超导限流器基本概念和发展趋势

信 赢， 田 波， 魏子镪

(1. 天津大学电气自动化及信息工程学院， 天津 300072； 2. 富通集团天津超导技术应用有限公司， 天津 300384)

超导限流器基本概念和发展趋势

信 赢1， 田 波2， 魏子镪1

(1. 天津大学电气自动化及信息工程学院， 天津 300072； 2. 富通集团天津超导技术应用有限公司， 天津 300384)

超导限流器是多年以来人们在超导电力技术领域的研究焦点之一，也是被认为最有可能率先实现工业化应用的超导电力设备。本文在介绍超导限流器的基本概念、组成要素和功能特点的基础上，讨论了超导限流器设计和应用相关的一些重要技术参数和性能指标。文章还较系统地分析了电阻型和饱和铁心型两种目前发展水平较高的超导限流器的工作原理和应用情况，并比较了两者的优缺点。随着性能的进一步完善，可靠性和可用性的进一步提高，超导限流器有可能成为理想的电网短路故障限流装置。作者期待在不远的将来超导限流器会在各种电网中得到广泛的应用，并由此推动电网的深刻技术革命。

超导； 超导电力技术； 超导限流器； 短路故障； 限流阻抗

1 引言

超导限流器是超导技术在电力领域的一项重要应用[1,2]，也是最有可能实现工业化的超导电力设备之一。

现在很多电网的短路故障电流水平已经超出或即将超出现有线路断路器能够应对的范围，电网运行安全存在着很大隐患。短路故障电流过大已经成为目前世界上很多国家输、配电网面临的迫切需要解决的问题[3]。在我国长三角和珠三角地区这个问题尤为突出[4,5]。另外，高压直流输电，尤其是多端高压直流输电近些年发展迅速。与交流线路断路器相比，直流线路断路器的遮断容量与实际需要的差距更大，无法满足直流电网建设的需要[6]。因此，无论是交流电网还是直流电网，目前都需求能够有效抑制故障短路电流水平的装置。

抑制电网的故障短路电流水平基本要求就是要增加电网的阻抗，而增加电网的阻抗会增加电网的输电损耗和电压降落，降低电网的电压调节能力和电能质量。所以在过去几十年里，虽然使用高阻抗变压器或限流电抗器在中、高压电网中有效地抑制了故障短路电流，但必须指出的是，这是以增加输电损耗为代价的，很不理想。而对于超高压(≥330kV)或特高压电网，由于所需要的限流阻抗很大，使用高阻抗变压器或限流电抗器所导致的负面效应是难以接受的，短路故障限流问题一直没有得到满意的解决。

开发具有理想的技术性能，并能广泛地应用于各类电网的限流器是多年来电网行业、电力技术科研人员所追求的目标。理想的限流器应具备如下特征：①在电网正常输电时低阻抗或零阻抗；②在电网发生短路故障时迅速转为高阻抗和有效限制短路电流；③限流后能够自动、及时恢复到低阻抗或零阻抗状态；④能够与电网的保护系统匹配。

几十年的研究与应用实践告诉我们，基于传统材料与技术难以同时实现故障限流时的高阻抗和正常输电时的低阻抗，目前普遍使用的限流电抗器和高阻抗变压器就是这样的例子。超导材料具有其他材料所不具有的独特性质，将超导材料应用到故障限流装置中能够保证在电网正常输电时的低阻抗，在电网发生短路故障时能够迅速转为高阻抗，有效限制短路电流。使用超导元件的故障限流装置在限流后能自动、及时恢复到低阻抗状态，而且能够完全配合电网现有的保护系统。所以，超导材料可能制作出理想的故障电流限制设备——超导限流器[7,8]。

本文将介绍超导限流器的基本概念、组成要素和功能特点，并将讨论与超导限流器相关的一些重要技术和性能参数。文章还将较系统地分析和比较电阻型和饱和铁心型这两种目前发展水平较高的超导限流器的工作原理、性能差异和应用情况。

