超导型故障限流器（Superconducting Fault Current Limiter，SFCL）早在1970年即被提出，到20世纪80年代已有不少基础研究和实际开发方面的报道。1991年，日本东芝公司和东京电力公司联合攻关，采用低温超导材料NbTi/CuNi和液氮低温冷却装置（临界温度77K）研制成功三相6.6kV/1.5kA的SFCL，经试验表明该装置可将55kA的预期短路电流限制到1.8kA，该试品已接近实用规模，并已开始试运行。

1986年以来，临界温度达87～135K的若干陶瓷系列高温超导材料的问世，将使超导电力设备的研制、运行与维护费用大幅度下降。从事该项技术研究的国家遍及东西欧、北美、澳洲和东亚各国，研究单位并不局限于大学，也包括许多国际著名的电气公司如ABB、西门子、施耐德、东芝、GEC、Alsthom和CISE等。国外一些重要的电力公司和研究所，如加拿大的Quebec、日本的几大电力公司和中央电力研究所等均积极参与了该项科研工作。我国超导电力设备的研究工作已开展多年，具备了一定的研究基础。中国科学院电工研究所、北京大学、华中理工大学、清华大学、有色金属研究院和核物理研究院等单位都开展了超导型FCL的研究工作。我国首台高温超导限流器已于2005年8月在湖南省娄底电业局高溪变电站顺利通过短路试验，挂网试运行已近一年，其主要技术性能指标均已达到国际先进水平，成为继瑞士、德国和美国之后全球第四台并入10kV电网试运行的高温超导限流装置，极大地推进了高温超导技术在电力工业中的实用化研究进程。超导型故障限流器的样机研制情况见表1-2。

表1-2 超导型故障限流器样机研制进展

（续）

目前已研究过的SFCL可分为电阻式、变压器式、混合式、磁屏蔽式、电抗式、磁饱和式、三相电抗器式和桥式等八种，下面分别对它们的结构原理和技术特点作一介绍。

1.电阻式

电阻式SFCL是利用交流超导体从超导态向常态（高阻）的快速转变原理来限制电力系统的故障电流的。图1-1为电阻式SFCL的结构图，它主要含有一个由低交流损耗的极细丝超导电缆绕制而成的无感线圈，称为触发线圈；同时，为降低触发线圈状态转变时产生的过电压，通常还要并联一个限制线圈或限制电阻。限制线圈可以是常规的，也可以是失超电流比触发线圈高得多的超导线圈。

正常运行时，触发线圈处于超导态，由其交流损耗和漏感决定的阻抗很小，线路电流全部通过触发线圈；发生故障时，短路电流很快超过触发线圈的临界电流，触发线圈瞬间变为常态而呈现高阻，电流被转移到限制线圈或限制电阻中去，从而抑制了故障电流。

图1-1 电阻式SFCL的一般结构原理

电阻式SFCL具有结构简单、响应速度快、电流过载系数低和正常运行压降低等优点，低电压等级样品在国外已接近实用化。但是，超导线圈在正常运行期间流过线路全电流，需要由低交流损耗的大电流超导电缆绕制，而目前这种超导电缆（尤其4～5kA以上）在制造中尚存在难以解决的机械和传热等关键技术问题。鉴于此，国外研制的电阻式SFCL的额定电流尚未超过2kA，而且这种SFCL的超导恢复时间长，难以配合快速重合闸操作。具备快速重合闸功能的电阻式SFCL必须采用两套独立的超导线圈，结构复杂，造价昂贵。

2.变压器式

变压器式SFCL包括二次侧超导绕组短路（DA SC）的变压器式和四绕组变压器式两种。DA SC的概念是由法国学者于1986年提出的，其限流拓扑由通过线路电流的一次侧常规绕组、短路的二次侧超导绕组和铁心组成。系统正常运行期间，变压器因二次侧短路表现为低阻抗；故障发生时，变压器二次绕组因感应电流很快超过其临界值而出现失超，使变压器阻抗增大，从而限制故障电流。DA SC式限流器的超导线圈不需电流引线，结构简化，降低了低温损耗。当超导线圈整体失超时，限流装置没有过电压。

