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新能源国家重点实验室（华北电力大学）、国网浙江省电力有限公司的研究人员马思明、王银顺、张广毅、康强强、朱承治，在2023年第1期《电气技术》上撰文，基于第二代高温超导带材的结构及特性，提出一种高温超导故障限流电缆。研究结果显示，该电缆可以有效地降低故障电流，在实际工程应用中可以实现电能传输和限流的双重功能。
近年来，超导带材制备技术取得了很大进展，高温超导带材的性能不断提高，为超导电力装备的研发及其应用奠定了坚实基础。超导电力装备中，高温超导电缆比常规电缆具有损耗低、输送容量大、占地面积小等优点，现已有多组超导电缆系统试验运行。
与常规输电线路或电缆相比，超导电缆短路阻抗低，短路电流大。以美国albany超导电缆示范项目为例，超导电缆的电容与常规电缆和架空线相当，超导电缆的电感约为常规电缆的1/6。高温超导电缆输电可以在低电压等级下传输更大的容量，其线路损耗和电磁热损耗更小，需要的安装空间更少。然而，当低阻抗超导电缆在电力系统中大量使用时，将会增大电力系统故障时的短路电流。
此外，超导限流器（superconducting fault c**rent limiter, sfcl）的研究也获得了很大进展。1999年，美国利用3个bi—2223高温超导线圈研制出三相15kv/20ka的桥路型sfcl。2005年，日本研究学者用运行温度bi—2223高温超导带材研制出一台6.6kv等级的样机。2003年，韩国成功使用bi—2223超导带材绕制了一台6.6kv/200a的样机高温超导限流器。2013年，上海交通大学制备了一台10kv/200a基于二代高温超导带材的电阻型限流器，并实现挂网运行。在由于系统故障等原因出现过电流时，通过改变限流器运行状态，在线路中产生较大的阻抗，从而限制短路电流，有响应速度快、正常运行时对电网影响小的优点。
为了解决常规超导电缆短路阻抗低的问题，德国的“ampacity”项目首次将超导电缆与超导限流器在实际电网中联合使用。但超导限流器的使用会增加系统建造成本，故针对高温超导电缆与超导限流器的运行特点，利用第二代高温超导体不仅能够传输大电流，还具备了限制故障电流的特性。因此，发生故障时，因故障电流过大而不能相连的母线和变压器可以通过超导限流电缆连接，实现设备共享，减少系统建设成本。
高温超导电缆为了保护导体层在故障过程中不被烧毁，并联铜骨架以分流的方式减少了电缆的产热和温升。为此，研究人员提出超导限流电缆的概念，利用高温超导带材失超时电阻增大来减少故障电流，减少来自各连接变电站的冲击，从而提高电能质量。
有学者通过调整rebco超导带材的铜层厚度、超导电缆长度及其临界电流，可以在0.2s内将故障电流限制在额定电流的3倍以内。有学者测试限流导体的暂态特性，并推断出较长的限流电缆将表现出更好的限流性能，允许断路器切断故障电流的时间更长，甚至消除对断路器的需要。但铜的电阻率较小，并没有起到很好的限流作用，如何提高超导限流电缆的限流能力仍是一个问题。
新能源国家重点实验室（华北电力大学）、国网浙江省电力有限公司的研究人员依据不锈钢加强的第二代超导带材的结构和电磁特性，提出一种超导限流电缆的概念。该电缆采用不锈钢丝绞线为骨架，第二代高温超导带材主要成分为不锈钢，超导电缆失超后，电缆导体电流和温度分布均匀，可以避免局部过热现象。在对超导带材失超电阻、抗短路冲击能力进行实验研究的基础上，他们设计出10kv/1ka高温超导限流电缆，分析超导限流电缆在故障电流（短路时间100ms）情况下的限流特性、失超及恢复特性，验证其可实现传输电流和限制短路电流的功能，为超导限流电缆的实际应用提供重要依据。
图1 实验测试实物
图2 高温超导限流电缆结构示意图
科研人员指出，在液氮温度77k和工频50hz下，对不锈钢加强的第二代高温超导带材样品进行了100ms短路电流超过临界电流7倍以上的冲击实验。结果显示，在第一个周期内电流明显上升，在第二个周期后，电流减小，具有明显的限流作用。
图3 高温超导限流电缆模型实物
由于不锈钢具有较大的电阻率，超导限流电缆采用不锈钢骨架。当其受到20倍额定电流的冲击时，电缆的温度迅速上升至443k（170℃），并经过300s由443k恢复到77k。由于导体层与不锈钢骨架并联，冲击电流主要流过不锈钢骨架，只有很小的电流流过导体层中超导带材的不锈钢层，从而保护超导带材不被损坏。
