[科普中國]-超導(dǎo)故障電流限制器

超導(dǎo)故障電流限制器 (超導(dǎo)故障限流器)是超導(dǎo)電力應(yīng)用中的一個(gè)重要方面 ，是利用超導(dǎo)體的超導(dǎo)態(tài)——正常態(tài)轉(zhuǎn) 變的物理特性來達(dá)到限流目的 ，它融檢測 、觸發(fā)和限流于一體，反應(yīng)速度快 ，正常運(yùn)行時(shí)的損耗很低 ，能自動(dòng)復(fù)位 ，是十分理想的限流裝置 。在電力系統(tǒng)中安裝超導(dǎo)故障限流器可大 大降低短路故障電流 ，從而顯著提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性 、大大改善電能質(zhì)量 、明顯降低電網(wǎng)的建設(shè)和改造成本 ，并提高電網(wǎng)的輸進(jìn)容量。

介紹利用超導(dǎo)體的超導(dǎo)-正常態(tài)轉(zhuǎn)變特性來限制電力系統(tǒng)的故障電流的裝置。隨著電力系統(tǒng)容量日益增大，充分有效地限制故障短路電流，降低斷路器的開斷容量，是電力系統(tǒng)面臨的實(shí)際問題。目前系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)主要是通過高壓斷路器切斷短路電流。

由于電力系統(tǒng)容量日益增大，因此斷路器的開斷容量要足夠大才能滿足要求，但這將使斷路器的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜和價(jià)格更加昂貴。超導(dǎo)故障限流器可降低系統(tǒng)短路電流，從而降低高壓斷路器開斷容量的要求;它動(dòng)作時(shí)間快（大約幾十微秒），可將故障電流限制在系統(tǒng)額定電流的二倍以內(nèi)，比斷路器開斷電流小一個(gè)數(shù)量級(jí)左右，并可降低回路的過電壓。它集檢測、轉(zhuǎn)換和限制于一身，是一種有效的電力系統(tǒng)故障“保護(hù)”裝置。超導(dǎo)故障限流器還可采用超導(dǎo)材料的磁屏蔽特性研制成磁屏蔽型故障限流器。它主要由外側(cè)初級(jí)常規(guī)導(dǎo)體繞組，中間次級(jí)超導(dǎo)空心圓筒和內(nèi)側(cè)鐵芯等同心配裝組成。在正常情況下，超導(dǎo)圓筒處于超導(dǎo)態(tài)，從而對(duì)初級(jí)繞組電流起屏蔽作用，因此，它呈現(xiàn)低的阻抗。在故障情況下，超導(dǎo)圓筒由于過電流而失超，失去對(duì)磁場的屏蔽作用，從而呈現(xiàn)出很大的阻抗。原則上它可以在一個(gè)周波（20ms）內(nèi)將故障電流限制在二倍額定電流以內(nèi)。

研發(fā)歷史法國1988年首先研制并試驗(yàn)了世界上第一臺(tái)超導(dǎo)-正常態(tài)轉(zhuǎn)變型超導(dǎo)故障限流器，首次證明了超導(dǎo)故障限流器的可行性，1994年初又完成了工業(yè)化的6.3kVrms/1.25kArms/5.3kA peak超導(dǎo)故障限流器的設(shè)計(jì)，準(zhǔn)備用兩年時(shí)間建成該裝置并進(jìn)行電網(wǎng)試驗(yàn)。與此同時(shí)，日本東芝公司和東京電力公司合作研制了一臺(tái)6.6kV/1.5kA超導(dǎo)故障限流器，該裝置是由作為觸發(fā)線圈的一對(duì)超導(dǎo)無感線圈與一個(gè)限流電抗線圈并聯(lián)后串聯(lián)于輸電線路構(gòu)成。隨后又研制并試驗(yàn)了一臺(tái)6.6kV/2.0kA超導(dǎo)故障限流器，比原先的6.6kV/1.5kA限流器省掉了限流電抗線圈，直接利用觸發(fā)線圈轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)的高電阻來限流。

20世紀(jì)80年代末，高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)為超導(dǎo)故障限流器的實(shí)用化創(chuàng)造了更有利的條件。因?yàn)榭梢栽谝旱獪貐^(qū)運(yùn)行，不僅成本降低，同時(shí)也有更好的磁熱穩(wěn)定性。近年來，高溫超導(dǎo)故障限流器的研究開發(fā)倍受重視。ABB公司1996年已研制一臺(tái)1.2MVA三相高溫超導(dǎo)故障限流器并安裝在電廠試驗(yàn)運(yùn)行。1

