超導(dǎo)限流器技術(shù)概述及發(fā)展現(xiàn)狀

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，對(duì)電力需求不斷增加，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，故障電流突破現(xiàn)有斷路器開斷容量，將嚴(yán)重危及系統(tǒng)中的相關(guān)電氣設(shè)備，為了保證系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，必須快速切除故障電流。為了將短路電流限制在可控水平，人們很早就提出了超導(dǎo)限流器概念。但是，由于低溫超導(dǎo)體運(yùn)行于液氦溫度，使得運(yùn)行成本很高、低溫系統(tǒng)龐大，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。1986年高溫超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)之后，超導(dǎo)限流器技術(shù)又提到議事日程，近十幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研發(fā)成功了多種高溫超導(dǎo)限流樣機(jī)，部分實(shí)現(xiàn)了掛網(wǎng)試驗(yàn)運(yùn)行。根據(jù)國(guó)際高溫超導(dǎo)電力應(yīng)用發(fā)展路線圖預(yù)測(cè)，高溫超導(dǎo)限流器和超導(dǎo)電纜是最早進(jìn)入市場(chǎng)化的超導(dǎo)電力裝備，預(yù)計(jì)到2025年將實(shí)現(xiàn)商業(yè)化[1]。

本文簡(jiǎn)要介紹高溫超導(dǎo)限流器的基本原理和近十幾年來(lái)有關(guān)高溫超導(dǎo)限流器的研發(fā)現(xiàn)狀。

一、超導(dǎo)限流器的種類和基本原理

超導(dǎo)限流器應(yīng)具備以下特性：①在電網(wǎng)正常輸電時(shí)呈現(xiàn)低阻抗；②在電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)迅速轉(zhuǎn)為高阻抗；③限流后能夠自動(dòng)、及時(shí)恢復(fù)到低阻抗?fàn)顟B(tài)；④能夠與電網(wǎng)的保護(hù)系統(tǒng)匹配。對(duì)于交流電網(wǎng)，人們提出了3種類型的超導(dǎo)限流器，電阻型、電感型和磁屏蔽型。其中利用超導(dǎo)體失超電阻限流的電阻型和利用超導(dǎo)直流零電阻特性的飽和鐵心型獲得了較高的認(rèn)可。電阻型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單響應(yīng)快，電壓與電流同位相，但限流阻值較小，失超恢復(fù)特性以及重合閘的實(shí)現(xiàn)方面仍有不足。飽和鐵心型可以達(dá)到較高的限流阻抗，不存在失超恢復(fù)問(wèn)題，目前在中、高壓電網(wǎng)都有成功應(yīng)用的案例。

1.電阻型

如圖1所示，電阻型超導(dǎo)限流器由無(wú)感繞制的超導(dǎo)線繞制，旁路電阻用于保護(hù)作用。正常運(yùn)行時(shí)，由于超導(dǎo)體無(wú)電阻，線路不會(huì)產(chǎn)生壓降和很小的能量消耗；當(dāng)線路出現(xiàn)短路故障時(shí)，超導(dǎo)體失超出現(xiàn)高電阻，從而限制了線路故障電流。

如果電阻型超導(dǎo)限流器用于直流系統(tǒng)，限流器繞制無(wú)需無(wú)感繞制，由于直流系統(tǒng)發(fā)生短路故障過(guò)程是交流過(guò)程，電感能夠限制短路電流上升率，所以電感有助于直流限流器限流作用。

2.飽和鐵芯型

圖2為飽和鐵芯型超導(dǎo)限流器等效電路圖，飽和鐵芯型超導(dǎo)限流器主要由2個(gè)交流一次繞組和一個(gè)直流二次繞組以及鐵芯構(gòu)成。每個(gè)交流一次繞組由普通銅線繞制而成，直流二次繞組由超導(dǎo)帶材繞制而成。其他輔助設(shè)備還有快速開關(guān)、直流電源以及由轉(zhuǎn)存電阻和鋅氧避雷器構(gòu)成的轉(zhuǎn)存模塊。串接于輸電線路的2個(gè)交流繞組，分別反向的纏繞在鐵芯上，產(chǎn)生反相的交流磁通。因此，一個(gè)鐵芯內(nèi)的直流磁場(chǎng)與交流磁場(chǎng)同向，一個(gè)鐵芯內(nèi)的直流磁場(chǎng)與交流磁場(chǎng)反向。超導(dǎo)限流器的磁化程度為2鐵芯磁化程度的疊加。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)永久故障時(shí)，快速開關(guān)斷開，轉(zhuǎn)存模塊吸收磁場(chǎng)能量以減小直流繞組終端的電壓。

