通常限制短路的電流的措施可從電力網(wǎng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)運行方式和設(shè)備三方面考慮。雖然更換斷路器以及相關(guān)電氣設(shè)備是一種方案，但有以下問題：

　　①更換設(shè)備投資巨大；

　　②在更換設(shè)備器期間，電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性大大降低；

　?、勰壳昂虾跞萘恳蟮脑O(shè)備，在不遠的將來，設(shè)備容量就可能不能滿足短路電流水平了。因此，快速限制故障大電流已經(jīng)成為當(dāng)前電力系統(tǒng)極其緊迫的問題。

　　目前開發(fā)的各種故障電流限制器中，利用電力電子開關(guān)的“固態(tài)限流器”和利用超導(dǎo)技術(shù)，超導(dǎo)限流器”是2條發(fā)展主線，二者均有多種形式的研究成果。基于對限流器的探索工作，并結(jié)合前期對限流斷路器的研究，華中科技大學(xué)超導(dǎo)電力科學(xué)研究與發(fā)展中心提出了一種并聯(lián)電感超導(dǎo)限流器的設(shè)計方案，該型限流器融合了電力電子器件、現(xiàn)代控制技術(shù)及超導(dǎo)材料，能夠靈活快速地動作進行限流，且具有故障電流水平可控及動作過程中超導(dǎo)體不失超的特點。

　　本文介紹了并聯(lián)電感超導(dǎo)限流斷路器的結(jié)構(gòu)及原理，并進行了MATLAB/Simulink仿真，仿真結(jié)果與理論分析相符，這對下一步開展該型限流器在實際電力系統(tǒng)中的應(yīng)用有重要指導(dǎo)意義。

　主電路及原理

　結(jié)構(gòu)和原理

　　圖1 并聯(lián)電感故障限流器原理圖

　　并聯(lián)電感限流斷路器的原理圖如圖1所示， 它包括異名端相連的兩個超導(dǎo)線圈，與線圈并聯(lián)的保護電阻R1和R2，輔助斷路器S1和主斷路器S2組合而成。L1與L2分別為線圈W1與W2的自感，M是它們之間的互感，Zs是線路阻抗，Sload是電路負(fù)載。

　　在正常狀態(tài)下，斷路器S1和S2處于閉合狀態(tài)，兩線圈處于超導(dǎo)狀態(tài)，耦合系數(shù)為1。線圈W1和W2共同承擔(dān)線路電流（Is=I1+I2），并聯(lián)電感限流斷路器的等效結(jié)構(gòu)如圖2所示。無感耦合的并聯(lián)電感的等效阻抗為：

　　（1）

　　電感處于無感耦合狀態(tài)，因此呈現(xiàn)的等效阻抗很小，幾乎為0（Zcoil≈0），電感上的電壓降落也很小，整個裝置處于低損耗待命狀態(tài)。

　　圖2并聯(lián)電感故障限流器的等效電路

　　假設(shè)并聯(lián)電感的耦合系數(shù)和變比分別定義為和，阻抗可表示為。當(dāng)k無限接近1時，Zcoil幾乎為0，此時兩保護電阻被視為“短路”。

　　當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，系統(tǒng)電流Is陡增，在輔助斷路器S1動作之前，無感耦合的第一線圈W1與第二線圈W2仍然共同承擔(dān)故障電流，但并聯(lián)電感的分流減小了輔助斷路器S1的開斷容量，提高了其開斷能力，在輔助斷路器S1動作，并聯(lián)電感的第一線圈W1被開斷后，并聯(lián)電感解耦，阻抗大大增加，減小了主斷路器S2的開斷容量，提高了開斷能力，從而保證有效地切斷故障電流。并聯(lián)電感限流斷路器的限流阻抗觸發(fā)來限制故障電流，可表示為：

