信 贏， 田 波， 魏子鏹

(1. 天津大學(xué)電氣自動(dòng)化及信息工程學(xué)院， 天津 300072； 2. 富通集團(tuán)天津超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用有限公司， 天津 300384)

超導(dǎo)限流器基本概念和發(fā)展趨勢(shì)

信 贏1， 田 波2， 魏子鏹1

(1. 天津大學(xué)電氣自動(dòng)化及信息工程學(xué)院， 天津 300072； 2. 富通集團(tuán)天津超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用有限公司， 天津 300384)

超導(dǎo)限流器是多年以來(lái)人們?cè)诔瑢?dǎo)電力技術(shù)領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)之一，也是被認(rèn)為最有可能率先實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的超導(dǎo)電力設(shè)備。本文在介紹超導(dǎo)限流器的基本概念、組成要素和功能特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，討論了超導(dǎo)限流器設(shè)計(jì)和應(yīng)用相關(guān)的一些重要技術(shù)參數(shù)和性能指標(biāo)。文章還較系統(tǒng)地分析了電阻型和飽和鐵心型兩種目前發(fā)展水平較高的超導(dǎo)限流器的工作原理和應(yīng)用情況，并比較了兩者的優(yōu)缺點(diǎn)。隨著性能的進(jìn)一步完善，可靠性和可用性的進(jìn)一步提高，超導(dǎo)限流器有可能成為理想的電網(wǎng)短路故障限流裝置。作者期待在不遠(yuǎn)的將來(lái)超導(dǎo)限流器會(huì)在各種電網(wǎng)中得到廣泛的應(yīng)用，并由此推動(dòng)電網(wǎng)的深刻技術(shù)革命。

超導(dǎo)； 超導(dǎo)電力技術(shù)； 超導(dǎo)限流器； 短路故障； 限流阻抗

1 引言

超導(dǎo)限流器是超導(dǎo)技術(shù)在電力領(lǐng)域的一項(xiàng)重要應(yīng)用[1,2]，也是最有可能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的超導(dǎo)電力設(shè)備之一。

現(xiàn)在很多電網(wǎng)的短路故障電流水平已經(jīng)超出或即將超出現(xiàn)有線路斷路器能夠應(yīng)對(duì)的范圍，電網(wǎng)運(yùn)行安全存在著很大隱患。短路故障電流過(guò)大已經(jīng)成為目前世界上很多國(guó)家輸、配電網(wǎng)面臨的迫切需要解決的問(wèn)題[3]。在我國(guó)長(zhǎng)三角和珠三角地區(qū)這個(gè)問(wèn)題尤為突出[4,5]。另外，高壓直流輸電，尤其是多端高壓直流輸電近些年發(fā)展迅速。與交流線路斷路器相比，直流線路斷路器的遮斷容量與實(shí)際需要的差距更大，無(wú)法滿足直流電網(wǎng)建設(shè)的需要[6]。因此，無(wú)論是交流電網(wǎng)還是直流電網(wǎng)，目前都需求能夠有效抑制故障短路電流水平的裝置。

抑制電網(wǎng)的故障短路電流水平基本要求就是要增加電網(wǎng)的阻抗，而增加電網(wǎng)的阻抗會(huì)增加電網(wǎng)的輸電損耗和電壓降落，降低電網(wǎng)的電壓調(diào)節(jié)能力和電能質(zhì)量。所以在過(guò)去幾十年里，雖然使用高阻抗變壓器或限流電抗器在中、高壓電網(wǎng)中有效地抑制了故障短路電流，但必須指出的是，這是以增加輸電損耗為代價(jià)的，很不理想。而對(duì)于超高壓(≥330kV)或特高壓電網(wǎng)，由于所需要的限流阻抗很大，使用高阻抗變壓器或限流電抗器所導(dǎo)致的負(fù)面效應(yīng)是難以接受的，短路故障限流問(wèn)題一直沒(méi)有得到滿意的解決。

開發(fā)具有理想的技術(shù)性能，并能廣泛地應(yīng)用于各類電網(wǎng)的限流器是多年來(lái)電網(wǎng)行業(yè)、電力技術(shù)科研人員所追求的目標(biāo)。理想的限流器應(yīng)具備如下特征：①在電網(wǎng)正常輸電時(shí)低阻抗或零阻抗；②在電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)迅速轉(zhuǎn)為高阻抗和有效限制短路電流；③限流后能夠自動(dòng)、及時(shí)恢復(fù)到低阻抗或零阻抗?fàn)顟B(tài)；④能夠與電網(wǎng)的保護(hù)系統(tǒng)匹配。

