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当代世界电力科技热点——超导限流器 |
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| 当代世界电力科技热点——超导限流器 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-24 9:56:50  |
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许东升 王英汉
四平供电公司
1 限流器及其应用
电抗器是依靠线圈的感抗，起阻碍电流变化作用的电器。限流电抗器是串联在输电线路中，用于限制电力系统短路电流的电器，也称串联电抗器或故障限流器，简称限流器。其作用是当线路或母线发生故障时，使后接设备的短路电流不超过容许值，母线电压保持在额定电压的60%~70%，减少断路器的开断容量并保证可靠开断。
由限流器的作用可知，理想的限流器除了应满足电力设备制造和运行标准外，还应在串入电力线路后对电网运行无影响或影响很小，在电网正常运行时表现为零阻抗或极小阻抗，在电网出现短路故障时，迅速变成高阻抗。具体说就是：动作速度快，反应时间小于20ms（在一个电力周波内）；可在电力系统故障时自动触发；能将短路电流减少一半以上；故障线路被断路器开断后，能快速自动复位并在几秒之内多次动作，以配合重合闸；正常运行时，功耗应接近于零，最大不能高于输送功率的0.25%；可靠性应高于与其同时运行的断路器。现在的线绕限流器，无论是混凝土、环氧玻璃纤维等空芯干式结构，还是油浸式结构，虽在故障时起到一定的限流作用，但与“理想状态”相距甚远。突出的缺点是：正常运行时功耗大；动作反应慢；对电网的稳定性有一定影响。
发达国家对限流器的研究非常重视。用过去的材料和技术研制新型限流器已不可能了，用大功率晶闸管取代传统开关已把输变电带入新领域，但还有更新的天地。
2 超导技术已经实用化
20世纪伟大的科学成就之一就是发现了超导现象和制成了高温超导材料。在该领域工作的科学家们曾两度荣获诺贝尔物理奖。
超导是指某些物质在温度下降到某一温度Tc以下时，电阻变为零的现象。Tc称为该物质的转变温度或临界温度。具有超导功能的材料，当其温度T>Tc时，处于正常态，电阻不为零且服从一般的电阻规律；当T<Tc时，电阻为零。
处于超导态的物体具有两个特性：电阻完全为零；完全抗磁性，即超导体内磁感应强度为零。上述特性可稳定保持和重复。这三点是国际上公认的检验物体是否超导的准则。
当超导体内通过的电流超过某一数值Ic时，超导体会由超导态变为正常态，Ic则称为临界电流。当外磁场强度超过某一数值Hc时，超导现象也会消失，Hc称为临界磁场。因此，要使物体处于超导状态，必须使其温度、外磁场强度、通过的电流分别在Tc、Hc、Ic以下，任何一个条件不具备，物体就会从超导态变为正常态。这一特性中的Ic成为用超导材料制造限流器的极好条件。
自从1911年荷兰物理学家昂尼斯发现汞在低温下的超导现象以来，科学家发现的低温超导材料已达8000多种。但由于Tc过低，实用价值不大。直到1986年，美国的柏诺兹和缪勒制造出高温超导材料（中国的赵忠贤等在1987年也制造出临界温度为100K的高温超导化合物），才使超导体有了实用的可能。高、低温超导材料临界温度的分界是77K（–196℃），低于该温度的超导体用液氦（He）冷却，高于该温度的超导体用液氮（N）冷却。液氦每升3美元、液氮每升6美分，价格相差50倍！高温超导材料的出现，使制造超导限流器的设想变成了现实。
3 超导限流器的工作原理
超导限流器（英文缩写SFCL）是利用超导材料的超导态––正常态（S–N）转变特性及一些辅助部件，在线路出现故障时产生一个适当的阻抗来实现限流。当故障线路被断开或故障消失后，限流器自动复位。限流器可在高电位运行，正常运行时表现为零阻抗或极小阻抗，几乎无损耗地通过额定电流；故障时可在几毫秒内作出反应，根据需要把短路电流限制在额定电流的两倍左右。触发、复位均自动，限流效果显著，实现了取样、检测、触发、限流、复位一体化。
根据限流方式，限流器可分为电阻（R）型、电抗（L）型和R+jwL型。
电阻型限流器的原理最简单。线路正常运行时，流过限流器的交流电流最大值小于临界电流Ic。出现短路故障时，短路电流超过Ic，限流器失超，在线路中表现为一个电阻，起到限流作用。电抗型限流器主要是利用超导体的S–N转变改变各个线圈电流的分布，以实现限流功能。正常运行时，限流线圈的磁通被与其耦合的其它线圈的磁通所抵消，表现为低阻抗。发生故障时，超导部件失超，从而改变各线圈电流的分布情况，使限流线圈呈现一个较大阻抗，以实现限流。R型、L型限流器结合在一起，可组成R+jwL型限流器。据日本电气学会1999年介绍：高电阻R型限流器效果最好，不仅限制故障电流，还提高电网的稳定性。
4 超导限流器的发展
早在本世纪20年代，就有人提出了超导限流器的设想。70年代，由于首次发现了可以进入液氢（H）温区的超导材料（23.3K），因此国外有人申请了超导限流器的专利。美国阿贡实验室和能源部电力研究所最早对超导限流器进行了研究。美国人研究了电阻型限流器；英国人提出了饱合铁芯电抗器型限流器的原理设计及一台样品。但由于超导线材极贵且交流损耗大，使得限流器的应用受到限制。
1983年，由于研制出低交流损耗的钛铌极细合金丝，发达国家又开展了限流器的研究，美国西屋公司和洛斯阿拉莫斯实验室提出了桥路型限流器。1986年，法国提出了变压器型限流器。1994年，日本东芝公司制成了将短路电流从25.8kA限制到4.0kA的限流器。1995年，法国制成了将电流从11kA限制到1.1kA的限流器。
1986年以后，由于高温超导限流器可用液氮冷却，能使运行成本大大下降，因此美国等十几个国家又开展了高温限流器的研究。1993年，加拿大和ABB公司分别研制出用高温超导块材烧结成的部件。1994年，ABB公司研制成480V/250A的限流器，1996年又研制出1.2MVA的三相限流器，并在一个电厂投入运行。美国、日本、德国、澳大利亚等国也利用高温超导薄膜作主要部件研制限流器。
美国LMC公司现已开始研究69kV级的限流器，已把高温超导限流器商业化作为近期目标提上日程。法国的研究人员认为高温超导限流器即将产业化，145kV级的超导限流器将拥有全球范围内的市场。他们计划研制出用于法国225kV电网联络母线的1000MVA级三相高温超导限流器。现在，日本东京电力公司每年用于研究超导限流器的费用为100万美元，预计在2010年500kV输电系统中将配备高温超导限流器。在美国能源部制定的1998~2010年国家能源战略计划中，把超导电力设备的应用作为实现其目标的有效途径。专家们预计：在2000年以后的几年里，高温超导电力设备的销售额可达40~60亿美元，其中高温超导限流器将占主要部分。
现在，国际上普遍认为，超导限流器将是高温超导体大规模应用的领头产品，将最先投入工业规模级的生产和应用。
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