高溫超導(dǎo)限流器的研究進(jìn)展

張翠萍

(西北有色金屬研究院 超導(dǎo)材料研究所，陜西 西安 710016)

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高溫超導(dǎo)限流器的研究進(jìn)展

張翠萍

(西北有色金屬研究院 超導(dǎo)材料研究所，陜西 西安 710016)

對(duì)高溫超導(dǎo)限流器(HTSFCL)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展及研究現(xiàn)狀進(jìn)行了評(píng)述。高溫超導(dǎo)限流器作為一種理想的故障限流器，它的研制涉及物理、材料學(xué)、電力電子、低溫工程等多領(lǐng)域?qū)W科的知識(shí)與技術(shù)，是一項(xiàng)多學(xué)科技術(shù)的綜合。目前在世界范圍內(nèi)有18個(gè)國(guó)家參與了高溫超導(dǎo)限流器的研制，已完成掛網(wǎng)試運(yùn)行和正在運(yùn)行的高溫超導(dǎo)限流器有19臺(tái)，分布在7個(gè)國(guó)家。在中國(guó)現(xiàn)有3臺(tái)處于試運(yùn)行中，其中1臺(tái)運(yùn)行于世界上第一個(gè)超導(dǎo)變電站——甘肅白銀超導(dǎo)變電站內(nèi)。世界各國(guó)的研究現(xiàn)狀顯示，高溫超導(dǎo)限流器的技術(shù)趨于成熟，然而大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用還面臨著幾個(gè)制約因素：超導(dǎo)線(xiàn)材的高昂價(jià)格，維持低溫運(yùn)行的成本，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定，市場(chǎng)對(duì)高品質(zhì)電力的需求等。只有降低超導(dǎo)材料的成本和高溫超導(dǎo)限流器的運(yùn)營(yíng)成本，才會(huì)出現(xiàn)超導(dǎo)限流器的大規(guī)模應(yīng)用，使之成為保障電力網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定安全運(yùn)行的一個(gè)理想選擇。

高溫超導(dǎo)故障限流器；Bi2212超導(dǎo)帶材； YBCO涂層導(dǎo)體；短路電流；變電站

1 前 言

因?yàn)榻?jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)電能需求的增長(zhǎng)，我國(guó)發(fā)電及電力運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模越來(lái)越大[1]。據(jù)中國(guó)電力統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2015年9月我國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量已經(jīng)突破14×108kW[2-5]，年總發(fā)電量達(dá)5.73×108kW/h，超過(guò)了美國(guó)成為世界第一。目前，我國(guó)的電力網(wǎng)絡(luò)以“西電東送”、“北電南送”、“全國(guó)聯(lián)網(wǎng)”為特點(diǎn)[6]，形成跨區(qū)域、遠(yuǎn)距離、大規(guī)模的電能輸運(yùn)狀態(tài)，并以火電(67.4%)為主，可再生能源水電(22.2%)、風(fēng)電(7.0%)、太陽(yáng)能(1.9%)為輔，兼有核電(1.4%)等不同發(fā)電方式相組合的形式(2014年數(shù)據(jù))，形成供電輸電互聯(lián)，并向智能電網(wǎng)發(fā)展。如此迅速發(fā)展的發(fā)電、輸運(yùn)使得電網(wǎng)系統(tǒng)的短路電流水平增大，使部分地區(qū)的短路電流已經(jīng)達(dá)到甚至超過(guò)了斷路器的遮斷容量，而且上升趨勢(shì)越來(lái)越快，已經(jīng)威脅到電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。目前國(guó)內(nèi)外電力設(shè)備的高壓斷路器的額定短路開(kāi)斷電流在63或50 kA以下?！?007年以來(lái)，廣東電網(wǎng)多個(gè)500 kV站點(diǎn)的500 kV和220 kV母線(xiàn)短路電流水平超過(guò)了斷路器的遮斷容量”[7]。“2008年華東電網(wǎng)的樞紐變電站短路電流超過(guò)了站內(nèi)斷路器遮斷容量50 kA”，“在2009年初廣東電網(wǎng)對(duì)珠三角5個(gè)樞紐變電站進(jìn)行了500 kV配電裝置改造，遮斷電流由50 kA上升到63 kA，但在2015年夏，仍有6個(gè)站點(diǎn)短路電流超標(biāo)”。因此，“如何限制故障電流已成為電力工業(yè)面臨的重大技術(shù)與經(jīng)濟(jì)問(wèn)題之一”[8]。

通常限制電力系統(tǒng)中的短路電流是從調(diào)整電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、改變系統(tǒng)運(yùn)行方式、加裝限流設(shè)備等3個(gè)方面進(jìn)行[9]，具體的方式有：提高電壓等級(jí)，母線(xiàn)分段運(yùn)行，小電抗接地，采用高阻抗變壓器，串聯(lián)電抗器，背靠背技術(shù)，采用故障限流器等[10,11]。對(duì)于不同電壓級(jí)別，采用的限流方式不同，理想的方法是采用故障限流器(FCL-Fault Current Limiter)。

