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近年來，超導帶材制備技術取得了很大進展，高溫超導帶材的性能不斷提高，為超導電力裝備的研發(fā)及其應用奠定了堅實基礎。超導電力裝備中，高溫超導電纜比常規(guī)電纜具有損耗低、輸送容量大、占地面積小等優(yōu)點，現(xiàn)已有多組超導電纜系統(tǒng)試驗運行。

與常規(guī)輸電線路或電纜相比，超導電纜短路阻抗低，短路電流大。以美國Albany超導電纜示范項目為例，超導電纜的電容與常規(guī)電纜和架空線相當，超導電纜的電感約為常規(guī)電纜的1/6。高溫超導電纜輸電可以在低電壓等級下傳輸更大的容量，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?shù)妥杩钩瑢щ娎|在電力系統(tǒng)中大量使用時，將會增大電力系統(tǒng)故障時的短路電流。

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

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

為了解決常規(guī)超導電纜短路阻抗低的問題，德國的“AmpaCity”項目首次將超導電纜與超導限流器在實際電網(wǎng)中聯(lián)合使用。但超導限流器的使用會增加系統(tǒng)建造成本，故針對高溫超導電纜與超導限流器的運行特點，利用第二代高溫超導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，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限流電纜連接，實現(xiàn)設備共享，減少系統(tǒng)建設成本。

高溫超導電纜為了保護導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，研究人員提出超導限流電纜的概念，利用高溫超導帶材失超時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。

有學者通過調(diào)整ReBCO超導帶材的銅層厚度、超導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)。有學者測試限流導體的暫態(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間更長，甚至消除對斷路器的需要。但銅的電阻率較小，并沒有起到很好的限流作用，如何提高超導限流電纜的限流能力仍是一個問題。

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

在對超導帶材失超電阻、抗短路沖擊能力進行實驗研究的基礎上，他們設計出10kV/1kA高溫超導限流電纜，分析超導限流電纜在故障電流（短路時間100ms）情況下的限流特性、失超及恢復特性，驗證其可實現(xiàn)傳輸電流和限制短路電流的功能，為超導限流電纜的實際應用提供重要依據(jù)。

圖1 實驗測試實物

圖2 高溫超導限流電纜結(jié)構示意圖

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

圖3 高溫超導限流電纜模型實物

由于不銹鋼具有較大的電阻率，超導限流電纜采用不銹鋼骨架。當其受到20倍額定電流的沖擊時，電纜的溫度迅速上升至443K（170℃），并經(jīng)過300s由443K恢復到77K。由于導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體層中超導帶材的不銹鋼層，從而保護超導帶材不被損壞。

科研人員表示，當系統(tǒng)突發(fā)短路故障時，高溫超導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)，具有很強的限流能力，可實現(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》，論文標題為“基于第二代高溫超導帶材的超導限流電纜限流特性研究”，作者為馬思明、王銀順 等。