限流器用第二代超導帶材的電阻和沖擊特性實驗研究

王邦柱 張京業(yè) 戴少濤

(中國科學院電工研究所 北京 100190)

1 引言

隨著電網(wǎng)的容量的增大和系統(tǒng)互聯(lián)性的加強，電網(wǎng)的短路電流也不斷增大，某些地區(qū)已經(jīng)超過了現(xiàn)有斷路器的分斷能力。為限制故障電流水平，電力系統(tǒng)一般采用改變電網(wǎng)運行方式、增加限流電力裝備等措施［1］。電阻型超導限流器是利用超導體的超導-正常態(tài)轉(zhuǎn)變原理制成的新型電力設備，限流元件在電網(wǎng)正常運行時處于超導態(tài)，電阻極小至可以忽略;故障發(fā)生后，由超導材料制成的限流單元迅速失超成為高阻態(tài)，將電流限制到較低水平。電阻型超導限流器具有原理清晰、結(jié)構(gòu)簡單、響應速度快等優(yōu)點，是限制電網(wǎng)故障電流、提高電網(wǎng)運行可靠性的重要技術(shù)方案［2］。

用于電阻型限流器的超導帶的兩個重要設計參數(shù)是耐沖擊電流能力和室溫單位長度電阻。不銹鋼加強的第二代超導帶材YBCO在大電流沖擊下具有良好的機械穩(wěn)定性和較高的單位長度電阻，適合作為限流元件的制作材料［3］。

本文實驗研究了擬用于電阻型超導限流器的兩種不同加強層厚度的國產(chǎn)YBCO超導帶樣品，分別測試了其室溫電阻和100 ms大電流沖擊下的溫升特性。

2 實驗原理和條件

交流大電流沖擊試驗系統(tǒng)的基本原理如圖1所示。K1、K2最初均為斷開狀態(tài);閉合K1，超導帶短樣和R組成串聯(lián)回路，回路內(nèi)通過一個很小的維持電流;閉合K2將電阻R短路，由于超導帶超導狀態(tài)下電阻很小，所以將有較大的沖擊電流通過超導帶。通過調(diào)壓器調(diào)節(jié)輸入電壓，從而控制沖擊電流的幅值;通過控制K2的閉合時間控制超導帶承受沖擊電流時間。沖擊的電流由交流電流互感器檢測，超導帶的溫升由T型熱電偶檢測。

圖1 交流大電流沖擊實驗原理圖Fig.1 Schematic diagram of AC overcurrent experiment

使用金具將超導帶短樣與實驗電路連接后，將超導帶放置于低溫容器中，注入適量的液氮。確保液氮能夠完全漫過超導帶以及夾具上的金屬部件，待樣品充分冷卻后，即可開始實驗。兩次沖擊操作應有一定的時間間隔，一般取1—2 min，以確保沖擊后的超導帶樣品得到了充分的冷卻。實驗過程中，注意隨時補充液氮。

本實驗所用樣品來自上海某超導技術(shù)公司，分為兩種:一種為50 μm厚不銹鋼加強型12 mm寬YBCO超導帶(下稱薄帶)，一種為100 μm厚不銹鋼加強型12 mm寬YBCO超導帶(下稱厚帶)。據(jù)樣品提供者介紹，兩種帶材除了加強層厚度不同外，其余部分和所采用的工藝完全一樣。

由于擬采用本超導帶制作的電阻型超導限流器的設計限流作用時間為100 ms，實驗中交流大電流沖擊的時間與此保持一致。沖擊電流的波形如圖2所示，峰值出現(xiàn)在第一個波峰，此后電流幅值逐漸降低，把沖擊電流波峰之中的最大值記為該次沖擊試驗的電流值。