3.變壓器型

如圖3所示，變壓器型超導(dǎo)限流器由銅質(zhì)的一次繞組、短路連接的超導(dǎo)材料二次繞組構(gòu)成。一次繞組的終端直接與電網(wǎng)相連。正常工作中，二次繞組中設(shè)置的臨界電流小于其額定電流，此時(shí)處于超導(dǎo)態(tài)，沒(méi)有電阻。超導(dǎo)限流器的阻抗僅由一次繞組的漏抗決定，由于二次繞組短路，阻抗很小。故障期間，二次繞組中的電流超過(guò)臨界電流使得二次繞組失超，導(dǎo)致二次繞組的阻抗迅速增大。因此，超導(dǎo)限流器的有效阻抗迅速增大，從而限制了故障電流。由于沒(méi)有電流引線，故在二次繞組中沒(méi)有熱傳導(dǎo)，減少了漏熱。然而，在故障中二次繞組失超后會(huì)產(chǎn)生焦耳熱，從正常態(tài)恢復(fù)到超導(dǎo)態(tài)需要很長(zhǎng)的時(shí)間。

4.屏蔽鐵芯型

屏蔽鐵芯型超導(dǎo)限流器的原理和概念如圖4所示。它由一個(gè)鐵芯及普通導(dǎo)線制成的一次繞組和超導(dǎo)筒制成的二次繞組構(gòu)成。實(shí)際上，這種結(jié)構(gòu)與二次側(cè)短路的變壓器類似。在正常工作中，二次繞組，也就是超導(dǎo)筒，處于超導(dǎo)態(tài)，一次繞組產(chǎn)生的磁通將在短路的超導(dǎo)筒上感應(yīng)出屏蔽電流（其值低于臨界電流）。由屏蔽電流在鐵芯中產(chǎn)生的磁通與一次繞組產(chǎn)生的磁通相反，抵消了一次繞組產(chǎn)生的磁通，因此超導(dǎo)筒內(nèi)無(wú)磁通穿過(guò)。一次繞組的有效阻抗，即二次短路后變壓器的凈阻抗，非常低。然而在故障中，由于感應(yīng)屏蔽電流超過(guò)臨界電流，超導(dǎo)筒失超不能再屏蔽銅線圈的磁通進(jìn)入鐵芯。因此將會(huì)有大量磁通與一次繞組相鉸鏈，使阻抗增大到預(yù)設(shè)的大阻值，從而有效的將故障電流限制在理想值。

屏蔽鐵芯型超導(dǎo)限流器僅需一個(gè)短路的超導(dǎo)筒，且不需要電流引線，這與一匝線圈的二次繞組等效。因此，可以忽略傳導(dǎo)漏熱。除了在正常工作時(shí)，對(duì)線路加入了有限的阻抗外，該限流器還有一些其他缺點(diǎn)。例如，具有與變壓器型超導(dǎo)限流器類似的笨重鐵芯，難以統(tǒng)一失超以及失超后恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)等。因此，這種超導(dǎo)限流器也很少使用。