科研人员表示，当系统突发短路故障时，高温超导限流电缆的电阻增大，可以将故障电流限制在额定电流的2.5倍以内，具有很强的限流能力，可实现电流传输和限制短路电流的功能。
本文编自2023年第1期《电气技术》，**标题为“基于第二代高温超导带材的超导限流电缆限流特性研究”，作者为马思明、王银顺 等。
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近年来，超导带材制备技术取得了很大进展，高温超导带材的性能不断提高，为超导电力装备的研发及其应用奠定了坚实基础。超导电力装备中，高温超导电缆比常规电缆具有损耗低、输送容量大、占地面积小等优点，现已有多组超导电缆系统试验运行。
与常规输电线路或电缆相比，超导电缆短路阻抗低，短路电流大。以美国albany超导电缆示范项目为例，超导电缆的电容与常规电缆和架空线相当，超导电缆的电感约为常规电缆的1/6。高温超导电缆输电可以在低电压等级下传输更大的容量，其线路损耗和电磁热损耗更小，需要的安装空间更少。然而，当低阻抗超导电缆在电力系统中大量使用时，将会增大电力系统故障时的短路电流。
此外，超导限流器（superconducting fault c**rent limiter, sfcl）的研究也获得了很大进展。1999年，美国利用3个bi—2223高温超导线圈研制出三相15kv/20ka的桥路型sfcl。2005年，日本研究学者用运行温度bi—2223高温超导带材研制出一台6.6kv等级的样机。2003年，韩国成功使用bi—2223超导带材绕制了一台6.6kv/200a的样机高温超导限流器。2013年，上海交通大学制备了一台10kv/200a基于二代高温超导带材的电阻型限流器，并实现挂网运行。在由于系统故障等原因出现过电流时，通过改变限流器运行状态，在线路中产生较大的阻抗，从而限制短路电流，有响应速度快、正常运行时对电网影响小的优点。
为了解决常规超导电缆短路阻抗低的问题，德国的“ampacity”项目首次将超导电缆与超导限流器在实际电网中联合使用。但超导限流器的使用会增加系统建造成本，故针对高温超导电缆与超导限流器的运行特点，利用第二代高温超导体不仅能够传输大电流，还具备了限制故障电流的特性。因此，发生故障时，因故障电流过大而不能相连的母线和变压器可以通过超导限流电缆连接，实现设备共享，减少系统建设成本。
高温超导电缆为了保护导体层在故障过程中不被烧毁，并联铜骨架以分流的方式减少了电缆的产热和温升。为此，研究人员提出超导限流电缆的概念，利用高温超导带材失超时电阻增大来减少故障电流，减少来自各连接变电站的冲击，从而提高电能质量。
有学者通过调整rebco超导带材的铜层厚度、超导电缆长度及其临界电流，可以在0.2s内将故障电流限制在额定电流的3倍以内。有学者测试限流导体的暂态特性，并推断出较长的限流电缆将表现出更好的限流性能，允许断路器切断故障电流的时间更长，甚至消除对断路器的需要。但铜的电阻率较小，并没有起到很好的限流作用，如何提高超导限流电缆的限流能力仍是一个问题。
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图1 实验测试实物
图2 高温超导限流电缆结构示意图
科研人员指出，在液氮温度77k和工频50hz下，对不锈钢加强的第二代高温超导带材样品进行了100ms短路电流超过临界电流7倍以上的冲击实验。结果显示，在第一个周期内电流明显上升，在第二个周期后，电流减小，具有明显的限流作用。
图3 高温超导限流电缆模型实物
由于不锈钢具有较大的电阻率，超导限流电缆采用不锈钢骨架。当其受到20倍额定电流的冲击时，电缆的温度迅速上升至443k（170℃），并经过300s由443k恢复到77k。由于导体层与不锈钢骨架并联，冲击电流主要流过不锈钢骨架，只有很小的电流流过导体层中超导带材的不锈钢层，从而保护超导带材不被损坏。
科研人员表示，当系统突发短路故障时，高温超导限流电缆的电阻增大，可以将故障电流限制在额定电流的2.5倍以内，具有很强的限流能力，可实现电流传输和限制短路电流的功能。
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