故障限流器的研究開(kāi)始于20世紀(jì)70年代，目前主要有4種類(lèi)型：串聯(lián)諧振型(所有電壓級(jí)別和超高壓)、并聯(lián)開(kāi)關(guān)型(<20 kV)、超導(dǎo)型、電子式(或固態(tài)型，尚處于理論研究階段)。一般的故障限流器仍然會(huì)使電力設(shè)備成本增加，用電質(zhì)量降低，電子系統(tǒng)穩(wěn)定性減弱等。最為理想的限流器應(yīng)該對(duì)電網(wǎng)的正常運(yùn)行無(wú)影響，在出現(xiàn)故障時(shí)，能夠限制短路電流到額定電流，并且開(kāi)斷時(shí)間極短。超導(dǎo)材料的出現(xiàn)，就使得這種理想的限流器得以實(shí)現(xiàn)。因?yàn)槌瑢?dǎo)材料具有“正常-超導(dǎo)態(tài)”的轉(zhuǎn)變特性，在其超導(dǎo)狀態(tài)下電阻為零不消耗電能，當(dāng)電網(wǎng)中的故障電流大于超導(dǎo)體的臨界電流Ic時(shí)，超導(dǎo)體失超出現(xiàn)大電阻從而限制短路電流。它的正常-超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)間小于百微秒，其開(kāi)斷時(shí)間t極小，不同于限流熔絲或使LC諧振回路脫諧等限流方法需要依靠機(jī)械動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電狀態(tài)的變化，所以，超導(dǎo)故障限流器(SFCL-Superconducting Fault Current Limiter)是最為理想的故障限流器。

目前已研究的超導(dǎo)限流器的種類(lèi)有：電阻式、磁飽和鐵芯式、磁屏蔽式、橋路式、變壓器式、混合式等多種。在主要掛網(wǎng)試運(yùn)行中，電阻式和磁飽和鐵芯式采用的比較普遍，本文對(duì)這兩種超導(dǎo)限流器的結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹[12]。電阻式超導(dǎo)限流器主要由一個(gè)超導(dǎo)電纜繞制的觸發(fā)線(xiàn)圈并聯(lián)一個(gè)限制線(xiàn)圈(常規(guī)或超導(dǎo))而成。正常運(yùn)行時(shí)，線(xiàn)路電流全部通過(guò)超導(dǎo)觸發(fā)線(xiàn)圈。發(fā)生故障時(shí)，短路電流超過(guò)超導(dǎo)臨界電流Ic，超導(dǎo)線(xiàn)進(jìn)行超導(dǎo)-正常態(tài)轉(zhuǎn)變，超導(dǎo)觸發(fā)線(xiàn)圈呈現(xiàn)高阻，短路電流被轉(zhuǎn)移到限制線(xiàn)圈，從而抑制了故障電流。電阻型超導(dǎo)限流器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)時(shí)間快、電流過(guò)載系數(shù)低和正常運(yùn)行壓降低等優(yōu)點(diǎn)，但是在承載大電流時(shí)，會(huì)出現(xiàn)散熱引發(fā)的機(jī)械問(wèn)題和故障后超導(dǎo)恢復(fù)問(wèn)題等。

磁飽和鐵芯式是利用交流繞組的阻抗來(lái)限制故障電流的。它由兩個(gè)完全相同的鐵芯電抗器組成，其中一個(gè)鐵芯內(nèi)的直流磁場(chǎng)與交流磁場(chǎng)同向，另一個(gè)反向。交流磁場(chǎng)由交流銅繞組形成，直流磁場(chǎng)由直流超導(dǎo)繞組形成。交流銅繞組相互串聯(lián)并串聯(lián)入電網(wǎng)中，直流超導(dǎo)繞組相互串聯(lián)形成獨(dú)立直流回路。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)交流電流通過(guò)交流銅繞組輸送，超導(dǎo)繞組產(chǎn)生直流偏置磁場(chǎng)，使鐵芯深度飽和，交流電流產(chǎn)生的交流磁場(chǎng)不足以使鐵芯脫離飽和區(qū)，系統(tǒng)呈現(xiàn)低阻抗，電流正常通過(guò)。當(dāng)出現(xiàn)大的故障電流時(shí)，交流線(xiàn)圈在鐵芯中產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)接近直流磁動(dòng)勢(shì)，鐵芯由飽和態(tài)進(jìn)入非飽和態(tài)，交流繞組呈現(xiàn)高阻抗，系統(tǒng)自動(dòng)限流。磁飽和鐵芯式超導(dǎo)限流器的反應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間都非常短，不足之處是直流超導(dǎo)繞組中產(chǎn)生的交流感應(yīng)電流會(huì)增大壓降和能量損耗。

超導(dǎo)限流器安裝在電網(wǎng)中將會(huì)實(shí)現(xiàn)低損耗通流和高效限流，能夠增強(qiáng)電力系統(tǒng)的安全性、可靠性，提高電力質(zhì)量。它與現(xiàn)有的電力系統(tǒng)保護(hù)設(shè)施兼容，通過(guò)調(diào)節(jié)允許的電流峰值能增加電力系統(tǒng)的靈活性，減少斷路器和熔斷器的使用，可延緩電力設(shè)備的更新，提高系統(tǒng)的運(yùn)行容量等，因此超導(dǎo)限流器的應(yīng)用會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