5.橋路型

橋路型超導(dǎo)限流器主要由4個(gè)二極管（D1-D4）、一個(gè)偏置超導(dǎo)繞組Lsc和一個(gè)偏置直流電源Ub組成，如圖5所示。電橋由4個(gè)二極管構(gòu)成，直流電源Ub為超導(dǎo)繞組Lsc提供偏置直流電流Isc。通過(guò)調(diào)整電壓Ub，使得偏置電流I0的初值與Isc相等，并且高于正常狀態(tài)下線路電流的幅值Iac，所以4個(gè)二極管（D1-D4）始終導(dǎo)通。在正常情況下，除了橋路上有小的正向壓降外，限流器對(duì)線路電流不表現(xiàn)任何阻抗。在發(fā)生故障時(shí)，線路電流幅值Iac大于I0，在電流Iac正半周期二極管D3-D4不導(dǎo)通，在電流Iac負(fù)半周期二極管D1-D2不導(dǎo)通。因此超導(dǎo)繞組Lsc被自動(dòng)地串入線路，故障電流就被超導(dǎo)繞組的阻抗Zs=jωLsc所限制。由于超導(dǎo)繞組工作在直流模式，因而沒(méi)有交流損耗并且工作電流Isc可以通過(guò)調(diào)整電源Ub來(lái)得到。除此之外，超導(dǎo)繞組不會(huì)失超，故沒(méi)有恢復(fù)問(wèn)題。然而橋路型超導(dǎo)限流器只能應(yīng)用于中低電壓等級(jí)，很難在高電壓等級(jí)下應(yīng)用。

6.混合型

混合型超導(dǎo)限流器主要由可變耦合磁路的常規(guī)變壓器和由雙股繞制技術(shù)繞制的超導(dǎo)觸發(fā)繞組構(gòu)成。有2種混合型超導(dǎo)限流器，第1種為串聯(lián)型，其超導(dǎo)觸發(fā)繞組與變壓器的二次繞組串聯(lián)，如圖6（a）所示；第2種為并聯(lián)型，其超導(dǎo)觸發(fā)繞組與變壓器的二次繞組并聯(lián)，如圖6（b）所示。串聯(lián)型的一次繞組和二次繞組反向繞制以加深耦合程度，這樣在正常狀態(tài)下限流器只有很小的阻抗。發(fā)生故障時(shí)，二次繞組中的電流急劇增加，超導(dǎo)繞組失超，由于繞組與二次繞組相連因而呈現(xiàn)阻值Rsc。電阻自動(dòng)接入二次側(cè)，將故障電流限制在理想水平。

盡管二次繞組中的電流可以通過(guò)調(diào)整變比達(dá)到一個(gè)足夠小的值，然而超導(dǎo)繞組的恢復(fù)依然是個(gè)問(wèn)題。因此，很少使用這種超導(dǎo)限流器。

7.三相電抗器型

三相電抗器超導(dǎo)限流器如圖7所示，它由繞在環(huán)形鐵芯上的3個(gè)匝數(shù)相同的超導(dǎo)繞組組成。在正常情況下，三相電流平衡，三相繞組的電流之和為零且鐵芯中的磁通不變。這里介紹2種故障情況，對(duì)稱故障和不對(duì)稱故障。對(duì)稱故障中，限流阻抗的感抗分量作用很小，因此失超后的電阻在限制電流中起關(guān)鍵作用。

三相電抗器型超導(dǎo)限流器在不對(duì)稱故障中的限流能力要比對(duì)稱故障中的限流能力強(qiáng)。這種超導(dǎo)限流器體積龐大，鐵芯和低溫容器的制作過(guò)程復(fù)雜。由于它工作在交流模式下，故在超導(dǎo)繞組中有交流損耗。在實(shí)際中很少應(yīng)用這種超導(dǎo)限流器。

二、國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

盡管人們提出了很多類型的超導(dǎo)限流器，只有3種類型超導(dǎo)限流器即電阻型、感應(yīng)型（包括飽和鐵芯型、變壓器型、磁屏蔽型和電抗型）利用超導(dǎo)體失超電阻限流的電阻型和利用超導(dǎo)直流零電阻特性的飽和鐵心型獲得了較高的認(rèn)可，其他類型的超導(dǎo)限流器只是在原理上進(jìn)行研究。近5年來(lái)，掛網(wǎng)運(yùn)行的超導(dǎo)限流器主要集中在電阻型、飽和鐵芯型2種。下文將主要介紹這2種超導(dǎo)限流器的發(fā)展現(xiàn)狀。

1.國(guó)外進(jìn)展

（1）美國(guó)

