饱和铁芯型超导限流器的应用研究述评

在主动式短路电流控制措施中,超导故障限流器因其特殊的物理特性,具有可观的发展潜力。将饱和铁芯型超导限流器与其他几类超导限流装置进行了对比,调查分析了该类限流器及其超导材料在国内外的研究、应用进展。重点描述了国内正在试制的改进饱和铁芯型限流器的拓扑结构和工作原理,并针对此类装置的铁芯结构、直流绕组过电压、直流励磁系统等技术问题进行了讨论。从故障识别、超导材料、铁芯结构等方面分析了饱和铁芯型超导限流器未来发展的关键技术问题,为该型装备的深入研发与应用提供参考。     

饱和铁芯型超导限流器研究进展综述

电力系统短路电流对系统的稳定安全运行造成了极大的威胁,超导故障限流器是一种将超导技术、电力技术相结合产生的故障限流装置,能有效地限制短路电流。饱和铁芯型超导限流器是产业化前景较好的一种超导限流器,在对此类型的故障限流器进行了深入调研和广泛收集资料的基础上,介绍了饱和铁芯型超导限流器的工作原理,分析了它的优缺点,阐述了饱和铁芯型超导限流器的国内外发展现状,归纳了其在设计过程中的关键技术和制约其工业化应用的主要问题,并提出了技术建议,最后展望了饱和铁芯型超导限流的应用前景。     

基于分裂电抗器的开关转换型超导直流限流器

多端柔性直流电网技术的发展面临快速限制短路电流的巨大挑战。超导直流限流器被认为是故障限流的最有效解决方案之一。提出了一种基于分裂电抗器的开关转换型超导直流限流器,该限流器通过限流单元(分裂电抗器的绕组由YBCO带材绕制)与固态开关相配合,稳态时,限流器呈并联结构,等效电感小,运行损耗低;故障发生后,限流器转换为串联结构,并受大电流冲击而失超,产生较大的限流电阻,能够有效限制短路电流。基于MATLAB/Simulink建立了超导限流器模型,仿真分析了限流过程中的电流变化情况,对比分析了开关动作前后的限流情况,验证了该限流器的可行性。     

不同类型直流超导限流器的技术经济分析

目前柔性直流输电技术的主要瓶颈在于直流侧短路电流开断困难,采用超导限流器能够有效限制短路电流,从而提高直流开断的可靠性和经济性。对电阻型、饱和铁芯型、混合型超导限流器以及机械式直流断路器进行了建模,在四端柔直系统发生双极短路的工况下,研究限流器与断路器的配合保护效果,分析三种类型超导限流器的限流效果以及对直流断路器暂态特性影响,关注断路器最大开断能力、最大电压应力和能量应力等性能指标。评估了限流器的超导带材用量,从技术经济性的角度对三种类型超导限流器进行了比较。     

新型磁屏蔽感应型超导故障限流器的研究

在研究磁屏蔽感应型超导故障限流器原理的基础上,提出了一种新型磁屏蔽感应型高温超导故障限流器,它主要由一次超导绕组、二次超导圆柱形屏蔽筒、铁芯和液氮冷冻箱组成,其工作原理是利用超导绕组和超导筒从超导态转变到正常态时其阻抗的快速上升而限流,对应用于三相系统的新型磁屏蔽感应型超导故障限流器进行了仿真研究,它能显著地减少暂态及稳态的故障电流,有效地提高电力系统的稳定性.     

磁屏蔽型超导限流器电气建模与应用研究

超导限流器被认为是理想的电力系统短路电流限制手段。主要针对磁屏蔽型超导限流器的电气特性进行系统性的建模研究。首先,基于限流器工作原理和超导材料的特殊电测特性,在PSCAD/EMTDC仿真平台中对磁屏蔽型超导限流器进行了数值模型和电路模型的搭建。随后通过实验室级限流器样机短路实验对仿真模型的可靠性进行了验证,并基于模型完成过流失超机理分析。最后,完成含限流器的上海某10 kV配电网实际系统模型搭建,综合分析磁屏蔽型超导限流器对电网运行状态的影响并探索其限流特性。该文的结论有效证明了磁屏蔽型超导限流器的限流能力,稳定故障电压的能力以及快速的失超自恢复性能。     

超导限流器限流性能的检测

在电网中加入超导限流器是限制电网短路电流的一种新技术。超导限流器的形式很多,不同工作原理的限流器其限漉特性也会有所差异,因此准确测量超导限流器的限流性能对研制超导限流器具有十分重要的意义。文中根据超导限流器的主要性能参数,设计了一套限流性能检测实验装置,该系统设计为三相380V/500A,可以模拟任意一相对地短路故障,能够检测出限流器正常阻抗、故障阻抗、响应时间和恢复时间等限流特性参数。     

