高温超导限流器

第50卷第3期电力系统保护与控制Vol.50 No.3 2022年2月1日 Power System Protection and Control Feb. 1, 2022 DOI: 10.19783/ki.pspc.210517一种新型超导直流故障限流器熊佳玲，李文鑫，杨 超，杨天慧，信 赢(天津大学电气自动化与信息工程学院，天津 300072)摘要：与用于交流系统或双极直流系统的限流器不同，用于多端柔性直流系统的故障限流装置应能够在短路故障发生初期有效抑制故障电流的快速上升，避免在线路断路器动作之前换流器桥臂闭锁。

针对这一性能要求提出了一种专门用于多端柔性直流电网中的新型超导故障限流器的基本结构和工作原理，并制作了原理验证样机。

通过对原理验证样机开展的一系列实验，证明了设计结构与原理的可行性。

实验结果也充分展示了这类限流器的功能特性，如其能充分利用铁芯的最大磁导率在短路故障发生的几个毫秒内实现最大限流感抗，从而有效抑制故障早期的短路电流上升率。

此外，可以通过对超导隔离环组数量的调整，设定限流器的限流阈值，灵活适应不同直流系统的限流需求。

关键词：超导；限流器；直流电网；限流阈值；短路故障A new type of superconducting DC fault current limiterXIONG Jialing, LI Wenxin, YANG Chao, YANG Tianhui, XIN Ying(School of Electrical and Information Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)Abstract: Different from the fault current limiters used for an AC transmission system or a bipolar DC transmission system, a fault current limiting device for a multi-terminal flexible DC system should be able to effectively curb the rapid rise of fault current to avoid the lock of the bridge arm of current converter before the action of the line breaker. To satisfy this requirement, a basic structure and working principle of a new type of superconducting fault current limiter for a multi-terminal flexible DC power grid are proposed and a lab prototype for proof-of-principle is built. Through a series of experiments carried out on the prototype, the feasibility of the working principle and the designed structure has been confirmed. The test results have adequately demonstrated the functional characteristics of this kind of fault current limiter, such as that the current limiter can make full use of the maximum permeability of the iron core to achieve the maximum inductive impedance, and suppress the rising rate of the fault current within a few milliseconds after a short-circuit fault takes place. In addition, the current limiting threshold of the current limiter can be set by adjusting the number of superconducting isolation rings, so it can be flexibly adapted to different DC systems.This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 51677131).Key words: superconductivity; current limiter; DC power grid; current limiting threshold; short circuit fault0 引言随着人们对电网输送能力和系统供电可靠性要求的不断提高，高压直流输电在远距离、大容量输电和区域互联中得到了广泛应用[1-5]。

神奇的超导：超导的应用与未来超导的应用和已经成熟的半导体工业相比，超导的应用，特别是高温超导体的应用，很多还处于刚刚起步的阶段，但其蕴含的巨大潜力仍期待人们去开发和挖掘。