　　電阻R1和R2的作用是保護第一線圈和第二線圈。當(dāng)S1斷開后，感應(yīng)電流突然中斷，會引起過電壓損壞兩個線圈，R1投入后，如果兩端的電壓一旦超過其閾值時，R1將轉(zhuǎn)換為低阻抗。然后，L1和R2組成持續(xù)回路，開關(guān)過電壓將會消失。隨著過電壓的消失，R1會轉(zhuǎn)換成高阻抗?fàn)顟B(tài)。當(dāng)S2斷開后，故障消除，R2將發(fā)揮著同樣的作用。

　　 參數(shù)設(shè)計

　　從故障發(fā)生到輔助斷路器S1斷開，第一線圈和第二線圈共同承擔(dān)著故障電流。S1的開斷電流Icb和故障電流Isf的關(guān)系可表示為：

　　 （4）

　　由k和n的表達式知Icb與Isf的比例關(guān)系可以改寫為。因此，調(diào)整k和n的值可改變Icb，且S1的開斷容量就能靈活的設(shè)計。改變n和k的值對Icb與Isf的比值的影響如圖3所示。從圖中得知隨著n的增加比值將逐漸減小。當(dāng)n=1時，比值為0.5且保持不變，即改變k值對它沒有影響。假設(shè)n＞1，隨著k值的增大比值將會增大。

　　圖3改變變比n和耦合系數(shù)k的值對Icb與Isf的比值的影響

　　如圖4所示，改變k和n的值對耦合線圈阻抗的影響也做了研究。可以看到隨著n值的增大阻抗ZSFCL將會增大。假設(shè)k=0.98，盡管阻抗的增加趨勢不如另外兩條曲線明顯，但是增加n對無感耦合特性的影響仍然需要考慮。

　　圖4 改變變比n和耦合系數(shù)k的值對耦合線圈阻抗ZSFCL的影響

　　這種新型無感耦合并聯(lián)電感限流斷路器的并聯(lián)耦合線圈所用的材料均為超導(dǎo)材料，它的主斷路器或輔助斷路器為電力電子開關(guān)或PWM變流器。它具有三個主要特點：（1）具有無感耦合特性；（2）具有靈活的開關(guān)開斷容量控制設(shè)計；（3）具有對主電路斷路器和故障電流限制器的組合。在限流阻抗觸發(fā)前，通過主電路斷路器的電流比故障電流要小的多，在n=1的情況下改變k值比值保持在0.5左右。因此，比較其他僅僅具有主斷路器系列的超導(dǎo)故障限流器，這種新型無感耦合并聯(lián)電感故障限流斷路器在故障發(fā)生的初始時間內(nèi)能減小主斷路器的負(fù)擔(dān)，此外，由于兩條路徑的故障電流通過，減少了超導(dǎo)元件發(fā)生損壞的可能性。在這種限流器的限流操作下，故障電流將會被抑制在某一確定的電流下由主電路斷路器斷開回路。在短路電流比現(xiàn)有可用的中斷斷路器容量大的電力系統(tǒng)中是很重要的。

　 仿真分析

　　為了更好的觀察分流和限流效果，輔助斷路器S1與主斷路器S2的開斷時間與實際相比均有一定的延時。故障前系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài)，t=0.026s時，系統(tǒng)在負(fù)載端發(fā)生接地短路故障，t=0.076s時，輔助斷路器S1開斷，t=0.116s時，主斷路器S2開斷。

　　如圖6所示為并聯(lián)電感的第一線圈W1與第二線圈W2兩端的電壓降落Uw1與Uw2，由圖可知，在輔助斷路器S1開端之前，由于并聯(lián)電感處于無感耦合狀態(tài)，其兩端的電壓降落幾乎為0，故系統(tǒng)正常運行時裝置的損耗很低。輔助斷路器S1開斷之后，并聯(lián)電感解耦，阻抗增大，第二線圈W2成為系統(tǒng)的主要阻抗，故電感上的電壓降落接近于系統(tǒng)電抗。圖中Uw1與Uw2反向是因為并聯(lián)電感的異名端相連。