2 超導(dǎo)限流器的研究發(fā)展與現(xiàn)狀

2.1 低溫超導(dǎo)限流器

1982年，英國(guó)皮布爾斯電機(jī)公司(NEI PeeblesCo.,Ltd.)采用低溫超導(dǎo)NbTi線(xiàn)建成了第一個(gè)低溫超導(dǎo)故障電流限制器(LTSFCL)，如圖1所示。級(jí)別為3 kV/566 A，飽和鐵芯型低溫超導(dǎo)樣機(jī)[13,14]，使超導(dǎo)技術(shù)第一次用于電網(wǎng)中的故障電流的限制。時(shí)至今日，可以將超導(dǎo)限流器的發(fā)展分為3個(gè)階段：第一階段(1979～1995)，以NbTi超導(dǎo)線(xiàn)材為線(xiàn)圈的低溫超導(dǎo)限流器研制；第二階段(1996～2000)，以Bi2212或Bi2223超導(dǎo)線(xiàn)材(高溫超導(dǎo)第一代帶材1G)為主的高溫超導(dǎo)限流器研究；第三階段(2000～至今)，采用YBCO涂層導(dǎo)體(高溫超導(dǎo)第二代帶材2G)為限流線(xiàn)圈的高溫超導(dǎo)限流器研制。

圖1 1982年英國(guó)皮布爾斯電機(jī)公司制作的世界上第一個(gè)低溫超導(dǎo)限流器樣機(jī)[13]Fig.1 First superconducting fault current limiter prototype with low-Tc superconductor NbTi wires fabricated by NEI Peebles Co., Ltd. in1982[13]

從第一臺(tái)低溫超導(dǎo)限流器的開(kāi)始，法國(guó)和日本就相繼展開(kāi)了低溫超導(dǎo)限流器的研究。1988年法國(guó)阿斯通電力公司[15]采用低溫超導(dǎo)線(xiàn)材NbTi研制了225 kV低溫超導(dǎo)限流器，在法國(guó)63 kV電網(wǎng)中進(jìn)行了40 kV的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，這是低溫超導(dǎo)限流器中做得最好的樣機(jī)。從1992年開(kāi)始，日本Seilei大學(xué)、東芝、Kyoto大學(xué)、AIST也相繼開(kāi)展了低溫超導(dǎo)限流器的研究，其中有用NbTi線(xiàn)圈制作的200 V/13 A三相電抗型超導(dǎo)限流器的實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)[16]。但是低溫超導(dǎo)材料以液氦制冷，費(fèi)用非常高，使得低溫超導(dǎo)故障限流器的研究受到很大限制，因此并沒(méi)有實(shí)際掛網(wǎng)的試驗(yàn)運(yùn)行。直到1986年發(fā)現(xiàn)了高溫超導(dǎo)材料，液氮替代了液氦，使制冷費(fèi)用大幅降低，才讓超導(dǎo)限流器的研究逐漸活躍了起來(lái)。

2.2 高溫超導(dǎo)限流器

1996年，瑞士的ABB公司(Asea Brown BoveriCo.,Ltd.)[17-19]利用高溫超導(dǎo)Bi2212環(huán)作為屏蔽筒，成功研制出世界第一臺(tái)掛網(wǎng)運(yùn)行的高溫超導(dǎo)限流器(HTSFCL)， 級(jí)別為1.2 MVA的三相屏蔽型超導(dǎo)限流器，安裝在Loentsch水電站，進(jìn)行了近兩年試驗(yàn)運(yùn)行(如圖2)，從此引領(lǐng)超導(dǎo)研究者進(jìn)入了超導(dǎo)限流器的第二階段。在此階段，超導(dǎo)限流元件主要以Bi塊材或帶材為主，還有YBCO薄膜、塊材等。這時(shí)因?yàn)槌瑢?dǎo)材料制備的復(fù)雜性，世界各國(guó)在高溫超導(dǎo)限流器研究中呈現(xiàn)出相互合作又相互競(jìng)爭(zhēng)的狀態(tài)，下面主要從歐洲、美洲、亞洲各國(guó)的研究狀況進(jìn)行論述。

圖2 瑞士ABB公司研制的世界第一臺(tái)高溫超導(dǎo)限流器 [18,19]Fig.2 First high-Tc superconducting fault current limiter fabricated by ABB company in Swiss [18,19]

(1)歐洲：德國(guó)、英國(guó)、意大利、法國(guó)、瑞士

繼瑞士制備了第一臺(tái)高溫超導(dǎo)限流器之后，德國(guó)也開(kāi)始了CURL10項(xiàng)目。2004年4月，德國(guó)“ACCEL Instruments”公司[20]領(lǐng)導(dǎo)研發(fā)的10 kV/10 MVA的電阻型超導(dǎo)限流器在德國(guó)Siegen市郊的Netphen電網(wǎng)中安裝測(cè)試并運(yùn)行。這個(gè)限流器采用Bi2212塊材組成90個(gè)超導(dǎo)線(xiàn)圈，這在當(dāng)時(shí)是電壓級(jí)別最高的超導(dǎo)限流器。在2015年底，德國(guó)創(chuàng)新項(xiàng)目ASSiST，西門(mén)子[21]與德國(guó)Augsburg市政府合作，在其中級(jí)電網(wǎng)中完成安裝了一個(gè)三相電阻型超導(dǎo)限流器。德國(guó)耐克森公司(Nexans)[22-24]研制成第一個(gè)用二代YBCO超導(dǎo)帶材制成的560 A/1.2 kV的超導(dǎo)限流器，已經(jīng)安裝在德國(guó)Boxberg煤礦，如圖3 所示。從此各國(guó)的研究者多用超導(dǎo)二代YBCO帶材取代Bi2212帶材，在超導(dǎo)限流器的研發(fā)上進(jìn)入了第三階段。

