从磁悬浮到铁路均可使用的超导节电技术(下)

2011-09-15 16:32:20来源: 技术在线

  铁道综研已在利用配备有重50kg左右的飞轮的试验装置进行试验。今后还预定开发拥有重2吨左右飞轮的大型装置。计划2011年度内实施轴承部分的静止悬浮试验,并希望到2012年能利用大型装置进行试验。

利用多孔状态以树脂作加强

  在磁悬浮新干线使用的超导磁铁之外,块状高温超导材料的开发也在推进之中*5。

  *5 铁道综研的高温超导块材研究原本以在磁悬浮列车上配备为目的。现在Maglev虽采用了铌铋类线材,但块材本身还有望应用于其他用途,或者今后用来开发新的车辆,因此目前仍在继续开发。

  比如,2010年将10个直径80mm的环装块材层叠,用液氮冷却,开发出了可产生2.59T磁场的超导磁铁(图4)。该块材的特点在于,通过对烧结的高温超导块材含浸含有玻璃纤维的环氧树脂,而提高了强度*6。

 
图4:高温超导块材
通过含浸环氧树脂提高了强度。照片中的块材的直径为87mm。可产生高达2.59T的磁场。

  *6 据铁道综研介绍,当初也曾尝试使用过碳纤维,但因碳纤维与原块材之间的线膨胀系数差异较大,反复冷却时容易产生变形,因此目前选择了玻璃纤维环氧树脂的组合。

  一般情况下,块材单体因为是氧化物的烧结物而较脆。大型化时,有时会因自身的洛伦兹力(Lorentz Force)而破裂。而且,每当恢复常温状态时都会结露,因此反复使用时会越来越破烂。

  因此,铁道综研材料技术研究部超导应用研究室的富田优等采用了使块材含浸树脂以提高强度的方法。氧化物超导材料原本就为多孔状,内部含有大量微小空隙及裂缝。富田等的想法并非是形成致密的空隙少的材料,而是充分利用多孔状态,在其中含浸树脂,以制成坚固的块材*7。

  *7 为了易于去除内部生产的焦耳热,2003年还开发了在中央开孔,向孔中注入低熔点金属,并以薄薄的低熔点金属包覆的块材。由此实现了世界最高的17T磁场。

  “并不是要在如何提高临界温度(Tc)上一争高低,而是(着眼于实用化)考虑如何做才能提高强度,制造出坚固的块材”(富田)。迄今铁道综研已制造出最大直径为140mm的圆盘状块材。

应用于已有铁路线以减少变电站

  该块材有望应用于上述蓄电用飞轮的轴承部分。

  另外,还可考虑用于液氮循环泵的轴承。液氮泵为了将来自马达等的热侵入控制在最小限度,需要加长旋转轴。但旋转轴在加长后容易晃动。因此,以非接触方式支持旋转轴的超导轴承就成为了有效手段。

  铁道综研还以应用于已有铁路线为目的,开发了使用高温超导材料的直流供电用电缆(图5)。将超导电缆用作从变电站向电车架线输送电力的馈电线*8,有望大幅降低电力损失,减少变电站及有效利用再生能量。

 
图5:试制的超导电缆
8kA级电缆的长度为5m左右。今后计划延长尺寸,并铺设在铁道综研院内的试验线路上实施行驶实验。

  *8 馈电线是指为了向电车架线供应电力而与电车架线并行铺设的电力线。

  由于送电时电压通常会下降,因此已有铁路线的直流电气化区段需要每隔2k~3km设置一所变电站,电车从最近的前后两个变电站接受电力,不会跨越更远的变电站供电。

  然而,如果将馈电线换成超导电缆,电力就不会损失,因此除了能够减少变电站的数量之外,还可由远方的变电站来供电,而且变电站的容量本身也可减小(图6)。


图6:在现有线路上应用超导电缆的示意图
通过用高温超导电缆将变动站连接起来,有望使变电站数量减少并实现小容量化。如图中所示,可将3个变电站减至2个。

  此外,还有利于电力再生。现在的情况是,要么在距行驶中的电车最近的变电站上有蓄电装置,有么有需要充电的行驶中的其他电车,否则就不能回收再生能量。但如果馈电线实现了超导化,则不管距离蓄电装置有多远,都可回收电车的再生能量。

  目前,富田等正在开发“Go&Return”结构的线材。这种线材类似同轴电缆。采用冷却用液氮在双层管状线材的中空部分中循环流动的结构。据称现在已制成了5m左右的电缆。

  但是,在实际用于馈电线时需要更长的尺寸。而且还要求能够承受过电流。其原因在于,如果因过电流而一时有超过标准的大电流流过,液氮就会沸腾,从而无法维持超导状态。因此,在原本流过电流的超导线材之外,配合使用了使过电流得以分流的铜线材。

  迄今已实现能够流过约8kA电流的电缆,富田等表示将在2011年内使这一数值提高到10kA以上。据称如果能耐10kA,便可应用于山手线的馈电线路。“顺利的话将于2012年内研制出50m以上的长电缆”(富田)。铁道综研最早将于2012年在其院内的实验线路上铺设超导线,实施行驶试验*9。

  *9 不过,电缆越长就越容易出现冷却收缩问题。而且,侵入的热量也会增加,因此还要求具有超过目前水平的隔热性。

关键字:磁悬  磁悬浮  悬浮  铁路  路均

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/afdz/2011/0915/article_4035.html
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