張翠萍

(西北有色金屬研究院 超導(dǎo)材料研究所，陜西 西安 710016)

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高溫超導(dǎo)限流器的研究進(jìn)展

張翠萍

(西北有色金屬研究院 超導(dǎo)材料研究所，陜西 西安 710016)

對高溫超導(dǎo)限流器(HTSFCL)的國內(nèi)外發(fā)展及研究現(xiàn)狀進(jìn)行了評述。高溫超導(dǎo)限流器作為一種理想的故障限流器，它的研制涉及物理、材料學(xué)、電力電子、低溫工程等多領(lǐng)域?qū)W科的知識與技術(shù)，是一項多學(xué)科技術(shù)的綜合。目前在世界范圍內(nèi)有18個國家參與了高溫超導(dǎo)限流器的研制，已完成掛網(wǎng)試運(yùn)行和正在運(yùn)行的高溫超導(dǎo)限流器有19臺，分布在7個國家。在中國現(xiàn)有3臺處于試運(yùn)行中，其中1臺運(yùn)行于世界上第一個超導(dǎo)變電站——甘肅白銀超導(dǎo)變電站內(nèi)。世界各國的研究現(xiàn)狀顯示，高溫超導(dǎo)限流器的技術(shù)趨于成熟，然而大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用還面臨著幾個制約因素：超導(dǎo)線材的高昂價格，維持低溫運(yùn)行的成本，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定，市場對高品質(zhì)電力的需求等。只有降低超導(dǎo)材料的成本和高溫超導(dǎo)限流器的運(yùn)營成本，才會出現(xiàn)超導(dǎo)限流器的大規(guī)模應(yīng)用，使之成為保障電力網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定安全運(yùn)行的一個理想選擇。

高溫超導(dǎo)故障限流器；Bi2212超導(dǎo)帶材； YBCO涂層導(dǎo)體；短路電流；變電站

1 前 言

因為經(jīng)濟(jì)發(fā)展對電能需求的增長，我國發(fā)電及電力運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模越來越大[1]。據(jù)中國電力統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2015年9月我國發(fā)電裝機(jī)容量已經(jīng)突破14×108kW[2-5]，年總發(fā)電量達(dá)5.73×108kW/h，超過了美國成為世界第一。目前，我國的電力網(wǎng)絡(luò)以“西電東送”、“北電南送”、“全國聯(lián)網(wǎng)”為特點(diǎn)[6]，形成跨區(qū)域、遠(yuǎn)距離、大規(guī)模的電能輸運(yùn)狀態(tài)，并以火電(67.4%)為主，可再生能源水電(22.2%)、風(fēng)電(7.0%)、太陽能(1.9%)為輔，兼有核電(1.4%)等不同發(fā)電方式相組合的形式(2014年數(shù)據(jù))，形成供電輸電互聯(lián)，并向智能電網(wǎng)發(fā)展。如此迅速發(fā)展的發(fā)電、輸運(yùn)使得電網(wǎng)系統(tǒng)的短路電流水平增大，使部分地區(qū)的短路電流已經(jīng)達(dá)到甚至超過了斷路器的遮斷容量，而且上升趨勢越來越快，已經(jīng)威脅到電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。目前國內(nèi)外電力設(shè)備的高壓斷路器的額定短路開斷電流在63或50 kA以下?！?007年以來，廣東電網(wǎng)多個500 kV站點(diǎn)的500 kV和220 kV母線短路電流水平超過了斷路器的遮斷容量”[7]。“2008年華東電網(wǎng)的樞紐變電站短路電流超過了站內(nèi)斷路器遮斷容量50 kA”，“在2009年初廣東電網(wǎng)對珠三角5個樞紐變電站進(jìn)行了500 kV配電裝置改造，遮斷電流由50 kA上升到63 kA，但在2015年夏，仍有6個站點(diǎn)短路電流超標(biāo)”。因此，“如何限制故障電流已成為電力工業(yè)面臨的重大技術(shù)與經(jīng)濟(jì)問題之一”[8]。

通常限制電力系統(tǒng)中的短路電流是從調(diào)整電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、改變系統(tǒng)運(yùn)行方式、加裝限流設(shè)備等3個方面進(jìn)行[9]，具體的方式有：提高電壓等級，母線分段運(yùn)行，小電抗接地，采用高阻抗變壓器，串聯(lián)電抗器，背靠背技術(shù)，采用故障限流器等[10,11]。對于不同電壓級別，采用的限流方式不同，理想的方法是采用故障限流器(FCL-Fault Current Limiter)。

