| 单词 | 超导故障电流限制器 |
| 释义 | 【超导故障电流限制器】 拼译：superconducting fault current limiter 由于电力系统的容量越来越大，系统的短路故障电流可达100kA以上，对系统的安全运行造成了很大的威胁，因此限制故障电流是十分重要的。对于低压和中压电力系统，多采用普通的保险丝、断路器或电力元件等达到限流目的；对于高电压和大电流系统的限流技术，目前还没有找到既先进又经济的解决办法。随着应用超导电性的深入研究和发展，超导故障电流限制器(SCFCL)是全新的电流限制技术。由于SCFCL是基于超导－正常态转变，因而具有以下优点：它的限流响应时间大约几十微秒；与常规限流相比，减小故障电流幅值1～2个数量级；降低回路的过电压；集检验、转换和限制于一身；这种SCFCL可靠性高，它将是一类“永久的超保险丝”。SCFCL可分为两类：一类是电阻限流器；另一类是电感限流器。它们是利用超导体的超导－正常态转变，由无阻变到具有较高电阻，从而达到限制故障电流的目的。为了最终切断电流，必须与限流器串联一个常规辅助开关，由超导限流器和常规辅助开关组成超导开关装置。 自20世纪60年代以来，除了填写的超导限流器和开关的专利以外，大量文章介绍了一系列概念设计、原理研究和模型实验研究。1964年，D．L．Ameen等提出快速动作的超导电力开关的思想。1970年，I．Heller提出在能量转换的开关中使用超导材料。1978年，K．E．Gray等提出了电阻SCFCL的概念设计。在正常运行条件下，负载电流全部通过处于超导态的超导体(Rs=0)；在故障状态下，故障电流一旦超过临界电流，超导体转变为正常态，Rs=Rn且大于并联电阻Rp，因而故障电流绝大部分进入平行的分流电阻Rp，同时将故障电流限制到允许值以下。Gray还用计算机模拟支持了这个概念设计的技术可行性。1982后，B．P．Raiu等人提出带有超导DC偏置绕组的故障电流限制电抗器，在变压器次级绕组上使用短路超导线圈。1983年，H．J．Boening等提出了三相交流系统的SCFCL。这种装置由晶体二极管和偏置超导线圈组成，变更偏置回路便产生一种有电流限制特性的断路器。1986年，J．-L．Sabrié提出电感SCFCL，超导体是变压器次级回路的一部分。在正常工作条件下，次级回路被超导体短路并且在初级回路中产生很小的电压降。在故障条件下，超导体转变为正常态后，电感两端的电压降限制初级边的电流。电阻SCFCL的优点是结构简单，但这种安排的开关不容易实现切断操作。电感SCFCL从根本上限制了热损耗，但是初级线圈连续通过系统的额定电流和承受系统的电压，因此初级线圈的尺度将是很大的。限流器和开关技术要求超导线具有高的传输电流能力、高的正常态电阻、热－电磁性能稳定和低的工频交流损耗。由于P．Dubots和A．Février等许多科学家的努力，现已能制造出满足上述要求的工频超导线。这种导线是由几十万股只有百纳米的NbTi超细丝镶嵌在CuNi基体中组成，稳定化铜很少或者完全没有。超细丝NbTi超导线的典型参数：正常态电阻约为1．7Ω／m；50Hz下交流损耗很低，约为1．5×10－6W／A·m(在0．5T磁场下)；在0．5T下的全临界电流密度约为3×105A／cm2。这样的超导线为限流器带来了希望，并有几种SCFCL原型机问世。1989年，T．Verhaege、Y．Laumond和M．Collet等研制出25kV电阻SCFCL原型机，其活性部分是用200m长工频超导线制成的线圈，共有两层，按相反方向绕制，自感只有1．0mH。限流器的参数和性能：工作频率50Hz，额定电流200Ar．m．s(r．m．s——有效值)，额定电压25kV，试验电压51kV，最大电阻340Ω，阈值电流330A，理论短路电流高达15000Ar．m．s，短路电流极限350A，故障电流持续时间小于1ms，常规断路器切断时间约3～4个周期，恢复超导态为几秒的时间。1989年，H．kado和T．Ishigohka研究了一台新的3－相SCFCL，制造一个小型实验装置并进行了试验，它有绕在单个铁芯上的3－相超导绕组。在单线对地短路时，故障电流被大的零－相－顺序电抗限制到很小值。当2－相或3－相短路时，超导线圈失超，故障电流被超导绕组常态电阻所限制。1991年，T．Ishigoka和N．Sasaki研究一种超导直流故障电流限制器(SCCDFCL)，在直流回路中插入有如下性能的具有超导绕组的电抗器：在正常运行时，由正、负电流引起的磁动势彼此抵消，在电抗器铁芯中的磁通为零；当无论正或负哪一边发生短路故障时，电抗器产生大的反向电压，因此SCDCFCL抑制短路电流的突然增加。