限流器超導(dǎo)限流器的背景

20世紀(jì)偉大的科學(xué)成就之一就是發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象和制成了高溫超導(dǎo)材料。在該領(lǐng)域工作的科學(xué)家們曾兩度榮獲諾貝爾物理獎。

超導(dǎo)是指某些物質(zhì)在溫度下降到某一溫度Tc以下時，電阻變?yōu)榱愕默F(xiàn)象。Tc稱為該物質(zhì)的轉(zhuǎn)變溫度或臨界溫度。具有超導(dǎo)功能的材料，當(dāng)其溫度T>Tc時，處于正常態(tài)，電阻不為零且服從一般的電阻規(guī)律；當(dāng)T

當(dāng)超導(dǎo)體內(nèi)通過的電流超過某一數(shù)值Ic時，超導(dǎo)體會由超導(dǎo)態(tài)變?yōu)檎B(tài)，Ic則稱為臨界電流。當(dāng)外磁場強度超過某一數(shù)值Hc時，超導(dǎo)現(xiàn)象也會消失，Hc稱為臨界磁場。因此，要使物體處于超導(dǎo)狀態(tài)，必須使其溫度、外磁場強度、通過的電流分別在Tc、Hc、Ic以下，任何一個條件不具備，物體就會從超導(dǎo)態(tài)變?yōu)檎B(tài)。這一特性中的Ic成為用超導(dǎo)材料制造限流器的極好條件。

自從1911年荷蘭物理學(xué)家昂尼斯發(fā)現(xiàn)汞在低溫下的超導(dǎo)現(xiàn)象以來，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的低溫超導(dǎo)材料已達8000多種。但由于Tc過低，實用價值不大。直到1986年，美國的柏諾茲和繆勒制造出高溫超導(dǎo)材料（中國的趙忠賢等在1987年也制造出臨界溫度為100K的高溫超導(dǎo)化合物），才使超導(dǎo)體有了實用的可能。高、低溫超導(dǎo)材料臨界溫度的分界是77K（–196℃），低于該溫度的超導(dǎo)體用液氦（He）冷卻，高于該溫度的超導(dǎo)體用液氮（N）冷卻。液氦每升3美元、液氮每升6美分，價格相差50倍！高溫超導(dǎo)材料的出現(xiàn)，使制造超導(dǎo)限流器的設(shè)想變成了現(xiàn)實。

全稱為超導(dǎo)故障電流限制器（SFCL），主要是利用超導(dǎo)體的超導(dǎo)態(tài)，正常態(tài)轉(zhuǎn)變的物理特性，實現(xiàn)對故障短路電流的限制，提高電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

現(xiàn)有繼電保護措施面臨瓶頸，常規(guī)限流器影響電能質(zhì)量，限流器向現(xiàn)實生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)化顯得非常迫切。從應(yīng)用范圍來看，限流器可安裝于發(fā)電廠、輸電網(wǎng)、變電站等場所。

限流器（英文縮寫CL）是利用可導(dǎo)材料的導(dǎo)態(tài)––正常態(tài)（S–N）轉(zhuǎn)變特性及一些輔助部件，在線路出現(xiàn)故障時產(chǎn)生一個適當(dāng)?shù)淖杩箒韺崿F(xiàn)限流。當(dāng)故障線路被斷開或故障消失后，限流器自動復(fù)位。限流器可在高電位運行，正常運行時表現(xiàn)為零阻抗或極小阻抗，幾乎無損耗地通過額定電流；故障時可在幾毫秒內(nèi)作出反應(yīng)，根據(jù)需要把短路電流限制在額定電流的兩倍左右。觸發(fā)、復(fù)位均自動，限流效果顯著，實現(xiàn)了取樣、檢測、觸發(fā)、限流、復(fù)位一體化。

