电阻型超导限流器原理及优缺点

一、基本概念

理想的限流器应具备如下特征:

(1)在电网正常输电时低阻抗或零阻抗;

(2)在电网发生短路故障时迅速转为高阻抗和有效限制短路电流;

(3)限流后能够自动、及时恢复到低阻抗或零阻抗状态;

(4)能够与电网的保护系统匹配。

超导限流器是多年以来人们在超导电力技术领域的研究焦点之一，也是被认为最有可能率先实现工业化应用的超导电力设备。现在很多电网的短路故障电流水平已经超出或即将超出现有线路断路器能够应对的范围，电网运行安全存在着很大隐患。短路故障电流过大已经成为目前世界上很多国家输、配电网面临的迫切需要解决的问题。另外，高压直流输电，尤其是多端高压直流输电近些年发展迅速。与交流线路断路器相比，直流线路断路器的遮断容量与实际需要的差距更大，无法满足直流电网建设的需要。因此，无论是交流电网还是直流电网，目前都需求能够有效抑制故障短路电流水平的装置。

超导限流器有若干不同的分类方法，若以通流 /限流元件的阻抗特性划分，可以分为电阻型超导限流器和电感型超导限流器。

电阻型超导限流器最直接地利用了超导材料在超导态时电阻为零，而在失超后具有一定电阻的特性。将一个超导元件(一般为绕组

形式或多个模块组合形式) 串联在输电线路中就构成了一个最简单的限流器。在电路正常输电时，超导元件处于超导态，电阻为零，这时限流器的整体阻抗主要来源于非超导接头电阻和元件的交流损耗(直流输电不存在)量值很小。当线路发生短路故障时，超过超导元件临界电流的故障电流会使其失超，产生一定的电阻，起到抑制短路电流的作用。（主要通过在故障电流的激励下，超导材料瞬间从超导态转变为非超导态，产生大电阻串入故障线路，从而对故障电流起到限制作用）

二、优、缺点

电阻型超导限流器原理简单，所以其限流单元的设计和制作也比较简单，设备重量比较小。但由于限流功能要通过超导元件的失超来实现，限流后超导元件完全恢复到超导状态需要较长的时间，难以满足大多数电网保护系统自动重合闸的时间要求。另外由于在限流状态下超导元件的失超要产生大量的热，需要有一个可靠的在短时间内移除热量的机制和较大容量的冷却系统。也因为超导元件失超的原因，为了避免损坏，电阻型超导限流器不适宜较长的持续限流时间。一般地讲，电网电压越高，所需的限流阻抗越大。对于电阻型超导限流器，增加限流阻抗就要增加超导导体的长度，这就需要更大的绝热恒温器和冷却系统。当超导元件的体积很大时，很难实现其整体的温度和电磁条件的均匀性，其结果就是超导元件失超的时间和空间分布的不均匀性，导致限流能力的降低和损坏风险的增加。所以目前电阻

型超导限流器还很难实现较大的限流阻抗，不适合高压输电电网的需要。

三、结合优缺点，总结主要技术难题总结如下:

(1) 故障限流过程焦耳热的产生与积累。

尽管在实际运行中，一般会采用拓扑结构保护超导线圈，但是失超后的超导线圈仍然会在较大的故障电流冲击作用下，短时间内产生大量焦耳热。热量的迅速积累会导致超导线圈迅速升温，会降低超导体的电力和应力特性，甚至使超导体损坏。

(2) 线圈的失超恢复。

限流器本体上热的积累与传递等热力学问题是限流器自身安全与稳定的根基。短路故障切除时，超导线圈不再继续产生焦耳热，因而此时其温度理论上达到最大值，但是超导线圈恢复超导态需要经历较长的时间。在温度下降到临界温度前，超导线圈无法恢复到超导态，

这期间无法应对下一次的电网故障;同时；由于线圈过热使液氮沸腾而产生的大量气泡，降低了系统的绝缘特性，对限流器产生潜在的危害。因此对于热稳定性及冗余度的设计具有很高的要求。

(3) 限流器的体积与成本。

由于超导带材在失超后电阻率较低，为获得能够有效抑制短路故障电流的较大电阻，需要大量的超导带材串接在电网中，并且应用电网中的短路电流容量越高、所达到的短路电流缩减率越高，带材的用量就越大，因此在电压等级较高的输电网中，限流器的成本巨大。

(4) 失超一致性。

目前生产的超导带材并不是完全均匀的，而超导体的状态与温度、电流、磁场三者密切相关，这可能造成在发生短路故障电流时整个超导线圈不能同时失超，即部分带材失超而其余部分仍然处于超导态。失超不一致导致产生的阻抗远远小于设计值，无法达到预期的限流效果; 同时，超过设计裕度的巨大电流流经失超部分的带材，可能会造成带材的损坏。

(5) 低温制冷。

在故障限流及恢复阶段时，超导线圈与制冷剂存在大量的热交换，对制冷机的运行提出较高的要求。