随着国民经济的迅速发展，对电力需求不断增加，电网规模不断扩大，故障电流突破现有断路器开断容量，将严重危及系统中的相关电气设备，为了保证系统的安全可靠运行，必须快速切除故障电流。为了将短路电流限制在可控水平，人们很早就提出了超导限流器概念。但是，由于低温超导体运行于液氦温度，使得运行成本很高、低温系统庞大，因此无法实现商业化。1986年高温超导材料的发现之后，超导限流器技术又提到议事日程，近十几年来，国内外研发成功了多种高温超导限流样机，部分实现了挂网试验运行。根据国际高温超导电力应用发展路线图预测，高温超导限流器和超导电缆是最早进入市场化的超导电力装，预计到2025年将实现商业化。

　　本文简要介绍高温超导限流器的基本原理和近十几年来有关高温超导限流器的研发现状。

一、超导限流器的种类和基本原理

　　超导限流器应具备以下特性：①在电网正常输电时呈现低阻抗；②在电网发生短路故障时迅速转为高阻抗；③限流后能够自动、及时恢复到低阻抗状态；④能够与电网的保护系统匹配。对于交流电网，人们提出了很3种类型的超导限流器，电阻型、电感型和磁屏蔽型。其中利用超导体失超电阻限流的电阻型和利用超导直流零电阻特性的饱和铁心型获得了较高的认可。电阻型结构简单响应快，电压与电流同位相，但限流阻值较小，失超恢复特性以及重合闸的实现方面仍有不足。饱和铁心型可以达到较高的限流阻抗，不存在失超恢复问题，目前在中、高压电网都有成功应用的案例。

1.电阻型

　　如图1所示，电阻型超导限流器由无感绕制的超导线绕制，旁路电阻用于保护作用。正常运行时，由于超导体无电阻，线路不会产生压降和很小的能量消耗；当线路出现短路故障时，超导体失超出现高电阻，从而限制了线路故障电流。

图1 电阻型超导限流器等效电路

　　如果电阻型超导限流器用于直流系统，限流器绕制无需无感绕制，由于直流系统发生短路故障过程是交流过程，电感能够限制短路电流上升率，所以电感有助于直流限流器限流作用。

2.饱和铁芯型

　　图2为饱和铁芯型超导限流器等效电路图，饱和铁芯型超导限流器主要由2个交流一次绕组和一个直流二次绕组以及铁芯构成。每个交流一次绕组由普通铜线绕制而成，直流二次绕组由超导带材绕制而成。其他辅助设备还有快速开关、直流源以及由转存电阻和锌氧避雷器构成的转存模块。串接于输电线路的2个交流绕组，分别反向的缠绕在铁芯上，产生反相的交流磁通。因此，一个铁芯内的直流磁场与交流磁场同向，一个铁芯内的直流磁场与交流磁场反向。超导限流器的磁化程度为2铁芯磁化程度的叠加。当系统出现永久故障时，快速开关断开，转存模块吸收磁场能量减小直流绕组终端的电压。

图2　饱和铁芯型超导限流器电路原理图

3.变压器型

　　如图3所示，变压器型超导限流器由铜质的一次绕组、短路连接的超导材料二次绕组构成。一次绕组的终端直接与电网相连。正常工作中，二次绕组中设置的临界电流小于其额定电流，此时处于超导态，没有电阻。超导限流器的阻抗仅由一次绕组的漏抗决定，由于二次绕组短路，阻抗很小。故障期间，二次绕组中的电流超过临界电流使得二次绕组失超，导致二次绕组的阻抗迅速增大。因此，超导限流器的有效阻抗迅速增大，从而限制了故障电流。由于没有电流引线，故在二次绕组中没有热传导，减少了漏热。然而，在故障中二次绕组失超后会产生焦耳热，从正常态恢复到超导态需要很长的时间。

