超导限流器基本概念和发展趋势

超导限流器是多年以来人们在超导电力技术领域的研究焦点之一,也是被认为最有可能率先实现工业化应用的超导电力设备。本文在介绍超导限流器的基本概念、组成要素和功能特点的基础上,讨论了超导限流器设计和应用相关的一些重要技术参数和性能指标。文章还较系统地分析了电阻型和饱和铁心型两种目前发展水平较高的超导限流器的工作原理和应用情况,并比较了两者的优缺点。随着性能的进一步完善,可靠性和可用性的进一步提高,超导限流器有可能成为理想的电网短路故障限流装置。作者期待在不远的将来超导限流器会在各种电网中得到广泛的应用,并由此推动电网的深刻技术革命。

超导限流器综述

概述了超导限流器的科学基础和发展历史,介绍了电阻型、饱和铁心型、磁屏蔽性和电桥型超导限流器的技术原理、基本结构和等效电路,详细分析和比较了电阻型和饱和铁心型超导限流器的性能特征、优点和缺点,以及其在实际电网挂网运行的案例。展望了超导限流器可能的应用范围及前景,指出除了传统观念上的短路故障限流作用之外,超导限流器未来可能成为可再生能源分布式发电并网的必要设备,在降低输电损耗和提高输送效率方面发挥重要作用。

超导材料及技术在轨道交通领域的应用

一、轨道交通的历史和发展现状 轨道交通是指使用带有滚动轮子的运输装置在固定的轨道上输运货物或人员。轨道的使用降低了运输工具所受的摩擦力，显著增加了运输工具的载运能力。古代社会的发展历程中，很多国家都产生过原始的轨道。当然，那时轨道上的运输工具并不是靠机器拖动，而是由马或者人来拉动，或者是靠重力运动。

超导材料的发展现状与应用展望

1911年4月8日，荷兰莱顿大学实验物理学家卡麦林·昂尼斯（Kamerlingh Onnes）领导的实验组在液氦温区对汞导线样品进行电阻测量时意外地发现了超导现象，他因这一发现被授予1913年诺贝尔物理学奖。

关于发展高温超导输电的建议

为解决我国日益突出的能源资源和负荷分布不均的矛盾,提高能源、环境和经济等综合利用效率,中国科学院学部于2011年12月设立了"高温超导输电"的咨询项目,力求前瞻思考和探讨高温超导输电的可行性并为国家发展此项前沿技术提供咨询意见。本项目在严陆光院士的主持下,组织20多位院士和专家,经过一年多的深入调研和研讨,形成了《关于发展高温超导输电的建议》咨询报告。报告分析了国内外高温超导输电技术发展和示范应用情况,认为高温超导输电具有大容量、低损耗、体积小、重量轻、系统可靠性高、节约资源、环境友好等优势,有望在我国未来电网发展中发挥重要作用。报告还针对我国相关技术和政策等方面的问题,提出了我国发展高温超导输电路线图和设立"高温超导输电"项目等政策建议。

基于磁屏蔽型超导限流器的双馈感应风力发电机低电压穿越

风能并网导则要求并网风电机组需具备低电压穿越能力。针对双馈感应风力发电机在故障期间保持并网运行问题,提出一种磁屏蔽型超导限流器串于定子侧的解决方案。基于该限流器正常运行时阻抗极小、故障瞬间立即响应为一定阻抗,结合短路故障分析,建立限流器物理仿真模型,并对低电压穿越指标进行数学推理分析论证。该限流器可以减弱定子磁链暂态分量的冲击,改善转子过电流,削减电磁转矩振幅与振荡时间,整体提高双馈感应风力发电机故障穿越能力。最后通过Matlab/Simulink仿真验证该限流器的有效性。

基于直流限流电路的直流单极接地故障自适应重合闸技术

为避免柔性直流系统重合于永久性故障,造成二次过流冲击从而威胁系统安全,需采用预先判断故障性质的重合闸方法以确保系统的有效重启和可靠恢复。针对配置有混合式直流断路器的架空线柔性直流输电系统,提出一种基于直流限流电路的直流单极接地故障自适应重合闸技术。首先,提出直流限流电路拓扑结构并分析其工作原理,该拓扑由限流单元、吸能单元和故障性质判别单元组成,与混合式直流断路器串联接入直流线路。此后,结合故障发展过程,理论计算各阶段故障暂态电流、暂态电压的表达形式,并提出直流限流电路各元件的参数选择依据。最后,在PSCAD平台搭建系统模型并进行故障仿真,仿真结果表明所提自适应重合闸技术能准确判断故障性质,并具备较好耐过渡电阻能力。