超導(dǎo)故障限流器這一概念最早由美國(guó)人提出，早在1982年，美國(guó)的洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)超導(dǎo)體公司以及洛克希德馬丁公司就已經(jīng)開始了橋路型超導(dǎo)限流器的研究工作；后來(lái)在美國(guó)能源部的支持下成功實(shí)驗(yàn)了一臺(tái)2.4kV/100A的樣機(jī)。在美國(guó)通用原子能公司和IGC公司加入第二階段研究工作后，在1999年研制出了故障電流縮減率達(dá)80%的橋路型高溫超導(dǎo)故障限流器。2007-2012年，美國(guó)能源部支持由SuperPower公司主導(dǎo)研發(fā)的138kV/1.2kA阻性超導(dǎo)限流器和美國(guó)超導(dǎo)公司（AMSC）主導(dǎo)的Superlimiter的三相115kV/1.2kA阻性超導(dǎo)限流器[2，3]。圖8分別為Superpower公司研發(fā)的限流器限流單元實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，圖9為美國(guó)超導(dǎo)公司與耐可森（Nexans）研發(fā)的限流器樣機(jī)實(shí)物圖，該限流器由無(wú)感繞制的63個(gè)線餅組成，其中3個(gè)線餅并聯(lián)為一組單元，然后21單元串聯(lián)而成。

（2）德國(guó)

德國(guó)是研發(fā)阻性超導(dǎo)限流器最早的國(guó)家之一，卡爾斯魯厄（FZK）與耐克森（Nexans）等公司合作，于2005年研發(fā)出10kV/10MVA三相阻性超導(dǎo)限流器，并在德國(guó)和英國(guó)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間掛網(wǎng)試驗(yàn)運(yùn)行。圖10為德國(guó)采用Bi2212棒材，通過(guò)無(wú)感切割的圓柱行棒材研制的阻性限流器樣機(jī)[4]。

2012年，耐克森（Nexans）（Siemens）采用第2代高溫超導(dǎo)帶材，無(wú)感（反繞）研制12kV/800A阻性超導(dǎo)限流器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，將63kA短路電流限制到30kA。2015年，Nexans研制的12kV/2.4kA阻性超導(dǎo)樣機(jī)，安裝在德國(guó)城市Essen中壓配電網(wǎng)[5]，安裝現(xiàn)場(chǎng)如圖11所示，該阻性限流器基于第2代高溫超導(dǎo)帶材，現(xiàn)已并網(wǎng)運(yùn)行3年，運(yùn)行正常。

此外，Zenergy公司于2009年采用第1代高溫超導(dǎo)線材Bi2223研發(fā)出15kV/1.2kA飽和鐵芯型超導(dǎo)限流器，圖12為該限流器樣機(jī)實(shí)物。

（3）意大利

RSE公司研制的9kV/3.4MVA基于B系帶材無(wú)感繞制的阻性超導(dǎo)限流器，圖13所示。2012年正式并網(wǎng)運(yùn)行，至今運(yùn)行良好[6]。RSE公司計(jì)劃研制了9kV/1kA基于釔鋇銅氧（YBCO）的電阻型超導(dǎo)限流器，通過(guò)對(duì)58m的YBCO帶材在65K和77K兩個(gè)溫度下進(jìn)行測(cè)試，65K時(shí)帶材臨界電流比77K時(shí)的提高了1倍。2015年，RSE公司研制的9kV/15.6MVA基于B系帶材的電阻型超導(dǎo)限流器并網(wǎng)運(yùn)行。

為了減小飽和鐵芯型超導(dǎo)限流器閉合鐵芯的體積和質(zhì)量，意大利ASG電力公司與英國(guó)北方電網(wǎng)公司（Northern Power Grid）用開放型鐵芯結(jié)構(gòu)、直流超導(dǎo)繞組采用二硼化鎂（MgB2）導(dǎo)線繞制的36kV/0.8kA飽和型超導(dǎo)限流器[7]。圖14為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)圖片，計(jì)劃安裝在英國(guó)南約克郡的Jordanthorpe275/33kV電站，可將短路故障電流減小38%。

