2014-10-8 超导限流器

一、超导故障限流器的分类

超导限流器串联在电网中，用于电网中的短路电流，可以安装于变压器、线路、母联等关键位置。电网正常输电时，SFCL 的阻抗及损耗小，对电网影响较小；而在电网发生短路故障时，能瞬间增加自身阻抗，有效短路电流的幅值，从而达到保护电网设备的目的。 SFCL 根据工作原理可分为失超型、不失超型以及综合型三类。失超型 SFCL，通过控制 S/N (超导态/常态)的转换来短路电流，包括电阻型、感应型、混合型、磁屏蔽型等；不失超型 SFCL，在短路故障时仍保持超导体的超导特性，通过控制导体电流，来达到短路电流的目的，包括饱和铁芯型、桥路型、有源型等；综合型 SFCL，综合运用了失超型和不失超型两种工作原理来短路电流，如：三相电抗器型等。由于主要调研超导故障限流器的失超保护方案，所以下面只介绍失超型超导限流器。

二、常见SFCL的工作原理及特点

（1）电阻型超导限流器

电阻型SFCL 因其具有可自动检测故障、结构紧凑、响应迅速、原理简单及实现容易的优点，成为当下研究最广泛的超导限流器之一。图1 为其结构图。电阻型SFCL 是利用交流超导体从超导态向常态（高阻）快速转变原理来电力系统的故障电流。正常运行时，触发线圈处于超导态，整个装置阻抗很小，线路电流全部通过触发线圈。故障发生时，短路电流超过临界电流，触发线圈失超转变成高阻态，电流被转移到线圈中，从而故障电流，转变时间一般为百微秒级。

图1 电阻型超导限流器

但是电阻型SFCL 的不足之处在于其失超恢复时间较长，难以满足系统重合闸的要求。超导带材的失超恢复时间长短与散热条件、冲击电流、冲击时间、持续电流及带材本身其它条件都有关系，在某些情况下恢复时间长达几秒，确实无法满足系统要求。

（2）感应型超导限流器

感应型超导故障限流器实际是将一个电阻式超导故障限流器与变压器副边绕组连在一起，而变压器的原边绕组(铜绕组) 串联在输电线路中。因此，又称变压器型超导故障限流器( 图2) 。

图2 感应型超导限流器

正常运行时，变压器原边与副边超导绕组彼此耦合，而表现出很低阻抗。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的临界电流而失超，副边绕组瞬间变为大阻抗，使变压器等效阻抗增大，从而有效地故障电流。

变压器的引入隔离了超导限流元件与主回路，并且增强了容量设计的灵活性。在限流过程中需避免变压器承受过大短路电流而磁通饱和的隐患，磁通饱和将严重地影响故障限流效果。

（3）混合型超导限流器

混合型SFCL( 图3) 的概念是法国 1992年提出的，它由具有可变耦合磁路的常规变压器和无感绕制的超导线圈组成。其结构有两种接法(左图-串联接法，右图-并联接法) 。混合型SFCL 的变压器副边绕组比原边多得多，从而减小了超导线圈的电流。

图3 混合型超导限流器

正常运行时，磁路不饱和，一、二次绕组耦合得非常好，因为一、二次绕组彼此反绕(串联时) 或二次绕组被超导线圈短路(并联时) ，所以装置的阻抗很小。当发生短路故障后，超导绕组中流过的电流达到临界电流后失超，其电阻增大，对于串联型而言，大部分电流转入一次绕组并为一次绕组的电抗所，对于并联型的而言，增大的超导电阻折算到一次侧，从而短路电流。

混合型SFCL 只需采用比线路电流小得多的交流超导电缆，超导电缆简单易制，减小超导体重量，大大降低了低温损耗，同时由于故障期间磁路饱和而降低了电压和电流的有效值，从而减小超导线圈发热，有利于超导态的恢复。但是引进常规变压器机构使SFCL 总损耗很大且很笨重，此外，故障期间有较高的过电压，故障后磁路饱和会引起电流电压畸变。

（4）磁屏蔽型超导限流器

磁屏蔽型SFCL 由外侧的铜线圈、中间的超导屏蔽筒和内侧的铁芯同轴配置而成，如图4 所示，铜线圈串入电网。

图4 磁屏蔽型超导限流器

在电网正常工作时，电网中电流为额定工作电流。工作电流在铜绕组中产生的磁通在超导筒中感应电流，该电流小于超导体的临界电流，超导体处于超导态，因此磁通被超导筒完全屏蔽而无法进入铁芯。此时铜绕组相当于空心电抗器，感抗比较小，对电网影响比较小。当电网发生短路故障时，铜绕组中流过的电流迅速增大。超导筒因感应电流超过其临界电流而呈现足够大的电阻，使超导筒不能完全屏蔽铜绕组所产生的磁场，该磁场穿越超导筒而进入铁芯。此时铜绕组相当于铁芯电抗器，感抗比较大，从而短路电流。

磁屏蔽型SFCL 所需的高温超导体用量较少，只需一个不太长的超导管，工艺上容易达成。另外，超导屏蔽筒与主电路没有电的联系，它也不需要电流引出端子，有助于降低功率损耗。该型SFCL 的不足之处则在于装置较沉重，如何有效降低恢复时间也是一个需仔细研究的问题。