图3  变压器型超导限流器（a）原理图（b）等效电路图

4.屏蔽铁芯型

　　屏蔽铁芯型超导限流器的原理和概念如图4所示。它由一个铁芯及普通导线制成的一次绕组和超导筒制成的二次绕组构成。实际上，这种结构与二次侧短路的变压器类似。在正常工作中，二次绕组，也就是超导筒，处于超导态，一次绕组产生的磁通将在短路的超导筒上感应出屏蔽电流（其值低于临界电流）。由屏蔽电流在铁芯中产生的磁通与一次绕组产生的磁通相反，抵消了一次绕组产生的磁通，因此超导筒内无磁通穿过。一次绕组的有效阻抗，即二次短路后变压器的净阻抗，非常低。然而在故障中，由于感应屏蔽电流超过临界电流，超导筒失超不能再屏蔽铜线圈的磁通进入铁芯。因此将会有大量磁通与一次绕组相铰链，使阻抗增大到预设的大阻值，从而有效的将故障电流限制在理想值。

图4　屏蔽铁芯型超导限流器原理图

　　屏蔽铁芯型超导限流器仅需一个短路的超导筒，且不需要电流引线，这与一匝线圈的二次绕组等效。因此，可以忽略传导漏热。除了在正常工作时，对线路加入了有限的阻抗外，该限流器还有一些其他缺点。例如，具有与变压器型超导限流器类似的笨重铁芯，难以统一失超以及失超后恢复时间长等。因此，这种超导限流器也很少使用。

5.桥路型

　　桥路型超导限流器主要由4个二极管(D1-D4)、一个偏置超导绕组Lsc和一个偏置直流电源Ub组成，如图5所示。电桥由四个二极管构成，直流电源Ub为超导绕组Lsc提供偏置直流电流Isc。通过调整电压Ub，使得偏置电流I0的初值与Isc相等，并且高于正常状态下线路电流的幅值Iac，所以4个二极管(D1-D4)始终导通。在正常情况下，除了桥路上有小的正向压降外，限流器对线路电流不表现任何阻抗。在发生故障时，线路电流幅值Iac大于I0，在电流Iac正半周期二极管D3-D4不导通，在电流Iac负半周期二极管D1-D2不导通。因此超导绕组Lsc被自动地串入线路，故障电流就被超导绕组的阻抗Zs=jwLsc所限制。由于超导绕组工作在直流模式，因而没有交流损耗并且工作电流Isc可以通过调整电源Ub来得到。除此之外，超导绕组不会失超，故没有恢复问题。然而桥路型超导限流器只能应用于中低电压等级，很难在高电压等级下应用。

图5　桥路型超导限流器等效电路图

6.混合型

　　混合型超导限流器主要由可变耦合磁路的常规变压器和由双股绕制技术绕制的超导触发绕组构成。有2种混合型超导限流器，第一种为串联型，其超导触发绕组与变压器的二次绕组串联，如图6（a）所示；第二种为并联型，其超导触发绕组与变压器的二次绕组并联，如图6（b）所示。串联型的一次绕组和二次绕组反向绕制以加深耦合程度，这样在正常状态下限流器只有很小的阻抗。发生故障时，二次绕组中的电流急剧增加，超导绕组失超，由于绕组与二次绕组相连因而呈现阻值Rsc。电阻自动接入二次侧，将故障电流限制在理想水平。

图6　　混合型超导限流器电路图（a）串联型（b）并联型

　　尽管二次绕组中的电流可以通过调整变比达到一个足够小的值，然而超导绕组的恢复依然是个问题。因此，很少使用这种超导限流器。

7.三相电抗器型

　　三相电抗器超导限流器如图7所示，它由绕在环形铁芯上的3个匝数相同的超导绕组组成。在正常情况下，三相电流平衡，三相绕组的电流之和为零且铁芯中的磁通不变。这里介绍2种故障情况，对称故障和不对称故障。对称故障中，限流阻抗的感抗分量作用很小，因此失超后的电阻在限制电流中起关键作用。

　　三相电抗器型超导限流器在不对称故障中的限流能力要比对称故障中的限流能力强。这种超导限流器体积庞大，铁芯和低温容器的制作过程复杂。由于它工作在交流模式下，故在超导绕组中有交流损耗。在实际中很少应用这种超导限流器。

图7 三相电抗器超导限流器原理图

二、国内外研究进展

　　尽管人们提出了很多类型的超导限流器，只有3种类型超导限流器即电阻型、感应型（包括饱和铁芯型、变压器型、磁屏蔽型和电抗型）利用超导体失超电阻限流的电阻型和利用超导直流零电阻特性的饱和铁心型获得了较高的认可，其他类型的超导限流器只是在原理上进行研究。近5年来，挂网运行的超导限流器主要集中在电阻型、饱和铁芯型2种。下文将主要介绍这2种超导限流器的发展现状。