混合型超导限流器与重合闸配合研究北大核心CSCD

基于超导限流器是最理想故障电流限流装置,当超导限流器串入电力系统后对电力系统继电保护和重合闸产生影响.本文在分析新型混合型超导限流器限流原理的基础上,为了解决失超型超导限流器的超导体失超恢复时间与重合闸时间无法配合的问题,引入失超检测系统,延长重合闸时间,当检测到超导线圈失超恢复后重合闸才动作,仿真结果表明该方法可行,并可解决失超型超导限流器与重合闸配合问题.     

饱和铁芯型超导限流器对电力系统暂态稳定的影响

运用超导电力技术研发的超导限流器与电力系统传统的限流装置相比,具有显著的优势,其中饱和铁芯型超导限流器SCFCL(saturated core superconducting fault current limiter)结构简单且具有良好的短路电流限制作用,在其保障电网中电气设备安全运行的同时对系统的暂态稳定性产生了相应影响.通过分析饱和铁芯型超导限流器工作原理在PSCAD/EMTDC中建立其电磁暂态模型,接入到IEEE 3机9节点典型网络中进行时域仿真,观察不同类型故障情况下的功角摆动曲线,分析饱和铁芯型超导限流器的投入对电力系统暂态稳定的有利和不利影响,为饱和铁芯型超导限流器在电网里的应用提供理论参考.     

高温超导限流电缆研究现状与发展趋势综述

高温超导限流电缆是一种新型超导电缆,充分利用了第二代高温超导体的优势,在电力系统正常和故障状态时分别表现低阻抗载流和高阻抗限流特性。高温超导限流电缆集成了超导电缆与超导限流器两种超导电力装备的功能。对于超导电缆和超导限流器,分别都有相关研究综述,而对于高温超导限流电缆缺乏系统性综述研究。从高温超导限流电缆的原理与结构出发,综述国内外有关高温超导限流电缆的研究现状,针对面临的技术问题进行分析。总结出高温超导限流电缆动态电流分布、载流限流瞬态变化过程、高温超导限流电缆接入到电力系统的新拓扑结构等关键技术和基础科学问题,获得了高温超导限流电缆未来的发展方向和趋势。     

A novel method of flat YBCO rings development for shield-type superconducting fault current limiters fabrication

The application of flat superconductor rings has been investigated in the structure of inductive shield-type high temperature superconducting fault current limiters, HT_c-SFCL. A laboratory scale inductive shield-type HT_c-SFCL has been designed and fabricated using flat superconductor rings. The fabrication process has been fully presented. YBCO powder has been used for the fabrication of superconductor rings. This fabrication process, being quite innovative, is introduced completely. The method of the trapped field measurement has been used for the critical current density measurement of the fabricated superconductor rings. The device with nominal current of 2 A was tested in a 30 V circuit. The SFCL successfully limited the fault currents of up to 10 times the nominal current to an approximately fixed value of 3 A. The voltage-current characteristic of the fabricated prototype has also been obtained and has shown compatibility with the fault current limitation results.     

改进桥路型高温超导限流器的实验研究

本文介绍了单相基本桥型高温超导限流器的基本工作原理,及其参数变化对限流特性的影响.在此基础上研究应用于电力系统中的改进桥路型高温超导故障限流器实验室样机,正常工作情况,在电桥上引入直流偏置电流,不出现限流现象;短路故障情况,整流桥中的直流偏流影响限流效果,在桥路上引入限流电阻,使故障电流限制到预定的范围.研究了该限流器的工作原理,分析限流参数的变化对其限流特性的影响.实验表明,该限流器有很好的限流和重合闸能力,能显著减少暂态及稳态的故障电流。     

Electromagnetic viewpoints on a 200 kW MgB2 induction heater

In this paper an electromagnetic system for a 200 kW MgB₂ induction heater was designed to verify the feasibility of MgB₂ superconductor in a DC induction heating system. The final master plan connects the electromagnetic design to the cryogenic and mechanical designs including the required measurement system. The electromagnetic design consists of conductor development, dimensioning the superconducting magnets and the quench protection system analysis. The coil system must guarantee appropriate heating distribution in the aluminium billet. The conductor has to fulfill the requirements of the current carrying capability required by the coil design. Furthermore, the conductor layout and constituent materials affect greatly to the coil stability in fault conditions. The coil behaviour during a fault was studied by quench simulations. The protection system design was based on the results of the quench analysis.     

