摘要：在所有电力系统中的电气设备都必须被设计成能够承受潜在的短路电流的机械应力和热应力。而稍微减小这些电流都可以显著的节约成本。在目前所有的限流器装置中，超导故障限流器能够提供最理想的性能。在正常运行的状况下，超导故障限流器处于超导状态，阻抗可以忽略不计，在出现故障的情况下，过渡到正常导通状态被动地限制了电流。多种高温超导体材料，比如钇钡铜氧薄膜，铋2233超导线，铋2212薄膜正在开发运用于超导故障限流器。由于高温超导体的易碎和过热问题，许多高温超导的电流限制部分比如一个机械基材，载体或者电气旁路都是由复合材料构成的。复合材料的性能在很大程度上取决于临界电流密度，电流电压特性，导热性，热容量和电旁路等参数。主要有两种不同的超导故障限流器的类型，即电阻型和磁屏蔽型，这两种概念在过去已经推行了。1996年首个超导故障限流器被安装在一个水力发电厂，装置的额定功率是1.2MVA,它是基于铋2212薄膜的磁屏蔽型。这项技术的可行性已经被为期一年的耐久性实验所证实。最近基于铋2212薄膜的更简洁的电阻型超导故障限流器已经被开发出来了。超导故障限流器的实验数据与理论模型吻合。它们被用来研究超导故障限流器在电力系统中的影响，以便于评估技术优势和经济优势。
关键词：故障限流器，高温超导，铋2212，电力应用
1. 介绍
在电力系统中，老化，雷击架空线或者其他不可预知的事情导致的意外的绝缘损坏可能会导致电路短路，随后产生的短路电流ISC比额定电流In(=在正常操作下的最大电流)高100多倍，并且会产生很大的热应力和机械应力，它们的大小和短路电流的平方成比例，电力系统中的所有部件都必须设计成在一定的时间段内能够承受这些应力，时间通常是由断路器中断电流Isc所需的时间来确定的，并且可以在20毫秒至300毫秒之间变化，预期的故障电流IPF(即小于故障限定值最大的预期短路电流)越高，对所有的设备损耗越大，尤其是必须中断故障电流的断路器。
常规的措施是人为的减少系统阻抗（比如通过空气线圈电抗器和变压器电抗）或者限制供给故障的电源的数量（比如人工划分电力网络），然而这些措施与日益增长的电能质量需求一致，都需要大大减少电网阻抗。
现在对故障限流器的需求很大，它在正常运行时对电力系统的影响可以忽略，但是它在故障情况下会使短路电流ISC的大小接近额定电流In。故障限流器在失谐LC谐振电路（仅适用于交流）或非线性电流电压特性部分（比如半导体，铁心电抗器，超导体）中通过瞬时电流速断保护（<1ms）实现（爆炸引信，或电力电子）。
在非线性材料中，超导体因为其从0到限定阻抗独特的转变而脱颖而出。在这里，我们主要集中在故障限流器，利用这一转变，而把它们称为超导故障限流器，对于超导故障限流器主要有两种类型，电阻型和磁屏蔽型或者称为感应型。在电阻型超导故障限流器中，超导体是直接串联到线路中，而在磁屏蔽型中超导体是通过磁感应连接到线路中来保护。基于低温超导体的超导故障限流器已经发展了2到3代，然而由于制冷成本太高，它们还没有被商业化，在本文中，我们将主要关注由高温超导材料制成的设备，主要是铋2212薄膜。
2.
