摘要：在所有電力系統中的電氣設備都必須被設計成能夠承受潛在的短路電流的機械應力和熱應力。而稍微減小這些電流都可以顯著的節約成本。在目前所有的限流器裝置中，超導故障限流器能夠提供最理想的性能。在正常運行的狀況下，超導故障限流器處於超導狀態，阻抗可以忽略不計，在出現故障的情況下，過渡到正常導通狀態被動地限制了電流。多種高溫超導體材料，比如釔鋇銅氧薄膜，鉍2233超導線，鉍2212薄膜正在開發運用於超導故障限流器。由於高溫超導體的易碎和過熱問題，許多高溫超導的電流限制部分比如一個機械基材，載體或者電氣旁路都是由複合材料構成的。複合材料的性能在很大程度上取決於臨界電流密度，電流電壓特性，導熱性，熱容量和電旁路等參數。主要有兩種不同的超導故障限流器的類型，即電阻型和磁屏蔽型，這兩種概念在過去已經推行了。1996年首個超導故障限流器被安裝在一個水力發電廠，裝置的額定功率是1.2MVA,它是基於鉍2212薄膜的磁屏蔽型。這項技術的可行性已經被為期一年的耐久性實驗所證實。最近基於鉍2212薄膜的更簡潔的電阻型超導故障限流器已經被開發出來了。超導故障限流器的實驗數據與理論模型吻合。它們被用來研究超導故障限流器在電力系統中的影響，以便於評估技術優勢和經濟優勢。
關鍵詞：故障限流器，高溫超導，鉍2212，電力應用
1. 介紹
在電力系統中，老化，雷擊架空線或者其他不可預知的事情導致的意外的絕緣損壞可能會導致電路短路，隨後產生的短路電流ISC比額定電流In(=在正常操作下的最大電流)高100多倍，並且會產生很大的熱應力和機械應力，它們的大小和短路電流的平方成比例，電力系統中的所有部件都必須設計成在一定的時間段內能夠承受這些應力，時間通常是由斷路器中斷電流Isc所需的時間來確定的，並且可以在20毫秒至300毫秒之間變化，預期的故障電流IPF(即小於故障限定值最大的預期短路電流)越高，對所有的設備損耗越大，尤其是必須中斷故障電流的斷路器。
常規的措施是人為的減少系統阻抗（比如通過空氣線圈電抗器和變壓器電抗）或者限制供給故障的電源的數量（比如人工劃分電力網絡），然而這些措施與日益增長的電能質量需求一致，都需要大大減少電網阻抗。
現在對故障限流器的需求很大，它在正常運行時對電力系統的影響可以忽略，但是它在故障情況下會使短路電流ISC的大小接近額定電流In。故障限流器在失諧LC諧振電路（僅適用於交流）或非線性電流電壓特性部分（比如半導體，鐵心電抗器，超導體）中通過瞬時電流速斷保護（<1ms）實現（爆炸引信，或電力電子）。
在非線性材料中，超導體因為其從0到限定阻抗獨特的轉變而脫穎而出。在這裡，我們主要集中在故障限流器，利用這一轉變，而把它們稱為超導故障限流器，對於超導故障限流器主要有兩種類型，電阻型和磁屏蔽型或者稱為感應型。在電阻型超導故障限流器中，超導體是直接串聯到線路中，而在磁屏蔽型中超導體是通過磁感應連接到線路中來保護。基於低溫超導體的超導故障限流器已經發展了2到3代，然而由於製冷成本太高，它們還沒有被商業化，在本文中，我們將主要關注由高溫超導材料製成的設備，主要是鉍2212薄膜。
2.