（4）其他國(guó)家

在日本，Seikei大學(xué)和中央電力試驗(yàn)研究所于1998年用NbTi研制出了600V/6A的三相電抗器型超導(dǎo)限流器，并且進(jìn)行了入網(wǎng)試驗(yàn)；2004年，東京電力公司研制66kV/750A電抗器型超導(dǎo)限流器；2009年，日本東京大學(xué)利用第1代高溫超導(dǎo)線采用反繞工藝提出一種變壓器型超導(dǎo)限流器，2015年，田中磯島等人提出一種失超之后可以快速恢復(fù)超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)限流。1992年，法國(guó)電力公司，GECAlstho公司和阿爾卡特阿爾斯通公司研制了63kVrms/1.25kArms/5.3kApeak的混合型超導(dǎo)限流器。瑞士ABB公司利用Bi-2212研制成功三相1.2MW的磁屏蔽型超導(dǎo)故障限流器，并準(zhǔn)備安裝在Lontsch變電站投入試運(yùn)行。2016年，俄羅斯SuperOx公司研制的3.3kV超導(dǎo)阻性限流器通過(guò)商業(yè)測(cè)試于年底安裝在鐵路牽引電網(wǎng)，220kV阻性超導(dǎo)限流器計(jì)劃2018年并網(wǎng)運(yùn)行。加拿大蒙特利爾理工大學(xué)搭建了硬件閉環(huán)（PHIL）與電力系統(tǒng)暫態(tài)實(shí)施數(shù)字仿真相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，探究了電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真中超導(dǎo)限流器模型與實(shí)際超導(dǎo)限流器的差異。韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)對(duì)感性和阻性超導(dǎo)限流器原理方面也進(jìn)行了很多研究。此外，英國(guó)、波蘭、瑞士、匈牙利、以色列等過(guò)也進(jìn)行原理樣機(jī)研究，沒(méi)有進(jìn)行掛網(wǎng)試驗(yàn)運(yùn)行。

2.國(guó)內(nèi)進(jìn)展

（1）10.5kV/1.5kA三相新型橋路型高溫超導(dǎo)限流器

2004年底，中國(guó)科學(xué)院電工研究所研制出10.5kV/1.5kA三相新型橋路型高溫超導(dǎo)限流器樣機(jī)，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了各項(xiàng)并網(wǎng)前的檢驗(yàn)和模擬試驗(yàn)。2005年8月，10.5kV/1.5kA三相高溫超導(dǎo)限流器在湖南婁底市高溪10kV變電站進(jìn)行三相接地短路試驗(yàn)運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)如圖15所示[8]。

（2）35kV/90MVA飽和鐵心型超導(dǎo)限流器

2007年，北京云電英納超導(dǎo)電纜有限公司研制的三相35kV/90MVA飽和鐵心型超導(dǎo)限流器[9]，其限流能力設(shè)計(jì)為將41kA（rms）的最大短路電流限制在20kA（rms）以下，2008年在普吉變電站掛網(wǎng)試運(yùn)行，掛網(wǎng)樣機(jī)核心部分如圖16所示。

北京云電英納超導(dǎo)電纜有限公司研究與開發(fā)的220kV/800A飽和鐵芯型高溫超導(dǎo)限流器，其限流能力設(shè)計(jì)為把50kA（rms）的最大短路電流限制在30kA（rms）以下，是目前世界上在電力系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用的電壓等級(jí)最高、容量最大、響應(yīng)時(shí)間最快、勵(lì)磁恢復(fù)時(shí)間最短的超導(dǎo)限流器。2012年底，在國(guó)家電網(wǎng)天津石各莊變電站正式掛網(wǎng)運(yùn)行，掛網(wǎng)運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)如圖17所示[10]。

（4）國(guó)內(nèi)其他在研超導(dǎo)限流器項(xiàng)目

江蘇中天科技股份有限公司等單位正在研制220kV/1kA輸電級(jí)電阻型交流高溫超導(dǎo)限流器，預(yù)計(jì)2017年底完成試驗(yàn)樣機(jī)。華中科技大學(xué)研制一個(gè)小型的屏蔽型高溫模型，在此基礎(chǔ)上將開展實(shí)用化工作。西安交通大學(xué)也在進(jìn)行交流高溫超導(dǎo)限流器的研究工作。