故障限流器的研究開始于20世紀(jì)70年代，目前主要有4種類型：串聯(lián)諧振型(所有電壓級別和超高壓)、并聯(lián)開關(guān)型(<20 kV)、超導(dǎo)型、電子式(或固態(tài)型，尚處于理論研究階段)。一般的故障限流器仍然會使電力設(shè)備成本增加，用電質(zhì)量降低，電子系統(tǒng)穩(wěn)定性減弱等。最為理想的限流器應(yīng)該對電網(wǎng)的正常運(yùn)行無影響，在出現(xiàn)故障時，能夠限制短路電流到額定電流，并且開斷時間極短。超導(dǎo)材料的出現(xiàn)，就使得這種理想的限流器得以實現(xiàn)。因為超導(dǎo)材料具有“正常-超導(dǎo)態(tài)”的轉(zhuǎn)變特性，在其超導(dǎo)狀態(tài)下電阻為零不消耗電能，當(dāng)電網(wǎng)中的故障電流大于超導(dǎo)體的臨界電流Ic時，超導(dǎo)體失超出現(xiàn)大電阻從而限制短路電流。它的正常-超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變時間小于百微秒，其開斷時間t極小，不同于限流熔絲或使LC諧振回路脫諧等限流方法需要依靠機(jī)械動作來實現(xiàn)導(dǎo)電狀態(tài)的變化，所以，超導(dǎo)故障限流器(SFCL-Superconducting Fault Current Limiter)是最為理想的故障限流器。

目前已研究的超導(dǎo)限流器的種類有：電阻式、磁飽和鐵芯式、磁屏蔽式、橋路式、變壓器式、混合式等多種。在主要掛網(wǎng)試運(yùn)行中，電阻式和磁飽和鐵芯式采用的比較普遍，本文對這兩種超導(dǎo)限流器的結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行簡單的介紹[12]。電阻式超導(dǎo)限流器主要由一個超導(dǎo)電纜繞制的觸發(fā)線圈并聯(lián)一個限制線圈(常規(guī)或超導(dǎo))而成。正常運(yùn)行時，線路電流全部通過超導(dǎo)觸發(fā)線圈。發(fā)生故障時，短路電流超過超導(dǎo)臨界電流Ic，超導(dǎo)線進(jìn)行超導(dǎo)-正常態(tài)轉(zhuǎn)變，超導(dǎo)觸發(fā)線圈呈現(xiàn)高阻，短路電流被轉(zhuǎn)移到限制線圈，從而抑制了故障電流。電阻型超導(dǎo)限流器具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)時間快、電流過載系數(shù)低和正常運(yùn)行壓降低等優(yōu)點(diǎn)，但是在承載大電流時，會出現(xiàn)散熱引發(fā)的機(jī)械問題和故障后超導(dǎo)恢復(fù)問題等。

磁飽和鐵芯式是利用交流繞組的阻抗來限制故障電流的。它由兩個完全相同的鐵芯電抗器組成，其中一個鐵芯內(nèi)的直流磁場與交流磁場同向，另一個反向。交流磁場由交流銅繞組形成，直流磁場由直流超導(dǎo)繞組形成。交流銅繞組相互串聯(lián)并串聯(lián)入電網(wǎng)中，直流超導(dǎo)繞組相互串聯(lián)形成獨(dú)立直流回路。系統(tǒng)正常運(yùn)行時，電網(wǎng)交流電流通過交流銅繞組輸送，超導(dǎo)繞組產(chǎn)生直流偏置磁場，使鐵芯深度飽和，交流電流產(chǎn)生的交流磁場不足以使鐵芯脫離飽和區(qū)，系統(tǒng)呈現(xiàn)低阻抗，電流正常通過。當(dāng)出現(xiàn)大的故障電流時，交流線圈在鐵芯中產(chǎn)生的磁動勢接近直流磁動勢，鐵芯由飽和態(tài)進(jìn)入非飽和態(tài)，交流繞組呈現(xiàn)高阻抗，系統(tǒng)自動限流。磁飽和鐵芯式超導(dǎo)限流器的反應(yīng)時間和恢復(fù)時間都非常短，不足之處是直流超導(dǎo)繞組中產(chǎn)生的交流感應(yīng)電流會增大壓降和能量損耗。

超導(dǎo)限流器安裝在電網(wǎng)中將會實現(xiàn)低損耗通流和高效限流，能夠增強(qiáng)電力系統(tǒng)的安全性、可靠性，提高電力質(zhì)量。它與現(xiàn)有的電力系統(tǒng)保護(hù)設(shè)施兼容，通過調(diào)節(jié)允許的電流峰值能增加電力系統(tǒng)的靈活性，減少斷路器和熔斷器的使用，可延緩電力設(shè)備的更新，提高系統(tǒng)的運(yùn)行容量等，因此超導(dǎo)限流器的應(yīng)用會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

