王常騏，李 斌，信 贏，盛 超，宋 萌

（1.教育部智能電網(wǎng)重點實驗室（天津大學），天津市 300072；2.廣東電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，廣東省廣州市 510080）

0 引言

靈活高效的直流技術尤其是柔性直流技術，被認為是未來電力系統(tǒng)發(fā)展的一次重要革命。直流電網(wǎng)將以直流形式互聯(lián)組成電能傳輸系統(tǒng)［1-4］，實現(xiàn)新能源的平滑接入、有功和無功功率的獨立控制、全局功率的調節(jié)互濟等［5-7］。然而，直流電網(wǎng)在抵御故障方面面臨重大挑戰(zhàn)：直流系統(tǒng)故障阻尼小，發(fā)生故障時短路電流會在幾毫秒內達到額定電流的數(shù)十倍的過流水平；直流保護和斷路器的動作速度無法適應直流系統(tǒng)故障隔離需求；故障時換流器本體以及直流系統(tǒng)安全運行受到嚴重影響［8］?；诖?，研制有效限制直流故障電流并能與直流斷路器、換流器匹配協(xié)調的直流故障限流器，成為直流電網(wǎng)建設發(fā)展的關鍵之一［9］。

現(xiàn)有的直流故障限流器主要可分為無源元件型直流限流器（如串聯(lián)電抗器、電阻器）、永磁偏置型直流 限 流 器［10］、橋 型 直 流 限 流 器［11］、固 態(tài) 直 流 限 流器［12-13］和超導型直流限流器［14］。

在無源元件型直流限流器中，大容量串聯(lián)電抗器能夠較好地抑制短路電流上升速度。然而，其局限性在于柔性直流輸電系統(tǒng)通常采用電壓源型換流器，因此，串聯(lián)電抗器的接入會嚴重影響直流電壓動態(tài)響應特性以及系統(tǒng)穩(wěn)定性［15］。另一方面，在開斷故障電流時，串聯(lián)電抗器兩端會產(chǎn)生很高的過電壓，影響直流斷路器的電弧熄滅和換流器與限流器自身的運行安全［16］。永磁偏置型直流限流器由含有永磁體的矩形鐵芯和2組限流線圈共同構成，限流線圈采用順接串聯(lián)的方式繞制在鐵芯兩側的芯柱上［17］。該限流器工作原理與永磁偏置型交流限流器類似［18］，故障發(fā)生時能夠迅速響應并體現(xiàn)限流電感，偏置能力取決于永磁體的材料和尺寸［19］。橋型直流限流器由1個完整的二極管電橋、1個限流單元和1個直流偏置電壓源構成，具備優(yōu)秀的自適應限流以及輔助直流斷路器快速隔離故障的能力。但在系統(tǒng)正常運行時，偏置電源電流和正常線路電流始終流過橋路中的電力電子器件，給限流器長期運行造成損耗。同時，由于偏置電源被串聯(lián)在一次回路，容易在限流時受到?jīng)_擊，影響壽命。固態(tài)直流限流器由大量電力電子可控或半控器件組成，動作速度快、結構多變。但對于高壓大容量直流輸電的應用場景來說，通態(tài)損耗大、響應時間依賴故障檢測速度的問題客觀存在。

超導直流限流器憑借其正常運行時低阻/感態(tài)、短路故障時高阻/感態(tài)、對電網(wǎng)穩(wěn)定運行無干擾的特點［20］，可以對直流故障電流進行有效限制。伴隨著柔性直流電網(wǎng)技術的快速發(fā)展，超導限流技術在直流領域的相關研究正不斷涌現(xiàn)。

本文以超導限流器在柔性直流輸電系統(tǒng)中的應用為背景展開綜述。首先，對超導限流器的整體應用現(xiàn)狀進行梳理；其次，針對超導直流限流器的主要分類、主要工作原理進行歸納；然后，介紹超導材料對超導限流器限流性能和適用性的影響；接著，圍繞超導直流限流器與直流斷路器、換流器之間的匹配協(xié)調關系，對柔性直流系統(tǒng)配置超導直流限流器的性能要求和重要技術參數(shù)進行提煉；最后，對已有超導直流限流器的發(fā)展情況進行總結，并對其未來的應用趨勢進行展望。

1 超導限流器應用現(xiàn)狀

超導限流器的概念在20世紀70年代末被提出［21］，但由于當時超導材料制備條件的限制，研究只局限在原理研究和實驗室樣機階段。1986年高溫超導體的發(fā)現(xiàn)及1990年高溫超導導線工業(yè)應用的成功實現(xiàn)，推動了高溫超導限流器技術的迅速發(fā)展。在此之后，世界上主要工業(yè)國家紛紛展開了高溫超導限流器技術的研究［22］。

在研究初期，高溫超導限流器首先被應用于交流輸電系統(tǒng)。在眾多類型限流器中，電阻型和飽和鐵芯型2類限流器的掛網(wǎng)運行案例最多，其實用價值得到了普遍認可。