幾十年的研究與應(yīng)用實(shí)踐告訴我們，基于傳統(tǒng)材料與技術(shù)難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)故障限流時(shí)的高阻抗和正常輸電時(shí)的低阻抗，目前普遍使用的限流電抗器和高阻抗變壓器就是這樣的例子。超導(dǎo)材料具有其他材料所不具有的獨(dú)特性質(zhì)，將超導(dǎo)材料應(yīng)用到故障限流裝置中能夠保證在電網(wǎng)正常輸電時(shí)的低阻抗，在電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)能夠迅速轉(zhuǎn)為高阻抗，有效限制短路電流。使用超導(dǎo)元件的故障限流裝置在限流后能自動(dòng)、及時(shí)恢復(fù)到低阻抗?fàn)顟B(tài)，而且能夠完全配合電網(wǎng)現(xiàn)有的保護(hù)系統(tǒng)。所以，超導(dǎo)材料可能制作出理想的故障電流限制設(shè)備——超導(dǎo)限流器[7,8]。

本文將介紹超導(dǎo)限流器的基本概念、組成要素和功能特點(diǎn)，并將討論與超導(dǎo)限流器相關(guān)的一些重要技術(shù)和性能參數(shù)。文章還將較系統(tǒng)地分析和比較電阻型和飽和鐵心型這兩種目前發(fā)展水平較高的超導(dǎo)限流器的工作原理、性能差異和應(yīng)用情況。

2 超導(dǎo)限流器的組成要素

雖然幾十年來(lái)人們提出了許多種類的超導(dǎo)限流器原理和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但所有超導(dǎo)限流器的組成要素都包括三個(gè)主要部分：通流/限流單元、低溫冷卻系統(tǒng)及監(jiān)控單元，如圖1所示。超導(dǎo)限流器的核心組件是通流/限流單元，該單元主要由通流/限流元件和電流引線組成。超導(dǎo)限流器有若干不同的分類方法，若以通流/限流元件的阻抗特性劃分，可以分為電阻型超導(dǎo)限流器和電感型超導(dǎo)限流器。也有根據(jù)通流/限流單元限流時(shí)是否失超劃分，分為失超型或非失超型超導(dǎo)限流器。

圖1 超導(dǎo)限流器的三個(gè)主要部分Fig.1 Three fundamental elements of superconducting fault current limiter

在超導(dǎo)限流器實(shí)際應(yīng)用時(shí)，通流/限流單元以串聯(lián)方式安裝在輸電線路中。在線路正常輸電時(shí)，通流/限流單元的阻抗很低，所以設(shè)備壓降很低，輸電損耗也很小，對(duì)正常輸電沒(méi)有顯著的負(fù)面影響。當(dāng)線路突然發(fā)生短路故障時(shí)，通流/限流單元能及時(shí)地轉(zhuǎn)變?yōu)檩^高的阻抗，有效地限制故障電流。實(shí)現(xiàn)通流低阻抗是超導(dǎo)元件在超導(dǎo)限流器中的基本作用，是傳統(tǒng)材料和技術(shù)難以做到的。

超導(dǎo)限流器的通流低阻抗一般是通過(guò)兩類基本的途徑實(shí)現(xiàn)的。一種是通流/限流元件本身是由超導(dǎo)材料制作，在線路正常輸電時(shí)其處于超導(dǎo)狀態(tài)，直流電阻為零。另一種通流/限流元件是用傳統(tǒng)材料制作的，而利用超導(dǎo)元件的作用對(duì)通流/限流單元進(jìn)行控制，使其在正常通電時(shí)具有較低的阻抗。

絕大多數(shù)電網(wǎng)的保護(hù)規(guī)則要求在發(fā)生短路故障線路開斷后的一個(gè)很短時(shí)間內(nèi)(一般約為幾百ms)線路斷路器要做一次重合閘的嘗試。在重合閘時(shí)，如果短路故障已經(jīng)排除，則電網(wǎng)恢復(fù)到正常供電狀態(tài)；如果這時(shí)故障仍未排除，則斷路器再次開斷，故障線路處于被隔離狀態(tài)，直到故障排除。短路故障線路開斷后自動(dòng)重合閘的規(guī)則要求線路中的限流器在斷路器做重合閘動(dòng)作前恢復(fù)到能夠正常輸電狀態(tài)。也就是說(shuō)，超導(dǎo)限流器要恢復(fù)到低阻抗?fàn)顟B(tài)，而恢復(fù)所需要的時(shí)間要小于保護(hù)規(guī)則確定的重合閘時(shí)間。