2 超导限流器的组成要素

虽然几十年来人们提出了许多种类的超导限流器原理和拓扑结构，但所有超导限流器的组成要素都包括三个主要部分：通流/限流单元、低温冷却系统及监控单元，如图1所示。超导限流器的核心组件是通流/限流单元，该单元主要由通流/限流元件和电流引线组成。超导限流器有若干不同的分类方法，若以通流/限流元件的阻抗特性划分，可以分为电阻型超导限流器和电感型超导限流器。也有根据通流/限流单元限流时是否失超划分，分为失超型或非失超型超导限流器。

图1 超导限流器的三个主要部分Fig.1 Three fundamental elements of superconducting fault current limiter

在超导限流器实际应用时，通流/限流单元以串联方式安装在输电线路中。在线路正常输电时，通流/限流单元的阻抗很低，所以设备压降很低，输电损耗也很小，对正常输电没有显著的负面影响。当线路突然发生短路故障时，通流/限流单元能及时地转变为较高的阻抗，有效地限制故障电流。实现通流低阻抗是超导元件在超导限流器中的基本作用，是传统材料和技术难以做到的。

超导限流器的通流低阻抗一般是通过两类基本的途径实现的。一种是通流/限流元件本身是由超导材料制作，在线路正常输电时其处于超导状态，直流电阻为零。另一种通流/限流元件是用传统材料制作的，而利用超导元件的作用对通流/限流单元进行控制，使其在正常通电时具有较低的阻抗。

绝大多数电网的保护规则要求在发生短路故障线路开断后的一个很短时间内(一般约为几百ms)线路断路器要做一次重合闸的尝试。在重合闸时，如果短路故障已经排除，则电网恢复到正常供电状态；如果这时故障仍未排除，则断路器再次开断，故障线路处于被隔离状态，直到故障排除。短路故障线路开断后自动重合闸的规则要求线路中的限流器在断路器做重合闸动作前恢复到能够正常输电状态。也就是说，超导限流器要恢复到低阻抗状态，而恢复所需要的时间要小于保护规则确定的重合闸时间。

要保证超导元件的工作条件，低温冷却系统是超导限流器的必要组成部分。超导元件必须置于一个绝热容器中，通过电流引线与外界实现电气连接。一般使用制冷机或其他制冷手段提供超导元件工作时所需要的冷量，通过液氮循环或传导冷却保证超导元件处于需要的低温环境。对于在故障限流时超导元件需要经历失超过程的超导限流器，在设计其制冷系统时不但需要考虑正常运行时超导元件所需要的冷量，而且还要考虑失超后整个系统及时恢复所需要的冷量。

为了超导限流器能有效地发挥其各项功能和保证其运行安全，并实现与电网的保护系统的紧密配合，控制保护装置也是必不可少的。在线路正常输电时，控制保护装置主要功能是监控和保证超导限流器低温冷却系统的正常运行；在故障限流时，除对超导限流器自身状态进行监控外，还要和电网保护系统配合动作。对于需要主动限流控制的超导限流器来说，其控制保护装置更加复杂一些，需要增加一些电力电子元件，传感器件的灵敏度和可靠性要求也可能提高。

3 超导限流器设计的关键依据及重要性能参数

作为一种电力设备，超导限流器不但在功能上要满足电网要求，而且在电气安全和可靠性方面也要符合相关的标准和规范。这些要求、标准和规范对超导限流器的设计、制造和使用都有着决定性的影响。

在设计一个实用的超导限流器时，首先要根据电网公司提出的所应用线路的电压和输送的额定电流确定设备的电气绝缘型式和等级，确定通流/限流单元的最小导体截面(载流能力)。然后根据电网公司给出的与该限流器应用相关的电网结构、应用点的最大短路故障电流、安装限流器后拟实现的最大限制短路电流、限流动作时间和持续时间、输电线路保护系统设定的故障跳闸后的自动重合闸时间及线路正常输电所能允许的最大设备压降(阻抗)等参数对超导限流器的通流/限流单元、低温冷却系统和监控保护系统进行设计。有时电网公司还会对设备的尺寸和重量等物理参数提出要求，使设计有了更多的约束条件。

