学术简报｜磁通约束型超导限流开关系统应用
华中科技大学电气与电子工程学院的研究人员张立晖、石晶等，在2018年第22期《电工技术学报》上撰文指出，随着社会的日益进步和经济的快速发展，对电力需求量越来越大，电力系统的规模也进一步扩大，致使其短路电流水平不断提高，超过现有断路器的遮断能力。磁通约束型超导限流开关是一种具有快速响应速度且能有效抑制短路电流的装置。
结合10kV特定传输线路，选取限流开关各部件参数，并提出相应的控制策略。再者，对限流开关内的耦合超导电感线圈进行初步的电磁设计。同时，由于引入限流开关可能会影响电力系统内原有继电保护装置的性能，针对距离保护，理论分析故障过程中限流阻抗的投切对其工作特性的影响，并提出改善措施。最后在Matlab/Simulink中搭建带有磁通约束型限流开关的10kV电力系统仿真模型，仿真研究证明了上述分析结论。
结果表明，引入磁通约束型限流开关能有效降低故障电流水平，但其会缩短电力系统原有距离保护装置的保护范围，而对阻抗继电器的动作特性采用合理的修订方法可消除该影响。
近年来电力系统规模发展迅速，导致系统短路电流水平日益增高。华东电网形成以500kV电压等级为主网骨干网架结构及220kV电压等级以下电网分层分区运行的格局。在特大型城市或城市集群，如北京、上海、广州等，负荷大小和负荷密度的增加可能导致短路电流迅速达到甚至超过现有断路器的最大遮断电流63kA。
然而，从现代电力系统及其技术发展趋势来看，仅依靠提升断路器遮断能力解决日益增长的短路电流问题存在一定的局限性：一方面，研制超大容量断路器在技术上存在相当大的难度；另一方面，出于电力设备经济性考虑，不适于无限度地提升断路器的遮断容量。
有效限制短路电流不仅可解决电力系统短路容量超标问题，而且还可能大大降低电网中各种电气设备，如变压器、断路器等的短路容量，因此充分有效地限制短路电流并降低断路器的开断容量是电力系统所面临的现实问题。
从人们提出限流器的概念至今，经过40多年的努力，国内外科研机构、高等院校、电力公司研发了各种不同形式的限流器（Fault Curent Limiter, FCL）。
根据应用材料的不同，大致将其分为两类：一类是选用常规材料，此类限流器的结构形式和限流机理各有特色，例如，基于开关通断改变电流路径的电流转移型，采用串补技术的串联补偿型，利用谐振原理的谐振型以及依靠柔性交流输电技术（Flexible Alternative Current Transmission System, FACTS）的固态型等；另一类则是使用新型材料，其代表类型是基于超导材料的超导限流器（Superconducting Fault Current Limiter, SFCL）。如今，SFCL是目前限制电网短路电流最为有效且最具有研究前景的设备之一。
随着超导材料的出现与研制的不断成熟，大量地运用超导材料及其特性而开发的SFCL不断涌现，目前已经具有多种主流结构模式，例如，电阻型、串联谐振型、磁屏蔽型、桥路型、饱和铁心型等。
为充分利用新材料和新器件的优势，进一步探究适用于高压大容量系统的故障限流器新原理与新拓扑，文献[8]提出了一种磁通约束型限流器，该限流器通过主、辅断路器的配合动作达到投切限流阻抗及开断线路的目的。文献[9]通过理论分析及仿真证明了该限流器的可行性与经济性。文献[10]对该限流装置进行了改进并应用于直流输电系统。
本文首先简要介绍了磁通约束型超导限流开关（Flux Coupling-Superconducting Fault Current Limiting Switch, FC-SFCLS）的结构和原理；其次结合特定应用场景（10kV输电线路），选取了磁通约束型限流开关的部件参数并制定了控制方法；接下来对限流开关内的耦合电感线圈进行了电磁设计；再次从机理上分析引入限流开关对系统原有距离保护装置的影响并提出了相应的改善措施；最后基于Matlab/Simulink搭建仿真模型，并证明了上述结论。
图1 磁通约束型超导限流开关拓扑结构
图2 磁通约束型限流开关装配示意图
本文在简要介绍磁通约束型超导限流开关拓扑结构与原理的基础上，对限流开关内的耦合超导电感线圈进行了电磁设计，而后分析了引入限流开关对电力系统原有距离保护的影响，通过搭建仿真模型对所得结论进行了验证。
结果表明：磁通约束型超导限流开关在基于现有断路器技术，且不改变系统的运行方式、网络结构等前提下，能有效地开断大容量故障电流。但由于该装置在系统故障过程中将会投入限流电抗以限制故障电流，不可避免地会影响系统原有距离保护装置的动作（其他限流装置也存在此问题）。采用将限流阻抗计入到整定阻抗之中的阻抗继电器动作特性修订方法，能有效地降低因引入限流开关而对保护装置产生的影响。