要保證超導(dǎo)元件的工作條件，低溫冷卻系統(tǒng)是超導(dǎo)限流器的必要組成部分。超導(dǎo)元件必須置于一個(gè)絕熱容器中，通過(guò)電流引線與外界實(shí)現(xiàn)電氣連接。一般使用制冷機(jī)或其他制冷手段提供超導(dǎo)元件工作時(shí)所需要的冷量，通過(guò)液氮循環(huán)或傳導(dǎo)冷卻保證超導(dǎo)元件處于需要的低溫環(huán)境。對(duì)于在故障限流時(shí)超導(dǎo)元件需要經(jīng)歷失超過(guò)程的超導(dǎo)限流器，在設(shè)計(jì)其制冷系統(tǒng)時(shí)不但需要考慮正常運(yùn)行時(shí)超導(dǎo)元件所需要的冷量，而且還要考慮失超后整個(gè)系統(tǒng)及時(shí)恢復(fù)所需要的冷量。

為了超導(dǎo)限流器能有效地發(fā)揮其各項(xiàng)功能和保證其運(yùn)行安全，并實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的保護(hù)系統(tǒng)的緊密配合，控制保護(hù)裝置也是必不可少的。在線路正常輸電時(shí)，控制保護(hù)裝置主要功能是監(jiān)控和保證超導(dǎo)限流器低溫冷卻系統(tǒng)的正常運(yùn)行；在故障限流時(shí)，除對(duì)超導(dǎo)限流器自身狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控外，還要和電網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)配合動(dòng)作。對(duì)于需要主動(dòng)限流控制的超導(dǎo)限流器來(lái)說(shuō)，其控制保護(hù)裝置更加復(fù)雜一些，需要增加一些電力電子元件，傳感器件的靈敏度和可靠性要求也可能提高。

3 超導(dǎo)限流器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵依據(jù)及重要性能參數(shù)

作為一種電力設(shè)備，超導(dǎo)限流器不但在功能上要滿足電網(wǎng)要求，而且在電氣安全和可靠性方面也要符合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。這些要求、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對(duì)超導(dǎo)限流器的設(shè)計(jì)、制造和使用都有著決定性的影響。

在設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)用的超導(dǎo)限流器時(shí)，首先要根據(jù)電網(wǎng)公司提出的所應(yīng)用線路的電壓和輸送的額定電流確定設(shè)備的電氣絕緣型式和等級(jí)，確定通流/限流單元的最小導(dǎo)體截面(載流能力)。然后根據(jù)電網(wǎng)公司給出的與該限流器應(yīng)用相關(guān)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、應(yīng)用點(diǎn)的最大短路故障電流、安裝限流器后擬實(shí)現(xiàn)的最大限制短路電流、限流動(dòng)作時(shí)間和持續(xù)時(shí)間、輸電線路保護(hù)系統(tǒng)設(shè)定的故障跳閘后的自動(dòng)重合閘時(shí)間及線路正常輸電所能允許的最大設(shè)備壓降(阻抗)等參數(shù)對(duì)超導(dǎo)限流器的通流/限流單元、低溫冷卻系統(tǒng)和監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。有時(shí)電網(wǎng)公司還會(huì)對(duì)設(shè)備的尺寸和重量等物理參數(shù)提出要求，使設(shè)計(jì)有了更多的約束條件。

限流器擬應(yīng)用地點(diǎn)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、應(yīng)用前最大短路故障電流的量值和安裝限流器后擬實(shí)現(xiàn)的最大限制短路電流的量值決定超導(dǎo)限流器通流/限流單元的限流阻抗設(shè)計(jì)。限流動(dòng)作時(shí)間與限流器的限流機(jī)理緊密相關(guān)，所以需要選擇合適的限流機(jī)理來(lái)滿足電網(wǎng)提出的限流動(dòng)作時(shí)間。限流持續(xù)時(shí)間要求也是由電力部門提出的，它將影響到通流/限流單元電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和超導(dǎo)導(dǎo)體的選擇，也將影響對(duì)低溫冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和容量的確定。超導(dǎo)限流器的恢復(fù)時(shí)間必須小于輸電線路保護(hù)系統(tǒng)設(shè)定的斷路器故障跳閘后的自動(dòng)重合閘時(shí)間，保證在斷路器執(zhí)行自動(dòng)重合閘動(dòng)作時(shí)限流器處于可投入正常輸電的工作狀態(tài)。

