超导限流器

《电工技术杂志》2002年第7期・产品介绍・

超　导　限　流　器

李建基(西安高压电器研究所　710077)

摘　要　用超导限流器限制短路电流,是国际上大力研究的课题。超导限流器利用导体由超导态向正常态的转变,因此它的作用像非线性电阻。由于这种独特的物理特性。超导限流器成为一种比较理想的限流装置。

关键词　故障电流　超导体　限流器

1　前言

电网的短路会引起高达百倍于额定电流I N的短路电流I SC。电网中的元件设计必须使之在短路期间(典型时间为30～300ms)能承受由短路电流I SC引起的很高的机械负荷和热负荷。

在世界范围内,由于电力需求的增加,现有电网增加了新的馈电点,由此而使联网数量增加。由于短路电流的增加,短路裕度逐渐被用尽。

如果预期短路电流I pt超过电网元件的设计极限,或完全更新变电站设备,或采取措施减小短路电流。为此一般使用限流电抗器或使用具有高电抗的变压器,可以通过这些措施提高电网的阻抗;或者相应地减小预期短路电流I pt。这样做必须以增加运行损失特别是以加大电压降为代价。减小I pt 的另一种可能方法是将电网分成许多支网。所有这些措施都与提高电网稳定性的要求相矛盾。

理想的限流器应对电网的正常运行无影响,而在故障情况下能够限制短路电流使其接近额定电流值,这样就可以解决既要求电网阻抗小又要求短路电流小的矛盾。实现这种功能的电气装置基于快速开断电路(开断时间t<1ms,如用爆炸式熔断器或电力电子器件)、谐振频率失调的L R振荡回路和具有极大非线性电流2电压特性的元件,如半导体、带铁心的线圈和超导体等。

超导体的特点是从无阻态即超导态向电阻态的转变。超导限流器可分为电阻型和电感型。在电阻型超导限流器中,被保护电网的电流直接流过超导体,而在电感型超导限流器中,超导体被电感接入电路。

2　超导技术的优势

超导技术被公认的优势是它的零电阻特性。用它可减少输电损失,同时超导材料的电流密度大,已知的超导材料的电流密度约为100A/mm2,至少为普通铝和铜导体的十倍。由于超导体的零电阻特性,使之输电损失小且电流密度大,故超导技术可用于电缆、变压器、磁储能等方面。超导技术另一个被公认的优势是超导2正常态转换特性,如图1所示。这种转换在临界电流I C处进行。可利用这一特性制成超导限流器

。

图1　超导2正常态转换特性

3　超导限流器的作用原理

图2所示为超导体的相位图,可将其划分为三个区域:真正的超导区(ρ=0)、电阻与电流的特别关系区(ρ=ρ(I))、正常导通区(ρ=ρ(t))

。

图2　高温超导体的简化相位图

实现超导限流器的捷径是采用电阻型器件。在电阻型原理中,超导体直接串联于被保护电路。在

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设计这种限流器时,要使超导体在正常工作时正好处于超导状态,而且为降低冷却费用要优化交流损耗。当用于交流时,在超导状态会出现损耗。

在故障情况下,超导限流器的电阻骤增,相2地电压几乎全部降落在限流器上。此时,短路电流降到小于I pf 的数值。期望的限流特性可通过合理地设计超导体的长度得到。

当超导体处于限流状态时,耗散的能量使材料发热。另一方面,温度的上升限制了最大可能的限流时间,限流器必须通过开关与电网断开。为与目前提供的开断和故障识别装置协调,要求限流时间在50～300ms 内。

在高温超导体中(HTS ),用于电力场合的超导材料主要有三种:Bi2223导线、Y BCO 薄膜及Bi2212实体材料。

Bi2223导线因其高技术特性而用于限流器中,

超导体的银基体含有高阻值的合金。

Y BCO 薄膜具有最好的超导限流特性(与其他两种材料相比),并且能完全满足电网的限流要求。当然,制作大面积的Y BCO 薄膜只有在很复杂的工艺条件下才有可能。将Y BCO 薄膜串并联在陶瓷支持板上做出额定容量为112MVA 的三相模型的工作,最近取得成功。

由Bi2212实体材料可以制作容量最大的限流器模型,其制作费用相对低些。ABB 公司研究出一种工艺方法,可生产出40cm ×50cm 的超导体板。将这些超导体板切成长的回纹形结构,并用层压的玻纤塑料加以增强,作为电气旁路,使用钢板在短路时承担短时电流。

超导元件必须在接通时具有最佳电动和发热特性,并置于一个真空低温箱中。图3

示出由液态氮

图3　一种限流器的示意图

冷却的限流器及冷却装置。为冷却起见,主要元件

要充气浸入液态氮槽内。在设计低温箱时,要保证

短路时释放的大量氮气能通畅逸出。为了保证最少量的冷却液,蒸发的氮气需借助封闭的冷却循环系统收集,并在冷却机中加以液化。这个过程在运行中必须连续进行,以补偿由于超导体中交流损耗和低温箱的热传导损失造成的氮损耗。冷却消耗占限流器额定容量的0101%～011%。

超导元件置于液态氮槽内;低温箱起绝缘作用。

4　超导限流器的试验模型

在电力领域,正在积极研究超导技术在电缆、变压器、磁储能装置、限流器、开关等方面的应用,而且已有样品出现。普遍认为,故障限流器有可能最早成为产品,得到较广泛的应用,因为限流器需求范围广,需要量大。欧洲许多制造公司都有制作HTS 限流器的规划,如下表所示。ABB 公司制造的1MVA 限流器已在实际电网运行中经受了考验。Siemens 公司容量为1MVA 的模型已顺利通过了试验,下一步作12MVA 样机。西门子采用的超导体材料为钇2钡2铜2氧化物薄膜(Y BCOfilm )。图4所示为西门子公司1MVA 高温超导限流器的展示模型

。

图4　1MVA HTS 限流器模型

1—低温箱　2—液化氮

3—开断元件(在陶瓷基体上的Y BCO 薄膜)

4—2kW 压缩机　5—电流引线

6—安全阀　7—冷却头

新的限流器模型是由Bi2213材料制作的模块串并联而成,其额定电压8kV ,额定电流800A ,

单相模型额定容量614MVA 。这种电阻型限流器模型结构紧凑,其体积小于1m 3(包括低温箱)。

(下转第59页)

超导限流器 《电工技术杂志》2002年第7期