電阻型交流限流器是基于超導材料在超導態(tài)時呈現(xiàn)零電阻、失超后體現(xiàn)出電阻特性而設計的。目前較為典型的掛網(wǎng)工程示范為德國2009年安裝在瓦騰福鮑克斯堡發(fā)電廠的12 kV/800 A電阻型高溫超導限流器［23］和2014年安裝在埃森赫克力斯變電站的12 kV/2.4 kA電阻型高溫超導限流器［24］。

飽和鐵芯型限流器是基于超導材料超導態(tài)時的高載流密度特性而設計的，其概念最早于1982年由蘇格蘭科研工作者提出，截至今日已涌現(xiàn)許多掛網(wǎng)工程示范［25］。較為典型的工程示范主要包括2008年在中國云南普吉變電站掛網(wǎng)運行的三相35 kV/90 MVA飽和鐵芯型超導限流器［26］，2009年在美國加利福尼亞州Shandin變電站投入運行的15 kV/1.25 kA飽和鐵芯型高溫超導交流限流器［27］，2012年在中國天津石各莊變電站掛網(wǎng)運行的220 kV/300 MVA飽 和 鐵 芯 型 高 溫 超 導 限 流 器［28-29］以 及2017年通過運行測試的世界首臺500 kV飽和鐵芯型高溫超導限流器［25］。除了上述2種類型，高溫超導交流限流器還有磁屏蔽型［30］、電橋型［31］等其他類型?？梢钥闯?，高溫超導交流限流器已日趨成熟并逐步向商業(yè)化發(fā)展。

2 超導直流限流器的分類與原理

根據(jù)限流時超導材料部分所體現(xiàn)出的限流效果的不同，可以分為電阻型超導直流限流器（resistivetype superconducting fault current limiter，R-SFCL）和電感型超導直流限流器（inductive-type superconducting fault current limiter，I-SFCL）2種類型。然而，由于超導直流限流器還處于研究的初級階段，其拓撲和工作原理仍在不斷發(fā)展。因此，即便是同一類型的超導限流器，結構上也可能存在差異。

2.1 R-SFCL

R-SFCL是利用超導材料相變特性而設計的一種限流裝置。當故障電流快速上升使得超導材料的通流值超出能使其失超的臨界電流值時，超導材料將會從原先的零電阻超導態(tài)轉變?yōu)橛须娮璧恼B(tài)。借助于失超電阻，R-SFCL可通過增阻的方式實現(xiàn)對短路電流的抑制。

限流單元模塊化是R-SFCL的重要特點之一，不同結構的限流模塊可以組成不同樣式的RSFCL。

1）采用矩形模塊

由矩形限流模塊構成的R-SFCL如圖1所示，其單個限流模塊的拓撲結構如圖1（a）所示。圖中，RSC為電阻型超導限流器；Rs為與RSC并聯(lián)對RSC起到保護作用的分流電阻。箭頭方向代表電流流向，輸入和輸出之間含有2條并聯(lián)支路，每條支路均由數(shù)根超導帶材串聯(lián)而成。從限流單元的結構來看，超導帶材之間采用矩形連接結構，有助于帶材的密集排布，減小限流器體積［32］。但為了保證限流電阻值必須串聯(lián)足夠多的超導帶材，因此帶來很多的焊接節(jié)點，容易使超導限流器在超導工作溫度下也有一定阻值，對正常通流產(chǎn)生影響。

圖1 由矩形限流單元構成的R-SFCLFig.1 R-SFCL consisting of rectangular currentlimiting units

2）采用螺線管模塊

R-SFCL的限流電阻值與超導帶材用線量成正比，限流電阻大則耗材量大，限流器體積也相應增加。采用繞制方式實現(xiàn)的超導限流單元能有效解決矩形結構焊接電阻多的問題，并有助于減小限流器體積。值得注意的是，在螺線管模塊設計時需要盡可能減小其空心電感，以避免在正常運行時體現(xiàn)出大電感值，而對直流系統(tǒng)控制響應和穩(wěn)定運行造成不利影響。由無感繞制螺線管構成的R-SFCL如圖2所示，它主要由左、右2組螺線管構成，2組螺線管為超導材料，繞制方向相反，螺線管內、外繞組也采用反向繞制方式。在正常運行時，超導螺線管處于超導狀態(tài)，內、外繞組的電感基本相互抵消，繞組之間僅存在微小的漏電感［33］。當短路故障發(fā)生時，由于超導螺線管失超，兩側螺線管的內、外繞組均體現(xiàn)出大電阻，從而達到限制短路電流的目的。

圖2 由螺線管構成的R-SFCLFig.2 R-SFCL consisting of solenoid coils

3）采用餅繞線圈模塊

除螺線管結構以外，餅狀繞制的超導線圈模塊也可達到模塊內電感相互抵消的效果，實現(xiàn)無感。如圖3（a）所示，餅狀繞制是由一端沿著固定方向向內繞制，在中心處折回，再反向繞出。餅繞線圈的制造工藝比螺管結構更簡單、緊湊，且?guī)Р睦@入和繞出端的抽頭始終保持在線餅外側，易于焊接。此外，這種結構下超導帶材之間采用一定的低溫絕緣間隔層進行支撐，該支撐結構需具有較高的絕緣性能和結構強度，便于加工和冷卻。