超導故障限流器的基本原理
圖1 超導體的簡化的相位圖
圖1是一個超導體的簡化的相位圖，它被分成三個區域，分別是超導區，磁通流阻區和常規傳導區，超導故障限流器最簡單的一個概念是超導體直接串聯到電阻1，超導體的橫截面是根據額定電流在超導體內部以超導狀態流過，它對電網的干擾可以忽略不計，但是在交流中超導體還是有一定的電抗並且會產生交流損耗，它們都跟超導體的形狀相關 ，並且可以通過使超導體的形狀理想化來使損耗最小化。（比如讓線圈的纏繞方向相反或者彎曲線圈）
萬一出現故障，電流密度的增加會使超導體變成磁通流區，迅速增大的電阻會使短路電流小於預期故障電流。實際的限制動作很大程度上取決於超導體的長度和材料（複合材料）類型。三個主要的不同限制動作可以通過僅改變相同的材料的長度來實現。首先，使用一個很長的超導體，讓超導體在故障狀況下經過電場的部分很小，從而使相應的電流密度只比臨界電流密度稍微大一點，超導體中功率密度在電場Ej的消耗可以忽略不計，使材料基本上不預熱（圖1 圖2的曲線1），這種常溫設計有一個很好的限制效果。但是超導體的長度越長成本就越高而且會產生一個比較大的交流損耗。另一個極端設計是使用一個相當短的導體，但是它在故障時會產生一個大電場，在這種情況下，短導體在磁通流動狀態下，即使有一個很小的電荷密度都會導致電流密度的初始值大大增加（僅受電力系統阻抗的影響），由於很高的電場作用，超導體會迅速升溫，在經過100us後失超，短路電流的大小接近甚至小於額定電流（圖1 圖2的曲線3）。這種快速升溫法對超導材料需求量更小，但是初始電流峰值可能不夠大，並且大電場可能會損壞超導體。使用中等長度的導體會產生一箇中等大小強度的電場，最初10ms短路電流是額定電流大小的幾倍（5-10倍），超導體繼續升溫，經過10ms後失超(慢加熱法，圖1 圖2的曲線2)。
圖2 改變長度限制動作的改變
3．材料
應用於超導故障限流器的超導材料必須滿足三個條件：1.在正常工作狀態下交流損耗小,以儘量減少製冷成本，2.機械強度高，在限制故障電流的過程中能承受熱應力和磁性應力，3.有良好的熱穩定性，避免在過度加熱時達到熱點，這個會使超導體被燒穿。
基於低溫超導體的超導故障限流器通常使用交流電源線，其中低溫超導體細絲嵌入在常規傳導基質。這些材料都具有良好的機械質量並且交流損耗很小。由於它們的低比熱性，高導熱性和高的臨界電流密度，熱傳播速度非常快（幾百米/秒），電流密度的值甚至低於臨界電流密度，因此如果發生驟冷的狀況，導體的加熱均勻度也會有保證，基於低溫超導體的超導故障限流器通常使用快速升溫法。
由於陶瓷型的高溫超導體在磁場中任意方向都具有交流損耗小的這個性質還沒有被證實，所以大部分高溫超導材料都被製作成帶狀，板狀或者管狀，通常都是減少導體橫向尺寸來使局部磁場最小來減少交流損耗，比較脆的高溫超導材料需要被機械穩定，比如通過金屬或絕緣體來支撐基質。低溫超導材料相比於高溫超導材料都是非常差的熱導體，並在77K的溫度下具有相當高的比熱，因此，熱量傳播非常慢，甚至電流密度會降至低於臨界電流密度，在這樣的情況下,整個電網電壓會通過超導體，最終導致高溫超導體被燒穿。解決問題的一個常見方式是應用一個電旁路，從而使電流繞過熱點。大部分超導故障限流器的超導體材料都是複合材料，其包括高溫超導體，一個機械襯底或支撐，和電旁路。複合材料的限流性能很大程度上取決於參數：臨界電流密度，I-V特性，導熱性，熱質量和旁路。在深入研究超導故障限流器應用上對於高溫超導體有三大材料體系：釔鋇銅氧薄膜，鉍2233超導線和鉍2212薄膜。
許多公司已經生產出很長的用銀合金包覆的鉍2233超導線，儘管這些導線可能適用於電纜，發動機，但是它不適用於超導故障限流器，因為它的矩陣電阻低，但是，最近，ASC在與ABB和EDF的合作中開發出了一種可以被用於電流限制的高電阻護套線。
生產很長或者很大面積的釔鋇銅氧薄膜是很困難的，儘管如此，西門子已經論證了一種基於釔鋇銅氧薄膜的300KVA電阻型超導故障限流器的模型，是由平面陶瓷基片鍍層，並用金質旁路覆蓋並製成彎曲狀，由於臨界電流密度值很高，釔鋇銅氧薄膜都是採用快加熱法，事實上，最近的一些研究結果表明，由於一個尚未理解的物理效應，他們甚至可以使材料允許的加熱速度變得更快。
迄今為止，由高溫超導體制作的超導故障限流器原型是利用所謂的鉍2212薄膜，因為它有比較低的臨界電流密度，高溫超導體是最適合慢加熱的設計，ABB已經建成了基於鉍2212管的三相1.2 MVA原型，磁屏蔽型超導故障限流器已經在瑞士水電廠成功運轉了一年。
4.鉍2212的Ej特性