圖3 德國(guó)Nexans制造的12 kV/800 A的SFCL，安裝在德國(guó)Boxberg配電站掛網(wǎng)運(yùn)行 [24]Fig.3 12 kV/800 A HTSFCL fabricated by Nexans, which installed in Boxberg substation, Germany[24]

2012年開(kāi)始，英國(guó)在能源創(chuàng)新基金項(xiàng)目的支持下，英國(guó)應(yīng)用超導(dǎo)公司(ASL)[25,26]領(lǐng)導(dǎo)研制并掛網(wǎng)運(yùn)行了三臺(tái)超導(dǎo)限流器。第一臺(tái)為飽和芯型超導(dǎo)限流器，安裝在英國(guó)西北電氣公司(ENW)的Bamber Bridge配電站掛網(wǎng)運(yùn)行一年，如圖4 所示。第二臺(tái)11 kV/400 A電阻式高溫超導(dǎo)限流器提供給蘇格蘭電力公司，安裝在英國(guó)西部電網(wǎng)的Liverpool的一個(gè)配電站。第三臺(tái)是由美國(guó)的Zenergy Power公司提供，級(jí)別為11 kV/1250 A，2012年7月掛入英國(guó)北方電網(wǎng)(這臺(tái)限流器原來(lái)是2011年 3月安裝在美國(guó)濱西法尼亞州的KEMA電力測(cè)試站的)。接著英國(guó)應(yīng)用超導(dǎo)公司又在英國(guó)Low Carbon Network的資助下研制了第四臺(tái)飽和芯的超導(dǎo)限流器。相對(duì)于非超導(dǎo)限流器，高溫超導(dǎo)限流器的研究涉及超導(dǎo)材料制備、低溫系統(tǒng)、電力控制等多方面的技術(shù)，具有相當(dāng)高的復(fù)雜性，因此，英國(guó)ASL與德國(guó)Nexans超導(dǎo)分公司、美國(guó)Zenergy Power公司在研制超導(dǎo)限流器方面都趨于相互合作，這在其它國(guó)家的研究中也是普遍的。

圖4 英國(guó)第一臺(tái)掛網(wǎng)運(yùn)行的高溫超導(dǎo)限流器，由英國(guó)ASL與德國(guó)Nexans合作完成，安裝在英國(guó)Lancashier, Bamber Briddge配電站 [19,25] Fig.4 Pilot 1 HTSFCL in UK. It was supplied by ASL and Nexans, which installed in the substation at Bamber Bridge in ENW’s network [19,25]

歐洲的另一個(gè)國(guó)家意大利在高溫超導(dǎo)限流器的研究方面也非常積極。2009年意大利開(kāi)始了RTD項(xiàng)目，意大利能源和電力公司(RSE S .p .A)[27]開(kāi)始研發(fā)超導(dǎo)限流器，在2012年采用Bi2212帶材成功研制9 kV/3.4 MVA的三相電阻式超導(dǎo)限流器樣機(jī)，它安裝在米蘭市區(qū)的電力用戶(hù)A2A公司的S.Dionigi配電站，運(yùn)行了兩年，限制電流從33 kA限制到18 kA。在此基礎(chǔ)上，2015年RSE公司[28]又采用超導(dǎo)二代YBCO帶材研制了15.6 MVA的超導(dǎo)限流器，安裝在同一變電站，取代9 kV/3.4 MVA的限流器，在2016年進(jìn)行了磁場(chǎng)測(cè)試。

相比德國(guó)、英國(guó)、意大利在高溫超導(dǎo)限流器的研究，受限于Bi帶材和YBCO涂層導(dǎo)體的制備技術(shù)，法國(guó)并未繼續(xù)在此方面進(jìn)行更多投入，只是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了小型樣機(jī)的研制。例如法國(guó)科學(xué)研究中心CRETA實(shí)驗(yàn)室采用YBCO塊材研制了小型高溫超導(dǎo)限流器樣機(jī)等。而瑞士在1996年研發(fā)出第一臺(tái)高溫超導(dǎo)限流器之后，在2002年，瑞士ABB和德國(guó)Siemens公司聯(lián)合采用直徑20 cm、長(zhǎng)8 cm的Bi-2212環(huán)研制了100 kW 的限流器，在480 V運(yùn)行時(shí)的故障電流為8 kA。

(2)美洲：美國(guó)