圖3 由餅繞線圈構成的R-SFCLFig.3 R-SFCL consisting of pancake coils

R-SFCL模塊間的連接多為若干子模塊互為串并的方式。以圖3（b）中采用餅繞線圈模塊的限流器為例，整個限流器由數(shù)個限流子單元構成，其中，每個限流子單元含有N個串聯(lián)模塊，每個模塊含有M個并聯(lián)雙餅線圈，每個雙餅線圈均由一定長度的超導帶材無感繞制而成［34］。直流線路通過連接限流器上不同的出線端口，實現(xiàn)對限流器工作模式的選擇（2個子單元的串聯(lián)、并聯(lián)、互為備用），從而獲得不同大小的限流電阻值。該結構是目前R-SFCL較為廣泛的設計制造方式［35-36］。

綜上，上述幾種R-SFCL制造工藝成熟、易于模塊化并且組合靈活。但是，為了兼顧超導直流限流器的通流水平和限流阻值，R-SFCL往往需要采用多個限流模塊，通過大量串并聯(lián)的方式進行連接和集成，這需要使用大量的超導帶材，并對超導帶材之間的均流和均壓性能有較高要求。

2.2 I-SFCL

I-SFCL能夠在直流系統(tǒng)發(fā)生短路故障時及時響應并體現(xiàn)出限流電感，主要利用故障時超導繞組的電磁耦合，在限流器的外特性中表現(xiàn)出電感特征，進而利用電感電流無法突變的原理限制直流故障電流。根據(jù)拓撲結構和工作原理的不同，I-SFCL在限流狀態(tài)下并不一定都會使超導帶材失超，這也是其與R-SFCL的主要區(qū)別之一。

1）失超電感型

基于楞次定律的失超I-SFCL如圖4所示，主要包含3個部分：最外層的接入直流系統(tǒng)中的通流/限流繞組、中間層的超導短路環(huán)以及最內層的磁性芯柱。

圖4 基于楞次定律的失超I-SFCLFig.4 Quench-type I-SFCL based on Lenz’s law

在通流/限流繞組未通流或者正常通流情況下，超導短路環(huán)始終工作在超導狀態(tài)中。限流器未通流時，限流繞組不產(chǎn)生任何磁通，超導短路環(huán)中無感應電流。當限流器的通流/限流繞組通入正常運行電流時，根據(jù)楞次定律和超導材料的零電阻特性，超導短路環(huán)中的感應電流會產(chǎn)生等大、反向的磁通，從而完全抵消通流/限流繞組中電流在其圍繞的空間內所產(chǎn)生的磁通，使得通流/限流繞組內部的總磁場為零。此時，磁性芯柱磁導率為零，通流/限流繞組與磁性芯柱之間完全沒有耦合，對外不體現(xiàn)任何電感特性［37］。而當故障發(fā)生時，通過通流/限流繞組的電流急劇增大，超導短路環(huán)組內的感應電流也隨之增大并超過臨界電流，使得超導導體環(huán)組失超。此時，超導導體環(huán)組產(chǎn)生的磁通無法完全抵消通流/限流繞組產(chǎn)生的磁通，通流/限流電感線圈與磁性芯柱發(fā)生磁通耦合。根據(jù)磁性芯柱的磁導率變化規(guī)律，磁性芯柱開始被磁化后，磁導率快速上升達到很高的數(shù)值，磁性芯柱快速進入高磁導率狀態(tài)，通流/限流繞組與鐵芯發(fā)生磁耦合關系。由電感的計算公式可知，磁性芯柱的磁導率越大，耦合后通流/限流電感線圈的電感值越大，因而通流/限流繞組對外表現(xiàn)為大電感，從而抑制直流短路故障電流。

2）復合電感型

復合I-SFCL是指同時利用電阻和電感特性對直流短路電流進行限制的一種限流裝置，由若干阻性和感性限流單元共同組成。其中，感性限流單元采用超導材料進行制備。與R-SFCL相比，復合型超導直流限流器具有較為復雜的電路結構。

圖5為一種復合I-SFCL的基本拓撲，包括1個限流超導電感LSC、2個固定阻值的常規(guī)電阻R1和R2、快速開關S和一個金屬氧化物避雷器（metal oxide varistor，MOV）［38］。其中，LSC由緊繞在矩形鐵芯芯柱上的超導線圈制成，矩形鐵芯含有較大的空氣氣隙［39］以防止鐵芯在限流過程中出現(xiàn)飽和。正常運行時，快速開關S閉合，直流電流流經(jīng)中間的超導限流電感支路，此時LSC處于零電阻的超導態(tài)，不會造成電能損耗。當故障發(fā)生時，在LSC的作用下短路電流無法完全流經(jīng)電感支路，此時短路電流將有一大部分分流轉移至R1支路。同時，檢測到故障發(fā)生后立即斷開快速開關S，電阻R2被串入超導支路以防止LSC失超，同時配合R1對短路電流進行抑制。