超導故障限流器限制電流最主要的物理特性是高溫超導材料的E(j,T)特性。對於鉍2212薄膜，根據不同的冪律E(j)可以被分為三個區域，根據圖3的定義，α(T), E0, β和 ρ(T)這些參數很大程度上取決於材料的加工情況，在77K它們一般分為以下範圍：1000 ⩽ Jc⩽ 10000A/cm2, 5⩽α⩽15, 0.1⩽E0⩽10 mV/cm, 2⩽β⩽4, and 100⩽ρ⩽ 2000μΩcm。圖4顯示了三種不同的Bi2212樣品在E(J,77K)下的實驗曲線。從α到β的變化對應於HTS從超導狀態進入磁通流動狀態的轉變，在E較高的情況下，我們期望磁通流區域能夠轉變為正常導通狀態，但它因過度加熱超出了實驗的範圍（如圖中曲線過度彎曲），我們沒有發現E0和β跟溫度有很大關係。
圖3 鉍2212的Ej特性
圖4 不同鉍2212的Ej特性
5．超導故障限流器的理論模型
如上面已經提到的，超導故障限流器的限制電流的行為可以通過改變長度和旁路系統而改變。為了滿足超導故障限流器在某些應用中的特俗需求，必須有一個囊括高溫超導材料，機械加固和電旁路的可行的理論模型。
電旁路是作為一個有ρn(T)阻抗特性的普通電阻並聯連接到高溫超導體上。
Bi2212陶瓷的I（V）特性由三個冪函數建模：(1) 在超導狀態E(1)(j,T)=c(1)(T)jα(T)（2）在磁通流態E(2)(j,T)=c(2)(T)jβ，（3）在正常導通狀態E(3)(j,T)=c(3)(T)j，c(1)(T), α(T) and c(2)(T)都符合E(j,T)曲線，在過渡到磁流通狀態時，E0 和 β也是根據實驗得出的，但是它們跟溫度沒有關係，儘管如此，我們沒有得到c(3)(T) 在T 複合材料的熱建模是假設材料在其長度上是均勻的，因此，在超導體（和旁通）中熱量只會在垂直於當前方向而轉移到液氮中。在複合材料的不同部分中，（Bi2212，旁路和機械加固部分）熱量擴散與一維熱擴散方程描述相同。
圖5顯示出了"電阻"型超導故障限流器的測試結果，該實驗室模型利用類似於用於1.2 MV的"感性"的原型Bi2212複合材料，In=200 Arms的單相設備已經在額定電壓為8.3KVArms的電路中測試過，在20次試驗中，設備不能同時限制對稱故障和非對稱故障，在8.3KVArms電路中，超導故障限流器限制了IPF=13.2 kArms到4.3 kA的第一個高峰。由於高溫超導材料的升溫，Isc,經過50ms之後才進一步降至1kArms，該裝置的觀察到的行為可以被上述引入的理論模型很好地描述（圖5）。
圖5 1.6 MV的超導故障限流器短路測試
7．不同設計的可能性
超導故障限流器可以根據不同的規格，比如在正常情況下超載，限制動作（限制因子=ISC的第一次峰值/√2 In）最大限制時間是Isc被斷之前，最小的恢復時間是可以重新關閉之前。
作為最重要的參數之一，恢復時間應儘可能的短。一般的恢復時間，將是在幾秒鐘的數量級。然而，一個超導故障限流器也可設計成零恢復時間。有兩種方法：第一種是"恆溫"設計（見上文），限制期間讓HTS基本上保持在恆定的溫度。作為第二種方法，即所謂的"操作恢復"，如果被加熱的高溫超導組件可以恢復到其超導狀態即可實現，前一種方法需要非常大的熱容（通過很長的導線）。對於後者很好旁路系統和優化傳熱起著至關重要的作用。
8.應用
超導故障限流器不同的可能的應用已經根據上面描述的模型的簡化版本研究（即通過使E0→0）通過模擬，該模型仍然具有限制動作的所有相關特徵。
在這裡，我們集中在兩個110千伏的系統的耦合，這將改善在兩個電網的電壓穩定性，然而，如果沒有超導故障限流器耦合，IPF將增加一倍，產生了巨大費用增加，圖6顯示了在In=600 Arms情況下通過超導故障限流器耦合的電網的單線圖，每個電網的短路功率是5 GVA，圖 7顯示在總線為三相短路時的模擬結果。描繪的是來自兩個故障電網的ISC-1和ISC-2（僅最高的A相）總電流Isc= ISC-1+ ISC-2的電流。如從圖7中可以看出，Isc幾乎不超過ISC-1（電網1的故障電流），來自電網2 的電流小是因為超導故障限流器不僅降低了ISC-2，同時也改變了它的相位。此外，值得注意的是這種結果是在超導故障限流器限制因子等於15這樣一個比較寬鬆的情況下得到的。
圖6 In=600 Arms情況下通過超導故障限流器耦合的電網的單線圖
圖7 來自兩個故障電網的ISC-1和ISC-2（僅最高的A相）總電流Isc= ISC-1+ ISC-2的電流
9.結論
超導故障限流器是一個新興的技術。它使電力系統的的設計變得更新穎和非常規。該技術的好處已經在不同的應用測試結果和詳細的模擬中得到確認。預期主要經濟利益是來自於新的電力系統更經濟的設計和現有電網更經濟的升級過程。作為最重要的應用之一，電網的耦合也可以通過相當簡單的超導故障限流器設計實現。
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