從1993年開(kāi)始，美國(guó)Lockheed Martin公司就和Los Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等合作研制橋式2.4 kV/2.2 kA超導(dǎo)限流器。1995年，該限流器在南加州愛(ài)迪生電站共進(jìn)行了6周的試驗(yàn)運(yùn)行，它的開(kāi)斷時(shí)間為8 ms，將短路電流降低約50%[29]，但沒(méi)有進(jìn)入實(shí)際的掛網(wǎng)運(yùn)行。1999年美國(guó)的General Atomics和美國(guó)超導(dǎo)公司(ASC)[30]用Bi2223超導(dǎo)線(xiàn)材研制出15 kV/1.2 kA橋型超導(dǎo)限流器，短路試驗(yàn)的故障電流縮減率達(dá)80%。2010年，由美國(guó)能源部支持，美國(guó)超導(dǎo)公司(AMSC)與德國(guó)西門(mén)子、Nexans、加利福尼亞州愛(ài)迪生公司合作研制了115 kV/900 A電阻型超導(dǎo)限流器，短路開(kāi)端電流63 kA，采用63個(gè)YBCO涂層導(dǎo)體繞制的超導(dǎo)線(xiàn)圈組成，為115 kV變壓器提供限流保護(hù)[31,32]，如圖5所示。同時(shí)美國(guó)Zenery Power公司研制了12 kV/800 A的高溫超導(dǎo)限流器，Super Power公司研制了138 kV的超導(dǎo)限流器等，如圖6所示。2014年美國(guó)應(yīng)用材料公司(Applied Materials Company)[33]宣布在紐約Knapps Corner變電站安裝并在網(wǎng)測(cè)試了15 kV/400 A 的超導(dǎo)限流器系統(tǒng)，運(yùn)行一年。實(shí)際上，由于美國(guó)超導(dǎo)公司(AMSC)在超導(dǎo)二代YBCO涂層導(dǎo)體上的突破，使其在超導(dǎo)限流器研究上占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，它先后與德國(guó)、意大利、韓國(guó)、俄羅斯等合作，將YBCO帶材出售給各國(guó)，帶動(dòng)了高溫超導(dǎo)限流器在世界范圍內(nèi)的應(yīng)用研究。

圖5 美國(guó)AMSC制造的 115 kV/900 A電阻型 SFCL，短路開(kāi)端電流63 kA [31]Fig.5 115 kV/900 A resistive HTSFCL fabricated by American Supercondutcor company, its prospective fault current is 63 kA [31]

圖6 美國(guó)SuperPower 研制的138 kV/1840 A的 SFCL, 短路開(kāi)端電流40～90 kA [31]Fig.6 138 kV/1840 A resistive HTSFCL fabricated by SuperPower company, its prospective fault current is 40～90 kA [31]

(3)亞洲：中國(guó)、韓國(guó)、日本

在亞洲，首先是中國(guó)在高溫超導(dǎo)限流器的研究方面開(kāi)始得很早，2002 年中科院電工所就成功研制了我國(guó)第一臺(tái)新型高溫超導(dǎo)限流器(400 V/25 A)。2005年在湖南婁底高溪變電站成功安裝并掛網(wǎng)運(yùn)行10.5 kV/1.5 kA高溫超導(dǎo)限流器，它由3個(gè)相對(duì)獨(dú)立的高溫超導(dǎo)線(xiàn)圈系統(tǒng)組成，線(xiàn)圈采用Bi-2223帶材，限制故障電流效率為80%[34,35]，2011年在進(jìn)行了低溫杜瓦改造后，遷至甘肅“白銀超導(dǎo)變電站”再次運(yùn)行[36]。值得一提的是，“白銀超導(dǎo)變電站”是世界上首個(gè)集超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)儲(chǔ)能、超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)限流器于一體的超導(dǎo)變電站，如圖7所示。實(shí)際上，超導(dǎo)限流器與電力電纜、斷路器、變壓器等功能融合，會(huì)具有更強(qiáng)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。超導(dǎo)變壓器作為變電站的主變壓器，超導(dǎo)電纜傳輸電流，超導(dǎo)限流器限制變電站內(nèi)的短路電流，超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)解決變電站的電壓穩(wěn)定性和電能質(zhì)量問(wèn)題，而全部超導(dǎo)的低溫系統(tǒng)都采用一個(gè)共享，就節(jié)省了30%的制冷量，有效地提高了低溫系統(tǒng)的效率。在美國(guó)2000年的超導(dǎo)計(jì)劃中就有超導(dǎo)變電站的規(guī)劃，在其電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃(GRID2030)中還提出了超導(dǎo)技術(shù)構(gòu)建骨干電網(wǎng)的藍(lán)圖。

圖7 中科院電工所研發(fā)安裝完成的白銀超導(dǎo)變電站拓?fù)鋱D，包括超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)限流器、超導(dǎo)儲(chǔ)能、超導(dǎo)變壓器 [36]Fig.7 Topology of the Baiyin superconducting power substation developed by IEE, CAS, including HTS power cable, SFCL, SMES and power transformer [36]

2008年，北京云電英納超導(dǎo)公司與云南電網(wǎng)公司合作，采用Bi系線(xiàn)圈研制了35 kV/90 MVA飽和鐵心型超導(dǎo)限流器，在昆明供電局220 kV普吉變電站掛網(wǎng)試運(yùn)行[37-39]，并且安裝了超導(dǎo)電纜與限流器同時(shí)運(yùn)行。2012年又在天津石各莊變電站安裝并掛網(wǎng)運(yùn)行了220 kV/800 A飽和鐵芯式超導(dǎo)限流器[40]。220 kV的高溫超導(dǎo)限流器是目前電壓級(jí)別最高的高溫超導(dǎo)限流器，如圖8所示，而且2014年英納超導(dǎo)[41]又開(kāi)始了更高電壓級(jí)別500 kV的飽和超導(dǎo)限流器的研制。

