0　引言

　　随着电力系统容量的逐年增加，电网短路功率及短路电流也相应增大。为了保证稳定、安全的输送大容量和高质量的电能，断路器和其他开关等设备必须满足高短路电流带来的更严格的要求。通常限制短路电流的措施可从电力网结构、系统运行方式和设备三方面考虑。通过改造电力网结构限制短路电流的费用极其昂贵；而通过改变系统运行方式和设备来限制短路电流容易造成电力系统运行的不稳定性。
　　超导限流技术是一种全新的技术，它利用超导体的超导/正常(S/N)态的转变，由无阻态变到高阻态，以达到限制短路电流的目的，因此，超导故障限流器(superconducting fault current limiter，简称SFCL)的研究在世界范围内已引起广泛的关注。

1　超导故障限流器的原理与特性

　　超导故障限流器(SFCL)接入电网中，当电力系统正常运行时，传输电流在超导线临界电流以下，超导体的电阻几乎为0，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“失超”(quench)产生非线性高电阻，从而限制了短路电流。超导故障限流器正是利用超导体的S/N态转变来限流^［1］，并能在较高电压下运行，同时集检测、转换和限流于一身，能在毫秒级时间内有效地限制故障电流。在某6 kV电网发生短路时，超导故障限流器与常规限流电抗器的比较如图1所示^［2］。

图1　超导故障限流器与常规限流电抗器的比较
Fig.1　Comparison of SFCL with air-core inductor

　　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。
　　SFCL基于“失超”现象，立刻把大的短路电流限制在线路正常运行电流的2倍～3倍，可以减小现有开关设备、断路器的损耗，节省电力部门的投资。但其不能跳开线路，因而可以用一个传统的断路器与之串联来跳开线路。此时断路器切断的仅仅是限制电流，而且切断速度非常快，以隔离和抑制超导线圈的焦耳热。

2　超导故障限流器的类型、结构和特点

2.1　电阻型超导故障限流器^［3］
　　电阻型超导故障限流器(见图2)由低交流损耗的极细丝超导电缆无感绕制的触发线圈(superconducting coil)组成，为了降低触发线圈转变时产生的过电压，通常并联一个限制线圈(limiting coil)。正常运行时，触发线圈处于超导态，由其交流损耗和漏感决定的阻抗很小，线路电流全部通过触发线圈。故障状态下，短路电流很快超过触发线圈的临界电流，触发线圈变为常态，出现高阻值，电流被转换到限制线圈中去，从而限制了故障电流。电阻型超导故障限流器结构简单，响应速度快，电流过载系数低，正常运行电压低；但其超导线圈在正常运行期间要流过线路全电流，需采用低交流损耗的大电流超导电缆。

图2　电阻型超导故障限流器
Fig.2　Resistive SFCL

2.2　桥路型超导故障限流器^［4］
　　桥路型超导故障限流器(见图3)的概念是由美国的LANL(Los Alamos National Laboratory)和西屋电力公司首先提出的。它由二极管桥路D1～D4、超导线圈L和直流偏压源V_b组成，与之串联的断路器CB用来开断被降低的故障电流，V_b为超导线圈提供偏流I₁。正常运行期间，调节V_b使I₁=I₀，而I₀大于线路电流I_ac的峰值，于是桥路始终导通，除桥路上有较小的正向电压降外，SFCL对I_ac不表现出任何阻抗。在故障状态下，当I_ac幅值增加到I₀时，在I_ac的正半周内，二极管D3和D4不导通，而在负半周内，D1和D2不导通，超导线圈被自动串入线路，故障电流被大电感所限制。桥路型超导故障限流器具有独特的优点：①能在0.5 s内从第2次故障中恢复，而不需要第2套系统，适用于自动重合闸运行；②超导线圈是直流的，无交流损耗；③正常运行期间，装置的电压降小，且不会引起电力系统谐波；④由于无铁心，故装置的重量轻且费用低；⑤可以调节故障电流的缩减率。更重要的是用HTcS带材(用高温超导体制成的线材)制造桥路SFCL是费用较低的方案。但是在正常运行期间，超导线圈将通过大于线路电流幅值的直流，由电流引线引入的低温损耗大，还需要电力二极管桥路及直流偏压源。

图3　桥路型超导故障限流器
Fig.3　SFCL with a diode bridge

2.3　变压器型超导故障限流器^［5］
　　变压器型超导故障限流器(见图4)的原边绕组与输电线串联，副边超导绕组SC短接。正常运行时，变压器因副边绕组短路而表现出低阻抗，因此只有很低的电压降。发生短路故障时，变压器副边绕组的感应电流超过超导绕组SC的临界电流而“失超”，瞬间变为大阻抗，使变压器阻抗增大，从而限制故障电流。变压器型超导故障限流器的超导线圈不需要电流引线，低温损耗较少。但需要非金属杜瓦和大电流交流超导电缆。

