超导限流器简介
超导限流器具有优异的限流特性,是目前电力系统高压电网理想的限流装置。它具有以下几个特点: 1.稳态运行时低阻抗,对电网输送电力影响很小; 2.短路发生时高阻抗,大幅度限制短路电流; 3.快速检测短路电流的发生,快速触发限流动作,整个限流过程可在几个毫秒内完成;限流后可快速恢复,满足电网重合闸的要求。 与电力系统传统的限流装置相比,超导限流器具有显著的优势。上世纪70年代,超导限流器的概念就已经提出。发展至今,主要形成了两大类型的超导限流器:电阻型和电感型。 电阻型超导限流器主要利用超导材料电阻的非线性进行限流。处于超导态时,超导材料具有零电阻特性,对电力输送不造成任何不利影响。故障电流发生时,强大的电流冲击使超导材料失超,其电阻急遽上升,从而起到限制短路电流的作用。电阻型超导限流器是一种集检测、触发、限流于一身的被动式限流器,从原理上看是一种理想的限流器。然而,实际应用中有两个问题制约了电阻型超导限流器的发展。首先是超导材料问题,目前超导材料的制备技术(包括块材、薄膜、线材)及加工工艺尚不能完全满足需要,尤其对大容量的超导限流器;其次,从原理上看,超导材料在限流时需经历失超过程,恢复时需重新进入超导态,恢复过程超导材料必须在制冷系统中进行热交换,这通常需要几秒的时间,很难满足电网的要求。 电感型超导限流器有多种设计结构,其共同点是电网稳态运行时限流器的感抗值很低,对电网影响很小;短路故障时限流器的感抗突然增加,起到限制短路电流的作用。大多数电感型超导限流器的设计仍需利用超导材料的失超过程,不能避免电阻型超导限流器中存在的恢复时间问题。饱和铁心型超导限流器(SICSFCL,Saturable Iron Core Superconductor Fault Current Limiter)是一个例外。
SICSFCL的限流原理基于传统的电抗器,单相超导限流器的原理示意图见图1。图中,一个直流励磁绕组为两个并列的铁心励磁。两个交流线圈以一定形式串联,分别绕在两个铁心上,使它们产生的磁场在中柱(即直流绕组缠绕的铁心柱)相互抵消。限流器稳态工作时,直流励磁使铁心处于深度饱和,铁心磁导率较低,交流线圈的电感小,不影响电网;电网故障时,依靠强大的短路电流冲击在半波内使其中一个铁心退磁,另一个铁心磁场加强,实现单铁心限流。直流绕组使用超导材料制作,其作用是无阻地承载偏置电流将铁心偏置到饱和态,能够做到大容量偏磁和低运行损耗。限流过程中,超导绕组不出现失超,消除了电阻型超导限流器中固有的弱点。然而,这种形式的限流器存在着其它的不足之处。主要的问题是:1) 限流时只有单铁心发挥作用(另一个铁心仍处于饱和状态),这减弱了限流效果,导致铁心和交流绕组的体积大、重量大、制作成本高;2) 短路时,强大的短路电流使铁心退出偏置饱和,而出现磁场交变,直流侧势必存在感应高压,这要求直流回路要有承受高压冲击的能力;3) 直流电源必须是恒流源,若励磁回路存在较大的交流感应电流,限流效果将大大削弱。这对恒流源的制作提出了很高的要求。因此,尽管早期的SICSFCL原理清晰、结构简单、性能可靠、限流容量大,但一直被认为是成本高、体积重量大、电源技术难以解决的限流形式,在实际中难以得到应用。而云电英纳研制的饱和铁心型超导限流器则克服了以上缺点,超导限流器的产业化向前迈出了坚实的一步。 
单相饱和铁心型超导限流器原理示意图 |