三、變壓器型超導(dǎo)限流器

目前掛網(wǎng)運(yùn)行的超導(dǎo)限流器均為電阻型和飽和鐵芯型，電阻型限流器結(jié)構(gòu)無(wú)源、簡(jiǎn)單（直接串入線路）、結(jié)構(gòu)緊湊、電壓電流同位相，但是使用超導(dǎo)線量大、限流時(shí)段交流損耗大、溫度升高快、失超恢復(fù)比較慢；飽和鐵芯型超導(dǎo)限流器沒(méi)有失超問(wèn)題、沒(méi)有交流損耗，但是需要額外直流電源、鐵芯，體積龐大、質(zhì)量過(guò)重。為了解決此類問(wèn)題，國(guó)際上以德國(guó)和日本為代表的國(guó)家提出了結(jié)構(gòu)緊湊的無(wú)鐵芯的變壓器型超導(dǎo)限流器的概念[11]，該變壓器型超導(dǎo)限流器比阻性超導(dǎo)限流器具有更好的失超恢復(fù)特性，并兼具阻性和變壓器型超導(dǎo)限流器限流阻抗特性，是目前值得關(guān)注的研究課題。

四、直流超導(dǎo)限流器研發(fā)

縱觀國(guó)內(nèi)外高溫超導(dǎo)限流器掛網(wǎng)運(yùn)行的最新進(jìn)展，主要集中于交流超導(dǎo)限流器，在掛網(wǎng)運(yùn)行的直流超導(dǎo)限流器方面還是空白。近年來(lái)，柔性直流網(wǎng)在提高電網(wǎng)穩(wěn)定性、接納新能源發(fā)電方面的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越受到重視。我國(guó)已在浙江舟山、廣東南澳等地開展了柔性直流技術(shù)的工程示范。由于直流輸電電流不過(guò)零點(diǎn)，因此直流故障電流的開斷比交流更困難，直流斷路器尚未達(dá)到系統(tǒng)應(yīng)用的要求，直流限流器已成為急需的關(guān)鍵設(shè)備。

高壓直流電網(wǎng)的短路電流在初始階段是上升速率高、幅值可達(dá)數(shù)十倍額定電流的沖擊電流，隨后是與變流器交流側(cè)阻抗相關(guān)的持續(xù)短路電流。因此，直流限流器要求具有二段限流能力：既要限制初期的短路電流上升率以緩解換流器橋臂閉鎖壓力，也要限制后期的持續(xù)故障電流。

相比掛網(wǎng)的交流超導(dǎo)限流器，直流限流器的研究工作相對(duì)較少。2005年以來(lái)，德國(guó)、日本、韓國(guó)、美國(guó)、意大利等相繼進(jìn)行超導(dǎo)直流限流器研究工作。國(guó)內(nèi)的華中科技大學(xué)、天津大學(xué)等單位進(jìn)行非失超性的超導(dǎo)直流限流器小型樣機(jī)研究，非失超型限流器在實(shí)現(xiàn)快速故障恢復(fù)方面具有優(yōu)勢(shì)。但是這些研究均處于實(shí)驗(yàn)室原理樣機(jī)階段，尚未經(jīng)過(guò)工程實(shí)驗(yàn)。

2013年，上海交通大學(xué)和上海超導(dǎo)科技有限公司先后制作了10kV/400A電網(wǎng)用阻性超導(dǎo)限流器實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)和4kV/5kA艦船用直流阻性超導(dǎo)限流器實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)，如圖18和19所示[12]。

雖然有超導(dǎo)交流限流器技術(shù)的基礎(chǔ)，但要發(fā)展高壓直流電網(wǎng)用超導(dǎo)限流器還需要大量的研究與創(chuàng)新，要實(shí)現(xiàn)既能快速響應(yīng)抑制初期短路電流上升率，也能限制后期持續(xù)故障電流，還能滿足變流器保護(hù)、重合閘、故障后系統(tǒng)恢復(fù)等需求的超導(dǎo)直流限流器。最近，國(guó)家工信部部立項(xiàng)200kV/1kA直流超導(dǎo)限流器重大項(xiàng)目，由廣東電網(wǎng)公司等單位承擔(dān)，并計(jì)劃于2020年完成，在南澳160kV直流輸電線路進(jìn)行掛網(wǎng)試驗(yàn)運(yùn)行，在直流超導(dǎo)限流器應(yīng)用研究方面，我國(guó)走在國(guó)際前沿。