超导体可以用于信息通信、强稳恒磁场、工业加工、无损耗输电、生物医学、磁悬浮运输和航空航天等领域。

目前超导应用主要分强电应用和弱电应用两个方面。

强电应用超导体在低温下可以实现稳定的零电阻超导态，这意味着超导线圈可以通过较大的电流而无焦耳热的产生。

一方面，我们可以采用超导输电线进行远距离输电，从而大大降低输电过程的损失。

目前采用铜或铝导线的输电损耗约为15%，我国每年的输电损耗就达一千亿度左右，如果采用超导输电线就可以节省相当于数十个发电厂的电力。

采用超导输电还可以简化变压器、电动机和发电机等热绝缘并保证输电的稳定性，提高输电的安全性。

鉴于超导体的零电阻和高电流传输密度的特性，美国计划采用超导电缆将三大电网（东部电网，西部电网和德克萨斯电网）之间实现有效互联。

另一方面，如果给闭合超导线圈通上电流，就可以维持较强的稳恒磁场，这便是超导磁体。

常规稳恒磁体要实现强磁场就必须采用非常粗的铜导线，并将其泡在水中冷却，这使得磁体体积特别庞大，而且必须持续不断地通上电流，消耗更多的电能。

相比之下，超导磁体具有体积小、稳定度高、耗能少等多种优势。

正因如此，在生物学研究和临床医学上采用的高分辨核磁共振成像技术大都是采用超导磁体；在科学研究中一些物性测量系统的稳恒磁体也是采用超导材料制成的，一些大型粒子加速器的加速线圈也常采用超导磁体，例如欧洲大型强子加速器LHC的加速磁体和探测器都采用了超导磁体；作为未来能源问题突破口之一的磁约束受控核聚变（人工托克马克），超导技术更将发挥不可替代的作用；跟常导磁悬浮技术相比，采用超导磁悬浮技术的磁悬浮列车将更为高速、稳定和安全。

这是因为超导体内杂质和缺陷对进入体内的部分磁通线具有钉扎作用，因此它在因抗磁性而产生磁悬浮效应的同时，还能够磁约束住悬浮着的磁体，一旦磁体远离超导体，超导体还会将磁体“拉住”，因此超导磁悬浮物体运动过程是十分稳定的，一些演示用的超导磁悬浮小车甚至能够侧贴甚至倒挂在超导导轨上运动。

高温超导体的上临界场与磁通流动特性的研究引言：高温超导体是指在相对较高温度下（通常在低于室温的液氮温度范围内）表现出超导性的材料。

超导性是指在一定的温度和外加磁场下，电阻将完全消失，并且磁通能够无阻碍地穿过材料。

高温超导体的研究对电子学、能源传输和医学成像等领域具有重要意义。

其中，高温超导体的上临界场和磁通流动特性是研究的关键问题之一。

定律解读：1. 波恩-奥本海默效应波恩-奥本海默效应是指在超导体中，当温度接近超导转变温度时，金属电阻会迅速降低，直至彻底消失。

这个定律的实验表明了超导电性的存在，并提供了研究高温超导体的基础。

2. 门肯效应门肯效应是指在外界磁场的作用下，超导体中会产生电流。

当磁场达到一定值时，超导体会出现临界电流而失去超导性。

这个效应对于研究高温超导体的上临界场非常重要。

实验准备：为了研究高温超导体的上临界场与磁通流动特性，我们需要准备以下实验设备和材料：1. 高温超导体样品：选择已知高温超导体材料，如YBCO（钇钡铜氧化物）等。

