【文章內(nèi)容簡介】 20 年底，中國科學(xué)院電工研究所、中國科學(xué)院理化所、北京藍(lán)天高科技公司共同研制出 10. 5 千伏 //1. 5 千安三相高溫超導(dǎo)限流器樣機(jī)，并對樣機(jī)進(jìn)行了各項(xiàng)并網(wǎng)前的檢驗(yàn)和模擬試驗(yàn)。 2020 年 5 月，中國科學(xué)院電工研究所、湖南省電力試驗(yàn)研究院與婁底電業(yè)局共同合作，在婁底市高溪 110 千伏變電站進(jìn)行試驗(yàn)場地改造、設(shè)備系統(tǒng)安裝、系統(tǒng)集成和并網(wǎng)前測試工作。 8 月 13 日 高溫超導(dǎo)限流器樣機(jī)經(jīng)過三次 10. 5 千伏充壓試驗(yàn)，投入高溪至百畝一線進(jìn)行 24 小時(shí)空載試驗(yàn)。 8 月 14 日 ，高溫超導(dǎo)限流器開始進(jìn)行三相接地短路試驗(yàn)，并成功將 3500安短路電流限制到 635 安，短路電流縮減率達(dá)到 0. 82，隨后進(jìn)入試驗(yàn)運(yùn)行 [1119]。 若高溫超導(dǎo)材料的研究，生產(chǎn)工藝和性能取得新突破，低交流損耗的大電流超導(dǎo)電纜、高電壓高溫超導(dǎo)交流電纜及高溫超導(dǎo)線保護(hù)等問題能解決，那么就高溫超導(dǎo)強(qiáng)電應(yīng)用而言，最先得到實(shí)際應(yīng)用的將是超導(dǎo)故障限流器，因此 SFCL 在電力系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景，到 2020 年，我國對高溫超導(dǎo)限流器的市場需求 已 達(dá)到 4 萬臺(tái)，因此， 對于超導(dǎo)故障限流器的研究有著良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 圖 220kV/800A 飽和鐵芯高溫超導(dǎo)限流器在國家電網(wǎng)石各莊變電站良好運(yùn)行 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 將近年來超導(dǎo)限流器（ SFCL）的 應(yīng)用概況歸納如表 1 和表 2 所示： 表 1 電阻型超導(dǎo)限流器研發(fā)現(xiàn)狀 企業(yè)（國別） 限流器類型 超導(dǎo)材料 容量 /MVA ABB（瑞士） 電阻型 Bi2212 bulk ACCEL（德） 電阻型 Bi2212 bulk EA（英） 電阻型 Bi2212 bulk Schneide（法） 電阻型 YBCO bulk Siemens（德） 電阻型 YBCO film 表 2 其他類型超導(dǎo)限流器研究現(xiàn)狀 研究單位 限流器類型 開發(fā)現(xiàn)狀 ABB（瑞士） 三相磁屏蔽型 完成研制 法國電力公司等 混合型 實(shí)驗(yàn)完畢 GA（美） 三相橋路型 試驗(yàn)運(yùn)行 日本東京電力 三相電抗器型 試驗(yàn)運(yùn)行 中國電科院 改進(jìn)橋路型 試驗(yàn)運(yùn)行 國家電網(wǎng) 飽和鐵芯型 試驗(yàn)運(yùn)行 本論文工作概要 本論文共三章，逐步闡述了超導(dǎo)故障限流器技術(shù)的理論與應(yīng)用，方便讀者參閱，將各章分別總結(jié)如下： 第一章，闡述電力系統(tǒng)最常見故障 —— 短路故障，是由設(shè)備絕緣損壞導(dǎo)致的接地現(xiàn)象，分為單相接地、兩相接地、相間短路及三相接地四類，其成因主要有主觀和客觀兩個(gè)方面。裝設(shè)故障限流器是解決短路故障的重要手段，但傳統(tǒng)的限流器其容量日漸不能滿足需求、損耗大、反應(yīng)較慢等問題亟待解決，為此，超導(dǎo)故障限流器（ SFCL）就是新興的限流技術(shù)，相比傳統(tǒng)限流器，不僅很好解決了以上問題，甚至逐漸得到了實(shí)際應(yīng)用，對于 SFCL，目前國內(nèi)外正積極進(jìn)行研究，已取得了一些成果。 