根據(jù)限流方式，限流器可分為電阻（R）型、電抗（L）型和R jwL型。

電阻型限流器的原理最簡單。線路正常運行時，流過限流器的交流電流最大值小于臨界電流Ic。出現(xiàn)短路故障時，短路電流超過Ic，限流器失超，在線路中表現(xiàn)為一個電阻，起到限流作用。電抗型限流器主要是利用超導(dǎo)體的S–N轉(zhuǎn)變改變各個線圈電流的分布，以實現(xiàn)限流功能。正常運行時，限流線圈的磁通被與其耦合的其它線圈的磁通所抵消，表現(xiàn)為低阻抗。發(fā)生故障時，超導(dǎo)部件失超，從而改變各線圈電流的分布情況，使限流線圈呈現(xiàn)一個較大阻抗，以實現(xiàn)限流。R型、L型限流器結(jié)合在一起，可組成R jwL型限流器。據(jù)日本電氣學(xué)會1999年介紹：高電阻R型限流器效果最好，不僅限制故障電流，還提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

鎮(zhèn)流器又叫限流器、扼流圈，是一個自感系數(shù)很大的鐵心線圈 。其作用有兩個：一是在日光燈啟動時它產(chǎn)生一個很高的感應(yīng)電壓，與電源電壓疊加后使燈管點燃；二是燈管工作時限制通過燈管的電流，避免電流過大而燒毀燈絲。

實用新型結(jié)構(gòu)簡單，能夠滿足大功率的阻流要求，也非常容易滿足各種電路的不同的阻流要求，可以阻止超額定電流的電流流過負載，保證了用電電器不會在超額定電流的狀態(tài)下工作，因此，可以有效的保護用電器的安全，延長電器的使用壽命。

限流器優(yōu)點

1.動作速度快，反應(yīng)時間小于20ms（在一個電力周波內(nèi)）；

2.可在電力系統(tǒng)故障時自動觸發(fā)；能將短路電流減少一半以上；

3.故障線路被斷路器開斷后，能快速自動復(fù)位并在幾秒之內(nèi)多次動作，以配合重合閘；

4.正常運行時，功耗應(yīng)接近于零，最大不能高于輸送功率的0.25%；

5.可靠性應(yīng)高于與其同時運行的斷路器。

限流器缺點

1.正常運行時功耗大；

2.動作反應(yīng)慢；

3.對電網(wǎng)的穩(wěn)定性有一定影響。

一種用于程控配線架的過流保護元件。在系統(tǒng)擴建和新的系統(tǒng)中使用短路電流限制器則可起到降低短路電流的作用，能夠在電流波形第一次上升期間小于1ms時，檢測和限制短路電流。 可調(diào)電阻也可以用做分壓器或限流器

固定電阻也可以用做分壓器或限流器

電容器也可以用做分壓器或限流器 (交流電路中)

電感器也可以用做分壓器或限流器

應(yīng)用

電網(wǎng)規(guī)模日益擴大，互聯(lián)程度日益增強，短路電流也隨之增大，現(xiàn)有繼電保護措施

面臨瓶頸，常規(guī)限流器影響電能質(zhì)量，超導(dǎo)限流器向現(xiàn)實生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)化顯得非常迫切。

調(diào)查顯示，國內(nèi)超導(dǎo)技術(shù)主要掌握在北京云電英納技術(shù)研發(fā)團隊手中，其與百利機電集團合作研發(fā)的35K

V超導(dǎo)限流器已在云南普吉變電站掛網(wǎng)運行，并成功經(jīng)受了3次人為短路故障的檢驗。220KV超導(dǎo)限流器也已研發(fā)成功，只待掛網(wǎng)運行。

從應(yīng)用范圍來看，超導(dǎo)限流器可安裝于發(fā)電廠、輸電網(wǎng)、變電站等場所。預(yù)計國內(nèi)首先應(yīng)用于變電站，尤其是220KV及以上的變電站。我們估計國內(nèi)市場規(guī)模在1700億-2800億元，利潤空間在600億-1000億元。

圖1中（a）為直流限流器的原理拓撲。圖1中（a），虛框內(nèi)為限流器拓撲，i為負載電流，i_C為為負載電流，i_C為恒流源。在負載無故障時，保證i_C>i，由基爾霍夫定律可知，i_D=i_C-i>0，即二極管VD導(dǎo)通，如果忽略二極管的導(dǎo)通壓降，則有u_Load=E，在穩(wěn)定狀態(tài)下，限流拓撲的存在對負載沒有影響。圖1中（b）為正常運行情況下直流限流器的電流源電流i_C，負載電流i及二極管電流i_D的波形 。