样品应具有高超导转变温度和较高的上临界场。

2. 磁场生成系统：使用超导磁体或永磁体来产生稳定的外加磁场。

确保磁场的强度可以在所需范围内调节。

3. 温控系统：使用液氮或液氩来保持样品温度在超导转变温度以下。

4. 磁通测量设备：选择合适的磁通测量设备来测量材料中的磁通。

例如，霍尔效应传感器或SQUID（超导量子干涉器件）等。

实验过程：1. 样品制备：通过固相反应等方法制备高温超导体样品。

样品的形状和尺寸可以根据实验要求设计。

2. 实验设备搭建：将磁场生成系统、温控系统和磁通测量设备组合在一起，确保它们可以稳定地工作并与样品连通。

3. 样品放置：将样品放置在实验装置中心的位置，使得磁场可以均匀地作用在样品上。

4. 样品冷却：打开温控系统，使样品温度降至超导转变温度以下。

确保温度的稳定和均匀性。

5. 磁场施加：通过调节磁场生成系统，施加外加磁场，并逐渐增加其强度。

10kV电阻型高温超导限流器在电网中的应用【摘要】高温超导限流器，是利用超导特性原理制成的短路电流限制器。

电阻型的超导限流器，具有结构简单、限流效果明显、限流速度快等特点。

本文介绍了超导限流器，分析了电阻型的超导限流器的结构原理及工作特性。

利用仿真实验验证了该电阻型高温超导限流器限流效果明显且基本能与重合闸配合协作。

【关键词】高温超导限流器电阻型限流效果近年来，负荷需求量与日俱增，使得电力电源不断新建扩容、负荷不断密集，这些给国内电网带来了短路电流超标的困扰。

电网短路电流的超标不同程度上影响着电网的安全稳定运行。

超导限流器（SFCL）串接在线路上，线路正常运行时，它的阻抗趋近于零，电网故障发生时，超导限流器的阻抗瞬间增大，限制短路电流在预设范围内，当电网恢复正常，它能很快恢复零阻抗状态。

超导限流器是限制短路电流的有效手段。

1 高温超导限流器（SFCL）的原理、分类和特性1.1 高温超导限流器（SFCL）的原理高温超导限流器（SFCL）是一种用来限制故障短路电流的电力设备。

利用的是超导体的超导状态与正常状态转变的特性。

如图1所示，Ic是组成SFCL的超导材料的临界电流，流经的电流大于Ic，超导材料失超、呈大阻抗，流经的电流小于Ic时超导材料保持超导状态，阻值近似为零。

高温超导限流器的原理，可以简述为，SFCL接入电力系统，当电网正常时，流经SFCL的是正常的潮流，SFCL工作在阻值近似零的超导状态，当短路故障发生时，流经SFCL的电流大于超导失超临界电流使得SFCL失超，迅速呈现高阻值，从而限制掉短路电流，当系统恢复正常时（即流经SFCL的电流小于失超临界电流），SFCL能自动恢复超导状态。

1.2 高温超导限流器（SFCL）的分类按照超导的两个状态，可以将SFCL分类为失超型与非失超型。

其中，非失超型的以饱和铁芯电抗器型SFCL应用较多。

按照超导的零电阻与零磁感应强度特性，可以将失超型的SFCL分类为零电阻特性型和迈斯纳效应型两类。

高温超导线圈绕制工艺及性能测试研究李力;孙星瑞;侯东斌;李超;宋萌;林友新;胡南南;史正军【摘要】针对高温超导用Bi系高温超导带材,对其在77 K自场下和应变疲劳下的临界电流进行了测试.介绍了超导限流器用大型高温超导线圈及绕制工艺,在77 K 自场下对比研究了双饼线圈、螺线管线圈的V-I特性曲线;通过反复试验得到了最佳接头焊接工艺,满足了磁体稳定工作的条件.结果表明:当弯曲次数小于或等于10次时,高温超导带材的临近电流不受径向弯曲次数影响;绕制的高温超导线圈性能良好,77 K自场下的临界电流为168.12 A,当焊接温度达到493 K、搭接长度4 cm、焊料Sn63Pb时焊接效果最佳.【期刊名称】《真空与低温》【年(卷),期】2019(025)004【总页数】5页(P280-284)【关键词】高温超导;临界电流;绕线工艺;焊接工艺【作者】李力;孙星瑞;侯东斌;李超;宋萌;林友新;胡南南;史正军【作者单位】广东电网有限责任公司电力科学研究院,广东 510080;西安聚能超导磁体科技有限公司,西安 710018;西安聚能超导磁体科技有限公司,西安 710018;西安聚能超导磁体科技有限公司,西安 710018;广东电网有限责任公司电力科学研究院,广东 510080;广东电网有限责任公司电力科学研究院,广东 510080;广东电网有限责任公司电力科学研究院,广东 510080;广东电网有限责任公司电力科学研究院,广东 510080【正文语种】中文【中图分类】TM26;O5110 引言随着我国国民经济的不断发展，电子系统规模迅速扩展，电网短路电流水平已经逼近甚至超过开关设备的开断能力，以致于严重影响到电网的安全运行，也成为制约电力系统发展的重要因素。