圖5 復合I-SFCLFig.5 Hybrid-type I-SFCL

從限流原理及電路結構來看，該拓撲具有比較綜合的限流能力。但因常規(guī)電阻與超導電感并聯(lián)削弱了電感特性對短路電流的抑制作用，采用含外延電路的復合電感型拓撲時對超導電感量的需求相對較高。此外，為了滿足正常通流和開關S斷開之前不失超的需求，超導限流電感LSC的臨界電流不能太低。同時，快速開關S接收到故障檢測信號后斷開，其本質是短路電流的轉移，設計時必須保證快速開關S的開斷能力。由于限流器最終是通過并聯(lián)支路分流的方式進行限流，且R2還需要鉗位快速開關S在斷開瞬間的過電壓，因此對R2和R1電阻值的確定以及電阻與超導電感繞組之間的參數(shù)配合，是該限流器設計的難點之一。

3）非失超電感型

圖6（a）為一種帶鐵芯的磁耦合I-SFCL，它由2個反向繞制的超導限流繞組和1個鐵芯構成，2個超導限流繞組結構和匝數(shù)完全相同，分別流過正極線路電流和負極線路電流。正常通流情況下，2個超導繞組內電流產(chǎn)生的磁動勢在鐵芯上相互抵消，鐵芯內磁場為零，即鐵芯磁導率為零，因此該超導限流器對外不體現(xiàn)出電感。單極接地故障時，故障極短路電流會引起對應的超導繞組電流與非故障極超導繞組電流不相等，二者的磁動勢不能相互抵消，鐵芯磁導率迅速增加，從而使超導繞組體現(xiàn)出限流電感，實現(xiàn)短路電流的抑制。

圖6 基于磁耦合的非失超I-SFCLFig.6 Non-quench-type I-SFCL based on magnetic coupling

圖6（a）為磁耦合原理超導直流限流器的最初原型［40］，正、負極直流線路共用1個鐵芯，且僅考慮直流單極接地故障類型，應用場景的電壓電流水平低，短路故障下不會造成超導繞組的失超。圖6（b）為面向柔性直流系統(tǒng)改進的磁耦合超導直流限流器原理圖［41-42］。單臺限流器對應單極直流線路，正常運行的工作原理與圖6（a）相同。當故障發(fā)生時，常閉開關S打開，鐵芯中的磁通平衡被破壞，連在線路中的超導線圈與鐵芯迅速產(chǎn)生耦合，產(chǎn)生限流電感。同時，被斷開的超導線圈與避雷器形成回路，完成能量泄放。在限流過程中，超導線圈不發(fā)生失超，且鐵芯始終工作在非飽和狀態(tài)，充分利用高磁導率實現(xiàn)大電感，其限流響應時間主要依賴開關器件的開斷能力和故障檢測速度。

借鑒交流系統(tǒng)中飽和鐵芯型超導限流器的工作原理，提出了一種基于磁飽和的非失超I-SFCL，如圖7（a）所示。其主要包括：由二極管構成的橋式電路、1個閉合矩形鐵芯、直流源、限流繞組（串聯(lián)在直流回路中）以及超導繞組。限流繞組接入電網(wǎng)，由常規(guī)導體材料制成，與矩形鐵芯芯柱緊耦合繞制。超導繞組由超導材料繞制而成，通過外接電源通入恒定的直流電流，用于產(chǎn)生一個極強的恒定磁場，使鐵芯處于深度飽和狀態(tài)。2個繞組在矩形鐵芯中形成的磁場方向相反。

圖7 基于磁飽和的非失超I-SFCLFig.7 Non-quench-type I-SFCL based on magnetic saturation

圖7（b）為該磁飽和限流器的主要工作原理。圖中：B為磁感應強度；H為磁場強度；μ為磁導率；Hlim為鐵芯在線性工作區(qū)內的磁場強度，當鐵芯處于此區(qū)域時，表明銅帶線圈與鐵心高度耦合產(chǎn)生限流電感；Hsat為鐵芯處于深度飽和態(tài)時對應的磁場強度。從圖中易知，在遠離原點的區(qū)域內，隨著H增大，B-H曲線斜率變小，磁導率隨之降低，鐵芯的飽和程度逐漸加深。在正常情況下，額定電流通過限流繞組時產(chǎn)生的磁動勢遠小于超導繞組的磁動勢，不足以使鐵芯脫離深度飽和區(qū)，此時假設限流器工作在鐵芯B-H曲線的a點位置，鐵芯內磁導率極小，所以限流繞組幾乎不與鐵芯發(fā)生耦合，超導直流限流器處于“零電感態(tài)”。故障情況下，瞬間增大的短路電流使得限流繞組中產(chǎn)生的磁動勢急劇增大，鐵芯上磁動勢的矢量和迅速減小，使得原本處于飽和區(qū)的鐵芯將迅速脫離飽和狀態(tài)，工作點從a點沿BH曲線向b點移動。在此過程中，鐵芯內磁導率增大，限流繞組對外呈現(xiàn)出高電感的“限流態(tài)”，從而有效抑制短路電流［25］。

該限流器在故障發(fā)生時能夠不依賴于通信自適應限流，限流過程中無須超導體發(fā)生失超，從這個角度來說，其具有恢復速度快的特點。此外，結合晶閘管D1至D4構成的橋路結構可迫使短路電流始終從一個方向通過限流繞組，使該超導直流限流器表現(xiàn)出雙向限流的能力。但由于電感是一種儲能元件，限流后的能量泄放速度與限流器恢復速度正相關，會進一步影響直流系統(tǒng)故障后的重合閘。此外，直流電流無過零點的特征導致退飽和過程一直持續(xù)，這就有可能引起限流器中鐵芯發(fā)生反向飽和，而鐵芯一旦在故障時發(fā)生反向飽和，線圈呈現(xiàn)的電感會迅速下降，進而直接影響限流器的持續(xù)限流能力。