海底超导电缆交流损耗的抗损伤特性研究

海上新能源发电的快速发展急需大容量高效率的海上电力传输网络与之匹配。为促进海底超导电缆的发展,需要研究局部损伤对超导电缆的影响,尤其是对其损耗特性的影响。这关系到损伤是否会导致损耗骤升而冷却系统无法及时排出多余热量,进而导致低温平衡被破坏,超导电缆无法继续工作,甚至发生进一步大范围损伤。基于陆上超导电缆建立了包含单层到多层电缆的物理模型,并使用有限元方法分析电缆的电流分布、内部磁场分布和输电损耗。通过比较损伤前后电缆损耗特性的变化,分析并总结得出了最适宜用于海底输电的超导电缆结构。结果表明,在单根带材损伤的情况下,一层和二层电缆的损耗大幅度提升,而六层电缆的损耗不到5%。因此六层电缆较为适应海底环境。

新型超导能量转换/存储装置原理及应用展望

基于新发现的永磁体与超导线圈之间的相互作用规律,提出了利用永磁体与闭合超导线圈构成新型短时能量转换/存储装置.通过在不同永磁体运动路径和运行速度时进行的多组实验,测量和分析了永磁体与闭合超导线圈相互作用过程中永磁体处在不同位置时的相互作用力和超导线圈内电流,验证所提装置原理的可行性并掌握其功能规律;进一步测量在静止状态时超导线圈中电流随时间的衰减情况,得到该装置的损耗特征.研究结果显示:该装置可在无需附加发电机/电动机条件下实现机械能→电磁能→机械能转换,能量效率达到9成以上.该新型超导能量转换/存储装置在城市轨道车辆制动能量回收再利用和航母舰载机辅助电磁弹射等领域具有广泛的应用前景.

考虑短路电流非周期分量影响的磁偏置型超导故障限流器设计方法及其限流特性分析

随着电力负荷快速增长,电力系统的故障电流水平持续上升,甚至超出了现有断路器的开断能力;为有效限制故障电流,超导故障限流器(superconducting fault current limiter,SFCL)逐渐投入应用。SFCL在正常运行时呈现零阻抗,故障发生后迅速转为高阻抗,可作为配合断路器开断的理想选择,提高电力系统的运行安全性。介绍了一种磁偏置型超导故障限流器(magneto-biased superconducting fault current limiter,MBSFCL),提出了考虑短路电流非周期分量影响的MBSFCL设计方法,对于MBSFCL的制造具有一定的指导意义。通过搭建仿真模型,验证了所提出方法的可行性,并对MBSFCL的限流特性进行了深入分析,讨论了不同非周期分量对断路器的开断影响,以及MBSFCL中电感、电阻参数变化对短路电流及其分量的限流效果影响。分析结果表明,在所提出MBSFCL设计方法中必须考虑非周期分量,且MBSFCL的电阻参数变化对短路电流的抑制效果更为显著。

35kV/90MVA挂网运行超导限流器结构与性能介绍

本工作完成了一台用于输电电网故障短路电流防护的三相35kV/90MVA饱和铁心型超导限流器的设计、制造,并计划在2007年底前将其接入南方电网220kV普吉变电站长期挂网试运行。饱和铁心型超导限流器是人们到目前为止所研究的形形色色的超导限流器中的一种,具有限流功能可靠性高、电网重合闸所需的恢复时间短、超导体限流时不失超,因此无冷却剂大量气化的后顾之忧等优点。本文介绍这台装置的原理、结构、功能和主要技术参数,并给出一些重要的出厂实验数据。

30M-35kV/2000A高温超导电缆制冷系统

本文介绍了我国新研制成的首条并网运行的热绝缘型30M-35KV/2000A高温超导电缆制冷系统。该制冷系统主要有液氮泵箱、过冷箱、高真空输液管道、液氮贮槽、辅助减压抽空系统、泵箱及气动阀门供气系统、监控系统所组成。冷却方式是过冷液氮循环,制冷方式是G-M制冷机和减压抽空(备用)。给出了制冷系统的运行结果。

饱和铁心型超导限流器压敏电阻的实验

压敏电阻可抑制超导限流器断直流时产生的高压,同时加速直流励磁能量的释放以促使限流器交流侧快速退饱和,进入感性限流状态。为验证其保护和能量吸收作用,用NI采集卡、Labview以及其他电流电压传感器和可控的IGBT器件设计和制造了检测控制系统。对不同压敏电压等级的压敏电阻进行断直流的放电实验以验证其抑制电压的保护作用。结果表明:断直流时储存能量的释放是超导限流器产生高压的原因;励磁储能一定且压敏电阻通流量一定的条件下,压敏电压越大断直流产生的电压也越大,同时电流断开时间越小则能量释放时间越小。所得结果为设计更大容量的超导限流器,选择不同压敏电阻的压敏电压和通流量等级提供了实验和计算参考。

