王邦柱 張京業(yè) 戴少濤

(中國科學(xué)院電工研究所 北京 100190)

1 引言

隨著電網(wǎng)的容量的增大和系統(tǒng)互聯(lián)性的加強(qiáng)，電網(wǎng)的短路電流也不斷增大，某些地區(qū)已經(jīng)超過了現(xiàn)有斷路器的分?jǐn)嗄芰?。為限制故障電流水平，電力系統(tǒng)一般采用改變電網(wǎng)運(yùn)行方式、增加限流電力裝備等措施［1］。電阻型超導(dǎo)限流器是利用超導(dǎo)體的超導(dǎo)-正常態(tài)轉(zhuǎn)變原理制成的新型電力設(shè)備，限流元件在電網(wǎng)正常運(yùn)行時處于超導(dǎo)態(tài)，電阻極小至可以忽略;故障發(fā)生后，由超導(dǎo)材料制成的限流單元迅速失超成為高阻態(tài)，將電流限制到較低水平。電阻型超導(dǎo)限流器具有原理清晰、結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，是限制電網(wǎng)故障電流、提高電網(wǎng)運(yùn)行可靠性的重要技術(shù)方案［2］。

用于電阻型限流器的超導(dǎo)帶的兩個重要設(shè)計參數(shù)是耐沖擊電流能力和室溫單位長度電阻。不銹鋼加強(qiáng)的第二代超導(dǎo)帶材YBCO在大電流沖擊下具有良好的機(jī)械穩(wěn)定性和較高的單位長度電阻，適合作為限流元件的制作材料［3］。

本文實(shí)驗(yàn)研究了擬用于電阻型超導(dǎo)限流器的兩種不同加強(qiáng)層厚度的國產(chǎn)YBCO超導(dǎo)帶樣品，分別測試了其室溫電阻和100 ms大電流沖擊下的溫升特性。

2 實(shí)驗(yàn)原理和條件

交流大電流沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)的基本原理如圖1所示。K1、K2最初均為斷開狀態(tài);閉合K1，超導(dǎo)帶短樣和R組成串聯(lián)回路，回路內(nèi)通過一個很小的維持電流;閉合K2將電阻R短路，由于超導(dǎo)帶超導(dǎo)狀態(tài)下電阻很小，所以將有較大的沖擊電流通過超導(dǎo)帶。通過調(diào)壓器調(diào)節(jié)輸入電壓，從而控制沖擊電流的幅值;通過控制K2的閉合時間控制超導(dǎo)帶承受沖擊電流時間。沖擊的電流由交流電流互感器檢測，超導(dǎo)帶的溫升由T型熱電偶檢測。

圖1 交流大電流沖擊實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.1 Schematic diagram of AC overcurrent experiment

使用金具將超導(dǎo)帶短樣與實(shí)驗(yàn)電路連接后，將超導(dǎo)帶放置于低溫容器中，注入適量的液氮。確保液氮能夠完全漫過超導(dǎo)帶以及夾具上的金屬部件，待樣品充分冷卻后，即可開始實(shí)驗(yàn)。兩次沖擊操作應(yīng)有一定的時間間隔，一般取1—2 min，以確保沖擊后的超導(dǎo)帶樣品得到了充分的冷卻。實(shí)驗(yàn)過程中，注意隨時補(bǔ)充液氮。

本實(shí)驗(yàn)所用樣品來自上海某超導(dǎo)技術(shù)公司，分為兩種:一種為50 μm厚不銹鋼加強(qiáng)型12 mm寬YBCO超導(dǎo)帶(下稱薄帶)，一種為100 μm厚不銹鋼加強(qiáng)型12 mm寬YBCO超導(dǎo)帶(下稱厚帶)。據(jù)樣品提供者介紹，兩種帶材除了加強(qiáng)層厚度不同外，其余部分和所采用的工藝完全一樣。

由于擬采用本超導(dǎo)帶制作的電阻型超導(dǎo)限流器的設(shè)計限流作用時間為100 ms，實(shí)驗(yàn)中交流大電流沖擊的時間與此保持一致。沖擊電流的波形如圖2所示，峰值出現(xiàn)在第一個波峰，此后電流幅值逐漸降低，把沖擊電流波峰之中的最大值記為該次沖擊試驗(yàn)的電流值。

圖2 沖擊電流的典型波形Fig.2 Typical waveform of overcurrent

沖擊電流和樣品溫度的典型關(guān)系如圖3所示。沖擊電流施加后，超導(dǎo)帶溫度快速上升;沖擊結(jié)束后，繼續(xù)上升至最高溫度。而后超導(dǎo)帶的熱量主要以對流的方式傳至液氮，隨著溫度的降低，超導(dǎo)帶逐漸恢復(fù)為超導(dǎo)態(tài)［4］。由圖3可見，沖擊發(fā)生后，超導(dǎo)帶在秒級可恢復(fù)至液氮溫度，兩次沖擊實(shí)驗(yàn)間隔1 min是足夠的。