圖2 沖擊電流的典型波形Fig.2 Typical waveform of overcurrent

沖擊電流和樣品溫度的典型關(guān)系如圖3所示。沖擊電流施加后，超導帶溫度快速上升;沖擊結(jié)束后，繼續(xù)上升至最高溫度。而后超導帶的熱量主要以對流的方式傳至液氮，隨著溫度的降低，超導帶逐漸恢復為超導態(tài)［4］。由圖3可見，沖擊發(fā)生后，超導帶在秒級可恢復至液氮溫度，兩次沖擊實驗間隔1 min是足夠的。

圖3 沖擊電流和樣品溫升的關(guān)系Fig.3 Relation of overcurrent and sample’s temperature

3 結(jié)果和討論

采用電測法測量了薄帶和厚帶的V-I臨界電流特性，結(jié)果如圖4所示。其中，薄帶的臨界電流Ic=194 A，N=27;厚帶的臨界電流 Ic=198.7A，N=30?？芍獌煞N帶材樣品的臨界電流和N值基本相當，可認為兩種樣品除了厚度外，條件相同。

采用四引線法測量了兩種帶材樣品的常溫電阻值，如表1所示。限流單元所需的超導帶長度為L=R0/ρ0。考慮到電阻值R0是設計固定值，故所需超導帶長度與單位長度電阻成反比。由表1可得，為滿足電阻要求，厚帶和薄帶兩種方案所需的帶材長度相差近1.6 倍。

圖4 實驗樣品的V-I特性曲線Fig.4 V-I relation of samples

表1 樣品室溫電阻測量值Table 1 Room temperature resistance of sample tapes

以略高于臨界電流的電流開始，逐步提高沖擊電流的幅值，直至超導帶損壞。測得的薄帶和厚帶兩種樣品的沖擊電流和最大溫升的關(guān)系如圖5所示?？芍?，薄帶的最大耐沖擊電流能力略大于3Ic，厚帶的最大耐沖擊電流能力約為6Ic。如果以單位長度分析，沖擊電流產(chǎn)生的熱量一部分引起超導帶的溫升，一部分傳遞給液氮。由于沖擊時間很短，傳出的熱量相比于被超導帶吸收的熱量較少［5］，大致有Q∝cpmΔT?？芍訌妼雍竦馁|(zhì)量也大，相同的溫升下，可吸收的熱量更多;或吸收相同的熱量，引起更小的溫升。即加強層厚的超導帶具有更好的沖擊電流耐受能力。更高的耐受電流水平，意味著適用較少的并聯(lián)組即可實現(xiàn)給定的限流值。所以，從這個意義上講，厚帶更適用于作為電阻型限流器的限流單元材料。

圖5中最右側(cè)的點是超導帶損壞前的最大施加沖擊電流及對應的最大溫升。損壞的超導帶樣品如圖6所示，樣品表面已經(jīng)因氧化變色(圖6a)，拆掉夾具后可見超導帶出現(xiàn)了明顯的分層(圖6b)。這是由于沖擊電流大于一定水平后，短時的溫升超過了超導帶層間焊錫的熔點，破壞了超導帶的多層結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

圖5 兩種樣品的沖擊電流和最大溫升的關(guān)系Fig.5 Relation between overcurrent and temperature rise of two sample

圖6 燒壞的超導帶Fig.6 Deconstructed HTS tape sample

本文主要研究了用于電阻型超導限流器的兩種僅不銹鋼加強厚度不同的第二代超導帶在100 ms短時交流沖擊電流作用下的特性。實驗表明，不銹鋼加強層的厚度與其能夠耐受的最大沖擊電流有密切關(guān)系;在允許溫升相同的情況下，厚帶能夠耐受的沖擊電流更大。從這個角度看，厚帶更適合于電阻型超導限流器應用。不過，厚帶所需使用的帶材量更大，所需投資更大。工程應用中，需要根據(jù)設計限流能力在耐受性和經(jīng)濟性進行權(quán)衡折中。

1 韓戈，韓柳，吳琳.各種限制電網(wǎng)短路電流措施的應用與發(fā)展［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，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.