图4　变压器型超导故障限流器
Fig.4　Inductive SFCL

2.4　磁屏蔽型超导故障限流器^［6］
　　磁屏蔽型超导故障限流器(见图5)由外侧的铜线圈、中间的超导圆筒和内侧的铁心同轴配置而成，铜线圈串入电网。

图5　磁屏蔽型超导故障限流器
Fig.5　Screening SFCL

　　正常运行时，超导圆筒为超导态，铜线圈产生的磁通被短路的超导圆筒感应屏蔽电流所产生的磁通所抵消，装置的阻抗仅由铜线圈和超导屏蔽筒间的气隙磁通所决定，表现出低阻抗。当发生短路故障时，超导体因感应的电流很快增大到临界值而呈现足够大的电阻，使超导圆筒不再能屏蔽铜线圈的磁通，引起装置的阻抗增大，从而限制故障电流。磁屏蔽型超导故障限流器所需的高温超导体用量较小；而且因超导屏蔽筒的交流损耗低，所以低温热负荷小，可以用G—M制冷机来冷却；装置外侧的杂散磁场也小。但是装置的故障恢复时间较长，用于快速重合闸需要两套装置，并需要转换开关；限制故障电流期间有瞬态过电压产生。
2.5　饱和铁心型超导故障限流器^［7］
　　饱和铁心型超导故障限流器(见图6)由一对铁心电抗器组成，每个铁心上有铜的交流限制绕组L₁和L₂以及直流超导绕组X₁和X₂。两个交流限制绕组极性相反地串联，直流超导绕组串联并加直流偏压源。正常运行时，调节直流偏压源使两个铁心饱和，装置呈现低阻抗；当线路故障时，短路电流使两个铁心在一个周期内交替饱和，装置的阻抗增大，从而限制了故障电流。饱和铁心型超导故障限流器在故障限制期内超导线圈不“失超”，有多次自动启动功能，适于自动重合闸运行；超导线圈是直流的，所需的直流超导电缆较易制造，正常运行和故障状态间的转变是渐进的，产生的过电压小。但是铁心和常规绕组尺寸要按2倍的故障功率设计，所以装置比较笨重；正常运行期间铁心处于饱和状态，有显著的漏磁场，限流期间铁心因反复饱和、去饱和，将产生电压谐波。

图6　饱和铁心型超导故障限流器
Fig.6　Saturated core SFCL

2.6　三相电抗器型超导故障限流器^［8］
　　三相电抗器型超导故障限流器(见图7)由绕在单铁心上的3个匝数相同的超导绕组组成。正常运行时，三相电流平衡，其和为0，铁心中无磁通变化，装置呈现低阻抗；当发生单相接地短路时，三相电流失衡，阻抗变得非常大，故障电流被SFCL的大的零序阻抗所限制，超导绕组不会“失超”。当发生两相或三相短路故障时，装置的阻抗不增大，当故障电流达到超导绕组的临界电流时，超导绕组“失超”，故障电流被大的常态阻抗所限制。三相电抗器型超导故障限流器突出的优点是：单相对地短路时超导绕组不“失超”，因为电力系统90%的故障为单相对地短路故障，所以它可以不“失超”地限制大多数故障电流，且正常运行期间，三相电流之和为0，无磁通变化，可用金属杜瓦。但是，它需要能通过线路全电流的交流超导电缆；因为有铁心，所以重量较重，总损耗大。