１.国外进展

（1）美国

　　超导故障限流器这一概念最早由美国人提出，早在1982年，美国的洛斯阿拉莫斯国家实验室、美国超导体公司以及洛克希德马丁公司就已经开始了桥路型超导限流器的研究工作；后来在美国能源部的支持下成功实验了一台2.4kV/100A的样机。在美国通用原子能公司和IGC公司加入第二阶段研究工作后，在1999年研制出了故障电流缩减率达80%的桥路型高温超导故障限流器。2007-2012年，美国能源部支持由SuperPower公司主导研发的138 kV /1.2kA阻性超导限流器和美国超导公司(AMSC)主导的Superlimiter的三相115kV/1.2kA阻性超导限流器。图8分别为Superpower公司研发的限流器限流单元实验现场，图9为美国超导公司与耐可森(Nexans)研发的限流器样机实物图，该限流器由无感绕制的63个线饼组成，其中3个线饼并联为一组单元，然后21单元串联而成。

图8  Superpower 公司研发的138kV/2kA阻性高温超导限流器模块实验现场

图9 　美国超导公司(ASMS)研发115kV/1.2kA阻性超导限流器样机. (a)限流单元组装图，(b)“八卦”式无感绕制示意图，(c)限流器实验现场图

（3）德国

　　德国是研发阻性超导限流器最早的国家之一，卡尔斯鲁厄(FZK)与耐克森（Nexans）等公司合作，于2005年研发出10kV/10MVA三相阻性超导限流器，并在德国和英国进行长时间挂网试验运行。图10为德国采用Bi2212棒材，通过无感切割的圆柱行棒材研制的阻性限流器样机。

图10 三相10kV/10MVA阻性超导限流器样机

　　2012年，耐克森(Nexans)(Siemens)采用第2代高温超导带材，无感（反绕）研制12kV/800A 阻性超导限流器实验样机，将63kA短路电流限制到30kA。2015年，Nexans研制的12kV/2.4kA 阻性超导样机，安装在德国城市Essen中压配电网，安装现场如图11所示，该阻性限流器基于第2代高温超导带材，现已并网运行3年，运行正常。

图11 12kV/2.4kA三相阻性超导限流器并网运行现场

　　此外，Zenergy公司于2009年采用第1代高温超导线材Bi2223研发出15kV/1.2kA饱和铁芯型超导限流器，图12为该限流器样机实物。

图12三相15kV/1.2kA饱和铁芯型超导限流器试验样机

（3）意大利

　　RSE公司研制的9kV/3.4MVA 基于B系带材无感绕制的阻性超导限流器，图13所示。2012年正式并网运行，至今运行良好。RSE公司计划研制了9kV/1kA基于钇钡铜氧（YBCO）的电阻型超导限流器，通过对58m的YBCO带材在65K和77K两个温度下进行测试，65K时带材临界电流比77K时的提高了一倍。2015年，RSE公司研制的9kV/15.6MVA 基于B系带材的电阻型超导限流器并网运行。

图13三相10kV/220A超导限流器实验现场

　　为了减小饱和铁芯型超导限流器闭合铁芯的体积和质量，意大利ASG电力公司与英国北方电网公司(Northern Power Grid)用开放型铁芯结构、直流超导绕组采用二硼化镁（MgB2）导线绕制的36kV/0.8kA饱和型超导限流器。图14为现场实验图片，计划安装在英国南约克郡的Jordanthorpe 275/33kV电站，可将短路故障电流减小38%。