第二章，闡述為了解 SFCL，需要對超導(dǎo)體最基本的兩大特性進(jìn)行研究，其一是零電阻特性，其二是抗磁效應(yīng)，也即 邁斯納效應(yīng)，其中零電阻特性是超導(dǎo)體的必要條件。高溫超導(dǎo)故障限流器（ HTSFCL）正是利用了這些特性工作在超導(dǎo)與失超兩種狀態(tài)，具有損耗低、能自動(dòng)觸發(fā)、自動(dòng)復(fù)位、可多次動(dòng)作等特點(diǎn) ,對于 HTSFCL，由結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為電阻型、橋路型、磁屏蔽型、變壓器型、飽和鐵華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 心型、三相電抗器型，它們具有不同的結(jié)構(gòu)、工作原理以及優(yōu)缺點(diǎn)，因此在實(shí)際應(yīng)用中，往往根據(jù)需要來選擇。 第三章，闡述一種非失超型超導(dǎo)故障限流器 —— 橋路式 SFCL，這是一種與現(xiàn)代電力電子技術(shù)結(jié)合緊密的限流器，可以預(yù)見其應(yīng)用前景將十分光明。由此，我們通過 Matlab 的 Simulink 平臺(tái)對一種橋式 SFCL 模型進(jìn)行仿真研究，在若干假設(shè)和等效條件下，通過系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)和故障態(tài)時(shí)各處電流的仿真，以及在故障態(tài)時(shí)與傳統(tǒng)故障限流器的比較，驗(yàn)證了這種限流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 第 2 章 高溫超導(dǎo)故障限流器工作原理 超導(dǎo)體的基本電磁特性 零電阻效應(yīng) 超導(dǎo)體具有零電阻這個(gè)最本質(zhì)的特點(diǎn)。左圖顯示的是金屬電阻和溫度之間的曲線，當(dāng) TTc 時(shí)， R 與 T 是線性關(guān)系。當(dāng)溫度下降的時(shí)候，就不會(huì)呈現(xiàn)線性關(guān)系了。當(dāng) T=Tc 時(shí)，電阻 R=0。 金屬原子最外層電子十分的不穩(wěn)定，特別容易失去電子，變成穩(wěn)定的正電離子，這些正離子很有規(guī)則的進(jìn)行排序，形成晶格。里面的正離子在不停的做著熱振動(dòng)。自由電子受電場的影響一邊做著熱運(yùn)動(dòng)一邊做著定向運(yùn)動(dòng)，這兩種運(yùn)動(dòng)合在一起就叫定向漂移。當(dāng)這兩種粒子相互碰撞，就會(huì)形成兩種后果：一是自由電子把能量傳遞給正離子，就會(huì)讓正離子的熱振動(dòng)加快；還有一個(gè)就是自由電子改變了原來的運(yùn)動(dòng)方向，就叫做散射。 完全抗磁性效應(yīng)（ Meissner 效應(yīng)） Meissner（邁斯納）和 Ochsenfeld（奧奇森菲爾德）發(fā)現(xiàn)，在磁場里的錫進(jìn)行冷卻的時(shí)候變成超導(dǎo)體，他的體內(nèi)是沒有磁場的，這個(gè)現(xiàn)象就叫做完全抗磁性效應(yīng)或 Meissner 效應(yīng)。 Meissner 效應(yīng)是超導(dǎo)體最基本的特點(diǎn)。最開始的時(shí)候人們覺得超導(dǎo)體就是導(dǎo)電率 ? 趨向于無限大。但是其實(shí)這是不正確的。電學(xué)里的歐姆圖 金屬電阻與溫度關(guān)系曲線 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 定律 U=IR。對這個(gè)公式進(jìn)行微積分表達(dá)就是： Ej ???? （ 21） 其中， j 代表的是電流密度矢量， ? 是電導(dǎo)率， E 是電場強(qiáng)度。