学术简报︱超导限流直流开断技术研究
电力设备电气绝缘国家重点实验室（西安交通大学）的研究人员王建华、项彬、杨騉、高磊、刘志远，在2019年第20期《电工技术学报》上撰文指出，柔性直流系统、船舶直流系统和轨道交通直流牵引系统普遍存在短路故障电流幅值大、上升率高以及现有直流断路器难以快速可靠开断的问题。超导限流直流开断技术利用高温超导带材的快速限流特性，在短路故障发生后1ms内自动反应，将短路故障电流限制到较低幅值，极大地降低了直流断路器的开断难度和负担。
该文首先介绍了直流超导限流器的限流特性，然后研究三种超导限流直流开断技术：超导限流自激振荡式、超导限流强迫过零式和超导限流混合式直流开断技术。仿真分析200kV/30kA超导限流自激振荡直流开断过程，完成了10kV/10kA超导限流强迫过零直流电流开断试验和55V/55A超导限流混合式直流电流开断试验。
目前，直流系统普遍存在短路故障电流幅值大、上升率高且难以开断的问题，如柔性直流系统短路故障电流可在几毫秒内上升到几万安培。系统发生短路故障时，系统电压骤降，需要快速可靠地开断短路电流防止其对系统和换流站造成损害。
随着船舶向大型化和自动化方向发展，船舶动力系统的容量也越来越大，单机容量随之增大，使舰船直流系统的短路故障电流迅速增大，目前可达几十万安培]。轨道交通直流牵引系统的供电容量不断增大，使短路故障电流可在几毫秒上升到几十万安培。直流系统短路故障电流幅值大、上升率高，直流电弧无自然过零点，能量连续，使得直接开断十分困难。
超导限流器（Superconducting Fault Current Limiter, SFCL）在直流输配电系统中能限制直流电压的下降和直流电流的激增。超导故障限流器有多种结构，包括电阻型、电抗型、桥路型、饱和铁心型和变压器型等。
根据限流方式的不同，直流超导限流器通常分为电阻型超导限流器和电感型超导限流器。电感型超导限流器，只能限制直流系统故障电流上升率，不能限制故障电流幅值。电阻型超导限流器既能限制故障电流上升率，又能限制故障电流幅值。电阻型超导限流器反应迅速，可在1ms内反应，并将短路电流限制到较低水平。
有学者通过仿真研究了两种超导限流器在直流系统的限流效果。指出电感型超导限流器可有效地抑制直流线路故障电流及初始电流上升率，但无法从根本上避免换流站闭锁。而采用电阻型超导限流器限流时，虽然故障发生1ms内故障电流上升率较快，但之后电流基本稳定在较低水平，未超过换流器阈值电流，避免了换流站闭锁。
电阻型超导限流器通常由高温超导带材绕制的线圈组成，利用超导材料的失超电阻来限流。电阻型超导故障限流器在直流系统正常运行时，超导限流器处于超导态，不产生额外的功率损耗。当直流故障发生后，故障电流超过超导的临界电流，超导立即失超，变为大电阻，快速消耗能量，有效降低直流线路过电流，遏制电压下降。
有学者认为在上述限流器中，电阻型超导限流器是直流系统中最好的选择。电阻型超导限流器不仅可以限制故障电流，同时可以补偿柔性直流系统中的电压降。其失超后成阻态，可形成过阻尼电路，防止故障电流振荡。
电阻型超导限流器集检测、转换、限流于一身，并且具有通态损耗极低、响应速度快、限流程度深的优势，是目前直流超导限流器的研究热点。B. Li 和P. Chang 等认为电阻型超导限流器是高压直流输电系统和柔性直流输电系统中最合适的选择。西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室智能电器装备与系统团队分别研究了电阻型超导限流器与气体直流断路器、真空直流断路器和混合式直流断路器配合实现直流短路故障电流开断的技术。
本文介绍的超导限流直流开断技术包括超导限流自激振荡式直流开断技术、超导限流强迫过零式直流开断技术和超导限流混合式直流开断技术，适用于中高压直流系统。超导限流自激振荡式直流断路器将超导限流与气体直流断路器串联，其中的气体直流断路器采用自激振荡直流开断方式，利用气体电弧的负电阻特性和不稳定性与并联的电容、电抗产生自激振荡电流，建立人工过零点开断直流电流。
超导限流强迫过零式直流断路器将超导限流与真空断路器串联，真空断路器通过并联的预充电电容放电，产生人工零点开断直流电流。超导限流混合式直流断路器将超导限流与混合式直流断路器串联，混合式直流断路器利用电力电子器件开断直流故障电流。
本文综述了超导限流直流开断技术，通过实验和仿真分析不同超导限流直流开断技术的工作过程和原理。本文分析了电阻型直流超导限流器限制直流短路故障电流的特性，并且介绍了超导限流自激振荡式、超导限流强迫过零式和超导限流混合式直流断路器的工作原理、开断过程和配合特性。
图1 超导带材限流特性测试电路
图9 超导限流式真空直流开断样机电路拓扑
图10 超导带材绕制盘
本文针对直流系统短路故障电流幅值高、上升率大的问题，提出采用超导限流直流开断技术解决。本文分析了三种超导限流直流断路器，分别为超导限流自激振荡式、超导限流强迫过零式和超导限流混合式直流断路器的工作原理、开断过程和配合方式。仿真分析了200kV/30kA超导限流自激振荡开断过程，完成了10kV/10kA超导限流强迫过零直流电流开断试验和55V/55A超导限流混合式直流电流开断试验。
本文介绍的超导限流直流开断三种方式与机械式直流开断技术相比，具有开断容量大、开断过电压低和可靠性高、系统其他设备不用承受过大短路电流冲击，能减少其他设备的成本和体积的优势。超导限流直流开断技术与混合式直流开断技术相比，具有通态损耗低、系统短路故障电流幅值和上升率低、开断过电压低、能提高设备运行的稳定性及可靠性的优势。
为了满足直流输电快速发展的需求，对于超导限流器，应进一步关注其绝缘特性；对于自激振荡式开断单元，应进一步优化，加快电弧振荡过程并降低燃弧时间；对于强制过零开断单元，重点应优化振荡回路参数，以及提升其在小电流情况下的开断能力；对于混合式开断单元，重点应提高机械开关操控速度及提升换流速度，减少串并联电力半导体器件数量，提高设备运行的可靠性。