當下，超導直流限流器距離商業(yè)化發(fā)展還有很長的過程，僅從限流器類型難以確定哪種超導直流限流器最具有發(fā)展?jié)摿?，這里主要圍繞超導限流器的基本設計要求進行對比。理想的超導直流限流器的設計要求為［43］：快速有效的電流限制、快速自動恢復、可靠經(jīng)濟、正常運行時低損耗、緊湊輕巧。

各超導直流限流器的工作特性如表1所示。由表1可以看出，易于模塊化是R-SFCL的突出優(yōu)勢，意味著它能夠更容易依照應用條件的不同而靈活地進行限流電阻值調整，這得益于超導交流限流器制造工藝的成熟化。相對地，耗線量少和非失超是ISFCL的重要優(yōu)點，為降低制造成本和實際工程應用提供了可能。

表1 2種超導直流限流器的比較Table 1 Comparison of two types of superconducting fault current limiter

3 超導材料對限流性能的影響

高溫超導限流器的性能與超導材料的性能密切相關，不同超導材料及形式對限流性能和適用條件有重要影響。通常高溫超導材料可制作為塊材、膜材和線材。

從材料的載流能力來講，當同在77 K溫度下時，鉍鍶鈣銅氧（BSCCO）超導塊材的臨界電流密度較低，約為每平方毫米幾十安，而部分釔鋇銅氧（YBCO）超導塊材臨界電流密度超過100 A/mm2，因此具有一定的應用價值。YBCO膜材的臨界電流密度比塊材高，可達每平方毫米近千安，但受制備及加工工藝的制約較大。鉍系和釔系超導線材相對塊材和膜材來說易于批量生產(chǎn)，臨界電流密度在每平方毫米數(shù)百安左右，目前能量產(chǎn)鉍系線材的公司主要在中國和日本，能批量生產(chǎn)釔系線材的公司主要在中國、美國、日本、德國、韓國［44］等。

從超導限流器制造層面來看，主流是采用高溫超導線材，其廣泛適用于各種電壓等級應用場景，第2章中提到的各類超導直流限流器的核心部件均為超導帶材繞制而成。

此外，也有少部分研究利用高溫超導膜材和塊材2種形式。高溫超導薄膜相比于其他超導材料，體積更小、重量更輕，在R-SFCL制備方面具有一定潛力。早在1999年西門子公司就在超導薄膜限流器領域進行探索，并研制出135 A/100 kVA的超導限流器樣機［45］。此后，國內外基于此開展的薄膜限流器的相關研究也一直持續(xù)至今［46］。國內比較有代表性的是雙面超導薄膜限流器，其結構為Au-YBCO-CeO2-Al2O3-CeO2-YBCO-Au，YBCO層厚度為300 nm，這種雙面的特殊結構影響了超導薄膜的熱量積累和失超傳播，其相比于傳統(tǒng)單面超導薄膜限流器具有更好的失超同步性，易于產(chǎn)生更大的失超電阻，短路電壓越大失超恢復時間越長［47］。不過大面積膜材的制備問題和成本問題始終是制約其發(fā)展的關鍵原因，已有研究主要以小型原理驗證樣機為主。

采用塊材的R-SFCL也能有效縮小裝置體積，目前主要用釔系塊材研制，如歐洲的BYFAULT工程選擇采用YBCO塊材研制1 kV/17 MVA高溫超導限流器［48］。國內比較有代表性的是2006年研制的限流器實驗樣機，實驗電壓等級為50 V左右，樣機采用1 mm厚2 cm長的YBCO塊材短樣以曲折線方式串聯(lián)形成，具備將峰值200 A的故障電流限制在120 A的能力［49］。塊材的制造工藝及其自身機械性能相比于線材有很大不同，尤其是強度和延展性特性會降低其在超導限流器上的適用性。

4 高壓直流系統(tǒng)對超導直流限流器的要求

4.1 共性要求

作為直流限流器，不論是采用超導還是常導技術手段，高壓直流系統(tǒng)對限流的共性要求是一致的。

現(xiàn)有的高壓直流輸電技術主要分為電網(wǎng)換相換流器型高壓直流（line commutated converter based high voltage direct current，LCC-HVDC）輸電技術和基于電壓源型換流器（voltage source converter，VSC）的高壓柔性直流輸電技術［50］。隨著換流器在器件功率、耐壓水平以及通流能力等方面的進步，基于模塊化多電平換流器（modular multilevel converter，MMC）的柔性直流輸電技術逐漸凸顯優(yōu)勢，并已在實際直流輸電工程中得到廣泛應用［51］。典型半橋MMC的拓撲由三相6個橋臂構成，每個橋臂包含N個半橋子模塊，每個子模塊由1個容值為C0的電容和2個全控器件構成，全控器件可決定子模塊的投切或閉鎖。然而，與傳統(tǒng)交流電力系統(tǒng)相比，柔性直流系統(tǒng)故障危害更為嚴重。根據(jù)故障暫態(tài)分析可知：柔性直流系統(tǒng)發(fā)生故障時，在換流站閉鎖前，故障電流主要由各個子模塊的電容放電提供；在換流站閉鎖后，故障電流逐漸由橋臂電感續(xù)流及交流系統(tǒng)饋流提供［52］。典型MMC型直流系統(tǒng)短路故障分析方法及短路電流數(shù)值求解的詳細信息見文獻［53］，這里不再贅述。