圖8 云電英納超導(dǎo)公司研制的220 kV/800 A超導(dǎo)限流器，安裝在天津石各莊變電站掛網(wǎng)運(yùn)行[40]Fig.8 220 kV/800 A HTSFCL fabricated by Innopower company, which installed in Shigezhuang substation in Tianjin, China [40]

除了中國(guó)外，韓國(guó)和日本在超導(dǎo)限流器的研制上也一直緊緊抓住超導(dǎo)技術(shù)研究的這一領(lǐng)域。作為21世紀(jì)前沿科技研究與發(fā)展項(xiàng)目的一個(gè)方向，韓國(guó)從2001年就開(kāi)始了超導(dǎo)限流器的研究。2002和2004年延世大學(xué)[42]分別研制了1.2 kV/80 A和6.6 kV/200 A的超導(dǎo)限流器。2005年，韓國(guó)電力研究所(Korea Electric Power Research Institute)[43]采用YBCO薄膜研制了6.6 kV的三相電阻型超導(dǎo)限流器，將10 kA故障電流限制在900 A以下，這些前期工作為韓國(guó)154 kV的超導(dǎo)限流器研制打下了基礎(chǔ)。韓國(guó)電力研究所(KEPCO)[44,45]在2007年研發(fā)了22.9 kV混合型高溫超導(dǎo)限流器，并在韓國(guó)電力研究所古昌電力測(cè)試中心進(jìn)行了安裝測(cè)試，2009年開(kāi)始在KEPCO的內(nèi)網(wǎng)上正式運(yùn)行。同時(shí)在利川的超導(dǎo)電力網(wǎng)的綠色項(xiàng)目(GENI)下[46,47]，KEPCO公司[48]采用超導(dǎo)二類(lèi)帶材YBCO涂層導(dǎo)體(2G)，研發(fā)了22.9 kV/630 A混合型超導(dǎo)限流器，安裝在利川(Icheon)變電站掛網(wǎng)運(yùn)行，如圖9所示，而且從2011年7月又開(kāi)始研發(fā)154 kV的SFCL，準(zhǔn)備在345 kV/154 kV變壓器的母線(xiàn)網(wǎng)中掛網(wǎng)。

而日本在政府的支持下，由MITI和NEDO(日本新能源與工業(yè)技術(shù)發(fā)展組織)資助，日本的東北電力公司(TEPCO)、東京電力公司(KEPCO)、CRIEPT、住友(Sumitomo)、三菱(Mitsubishi)、東芝(Toshiba)公司等相繼從2000年開(kāi)始承擔(dān)超導(dǎo)限流器的研究[49]。自2000年到2004年，日本東芝電力公司[50,51]采用Bi2223帶材研發(fā)了66 kV/1 kA的高溫超導(dǎo)限流器。這個(gè)限流器的感應(yīng)磁體電流為750 A，絕緣電壓為66 kV。2007年名古屋大學(xué)(Nagoya University)[52]采用一代Bi2212帶材研制了三相275 V/6.25 kVA的超導(dǎo)限流器，并且采用二代YBCO涂層導(dǎo)體研制了三相6.6 kV/100 kVA超導(dǎo)限流器。因?yàn)閅BCO帶材的最大磁場(chǎng)的載流性能是Bi2212帶材的100倍，因此，在此之后高溫超導(dǎo)限流器的線(xiàn)圈多采用二代YBCO涂層導(dǎo)體。而作為日本經(jīng)濟(jì)貿(mào)易工業(yè)部的一個(gè)項(xiàng)目(FY2006-07)，日本東芝公司又研發(fā)了6.6 kV/600 A的三相超導(dǎo)限流器[53]。

圖9 韓國(guó)KEPCO公司研發(fā)的22.9 kV/630 A超導(dǎo)限流器，在利川變電站掛網(wǎng)運(yùn)行[47] Fig.9 22.9 kV/630 A HTSFCL fabricated by KEPCO, which installed in Icheon substation, Korea [47]

(4)其它國(guó)家

除了上述介紹的中國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)等國(guó)家進(jìn)行的實(shí)際掛網(wǎng)應(yīng)用，俄羅斯、巴西[54]、匈牙利[55]、印度[56]、波蘭[57,58]、澳大利亞、以色列等國(guó)家，也在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了高溫超導(dǎo)限流器的研究。例如，俄羅斯庫(kù)爾恰托夫研究所[59]在2012年采用美國(guó)SupePower公司生產(chǎn)的SF12100的Bi2223/Ag帶材，研制了3.5 kV/250 A/1 MVA單相交流電阻型高溫超導(dǎo)限流器，用電容器電池放電測(cè)試，短路后恢復(fù)時(shí)間75 ms。同年，俄羅斯電子工程研究所[60]采用超導(dǎo)二代YBCO帶材，研制出3 kV/300 A直流電阻型高溫超導(dǎo)限流器，短路時(shí)間9 ms，等等。