2 超導(dǎo)限流器的研究發(fā)展與現(xiàn)狀

2.1 低溫超導(dǎo)限流器

1982年，英國皮布爾斯電機(jī)公司(NEI PeeblesCo.,Ltd.)采用低溫超導(dǎo)NbTi線建成了第一個低溫超導(dǎo)故障電流限制器(LTSFCL)，如圖1所示。級別為3 kV/566 A，飽和鐵芯型低溫超導(dǎo)樣機(jī)[13,14]，使超導(dǎo)技術(shù)第一次用于電網(wǎng)中的故障電流的限制。時至今日，可以將超導(dǎo)限流器的發(fā)展分為3個階段：第一階段(1979～1995)，以NbTi超導(dǎo)線材為線圈的低溫超導(dǎo)限流器研制；第二階段(1996～2000)，以Bi2212或Bi2223超導(dǎo)線材(高溫超導(dǎo)第一代帶材1G)為主的高溫超導(dǎo)限流器研究；第三階段(2000～至今)，采用YBCO涂層導(dǎo)體(高溫超導(dǎo)第二代帶材2G)為限流線圈的高溫超導(dǎo)限流器研制。

圖1 1982年英國皮布爾斯電機(jī)公司制作的世界上第一個低溫超導(dǎo)限流器樣機(jī)[13]Fig.1 First superconducting fault current limiter prototype with low-Tc superconductor NbTi wires fabricated by NEI Peebles Co., Ltd. in1982[13]

從第一臺低溫超導(dǎo)限流器的開始，法國和日本就相繼展開了低溫超導(dǎo)限流器的研究。1988年法國阿斯通電力公司[15]采用低溫超導(dǎo)線材NbTi研制了225 kV低溫超導(dǎo)限流器，在法國63 kV電網(wǎng)中進(jìn)行了40 kV的實驗運(yùn)行，這是低溫超導(dǎo)限流器中做得最好的樣機(jī)。從1992年開始，日本Seilei大學(xué)、東芝、Kyoto大學(xué)、AIST也相繼開展了低溫超導(dǎo)限流器的研究，其中有用NbTi線圈制作的200 V/13 A三相電抗型超導(dǎo)限流器的實驗室樣機(jī)[16]。但是低溫超導(dǎo)材料以液氦制冷，費(fèi)用非常高，使得低溫超導(dǎo)故障限流器的研究受到很大限制，因此并沒有實際掛網(wǎng)的試驗運(yùn)行。直到1986年發(fā)現(xiàn)了高溫超導(dǎo)材料，液氮替代了液氦，使制冷費(fèi)用大幅降低，才讓超導(dǎo)限流器的研究逐漸活躍了起來。

2.2 高溫超導(dǎo)限流器

1996年，瑞士的ABB公司(Asea Brown BoveriCo.,Ltd.)[17-19]利用高溫超導(dǎo)Bi2212環(huán)作為屏蔽筒，成功研制出世界第一臺掛網(wǎng)運(yùn)行的高溫超導(dǎo)限流器(HTSFCL)， 級別為1.2 MVA的三相屏蔽型超導(dǎo)限流器，安裝在Loentsch水電站，進(jìn)行了近兩年試驗運(yùn)行(如圖2)，從此引領(lǐng)超導(dǎo)研究者進(jìn)入了超導(dǎo)限流器的第二階段。在此階段，超導(dǎo)限流元件主要以Bi塊材或帶材為主，還有YBCO薄膜、塊材等。這時因為超導(dǎo)材料制備的復(fù)雜性，世界各國在高溫超導(dǎo)限流器研究中呈現(xiàn)出相互合作又相互競爭的狀態(tài)，下面主要從歐洲、美洲、亞洲各國的研究狀況進(jìn)行論述。

圖2 瑞士ABB公司研制的世界第一臺高溫超導(dǎo)限流器 [18,19]Fig.2 First high-Tc superconducting fault current limiter fabricated by ABB company in Swiss [18,19]

(1)歐洲：德國、英國、意大利、法國、瑞士

繼瑞士制備了第一臺高溫超導(dǎo)限流器之后，德國也開始了CURL10項目。2004年4月，德國“ACCEL Instruments”公司[20]領(lǐng)導(dǎo)研發(fā)的10 kV/10 MVA的電阻型超導(dǎo)限流器在德國Siegen市郊的Netphen電網(wǎng)中安裝測試并運(yùn)行。這個限流器采用Bi2212塊材組成90個超導(dǎo)線圈，這在當(dāng)時是電壓級別最高的超導(dǎo)限流器。在2015年底，德國創(chuàng)新項目ASSiST，西門子[21]與德國Augsburg市政府合作，在其中級電網(wǎng)中完成安裝了一個三相電阻型超導(dǎo)限流器。德國耐克森公司(Nexans)[22-24]研制成第一個用二代YBCO超導(dǎo)帶材制成的560 A/1.2 kV的超導(dǎo)限流器，已經(jīng)安裝在德國Boxberg煤礦，如圖3 所示。從此各國的研究者多用超導(dǎo)二代YBCO帶材取代Bi2212帶材，在超導(dǎo)限流器的研發(fā)上進(jìn)入了第三階段。