传统的限制短路电流的方法主要通过加装电抗器、分区等被动方式达到限流目的，此类方式对电网的安全性及灵活性有较大影响，亟需研制适用于超高压电网的主动式限流装置[1-3] 。

高温超导材料樊世敏摘要自从1911年发现超导材料以来，先后经历了简单金属、合金,再到复杂化合物，超导转变温度也逐渐提高,目前，已经提高到164K(高压状态下)。

本文主要介绍高温超导材料中的其中三类：钇系(YBCO)、铋系（BSCCO)和二硼化镁(MgB2)，以及高温超导材料的应用。

与目前主要应用领域相结合，对高温超导材料的发展方向提出展望。

关键词高温超导材料，超导特性，高温超导应用1 引言超导材料的发现和发展已经有将近百年的历史，前期超导材料的温度一直处于低温领域,发展缓慢。

直到1986年，高温超导（HTS）材料的发现，才进一步激发了研究高温超导材料的热潮。

经过20多年的发展，已经形成工艺成熟的第一代HTS带材—-BSCCO带材，目前正在研发第二代HTS带材-—YBCO涂层导体,近一步强化了HTS带材在强电领域中的应用。

与此同时，HTS薄膜和HTS块材的制备工艺也在不断地发展和完善，前者己经在强电领域得到了很好的应用，后者则在弱电领域中得到应用，并且有着非常广阔的应用前景.2 高温超导体的发现简史20世纪初，荷兰莱顿实验室科学家卡默林昂尼斯（H K Onnes）等人的不断努力下，将氦气液化［1-7］，在随后的1911年，昂尼斯等人测量了金属汞的低温电阻，发现了超导电性这一特殊的物理现象.引起了科学家对超导材料的研究热潮。

从1911到1932年间，以研究元素超导为主，除汞以外,又发现了Pb、Sn、Nb等众多的金属元素超导体;从1932到1953年间，则发现了许多具有超导电性的合金，以及NaCl结构的过渡金属碳化合物和氮化物，临界转变温度(Tc）得到了进一步提高；随后，在1953到1973年间，发现了Tc大于17K的Nb3Sn等超导体.直到1986年，美国国际商用机器公司在瑞士苏黎世实验室的科学家柏诺兹（J。

G。

Bednorz）和缪勒（K。

A。

Müller）首先制备出了Tc为35K的镧—钡—铜—氧（La—Ba—Cu-O）高温氧化物超导体，高温超导材料的研究才取得了重大突破［10,11］。

高温超导材料摘要：简要介绍了高温超导材料及其发展历史，对超导材料的发展现状和用途进行说明，对目前超导材料的主要研制方法进行了分析。

关键词：超导材料研究进展高温应用一、高温超导材料的发展背景及其发展历史高温超导体通常是指在液氮温度（77 K）以上超导的材料。

人们在超导体被发现的时候（1911年），就被其奇特的性质（即零电阻，反磁性，和量子隧道效应）所吸引。

但在此后长达七十五年的时间内所有已发现的超导体都只是在极低的温度（23 K)下才显示超导，因此它们的应用受到了极大的限制。

高温超导材料一般是指临界温度在绝对温度77K以上、电阻接近零的超导材料，通常可以在廉价的液氮（77K）制冷环境中使用，主要分为两种：钇钡铜氧（YBCO）和铋锶钙铜氧(BSCCO)。

钇钡铜氧一般用于制备超导薄膜，应用在电子、通信等领域；铋锶钙铜氧主要用于线材的制造。

1911年，荷兰莱顿大学的卡末林·昂尼斯意外地发现，将汞冷却到-268.98°C时，汞的电阻突然消失；后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，卡末林·昂尼斯称之为超导态，他也因此获得了1913年诺贝尔奖。

1933年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质，当金属处在超导状态时，这一超导体内的磁感应强度为零，却把原来存在于体内的磁场排挤出去。