1982年以來(lái)先后有18個(gè)國(guó)家進(jìn)行了超導(dǎo)限流器的研究，本文對(duì)世界各國(guó)的研究進(jìn)行了匯總。至目前為止，各類(lèi)不同容量類(lèi)型的超導(dǎo)限流器樣機(jī)119臺(tái)，而其中超過(guò)10 kV大容量的有38臺(tái)，實(shí)現(xiàn)掛網(wǎng)運(yùn)行的高溫超導(dǎo)限流器19臺(tái)，分布在7個(gè)國(guó)家：瑞士、中國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、意大利和韓國(guó)等。下面將主要掛網(wǎng)運(yùn)行的超導(dǎo)限流器列在下表中，如表1所示。從中可以看出，目前主要掛網(wǎng)試運(yùn)行的超導(dǎo)限流器多以電阻式、飽和鐵芯式、橋路式為主。最高級(jí)別的是北京英納超導(dǎo)公司研制的在天津石各莊運(yùn)行的220 kV/800 A的高溫超導(dǎo)限流器。

從各個(gè)國(guó)家超導(dǎo)限流器的掛網(wǎng)運(yùn)行狀況來(lái)分析，超導(dǎo)限流器的技術(shù)基本上是成熟的，但是它并沒(méi)有在商業(yè)上形成大規(guī)模的應(yīng)用。究其原因，主要在造價(jià)和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用上。比較常規(guī)限流器和超導(dǎo)限流器，常規(guī)限流器不需要維持一個(gè)低溫環(huán)境，運(yùn)營(yíng)電網(wǎng)公司不需要掌握低溫技術(shù)，因此常規(guī)限流器運(yùn)營(yíng)成本很低，如果超導(dǎo)與非超導(dǎo)限流器的短路電流限制效果相同，那么，采用常規(guī)限流器就更經(jīng)濟(jì)。所以，美國(guó)Zenergy Power公司在2011年宣布退出超導(dǎo)限流器的研制，轉(zhuǎn)而向非超導(dǎo)限流器進(jìn)行研發(fā)。2014年6月美國(guó)Bruker能源與超導(dǎo)技術(shù)公司(BEST)也宣布將停止在SFCL上的投資。在中國(guó)，研發(fā)常規(guī)限流器一直是限流器研究的重點(diǎn)，2004年國(guó)家電網(wǎng)公司[61]就開(kāi)展了“故障限流器關(guān)機(jī)技術(shù)”研究項(xiàng)目，其研究成果 “串聯(lián)諧振型限流器”成為超高壓電網(wǎng)中最為實(shí)用的故障限制器。2009年在華東電網(wǎng)的500 kV瓶窯變電站投運(yùn)，在測(cè)試故障后的1.0 ms進(jìn)入限流狀態(tài)。所以，相比超導(dǎo)限流器，使用非超導(dǎo)限流器不需要苛刻的低溫環(huán)境維持運(yùn)行，成本低，實(shí)用性強(qiáng)，這一點(diǎn)凸顯出目前超導(dǎo)限流器在商業(yè)應(yīng)用上的局限性。

表1 目前世界上7個(gè)國(guó)家已掛網(wǎng)或正在掛網(wǎng)運(yùn)行的超導(dǎo)限流器匯總表

續(xù)表

3 高溫超導(dǎo)限流器研究的復(fù)雜性和制約因素

超導(dǎo)限流器的研究具有一定的復(fù)雜性，它涉及了超導(dǎo)材料、電力電子、低溫制冷、控制優(yōu)化等諸多專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)，是多個(gè)學(xué)科與技術(shù)的交叉綜合的結(jié)果。從40年各國(guó)的超導(dǎo)限流器的研究進(jìn)程中看，高性能、易成材、低成本的超導(dǎo)材料的制備是推進(jìn)超導(dǎo)限流器研制的關(guān)鍵。目前在高溫超導(dǎo)限流器的研制中，所使用的高溫超導(dǎo)材料主要有一代Bi2223/Ag、Bi2212/Ag超導(dǎo)帶材，和二代YBCO涂層導(dǎo)體，以及少部分YBCO薄膜、塊材和MgB2帶材等。目前具備生產(chǎn)YBCO涂層導(dǎo)體千米長(zhǎng)帶的公司主要有：美國(guó)IGC SuperPower公司、美國(guó)超導(dǎo)公司AMSC、日本ISTEC/Fujikura公司、韓國(guó)SuNAM公司等。美國(guó)在制備YBCO涂層導(dǎo)體千米長(zhǎng)帶上占有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使其在超導(dǎo)限流器的研究上處于領(lǐng)先地位。然而高溫超導(dǎo)帶材的制造成本高昂，其價(jià)格目前大約是$200～500/km，是銅線(xiàn)的20～50倍[62,63]，這樣就迫使超導(dǎo)限流器的制造費(fèi)用提高，遠(yuǎn)高于非超導(dǎo)限流器的成本。所以，高溫超導(dǎo)限流器的廣泛應(yīng)用也就受到了限制。

