超導故障電流限制器

利用超導體的超導-正常態轉變特性來限制電力系統的故障電流的裝置。隨着電力系統容量日益增大，充分有效地限制故障短路電流，降低斷路器的開斷容量，是電力系統面臨的實際問題。目前系統發生故障時主要是通過高壓斷路器切斷短路電流。

由於電力系統容量日益增大，因此斷路器的開斷容量要足夠大才能滿足要求，但這將使斷路器的結構更加複雜和價格更加昂貴。超導故障限流器可降低系統短路電流，從而降低高壓斷路器開斷容量的要求;它動作時間快（大約幾十微秒），可將故障電流限制在系統額定電流的二倍以內，比斷路器開斷電流小一個數量級左右，並可降低迴路的過電壓。它集檢測、轉換和限制於一身，是一種有效的電力系統故障“保護”裝置。超導故障限流器還可採用超導材料的磁屏蔽特性研製成磁屏蔽型故障限流器。它主要由外側初級常規導體繞組，中間次級超導空心圓筒和內側鐵芯等同心配裝組成。在正常情況下，超導圓筒處於超導態，從而對初級繞組電流起屏蔽作用，因此，它呈現低的阻抗。在故障情況下，超導圓筒由於過電流而失超，失去對磁場的屏蔽作用，從而呈現出很大的阻抗。原則上它可以在一個周波（20ms）內將故障電流限制在二倍額定電流以內。

法國1988年首先研製並試驗了世界上第一台超導-正常態轉變型超導故障限流器，首次證明了超導故障限流器的可行性，1994年初又完成了工業化的6.3kVrms/1.25kArms/5.3kA peak超導故障限流器的設計，準備用兩年時間建成該裝置並進行電網試驗。與此同時，日本東芝公司和東京電力公司合作研製了一台6.6kV/1.5kA超導故障限流器，該裝置是由作為觸發線圈的一對超導無感線圈與一個限流電抗線圈並聯後串聯於輸電線路構成。隨後又研製並試驗了一台6.6kV/2.0kA超導故障限流器，比原先的6.6kV/1.5kA限流器省掉了限流電抗線圈，直接利用觸發線圈轉變為正常態的高電阻來限流。

20世紀80年代末，高温超導體的發現為超導故障限流器的實用化創造了更有利的條件。因為可以在液氮温區運行，不僅成本降低，同時也有更好的磁熱穩定性。近年來，高温超導故障限流器的研究開發倍受重視。ABB公司1996年已研製一台1.2MVA三相高温超導故障限流器並安裝在電廠試驗運行。 ^[1] 

電阻型超導故障電流限制器，如圖1所示，將電阻型超導線與正常電阻RN並聯後串人線路，正常運行是超導線處在超導態，線路電流經超導線流過，一旦發生負載短路，超導線電流將超過臨界電流轉變為正常相電阻R_sc超導線電阻起到限制電流的作用，並聯電阻起到部分分流的作用以使得超導線承載部分故障電流。

磁屏蔽型超導故障電流限制器如圖2所示，將螺線管繞制在超導圓筒上，超導圓筒套在鐵心柱上，螺線管串入輸電線路。正常運行時，超導圓筒處在超導態，線路通電後螺線管繞組電流產生的磁場被超導圓筒排斥在外部，鐵心因無磁通而對螺線管不起作用，螺線管電感是空心電感，因此阻抗很小。當負載短路時，線路電流增大，螺線管磁場磁通逐漸進入超導圓筒並最終進入圓筒內空腔，即鐵心中出現磁通，超導圓筒失去磁屏蔽作用，螺線管電感非線性地顯著增大，超導電阻和感抗按螺線管匝數二次方折算到螺線管後阻抗迅速增大，起到限制短路電流的作用。故障切除與系統恢復後，超導圓筒又恢復到超導態並起到磁屏蔽作用。

變壓器型超導故障電流限制器與圖2類似，即將磁屏蔽型單匝超導圓筒改為多匝超導短路線圈，那麼利用超導抗磁性，正常工作時變壓器鐵心內部磁通很小，超導電阻為零，變壓器短路阻抗很小。當負載故障時，變壓器一次繞組電流增大，二次側短路的超導線圈電流也相應地增大，致使超導電流超過臨界電流，二次繞組阻抗增大，從而增大一次繞組等效阻抗並限制一次繞組電流，起到限制故障電流的作用。

儲能型橋式超導故障電流限制器，如圖3所示，正常運行時超導線圈中流過儲能直流電流，沒有輸電線路交流電流時四個二極管電流相同且等於超導線圈電流的一半，直流偏置電壓是為了平衡二極管管壓降。

當輸電線路有正常交流電流時，超導線圈仍然流過直流電流，二極管VD₁和VD₂電流相同且等於超導線圈電流與交流電流之和的一半，VD₃和VD₄電流相同且等於超導線圈電流與交流電流之差的一半，因超導線圈電流超過最大交流電流，所以四個二極管上電流存在直流分量和交流分量，但都處在導通狀態。一旦負載短路，交流電流增加，當交流電流幅值超過超導線圈直流電流時，由於二極管的單向導通性而出現輪流截止狀態，超導線圈電流將要承擔交流分量，由於超導線圈儲能的大電感特性，交流電流分量增加引起電抗增大，從而抑制交流電流，同時將電能部分地存儲在超導線圈中，由於超導電流增加，交流線路需要斷路器動作以切除故障源。在故障期間超導線圈可以一直處在超導態，而不需要失超保護和失超恢復等動作。 ^[2]