1　前言
　　随着电力系统容量的逐年增加，电网短路容量和短路电流水平也将不断增长。短路电流会直接影响电气设备的选择和电网的安全稳定运行。为了限制短路电流水平，减小短路引起的电压降落，常规限制短路电流水平的措施主要从电网结构、系统运行方式和设备3个方面考虑。①电网结构方面：往往采取高一级电压或采用直流联网等均可控制系统短路电流水平；②系统运行方式方面：对具有大容量机组的发电厂采用单元接线。对环形供电网络可以在环网中穿越功率最小处开环运行。对具有双回线路，在负荷允许条件下可以按单回路运行。在降压变电所中可采用多母线分列运行或母线分段运行；③在设备上采取措施：采用高阻抗变压器、分裂电抗器、分段电抗器和出线电抗器等，在厂用系统及其10－35kV变电所中采用串联电抗器，但在高压电力网中不易采用，因为这种措施会导致电压降和网络损耗增加，并降低系统的稳定性^［1］。
　　通过改造电力网结构限制短路电流水平的费用极其昂贵；而通过改变系统运行方式和设备来限制短路电流水平容易造成电力系统运行的不稳定性。因此，为保证电力系统安全稳定运行，快速限制短路电流水平就成为当前电力系统极其紧迫的问题^［2］。随着灵活交流输电技术（FACTS）的发展，超导故障限流器的电力应用研究已经成为21世纪电网技术的前沿课题之一^［3～5］。
2　超导故障限流器的原理及分类
　　超导故障限流器（SFCL）接入电网中，当电力系统正常运行时，传输电流在临界电流以下，超导体的电阻几乎为零，对电力系统运行无影响。一旦电网发生短路，短路电流大于临界电流时，超导体瞬时失电流限制在线路正常运行电流的2～3倍，此时断路器切断的仅仅是限制电流，因此可以避免更换现有的开关设备、断路器，节省了电网投资。超导故障限流器正是利用超导体的S／N态转变来限流，并能在较高电压下运行，同时集检测、转换和限流一身，能在毫秒级内有效的限制故障电流。此外，SFCL还具有以下卓越性能：①保证电流不超过阈值，显著降低线路的机械和电动应力，可延长电力设备的使用寿命；②能减少故障电流的持续时间，从而增加了电力系统的功率输送能力，改善其动态稳定性；③正常运行时，发热和损耗都小等特点。
　　超导故障限流器结构主要分为无铁芯和有铁芯两大类^［6］，无铁芯超导故障限流器包括电阻型和桥路型超导故障限流器^［7］；有铁芯超导故障限流器包括变压器型、磁屏蔽型、饱和铁芯型和三相电抗器型超导故障限流器。
3　短路冲击电流和短路电流的有效值
　　在研究电力系统短路的暂态过程时，知道短路电流的瞬时值（不对称）由周期分量（对称）和非周期分量两部分组成^［8］。其表达式为I＝I_psin（wt＋α－φ）－I_psin（α－φ）e^{－（w／X／R）t}   （1）

式中　I_p为短路电流周期分量的幅值，其值由电源电势幅值和等值短路阻抗决定，I_p＝E_m／（R²＋X²）^1／2；α为电源电势的初始相角（合闸角）；φ为电路的阻抗角，φ＝tan^－1（X／R）；X／R为电路的等值短路比。
　　短路电流的周期分量是对称的，非周期分量则是按指数规律衰减的直流，而且非周期分量初始值的大小同短路发生的时刻有关，即与短路发生时电源电势的初始相角（合闸角）α有关。若短路发生在电源电势刚好过零时（α＝0），短路电流的最大瞬时值（冲击电流）在短路发生后约半个周期出现（图1）。

　　由图1可知，不对称短路电流由对称短路电流叠加直流衰减分量组成，由于短路电流的直流分量是不断衰减的，所以，随电源电势的初始角α的变化，短路电流的变化范围介于不对称电流和对称电流的包络线间。所以，不对称短路电流的峰值均大于对称短路电流的峰值。且短路电流的的各个分量的有效值之间的关系为

式中　I_asym为不对称短路电流的有效值；I_sym为对称短路电流的有效值；I_dc为直流衰减分量的有效值。
I″K—初始短路电流；A—直流衰减分量iDC初始值；τ—直流衰减分量iDC的时间常数；IK—持续短路电流
4　超导故障限流器的运行参数
4．1　触发电流（Triggle Level）
　　超导故障限流器的触发电流，是超导体临界电流的峰值，当短路冲击电流大于触发电流时，超导体由超导态转变为正常态以限制短路电流，使得被限制的短路冲击电流不超过断路器的瞬时开断能力，这样，可以选用“轻型”断路器。在工程中，触发电流的幅值应该结合超导线圈的S／N临界电流、故障电流的瞬时峰值与断路器最大电流开断能力的差值，在留有裕度的前提下，经过反复试验（trial－and－error）的原则来确定。若考虑变压器的最大合闸冲击电流的影响，截断触发电流还应该留有一定的裕度。
　　但是，SFCL的触发方式若仅仅依靠峰值电流，容易导致误操作。因为故障电流可以有相同的峰值，不同的有效值^［9］。
  根据式（2）推出对称和不对称短路电流在具有　　相同峰值的前提条件下，两者有效值的关系式为

式中通常项  所以，不对称短路电流的有效值要小于对称短路电流的有效值。如图2示，对称和不对称短路电流拥有相同的峰值情况。
　　若SFCL被设置为能开断有效值为10kA的对称短路电流，则装置的最大瞬时开断能力为14．14kA。但装置可能会触发具有相同峰值、有效值小于10kA的不对称短路电流，此故障电流的有效值可能低于断路器的开断能力。因此仅用电流幅值来触发SFCL，容易造成误动作，不能很好的区别各种故障的不对称度（degree of asymmetry）。工程实际中，往往结合di／dt来触发SFCL。

