陈志莉，任安林，信赢
(北京云电英纳超导电缆有限公司，北京市100176 )
摘要：超导限流器是应用超导技术限制电力系统的短路故障电流水平，以使电力系统安全稳定运行的新型电力设备。章文详细分析了目前应用较多的几种类型超导限流器的工作原理与技术特性，并对其目前在国内外的研究状况进行了回顾与展望。
关键词：故障电流;高温超导;限流器
1 引言
随着电网互联程度的提高，短路电流问题日渐成为困扰电网运行的重要因素。一旦故障短路电流超过电网设备承受能力，就可能带来灾难性的后果，不仅损坏发电厂、电网、用户的设备，大面积停电还将极大地影响人们的生产和生活，导致巨额损失。据美国能源部的分析报告，2006年因故障引起的电网中断造成的经济损失即达800亿美元[1]。
理想的限流器应在电网正常输电时呈现较低的阻抗，这样可以减低设备的运行损耗和保证用户电压稳定;在电网发生短路故障时，限流器迅速转变为高阻抗状态，有效地限制短路电流幅度;短路故障消除后，限流器又迅速地恢复到低阻抗状态。迄今为止，利用常规技术制造的限流装置无法达到这样的性能要求。超导材料与技术则为我们打开了通往制造理想限流器的道路，高电压等级、大容量的超导限流器(Superconducting Fault Current Limiter, SFCL)以其独特的优越性成为极有发展前景和市场竞争力的新型电力设备。超导限流器也因其独特的性能优势列入美国的智能电网建设规划[2]。
2 超导限流器的类型与工作原理
从限流器件的性质上分，超导限流器可分为电阻型和电感型。电阻型SFCL是利用电阻的变化来实现通流、限流的，而电感型SFCL是利用感应电势的变化实现通流、限流[3]。电感型根据工作原理不同又可分为感应型、屏蔽型、桥路型和饱和铁心型。
(1)电阻型
电阻型SFCL主要利用超导材料在“超导—失超”转变过程中电阻突变的特性进行限流，如图1所示。稳态运行时，超导材料(触发线圈)处于超导态，电阻很小，对电网无影响;故障电流发生时，强大的冲击电流使超导材料失超，电阻迅速增大，从而起到限流作用。
图1 电阻型SFCL
电阻型SFCL工作原理简单明了，但在实际应用中有两个问题制约了其发展：首先是超导材料问题，目前超导材料的制备技术(包括块材、薄膜、线材)及加工工艺尚不能完全满足需要，尤其对大容量的超导限流器;其次，超导材料在限流时需经历失超过程，恢复时需重新进入超导态，其恢复时间很难满足电网对断路器重合闸的要求。因此，必须采用两套超导线圈以适应快速重合闸运行。虽然美国Superpower公司于2001年提出了矩阵式超导限流器专利技术，利用超导元件和传统旁路线圈的组合矩阵实现限流功能，解决了限流容量小的难题[4]，但其恢复时间问题仍未解决。
(2)电感型
电感型SFCL通常是超导材料和电感元件(如铁心、绕组)以一定的方式组合而成，利用超导材料的特性使得稳态时限流器的感抗很小，短路时感抗突然增大，以达到限流效果。电感型SFCL有多种形式，其中感应型和屏蔽型也需要利用超导材料的“超导—失超”转变过程，仍然不能本质地解决恢复时间长的问题。桥路型和饱和铁心型不存在失超问题，因此较多用在工程实践中。
图2 桥路型SFCL
桥路型超导限流器主要由二极管(D1、D2、D3和D4)桥路、超导线圈(L)和直流偏压源(Vb)组成，如图2所示。正常运行时，调节Vb使IL=I0(I0是偏压源Vb提供给超导线圈偏流的初始值)，而I0大于线路电流IAC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Iac不表现出任何阻抗。故障时，当IAC幅值增加到I0时，在IAC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。
桥路型的优点是限流速度快，而且超导线圈不失超，具有多次启动的特点。但桥路型SFCL也有一些问题，在电网正常运行期间，超导线圈始终要流过大于电网电流幅值的直流电流，因此电流引线损耗较大;而且目前单个二极管的耐压能力和耐流能力有限，在高电压和大电流情况下应用，需要多个二极管串联或并联，因此系统结构复杂，可靠性降低[5]。
饱和铁心型SFCL由铁心、交流绕组、直流绕组和直流励磁电路等基本部分组成，如图3所示。其原理类似于饱和铁心电抗器，是利用磁材料磁导率的非线性进行限流控制。在电网正常输电时，直流磁势使铁心深度饱和，串入输电线路的交流绕组呈现低感抗，对正常输电无不利影响;在短路故障发生后，电流剧增，监控系统立即指令电力电子开关在几毫秒内切断励磁电流，两个铁心均脱离深度饱和状态，交流绕组上产生很大的压降，实现限流;在完成限流之后，迅速恢复直流励磁，铁心重新回到深度饱和状态，电网可以恢复正常输电。
图3. 饱和铁心型SFCL
饱和铁心型SFCL原理清晰，结构工艺简单，性能可靠，利于制作大容量的限流装置，但同时面临铁心体积大、成本高的问题。
此外，韩国LS产电株式会社和电子科技大学分别提出了混合型超导限流器概念。
3 超导限流器的研究进展
根据超导限流器的应用范围，可将其研制分为三个阶段：原理样机、挂网试验样机、高压输电等级试验样机。
此外，各种类型的超导限流器分别有其自身优劣势，经过多年的理论研究与试验验证，目前工程实践中应用较多的主要是电阻型、桥路型和饱和铁心型，而且大多处于挂网试验样机阶段。
3.1 电阻型
电阻型SFCL因原理简单，是最早提出的，其研究主要集中在ABB、西门子、耐克森、美国超导公司等。1999年，西门子完成1.2MVA SFCL模型样机并通过了试验。2002年，ABB成功研制出13.8kV/6.4MVA单相电阻型SFCL。
在上述工作基础上，2004年，耐克森完成10kV/10MVA 三相SFCL样机，如图4所示[6]。2007年，西门子完成13kV/2.3MVA单相试验样机。
图4. Nexsans 10kV/10MVA SFCL
3.2桥路型
桥式超导限流器的概念是由美国的洛斯阿拉莫斯国家实验室和西屋电力公司在1983年首先提出的[7]。
