磁通流阻型高溫超導限流器模型研究

1 引 言

高溫超導限流器(HTSFCL)是未來解決電力系統故障保護的理想方案，國內外超導科研機構已設計研制了多種類型的HTSFCL[1-3]。目前，根據HTSFCL限流時的阻抗特性，HTSFCL可分為電阻型、電感型和混合型三種[4-5]。利用超導材料過流失超特性研制的電阻型HTSFCL由于其結構簡單、正常狀態對系統無影響，而成為國外學者研究的重要方向。然而，電阻型HTSFCL存在著超導材料失超恢復慢的問題，難以滿足電力系統快速重合閘要求，這使得其應用范圍受到限制。

磁通流阻型HTSFCL是一種新型電阻型超導限流器，其利用了高溫超導體過流失超后處于磁通流動狀態的特性，具有失超恢復迅速的優點，已成為電阻型HTSFCL發展的新方向。當短路電流超過臨界電流Ic時，超導體進入磁通流動狀態，此時若超導體溫度維持在臨界溫度Tc以下時，超導體能夠在短路電流低于臨界電流Ic后立即恢復超導運行狀態。在磁通流阻型HTSFCL設計中，為了增加HTSFCL的限流阻抗，通常需要將一定數量的超導元件進行串聯，因此，超導元件串聯后的磁通流阻特性和恢復特性是限流器設計中需要研究的關鍵問題。日本名古屋大學開展了單個超導元件磁通流阻特性的研究，但對多個超導元件串聯后的工作特性研究目前還未見報道。

本文采用4根Bi2223管材設計了1臺小型磁通流阻型HTSFCL模型機，對其進行了交流電力系統動模實驗，得到了HTSFCL失超限流運行的工作特性，對多根Bi2223管材串聯后的磁通流阻、失超一致性和功耗等特性進行了分析，實驗研究證明了磁通流阻型HTSFCL方案的可行性和有效性。

2 實驗

2.1 限流器結構

本文設計的HTSFCL模型機將4根參數完全相同的Bi2223超導管材進行了如圖1的串聯連接。超導管材為捷克CAN超導公司生產的型號為CSL-6/70.2的Bi2223管材。4根超導管材總長度280 mm，橫截面積7 mm2。

單根超導管材外徑為5.8 mm，長70 mm，管材兩端為長10 mm的銀接頭，銀接頭與銅編織帶(截面積4 mm2)相連。管材臨界電流Ic為120 A(77 K，0 T)，臨界溫度108 K，室溫條件下測量其電阻值R300K為62 mΩ。超導管材之間由銅編織帶和銅條進行連接，實驗測得非超導部分(銅條、銅編織帶和銀接頭)的電阻約為0.24 mΩ。

圖1 高溫超導限流器的結構圖

2.2 實驗系統及方法

HTSFCL限流實驗系統如圖2所示。電源為0～220 V可調的50 Hz交流電壓源。k是變比為44∶1的隔離變壓器，短路阻抗Zk=2.18 Ω。限流器連接在變壓器k的副邊，實驗時將其置于低溫液氮容器中。通過使IGBT開關導通來模擬短路過電流發生，IGBT控制電路可實現不同合閘角的短路模擬，并且導通時間精確可調。IGBT開關的導通時間設定為60 ms。在IGBT導通的時間段內，同時測量限流器上的電流i及兩端的電壓u。通過改變電源的輸入電壓U來調節流過管材的預期短路電流i，以得到不同短路電流下的HTSFCL的失超限流特性。這里定義變壓器k副邊直接短路時的電流i為預期短路電流。

圖2 實驗電路原理圖

2.3 單根管材的失超特性

在進行HTSFCL模型機測試前，首先采用圖2所示電路測得了單根Bi2223管材失超特性，圖3為單根管材的典型交流失超特性曲線(Urms=40 V)。當電流超過臨界電流值116 A時，管材失超轉變為磁通流動狀態并呈現出磁通流動電阻，電流最大峰值為220 A；當電流小于臨界電流時，Bi2223管材迅速恢復超導狀態，管材上壓降變為零。通過實驗分別測量了4根管材的臨界電流值，臨界電流最大值為120 A，最小值為116 A，實驗證明該材料具有良好的失超一致性(±2%)。

圖3 單根管材的失超特性曲線

3 限流實驗結果及分析

3.1 HTSFCL失超限流特性

調節Urms分別為60 V、 80 V和100 V，測得HTSFCL的電流和電壓波形。由于電壓波形中含有非超導部分的電阻電壓和線路上的電感電壓，所以要對電壓波形進行處理，去除其中的非超導部分的電阻電壓和線路上的電感電壓。處理后的電壓和電流波形如圖4所示。當電流超過臨界電流值時，HTSFCL中的超導體處于磁通流動狀態,呈現出磁通流動電阻，該電阻對短路電流進行限制，HTSFCL運行于限流狀態。由于限流過程中超導體處于磁通流動狀態，因此，當電流低于臨界電流值時，超導體能夠迅速恢復超導狀態，其上的電壓降減小為零。

圖4 HTSFCL的失超限流特性

表1給出了U取不同值時的預期短路電流最大值Ipro,有HTSFCL的短路電流最大值Imax和電流縮減率D%的對比結果。其中，Ipro是將變壓器k副邊直接短路時電流i的峰值；Imax是HTSFCL限流運行時第一個半波電流i達到的峰值；電流縮減率D定義為(Ipro-Imax)/Ipro×100%。從表中數據可以看出，隨著電壓U的升高，電流縮減率變大，當Urms為100 V時，Imax被限制在臨界電流值的兩倍處，HTSFCL的限流效果明顯。

表1 HTSFCL的限流效果

3.2 磁通流阻

根據圖4給出的電壓和電流曲線，可以做出U取不同值時HTSFCL的磁通流動電阻r與時間t的關系曲線，如圖5所示。電阻r最大值隨著電壓U的增大而增大，且隨時間呈周期性變化，這也說明磁通流動電阻具有良好的快速恢復性。當U有效值為100 V時，短路電流最大值為235 A(2倍的Ic)，此時磁通流動電阻最大值為4.5 mΩ，約為室溫電阻R300K的2%。

圖5 磁通流動電阻與時間的關系曲線

4 結 論

磁通流阻型HTSFCL正常運行時對系統無任何影響；當短路電流超過臨界電流值時，立即呈現出一定的磁通流動電阻來限制短路電流。當短路電流小于臨界電流值后超導材料能迅速恢復零電阻狀態。Bi2223管材的磁通流阻隨時間的變化呈周期性變化，其最大值隨著預期短路電流的增大而增大。當短路電流最大值為2倍臨界電流值時，磁通流電阻最大值為4.5 mΩ，約為室溫電阻的2%。

[1] 孫晶，宗曦華，何硯發，等．感應屏蔽型高溫超導限流器模型機研究[J]．中國電機工程學報，2002，22(10)：81-84．

[2] 王付勝，劉小寧．飽和鐵心型高溫超導故障限流器數學模型的分析與參數設計[J]．中國電機工程學報，2003，23(8)：135-139．

[3] KRAEMER H P，SCHMIDT W，UTZ B，et al．Test of a 1kA superconducting fault current limiter for DC applications[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2005，15(2)：1986-1989．

[4] 王晨，陳磊，唐躍進，等．直流超導故障限流器方案設計及限流分析[J].繼電器，2005，33(6)：6-9．

[5] CHOI H S，HYUN O B，KIM H R，et al．Switching properties of a hybrid type superconducting fault current limiter using YBCO stripes[J]．IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2002，14(3)：1833-1838．