限流器拟应用地点的电网结构、应用前最大短路故障电流的量值和安装限流器后拟实现的最大限制短路电流的量值决定超导限流器通流/限流单元的限流阻抗设计。限流动作时间与限流器的限流机理紧密相关，所以需要选择合适的限流机理来满足电网提出的限流动作时间。限流持续时间要求也是由电力部门提出的，它将影响到通流/限流单元电路结构的设计和超导导体的选择，也将影响对低温冷却系统结构和容量的确定。超导限流器的恢复时间必须小于输电线路保护系统设定的断路器故障跳闸后的自动重合闸时间，保证在断路器执行自动重合闸动作时限流器处于可投入正常输电的工作状态。

图2为限流器在一次短路故障限流过程中各个阶段不同工作状态的描述和相关参数的定义，通过图2可帮助读者更好地理解上面谈及的一些技术参数的物理意义。

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图2 限流器在一次短路故障限流过程中各个阶段的不同工作状态及相关参数定义Fig.2 Different functioning states and corresponding parameters during fault current limiting action

限流器的通流阻抗(或正常输电时的设备压降)也是反映限流器性能的参数，传统限流装置在正常输电时的设备压降一般会在线路压降的4%～10%范围。与传统限流装置相比，超导限流器的通流阻抗很小，其正常输电时的设备压降一般在线路压降的1%以内，这就是超导限流器的优势所在。需要说明的是，由于需要传统导体作为电流引线，也有的超导限流器的通流/限流元件本身也是采用传统导体制作的，所以超导限流器在线路正常输电时虽然阻抗很小，但并不是零。

对于超导限流器来说，必须具有所需的限流阻抗，才能实现其最本质的功能。在此前提下，其限流阻抗与通流阻抗的比值是衡量其性能优劣的重要指标。理论上讲，这个比值越大越好。

用于多端柔性直流电网的限流器，在性能要求上与交流限流器或用于双端(正负两极)直流线路的限流器有重大差别。直流系统故障阻尼小，发生故障时短路电流会急剧攀升，可能在几ms内达到换流器的整流桥臂闭锁阈值，导致整流桥臂闭锁。这就意味着在多端直流电网中某一端(支路)发生短路故障，若不能有效限制故障电流的上升速率，在该支路的断路器完成开断、将故障点切除之前换流器的整流桥臂就会发生闭锁，结果就是整个多端电网停止运行，造成大面积停电。因此，所需的限流器应在故障不同阶段都能有效地限制短路电流的演变，既要在短路故障初期限制短路电流上升率以缓解换流器桥臂闭锁压力，也要限制随后出现的持续故障电流以降低断路器的开断压力。这就要求用于多端直流线路的限流器不但需要提供一个足够大的电阻限制持续故障电流，而且还需要提供一个足够大的电感，抑制换流器桥臂电流在短路后电流的快速升高，防止换流器闭锁，确保故障穿越，提高电网故障生存能力[9]。

表1列出了与超导限流器设计或相关的文献中使用频率较高的一些主要技术参数，并做了简要的注释。一个具体超导限流器产品或研究项目中的实验样机给出的技术参数可能只是表1中所列参数的一部分，也可能根据需要给出一些表1中没有列出的参数。

4 两种常见的超导限流器简介

近几十年来，人们研究、开发了多种类型的超导限流器，如桥路型、屏蔽型和变压器型等[10-14]，但发展到今天在实际电网中示范运行最多的两种是电阻型超导限流器和饱和铁心型超导限流器。下面就对这两种超导限流器做比较详细的讨论。

表1 与超导限流器相关的主要技术参数Tab.1 Key specifications for superconducting fault current limiter