　　如圖7所示，細實線表示系統(tǒng)電流Is，粗虛線表示輔助斷路器電流I1。系統(tǒng)正常運行時，電流峰值為1.6KA，短路期間，故障電流的瞬時峰值最大達到13.9KA（≈9IN，IN為線路的額定電流），若只使用一個斷路器來開斷短路電流，則該斷路器的開端容量至少需要14KA，而由圖可知，由于并聯(lián)電感的分流作用，流過輔助斷路器S1的電流只有系統(tǒng)短路電流的一半，故障斷路器的開斷容量可以減少一半，其開斷能力得到顯著提高。

　　如圖8所示，細實線表示系統(tǒng)電流Is，粗虛線表示主斷路器電流I2。在輔助斷路器S1開斷、并聯(lián)電感解耦之前，并聯(lián)電感起分流作用（Is=I1+I2），在輔助斷路器S1開斷，并聯(lián)電感解耦后（t》0.08s），系統(tǒng)的故障電流全部由主斷路器S2來承擔(dān)（Is=I2），但由于并聯(lián)電感的解耦，裝置阻抗大大增加，進入限流狀態(tài)，故障電流得到有效降低，峰值最大只有3.6KA（≈2.3IN），故主斷路器S2的開斷容量可以大大降低，其開斷能力得到顯著提高，從而可以有效地完全切斷故障電流，達到顯著的限流效果。

　　圖6 并聯(lián)電感線圈兩端的電壓UW1和UW2

　　圖7 并聯(lián)電感限流斷路器的輔助斷路器電流I1和系統(tǒng)電流IS

　　圖8 并聯(lián)電感限流斷路器的主斷路器電流I2和系統(tǒng)電流IS

　結(jié)論

　　本文中所提出的并聯(lián)電感故障限流斷路器作為一種新型大容量短路保護器件，克服了現(xiàn)有斷路器開斷能力的不足，利用無感耦合并聯(lián)電感的分流來減小輔助斷路器的開斷容量，利用并聯(lián)電感解耦后的限流來減小主斷路器的開斷容量，提高了斷路器的開斷能力，使之可以迅速切斷大容量的短路電流。

　　此種并聯(lián)電感限流斷路器并聯(lián)的第一線圈與第二線圈所用材料均為超導(dǎo)材料，與之并聯(lián)的保護電阻采用可調(diào)電阻，主斷路器或者輔助斷路器為電力電子開關(guān)或者PWM交流器。對于本文提出的這種并聯(lián)電感結(jié)構(gòu)，目前還只是處于理論分析和仿真階段，仿真得出的結(jié)果是理想的，并沒有考慮PWM調(diào)制時的死區(qū)等問題，其波形分析必然和實際波形的有一定的差距。當(dāng)采用IGBT作為開關(guān)器件的時，系統(tǒng)的保護問題、啟動問題等等很多具體問題都沒有考慮，因此后續(xù)工作還有進一步改進的需要。

　　本論文所涉及的SFCL具有設(shè)計簡單、裝置損耗低、運行費用小、限流效果好的特點，在電力系統(tǒng)中有著廣闊的應(yīng)用前景。但是要做到真正應(yīng)用，還必須進行深入細致的研究，以便更好的應(yīng)用于實際。另外，本文只是研究了有關(guān)FCL的一些方面的問題，電力系統(tǒng)中還有很多同F(xiàn)CL相關(guān)的課題或者問題，在日后對于FCL的更進一步研究中，這些課題都將成為重點和熱點。相信以后隨著更多的專業(yè)人士加入研究FCL的行列，F(xiàn)CL能夠早日在電網(wǎng)中得到應(yīng)用，成為提高電力系統(tǒng)安全和穩(wěn)定的一項中堅技術(shù)。

　　因此，本文提出的短路電流限流器具有很大的實用價值，在電力系統(tǒng)中有著廣闊的應(yīng)用背景。