目前，直流系統(tǒng)普遍存在短路故障電流幅值大、上升率高且難以開(kāi)斷的問(wèn)題，如柔性直流系統(tǒng)短路故障電流可在幾毫秒內(nèi)上升到幾萬(wàn)安培。系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，系統(tǒng)電壓驟降，需要快速可靠地開(kāi)斷短路電流防止其對(duì)系統(tǒng)和換流站造成損害。

隨著船舶向大型化和自動(dòng)化方向發(fā)展，船舶動(dòng)力系統(tǒng)的容量也越來(lái)越大，單機(jī)容量隨之增大，使艦船直流系統(tǒng)的短路故障電流迅速增大，目前可達(dá)幾十萬(wàn)安培]。軌道交通直流牽引系統(tǒng)的供電容量不斷增大，使短路故障電流可在幾毫秒上升到幾十萬(wàn)安培。直流系統(tǒng)短路故障電流幅值大、上升率高，直流電弧無(wú)自然過(guò)零點(diǎn)，能量連續(xù)，使得直接開(kāi)斷十分困難。

超導(dǎo)限流器（Superconducting Fault Current Limiter, SFCL）在直流輸配電系統(tǒng)中能限制直流電壓的下降和直流電流的激增。超導(dǎo)故障限流器有多種結(jié)構(gòu)，包括電阻型、電抗型、橋路型、飽和鐵心型和變壓器型等。

根據(jù)限流方式的不同，直流超導(dǎo)限流器通常分為電阻型超導(dǎo)限流器和電感型超導(dǎo)限流器。電感型超導(dǎo)限流器，只能限制直流系統(tǒng)故障電流上升率，不能限制故障電流幅值。電阻型超導(dǎo)限流器既能限制故障電流上升率，又能限制故障電流幅值。電阻型超導(dǎo)限流器反應(yīng)迅速，可在1ms內(nèi)反應(yīng)，并將短路電流限制到較低水平。

有學(xué)者通過(guò)仿真研究了兩種超導(dǎo)限流器在直流系統(tǒng)的限流效果。指出電感型超導(dǎo)限流器可有效地抑制直流線路故障電流及初始電流上升率，但無(wú)法從根本上避免換流站閉鎖。而采用電阻型超導(dǎo)限流器限流時(shí)，雖然故障發(fā)生1ms內(nèi)故障電流上升率較快，但之后電流基本穩(wěn)定在較低水平，未超過(guò)換流器閾值電流，避免了換流站閉鎖。

電阻型超導(dǎo)限流器通常由高溫超導(dǎo)帶材繞制的線圈組成，利用超導(dǎo)材料的失超電阻來(lái)限流。電阻型超導(dǎo)故障限流器在直流系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，超導(dǎo)限流器處于超導(dǎo)態(tài)，不產(chǎn)生額外的功率損耗。當(dāng)直流故障發(fā)生后，故障電流超過(guò)超導(dǎo)的臨界電流，超導(dǎo)立即失超，變?yōu)榇箅娮瑁焖傧哪芰?，有效降低直流線路過(guò)電流，遏制電壓下降。

有學(xué)者認(rèn)為在上述限流器中，電阻型超導(dǎo)限流器是直流系統(tǒng)中最好的選擇。電阻型超導(dǎo)限流器不僅可以限制故障電流，同時(shí)可以補(bǔ)償柔性直流系統(tǒng)中的電壓降。其失超后成阻態(tài)，可形成過(guò)阻尼電路，防止故障電流振蕩。

電阻型超導(dǎo)限流器集檢測(cè)、轉(zhuǎn)換、限流于一身，并且具有通態(tài)損耗極低、響應(yīng)速度快、限流程度深的優(yōu)勢(shì)，是目前直流超導(dǎo)限流器的研究熱點(diǎn)。B. Li 和P. Chang 等認(rèn)為電阻型超導(dǎo)限流器是高壓直流輸電系統(tǒng)和柔性直流輸電系統(tǒng)中最合適的選擇。西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室智能電器裝備與系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)分別研究了電阻型超導(dǎo)限流器與氣體直流斷路器、真空直流斷路器和混合式直流斷路器配合實(shí)現(xiàn)直流短路故障電流開(kāi)斷的技術(shù)。