现已完成了模型实验和未来全尺寸装置(+500kV，2000A)的概念设计研究，与常规电抗器相比，SCDCFCL的瞬态电压比较低。通常，电阻SCFCL的再生时间(从发生故障，超导线圈失超限制故障电流，到恢复超导性重新投入运行)长，至少需要几秒钟。为了缩短再生时间，1989年，D．Ito等研究一种新型电感SCFCL。这种限流器是由超导限制线圈和超导触发线圈组成，前者的临界电流比后者大，这两个线圈以无感方式同心地绕制在圆柱线轴上，以并联方式接入电路中。它们是用超细丝NbTi线绕制的，在正常运行情况下，限流器的感抗很小，在故障状态下，触发线圈失超同时它的电流降到很小值，这时限流器的电感等于限制线圈的数值，即限流器变成一个超导电抗器，故障电流受到限制。在小型模型实验里，作者将故障电流限制到200A，端压为54V。1991年，D．Ito等在实验的基础上研制1台400V，100A级SCFCL模型，并进行试验。它是用超细丝NbTi超导线绕制的，限制线圈长300mm，外直径90mm，200匝；一个触发线圈长300mm，800匝，常态电阻1200Ω；另一个触发线圈2长300mm，200匝；运行电流100A，额定电压400V，故障电流被限制到169Ar．m．s。由于作者多加了一个辅助触发线圈，系统的再生时间只有数毫秒。1992年，D．Ito等人在前边研究的基础上又研究并试验一台6．6kV／1．5kA级电感故障限制器，它是用42股交流超细丝NbTi超导线绕制的，运行电流1500A，额定电压6．6kV。限流器在正常运行条件下的电感为100μH，在故障条件下为10mH。55kA的短路电流被限制到1．8kA。1992年，P．Tixador等人研究了混合SCFCL的原理并且进行了先行实验研究。这种装置实质上与D．Ito等人研究的电感SCFCL是相同的，只不过限制线圈即可是超导的又可是正常导体的。他的预研使得人们比较好的了解和明白电感SCFCL的一些关键问题：磁芯的导磁性、磁芯和绕组间的耦合、再生电流、失超和传播速度等。电感SCFCL与电阻SCFCL相比，其优点就在于再生时间短，典型的再生时间约0．3S。一般来说，电感SCFCL是满足实际电流限制要求比较好的一种限流器。使用超细丝NbTi超导线的SCFCL原型机已经问世，其可行性也被证实，但是为了完全掌握这种全新的技术，当前的研究热点：(1)大尺度超导体的转变；(2)很低温度下材料的性能；(3)低损耗的恒温器；(4)高电压和大电流引线；(5)经济的液化器等。由于传统低温超导材料价格昂贵，又必须使用液氮作冷却剂，所以传统超导故障电流限制器和开关的一次投资和正常运行费用都比常规限流器高，因此SCFCL完全代替常规限流和开关设备可能性不大，只在下边几个领域是合适的：(1)同超导电力系统其它部件(超导发电机、超导变压器、超导电缆等)一起使用；(2)短路电流超过常规限流设备的承受能力；(3)作为灵敏的保护设备等。如今，高温氧化物超导体的进展使得SCFCL更吸引人了。高Tc超导体在失超条件下电阻率高达10－5Ω·m，它的电流密度已达105A／m2量级，用作限流器和开关上导体承受的机械力不大，它与液氮的热交换足以满足稳定性要求，而且液氮和气氮的绝缘强度比较高。当前高Tc超导限流技术的研究热点是研制高临界电流密度、低交流损耗的满足工业要求长度的导线，高温超导体在电力系统中得到最先应用的将是限流器，加上其运行温度是液氮温度，液氮的价格仅为液氦的1／10，因而高温超导故障电流限制器的前景是十分美好的。【参考文献】：1 Gray K E，Fowler D E．J．Appl．Phys．1978，49∶25462 Raju B P，Parton K C，Bartram T C．CIGRE，1982，9∶1～93 Boening H J，Paice D A．IEEE Trans．Mag．MAG，1983，19∶10514 Sabrie J L．Alsthom Review，1986，5∶31～505 Verhaege T，et al．Proceedings of MT11，1989，413～4186 Ito D，et al．proceedings of MT11，1989，449～4547 Ito D，et al．IEEE Trans．Mag．MAG，1992，28∶4388 Tixador P，et al．IEEE Trans．Mag．MAG，1992，28∶446(东北大学博士生导师王金星教授撰) |
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