4.1电阻型超导限流器

电阻型超导限流器最直接地利用了超导材料在超导态时电阻为零，而在失超后具有一定电阻的特性。将一个超导元件(一般为绕组形式或多个模块组合形式)串联在输电线路中就构成了一个最简单的限流器，如图3(a)所示。在电路正常输电时，超导元件处于超导态，电阻为零，这时限流器的整体阻抗主要来源于非超导接头电阻和元件的交流损耗(直流输电不存在)，量值很小。当线路发生短路故障时，超过超导元件临界电流的故障电流会使其失超，产生一定的电阻，起到抑制短路电流的作用。在实际应用中，为了避免超导元件失超限流时产生过多的焦耳热被损坏，一般要并联分流电路组成限流器的通流/限流元件，典型的等效电路图如图3(b)所示[13,14]。其中，Rsc代表超导元件，Rp代表分流电阻，Lp代表分流电感，RQ代表线路电阻，LQ代表线路电感。

图3 电阻型超导限流器的基本结构和输电线路中的等效电路图Fig.3 Generic structure and equivalent circuit of resistive superconducting fault current limiter

不管分流电路是阻性还是感性，都要满足一定的阻抗值。在线路正常输电时，由于超导元件分路阻抗很小，几乎所有电流都通过这个分路。在故障限流时，电流将根据每个分路阻抗的大小进行分配，各分路并联后的阻抗是限流器的限流阻抗。

电阻型超导限流器原理简单，所以其限流单元的设计和制作也比较简单，设备重量比较小。但由于限流功能要通过超导元件的失超来实现，限流后超导元件完全恢复到超导状态需要较长的时间，难以满足大多数电网保护系统自动重合闸的时间要求。另外由于在限流状态下超导元件的失超要产生大量的热，需要有一个可靠的在短时间内移除热量的机制和较大容量的冷却系统。也因为超导元件失超的原因，为了避免损坏，电阻型超导限流器不适宜较长的持续限流时间。一般地讲，电网电压越高，所需的限流阻抗越大。对于电阻型超导限流器，增加限流阻抗就要增加超导导体的长度，这就需要更大的绝热恒温器和冷却系统。当超导元件的体积很大时，很难实现其整体的温度和电磁条件的均匀性，其结果就是超导元件失超的时间和空间分布的不均匀性，导致限流能力的降低和损坏风险的增加。所以目前电阻型超导限流器还很难实现较大的限流阻抗，适合高压电网的需要。

4.2饱和铁心型超导限流器

饱和铁心型超导限流器利用超导材料零电阻和载流密度大的特性，使用超导绕组可以大强度、低损耗地对电抗器铁心励磁，通过改变铁心的磁化状态来实现限流器的通流/限流元件阻抗的变化[15,16]。

图4(a)为典型的饱和铁心型超导限流器的基本结构示意图。其中每一相有两个完全相同的磁性铁心，每个铁心上面套装一个常规绕组，两个常规绕组按一定方式连接组成限流器的通流/限流元件。在两个铁心靠近的一对铁心柱上环绕一个超导绕组，可以同时对两个铁心励磁。当线路正常输电时，超导绕组将铁心磁化到深度饱和状态，这时两个常规绕组环绕的铁心内部磁通密度的时间变化率dB/dt很小，所以绕组两端的电压降很小，即整个通流/限流元件的阻抗很小。当线路发生短路故障时，强大的短路电流产生的交流励磁安匝数将大大地超过超导绕组的直流励磁安匝数(有的设计会再在这时切断直流励磁回路)，铁心将无法一直保持饱和状态，其内部磁通密度的时间变化率dB/dt急速增加，导致常规绕组上的电压降大大增加，体现在整个通流/限流元件上的阻抗也随之显著增大，从而抑制了线路的短路电流水平。图4(b)为典型的饱和铁心型超导限流器的等效电路图。其中，I0代表励磁电流，C1和C2分别代表两个交流绕组的电容，L1和L2代表两个交流绕组的电感，RQ代表线路电阻，LQ代表线路电感。

图4 饱和铁心型超导限流器的基本结构图和在输电线路中的等效电路图[13-15]Fig.4 Generic structure and equivalent circuit of saturated iron-core superconducting fault current limiter[13-15]