還有，利用麥克斯韋方程式 （ 22） 可以得到，如果把超導(dǎo)當(dāng)作是 ??? ，那么超導(dǎo)體內(nèi)的磁場 B 就應(yīng)該符合下面的方程式 （ 23） 上面的公式可以看出，超導(dǎo)體內(nèi)的磁場 B 不受時(shí)間 t 的影響。 用超導(dǎo)體內(nèi)沒有電阻和邁斯納效應(yīng)，我們把超導(dǎo)體劃分為兩個(gè)大類，就是第I 類超導(dǎo)體和第 II 類超導(dǎo)體。我們把同時(shí)具有上面兩種情況的，只有一個(gè)臨街磁場的叫做第 I 類超導(dǎo)體，如左圖；擁有兩個(gè)臨界磁場的超導(dǎo)體， 就叫做第 II 類超導(dǎo)體，如右圖。 圖 第 I類超導(dǎo)體 圖 第 II類超導(dǎo)體 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 各類超導(dǎo)故障限流器的工作原理 電阻型 SFCL 圖 電阻型 SFCL原理圖 電阻型 SFCL 的工作原理簡單的說就是超導(dǎo)體變成失導(dǎo)體的狀態(tài)。圖 展示的就是把超導(dǎo)體繞成觸發(fā)線圈，在正常的運(yùn)作時(shí)候，線圈是超導(dǎo)狀態(tài)，電流都要通過這個(gè)線圈；一旦出現(xiàn)問題的時(shí)候，短路電流就會(huì)比線圈的最大限制電流大，就會(huì)讓線圈失靈，這樣大部分的電流就會(huì)流入限制線圈和限制電阻里，這就實(shí)現(xiàn)了他的作用。 混合型 SFCL 圖 混合型 SFCL原理圖 混合型 SFCL(圖 )于 1992 年被人提出的，它的組成部分是超導(dǎo)線圈與變?nèi)A北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 壓器構(gòu)成的。內(nèi)部的連接方法主要是由 (串聯(lián)結(jié)構(gòu) —— 圖 （ a），并聯(lián)結(jié)構(gòu) ——圖 (b))這兩個(gè)方法進(jìn)行連接的。這種類型的變壓器，他的副邊比原邊進(jìn)行繞組的多很多，這就導(dǎo)致了超導(dǎo)線圈的電流變小。 在電路正常工作的時(shí)候，磁路沒有達(dá)到飽和狀態(tài)，原副邊的耦合狀況非常好，(并聯(lián)時(shí)，超導(dǎo)線圈讓副邊繞組出現(xiàn)短路；串聯(lián)時(shí)，原副邊繞組相互反向繞制 )，因此整個(gè)系統(tǒng)的阻抗就變小。如果出現(xiàn)問題的時(shí)候，副邊的電流就會(huì)變大，那么超導(dǎo)線圈就會(huì)失效，在串聯(lián)時(shí)，副邊就會(huì)自動(dòng)的加入一個(gè)大電阻，那么很多的電流就會(huì)流入原邊，被原邊的電抗阻礙著；并聯(lián)的時(shí)候，超導(dǎo)線圈突然變成大電阻，那么變壓器的阻抗就會(huì)加大，對出現(xiàn)問題的電流就會(huì)起到阻礙的 作用。這個(gè)時(shí)候，變壓器原邊上的電壓降非常的大，磁路就會(huì)自動(dòng)的出現(xiàn)飽和，原副邊的耦合也會(huì)很快的下降，這樣就使兩邊的電流和電壓的有效值減小，就達(dá)到了很少的時(shí)間里就讓電流和電壓回到最初狀態(tài)的目的。 變壓器型（感應(yīng)型） SFCL 圖 變壓器型 SFCL原理圖 上圖所描繪的機(jī)器是變壓器型超導(dǎo)阻礙控制電流器，其中主要是將改變交流電壓的裝置副邊繞組跟電阻型超導(dǎo)阻礙限制電流器進(jìn)行組合，而同時(shí)改變交流電壓的裝置的原邊繞組非并聯(lián)在輸電線路中。變壓器原、副邊超導(dǎo)繞組在正常操作的過程之中會(huì)相互依賴，彼此作用，從而發(fā)生較低的阻抗；控制阻礙電流成功是因?yàn)樵陔娏鞑煌ㄟ^電器直接接通的情況之下，改變交流電壓裝置非主邊繞組 閉合回路在原磁場內(nèi)產(chǎn)生的磁場阻礙原磁場磁通量發(fā)生變化的電流 相較于超導(dǎo)繞組的臨界電流更大而失去超導(dǎo)性，這時(shí)阻抗就會(huì)瞬間增大，從而使得改變交流電壓的裝置阻抗上升。 