四绕组变压器式SFCL的一次侧和二次侧都有各自并联的主绕组和辅助绕组。一、二次侧主绕组间的间隙很小（漏感很小），而辅助绕组间的间隙很大（漏感很大），主绕组的临界电流比辅助绕组低得多。正常运行时，绝大部分电流在感抗小的一、二次侧主绕组中流动；发生故障时，一、二次侧主绕组因电流过大而失超，强迫电流转移到辅助绕组中去，从而达到限流的作用。四绕组变压器式SFCL兼具变压器和限流器功能，提高了变压器效率，总损耗仅为相同铁心重量的传统变压器的1/3。

不过，这两种SFCL不仅需要大电流交流超导电缆外，而且需要非金属杜瓦，目前仍处于初期研究阶段。

3.混合式

混合式SFCL的概念由法国学者于1992年提出。该种限流器由具有可变耦合磁路的常规变压器和无感绕制的超导线圈组成，其原理结构如图1-2所示。图1-2a中的变压器一、二次绕组彼此反绕，二次绕组和超导线圈串联后与一次绕组并联；图1-2b中的变压器二次绕组被超导线圈短路。混合式SFCL的变压器二次绕组匝数远多于一次侧，从而减小了通过超导线圈的电流。

图1-2 混合式SFCL工作原理

系统正常运行期间，由于一、二次绕组磁场相互抵消或二次绕组被超导线圈短路，限流装置的阻抗非常小。故障时，二次绕组电流迅速增大，超导线圈失超，SFCL表现为高阻抗而限制故障电流。这时，变压器一次电压降很大，磁路便自动饱和，一、二次绕组的耦合急剧减小，降低了二次电压和电流，从而减小了失超的超导线圈的热损耗，缩短其恢复时间。

混合式SFCL只需采用比线路电流小得多的交流超导电缆，简单易制，并减轻了超导体重量，大大降低了低温损耗；同时，因故障期间磁路饱和而降低了二次电压和电流值，从而减小了超导线圈发热，有利于超导态的恢复。但常规变压器的引入使SFCL的总损耗很大且很笨重，此外，故障期间会出现较高过电压，故障后磁路饱和还会引起电流和电压波形畸变。这种SFCL的超导恢复时间长，也不能配合快速重合闸操作。

4.磁屏蔽式

磁屏蔽式SFCL由外侧的铜线圈、中间的超导圆筒和内侧的铁心同轴配置而成，其中铜线圈串入电网，如图1-3所示。正常运行期间，圆筒处于超导态，铜线圈产生的磁通被短路超导圆筒中感应的屏蔽电流的磁通所抵消，装置的阻抗仅由铜线圈和超导屏蔽筒间的气隙漏磁通决定，表现为低阻抗。发生短路故障时，超导圆筒的感应电流快速增大到临界值而出现失超现象，使圆筒不再能屏蔽铜线圈的磁通，导致装置阻抗增大而限制故障电流。(www.daowen.com)

磁屏蔽式SFCL的优点表现在：高温超导体用量在各种SFCL中最少；因超导屏蔽筒的交流损耗低，且不需电流引线，所以低温热负荷小，可用G2M制冷机来冷却；装置外侧的杂散磁场也很小。但是，该装置的重量较大（比电阻式SFCL重一个数量级），超导恢复时间很长，限流期间会出现瞬态过电压，需要两套独立装置才能配合快速重合闸操作，并需另装转换开关。

5.电抗式

电抗式SFCL由超导线圈与限制线圈反向绕制并联组成。正常运行时，限制线圈与触发线圈电流相等，产生的磁场反向并相互抵消，线圈内无主磁通，限流器阻抗接近于零。短路故障发生时，当电流超过临界值后，超导线圈失超产生高阻抗，短路电流被限制线圈所限制。电抗式SFCL同样存在超导体失超后恢复时间长的问题，不适于自动重合闸运行。

图1-3 磁屏蔽式SFCL的结构

6.磁饱和式

1982年英国研制了一台3kV/556A的单相磁饱和式SFCL样机，其结构原理如图1-4所示。磁饱和式SFCL故障限流器主要由铁心、交流绕组（铜绕组）、超导直流偏置绕组和直流恒流电源组成。两个交流绕组反向串联在电网中，其在超导直流偏置绕组中产生的磁场方向相反。系统正常运行时，超导绕组产生的直流偏置场，使铁心处于深度饱和状态，交流绕组在电网中表现为低阻抗状态。当电网发生短路故障时，短路电流使两个铁心在一个周期内交替饱和，交流绕组的阻抗迅速增大，从而自动限制短路电流的增加。