對于直流故障來說，當系統(tǒng)采用閉鎖換流器的方式進行故障隔離時，會出現(xiàn)短時全網(wǎng)失電的情況，這會對并聯(lián)運行的交流系統(tǒng)造成嚴重沖擊，降低系統(tǒng)供電可靠性。使用毫秒級直流斷路器在換流器閉鎖之前切除故障，以換流器閉鎖作為直流斷路器后備保護，是能夠可靠維持系統(tǒng)在健全線路的供電能力、減少停電范圍的有效技術手段。但需要指出的是，換流器閉鎖動作時間不超過1 ms，而現(xiàn)有的直流斷路器及直流系統(tǒng)保護動作時間基本都在3 ms左右［51］，尚無法做到在故障發(fā)生后1 ms內開斷直流側故障，這意味著在故障發(fā)展期間，換流器中電流可能會迅速遠超于換流器保護整定值，令換流器發(fā)生自閉鎖［54］。為避免換流器閉鎖現(xiàn)象的發(fā)生，并延長故障電流至換流器保護整定值的時間，最直接有效的方式就是安裝直流限流器，輔助直流斷路器開斷［55-56］。

因此，直流系統(tǒng)對限流最主要的共性要求為：限流器必須在其所保護的直流線路任意位置發(fā)生故障時，均能被接入到故障回路中限制直流短路電流。在此前提下，以直流系統(tǒng)的環(huán)狀拓撲結構為例，如附錄A圖A1所示，直流限流器的接入方式可主要分為4種：換流站出口處［57］（如SFCL1所在位置）、換流站內部橋臂中（如SFCL2所在位置）、直流線路兩端（如SFCL3所在位置）、輸電系統(tǒng)交流側（如SFCL4所在位置）。目前，國內僅有南澳柔性直流示范工程中的R-SFCL完成了掛網(wǎng)，其接入位置為金牛站直流線路的出口端。

4.2 特性要求

結合如附錄A圖A2所示的超導直流限流器、直流斷路器和換流器在技術參數(shù)和動作邏輯方面的匹配協(xié)調關系，提煉系統(tǒng)對超導直流限流器的特性要求如下。

首先，為了確保故障發(fā)生初瞬間投入并開始限制短路電流，超導直流限流器應快速響應；其次，為了減輕換流器橋臂閉鎖壓力，實現(xiàn)與直流斷路器在動作速度方面的匹配，應限制故障電流上升速率；再次，為降低對直流斷路器最大切斷電流能力的要求及換流器持續(xù)耐流能力的要求，應限制直流短路電流幅值；另外，在故障切除后，為輔助直流系統(tǒng)盡快重合與自愈，超導直流限流器還應快速恢復到具備限流能力的初始狀態(tài)［25］。

將常導直流限流器和超導直流限流器在限流性能方面進行對比，結果如附錄A表A1所示。通過比較可以看出，超導直流限流器對制冷設備有剛需，但卻能夠解決常規(guī)限流器通流損耗大的共性問題。R-SFCL在故障期間的動態(tài)性能受超導帶材自身失超及恢復特性的影響較大，而I-SFCL響應時間迅速，在恢復時間上優(yōu)勢明顯。整體看來電感型動態(tài)性能更適合進行直流故障限流，也更容易匹配柔性直流系統(tǒng)對限流器的限流技術要求。

5 超導直流限流器的發(fā)展歷史

5.1 電阻型

文獻［58］在2005年利用YBCO超導薄膜研制出900 V/1 kA超導限流器樣機，并且在德國進行了直流限流測試實驗，將最大150 kA的直流故障電流被限制在2.73 kA。這是電阻型高溫超導直流限流器樣機測試研究的最早案例。

此后，文獻［59］于2009年利用YBCO帶材制造出400 V/149 A小型R-SFCL，如附錄A圖A3（a）所示，并且探索性地研究了利用超導直流限流器限制故障電流對直流斷路器開斷性能的影響。類似地，文獻［60］在2016年提出了在處理直流系統(tǒng)故障時把故障限流裝置和故障隔離裝置相互匹配結合的理念，針對機械式、固態(tài)式和復合式直流斷路器分別進行了故障仿真分析，探討集成R-SFCL的不同直流斷路器的開斷性能。由于當時國際上正廣泛開展直流斷路器的研究，且已有直流斷路器掛網(wǎng)工程示范［61］，因此該研究具備一定實際參考價值。

