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1、作者：王银顺来源：新材料产业 2017年第11期随着国民经济的迅速发展，对电力需求不断增加，电网规模不断扩大，故障电流突破现有 断路器开断容量，将严重危及系统中的相关电气设备，为了保证系统的安全可靠运行，必须快 速切除故障电流。为了将短路电流限制在可控水平，人们很早就提出了超导限流器概念。但是， 由于低温超导体运行于液氦温度，使得运行成本很高、低温系统庞大，因此无法实现商业化。 1986年高温超导材料的发现之后，超导限流器技术又提到议事日程，近十几年来，国内外研发 成功了多种高温超导限流样机，部分实现了挂网试验运行。根据国际高温超导电力应用发展路 线图预测，高温超导限流器和超导电缆是最早进入市
2、场化的超导电力装备，预计到2025年将实 现商业化1。本文简要介绍高温超导限流器的基本原理和近十几年来有关高温超导限流器的研发现状。一、超导限流器的种类和基本原理超导限流器应具备以下特性： 在电网正常输电时呈现低阻抗； 在电网发生短路故障 时迅速转为高阻抗；限流后能够自动、及时恢复到低阻抗状态； 能够与电网的保护系统匹 配。对于交流电网，人们提出了3种类型的超导限流器，电阻型、电感型和磁屏蔽型。其中利 用超导体失超电阻限流的电阻型和利用超导直流零电阻特性的饱和铁心型获得了较高的认可。 电阻型结构简单响应快，电压与电流同位相，但限流阻值较小，失超恢复特性以及重合闸的实 现方面仍有不足。饱和铁心型
3、可以达到较高的限流阻抗，不存在失超恢复问题，目前在中、高 压电网都有成功应用的案例。1. 电阻型如图1所示，电阻型超导限流器由无感绕制的超导线绕制，旁路电阻用于保护作用。正常 运行时，由于超导体无电阻，线路不会产生压降和很小的能量消耗；当线路出现短路故障时， 超导体失超出现高电阻，从而限制了线路故障电流。如果电阻型超导限流器用于直流系统，限流器绕制无需无感绕制，由于直流系统发生短路 故障过程是交流过程，电感能够限制短路电流上升率，所以电感有助于直流限流器限流作用。2. 饱和铁芯型图2为饱和铁芯型超导限流器等效电路图，饱和铁芯型超导限流器主要由2个交流一次绕 组和一个直流二次绕组以及铁芯构成。每
4、个交流一次绕组由普通铜线绕制而成，直流二次绕组 由超导带材绕制而成。其他辅助设备还有快速开关、直流电源以及由转存电阻和锌氧避雷器构 成的转存模块。串接于输电线路的2个交流绕组，分别反向的缠绕在铁芯上，产生反相的交流 磁通。因此，一个铁芯内的直流磁场与交流磁场同向，一个铁芯内的直流磁场与交流磁场反向。 超导限流器的磁化程度为2铁芯磁化程度的叠加。当系统出现永久故障时，快速开关断开，转 存模块吸收磁场能量以减小直流绕组终端的电压。3. 变压器型如图 3 所示，变压器型超导限流器由铜质的一次绕组、短路连接的超导材料二次绕组构成 一次绕组的终端直接与电网相连。正常工作中，二次绕组中设置的临界电流小于其
5、额定电流， 此时处于超导态，没有电阻。超导限流器的阻抗仅由一次绕组的漏抗决定，由于二次绕组短路， 阻抗很小。故障期间，二次绕组中的电流超过临界电流使得二次绕组失超，导致二次绕组的阻 抗迅速增大。因此，超导限流器的有效阻抗迅速增大，从而限制了故障电流。由于没有电流引 线，故在二次绕组中没有热传导，减少了漏热。然而，在故障中二次绕组失超后会产生焦耳热， 从正常态恢复到超导态需要很长的时间。4. 屏蔽铁芯型屏蔽铁芯型超导限流器的原理和概念如图4所示。它由一个铁芯及普通导线制成的一次绕 组和超导筒制成的二次绕组构成。实际上，这种结构与二次侧短路的变压器类似。在正常工作 中，二次绕组，也就是超导筒，处于