14T全身超导MRI磁体的技术挑战——大规模应用强场超导磁体未来十年的发展目标之一

本文首先综述了大规模应用的超导磁体,依赖并推动铌三锡Nb3Sn导线技术进步,向更强磁场发展的趋势.着重分析了超高场14 T全身MRI磁体的挑战性技术.选择青铜Nb3Sn导线,采用Nb3Sn线圈和NbTi线圈相结合的混合结构,对14 T全身MRI磁体进行了电磁概念设计和热稳定性及失超保护仿真分析,并简要阐述了14 T全身MRI磁体在应力、接头和匀场方面的关键问题.根据分析结果认为:1)Nb3Sn导线是14 T全身MRI磁体需要面临的首要挑战性问题—作为最佳选择的青铜Nb3Sn导线,其现有产品的性能指标离14 T全身MRI磁体的要求尚存在有一定的差距;2)14 T全身MRI磁体的失超保护涉及线圈的铜超比设计、运行电流同线圈电感的协调配置、被动保护的分段策略和主动保护的失超触发控制以及主动屏蔽结构磁体在失超过程中的逸散磁场限制等多个十分复杂的环节,是最具挑战性的综合性技术.     

Adiabatic quantum pumping at the Josephson frequency

We analyze theoretically adiabatic quantum pumping through a normal conductor that couples the normal regions of two superconductor - normal-metal - superconductor Josephson junctions. By using the phases of the superconducting order parameter in the superconducting contacts as pumping parameters, we demonstrate that a nonzero pumped charge can flow through the device. The device exploits the evolution of the superconducting phases due to the ac Josephson effect, and can therefore be operated at very high frequency, resulting in a pumped current as large as a few nanoamperes. The experimental relevance of our calculations is discussed.     

三相电抗器型高温超导限流器的阻抗与动态仿真

三相电抗器型超导故障限流器(SCFCL)由三个同匝数的超导绕组绕在单一铁芯上组成，正常工作时阻抗为零，接地短路时，相当于串联了一个大电感，若发生三相或两相短路，其电阻突然增大；本分析了它在各种运行状态下其铁芯内的磁通变化，推导出了相应的阻抗公式；设计了一个小型样机，并对该样机的进行了动态仿真，其结果与理论分析一致．     

氧化物超导体的真空失超

处在超导态的Bi-2223相和Y-123相样品,在抽真空的条件下,会迅速失去超导电性转变为正常态,无论测量Tc时的恒流变大还是变小,失去超导的现象都是明显的。即使在十几K的范围内减压降温仍能保持在正常态。失超的直接原因可能是由于样品氧含量急剧减少而引起了超导相的变化,也说明了一种与氧含量有关的超导机制的存在。     

双根堆叠YBCO超导带材缺陷状态下失超传播规律研究

因双根并绕堆叠结构的 YBCO 带材能够进一步增加设备承载电流密度, 被广泛应用于大型超导设备线圈绕制中. 本文研究了外层有包绕绝缘的双根并绕堆叠 YBCO 带材有缺陷情况下的失超传播特性, 应用有限元法方法, 建立了双根 YBCO 带材堆叠状态下失超仿真模型, 研究了存在不同缺陷的情况下双根堆叠超导带材的失超传播特性, 探索了堆叠带材在不同工作电流下传播速度(NZPV) 等参数的变化趋势, 同时探究了不同铜稳定层厚度下并绕堆叠带材失超传播规律. 结果表明缺陷区域面积增加以及铜稳定层厚度减小, 都将导致双根并绕堆叠结构的二代高温超导带材失超传播速度增加, 在带材上的温升增加, 增加失超的风险. 研究结果可以为超导设备安全稳定运行参数设置提供支持.     

液氮浸泡式高性能ReBCO超导带材失超传播特性研究

高性能高温超导带材在大型超导磁体装置上的应用已成为一种趋势,由于存在失超传播速度缓慢、失超检测信号微弱等不足,对失超保护设计提出很大挑战。本文基于液氮浸泡式双保护层的高性能ReBCO带材失超传播特性,采用一维热平衡方程建立失超传播速度的数学模型,通过增加失超源,检测热点温度与电压信号,探究液氮浴环境下的ReBCO带材在传输电流等不同参数下失超传播速度和最小失超能量的变化规律。结果显示:相同条件下,高温超导带材的失超传播速度与传输电流成正相关,最小失超能量与传输电流成负相关,且相比无保护层的普通高温超导带材,具有双保护层的高性能ReBCO临界电流和触发裕度均有提升。