饱和铁心型超导限流器

饱和铁心型超导限流器具有限流功能可靠、输电稳态损耗小、限流恢复时间短等优异特性。根据其工作原理,一方面,用于直流励磁的超导绕组自身不承受短路电流冲击,这避免了其它类型超导限流器中由于超导绕组失超所带来的诸多技术难题;另一方面,其主体电抗器可以借鉴成熟的铁心电抗器技术。因此,饱和铁心型超导限流器的以其优异的性能特性和成熟的工程实现技术,成为迄今为止人们研究的各类超导限流器中的最具实用价值的一种。在电网容量不断扩大,智能化水平不断提高的今天,饱和铁心型超导限流器有非常广阔的应用前景。文中将叙述饱和铁心型超导限流器的基本原理、结构形式、功能特性,并对已在云南普吉变电站挂网运行的35kV/90MVA超导限流器进行简要介绍。

35kV超导限流器的电网三相短路试验及其限流效果分析

超导限流器技术能实现低损耗通流和高效率限流,是一种非常好的短路电流限制手段。云南电网公司、北京云电英纳公司研制成功的35 kV超导限流器,是目前世界上电压等级最高的,已在云南普吉变电站并网运行,并在2009年7月通过了实际电网的三相短路试验。介绍了该次三相短路试验中,与35 kV SIC-SFCL的限流效果相关的试验结果与分析。当金属短路电流在7.0 kA时,经SFCL限流后短路电流为5.59～5.93 kA,限流百分比平均值为82%;当短路电流为21.37 kA时,经SFCL限流后短路电流为14.66 kA,限流百分比为68%。分析显示,SIC-SFCL理论的限流百分比与试验限流结果符合性很好,验证了限流设计方法的正确性。

饱和铁心型超导限流器故障电流快速模式识别

分析了开断直流励磁以及断开速度对该类超导限流器限流效果的影响,指出短路故障电流需要快速识别,设计和制造了三相小样机和相应的基于Labview和NI板卡的实时检测控制系统。提取了短路故障电流的三个重要特征:电流实时幅值、电流变化率、故障时高电流变化率的持续时间,根据特征进行神经网络感知机模式分类,离线在Matlab环境下训练神经网络找出线性分类面,在NI板卡内部的FPGA上实现分类神经元,并综合采用阈值模糊化的方法,对故障进行复合决策,以提高辨识准确性和速度。对阈值法和复合决策法进行的比较实验,表明了该方法的有效性。

高温超导导线在低平行磁场下传输性能的研究及其在电缆应用中的影响

在迄今流行的认知当中,第二代高温超导导线相对于一代导线具有更优良的磁场性能,然而本研究发现在液氮温度和低平行场(平行于导线宽面)的条件下实际情况恰好相反。文中通过测量研究和文献调研相结合,确认了这一现象的可靠性。高温超导电缆在远距离输电和大型城市输电方面都具有显著的性能优势,必将为我国电力能源领域带来重大的技术变革。而在高温超导电缆等应用技术中,低平行场是典型的使用条件,根据本研究得到的数据并考虑到价格因素,目前一代导线在这些应用领域中具有明显的相对优势。

基于支持向量机的超导限流器故障电流模式识别研究

对于饱和铁芯型超导限流器，指出短路故障电流需要快速识别，设计和制造了三相小样机和相应的基于labview和NI板卡的实时检测控制系统．提取了短路故障电流的2个重要特征：电流实时幅值，电流变化率，根据特征，分别采用神经网络感知机模式分类，线性核的支持向量机和径向基函数核的支持向量机，离线在matlab环境下训练，找出最优分类面．对几种方法进行比较实验，实验数据验证表明了RBF核支持向量机具有最好的识别效果．但是该方法难以在FPGA中实现，而线性核支持向量机是综合识别效果和可实现性2个指标的最佳选择．

35kV/90MVA高温超导限流器低温系统

35kV/90MVA高温超导限流器的低温系统是一个开放式的液氮制冷系统,包括一个环形不锈钢杜瓦、真空绝热管、压力及温度传感器、低温阀门以及监控系统。高温超导磁体放置在杜瓦中;监控系统检测杜瓦内液氮的液面,并控制往杜瓦内进行补液。杜瓦内蒸发的氮气通过真空绝热管道直接排放到大气中。分别对不同工况下的液氮蒸发量进行了测量。进行了不通直流励磁电流、通150A的直流励磁电流、同时通交流及直流工况下的测量。测量结果表明,同时通交流及直流工况下液氮蒸发量比不通直流励磁电流时增加20%。

21世纪电力传输新材料高温超导电缆综述与展望

本文简要回顾了超导现象的发现及超导性研究和超导材料发展的历史 ,介绍了高温超导电缆的基本技术和国内外发展情况 ,对高温超导电缆的制造成本和运行费用进行了评估 ,并探讨了高温超导电缆在我国的应用前景 。