6、超导态，一次绕组产生的磁通将在短路的超导筒上感应出 屏蔽电流（其值低于临界电流）。由屏蔽电流在铁芯中产生的磁通与一次绕组产生的磁通相反， 抵消了一次绕组产生的磁通，因此超导筒内无磁通穿过。一次绕组的有效阻抗，即二次短路后 变压器的净阻抗，非常低。然而在故障中，由于感应屏蔽电流超过临界电流，超导筒失超不能 再屏蔽铜线圈的磁通进入铁芯。因此将会有大量磁通与一次绕组相铰链，使阻抗增大到预设的 大阻值，从而有效的将故障电流限制在理想值。屏蔽铁芯型超导限流器仅需一个短路的超导筒，且不需要电流引线，这与一匝线圈的二次 绕组等效。因此，可以忽略传导漏热。除了在正常工作时，对线路加入了有限的阻抗外，该限 流器
7、还有一些其他缺点。例如，具有与变压器型超导限流器类似的笨重铁芯，难以统一失超以 及失超后恢复时间长等。因此，这种超导限流器也很少使用。5. 桥路型桥路型超导限流器主要由4个二极管（D1- D4）、一个偏置超导绕组L s c和一个偏置直流 电源Ub组成，如图5所示。电桥由4个二极管构成，直流电源Ub为超导绕组Ls c提供偏 置直流电流I s c。通过调整电压U b,使得偏置电流10的初值与I s c相等，并且高于正常 状态下线路电流的幅值I a c,所以4个二极管（D1- D4）始终导通。在正常情况下，除了桥路 上有小的正向压降外，限流器对线路电流不表现任何阻抗。在发生故障时，线路电流幅值I a
8、 c大于I0,在电流I a c正半周期二极管D3- D4不导通，在电流I a c负半周期二极管D1- D2不导通。因此超导绕组L s c被自动地串入线路，故障电流就被超导绕组的阻抗Z s= j s L s c所限制。由于超导绕组工作在直流模式，因而没有交流损耗并且工作电流Is c可以通 过调整电源Ub来得到。除此之外，超导绕组不会失超，故没有恢复问题。然而桥路型超导限流 器只能应用于中低电压等级，很难在高电压等级下应用。6. 混合型混合型超导限流器主要由可变耦合磁路的常规变压器和由双股绕制技术绕制的超导触发绕 组构成。有2种混合型超导限流器，第1种为串联型，其超导触发绕组与变压器的二次绕组串
9、联，如图6 （a）所示；第2种为并联型，其超导触发绕组与变压器的二次绕组并联，如图6 （b） 所示。串联型的一次绕组和二次绕组反向绕制以加深耦合程度，这样在正常状态下限流器只有 很小的阻抗。发生故障时，二次绕组中的电流急剧增加，超导绕组失超，由于绕组与二次绕组 相连因而呈现阻值R s c。电阻自动接入二次侧，将故障电流限制在理想水平。尽管二次绕组中的电流可以通过调整变比达到一个足够小的值，然而超导绕组的恢复依然 是个问题。因此，很少使用这种超导限流器。7. 三相电抗器型三相电抗器超导限流器如图7所示，它由绕在环形铁芯上的3个匝数相同的超导绕组组成。 在正常情况下，三相电流平衡，三相绕组的电流之
10、和为零且铁芯中的磁通不变。这里介绍2种故障情况，对称故障和不对称故障。对称故障中，限流阻抗的感抗分量作用很小，因此失超后 的电阻在限制电流中起关键作用。三相电抗器型超导限流器在不对称故障中的限流能力要比对称故障中的限流能力强。这种 超导限流器体积庞大，铁芯和低温容器的制作过程复杂。由于它工作在交流模式下，故在超导 绕组中有交流损耗。在实际中很少应用这种超导限流器。二、国内外研究进展尽管人们提出了很多类型的超导限流器，只有3种类型超导限流器即电阻型、感应型（包 括饱和铁芯型、变压器型、磁屏蔽型和电抗型）利用超导体失超电阻限流的电阻型和利用超导 直流零电阻特性的饱和铁心型获得了较高的认可，其他类型
11、的超导限流器只是在原理上进行研 究。近5年来，挂网运行的超导限流器主要集中在电阻型、饱和铁芯型2种。下文将主要介绍 这2种超导限流器的发展现状。1. 国外进展（1）美国超导故障限流器这一概念最早由美国人提出，早在1982年，美国的洛斯阿拉莫斯国家实验 室、美国超导体公司以及洛克希德马丁公司就已经开始了桥路型超导限流器的研究工作；后来 在美国能源部的支持下成功实验了一台2.4k V /100A的样机。在美国通用原子能公司和I G C 公司加入第二阶段研究工作后，在1999年研制出了故障电流缩减率达80%的桥路型高温超导故 障限流器。2007-2012年，美国能源部支持由S u p e r P o