另外，超導(dǎo)限流器的運(yùn)行需要在低溫下進(jìn)行。在云南普濟(jì)電網(wǎng)的運(yùn)行中，因?yàn)榈蜏叵到y(tǒng)故障、直流系統(tǒng)故障、非電量保護(hù)動(dòng)作等原因，造成在運(yùn)行期間出現(xiàn)多次斷路器跳閘，使高溫超導(dǎo)限流器運(yùn)行不穩(wěn)定。因此，維持低溫制冷讓超導(dǎo)限流器的運(yùn)行成本也大幅增漲。同時(shí)超導(dǎo)限流器商業(yè)化需要制定相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。超導(dǎo)限流器綜合了超導(dǎo)、低溫、電力電子、開(kāi)關(guān)、變壓器等多方面的技術(shù)，在制定其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)上比一般電氣設(shè)備要復(fù)雜，而且還要顧及其標(biāo)準(zhǔn)與各專(zhuān)業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)相協(xié)調(diào)，因此，超導(dǎo)限流器的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)至今還難以制定。而當(dāng)前的超導(dǎo)限流器的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、試驗(yàn)還是套用現(xiàn)有的變壓器、電抗器等相關(guān)設(shè)備的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

所以，在大規(guī)模應(yīng)用和商業(yè)化方面，超導(dǎo)限流器還不能夠替代現(xiàn)有的限流器，其商業(yè)化應(yīng)用的制約因素主要有：①超導(dǎo)材料的成本高；②低溫運(yùn)行成本高；③技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)未制定；④還需要積累運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)等?？傊档统瑢?dǎo)材料的制造成本、研發(fā)更經(jīng)濟(jì)的超導(dǎo)新材料、開(kāi)發(fā)高效低成本的低溫技術(shù)是推動(dòng)超導(dǎo)限流器商業(yè)化應(yīng)用的必然途徑。

雖然面臨這樣一些制約因素，但因?yàn)閷?duì)高溫超導(dǎo)限流器的應(yīng)用前景看好，Nexans和AMSC公司仍然決定繼續(xù)投資研發(fā)SFCL技術(shù)。實(shí)際上正如美國(guó)應(yīng)用材料公司的發(fā)言人鄧肯所言：“為保證在公共基礎(chǔ)設(shè)施和電網(wǎng)上高度的可靠性和安全性，選擇超導(dǎo)限流器在網(wǎng)測(cè)試本身就是為了滿(mǎn)足用戶(hù)的需求。過(guò)去幾年里積極研發(fā)SFCL、固態(tài)限流器和快速限流器等，是電網(wǎng)穩(wěn)定技術(shù)需求的一種趨勢(shì)。如果對(duì)新的高質(zhì)量水平的公共電力設(shè)施需求增大，并且超導(dǎo)限流器的研發(fā)可持續(xù)進(jìn)行，超導(dǎo)限流器的研究就會(huì)加速”。

4 結(jié) 語(yǔ)

高溫超導(dǎo)限流器具有響應(yīng)時(shí)間快、高效限流、損耗低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的故障限流器，它的廣泛應(yīng)用會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)前中國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、韓國(guó)等國(guó)家都實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)限流器的掛網(wǎng)試運(yùn)行，高溫超導(dǎo)限流器的技術(shù)也逐漸趨于成熟。但是，因?yàn)閅BCO超導(dǎo)帶材的制備技術(shù)所限，超導(dǎo)帶材的價(jià)格高昂，對(duì)超導(dǎo)限流器的大規(guī)模應(yīng)用造成了阻礙。所以，為了加快超導(dǎo)限流器的商業(yè)化應(yīng)用，世界各國(guó)加緊超導(dǎo)限流器的研發(fā)，其競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)主要集中在低成本制造超導(dǎo)帶材技術(shù)、新超導(dǎo)材料的研發(fā)和低溫運(yùn)行低成本技術(shù)上。一旦突破超導(dǎo)帶材的低成本制造技術(shù)的瓶頸，所期待的高溫超導(dǎo)限流器的商業(yè)化應(yīng)用就會(huì)到來(lái)。

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(編輯 吳 琛)

Progress and Status of High Temperature Superconducting Fault Current Limiter

ZHANG Cuiping

(SMRC, Northwest Institute for Non-Ferrous Metal Research, Xi’an 710016, China)

The progress and development of high-Tc superconducting fault current limiter (HTSFCL) in the world have been reviewed. As an ideal fault current limiter, the development of high temperature superconducting fault current limiter has been a multidisciplinary technology, which related to physics, material science, electronic engineering and cryogenic technology. The study and fabrication of HTSFCL have been improved in 18 countries, and 19 HTSFCLs have been installed in different substations in the world, which had been operated or has been operating in seven countries at present. In China, three HTSFCLs are operating in Yunnan, Tianjin and Baiyin. One of them is installed in the first superconducting substation in the world-Baiyin Superconducting Substation in Gansu province. Analyzing to the research works on SFCL in different countries, it is concluded that the HTSFCL technologies have been improved, but large scale commercial application is still facing several challenges, such as high price of superconducting wires, the operation cost of maintaining low temperature, building product standardization and the market demand for high-quality electric power,etc. If the superconducting materials price and the HTSFCL operating cost are reduced, the large-scale application of the superconducting fault current limiter will be realized, so as to protect the power grid operating stably and to make HTSFCL as an ideal SFCL in the future.

high-Tc superconducting fault current limiter; Bi2212 superconducting wire; YBCO coated conductor; short-circuit current; transformer substation

2017-04-22

張翠萍，女，1968年生，高級(jí)工程師，Email: zhangcp6813@126.com

10.7502/j.issn.1674-3962.2017.05.03

TM471

A

1674-3962(2017)05-0335-09