饱和铁心型超导限流器容易实现较大的限流阻抗，可以满足高压电网的故障限流需求。这种限流器在故障限流时超导元件一般不失超，所以恢复时间短，对冷却系统的容量要求也较低。饱和铁心型超导限流器的缺点是结构比较复杂，在设计和制造方面需要考虑较多的因素。另外由于使用较多的铁心材料，重量大，增加了运输和安装的难度。

4.3电阻型和饱和铁心型超导限流器的比较

对这两种超导限流器的优、缺点做一个简单的比较，结果如表2所示。

电阻型和饱和铁心型超导限流器是目前为止发展水平最高的两种超导限流器，两者有一定的互补性。电阻型超导限流器更适用于中等电压水平的配电网，饱和铁心型超导限流器具有在高压输电电网中应用的技术优势[14]。两者均在实际输、配电电网中有一些示范性应用[17,18]，图5为有代表性的应用示例。其中，图5(a)为2014年安装在德国埃森(Essen)赫克力斯(Herkules)变电站的12kV电阻型限流器，图5 (b)为 2012年安装在天津石各庄变电站的220kV饱和铁心型限流器。

表2 电阻型和饱和铁心型超导限流器的性能特征比较Tab.2 Characteristic comparison between resistive and saturated iron-core superconducting fault current limiters

图5 电阻型限流器和饱和铁心型限流器Fig.5 Resistive superconducting fault current limiter and saturated iron-core superconducting fault current limiter

5 结论

超导限流器在过去几十年中取得了长足的发展，但在性能上还需继续完善，尤其在设备运行的可靠性、使用的方便性方面还需要很大的改进。在使用的方便性方面，针对目前变电站操作人员不熟悉的冷却系统运行和维护问题，要尽量提高系统的自动化和智能化程度。设备运行的可靠性不但需要提高设备自身的可靠度，而且还要解决与电网保护系统的紧密配合问题。要根据超导限流器的性能特点对现有的保护策略和方式进行必要的调整，保证超导限流器入网运行不给电网带来新的运行风险。

一个理想的电网应该具有最低的传输阻抗，而过低的传输阻抗又带来了难以解决的短路故障电流过大问题，这成为目前阻碍电网向高效率、低损耗和更安全可靠发展的一对矛盾。如果通过性能的进一步完善，可靠性和可用性的进一步提高，将超导限流器发展成为理想的限流器，将会帮助我们在建设理想电网的道路上迈进一大步。期待在不远的将来，随着理想的超导限流器的广泛应用，电网结构将发生深刻的技术进步。

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Fundamentalsandprospectiveofsuperconductingfaultcurrentlimiters

XIN Ying1, TIAN Bo2, WEI Zi-qiang1

(1. School of Electrical, Automation and Information Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2. Tianjin Superconductivity Application Technology Ltd., Futong Group Co., Tianjin 300384, China)

Superconducting fault current limiters have been one the focuses of studies in power applications of superconductivity for a number of years and are considered as the most promising device leading the commercialization of superconducting power equipment. This article introduces the fundamental concepts, key components and functional characteristics of superconducting fault current limiters. Key parameters and specifications relevant to the design and application of a superconducting fault current limiter are also discussed. Two types of today’s most recognized superconducting fault current limiters, resistive one and saturated iron core one, are systematically analyzed and compared in their working principles, application status, advantages and disadvantages. With further improvement in functional performance, usability and reliability, a superconducting fault current limiter is able to become an ideal fault current limiting device. It is highly expected that superconducting fault current limiters will be widely used in various power grids in the near future, promoting a deep technical revolution for the power grids.

superconductivity; power application of superconductivity; superconducting fault current limiter; short circuit fault; current limiting impedance

10.12067/ATEEE1707010

1003-3076(2017)10-0001-07

TM725；TM471

2017-07-03

国家自然科学基金项目(51677131)

信 赢(1953-), 男, 黑龙江籍, 教授，博士,研究方向为超导电工技术；田 波(1982-)， 男, 北京籍，工程师, 研究方向为超导电工技术。