12、 w e r公司主导研发的138k V /1.2k A阻性超导限流器和美国超导公司（A M S C ）主导的Superlimiter的三相115kV/1.2kA 阻性超导限流器2,3。图8分别为Superpower公司研发的限流器限流单元实验现场，图9为 美国超导公司与耐可森（ N e x a n s ）研发的限流器样机实物图，该限流器由无感绕制的63 个线饼组成，其中3个线饼并联为一组单元，然后21单元串联而成。（2）德国德国是研发阻性超导限流器最早的国家之一，卡尔斯鲁厄（F Z K ）与耐克森（N e x a n s）等公司合作，于2005年研发出10kV/10MVA三相阻性超导限流器，并
13、在德国和英国进行长时 间挂网试验运行。图10为德国采用B i2212棒材，通过无感切割的圆柱行棒材研制的阻性限流 器样机4。2012年， 耐克森（ N e x a n s ）（ S i e m e n s ）采用第2代高温超导带材，无感 （反绕）研制12k V /800A阻性超导限流器实验样机，将63k A短路电流限制到30k A。2015 年，Nexans研制的12kV/2.4kA阻性超导样机，安装在德国城市E s s e n中压配电网5,安 装现场如图11所示，该阻性限流器基于第2代高温超导带材，现已并网运行3年，运行正常。此外，Z e n e r gy公司于2009年采用第1代高温超导线
14、材Bi2223研发出15k V /1.2k A饱和铁芯型超导限流器，图12为该限流器样机实物。（3）意大利RSE公司研制的9kV/3.4MVA基于B系带材无感绕制的阻性超导限流器，图13所示。2012 年正式并网运行，至今运行良好6。R S E公司计划研制了 9k V /1k A基于钇钡铜氧（Y B C 0）的电阻型超导限流器，通过对58m的Y B C 0带材在65K和77K两个温度下进行测试，65K 时带材临界电流比77K时的提高了 1倍。2015年，RSE公司研制的9kV/15.6MVA基于B系带材 的电阻型超导限流器并网运行。为了减小饱和铁芯型超导限流器闭合铁芯的体积和质量，意大利A S
15、 G电力公司与英国北 方电网公司（Northern Power Grid）用开放型铁芯结构、直流超导绕组采用二硼化镁（MgB2）导 线绕制的36kV/0.8kA饱和型超导限流器7。图14为现场实验图片，计划安装在英国南约克郡 的Jordanthorpe275/33kV电站，可将短路故障电流减小38%。（4）其他国家在日本，S e i k e i大学和中央电力试验研究所于1998年用N b T i研制出了 600V /6A 的三相电抗器型超导限流器，并且进行了入网试验；2004年，东京电力公司研制66k V /750A 电抗器型超导限流器；2009年，日本东京大学利用第1代高温超导线采用反绕工艺
16、提出一种变 压器型超导限流器，2015 年，田中矶岛等人提出一种失超之后可以快速恢复超导态的超导限流。 1992年，法国电力公司，G E C A l s t h o公司和阿尔卡特阿尔斯通公司研制了 63kVrms/1.25kArms/5.3kApeak的混合型超导限流器。瑞士 A B B公司利用B i -2212研制成 功三相1.2M W的磁屏蔽型超导故障限流器，并准备安装在L o n t s c h变电站投入试运行。 2016年，俄罗斯S u p e r O x公司研制的3.3k V超导阻性限流器通过商业测试于年底安装 在铁路牵引电网，220k V阻性超导限流器计划2018年并网运行。加拿大蒙特利尔理工大学搭 建了硬件闭环（P H I L）与电力系统暂态实施数字仿真相结合的实验平台，探究了电力系统暂 态仿真中超导限流器模型与实际超导限流器的差异。韩国汉阳大学对感性和阻性超导限流器原 理方面也进行了很