对单晶锡球进行实验发现：锡球过渡到超导状态时，锡球周围的磁场突然发生变化，磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外去了，人们将这种现象称之为“迈斯纳效应”。

自卡麦林·昂尼斯发现汞在4.2K附近的超导电性以来，人们发现的新超导材料几乎遍布整个元素周期表，从轻元素硼、锂到过渡重金属铀系列等。

超导材料的最初研究多集中在元素、合金、过渡金属碳化物和氮化物等方面。

至1973年，发现了一系列A15型超导体和三元系超导体，如Nb3Sn、V3Ga、Nb3Ge，其中Nb3Ge超导体的临界转变温度(T c)值达到23.2K。

高温超导技术的研究和应用一、背景介绍高温超导技术是一种新型的超导电性材料。

与传统的低温超导材料不同的是，高温超导材料的临界温度高于77K，且可以在液氮温度下保持超导电性。

高温超导技术的研究和应用已经引起了全球的广泛关注。

二、高温超导材料高温超导材料包括铜氧化物和铁基超导体两大类。

铜氧化物超导材料是最早被发现的一类高温超导材料，其临界温度高达135K。

而铁基超导体则是近几年来发现的新型高温超导材料，其临界温度可达到55K。

高温超导材料的发现为应用高温超导技术提供了可靠的支持。

三、高温超导技术的研究高温超导技术的研究主要包括两个方面：一是研究高温超导材料的物理性质，二是研究高温超导材料的制备工艺。

1.高温超导材料的物理性质研究高温超导材料的物理性质研究是高温超导技术研究的重点之一。

这方面的研究主要包括超导机理、超导性质、材料结构等多个方面。

在超导机理方面，由于高温超导材料的超导机理与低温超导材料不同，因此需要进行更深入的研究。

在超导性质方面，由于高温超导材料较低温超导材料具有更高的临界温度和较高的磁场耐受力，因此也提出了更多的研究要求。

2.高温超导材料的制备工艺研究高温超导材料的制备工艺研究也是高温超导技术研究的重点之一。

这方面的研究主要包括超导材料的合成、纯化、微观结构、晶体生长等方面。

由于高温超导材料的结构复杂，制备过程也相对复杂，因此对于技术的要求也更高。

四、高温超导技术的应用高温超导技术具有广泛的应用前景，尤其是在能源、电力、电子、医疗等领域。

1.能源领域高温超导技术在能源领域应用主要包括超导磁体、高温超导输电线路等方面。

特别是高温超导输电线路，由于其输电能力高且损耗小，可以有效地提高电网输电效率，降低能源消耗。

2.电力领域高温超导技术在电力领域的应用主要包括超导限流器、超导发电机等方面。

超导限流器可以在电力系统出现故障时自动切断电流，保护电力设备的安全运行。

超导发电机则可以提高发电效率，减少发电设备的能源消耗。

简析超导的应⽤与意义简析超导的应⽤与意义由于临界温度的不断提⾼，⼈们将这些材料称为⾼温超导体。

⾼温超导体的性质由载流⼦浓度决定，其本征特性是相⼲长度很短，即不均匀性。

这对探索⾼温超导机理是⼗分需要的。

超导的新奇特性的发现，对⼈类产⽣了重⼤意义。

通过⼀些超导现象或效应，你就会惊讶地发现超导的美。

零电阻效应具有⽆损耗运输电流的性质。

如能实现超导化⼤功率发电机、电动机，例如在电⼒领域，利⽤超导线圈磁体可以将发电机的磁场强度提⾼到5万~6万⾼斯，并且⼏乎没有能量损失，这种发电机便是交流超导发电机。