圖3 德國Nexans制造的12 kV/800 A的SFCL，安裝在德國Boxberg配電站掛網(wǎng)運(yùn)行 [24]Fig.3 12 kV/800 A HTSFCL fabricated by Nexans, which installed in Boxberg substation, Germany[24]

2012年開始，英國在能源創(chuàng)新基金項目的支持下，英國應(yīng)用超導(dǎo)公司(ASL)[25,26]領(lǐng)導(dǎo)研制并掛網(wǎng)運(yùn)行了三臺超導(dǎo)限流器。第一臺為飽和芯型超導(dǎo)限流器，安裝在英國西北電氣公司(ENW)的Bamber Bridge配電站掛網(wǎng)運(yùn)行一年，如圖4 所示。第二臺11 kV/400 A電阻式高溫超導(dǎo)限流器提供給蘇格蘭電力公司，安裝在英國西部電網(wǎng)的Liverpool的一個配電站。第三臺是由美國的Zenergy Power公司提供，級別為11 kV/1250 A，2012年7月掛入英國北方電網(wǎng)(這臺限流器原來是2011年 3月安裝在美國濱西法尼亞州的KEMA電力測試站的)。接著英國應(yīng)用超導(dǎo)公司又在英國Low Carbon Network的資助下研制了第四臺飽和芯的超導(dǎo)限流器。相對于非超導(dǎo)限流器，高溫超導(dǎo)限流器的研究涉及超導(dǎo)材料制備、低溫系統(tǒng)、電力控制等多方面的技術(shù)，具有相當(dāng)高的復(fù)雜性，因此，英國ASL與德國Nexans超導(dǎo)分公司、美國Zenergy Power公司在研制超導(dǎo)限流器方面都趨于相互合作，這在其它國家的研究中也是普遍的。

圖4 英國第一臺掛網(wǎng)運(yùn)行的高溫超導(dǎo)限流器，由英國ASL與德國Nexans合作完成，安裝在英國Lancashier, Bamber Briddge配電站 [19,25] Fig.4 Pilot 1 HTSFCL in UK. It was supplied by ASL and Nexans, which installed in the substation at Bamber Bridge in ENW’s network [19,25]

歐洲的另一個國家意大利在高溫超導(dǎo)限流器的研究方面也非常積極。2009年意大利開始了RTD項目，意大利能源和電力公司(RSE S .p .A)[27]開始研發(fā)超導(dǎo)限流器，在2012年采用Bi2212帶材成功研制9 kV/3.4 MVA的三相電阻式超導(dǎo)限流器樣機(jī)，它安裝在米蘭市區(qū)的電力用戶A2A公司的S.Dionigi配電站，運(yùn)行了兩年，限制電流從33 kA限制到18 kA。在此基礎(chǔ)上，2015年RSE公司[28]又采用超導(dǎo)二代YBCO帶材研制了15.6 MVA的超導(dǎo)限流器，安裝在同一變電站，取代9 kV/3.4 MVA的限流器，在2016年進(jìn)行了磁場測試。

相比德國、英國、意大利在高溫超導(dǎo)限流器的研究，受限于Bi帶材和YBCO涂層導(dǎo)體的制備技術(shù)，法國并未繼續(xù)在此方面進(jìn)行更多投入，只是在實驗室內(nèi)進(jìn)行了小型樣機(jī)的研制。例如法國科學(xué)研究中心CRETA實驗室采用YBCO塊材研制了小型高溫超導(dǎo)限流器樣機(jī)等。而瑞士在1996年研發(fā)出第一臺高溫超導(dǎo)限流器之后，在2002年，瑞士ABB和德國Siemens公司聯(lián)合采用直徑20 cm、長8 cm的Bi-2212環(huán)研制了100 kW 的限流器，在480 V運(yùn)行時的故障電流為8 kA。