2013年，文 獻［62］提 出400 kV/1.5 kA的RSFCL樣機概念設計，擬通過大量餅繞限流模塊的串并連接，使得限流器的室溫電阻為15Ω。該樣機在當時處于概念設計和仿真搭建階段，此后，針對餅繞限流模塊又進行了直流沖擊下的失超恢復性能試驗分析［63］，但未見概念樣機進一步研究進展發(fā)布。在2016年，該團隊成功研制出一臺基于磁耦合的10 kV/400 A的R-SFCL，限 流 單 元 使 用YBCO高溫超導帶材，采用內外繞組反向繞制、相互嵌套的無感螺線管設計結構，并進行了直流短路試驗，最大失超電阻達1.5Ω，可將短路電流從12 kA限制到約6 kA［33］。此后，于2019年研制出一 臺40 kV/2 kA的R-SFCL樣機，其在9 kA、10 ms沖擊下的失超恢復時間小于300 ms，最大耐受電流超過10.5 kA，最大 限 流 電 阻 大 于2.5Ω，樣 機 如 附 錄A圖A3（b）所示。

文獻［32］于2013年至2014年研制出4 kV的RSFCL，如附錄A圖A3（c）所示，限流單元采用矩形模塊，并通過交直流通流試驗測試了每個限流模塊的電阻均勻性以及通流均勻性，該工作為后續(xù)采用同樣結構的R-SFCL研究提供了借鑒［64］。

2017年，文 獻［65］采 用10 mm寬 臨 界 電 流1 000 A（65 K、自場條件下）的YBCO帶材研制1 kA/50 kV電阻型高溫超導直流限流器，并計劃于2020年結項。該項目預算900萬歐元，匯聚歐洲各大主流科研院所和高校團隊協(xié)作，意在進一步發(fā)展高溫超導帶材技術、光纖失超檢測技術，大幅推進高溫超導在高壓直流故障限流領域的應用，提升技術和經(jīng)濟吸引力［66］。其線餅測試和樣機示意圖如附錄A圖A3（d）所示。

文獻［34］提出一種±160 kV/1 kA的R-SFCL，其限流電阻阻值可調，于2018年完成小型試驗樣機的測試，于2020年在中國南澳柔性直流輸電示范工程中完成短路試驗，現(xiàn)場照片如附錄A圖A3（e）所示。該R-SFCL含2個限流子單元，每個子單元含有12個串聯(lián)模塊，每個模塊含有4個或5個并聯(lián)線圈，每個線圈均由150 m長的YBCO帶材無感餅繞而成。運行時通過不同的接線方式，獲得不同大小的限流電阻阻值。該項目將建造目前世界上電壓等級最高的高溫超導直流限流器實體樣機，對未來工程設計和超導材料的發(fā)展意義重大。

5.2 電感型

1991年，文獻［40］設計了一臺低壓小電流超導直流限流器實驗樣機，采用磁耦合型拓撲實現(xiàn)了在50 ms內將6 A直流故障電流限制25%的效果，樣機本體的主視圖如附錄A圖A4（a）所示。然而，由于當時具有一定規(guī)模的直流電網(wǎng)尚未形成，直流系統(tǒng)中的故障特征和限流需求等問題也尚不明確，因此，該限流器在被提出之后并未在直流領域得到延續(xù)性的發(fā)展。另一方面，由于當時交流系統(tǒng)已形成一定規(guī)模，參考這種原理形成的磁耦合型超導交流限流器［67］和變壓器型超導交流限流器發(fā)展迅速。2006年至今，伴隨著直流輸電技術的發(fā)展，尤其是高壓直流輸電工程的推進，針對基于磁通補償?shù)挠性闯瑢е绷鞴收舷蘖髌鳎?2］和改進型磁耦合超導直流限流器［68］等研究也逐漸展開。

2017年，文獻［69］研制出一臺220 V/10 A復合I-SFCL小型實驗室樣機，采用有感超導線圈替代傳統(tǒng)直流平波電抗直接串聯(lián)在直流線路中，并集成了阻性外電路，具有不失超、阻感復合限流的特點。其中，超導線圈采用釓鋇銅氧（GdBCO）材料，與矩形非閉合鐵芯芯柱緊耦合繞制，可在限流過程中提供大電感；阻性外電路采用常規(guī)電阻，最大實驗直流短路電流為85 A，被限制后短路電流大小由外電路并聯(lián)電阻參數(shù)決定，在電阻為8Ω時約為27.1 A，此拓撲可以視為傳統(tǒng)電感型超導限流器的應用延伸，其拓撲結構和限流方案是I-SFCL優(yōu)化設計的有益參考。實驗室樣機及其整體測試電路如附錄A圖A4（b）所示。

2018年，文獻［37］利用鐵芯高磁導率及其與限流繞組的磁耦合關系，提出了一種基于楞次定律和零電阻特性的失超I-SFCL，并完成原理小樣機的制造與測試。如附錄A圖A4（c）所示，該限流器的超導短路環(huán)組由BSCCO帶材繞制，采用短路環(huán)的設計結構可使超導帶材用量減少，具有較好的經(jīng)濟性。同時，限流繞組與超導短路環(huán)組之間沒有直接的電氣連接，使得超導帶材與直流故障回路之間相互隔離，較好地保護了超導帶材。但該超導直流限流器仍依賴超導失超而體現(xiàn)電感特性，因此限流器恢復時間較長。此外，短路環(huán)的數(shù)量和安裝位置會直接影響限流器的響應速度和限流時間，如何根據(jù)實際直流系統(tǒng)進行參數(shù)優(yōu)化，亟待研究解決。