圖2為限流器在一次短路故障限流過(guò)程中各個(gè)階段不同工作狀態(tài)的描述和相關(guān)參數(shù)的定義，通過(guò)圖2可幫助讀者更好地理解上面談及的一些技術(shù)參數(shù)的物理意義。

目前奶牛養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)不斷向前發(fā)展，奶牛乳腺炎的發(fā)病率呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，由于該種疾病診斷難度較大，當(dāng)奶牛出現(xiàn)泌乳量下降后，很多養(yǎng)殖戶并沒(méi)有引起重視，最終造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。導(dǎo)致奶牛出現(xiàn)隱性乳腺炎的主要原因是乳房受到物理、化學(xué)、微生物等刺激出現(xiàn)的一系列炎癥變化。奶牛出現(xiàn)以上乳腺炎后，乳汁中T細(xì)胞數(shù)量會(huì)顯著升高，特別是白細(xì)胞增多，乳腺組織出現(xiàn)病理學(xué)變化。在日常養(yǎng)殖中由于擠奶方式不科學(xué)，存在粗暴對(duì)待現(xiàn)象，擠奶機(jī)負(fù)壓過(guò)大，負(fù)壓不穩(wěn)定等，導(dǎo)致奶牛隱性乳腺癌的發(fā)病率呈現(xiàn)升高趨勢(shì)。人工擠奶時(shí)由于操作者技術(shù)不熟練，乳汁擠不徹底，擠乳方式不合理均衡等，易誘發(fā)隱性乳腺炎的發(fā)生。

圖2 限流器在一次短路故障限流過(guò)程中各個(gè)階段的不同工作狀態(tài)及相關(guān)參數(shù)定義Fig.2 Different functioning states and corresponding parameters during fault current limiting action

限流器的通流阻抗(或正常輸電時(shí)的設(shè)備壓降)也是反映限流器性能的參數(shù)，傳統(tǒng)限流裝置在正常輸電時(shí)的設(shè)備壓降一般會(huì)在線路壓降的4%～10%范圍。與傳統(tǒng)限流裝置相比，超導(dǎo)限流器的通流阻抗很小，其正常輸電時(shí)的設(shè)備壓降一般在線路壓降的1%以內(nèi)，這就是超導(dǎo)限流器的優(yōu)勢(shì)所在。需要說(shuō)明的是，由于需要傳統(tǒng)導(dǎo)體作為電流引線，也有的超導(dǎo)限流器的通流/限流元件本身也是采用傳統(tǒng)導(dǎo)體制作的，所以超導(dǎo)限流器在線路正常輸電時(shí)雖然阻抗很小，但并不是零。

對(duì)于超導(dǎo)限流器來(lái)說(shuō)，必須具有所需的限流阻抗，才能實(shí)現(xiàn)其最本質(zhì)的功能。在此前提下，其限流阻抗與通流阻抗的比值是衡量其性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)。理論上講，這個(gè)比值越大越好。

用于多端柔性直流電網(wǎng)的限流器，在性能要求上與交流限流器或用于雙端(正負(fù)兩極)直流線路的限流器有重大差別。直流系統(tǒng)故障阻尼小，發(fā)生故障時(shí)短路電流會(huì)急劇攀升，可能在幾ms內(nèi)達(dá)到換流器的整流橋臂閉鎖閾值，導(dǎo)致整流橋臂閉鎖。這就意味著在多端直流電網(wǎng)中某一端(支路)發(fā)生短路故障，若不能有效限制故障電流的上升速率，在該支路的斷路器完成開斷、將故障點(diǎn)切除之前換流器的整流橋臂就會(huì)發(fā)生閉鎖，結(jié)果就是整個(gè)多端電網(wǎng)停止運(yùn)行，造成大面積停電。因此，所需的限流器應(yīng)在故障不同階段都能有效地限制短路電流的演變，既要在短路故障初期限制短路電流上升率以緩解換流器橋臂閉鎖壓力，也要限制隨后出現(xiàn)的持續(xù)故障電流以降低斷路器的開斷壓力。這就要求用于多端直流線路的限流器不但需要提供一個(gè)足夠大的電阻限制持續(xù)故障電流，而且還需要提供一個(gè)足夠大的電感，抑制換流器橋臂電流在短路后電流的快速升高，防止換流器閉鎖，確保故障穿越，提高電網(wǎng)故障生存能力[9]。