1995年美国LMC(Lockheed Martin Corporation)、ASC(American Superconductor Corporation)和LANL等合作研制成一台2.4kV/2.2kA桥型SFCL，它可将最大短路电流从2.2kA限制到1.1kA，能将短路电流降低约50%。
1999年美国General Atomics和ASC合作研制成功15kV/1.2kA SFCL，故障电流缩减率达80%[5]。
图5 15kV/1.2kA SFCL
在国内，2005年中科院电工所研制了一台10.5kV/1.5kA样机并进行了挂网试验。
3.3饱和铁心型
1982年Raju等人提出了饱和铁心型SFCL的原理并试制了3kV/556A低温SFCL样机[8]。1999年，俄罗斯Kurchatov Institute完成一台小型的三相饱和铁心型SFCL，试验证明其具有极短的响应时间和恢复时间，能将110A的短路电流限制到30A以内。澳大利亚Wollongong University在1994年完成了20V/2A的饱和铁心型SFCL概念设计，之后利用高温超导线材制备的SFCL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;2004年又与Australian Superconductor 合作完成一台1MVA单相饱和铁心型SFCL的研制与试验。此外，以色列Ricor公司完成一台400V/300A单相饱和铁心型SFCL的研制及试验。
2009年美国Zenergy Power公司完成一台15kV/2kA饱和铁心型SFCL，并进行挂网试验，最大限制短路电流50kA，限流能力达30-40%。
图6. Zenergy 15kV/2kA SFCL
在国内，云电英纳先后完成了1台饱和铁心型SFCL原理样机和2台试验样机。在此基础上，2007年完成了35kV/90MVA挂网样机的研制和运行，如下图7所示。这是目前世界上并网运行的电压等级最高、容量最大的超导限流器。
图7. 35kV/90MVA SFCL
其技术指标如表1所示：
表1.35kV/90MVA超导限流器参数
额定电压35 kV/ 3相
额定容量90MVA
运行阻抗0.35 W
最大限制短路电流20 kA
热稳定电流20 kA /2s
动稳定电流102 kA
故障判断时间< 1 ms
响应时间< 10 ms
恢复时间< 800 ms
4 发展趋势与应用前景
经过一系列模型样机和挂网试验样机的研制及并网运行试验后，超导限流器的研究已逐步进入第三阶段——高压输电等级超导限流器的研制及应用。从价格及实际需求角度考虑，输电网将是超导限流器未来最大应用场所。目前各国正在进行或计划中的SFCL项目如表2所示：
表2.正在进行或计划中的主要SFCL项目
完成时间技术
类型电压/电流kV/kA相数
Nexans (德)2010电阻型110/1.83
KEPRI (韩)2010复合型154/4.03
Innopower (中)2010饱和铁心型220/0.83
Zenergy (美)2011饱和铁心型138/?3
AMSC (美)2011电阻型115/1.23
Superpower (美)2011电阻型138/?3
由表2可以看出，电阻型和饱和铁心型是目前的主要发展方向，尤其在输电等级的研究应用中。考虑到电网应用的特殊性，电力设备最重要的是其可靠性，而饱和铁心型SFCL在限流过程中超导体不失超，具有较高的可靠性和快速响应性能，更具有发展前景。目前，作为美国国土安全部Project Hydra的一部分，Zenergy Power公司正在研制13.8kV的饱和铁心型SFCL，并将与一条300m、13.8kV的超导电缆一起安装在曼哈顿，该项目预计将能满足智能电网的三个主要要求：自愈、抵御攻击、提高电能质量。
5总结
超导限流器不仅可以降低电网短路电流水平，提高电网安全性，改善供电质量，还可以降低系统对断路器遮断容量的要求，从而大大减少电网建设或改造成本。
目前，超导限流器已经开始向实用化水平发展，随着各国智能电网规划的出台和实施，超导限流器必将迎来更大的发展空间和市场前景。
6参考文献
【1】U.S. Department of Energy. New Science for a Secure and Sustainable Energy Future, December 2008.
1. 【】
2. 【2】信赢，龚伟志，高永全等.35kV/90MVA挂网运行超导限流器结构与性能介绍，稀有金属材料与工程，2007,36(3).
3. 【3】Yuan.Xing ,HazeltonDrew W. MATRIX-TYPE SUPERCONDUCTING FAULT CURRENT LIMITER,US6664875.
4. 【4】张永，牛潇晔，王洋，信赢.超导故障限流器简介，国际电力，2005,9 (2).
5. 【5】Superconductivity for Electric Systems Peer Review.Development and In-Grid Demonstration of a Transmission Voltage SuperLimiterTM Fault Current Limiter. July 29-31, 2008.
6. 【6】叶林，林良真.超导故障限流器的电力应用研究进展，电力系统自动化，1999.07.
7. 【7】B. P. Raju, K. C. Parton, T. C. Bartram, A current limiting device using superconducting d.c. bias .applications and prospects, IEEE Trans. Power Appar. & syst., 1982, 101, 3173-3177.