2018年，文獻［70］借鑒典型飽和鐵芯型超導限流器的設計思想，融合橋式電路結構，提出一種基于磁飽和的非失超I-SFCL，目前已完成±200 kV仿真驗證和小型原理樣機制造，原理驗證樣機如附錄A圖A4（d）所示。該限流器具備雙向限流能力，直流電源的容量需求低，超導帶材用量少。然而，該限流器限流能力取決于線圈與鐵磁材料的電磁耦合程度，對鐵磁材料、結構、尺寸及故障暫態(tài)特征的依賴性較高，導致限流電感難以準確計算。除此之外，當故障電流水平超過限流器設計限流能力時，將發(fā)生反向飽和現(xiàn)象，令限流器電感消失，喪失限流能力，極大地影響其持續(xù)限流時間。因此，對該種限流器進行參數(shù)的合理設計，令其快速退飽和后仍具備長時間的持續(xù)限流能力，是未來重要的研究課題。

超導直流限流器整體研究現(xiàn)狀如附錄A表A2所示［71］。

除此之外，文獻［72-81］分別在超導直流限流器的失超性能分析、與斷路器匹配協(xié)調方法分析、超導模塊電磁熱力多場分析和限流單元低絕緣性能分析等諸多方面做出了重要貢獻，為超導直流限流器綜合性能的深入研究提供了有力支撐。

6 超導直流限流器的應用展望

從全球范圍來看，近年來中國對高溫超導直流限流器的研究較為集中，其主要原因在于中國廣闊復雜的地貌和密集的人口分布，使其具有世界上最復雜的交直流電力網(wǎng)絡構架，促使了高壓直流輸電技術的快速發(fā)展，為高溫超導直流限流器等一次設備的示范運行提供了可能。與此同時，對高效穩(wěn)定、大容量的輸配電能的迫切需求，加快了各研究單位在直流限流器性能優(yōu)化上探索的步伐。另一方面，近年內中國科研團隊在高溫超導研究領域的多項杰出發(fā)現(xiàn)和成就，也為超導直流限流器的發(fā)展奠定了扎實的理論基礎和豐富的技術支持。

可以預見，未來隨著高溫超導材料向更高臨界轉變溫度發(fā)展以及制冷技術的高效化，制冷需求必不再是首當其沖的制約因素。屆時，當制冷功率小于常規(guī)限流器損耗功率時，超導限流器的優(yōu)勢將愈發(fā)顯著。

6.1 超導直流限流斷路器

超導直流限流器的主要作用之一是降低最大短路電流并輔助直流斷路器的開斷，因此，如果將限流器和斷路器進行融合，研究帶有限流能力的超導直流斷路器具有明確的應用價值，也為直流保護提供了一種新選擇［82-84］。超導限流開斷技術主要由超導限流和直流開斷2個部分構成，其在有效提升直流斷路器開斷容量、降低開斷過電壓、縮減設備體積和保障直流系統(tǒng)運行可靠性方面均起到十分積極的作用［85-87］。但由于集成了限流和開斷環(huán)節(jié)，存在的關鍵問題也隨之增加，如超導限流模塊的絕緣特性、快速機械開關的開斷能力和操控速度問題、電弧振蕩過程的燃弧時間、全控開關器件的經(jīng)濟效益等［88-89］。

6.2 中低壓直流配電網(wǎng)應用

中低壓直流配電網(wǎng)可以有效提高電能質量，充分發(fā)揮分布式能源的價值和效益，有效節(jié)約配電線路走廊，具有極大的發(fā)展?jié)摿Γ?0-92］。因此，除了在高壓直流輸電系統(tǒng)中應用外，發(fā)展面向中低壓直流配電網(wǎng)中應用的小容量超導直流限流器也具有現(xiàn)實意義，是高溫超導直流限流器商業(yè)化應用的可行途徑。

除此之外，還可以將超導直流限流器與超導電機、超導變壓器和超導電纜相結合，構建全超導電力網(wǎng)絡。

7 結語

在選取超導直流限流器進行應用時，從超導材料的角度來說，相比高溫超導膜材和塊材，高溫超導線材在機械性能、量產(chǎn)成本和載流密度等方面具有更為綜合的優(yōu)勢，更適用于研制超導限流器。從超導限流器自身來說，其需要在發(fā)生故障時準確接入故障回路，并具備快速響應、抑制電流幅值、抑制上升率以及快速恢復的能力。

超導直流限流器在運行時低阻感、故障時高阻感，具有電力系統(tǒng)中理想的限流性能，主要可分為電阻型和電感型2種，其中電感型又可分為失超電感型、復合電感型和非失超電感型。R-SFCL結構緊湊、原理簡單，在制造工藝上已經(jīng)較為成熟；I-SFCL工作原理復雜、磁路計算困難。

相比常規(guī)限流器，超導限流器造價高和需要大功率制冷設備是其應用推廣過程中亟待解決的重要問題。因此，更小耗材量、更易于輔助直流斷路器實現(xiàn)選擇性故障隔離的電感型超導限流器將可能成為未來應用的首選。

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