表1列出了與超導(dǎo)限流器設(shè)計(jì)或相關(guān)的文獻(xiàn)中使用頻率較高的一些主要技術(shù)參數(shù)，并做了簡(jiǎn)要的注釋。一個(gè)具體超導(dǎo)限流器產(chǎn)品或研究項(xiàng)目中的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)給出的技術(shù)參數(shù)可能只是表1中所列參數(shù)的一部分，也可能根據(jù)需要給出一些表1中沒(méi)有列出的參數(shù)。

4 兩種常見的超導(dǎo)限流器簡(jiǎn)介

近幾十年來(lái)，人們研究、開發(fā)了多種類型的超導(dǎo)限流器，如橋路型、屏蔽型和變壓器型等[10-14]，但發(fā)展到今天在實(shí)際電網(wǎng)中示范運(yùn)行最多的兩種是電阻型超導(dǎo)限流器和飽和鐵心型超導(dǎo)限流器。下面就對(duì)這兩種超導(dǎo)限流器做比較詳細(xì)的討論。

表1 與超導(dǎo)限流器相關(guān)的主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Key specifications for superconducting fault current limiter

4.1電阻型超導(dǎo)限流器

電阻型超導(dǎo)限流器最直接地利用了超導(dǎo)材料在超導(dǎo)態(tài)時(shí)電阻為零，而在失超后具有一定電阻的特性。將一個(gè)超導(dǎo)元件(一般為繞組形式或多個(gè)模塊組合形式)串聯(lián)在輸電線路中就構(gòu)成了一個(gè)最簡(jiǎn)單的限流器，如圖3(a)所示。在電路正常輸電時(shí)，超導(dǎo)元件處于超導(dǎo)態(tài)，電阻為零，這時(shí)限流器的整體阻抗主要來(lái)源于非超導(dǎo)接頭電阻和元件的交流損耗(直流輸電不存在)，量值很小。當(dāng)線路發(fā)生短路故障時(shí)，超過(guò)超導(dǎo)元件臨界電流的故障電流會(huì)使其失超，產(chǎn)生一定的電阻，起到抑制短路電流的作用。在實(shí)際應(yīng)用中，為了避免超導(dǎo)元件失超限流時(shí)產(chǎn)生過(guò)多的焦耳熱被損壞，一般要并聯(lián)分流電路組成限流器的通流/限流元件，典型的等效電路圖如圖3(b)所示[13,14]。其中，Rsc代表超導(dǎo)元件，Rp代表分流電阻，Lp代表分流電感，RQ代表線路電阻，LQ代表線路電感。

圖3 電阻型超導(dǎo)限流器的基本結(jié)構(gòu)和輸電線路中的等效電路圖Fig.3 Generic structure and equivalent circuit of resistive superconducting fault current limiter

不管分流電路是阻性還是感性，都要滿足一定的阻抗值。在線路正常輸電時(shí)，由于超導(dǎo)元件分路阻抗很小，幾乎所有電流都通過(guò)這個(gè)分路。在故障限流時(shí)，電流將根據(jù)每個(gè)分路阻抗的大小進(jìn)行分配，各分路并聯(lián)后的阻抗是限流器的限流阻抗。