图14　开放式铁芯饱和铁芯型超导限流器实验现场

（4）其他国家

　　在日本，Seikei大学和中央电力试验研究所于1998年用NbTi研制出了600V/6A的三相电抗器型超导限流器，并且进行了入网试验；2004年，东京电力公司研制66kV/750A电抗器型超导限流器；2009年，日本Kyoto大学利用第1代高温超导线采用反绕工艺提出一种变压器型超导限流器，2015年，田中矶岛等人提出一种失超之后可以快速恢复超导态的超导限流。1992年，法国电力公司，GECAlstho公司和阿尔卡特阿尔斯通公司研制了63kVrms/1.25kArms/5.3kApeak的混合型超导限流器。瑞士ABB公司利用Bi-2212研制成功三相1.2MW的磁屏蔽型超导故障限流器，并准备安装在Lontsch变电站投入试运行。2016年，俄罗斯SuperOx公司研制的3.3kV 超导阻性限流器通过商业测试于年底安装在铁路牵引电网，220kV 阻性超导限流器计划2018年并网运行。加拿大蒙特利尔理工大学搭建了硬件闭环（PHIL）与电力系统暂态实施数字仿真相结合的实验平台，探究了电力系统暂态仿真中超导限流器模型与实际超导限流器的差异。韩国汉阳大学对感性和性超导限流器原理方面也进行了很多研究。此外，英国、波兰、瑞士、匈牙利、以色列等过也进行原理样机研究，没有进行挂网试验运行。

2.国内进展

（1）10.5kV/1.5kA三相新型桥路型高温超导限流器

　　2004年底，中国科学院电工研究所研制出10.5kV/1.5kA三相新型桥路型高温超导限流器样机，并对样机进行了各项并网前的检验和模拟试验。2005年8月，10.5kV/1.5kA三相高温超导限流器在湖南娄底市高溪10 kV变电站进行三相接地短路试验运行现场如图15所示。

图15 10.5kV/1.5kA三相高温超导限流器运行现场

（2）35kV/90MVA饱和铁心型超导限流器

　　2007年，北京云电英纳超导电缆有限公司研制的三相35kV/90MVA饱和铁心型超导限流器，其限流能力设计为将41kA(rms)的最大短路电流限制在20kA(rms)以下，2008年在普吉变电站挂网试运行，挂网样机核心部分如图16所示。

图16 35kV/90MVA饱和铁心型超导限流器挂网样机核心部分

　　北京云电英纳超导电缆有限公司研究与开发的220kV/800A饱和铁芯型高温超导限流器，其限流能力设计为把50kA(rms)的最大短路电流限制在30kA(rms)以下，是目前世界上在电力系统实际应用的电压等级最高、容量最大、响应时间最快、励磁恢复时间最短的超导限流器。2012年底，在国家电网天津石各庄变电站正式挂网运行，挂网运行现场如图17所示。

图17 220kV/800A饱和铁芯型高温超导限流器挂网运行现场

（4）国内其他在研超导限流器项目

　　江苏中天科技股份有限公司等单位正在研制220kV/1kA输电级电阻型交流高温超导限流器，预计2017年底完成试验样机。华中科技大学研制一个小型的屏蔽型高温模型，在此基础上将开展实用化工作。西安交通大学也在进行交流高温超导限流器的研究工作。

三、变压器型超导限流器

　　目前挂网运行的超导限流器均为电阻型和饱和铁芯型，电阻型限流器结构无源、简单（直接串入线路）、结构紧凑、电压电流同位相，但是使用超导线量大、限流时段交流损耗大、温度升高快、失超恢复比较慢；饱和铁芯型超导限流器没有失超问题、没有交流损耗，但是需要额外直流电源、铁芯，体积庞大、质量过重。为了解决此类问题，国际上以德国和日本为代表的国家提出了结构紧凑的无铁芯的变压器型超导限流器的概念，该变压器型超导限流器比阻性超导限流器具有更好的失超恢复特性，并兼具阻性和变压器型超导限流器限流阻抗特性，是目前值得关注的研究课题。

四、直流超导限流器研发

　　纵观国内外高温超导限流器挂网运行的最新进展，主要集中于交流超导限流器，在挂网运行的直流超导限流器方面还是空白。近年来，柔性直流网在提高电网稳定性、接纳新能源发电方面的优势越来越受到重视。我国已在浙江舟山、广东南澳等地开展了柔性直流技术的工程示范。由于直流输电电流不过零点，因此直流故障电流的开断比交流更困难，直流断路器尚未达到系统应用的要求，直流限流器已成为急需的关键设备。

　　高压直流电网的短路电流在初始阶段是上升速率高、幅值可达数十倍额定电流的冲击电流，随后是与变流器交流侧阻抗相关的持续短路电流。因此，直流限流器要求具有二段限流能力：既要限制初期的短路电流上升率以缓解换流器桥臂闭锁压力，也要限制后期的持续故障电流。

