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近年來，超導(dǎo)帶材制備技術(shù)取得了很大進(jìn)展，高溫超導(dǎo)帶材的性能不斷提高，為超導(dǎo)電力裝備的研發(fā)及其應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。超導(dǎo)電力裝備中，高溫超導(dǎo)電纜比常規(guī)電纜具有損耗低、輸送容量大、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已有多組超導(dǎo)電纜系統(tǒng)試驗(yàn)運(yùn)行。

與常規(guī)輸電線路或電纜相比，超導(dǎo)電纜短路阻抗低，短路電流大。以美國Albany超導(dǎo)電纜示范項(xiàng)目為例，超導(dǎo)電纜的電容與常規(guī)電纜和架空線相當(dāng)，超導(dǎo)電纜的電感約為常規(guī)電纜的1/6。高溫超導(dǎo)電纜輸電可以在低電壓等級(jí)下傳輸更大的容量，其線路損耗和電磁熱損耗更小，需要的安裝空間更少。然而，當(dāng)?shù)妥杩钩瑢?dǎo)電纜在電力系統(tǒng)中大量使用時(shí)，將會(huì)增大電力系統(tǒng)故障時(shí)的短路電流。

此外，超導(dǎo)限流器（superconducting fault current limiter, SFCL）的研究也獲得了很大進(jìn)展。

• 1999年，美國利用3個(gè)Bi—2223高溫超導(dǎo)線圈研制出三相15kV/20kA的橋路型SFCL。
• 2005年，日本研究學(xué)者用運(yùn)行溫度Bi—2223高溫超導(dǎo)帶材研制出一臺(tái)6.6kV等級(jí)的樣機(jī)。
• 2003年，韓國成功使用Bi—2223超導(dǎo)帶材繞制了一臺(tái)6.6kV/200A的樣機(jī)高溫超導(dǎo)限流器。
• 2013年，上海交通大學(xué)制備了一臺(tái)10kV/200A基于二代高溫超導(dǎo)帶材的電阻型限流器，并實(shí)現(xiàn)掛網(wǎng)運(yùn)行。在由于系統(tǒng)故障等原因出現(xiàn)過電流時(shí)，通過改變限流器運(yùn)行狀態(tài)，在線路中產(chǎn)生較大的阻抗，從而限制短路電流，有響應(yīng)速度快、正常運(yùn)行時(shí)對(duì)電網(wǎng)影響小的優(yōu)點(diǎn)。

為了解決常規(guī)超導(dǎo)電纜短路阻抗低的問題，德國的“AmpaCity”項(xiàng)目首次將超導(dǎo)電纜與超導(dǎo)限流器在實(shí)際電網(wǎng)中聯(lián)合使用。但超導(dǎo)限流器的使用會(huì)增加系統(tǒng)建造成本，故針對(duì)高溫超導(dǎo)電纜與超導(dǎo)限流器的運(yùn)行特點(diǎn)，利用第二代高溫超導(dǎo)體不僅能夠傳輸大電流，還具備了限制故障電流的特性。因此，發(fā)生故障時(shí)，因故障電流過大而不能相連的母線和變壓器可以通過超導(dǎo)限流電纜連接，實(shí)現(xiàn)設(shè)備共享，減少系統(tǒng)建設(shè)成本。

高溫超導(dǎo)電纜為了保護(hù)導(dǎo)體層在故障過程中不被燒毀，并聯(lián)銅骨架以分流的方式減少了電纜的產(chǎn)熱和溫升。為此，研究人員提出超導(dǎo)限流電纜的概念，利用高溫超導(dǎo)帶材失超時(shí)電阻增大來減少故障電流，減少來自各連接變電站的沖擊，從而提高電能質(zhì)量。

有學(xué)者通過調(diào)整ReBCO超導(dǎo)帶材的銅層厚度、超導(dǎo)電纜長度及其臨界電流，可以在0.2s內(nèi)將故障電流限制在額定電流的3倍以內(nèi)。有學(xué)者測試限流導(dǎo)體的暫態(tài)特性，并推斷出較長的限流電纜將表現(xiàn)出更好的限流性能，允許斷路器切斷故障電流的時(shí)間更長，甚至消除對(duì)斷路器的需要。但銅的電阻率較小，并沒有起到很好的限流作用，如何提高超導(dǎo)限流電纜的限流能力仍是一個(gè)問題。

新能源國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)）、國網(wǎng)浙江省電力有限公司的研究人員依據(jù)不銹鋼加強(qiáng)的第二代超導(dǎo)帶材的結(jié)構(gòu)和電磁特性，提出一種超導(dǎo)限流電纜的概念。該電纜采用不銹鋼絲絞線為骨架，第二代高溫超導(dǎo)帶材主要成分為不銹鋼，超導(dǎo)電纜失超后，電纜導(dǎo)體電流和溫度分布均勻，可以避免局部過熱現(xiàn)象。

在對(duì)超導(dǎo)帶材失超電阻、抗短路沖擊能力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，他們設(shè)計(jì)出10kV/1kA高溫超導(dǎo)限流電纜，分析超導(dǎo)限流電纜在故障電流（短路時(shí)間100ms）情況下的限流特性、失超及恢復(fù)特性，驗(yàn)證其可實(shí)現(xiàn)傳輸電流和限制短路電流的功能，為超導(dǎo)限流電纜的實(shí)際應(yīng)用提供重要依據(jù)。

圖1 實(shí)驗(yàn)測試實(shí)物

圖2 高溫超導(dǎo)限流電纜結(jié)構(gòu)示意圖

科研人員指出，在液氮溫度77K和工頻50Hz下，對(duì)不銹鋼加強(qiáng)的第二代高溫超導(dǎo)帶材樣品進(jìn)行了100ms短路電流超過臨界電流7倍以上的沖擊實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，在第一個(gè)周期內(nèi)電流明顯上升，在第二個(gè)周期后，電流減小，具有明顯的限流作用。

圖3 高溫超導(dǎo)限流電纜模型實(shí)物

由于不銹鋼具有較大的電阻率，超導(dǎo)限流電纜采用不銹鋼骨架。當(dāng)其受到20倍額定電流的沖擊時(shí)，電纜的溫度迅速上升至443K（170℃），并經(jīng)過300s由443K恢復(fù)到77K。由于導(dǎo)體層與不銹鋼骨架并聯(lián)，沖擊電流主要流過不銹鋼骨架，只有很小的電流流過導(dǎo)體層中超導(dǎo)帶材的不銹鋼層，從而保護(hù)超導(dǎo)帶材不被損壞。

科研人員表示，當(dāng)系統(tǒng)突發(fā)短路故障時(shí)，高溫超導(dǎo)限流電纜的電阻增大，可以將故障電流限制在額定電流的2.5倍以內(nèi)，具有很強(qiáng)的限流能力，可實(shí)現(xiàn)電流傳輸和限制短路電流的功能。

本文編自2022年第1期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“基于第二代高溫超導(dǎo)帶材的超導(dǎo)限流電纜限流特性研究”，作者為馬思明、王銀順 等。