電阻型超導(dǎo)限流器原理簡(jiǎn)單，所以其限流單元的設(shè)計(jì)和制作也比較簡(jiǎn)單，設(shè)備重量比較小。但由于限流功能要通過(guò)超導(dǎo)元件的失超來(lái)實(shí)現(xiàn)，限流后超導(dǎo)元件完全恢復(fù)到超導(dǎo)狀態(tài)需要較長(zhǎng)的時(shí)間，難以滿足大多數(shù)電網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)自動(dòng)重合閘的時(shí)間要求。另外由于在限流狀態(tài)下超導(dǎo)元件的失超要產(chǎn)生大量的熱，需要有一個(gè)可靠的在短時(shí)間內(nèi)移除熱量的機(jī)制和較大容量的冷卻系統(tǒng)。也因?yàn)槌瑢?dǎo)元件失超的原因，為了避免損壞，電阻型超導(dǎo)限流器不適宜較長(zhǎng)的持續(xù)限流時(shí)間。一般地講，電網(wǎng)電壓越高，所需的限流阻抗越大。對(duì)于電阻型超導(dǎo)限流器，增加限流阻抗就要增加超導(dǎo)導(dǎo)體的長(zhǎng)度，這就需要更大的絕熱恒溫器和冷卻系統(tǒng)。當(dāng)超導(dǎo)元件的體積很大時(shí)，很難實(shí)現(xiàn)其整體的溫度和電磁條件的均勻性，其結(jié)果就是超導(dǎo)元件失超的時(shí)間和空間分布的不均勻性，導(dǎo)致限流能力的降低和損壞風(fēng)險(xiǎn)的增加。所以目前電阻型超導(dǎo)限流器還很難實(shí)現(xiàn)較大的限流阻抗，適合高壓電網(wǎng)的需要。

4.2飽和鐵心型超導(dǎo)限流器

飽和鐵心型超導(dǎo)限流器利用超導(dǎo)材料零電阻和載流密度大的特性，使用超導(dǎo)繞組可以大強(qiáng)度、低損耗地對(duì)電抗器鐵心勵(lì)磁，通過(guò)改變鐵心的磁化狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)限流器的通流/限流元件阻抗的變化[15,16]。

圖4(a)為典型的飽和鐵心型超導(dǎo)限流器的基本結(jié)構(gòu)示意圖。其中每一相有兩個(gè)完全相同的磁性鐵心，每個(gè)鐵心上面套裝一個(gè)常規(guī)繞組，兩個(gè)常規(guī)繞組按一定方式連接組成限流器的通流/限流元件。在兩個(gè)鐵心靠近的一對(duì)鐵心柱上環(huán)繞一個(gè)超導(dǎo)繞組，可以同時(shí)對(duì)兩個(gè)鐵心勵(lì)磁。當(dāng)線路正常輸電時(shí)，超導(dǎo)繞組將鐵心磁化到深度飽和狀態(tài)，這時(shí)兩個(gè)常規(guī)繞組環(huán)繞的鐵心內(nèi)部磁通密度的時(shí)間變化率dB/dt很小，所以繞組兩端的電壓降很小，即整個(gè)通流/限流元件的阻抗很小。當(dāng)線路發(fā)生短路故障時(shí)，強(qiáng)大的短路電流產(chǎn)生的交流勵(lì)磁安匝數(shù)將大大地超過(guò)超導(dǎo)繞組的直流勵(lì)磁安匝數(shù)(有的設(shè)計(jì)會(huì)再在這時(shí)切斷直流勵(lì)磁回路)，鐵心將無(wú)法一直保持飽和狀態(tài)，其內(nèi)部磁通密度的時(shí)間變化率dB/dt急速增加，導(dǎo)致常規(guī)繞組上的電壓降大大增加，體現(xiàn)在整個(gè)通流/限流元件上的阻抗也隨之顯著增大，從而抑制了線路的短路電流水平。圖4(b)為典型的飽和鐵心型超導(dǎo)限流器的等效電路圖。其中，I0代表勵(lì)磁電流，C1和C2分別代表兩個(gè)交流繞組的電容，L1和L2代表兩個(gè)交流繞組的電感，RQ代表線路電阻，LQ代表線路電感。

圖4 飽和鐵心型超導(dǎo)限流器的基本結(jié)構(gòu)圖和在輸電線路中的等效電路圖[13-15]Fig.4 Generic structure and equivalent circuit of saturated iron-core superconducting fault current limiter[13-15]

飽和鐵心型超導(dǎo)限流器容易實(shí)現(xiàn)較大的限流阻抗，可以滿足高壓電網(wǎng)的故障限流需求。這種限流器在故障限流時(shí)超導(dǎo)元件一般不失超，所以恢復(fù)時(shí)間短，對(duì)冷卻系統(tǒng)的容量要求也較低。飽和鐵心型超導(dǎo)限流器的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在設(shè)計(jì)和制造方面需要考慮較多的因素。另外由于使用較多的鐵心材料，重量大，增加了運(yùn)輸和安裝的難度。