　　相比挂网的交流超导限流器，直流限流器的研究工作相对较少。2005年以来，德国、日本、韩国、美国、意大利等相继进行超导直流限流器研究工作。国内的华中科技大学、天津大学等单位进行非失超性的超导直流限流器小型样机研究，非失超型限流器在实现快速故障恢复方面具有优势。但是这些研究均处于实验室原理样机阶段，尚未经过工程实验。

　　2013年，上海交通大学和上海超导科技有限公司先后制作了10kV/400A电网用阻性超导限流器实验室样机和4kV/5kA舰船用直流阻性超导限流器实验室样机，如图18和19所示。

图18　10kV/400A电网用阻性超导限流器实验室样机

图194kV/5kA舰船用阻性超导限流器实验室样机

　　虽然有超导交流限流器技术的基础，但要发展高压直流电网用超导限流器还需要大量的研究与创新，要实现既能快速响应抑制初期短路电流上升率，也能限制后期持续故障电流，还能满足变流器保护、重合闸、故障后系统恢复等需求的超导直流限流器。最近，国家工信部部立项200kV/1kA直流超导限流器重大项目，由广东电网公司等单位承担，并计划于2020年完成，在南澳160kV直流输电线路进行挂网试验运行，在直流超导限流器应用研究方面，我国走在国际前沿。

五、结语

　　经过近20年的发展，对于交流电网，虽然提出了很多类型的交流超导限流器，但是超导体失超电阻限流的电阻型和利用超导直流零电阻特性的饱和铁心型获得了较高的认可，技术相对成熟，研发了多组样机实现了挂网运行。超导限流器将是最先进入商业化运行的超导设备。

　　但是，电阻型和饱和铁芯型超导限流器在大规模应用方面面临如下挑战：

　　①电阻型结构超导限流器安装简单（直接串入输电线路）、无源、无需控制、结构紧凑、响应快、对电网影响小，但是需要超导线量大、失超恢复时间长、限流期间损耗大，在电网重合闸的实现方面仍有不足。

　　②饱和铁心型可以达到较高的限流阻抗，不存在失超恢复问题，但是有源、体积庞大和质量过重、安装复杂、需要控制、超导绕组过压问题突出。

　　③超导限流器的失超保护措施，由于高温超导材料失超传播速度慢，使得失超检测变得极为困难。

　　④制造成本高：（a）阻性限流器：由于实用超导线材失超后电阻率低，为了能够有效限制短路电流，需要大量超导线以得到足够大的电阻；电压等级越高，所需限流电阻越大，超导线用量越多，使得限流器成本极大。

　　（b）饱和铁芯型限流器：体积庞大、质量很大，需要复杂电路控制和直流电源，安装、运输困难。

　　⑤低温绝缘技术：对于超高压的低温绝缘设计及绝缘配合。

　　⑥低温制冷技术：长时间免维护低温制冷系统。

　　⑦运行成本：（a）阻性限流器：虽然超导体电阻为零，无焦耳损耗，但是在交流情况下，仍然存在小的交流损耗，尤其是在限流期间，超导体失超会产生很大的焦耳热。（b）饱和铁芯型限流器：需要额外直流电源和控制设备，增加运行成本。

　　⑧真空密封：低温下非金属部件与金属部件之间的密封连接也是难点。

　　⑨非金属低温容器：对于有感交流应用中，非金属低温容器常常采用玻璃钢材料，其具有本征的放气特性，不能维持长时间真空和低漏热，需要定期抽真空，受紫外线影响老化严重。

　　⑩超导限流器与电力系统中现有电力装置的匹配协调运行问题。

　　此外，兼具阻性和饱和铁芯型超导限流器限流性能的空芯变压器型超导限流器是目前国际上新近提出的新型结构限流器以及将变压器和限流器功能合二为一的限流超导变压器研究方面，在国内还是空白。近年来，随着第2代高温超导线材技术迅速发展，限流变压器的研究引起了国际上的广泛兴趣，尤其是基于第2代高温超导线材研发的各种高载流导体（Roebel导体，CORC导体，TSTC导体，RS导体，HTS-CroCo导体，QI-S导体）取得了重要进展，采用导体进行超导限流器的研发，值得尝试。