五、結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展，對(duì)于交流電網(wǎng)，雖然提出了很多類型的交流超導(dǎo)限流器，但是超導(dǎo)體失超電阻限流的電阻型和利用超導(dǎo)直流零電阻特性的飽和鐵心型獲得了較高的認(rèn)可，技術(shù)相對(duì)成熟，研發(fā)了多組樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了掛網(wǎng)運(yùn)行。超導(dǎo)限流器將是最先進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)行的超導(dǎo)設(shè)備。

但是，電阻型和飽和鐵芯型超導(dǎo)限流器在大規(guī)模應(yīng)用方面面臨如下挑戰(zhàn)：

①電阻型結(jié)構(gòu)超導(dǎo)限流器安裝簡(jiǎn)單（直接串入輸電線路）、無(wú)源、無(wú)需控制、結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)快、對(duì)電網(wǎng)影響小，但是需要超導(dǎo)線量大、失超恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)、限流期間損耗大，在電網(wǎng)重合閘的實(shí)現(xiàn)方面仍有不足。

②飽和鐵心型可以達(dá)到較高的限流阻抗，不存在失超恢復(fù)問(wèn)題，但是有源、體積龐大和質(zhì)量過(guò)重、安裝復(fù)雜、需要控制、超導(dǎo)繞組過(guò)壓?jiǎn)栴}突出。

③超導(dǎo)限流器的失超保護(hù)措施，由于高溫超導(dǎo)材料失超傳播速度慢，使得失超檢測(cè)變得極為困難。

④制造成本高：（a）阻性限流器：由于實(shí)用超導(dǎo)線材失超后電阻率低，為了能夠有效限制短路電流，需要大量超導(dǎo)線以得到足夠大的電阻；電壓等級(jí)越高，所需限流電阻越大，超導(dǎo)線用量越多，使得限流器成本極大。（b）飽和鐵芯型限流器：體積龐大、質(zhì)量很大，需要復(fù)雜電路控制和直流電源，安裝、運(yùn)輸困難。

⑤低溫絕緣技術(shù)：對(duì)于超高壓的低溫絕緣設(shè)計(jì)及絕緣配合。

⑥低溫制冷技術(shù)：長(zhǎng)時(shí)間免維護(hù)低溫制冷系統(tǒng)。

⑦運(yùn)行成本：（a）阻性限流器：雖然超導(dǎo)體電阻為零，無(wú)焦耳損耗，但是在交流情況下，仍然存在小的交流損耗，尤其是在限流期間，超導(dǎo)體失超會(huì)產(chǎn)生很大的焦耳熱。（b）飽和鐵芯型限流器：需要額外直流電源和控制設(shè)備，增加運(yùn)行成本。

⑧真空密封：低溫下非金屬部件與金屬部件之間的密封連接也是難點(diǎn)。

⑨非金屬低溫容器：對(duì)于有感交流應(yīng)用中，非金屬低溫容器常常采用玻璃鋼材料，其具有本征的放氣特性，不能維持長(zhǎng)時(shí)間真空和低漏熱，需要定期抽真空，受紫外線影響老化嚴(yán)重。

⑩超導(dǎo)限流器與電力系統(tǒng)中現(xiàn)有電力裝置的匹配協(xié)調(diào)運(yùn)行問(wèn)題。

此外，兼具阻性和飽和鐵芯型超導(dǎo)限流器限流性能的空芯變壓器型超導(dǎo)限流器是目前國(guó)際上新近提出的新型結(jié)構(gòu)限流器以及將變壓器和限流器功能合二為一的限流超導(dǎo)變壓器研究方面，在國(guó)內(nèi)還是空白。近年來(lái)，隨著第2代高溫超導(dǎo)線材技術(shù)迅速發(fā)展，限流變壓器的研究引起了國(guó)際上的廣泛興趣，尤其是基于第2代高溫超導(dǎo)線材研發(fā)的各種高載流導(dǎo)體（Roebel導(dǎo)體，CORC導(dǎo)體，TSTC導(dǎo)體，RS導(dǎo)體，HTSCroCo導(dǎo)體，QI-S導(dǎo)體）取得了重要進(jìn)展，采用導(dǎo)體進(jìn)行超導(dǎo)限流器的研發(fā)，值得嘗試。

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