4.3電阻型和飽和鐵心型超導(dǎo)限流器的比較

對(duì)這兩種超導(dǎo)限流器的優(yōu)、缺點(diǎn)做一個(gè)簡(jiǎn)單的比較，結(jié)果如表2所示。

電阻型和飽和鐵心型超導(dǎo)限流器是目前為止發(fā)展水平最高的兩種超導(dǎo)限流器，兩者有一定的互補(bǔ)性。電阻型超導(dǎo)限流器更適用于中等電壓水平的配電網(wǎng)，飽和鐵心型超導(dǎo)限流器具有在高壓輸電電網(wǎng)中應(yīng)用的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[14]。兩者均在實(shí)際輸、配電電網(wǎng)中有一些示范性應(yīng)用[17,18]，圖5為有代表性的應(yīng)用示例。其中，圖5(a)為2014年安裝在德國(guó)埃森(Essen)赫克力斯(Herkules)變電站的12kV電阻型限流器，圖5 (b)為 2012年安裝在天津石各莊變電站的220kV飽和鐵心型限流器。

表2 電阻型和飽和鐵心型超導(dǎo)限流器的性能特征比較Tab.2 Characteristic comparison between resistive and saturated iron-core superconducting fault current limiters

圖5 電阻型限流器和飽和鐵心型限流器Fig.5 Resistive superconducting fault current limiter and saturated iron-core superconducting fault current limiter

5 結(jié)論

超導(dǎo)限流器在過(guò)去幾十年中取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，但在性能上還需繼續(xù)完善，尤其在設(shè)備運(yùn)行的可靠性、使用的方便性方面還需要很大的改進(jìn)。在使用的方便性方面，針對(duì)目前變電站操作人員不熟悉的冷卻系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)問(wèn)題，要盡量提高系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化程度。設(shè)備運(yùn)行的可靠性不但需要提高設(shè)備自身的可靠度，而且還要解決與電網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)的緊密配合問(wèn)題。要根據(jù)超導(dǎo)限流器的性能特點(diǎn)對(duì)現(xiàn)有的保護(hù)策略和方式進(jìn)行必要的調(diào)整，保證超導(dǎo)限流器入網(wǎng)運(yùn)行不給電網(wǎng)帶來(lái)新的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

一個(gè)理想的電網(wǎng)應(yīng)該具有最低的傳輸阻抗，而過(guò)低的傳輸阻抗又帶來(lái)了難以解決的短路故障電流過(guò)大問(wèn)題，這成為目前阻礙電網(wǎng)向高效率、低損耗和更安全可靠發(fā)展的一對(duì)矛盾。如果通過(guò)性能的進(jìn)一步完善，可靠性和可用性的進(jìn)一步提高，將超導(dǎo)限流器發(fā)展成為理想的限流器，將會(huì)幫助我們?cè)诮ㄔO(shè)理想電網(wǎng)的道路上邁進(jìn)一大步。期待在不遠(yuǎn)的將來(lái)，隨著理想的超導(dǎo)限流器的廣泛應(yīng)用，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)將發(fā)生深刻的技術(shù)進(jìn)步。

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Fundamentalsandprospectiveofsuperconductingfaultcurrentlimiters

XIN Ying1, TIAN Bo2, WEI Zi-qiang1

(1. School of Electrical, Automation and Information Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2. Tianjin Superconductivity Application Technology Ltd., Futong Group Co., Tianjin 300384, China)

Superconducting fault current limiters have been one the focuses of studies in power applications of superconductivity for a number of years and are considered as the most promising device leading the commercialization of superconducting power equipment. This article introduces the fundamental concepts, key components and functional characteristics of superconducting fault current limiters. Key parameters and specifications relevant to the design and application of a superconducting fault current limiter are also discussed. Two types of today’s most recognized superconducting fault current limiters, resistive one and saturated iron core one, are systematically analyzed and compared in their working principles, application status, advantages and disadvantages. With further improvement in functional performance, usability and reliability, a superconducting fault current limiter is able to become an ideal fault current limiting device. It is highly expected that superconducting fault current limiters will be widely used in various power grids in the near future, promoting a deep technical revolution for the power grids.

superconductivity; power application of superconductivity; superconducting fault current limiter; short circuit fault; current limiting impedance

10.12067/ATEEE1707010

1003-3076(2017)10-0001-07

TM725；TM471

2017-07-03

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51677131)

信 贏(1953-), 男, 黑龍江籍, 教授，博士,研究方向?yàn)槌瑢?dǎo)電工技術(shù)；田 波(1982-)， 男, 北京籍，工程師, 研究方向?yàn)槌瑢?dǎo)電工技術(shù)。