超导故障限流器的基本原理
图1 超导体的简化的相位图
图1是一个超导体的简化的相位图，它被分成三个区域，分别是超导区，磁通流阻区和常规传导区，超导故障限流器最简单的一个概念是超导体直接串联到电阻1，超导体的横截面是根据额定电流在超导体内部以超导状态流过，它对电网的干扰可以忽略不计，但是在交流中超导体还是有一定的电抗并且会产生交流损耗，它们都跟超导体的形状相关 ，并且可以通过使超导体的形状理想化来使损耗最小化。（比如让线圈的缠绕方向相反或者弯曲线圈）
万一出现故障，电流密度的增加会使超导体变成磁通流区，迅速增大的电阻会使短路电流小于预期故障电流。实际的限制动作很大程度上取决于超导体的长度和材料（复合材料）类型。三个主要的不同限制动作可以通过仅改变相同的材料的长度来实现。首先，使用一个很长的超导体，让超导体在故障状况下经过电场的部分很小，从而使相应的电流密度只比临界电流密度稍微大一点，超导体中功率密度在电场Ej的消耗可以忽略不计，使材料基本上不预热（图1 图2的曲线1），这种常温设计有一个很好的限制效果。但是超导体的长度越长成本就越高而且会产生一个比较大的交流损耗。另一个极端设计是使用一个相当短的导体，但是它在故障时会产生一个大电场，在这种情况下，短导体在磁通流动状态下，即使有一个很小的电荷密度都会导致电流密度的初始值大大增加（仅受电力系统阻抗的影响），由于很高的电场作用，超导体会迅速升温，在经过100us后失超，短路电流的大小接近甚至小于额定电流（图1 图2的曲线3）。这种快速升温法对超导材料需求量更小，但是初始电流峰值可能不够大，并且大电场可能会损坏超导体。使用中等长度的导体会产生一个中等大小强度的电场，最初10ms短路电流是额定电流大小的几倍（5-10倍），超导体继续升温，经过10ms后失超(慢加热法，图1 图2的曲线2)。
图2 改变长度限制动作的改变
3．材料
应用于超导故障限流器的超导材料必须满足三个条件：1.在正常工作状态下交流损耗小,以尽量减少制冷成本，2.机械强度高，在限制故障电流的过程中能承受热应力和磁性应力，3.有良好的热稳定性，避免在过度加热时达到热点，这个会使超导体被烧穿。
基于低温超导体的超导故障限流器通常使用交流电源线，其中低温超导体细丝嵌入在常规传导基质。这些材料都具有良好的机械质量并且交流损耗很小。由于它们的低比热性，高导热性和高的临界电流密度，热传播速度非常快（几百米/秒），电流密度的值甚至低于临界电流密度，因此如果发生骤冷的状况，导体的加热均匀度也会有保证，基于低温超导体的超导故障限流器通常使用快速升温法。
由于陶瓷型的高温超导体在磁场中任意方向都具有交流损耗小的这个性质还没有被证实，所以大部分高温超导材料都被制作成带状，板状或者管状，通常都是减少导体横向尺寸来使局部磁场最小来减少交流损耗，比较脆的高温超导材料需要被机械稳定，比如通过金属或绝缘体来支撑基质。低温超导材料相比于高温超导材料都是非常差的热导体，并在77K的温度下具有相当高的比热，因此，热量传播非常慢，甚至电流密度会降至低于临界电流密度，在这样的情况下,整个电网电压会通过超导体，最终导致高温超导体被烧穿。解决问题的一个常见方式是应用一个电旁路，从而使电流绕过热点。大部分超导故障限流器的超导体材料都是复合材料，其包括高温超导体，一个机械衬底或支撑，和电旁路。复合材料的限流性能很大程度上取决于参数：临界电流密度，I-V特性，导热性，热质量和旁路。在深入研究超导故障限流器应用上对于高温超导体有三大材料体系：钇钡铜氧薄膜，铋2233超导线和铋2212薄膜。
许多公司已经生产出很长的用银合金包覆的铋2233超导线，尽管这些导线可能适用于电缆，发动机，但是它不适用于超导故障限流器，因为它的矩阵电阻低，但是，最近，ASC在与ABB和EDF的合作中开发出了一种可以被用于电流限制的高电阻护套线。
生产很长或者很大面积的钇钡铜氧薄膜是很困难的，尽管如此，西门子已经论证了一种基于钇钡铜氧薄膜的300KVA电阻型超导故障限流器的模型，是由平面陶瓷基片镀层，并用金质旁路覆盖并制成弯曲状，由于临界电流密度值很高，钇钡铜氧薄膜都是采用快加热法，事实上，最近的一些研究结果表明，由于一个尚未理解的物理效应，他们甚至可以使材料允许的加热速度变得更快。
迄今为止，由高温超导体制作的超导故障限流器原型是利用所谓的铋2212薄膜，因为它有比较低的临界电流密度，高温超导体是最适合慢加热的设计，ABB已经建成了基于铋2212管的三相1.2 MVA原型，磁屏蔽型超导故障限流器已经在瑞士水电厂成功运转了一年。
4.铋2212的Ej特性
