合金套管，成本相對較高，又因?yàn)槠湫阅懿蝗缍邷爻瑢?dǎo)帶材，所以它的應(yīng)用市場并不大[8]。第二代YBCO高溫超導(dǎo)帶材，采用沉積法在金屬基體帶材上沉積YBCO涂層，相比第一代Bi系帶材有著更好的磁場性能和更高的電流密度，并且降低了制作成本，同時(shí)也達(dá)到了商業(yè)化生產(chǎn)水平，目前第二代高溫超導(dǎo)電纜在電網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。圖4所示為YBCO高溫超導(dǎo)電纜絞線及成型后的產(chǎn)品。

2)第二代YBCO高溫超導(dǎo)帶材臨界溫度在90K以上，而常壓下液氮溫度為77K，因此可以使用液氮作為冷卻介質(zhì)，液氮制作方便、技術(shù)成熟，同時(shí)對空氣沒有污染，能夠滿足高溫超導(dǎo)電纜正常工作所需要的低溫條件。

3)多股YBCO帶材特種工藝絞纜成型技術(shù)成熟，高溫超導(dǎo)電纜的工藝制作方面已不是難題。

4)一般情況下小型艦船所用銅質(zhì)消磁電纜的橫截面積控制在10mm2以內(nèi)，中型艦船所用銅質(zhì)消磁電纜橫截面積不大于70mm2。大型艦船所用銅質(zhì)消磁電纜橫截面積不大于150mm2。高溫超導(dǎo)電纜的橫截面積相比常規(guī)銅質(zhì)電纜會略大，但其彎曲半徑符合消磁繞組的彎曲要求。

5）高溫超導(dǎo)帶材的臨界電流大小雖受磁場強(qiáng)度的影響，但艦船磁場強(qiáng)度相對來說還是很小，對高溫超導(dǎo)電纜臨界電流的影響不大[9]，不會影響高溫超導(dǎo)電纜的正常使用。

4高溫超導(dǎo)電纜應(yīng)用于艦船消磁需要解決的問題

1)高溫超導(dǎo)電纜終端結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包括內(nèi)外支撐件、恒溫器、電流引線、接管套筒、接管法蘭等，并且終端電場集中，容易造成絕緣層的老化和擊穿，從而有可能引起局部過熱[10]。所以如何實(shí)現(xiàn)消磁線圈與電源之間系統(tǒng)的完美連接是需要解決的問題。

2)高溫超導(dǎo)電纜正常運(yùn)行受溫度、電流密度和磁場強(qiáng)度的制約，一旦電纜局部運(yùn)行條件異常，將會產(chǎn)生“失超”現(xiàn)象，局部電阻迅速變大并產(chǎn)生大量的熱量，危機(jī)到整個(gè)消磁系統(tǒng)的正常工作。因此還需設(shè)計(jì)一些“失超”檢測裝置，防患于未然。

3)艦船有著特殊的環(huán)境條件，船艙空間相對較小，不但要考慮消磁線圈的敷設(shè)方式，同時(shí)也要考慮制冷系統(tǒng)的布局和安裝。

參考文獻(xiàn):

[1] 桂永勝.艦船消磁控制設(shè)備現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].中國艦船研究，2010,(8):75-80.

[2] BK Fitzpatrick, TH Fikse, WA Lynch. High temperature superconducting degaussing system :

US, 7451719[P]. 2008-11-18.

[3] 夏芳敏,郭慧,林中山,王醒東. 二代高溫超導(dǎo)電纜在電網(wǎng)中的應(yīng)用前景[J].電工材料，2014,(4):24-27.

[4] 王少華,葉自強(qiáng),羅盛.高溫超導(dǎo)輸電電纜的發(fā)展現(xiàn)狀[J].高壓電器, 2011,47(7):80-85.

[5] 陳宏,謝述鋒,程德彬.超導(dǎo)材料研制及其艦船和風(fēng)電應(yīng)用最新進(jìn)展[J].材料開發(fā)與應(yīng)用,2012,4:89-93.

[6] J.T. Kephart, B.K. Fizpatrick,P. Ferrara. High temperature superconducting degaussing from feasibility study to fleet adoption: IEEE.2011.

[7] 畢延芳,洪輝,信贏.高溫超導(dǎo)電力應(yīng)用的低溫冷卻系統(tǒng)及制冷機(jī)[J].中國科學(xué),2013,10:1101-1111.

[8] 夏芳敏,郭慧,林中山.王醒東.二代高溫超導(dǎo)電纜在電網(wǎng)中的應(yīng)用前景[J].電工材料,2014,4:24-27.

[9] 張國民.高溫超導(dǎo)帶材及線圈的交流損耗[D].北京：中國科學(xué)院電工研究所，2003：27-30.

[10] 劉少波.高溫超導(dǎo)電纜失超保護(hù)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2012：11-13.

Review of High Temperature Superconducting Used in Vessel’s Degaussing System

Zhao Wenchun, Yang Zheng, Liu Shengdao

（College of Electrical Engineering, Naval Univ.of Engineering, Wuhan 430033, China）

TM26

A

1003-4862（2016）09-0037-03

2016-04-15

趙文春（1973-），男，博士，副教授。研究方向：艦船消磁。