圖3 沖擊電流和樣品溫升的關(guān)系Fig.3 Relation of overcurrent and sample’s temperature

3 結(jié)果和討論

采用電測法測量了薄帶和厚帶的V-I臨界電流特性，結(jié)果如圖4所示。其中，薄帶的臨界電流Ic=194 A，N=27;厚帶的臨界電流 Ic=198.7A，N=30?？芍獌煞N帶材樣品的臨界電流和N值基本相當(dāng)，可認(rèn)為兩種樣品除了厚度外，條件相同。

采用四引線法測量了兩種帶材樣品的常溫電阻值，如表1所示。限流單元所需的超導(dǎo)帶長度為L=R0/ρ0。考慮到電阻值R0是設(shè)計固定值，故所需超導(dǎo)帶長度與單位長度電阻成反比。由表1可得，為滿足電阻要求，厚帶和薄帶兩種方案所需的帶材長度相差近1.6 倍。

圖4 實(shí)驗(yàn)樣品的V-I特性曲線Fig.4 V-I relation of samples

表1 樣品室溫電阻測量值Table 1 Room temperature resistance of sample tapes

以略高于臨界電流的電流開始，逐步提高沖擊電流的幅值，直至超導(dǎo)帶損壞。測得的薄帶和厚帶兩種樣品的沖擊電流和最大溫升的關(guān)系如圖5所示。可知，薄帶的最大耐沖擊電流能力略大于3Ic，厚帶的最大耐沖擊電流能力約為6Ic。如果以單位長度分析，沖擊電流產(chǎn)生的熱量一部分引起超導(dǎo)帶的溫升，一部分傳遞給液氮。由于沖擊時間很短，傳出的熱量相比于被超導(dǎo)帶吸收的熱量較少［5］，大致有Q∝cpmΔT?？芍訌?qiáng)層厚的質(zhì)量也大，相同的溫升下，可吸收的熱量更多;或吸收相同的熱量，引起更小的溫升。即加強(qiáng)層厚的超導(dǎo)帶具有更好的沖擊電流耐受能力。更高的耐受電流水平，意味著適用較少的并聯(lián)組即可實(shí)現(xiàn)給定的限流值。所以，從這個意義上講，厚帶更適用于作為電阻型限流器的限流單元材料。

圖5中最右側(cè)的點(diǎn)是超導(dǎo)帶損壞前的最大施加沖擊電流及對應(yīng)的最大溫升。損壞的超導(dǎo)帶樣品如圖6所示，樣品表面已經(jīng)因氧化變色(圖6a)，拆掉夾具后可見超導(dǎo)帶出現(xiàn)了明顯的分層(圖6b)。這是由于沖擊電流大于一定水平后，短時的溫升超過了超導(dǎo)帶層間焊錫的熔點(diǎn)，破壞了超導(dǎo)帶的多層結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

圖5 兩種樣品的沖擊電流和最大溫升的關(guān)系Fig.5 Relation between overcurrent and temperature rise of two sample

圖6 燒壞的超導(dǎo)帶Fig.6 Deconstructed HTS tape sample

本文主要研究了用于電阻型超導(dǎo)限流器的兩種僅不銹鋼加強(qiáng)厚度不同的第二代超導(dǎo)帶在100 ms短時交流沖擊電流作用下的特性。實(shí)驗(yàn)表明，不銹鋼加強(qiáng)層的厚度與其能夠耐受的最大沖擊電流有密切關(guān)系;在允許溫升相同的情況下，厚帶能夠耐受的沖擊電流更大。從這個角度看，厚帶更適合于電阻型超導(dǎo)限流器應(yīng)用。不過，厚帶所需使用的帶材量更大，所需投資更大。工程應(yīng)用中，需要根據(jù)設(shè)計限流能力在耐受性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行權(quán)衡折中。

1 韓戈，韓柳，吳琳.各種限制電網(wǎng)短路電流措施的應(yīng)用與發(fā)展［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(1):141-144.

2 Ruiz H S，Zhang X，Coombs T A.Resistive-type superconducting fault current limiters:concepts，mterials，and nmerical mdeling［J］.IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2015，25(3):5.

3 Du H I，Kim T M，Han B S，et al.Durability test of fault current limiter made of 2G wire having stainless steel as a stabilization layer taking into account fault angle［J］.IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2015，25(3):4.

4 Mart Nea E，Angurel L A，Pelegr N J，et al.Thermal stability analysis of YBCO-coated conductors subject to over-currents［J］.Superconductor Science and Technology，2010，23(2):025011.

5 Schwarz M，Chr S，Weiss K P，et al.Thermodynamic behaviour of a coated conductor for currents above Ic［J］.Superconductor Science and Technology，2008，21(5):054008.