超导故障限流器限制电流最主要的物理特性是高温超导材料的E(j,T)特性。对于铋2212薄膜，根据不同的幂律E(j)可以被分为三个区域，根据图3的定义，α(T), E0, β和 ρ(T)这些参数很大程度上取决于材料的加工情况，在77K它们一般分为以下范围：1000 ⩽ Jc⩽ 10000A/cm2, 5⩽α⩽15, 0.1⩽E0⩽10 mV/cm, 2⩽β⩽4, and 100⩽ρ⩽ 2000μΩcm。图4显示了三种不同的Bi2212样品在E(J,77K)下的实验曲线。从α到β的变化对应于HTS从超导状态进入磁通流动状态的转变，在E较高的情况下，我们期望磁通流区域能够转变为正常导通状态，但它因过度加热超出了实验的范围（如图中曲线过度弯曲），我们没有发现E0和β跟温度有很大关系。
图3 铋2212的Ej特性
图4 不同铋2212的Ej特性
5．超导故障限流器的理论模型
如上面已经提到的，超导故障限流器的限制电流的行为可以通过改变长度和旁路系统而改变。为了满足超导故障限流器在某些应用中的特俗需求，必须有一个囊括高温超导材料，机械加固和电旁路的可行的理论模型。
电旁路是作为一个有ρn(T)阻抗特性的普通电阻并联连接到高温超导体上。
Bi2212陶瓷的I（V）特性由三个幂函数建模：(1) 在超导状态E(1)(j,T)=c(1)(T)jα(T)（2）在磁通流态E(2)(j,T)=c(2)(T)jβ，（3）在正常导通状态E(3)(j,T)=c(3)(T)j，c(1)(T), α(T) and c(2)(T)都符合E(j,T)曲线，在过渡到磁流通状态时，E0 和 β也是根据实验得出的，但是它们跟温度没有关系，尽管如此，我们没有得到c(3)(T) 在T 复合材料的热建模是假设材料在其长度上是均匀的，因此，在超导体（和旁通）中热量只会在垂直于当前方向而转移到液氮中。在复合材料的不同部分中，（Bi2212，旁路和机械加固部分）热量扩散与一维热扩散方程描述相同。
图5显示出了"电阻"型超导故障限流器的测试结果，该实验室模型利用类似于用于1.2 MV的"感性"的原型Bi2212复合材料，In=200 Arms的单相设备已经在额定电压为8.3KVArms的电路中测试过，在20次试验中，设备不能同时限制对称故障和非对称故障，在8.3KVArms电路中，超导故障限流器限制了IPF=13.2 kArms到4.3 kA的第一个高峰。由于高温超导材料的升温，Isc,经过50ms之后才进一步降至1kArms，该装置的观察到的行为可以被上述引入的理论模型很好地描述（图5）。
图5 1.6 MV的超导故障限流器短路测试
7．不同设计的可能性
超导故障限流器可以根据不同的规格，比如在正常情况下超载，限制动作（限制因子=ISC的第一次峰值/√2 In）最大限制时间是Isc被断之前，最小的恢复时间是可以重新关闭之前。
作为最重要的参数之一，恢复时间应尽可能的短。一般的恢复时间，将是在几秒钟的数量级。然而，一个超导故障限流器也可设计成零恢复时间。有两种方法：第一种是"恒温"设计（见上文），限制期间让HTS基本上保持在恒定的温度。作为第二种方法，即所谓的"操作恢复"，如果被加热的高温超导组件可以恢复到其超导状态即可实现，前一种方法需要非常大的热容（通过很长的导线）。对于后者很好旁路系统和优化传热起着至关重要的作用。
8.应用
超导故障限流器不同的可能的应用已经根据上面描述的模型的简化版本研究（即通过使E0→0）通过模拟，该模型仍然具有限制动作的所有相关特征。
在这里，我们集中在两个110千伏的系统的耦合，这将改善在两个电网的电压稳定性，然而，如果没有超导故障限流器耦合，IPF将增加一倍，产生了巨大费用增加，图6显示了在In=600 Arms情况下通过超导故障限流器耦合的电网的单线图，每个电网的短路功率是5 GVA，图 7显示在总线为三相短路时的模拟结果。描绘的是来自两个故障电网的ISC-1和ISC-2（仅最高的A相）总电流Isc= ISC-1+ ISC-2的电流。如从图7中可以看出，Isc几乎不超过ISC-1（电网1的故障电流），来自电网2 的电流小是因为超导故障限流器不仅降低了ISC-2，同时也改变了它的相位。此外，值得注意的是这种结果是在超导故障限流器限制因子等于15这样一个比较宽松的情况下得到的。
图6 In=600 Arms情况下通过超导故障限流器耦合的电网的单线图
图7 来自两个故障电网的ISC-1和ISC-2（仅最高的A相）总电流Isc= ISC-1+ ISC-2的电流
9.结论
超导故障限流器是一个新兴的技术。它使电力系统的的设计变得更新颖和非常规。该技术的好处已经在不同的应用测试结果和详细的模拟中得到确认。预期主要经济利益是来自于新的电力系统更经济的设计和现有电网更经济的升级过程。作为最重要的应用之一，电网的耦合也可以通过相当简单的超导故障限流器设计实现。
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