(2)美洲：美國

從1993年開始，美國Lockheed Martin公司就和Los Alamos國家實驗室等合作研制橋式2.4 kV/2.2 kA超導(dǎo)限流器。1995年，該限流器在南加州愛迪生電站共進(jìn)行了6周的試驗運(yùn)行，它的開斷時間為8 ms，將短路電流降低約50%[29]，但沒有進(jìn)入實際的掛網(wǎng)運(yùn)行。1999年美國的General Atomics和美國超導(dǎo)公司(ASC)[30]用Bi2223超導(dǎo)線材研制出15 kV/1.2 kA橋型超導(dǎo)限流器，短路試驗的故障電流縮減率達(dá)80%。2010年，由美國能源部支持，美國超導(dǎo)公司(AMSC)與德國西門子、Nexans、加利福尼亞州愛迪生公司合作研制了115 kV/900 A電阻型超導(dǎo)限流器，短路開端電流63 kA，采用63個YBCO涂層導(dǎo)體繞制的超導(dǎo)線圈組成，為115 kV變壓器提供限流保護(hù)[31,32]，如圖5所示。同時美國Zenery Power公司研制了12 kV/800 A的高溫超導(dǎo)限流器，Super Power公司研制了138 kV的超導(dǎo)限流器等，如圖6所示。2014年美國應(yīng)用材料公司(Applied Materials Company)[33]宣布在紐約Knapps Corner變電站安裝并在網(wǎng)測試了15 kV/400 A 的超導(dǎo)限流器系統(tǒng)，運(yùn)行一年。實際上，由于美國超導(dǎo)公司(AMSC)在超導(dǎo)二代YBCO涂層導(dǎo)體上的突破，使其在超導(dǎo)限流器研究上占有絕對優(yōu)勢，它先后與德國、意大利、韓國、俄羅斯等合作，將YBCO帶材出售給各國，帶動了高溫超導(dǎo)限流器在世界范圍內(nèi)的應(yīng)用研究。

圖5 美國AMSC制造的 115 kV/900 A電阻型 SFCL，短路開端電流63 kA [31]Fig.5 115 kV/900 A resistive HTSFCL fabricated by American Supercondutcor company, its prospective fault current is 63 kA [31]

圖6 美國SuperPower 研制的138 kV/1840 A的 SFCL, 短路開端電流40～90 kA [31]Fig.6 138 kV/1840 A resistive HTSFCL fabricated by SuperPower company, its prospective fault current is 40～90 kA [31]

(3)亞洲：中國、韓國、日本

在亞洲，首先是中國在高溫超導(dǎo)限流器的研究方面開始得很早，2002 年中科院電工所就成功研制了我國第一臺新型高溫超導(dǎo)限流器(400 V/25 A)。2005年在湖南婁底高溪變電站成功安裝并掛網(wǎng)運(yùn)行10.5 kV/1.5 kA高溫超導(dǎo)限流器，它由3個相對獨(dú)立的高溫超導(dǎo)線圈系統(tǒng)組成，線圈采用Bi-2223帶材，限制故障電流效率為80%[34,35]，2011年在進(jìn)行了低溫杜瓦改造后，遷至甘肅“白銀超導(dǎo)變電站”再次運(yùn)行[36]。值得一提的是，“白銀超導(dǎo)變電站”是世界上首個集超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)儲能、超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)限流器于一體的超導(dǎo)變電站，如圖7所示。實際上，超導(dǎo)限流器與電力電纜、斷路器、變壓器等功能融合，會具有更強(qiáng)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)競爭力。超導(dǎo)變壓器作為變電站的主變壓器，超導(dǎo)電纜傳輸電流，超導(dǎo)限流器限制變電站內(nèi)的短路電流，超導(dǎo)儲能系統(tǒng)解決變電站的電壓穩(wěn)定性和電能質(zhì)量問題，而全部超導(dǎo)的低溫系統(tǒng)都采用一個共享，就節(jié)省了30%的制冷量，有效地提高了低溫系統(tǒng)的效率。在美國2000年的超導(dǎo)計劃中就有超導(dǎo)變電站的規(guī)劃，在其電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃(GRID2030)中還提出了超導(dǎo)技術(shù)構(gòu)建骨干電網(wǎng)的藍(lán)圖。

圖7 中科院電工所研發(fā)安裝完成的白銀超導(dǎo)變電站拓?fù)鋱D，包括超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)限流器、超導(dǎo)儲能、超導(dǎo)變壓器 [36]Fig.7 Topology of the Baiyin superconducting power substation developed by IEE, CAS, including HTS power cable, SFCL, SMES and power transformer [36]

2008年，北京云電英納超導(dǎo)公司與云南電網(wǎng)公司合作，采用Bi系線圈研制了35 kV/90 MVA飽和鐵心型超導(dǎo)限流器，在昆明供電局220 kV普吉變電站掛網(wǎng)試運(yùn)行[37-39]，并且安裝了超導(dǎo)電纜與限流器同時運(yùn)行。2012年又在天津石各莊變電站安裝并掛網(wǎng)運(yùn)行了220 kV/800 A飽和鐵芯式超導(dǎo)限流器[40]。220 kV的高溫超導(dǎo)限流器是目前電壓級別最高的高溫超導(dǎo)限流器，如圖8所示，而且2014年英納超導(dǎo)[41]又開始了更高電壓級別500 kV的飽和超導(dǎo)限流器的研制。

圖8 云電英納超導(dǎo)公司研制的220 kV/800 A超導(dǎo)限流器，安裝在天津石各莊變電站掛網(wǎng)運(yùn)行[40]Fig.8 220 kV/800 A HTSFCL fabricated by Innopower company, which installed in Shigezhuang substation in Tianjin, China [40]