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 磁屏蔽型 SFCL 圖 磁屏蔽型 SFCL原理圖 磁屏蔽型 SFCL 的三大組成部分分別就是最外圈的銅線、中層的超導(dǎo)圓柱以及最內(nèi)層的鐵芯同軸，上圖所示的是磁屏蔽型 SFCL 正常操作的情況，超導(dǎo)圓柱為零阻礙，外圈的銅線以及零阻礙屏蔽筒間的氣隙漏磁可以用來確定裝置的阻抗，發(fā)生短路情況時(shí)，零阻礙環(huán)的電流值迅速的增加到臨界值，從而產(chǎn)生了較大的電流阻力，使得銅線圈的磁通可以運(yùn)行，帶動(dòng)磁屏蔽型 SFCL 裝置的阻抗值增大，最終使得控制故障電流得到成功。 橋路型 SFCL 圖 橋路型 SFCL原理圖 上圖所示的是橋路型 SFCL 技術(shù)，首次提出此項(xiàng)技術(shù)的公司為西屋電力企業(yè)以及美國的 LANL。它的操作原理是利用超導(dǎo)素材在直流電下不具有阻載流特征，而不是將超導(dǎo)素材由超導(dǎo)到無超導(dǎo)的轉(zhuǎn)變。它會(huì)屬于失去超導(dǎo)類的超導(dǎo)阻礙限制電流器是因?yàn)椴僮髟砼c上文中的阻礙限制電流器相似。 一般尋常情況之下，功率在線圈 L 無損失的基礎(chǔ)是直流偏流源 DC，因?yàn)樵谄浠A(chǔ)之下，流過線圈 L 的值是非常小的。在非尋常情況之下，故障電流會(huì)被華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 大電感 L 控制是因?yàn)?iac 的值增加到了 I0，與此同時(shí) iac 正負(fù)半周內(nèi)的二極管都是非導(dǎo)通的，所以超導(dǎo) 線圈就非被動(dòng)的串接到了線路之中。 飽和鐵芯電抗器型 SFCL 圖 飽和鐵芯型 SFCL原理圖 上圖所描繪的是飽和電抗器型超導(dǎo)阻礙限制電流器，它是由兩個(gè)鐵芯電抗器組合形成，而且兩個(gè)鐵芯之中分別有一個(gè)非交流的零阻礙繞組以及非直流的控制繞組，而其中直流零阻礙繞組只能與直流偏壓源相組合，而且兩個(gè)不是屬于直流的控制繞組將會(huì)非并聯(lián)在線路之中。 一般尋常情況之下，兩個(gè)鐵芯達(dá)到飽和，裝置的阻抗為最低值的狀態(tài)可以通過對于直流偏壓源的改善來實(shí)現(xiàn)，非尋常情況之下，短路電流使得一個(gè)周期內(nèi)的鐵芯之間交換飽和，使得裝置獲得較大的阻抗，最終使得控制故障電流得到成功解決。 三相電抗器型 SFCL 圖 三相電抗器型 SFCL原理圖 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 上圖所示的是三相電抗器型零阻礙阻礙限制流器是由三個(gè)圈數(shù)相同的零阻礙繞組元素組成，尋常情況之下，均衡的三相電流之間的和為 0，磁通變化在鐵芯之間不具備，而且裝置具有較低的阻抗；當(dāng)具有單相接地電流不通過電流直接接通情況發(fā)生 時(shí)，非均衡的三相電流，會(huì)使得裝置的阻抗瞬間增大，也就為 SFCL 的大的零序阻抗控制阻礙電流提供了條件。當(dāng)兩相或三相短路發(fā)生阻礙的情況之下，裝置的阻抗失不會(huì)瞬間變化，當(dāng)故障電流的值與臨界電流的值相等時(shí)，零阻礙繞組會(huì)出現(xiàn)失去超導(dǎo)性的狀況，從而使得大的常態(tài)阻抗可以限制故障電流。 各種超導(dǎo)故障限流器的特點(diǎn)比較 結(jié)構(gòu)容易、反應(yīng)速度迅速、尋常狀況之下壓降比較低以及逐漸指導(dǎo)實(shí)際操作等是電阻型 SFCL 的優(yōu)勢。不容易解決的機(jī)械以及熱問題是發(fā)展大電流交流超導(dǎo)電纜所遇見的難題。所以這也就導(dǎo)致開發(fā)的電阻型 SFCL 的限定電流沒有達(dá)到 2KArms。