4．2　di／dt
　　di／dt是故障电流随时间的变化率。它与电流幅值触发方式共同作用来控制超导故障限流器由超导态向正常态的转变过程。避免仅由电流幅值触发SFCL而引发的误动作。
对称和不对称故障电流的变化率曲线如图3示。

　　从图中可以看出，不对称短路电流随时间的变化率，因为其中包含的直流分量是不断衰减的，而小于对称短路电流随时间的变化率。横线代表di／dt的触发值。它能正确触发SFCL，使之限制有效值为10kA的对称故障电流，而遇到有效值为5．5kA不对称故障电流则不动作，虽然它的峰值能达到14kA。
　　据式（1）知，短路电流的直流分量是随时间衰减的，一般2～3个τ衰减为零，分析di／dt时可忽略不计。当电源电势过零α＝0，短路后约半个周期（t＝0．01s）出现短路冲击电流。所以对式（1）求导得

　　dI_max／dt由短路电流周期分量的幅值及角频率决定。I_p值由电源电势幅值和等值短路阻抗决定，因为短路冲击电流I_max＝KI_p。
式中　K＝1＋exp（－0．01／T_a）为冲击系数，T_a的值为等值L／R，当时间常数T_a的数值由零变到无穷大时，冲击系数的变化范围为1＜K＜2。所以，式（4）可写为

　　在实用计算中，当短路发生在发电机机压母线时，取K＝1．90，短路发生在发电厂高压侧母线时，取K＝1．85，在其它地点短路时，一般取K＝1．80。
4．3　最大运行电压V_max
　　超导故障限流器的最大运行电压V_max是指SFCL在限制短路电流过程中能承受的最大暂态电压的幅值。设计时应根据SFCL安装在电网中的具体位置，合理设计SFCL绝缘水平，使之能与线路运行电压相匹配。
4．4　最大电流开断能力I_max
　　超导故障限流器的最大电流开断能力I_max是SFCL所在电网发生最严重故障情况下所能开断的故障电流的峰值。
　　4．5　最大故障电流缩减率D（％）

式中　I₁为无SFCL时故障电流所能达到的峰值；
I₂为装设SFCL后，被限制的故障电流的峰值；D为衡量限流器的限流效果的参数，它的变化范围为0＜D＜1，D越大，表明SFCL的限流效果越好。
4．6　响应时间T_r
　　响应时间T_r指从故障发生到SFCL起限流作用所经历的时间，它表明限流器动作的快慢的参数。单位用周波数或s来表示^［10］。短路电流的最大瞬时值在短路发生后约半个周期出现，因此，SFCL的最快故障响应时间也应该在0．01s以内动作，且动作时间越快限制短路电流的效果越好。
5　超导故障限流器的安装地点
　　由图4可见，超导故障限流器主要安装在以下地点：①发电机－主变压器支路，保护发电机压母线。能够使用更大容量的变压器而不更换断路器，并能减少I²t对变压器的危害；②馈电线路，以限制各馈线支路的短路电流。可以保护用户侧低压地下电缆等设备；③母线联络线，用来限制2个系统母线短路电流水平，并能维持母线电压_［11］。

6　超导故障限流器的运行特性
　　超导故障限流器的典型安装位置是母线联络线。因为系统正常运行时，母线联络线是穿越功率最小的地方，若某一侧母线发生短路故障，母线联络线成为故障电流的主要通道，在此安装故障限流器不但可以有效的限制短路电流，而且故障瞬时，因通过限流器的电流数值较大，可以维持非故障母线的电压水平，有利于电力系统稳定运行。现以某2机系统为例来分析SFCL的运行特性（图5示）。
　

　　当母线A负荷侧在0．099s时发生三相短路时，若母线联络线没有安装SFCL，短路电流峰值在约半周0．01s内达到41．9 kA，超过了断路器26kA的最大瞬时开断能力；如果在母线联络线上安装了SFCL，当短路电流峰值上升到15．1 kA时被截断，随后短路电流逐渐衰减到零（图6示）；SFCL上电压随之减小到很小数值（图7示）。根据前述，可以确定SFCL的幅值开断电流为15 kA（如果考虑10％的裕度，那么幅值开断电流为13．5kA），短路电流峰值随时间的变化率为7．4kA／ms。
7　结论和展望
    在总结超导故障限流器工作原理的基础上，给出了表征超导故障限流器特性的运行参数的定义，并对故障电流幅值和di／dt触发SFCL进行了详细的分析。为避免误动作，应该结合故障电流幅值和故障电流变化率来触发超导故障限流器。

    归纳了超导故障限流器的安装地点及功能。

　　以典型系统为例，结合仿真分析了超导故障限流器的运行特性，说明可以很好地限制短路电流，改善电力系统的稳定性。
　　与电力系统常规限流方式相比，在电网正常运行时，超导故障限流器没有损耗和电压降。因此，可以避免更换现有的开关设备、断路器，节省了电网的投资，在电力系统中具有广阔的应用前景和研究价值。

［1］　王梅义，吴竞昌，蒙定中．大电网系统技术［M］．北京：中国电力出版社，1995．
［2］　郑健超．电力技术发展趋势浅议［J］．电网技术，1997，（11）：4－10．
［3］　林良真．超导电性及其应用［M］．北京：北京工业大学出版社，1999．
［4］　韩朔，等．超导技术应用发展对策报告［R］．国家科委超导技术应用对策研究课题组，1989．