除了中國外，韓國和日本在超導(dǎo)限流器的研制上也一直緊緊抓住超導(dǎo)技術(shù)研究的這一領(lǐng)域。作為21世紀(jì)前沿科技研究與發(fā)展項目的一個方向，韓國從2001年就開始了超導(dǎo)限流器的研究。2002和2004年延世大學(xué)[42]分別研制了1.2 kV/80 A和6.6 kV/200 A的超導(dǎo)限流器。2005年，韓國電力研究所(Korea Electric Power Research Institute)[43]采用YBCO薄膜研制了6.6 kV的三相電阻型超導(dǎo)限流器，將10 kA故障電流限制在900 A以下，這些前期工作為韓國154 kV的超導(dǎo)限流器研制打下了基礎(chǔ)。韓國電力研究所(KEPCO)[44,45]在2007年研發(fā)了22.9 kV混合型高溫超導(dǎo)限流器，并在韓國電力研究所古昌電力測試中心進(jìn)行了安裝測試，2009年開始在KEPCO的內(nèi)網(wǎng)上正式運(yùn)行。同時在利川的超導(dǎo)電力網(wǎng)的綠色項目(GENI)下[46,47]，KEPCO公司[48]采用超導(dǎo)二類帶材YBCO涂層導(dǎo)體(2G)，研發(fā)了22.9 kV/630 A混合型超導(dǎo)限流器，安裝在利川(Icheon)變電站掛網(wǎng)運(yùn)行，如圖9所示，而且從2011年7月又開始研發(fā)154 kV的SFCL，準(zhǔn)備在345 kV/154 kV變壓器的母線網(wǎng)中掛網(wǎng)。

而日本在政府的支持下，由MITI和NEDO(日本新能源與工業(yè)技術(shù)發(fā)展組織)資助，日本的東北電力公司(TEPCO)、東京電力公司(KEPCO)、CRIEPT、住友(Sumitomo)、三菱(Mitsubishi)、東芝(Toshiba)公司等相繼從2000年開始承擔(dān)超導(dǎo)限流器的研究[49]。自2000年到2004年，日本東芝電力公司[50,51]采用Bi2223帶材研發(fā)了66 kV/1 kA的高溫超導(dǎo)限流器。這個限流器的感應(yīng)磁體電流為750 A，絕緣電壓為66 kV。2007年名古屋大學(xué)(Nagoya University)[52]采用一代Bi2212帶材研制了三相275 V/6.25 kVA的超導(dǎo)限流器，并且采用二代YBCO涂層導(dǎo)體研制了三相6.6 kV/100 kVA超導(dǎo)限流器。因為YBCO帶材的最大磁場的載流性能是Bi2212帶材的100倍，因此，在此之后高溫超導(dǎo)限流器的線圈多采用二代YBCO涂層導(dǎo)體。而作為日本經(jīng)濟(jì)貿(mào)易工業(yè)部的一個項目(FY2006-07)，日本東芝公司又研發(fā)了6.6 kV/600 A的三相超導(dǎo)限流器[53]。

圖9 韓國KEPCO公司研發(fā)的22.9 kV/630 A超導(dǎo)限流器，在利川變電站掛網(wǎng)運(yùn)行[47] Fig.9 22.9 kV/630 A HTSFCL fabricated by KEPCO, which installed in Icheon substation, Korea [47]

(4)其它國家

除了上述介紹的中國、美國、德國、英國等國家進(jìn)行的實際掛網(wǎng)應(yīng)用，俄羅斯、巴西[54]、匈牙利[55]、印度[56]、波蘭[57,58]、澳大利亞、以色列等國家，也在實驗室進(jìn)行了高溫超導(dǎo)限流器的研究。例如，俄羅斯庫爾恰托夫研究所[59]在2012年采用美國SupePower公司生產(chǎn)的SF12100的Bi2223/Ag帶材，研制了3.5 kV/250 A/1 MVA單相交流電阻型高溫超導(dǎo)限流器，用電容器電池放電測試，短路后恢復(fù)時間75 ms。同年，俄羅斯電子工程研究所[60]采用超導(dǎo)二代YBCO帶材，研制出3 kV/300 A直流電阻型高溫超導(dǎo)限流器，短路時間9 ms，等等。

1982年以來先后有18個國家進(jìn)行了超導(dǎo)限流器的研究，本文對世界各國的研究進(jìn)行了匯總。至目前為止，各類不同容量類型的超導(dǎo)限流器樣機(jī)119臺，而其中超過10 kV大容量的有38臺，實現(xiàn)掛網(wǎng)運(yùn)行的高溫超導(dǎo)限流器19臺，分布在7個國家：瑞士、中國、美國、德國、英國、意大利和韓國等。下面將主要掛網(wǎng)運(yùn)行的超導(dǎo)限流器列在下表中，如表1所示。從中可以看出，目前主要掛網(wǎng)試運(yùn)行的超導(dǎo)限流器多以電阻式、飽和鐵芯式、橋路式為主。最高級別的是北京英納超導(dǎo)公司研制的在天津石各莊運(yùn)行的220 kV/800 A的高溫超導(dǎo)限流器。

