[科普中国]-超导故障电流限制器

超导故障电流限制器 (超导故障限流器)是超导电力应用中的一个重要方面 ，是利用超导体的超导态——正常态转 变的物理特性来达到限流目的 ，它融检测 、触发和限流于一体，反应速度快 ，正常运行时的损耗很低 ，能自动复位 ，是十分理想的限流装置 。在电力系统中安装超导故障限流器可大 大降低短路故障电流 ，从而显著提高系统的稳定性和可靠性 、大大改善电能质量 、明显降低电网的建设和改造成本 ，并提高电网的输进容量。

介绍利用超导体的超导-正常态转变特性来限制电力系统的故障电流的装置。随着电力系统容量日益增大，充分有效地限制故障短路电流，降低断路器的开断容量，是电力系统面临的实际问题。目前系统发生故障时主要是通过高压断路器切断短路电流。

由于电力系统容量日益增大，因此断路器的开断容量要足够大才能满足要求，但这将使断路器的结构更加复杂和价格更加昂贵。超导故障限流器可降低系统短路电流，从而降低高压断路器开断容量的要求;它动作时间快（大约几十微秒），可将故障电流限制在系统额定电流的二倍以内，比断路器开断电流小一个数量级左右，并可降低回路的过电压。它集检测、转换和限制于一身，是一种有效的电力系统故障“保护”装置。超导故障限流器还可采用超导材料的磁屏蔽特性研制成磁屏蔽型故障限流器。它主要由外侧初级常规导体绕组，中间次级超导空心圆筒和内侧铁芯等同心配装组成。在正常情况下，超导圆筒处于超导态，从而对初级绕组电流起屏蔽作用，因此，它呈现低的阻抗。在故障情况下，超导圆筒由于过电流而失超，失去对磁场的屏蔽作用，从而呈现出很大的阻抗。原则上它可以在一个周波（20ms）内将故障电流限制在二倍额定电流以内。

研发历史法国1988年首先研制并试验了世界上第一台超导-正常态转变型超导故障限流器，首次证明了超导故障限流器的可行性，1994年初又完成了工业化的6.3kVrms/1.25kArms/5.3kA peak超导故障限流器的设计，准备用两年时间建成该装置并进行电网试验。与此同时，日本东芝公司和东京电力公司合作研制了一台6.6kV/1.5kA超导故障限流器，该装置是由作为触发线圈的一对超导无感线圈与一个限流电抗线圈并联后串联于输电线路构成。随后又研制并试验了一台6.6kV/2.0kA超导故障限流器，比原先的6.6kV/1.5kA限流器省掉了限流电抗线圈，直接利用触发线圈转变为正常态的高电阻来限流。

20世纪80年代末，高温超导体的发现为超导故障限流器的实用化创造了更有利的条件。因为可以在液氮温区运行，不仅成本降低，同时也有更好的磁热稳定性。近年来，高温超导故障限流器的研究开发倍受重视。ABB公司1996年已研制一台1.2MVA三相高温超导故障限流器并安装在电厂试验运行。1

类型电阻型电阻型超导故障电流限制器，如图1所示，将电阻型超导线与正常电阻RN并联后串人线路，正常运行是超导线处在超导态，线路电流经超导线流过，一旦发生负载短路，超导线电流将超过临界电流转变为正常相电阻Rsc超导线电阻起到限制电流的作用，并联电阻起到部分分流的作用以使得超导线承载部分故障电流。

磁屏蔽型磁屏蔽型超导故障电流限制器如图2所示，将螺线管绕制在超导圆筒上，超导圆筒套在铁心柱上，螺线管串入输电线路。正常运行时，超导圆筒处在超导态，线路通电后螺线管绕组电流产生的磁场被超导圆筒排斥在外部，铁心因无磁通而对螺线管不起作用，螺线管电感是空心电感，因此阻抗很小。当负载短路时，线路电流增大，螺线管磁场磁通逐渐进入超导圆筒并最终进入圆筒内空腔，即铁心中出现磁通，超导圆筒失去磁屏蔽作用，螺线管电感非线性地显著增大，超导电阻和感抗按螺线管匝数二次方折算到螺线管后阻抗迅速增大，起到限制短路电流的作用。故障切除与系统恢复后，超导圆筒又恢复到超导态并起到磁屏蔽作用。

变压器型变压器型超导故障电流限制器与图2类似，即将磁屏蔽型单匝超导圆筒改为多匝超导短路线圈，那么利用超导抗磁性，正常工作时变压器铁心内部磁通很小，超导电阻为零，变压器短路阻抗很小。当负载故障时，变压器一次绕组电流增大，二次侧短路的超导线圈电流也相应地增大，致使超导电流超过临界电流，二次绕组阻抗增大，从而增大一次绕组等效阻抗并限制一次绕组电流，起到限制故障电流的作用。

储能型桥式储能型桥式超导故障电流限制器，如图3所示，正常运行时超导线圈中流过储能直流电流，没有输电线路交流电流时四个二极管电流相同且等于超导线圈电流的一半，直流偏置电压是为了平衡二极管管压降。

当输电线路有正常交流电流时，超导线圈仍然流过直流电流，二极管VD1和VD2电流相同且等于超导线圈电流与交流电流之和的一半，VD3和VD4电流相同且等于超导线圈电流与交流电流之差的一半，因超导线圈电流超过最大交流电流，所以四个二极管上电流存在直流分量和交流分量，但都处在导通状态。一旦负载短路，交流电流增加，当交流电流幅值超过超导线圈直流电流时，由于二极管的单向导通性而出现轮流截止状态，超导线圈电流将要承担交流分量，由于超导线圈储能的大电感特性，交流电流分量增加引起电抗增大，从而抑制交流电流，同时将电能部分地存储在超导线圈中，由于超导电流增加，交流线路需要断路器动作以切除故障源。在故障期间超导线圈可以一直处在超导态，而不需要失超保护和失超恢复等动作。2

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所