類型電阻型電阻型超導(dǎo)故障電流限制器，如圖1所示，將電阻型超導(dǎo)線與正常電阻RN并聯(lián)后串人線路，正常運(yùn)行是超導(dǎo)線處在超導(dǎo)態(tài)，線路電流經(jīng)超導(dǎo)線流過，一旦發(fā)生負(fù)載短路，超導(dǎo)線電流將超過臨界電流轉(zhuǎn)變?yōu)檎Ｏ嚯娮鑂sc超導(dǎo)線電阻起到限制電流的作用，并聯(lián)電阻起到部分分流的作用以使得超導(dǎo)線承載部分故障電流。

磁屏蔽型磁屏蔽型超導(dǎo)故障電流限制器如圖2所示，將螺線管繞制在超導(dǎo)圓筒上，超導(dǎo)圓筒套在鐵心柱上，螺線管串入輸電線路。正常運(yùn)行時(shí)，超導(dǎo)圓筒處在超導(dǎo)態(tài)，線路通電后螺線管繞組電流產(chǎn)生的磁場被超導(dǎo)圓筒排斥在外部，鐵心因無磁通而對(duì)螺線管不起作用，螺線管電感是空心電感，因此阻抗很小。當(dāng)負(fù)載短路時(shí)，線路電流增大，螺線管磁場磁通逐漸進(jìn)入超導(dǎo)圓筒并最終進(jìn)入圓筒內(nèi)空腔，即鐵心中出現(xiàn)磁通，超導(dǎo)圓筒失去磁屏蔽作用，螺線管電感非線性地顯著增大，超導(dǎo)電阻和感抗按螺線管匝數(shù)二次方折算到螺線管后阻抗迅速增大，起到限制短路電流的作用。故障切除與系統(tǒng)恢復(fù)后，超導(dǎo)圓筒又恢復(fù)到超導(dǎo)態(tài)并起到磁屏蔽作用。

變壓器型變壓器型超導(dǎo)故障電流限制器與圖2類似，即將磁屏蔽型單匝超導(dǎo)圓筒改為多匝超導(dǎo)短路線圈，那么利用超導(dǎo)抗磁性，正常工作時(shí)變壓器鐵心內(nèi)部磁通很小，超導(dǎo)電阻為零，變壓器短路阻抗很小。當(dāng)負(fù)載故障時(shí)，變壓器一次繞組電流增大，二次側(cè)短路的超導(dǎo)線圈電流也相應(yīng)地增大，致使超導(dǎo)電流超過臨界電流，二次繞組阻抗增大，從而增大一次繞組等效阻抗并限制一次繞組電流，起到限制故障電流的作用。

儲(chǔ)能型橋式儲(chǔ)能型橋式超導(dǎo)故障電流限制器，如圖3所示，正常運(yùn)行時(shí)超導(dǎo)線圈中流過儲(chǔ)能直流電流，沒有輸電線路交流電流時(shí)四個(gè)二極管電流相同且等于超導(dǎo)線圈電流的一半，直流偏置電壓是為了平衡二極管管壓降。

當(dāng)輸電線路有正常交流電流時(shí)，超導(dǎo)線圈仍然流過直流電流，二極管VD1和VD2電流相同且等于超導(dǎo)線圈電流與交流電流之和的一半，VD3和VD4電流相同且等于超導(dǎo)線圈電流與交流電流之差的一半，因超導(dǎo)線圈電流超過最大交流電流，所以四個(gè)二極管上電流存在直流分量和交流分量，但都處在導(dǎo)通狀態(tài)。一旦負(fù)載短路，交流電流增加，當(dāng)交流電流幅值超過超導(dǎo)線圈直流電流時(shí)，由于二極管的單向?qū)ㄐ远霈F(xiàn)輪流截止?fàn)顟B(tài)，超導(dǎo)線圈電流將要承擔(dān)交流分量，由于超導(dǎo)線圈儲(chǔ)能的大電感特性，交流電流分量增加引起電抗增大，從而抑制交流電流，同時(shí)將電能部分地存儲(chǔ)在超導(dǎo)線圈中，由于超導(dǎo)電流增加，交流線路需要斷路器動(dòng)作以切除故障源。在故障期間超導(dǎo)線圈可以一直處在超導(dǎo)態(tài)，而不需要失超保護(hù)和失超恢復(fù)等動(dòng)作。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

王沛 - 副教授、副研究員 - 中國科學(xué)院工程熱物理研究所