從各個國家超導(dǎo)限流器的掛網(wǎng)運(yùn)行狀況來分析，超導(dǎo)限流器的技術(shù)基本上是成熟的，但是它并沒有在商業(yè)上形成大規(guī)模的應(yīng)用。究其原因，主要在造價和運(yùn)營費(fèi)用上。比較常規(guī)限流器和超導(dǎo)限流器，常規(guī)限流器不需要維持一個低溫環(huán)境，運(yùn)營電網(wǎng)公司不需要掌握低溫技術(shù)，因此常規(guī)限流器運(yùn)營成本很低，如果超導(dǎo)與非超導(dǎo)限流器的短路電流限制效果相同，那么，采用常規(guī)限流器就更經(jīng)濟(jì)。所以，美國Zenergy Power公司在2011年宣布退出超導(dǎo)限流器的研制，轉(zhuǎn)而向非超導(dǎo)限流器進(jìn)行研發(fā)。2014年6月美國Bruker能源與超導(dǎo)技術(shù)公司(BEST)也宣布將停止在SFCL上的投資。在中國，研發(fā)常規(guī)限流器一直是限流器研究的重點(diǎn)，2004年國家電網(wǎng)公司[61]就開展了“故障限流器關(guān)機(jī)技術(shù)”研究項目，其研究成果 “串聯(lián)諧振型限流器”成為超高壓電網(wǎng)中最為實用的故障限制器。2009年在華東電網(wǎng)的500 kV瓶窯變電站投運(yùn)，在測試故障后的1.0 ms進(jìn)入限流狀態(tài)。所以，相比超導(dǎo)限流器，使用非超導(dǎo)限流器不需要苛刻的低溫環(huán)境維持運(yùn)行，成本低，實用性強(qiáng)，這一點(diǎn)凸顯出目前超導(dǎo)限流器在商業(yè)應(yīng)用上的局限性。

表1 目前世界上7個國家已掛網(wǎng)或正在掛網(wǎng)運(yùn)行的超導(dǎo)限流器匯總表

續(xù)表

3 高溫超導(dǎo)限流器研究的復(fù)雜性和制約因素

超導(dǎo)限流器的研究具有一定的復(fù)雜性，它涉及了超導(dǎo)材料、電力電子、低溫制冷、控制優(yōu)化等諸多專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)，是多個學(xué)科與技術(shù)的交叉綜合的結(jié)果。從40年各國的超導(dǎo)限流器的研究進(jìn)程中看，高性能、易成材、低成本的超導(dǎo)材料的制備是推進(jìn)超導(dǎo)限流器研制的關(guān)鍵。目前在高溫超導(dǎo)限流器的研制中，所使用的高溫超導(dǎo)材料主要有一代Bi2223/Ag、Bi2212/Ag超導(dǎo)帶材，和二代YBCO涂層導(dǎo)體，以及少部分YBCO薄膜、塊材和MgB2帶材等。目前具備生產(chǎn)YBCO涂層導(dǎo)體千米長帶的公司主要有：美國IGC SuperPower公司、美國超導(dǎo)公司AMSC、日本ISTEC/Fujikura公司、韓國SuNAM公司等。美國在制備YBCO涂層導(dǎo)體千米長帶上占有一定的技術(shù)優(yōu)勢，使其在超導(dǎo)限流器的研究上處于領(lǐng)先地位。然而高溫超導(dǎo)帶材的制造成本高昂，其價格目前大約是$200～500/km，是銅線的20～50倍[62,63]，這樣就迫使超導(dǎo)限流器的制造費(fèi)用提高，遠(yuǎn)高于非超導(dǎo)限流器的成本。所以，高溫超導(dǎo)限流器的廣泛應(yīng)用也就受到了限制。

另外，超導(dǎo)限流器的運(yùn)行需要在低溫下進(jìn)行。在云南普濟(jì)電網(wǎng)的運(yùn)行中，因為低溫系統(tǒng)故障、直流系統(tǒng)故障、非電量保護(hù)動作等原因，造成在運(yùn)行期間出現(xiàn)多次斷路器跳閘，使高溫超導(dǎo)限流器運(yùn)行不穩(wěn)定。因此，維持低溫制冷讓超導(dǎo)限流器的運(yùn)行成本也大幅增漲。同時超導(dǎo)限流器商業(yè)化需要制定相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。超導(dǎo)限流器綜合了超導(dǎo)、低溫、電力電子、開關(guān)、變壓器等多方面的技術(shù)，在制定其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)上比一般電氣設(shè)備要復(fù)雜，而且還要顧及其標(biāo)準(zhǔn)與各專業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)相協(xié)調(diào)，因此，超導(dǎo)限流器的國際標(biāo)準(zhǔn)至今還難以制定。而當(dāng)前的超導(dǎo)限流器的設(shè)計、開發(fā)、試驗還是套用現(xiàn)有的變壓器、電抗器等相關(guān)設(shè)備的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