图7　三相电抗器型超导故障限流器
Fig.7　Three-phase SFCL reactor

3　超导故障限流器的研究进展和前景

　　快速限制电流对电网安全很重要^［9］，但一直未找到理想的解决办法。理想的故障限流器应具有以下特征：正常运行时稳定且阻抗几乎为0；当电网发生故障时，应立刻转换为大阻抗；清除故障后应立即返回原来状态；短路期间能够承受多次故障的冲击等。高压开关、高阻抗变压器、熔丝、空心电抗器等都不能完全满足这些要求。1986年发现高温超导体后，又开始新一轮超导故障限流器的研究。目前，美国、德国、日本、法国、瑞士、加拿大和中国等都在开展超导故障限流器的研究工作。
3.1　电阻型超导故障限流器
　　日本在1995年成功地实验了6.6 kV(有效值)/2 kA(有效值)/4 kA(峰值)的电阻型SFCL模型机。1998年法国Schneider Electric公司提出用超导块材研制电阻型SFCL的设想^［10］。德国西门子公司和加拿大Hydro Quebec合作研制成功了用YCBO作材料的100 kVA的电阻型SFCL，正在进一步研制10 MVA电阻型SFCL，并计划于2001年进行电网实验^［11］。
3.2　桥路型超导故障限流器
　　桥路型超导故障限流器概念是美国在1982年提出的，并在1994年由LANL，ASC(American Superconductor Corporation),LMC(Lockheed Martin Corporation)完成了12 V/32 A桥路型SFCL模型。LANL，ASC和LMC合作，在1995年～1997年用Bi—2223/Ag分别研制了240 V/2 kA，2.4 kV/3 kA桥路型高温超导故障限流器(HTSFCL)；计划于1998年开始研制15 kV/20 kA桥路型HTSFCL^［12］。中国科学院电工研究所于1997年在国家超导联合中心支持下，开始研制1 kV/100 A桥路型SFCL，已完成了电路的初步设计，并用NbTi线绕制了内径142 mm、外径158 mm、高277 mm的磁体。
3.3　变压器型超导故障限流器
　　法国GEC Alsthom于1992年研制了63 kV(有效值)/1.25 kA(有效值)/5.3 kA(峰值)的变压器型SFCL^［13］，实验证明短路电流被限制在350 A以下；在1994年根据传统的跳开—重合—跳开(O—C—O)操作规程，又研制了150 V/50 A变压器型SFCL模型^［5］，解决了快速恢复超导性问题，并降低了占总损耗大部分的电流引线损耗。
3.4　磁屏蔽型超导故障限流器
　　目前Bi系列HTcS圆筒可以做到直径50 cm～70 cm，J_c=4　kA/cm²的水平^［14］，GE公司认为用它来研制磁屏蔽型SFCL是比较好的方案^［15］。1994年瑞士成功地实验了480 V/250 A的样机^［14］。以色列于1995年在380 V电网上实验了1 kV/25 A的样机^［14］。日本于1997年实验了6.6 kV/400 A的磁屏蔽型SFCL。
3.5　饱和铁心型超导故障限流器
　　英国于1982年提出设想并试制了3 kV/556 A样机。澳大利亚Wollongong University的超导和电子材料中心及University of NSW电力系在华裔科学家窦士学的领导下，在1994年完成了20 V/2 A的HTcSFCL概念设计，并于1997年研制出套银陶瓷HTc线材，在77 K液氮温度及零外场的条件下，临界电流密度J_c达到6.9 kA/cm²，利用其制备的HTcSFCL在6.9 kV电网上的实验结果证明，其能有效地抑制故障电流^［2］。
3.6　三相电抗器型超导故障限流器
　　日本Seikei University和Central Research Institute of Electric Power Industry于1992年用NbTi线制备了200 V/13 A的三相电抗器型SFCL^［16］，并进行了电网实验，它可以有效地限制单相短路电流。
　　随着灵活交流输电技术^［17］的发展，超导短路电流限制器在供配电网的应用研究已成为21世纪电网技术发展的前沿课题之一。SFCL可以用在母联开关、进线/出线断路器、发电机出口断路器^［11］等处。若高温超导材料的研究、生产工艺和性能取得新突破，低交流损耗的大电流超导电缆、高电压高温超导交流电缆及高温超导线“失超”传播和保护等问题^［18］能得以解决，那么就高温超导强电应用^［19］而言，超导故障限流器在电力系统中具有广阔的应用前景。

国家超导联合中心资助项目(863-CD040000)。

［1］Gray K E. Superconducting Fault Current Limiter. J Applied Physics, 1978,49(4): 2546～2550
［2］Jin J X, Dou S X. Electrical Application of a HTS Saturable Magnetic Core Fault Current Limiter. In: MT-15 Proceeding. Beijing: 1997.555～558
［3］Tasaki K. Qench Current Degradation in Superconducting Coil for 6.6 kV/2 kA Fault Current Limiters. In: MT-14 Proceeding. Japan: 1995.1112～1114
［4］Boening H J, Leung E M. Superconducting Fault Current Limiter and Inductor Design. IEEE Trans on Mag-19, 1983,3: 1054～1058
［5］Tixador P. Experimental Results on a Hybrid FCL. IEEE Trans on Applied Superconductivity, 1994,5: 1055～1058
［6］Paul W. Tests of 100 kW HTcSFCL. IEEE Trans on Applied Superconductivity, 1995, 5(2): 1055～1058
［7］Raju B P. A Current Limiting Device Using SC DC Bias. IEEE Trans on Power Apparatus and Systems, 1982, PAS-101(9): 3173～3177
［8］Shimizu S. Equivalent Current and Leakage Reactances of SC 3-Phase FCL. IEEE Trans on Applied Superconductivity, 1993, 3(1): 578～581
［9］郑健超.电力技术发展趋势浅议.电网技术，1997，21(11)：4～10
［10］Belmont O. Fault Current Limiter Using Bulk Oxides Superconductors. Eur Phys J, 1998, AP 2：139～143
［11］Klaus Meyer. High Temperature Superconductivity: the State of Th

[1] [2] 下一页