限流器用第二代超导带材的电阻和冲击特性实验研究

王邦柱 张京业 戴少涛

(中国科学院电工研究所 北京 100190)

1 引言

随着电网的容量的增大和系统互联性的加强，电网的短路电流也不断增大，某些地区已经超过了现有断路器的分断能力。为限制故障电流水平，电力系统一般采用改变电网运行方式、增加限流电力装备等措施［1］。电阻型超导限流器是利用超导体的超导-正常态转变原理制成的新型电力设备，限流元件在电网正常运行时处于超导态，电阻极小至可以忽略;故障发生后，由超导材料制成的限流单元迅速失超成为高阻态，将电流限制到较低水平。电阻型超导限流器具有原理清晰、结构简单、响应速度快等优点，是限制电网故障电流、提高电网运行可靠性的重要技术方案［2］。

用于电阻型限流器的超导带的两个重要设计参数是耐冲击电流能力和室温单位长度电阻。不锈钢加强的第二代超导带材YBCO在大电流冲击下具有良好的机械稳定性和较高的单位长度电阻，适合作为限流元件的制作材料［3］。

本文实验研究了拟用于电阻型超导限流器的两种不同加强层厚度的国产YBCO超导带样品，分别测试了其室温电阻和100 ms大电流冲击下的温升特性。

2 实验原理和条件

交流大电流冲击试验系统的基本原理如图1所示。K1、K2最初均为断开状态;闭合K1，超导带短样和R组成串联回路，回路内通过一个很小的维持电流;闭合K2将电阻R短路，由于超导带超导状态下电阻很小，所以将有较大的冲击电流通过超导带。通过调压器调节输入电压，从而控制冲击电流的幅值;通过控制K2的闭合时间控制超导带承受冲击电流时间。冲击的电流由交流电流互感器检测，超导带的温升由T型热电偶检测。

图1 交流大电流冲击实验原理图Fig.1 Schematic diagram of AC overcurrent experiment

使用金具将超导带短样与实验电路连接后，将超导带放置于低温容器中，注入适量的液氮。确保液氮能够完全漫过超导带以及夹具上的金属部件，待样品充分冷却后，即可开始实验。两次冲击操作应有一定的时间间隔，一般取1—2 min，以确保冲击后的超导带样品得到了充分的冷却。实验过程中，注意随时补充液氮。

本实验所用样品来自上海某超导技术公司，分为两种:一种为50 μm厚不锈钢加强型12 mm宽YBCO超导带(下称薄带)，一种为100 μm厚不锈钢加强型12 mm宽YBCO超导带(下称厚带)。据样品提供者介绍，两种带材除了加强层厚度不同外，其余部分和所采用的工艺完全一样。

由于拟采用本超导带制作的电阻型超导限流器的设计限流作用时间为100 ms，实验中交流大电流冲击的时间与此保持一致。冲击电流的波形如图2所示，峰值出现在第一个波峰，此后电流幅值逐渐降低，把冲击电流波峰之中的最大值记为该次冲击试验的电流值。

图2 冲击电流的典型波形Fig.2 Typical waveform of overcurrent

冲击电流和样品温度的典型关系如图3所示。冲击电流施加后，超导带温度快速上升;冲击结束后，继续上升至最高温度。而后超导带的热量主要以对流的方式传至液氮，随着温度的降低，超导带逐渐恢复为超导态［4］。由图3可见，冲击发生后，超导带在秒级可恢复至液氮温度，两次冲击实验间隔1 min是足够的。

图3 冲击电流和样品温升的关系Fig.3 Relation of overcurrent and sample’s temperature

3 结果和讨论

采用电测法测量了薄带和厚带的V-I临界电流特性，结果如图4所示。其中，薄带的临界电流Ic=194 A，N=27;厚带的临界电流 Ic=198.7A，N=30。可知两种带材样品的临界电流和N值基本相当，可认为两种样品除了厚度外，条件相同。

采用四引线法测量了两种带材样品的常温电阻值，如表1所示。限流单元所需的超导带长度为L=R0/ρ0。考虑到电阻值R0是设计固定值，故所需超导带长度与单位长度电阻成反比。由表1可得，为满足电阻要求，厚带和薄带两种方案所需的带材长度相差近1.6 倍。

图4 实验样品的V-I特性曲线Fig.4 V-I relation of samples

表1 样品室温电阻测量值Table 1 Room temperature resistance of sample tapes

以略高于临界电流的电流开始，逐步提高冲击电流的幅值，直至超导带损坏。测得的薄带和厚带两种样品的冲击电流和最大温升的关系如图5所示。可知，薄带的最大耐冲击电流能力略大于3Ic，厚带的最大耐冲击电流能力约为6Ic。如果以单位长度分析，冲击电流产生的热量一部分引起超导带的温升，一部分传递给液氮。由于冲击时间很短，传出的热量相比于被超导带吸收的热量较少［5］，大致有Q∝cpmΔT。可知加强层厚的质量也大，相同的温升下，可吸收的热量更多;或吸收相同的热量，引起更小的温升。即加强层厚的超导带具有更好的冲击电流耐受能力。更高的耐受电流水平，意味着适用较少的并联组即可实现给定的限流值。所以，从这个意义上讲，厚带更适用于作为电阻型限流器的限流单元材料。

图5中最右侧的点是超导带损坏前的最大施加冲击电流及对应的最大温升。损坏的超导带样品如图6所示，样品表面已经因氧化变色(图6a)，拆掉夹具后可见超导带出现了明显的分层(图6b)。这是由于冲击电流大于一定水平后，短时的温升超过了超导带层间焊锡的熔点，破坏了超导带的多层结构。

4 结论

图5 两种样品的冲击电流和最大温升的关系Fig.5 Relation between overcurrent and temperature rise of two sample

图6 烧坏的超导带Fig.6 Deconstructed HTS tape sample

本文主要研究了用于电阻型超导限流器的两种仅不锈钢加强厚度不同的第二代超导带在100 ms短时交流冲击电流作用下的特性。实验表明，不锈钢加强层的厚度与其能够耐受的最大冲击电流有密切关系;在允许温升相同的情况下，厚带能够耐受的冲击电流更大。从这个角度看，厚带更适合于电阻型超导限流器应用。不过，厚带所需使用的带材量更大，所需投资更大。工程应用中，需要根据设计限流能力在耐受性和经济性进行权衡折中。

1 韩戈，韩柳，吴琳.各种限制电网短路电流措施的应用与发展［J］.电力系统保护与控制，2010，38(1):141-144.

2 Ruiz H S，Zhang X，Coombs T A.Resistive-type superconducting fault current limiters:concepts，mterials，and nmerical mdeling［J］.IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2015，25(3):5.

3 Du H I，Kim T M，Han B S，et al.Durability test of fault current limiter made of 2G wire having stainless steel as a stabilization layer taking into account fault angle［J］.IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2015，25(3):4.

4 Mart Nea E，Angurel L A，Pelegr N J，et al.Thermal stability analysis of YBCO-coated conductors subject to over-currents［J］.Superconductor Science and Technology，2010，23(2):025011.

5 Schwarz M，Chr S，Weiss K P，et al.Thermodynamic behaviour of a coated conductor for currents above Ic［J］.Superconductor Science and Technology，2008，21(5):054008.