所以，在大規(guī)模應(yīng)用和商業(yè)化方面，超導(dǎo)限流器還不能夠替代現(xiàn)有的限流器，其商業(yè)化應(yīng)用的制約因素主要有：①超導(dǎo)材料的成本高；②低溫運(yùn)行成本高；③技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)未制定；④還需要積累運(yùn)行經(jīng)驗等?？傊?，降低超導(dǎo)材料的制造成本、研發(fā)更經(jīng)濟(jì)的超導(dǎo)新材料、開發(fā)高效低成本的低溫技術(shù)是推動超導(dǎo)限流器商業(yè)化應(yīng)用的必然途徑。

雖然面臨這樣一些制約因素，但因為對高溫超導(dǎo)限流器的應(yīng)用前景看好，Nexans和AMSC公司仍然決定繼續(xù)投資研發(fā)SFCL技術(shù)。實際上正如美國應(yīng)用材料公司的發(fā)言人鄧肯所言：“為保證在公共基礎(chǔ)設(shè)施和電網(wǎng)上高度的可靠性和安全性，選擇超導(dǎo)限流器在網(wǎng)測試本身就是為了滿足用戶的需求。過去幾年里積極研發(fā)SFCL、固態(tài)限流器和快速限流器等，是電網(wǎng)穩(wěn)定技術(shù)需求的一種趨勢。如果對新的高質(zhì)量水平的公共電力設(shè)施需求增大，并且超導(dǎo)限流器的研發(fā)可持續(xù)進(jìn)行，超導(dǎo)限流器的研究就會加速”。

4 結(jié) 語

高溫超導(dǎo)限流器具有響應(yīng)時間快、高效限流、損耗低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的故障限流器，它的廣泛應(yīng)用會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)前中國、美國、德國、英國、韓國等國家都實現(xiàn)了超導(dǎo)限流器的掛網(wǎng)試運(yùn)行，高溫超導(dǎo)限流器的技術(shù)也逐漸趨于成熟。但是，因為YBCO超導(dǎo)帶材的制備技術(shù)所限，超導(dǎo)帶材的價格高昂，對超導(dǎo)限流器的大規(guī)模應(yīng)用造成了阻礙。所以，為了加快超導(dǎo)限流器的商業(yè)化應(yīng)用，世界各國加緊超導(dǎo)限流器的研發(fā)，其競爭的焦點(diǎn)主要集中在低成本制造超導(dǎo)帶材技術(shù)、新超導(dǎo)材料的研發(fā)和低溫運(yùn)行低成本技術(shù)上。一旦突破超導(dǎo)帶材的低成本制造技術(shù)的瓶頸，所期待的高溫超導(dǎo)限流器的商業(yè)化應(yīng)用就會到來。

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(編輯 吳 琛)

Progress and Status of High Temperature Superconducting Fault Current Limiter

ZHANG Cuiping

(SMRC, Northwest Institute for Non-Ferrous Metal Research, Xi’an 710016, China)

The progress and development of high-Tc superconducting fault current limiter (HTSFCL) in the world have been reviewed. As an ideal fault current limiter, the development of high temperature superconducting fault current limiter has been a multidisciplinary technology, which related to physics, material science, electronic engineering and cryogenic technology. The study and fabrication of HTSFCL have been improved in 18 countries, and 19 HTSFCLs have been installed in different substations in the world, which had been operated or has been operating in seven countries at present. In China, three HTSFCLs are operating in Yunnan, Tianjin and Baiyin. One of them is installed in the first superconducting substation in the world-Baiyin Superconducting Substation in Gansu province. Analyzing to the research works on SFCL in different countries, it is concluded that the HTSFCL technologies have been improved, but large scale commercial application is still facing several challenges, such as high price of superconducting wires, the operation cost of maintaining low temperature, building product standardization and the market demand for high-quality electric power,etc. If the superconducting materials price and the HTSFCL operating cost are reduced, the large-scale application of the superconducting fault current limiter will be realized, so as to protect the power grid operating stably and to make HTSFCL as an ideal SFCL in the future.

high-Tc superconducting fault current limiter; Bi2212 superconducting wire; YBCO coated conductor; short-circuit current; transformer substation

2017-04-22

張翠萍，女，1968年生，高級工程師，Email: zhangcp6813@126.com

10.7502/j.issn.1674-3962.2017.05.03

TM471

A

1674-3962(2017)05-0335-09