本文介紹的超導(dǎo)限流直流開(kāi)斷技術(shù)包括超導(dǎo)限流自激振蕩式直流開(kāi)斷技術(shù)、超導(dǎo)限流強(qiáng)迫過(guò)零式直流開(kāi)斷技術(shù)和超導(dǎo)限流混合式直流開(kāi)斷技術(shù)，適用于中高壓直流系統(tǒng)。超導(dǎo)限流自激振蕩式直流斷路器將超導(dǎo)限流與氣體直流斷路器串聯(lián)，其中的氣體直流斷路器采用自激振蕩直流開(kāi)斷方式，利用氣體電弧的負(fù)電阻特性和不穩(wěn)定性與并聯(lián)的電容、電抗產(chǎn)生自激振蕩電流，建立人工過(guò)零點(diǎn)開(kāi)斷直流電流。

超導(dǎo)限流強(qiáng)迫過(guò)零式直流斷路器將超導(dǎo)限流與真空斷路器串聯(lián)，真空斷路器通過(guò)并聯(lián)的預(yù)充電電容放電，產(chǎn)生人工零點(diǎn)開(kāi)斷直流電流。超導(dǎo)限流混合式直流斷路器將超導(dǎo)限流與混合式直流斷路器串聯(lián)，混合式直流斷路器利用電力電子器件開(kāi)斷直流故障電流。

本文綜述了超導(dǎo)限流直流開(kāi)斷技術(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真分析不同超導(dǎo)限流直流開(kāi)斷技術(shù)的工作過(guò)程和原理。本文分析了電阻型直流超導(dǎo)限流器限制直流短路故障電流的特性，并且介紹了超導(dǎo)限流自激振蕩式、超導(dǎo)限流強(qiáng)迫過(guò)零式和超導(dǎo)限流混合式直流斷路器的工作原理、開(kāi)斷過(guò)程和配合特性。

圖1 超導(dǎo)帶材限流特性測(cè)試電路

圖9 超導(dǎo)限流式真空直流開(kāi)斷樣機(jī)電路拓?fù)?/p>

圖10 超導(dǎo)帶材繞制盤

結(jié)論

本文針對(duì)直流系統(tǒng)短路故障電流幅值高、上升率大的問(wèn)題，提出采用超導(dǎo)限流直流開(kāi)斷技術(shù)解決。本文分析了三種超導(dǎo)限流直流斷路器，分別為超導(dǎo)限流自激振蕩式、超導(dǎo)限流強(qiáng)迫過(guò)零式和超導(dǎo)限流混合式直流斷路器的工作原理、開(kāi)斷過(guò)程和配合方式。仿真分析了200kV/30kA超導(dǎo)限流自激振蕩開(kāi)斷過(guò)程，完成了10kV/10kA超導(dǎo)限流強(qiáng)迫過(guò)零直流電流開(kāi)斷試驗(yàn)和55V/55A超導(dǎo)限流混合式直流電流開(kāi)斷試驗(yàn)。

本文介紹的超導(dǎo)限流直流開(kāi)斷三種方式與機(jī)械式直流開(kāi)斷技術(shù)相比，具有開(kāi)斷容量大、開(kāi)斷過(guò)電壓低和可靠性高、系統(tǒng)其他設(shè)備不用承受過(guò)大短路電流沖擊，能減少其他設(shè)備的成本和體積的優(yōu)勢(shì)。超導(dǎo)限流直流開(kāi)斷技術(shù)與混合式直流開(kāi)斷技術(shù)相比，具有通態(tài)損耗低、系統(tǒng)短路故障電流幅值和上升率低、開(kāi)斷過(guò)電壓低、能提高設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性及可靠性的優(yōu)勢(shì)。

為了滿足直流輸電快速發(fā)展的需求，對(duì)于超導(dǎo)限流器，應(yīng)進(jìn)一步關(guān)注其絕緣特性；對(duì)于自激振蕩式開(kāi)斷單元，應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化，加快電弧振蕩過(guò)程并降低燃弧時(shí)間；對(duì)于強(qiáng)制過(guò)零開(kāi)斷單元，重點(diǎn)應(yīng)優(yōu)化振蕩回路參數(shù)，以及提升其在小電流情況下的開(kāi)斷能力；對(duì)于混合式開(kāi)斷單元，重點(diǎn)應(yīng)提高機(jī)械開(kāi)關(guān)操控速度及提升換流速度，減少串并聯(lián)電力半導(dǎo)體器件數(shù)量，提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性。