超导发电机的单机发电容量⽐常规发电机提⾼5~10倍，达1万兆⽡，⽽体积却减少1/2，整机重量减轻1/3，发电效率提⾼50%。

那么其不必要的能耗将⼤⼤降低，这在国防、科研、⼯业上具有极⼤的意义。

从长远来看，⾼温超导电缆最终可⽤于长距离送电；其近期应⽤的⼀个可能是向超⼤城市中⼼送电。

我国⼤城市发展迅速，城市需电量快速上升，但市政建设落后，向市区送电⼗分困难。

由于国民环保意识的加强，在市区新建⾼压架空线已经很难；⽽我国城市地下管道系统规划⽔平落后，再铺设⼤容量的电缆也有很⼤的难度。

与相同直径的常规电缆相⽐，⾼温超导电缆的输电能⼒要⼤3-5倍，并且不需要通风冷却的通道，因此占⽤空间⼩，开挖铺设的⼯作量少。

这样，在市区铺设⾼温超导电缆会更加经济可⾏。

另外，⾼温超导电缆由于能⽐相同截⾯的常规电缆输送⼤得多的电流，可实现⽤较低的电压来送相同的电能，也就是说可⽤配电线路的电压送输电线路的电能来向超⼤城市供电。

例如在城市中⼼地带很难建造变电站，在这种情况下，可以将变电站建在市中⼼以外的地⽅，从变压器的次级⽤⾼温超导电缆以较低的电压向市中⼼送电。

研究表明，使⽤⾼温超导电缆的综合经济效益也是可接受的。

我国近⼏年来发电能⼒和⽤电量快速发展，但电⽹建设相对来讲还有不少的不⾜之处。

其中电⽹的安全性、稳定性和供电质量还有很多可改善的余地。

例如，⽬前⼀些电⽹的故障短路电流很⼤，⼀旦发⽣故障⽽不能及时妥善处理解决，有可能会造成⼤范围电⽹的崩溃。

2016年第23卷第12期技术与市场技术研发超导电力技术研发问题分析明昕癑(成都石室中学，四川成都610041)摘要:超导电力技术涉及物理学、电气工程、材料科学等大量的新学科，目前，超导电力技术开始日益成熟，在各类电力装备中得到了推广与应用。

利用这一技术，可以有效解决传统技术模式的不足，对于提高电器设备的工作效率有着积极的意义。

针对超导电力技术的研发问题进行分析。

关键词：超导电力技术；研发问题；分析doi：10. 3969/j.issn.1006 - 8554. 2016.12.061〇引言超导现象是荷兰物理学家海克-卡末林-昂内斯在1911年发现的，即将汞冷却到-268. 98丈，其电阻会立刻消失。

在此后的研究中他发现有很多的金属和合金与汞有一样的特性，即在低温时就会失去电阻。

在100多年的发展以来，超导电力技术已经有了进一步的发展，在电力行业得到了广泛研究与应用。

1超导电力技术的现状1.1国外研究情况美国、俄罗斯、日本、韩国等国家在超导电力技术的研究技术上名列前茅。

同轴交流电缆和直流电缆，额定电压分别为135 kV和100 kV,额定容量分别为1 000和5 000 MVN,这是185年美国国家实验室研制出来的；1982年超导储能系统也是其国家实验室研制出的，在各类电力系统中得到了推广和应用，这就表明，低频干扰信号可以通过此系统进行调制，并且能够达到消除电网低频振荡的效果;在194年，日本成功研制出超导限流器，并在各个领域中得到推广。

1.2 国内研究现状中国科学院电工研究所、清华大学、华中科大、中国电科院及北京云电英纳超导电缆公司等是我国超导电力技术方面开展研究的先驱者。

第一根高温超导电缆是在1998年由我国的中科院研制出的，在1999年，我国成功研制出第一台微型超导样;2002年我国成功研制出新型高温超导限流器;在2003年第一台高温超导变压器问世，这标志着我国超导电力技术的研究进人了新的阶段，截止到2015年年底，我国已经成功研制出高温超导流器、高温超导电缆、高温超导储能系统等。