磁饱和式SFCL的技术关键，是使用超导绕组代替直流励磁绕组，可大大降低直流恒流电源的功率。另外，超导材料比普通铜导体的允许电流密度大，可在绕组参数相同时提供更大的直流磁化场。直流绕组在故障时无超导态到失超态的转化过程，其反应和恢复时间都非常短。因而，磁饱和式SFCL特别适合于线路多次自动重合闸的要求。

图1-4 磁饱和式SFCL结构原理

1、4—铁心 2、3—交流限流绕组 5、6—超导直流偏置绕组

尽管磁饱和式SFCL在理论上可行，但在工程应用中也会遇到技术与经济问题。例如，交流磁通在直流绕组中感应的交变电压，会增加SFCL的正常工作压降和功耗。发生短路故障时，额定电压的大部分降落在SFCL的交流绕组上，电网交流高压会通过交流绕组和SFCL铁心耦合到直流绕组中，对直流电源具有破坏作用，产生所谓的“高压”问题。故障时的“高压”问题使得磁饱和型SFCL的额定运行参数受到限制，同时也是限制磁饱和式SFCL在高压以及超高压电网应用的关键性难题。

7.三相电抗器式

三相电抗器式SFCL由日本学者于1989年提出。该装置由绕在单一铁心上的三个匝数相同的超导绕组组成，如图1-5所示。正常运行时，三相电流平衡，铁心中总磁通为零，装置表现为很小的阻抗。当发生单相对地故障时，三相电流失衡，电抗变得非常大，故障电流被SFCL的较大零序电抗所抑制，超导绕组并不失超。当发生两相或三相短路故障时，装置的电抗不增大，当故障电流达到超导绕组的临界电流时，超导绕组失超，故障电流被较大的常态电阻所抑制。

三相电抗器式SFCL的突出优点是单相对地故障时超导绕组不失超。电力系统有90%的故障为单相对地故障，所以这种SFCL能不失超地限制绝大多数故障电流。正常运行期间，三相电流之和为零，无磁通变化，可采用金属杜瓦。但该装置需要具有较大通流能力的交流超导电缆，总损耗较大，铁心也较重。

图1-5 三相电抗器式SFCL的结构原理

8.桥式

桥式SFCL的概念在1983年由美国LANL和西屋电力公司共同提出。图1-6为桥式SFCL的单相原理图。该装置由二极管桥路VD₁～VD₄、超导线圈L和偏压电源DC组成。与SFCL串联的断路器QF用来开断被抑制后的故障电流，DC为超导线圈提供偏置电流i_L。正常运行时，调节DC使i_L大于线路电流i_AC的峰值，于是桥路始终处于导通状态，装置对外不表现任何阻抗。发生故障时，当i_AC幅值大于i_L时，正半周内二极管VD₃和VD₄不导通，负半周内VD₁和VD₂不导通，超导线圈就被自动地串入线路，故障电流被大电感L限制。

图1-6 桥式SFCL的结构原理

桥式SFCL具有独特的优点：能在0.5s内完成状态恢复，适于重合闸操作；直流超导线圈不存在大电流交流超导电缆及非金属杜瓦的难题；由于没有铁心及铜绕组部件，故总重量轻且费用低；正常运行时装置的电压降小且不会引起谐波和瞬变。但正常运行时，超导线圈要通过大于线路电流幅值的直流，由此引起的低温损耗较大；此外，还需要容量较大的直流偏压电源。

9.小结

超导型故障限流器可实现检测、转换、限流一体化，能在毫秒级内限制故障电流，是一种理想的电力系统短路故障限流器，在世界范围内引起了广泛关注。但目前超导技术在电工领域的应用还受到许多具体条件的限制，特别是在高电压大功率场合的应用技术尚不成熟，运行可靠性难以保证，造价也极其昂贵。超导体在失超后需要较长的时间才能恢复到超导态，这对需要快速重合闸的应用场合就无法满足条件。因此，超导技术目前的实用化程度尚不能满足电力工业的实际工程需要，SFCL的研制还有赖于超导技术的科研发展和其他相关技术的进步。尽管如此，基于超导的故障限流技术，仍将是未来本领域发展的重点和前沿方向之一。