通常限制短路的電流的措施可從電力網結構、系統運行方式和設備三方面考慮。雖然更換斷路器以及相關電氣設備是一種方案，但有以下問題：

　　①更換設備投資巨大；

　　②在更換設備器期間，電網系統的可靠性大大降低；

　　③目前合乎容量要求的設備，在不遠的將來，設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成為當前電力系統極其緊迫的問題。

　　目前開發的各種故障電流限制器中，利用電力電子開關的“固態限流器”和利用超導技術，超導限流器”是2條發展主線，二者均有多種形式的研究成果。基于對限流器的探索工作，并結合前期對限流斷路器的研究，華中科技大學超導電力科學研究與發展中心提出了一種并聯電感超導限流器的設計方案，該型限流器融合了電力電子器件、現代控制技術及超導材料，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體不失超的特點。

　　本文介紹了并聯電感超導限流斷路器的結構及原理，并進行了MATLAB/Simulink仿真，仿真結果與理論分析相符，這對下一步開展該型限流器在實際電力系統中的應用有重要指導意義。

　主電路及原理

　結構和原理

　　圖1 并聯電感故障限流器原理圖

　　并聯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線圈，與線圈并聯的保護電阻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是電路負載。

　　在正常狀態下，斷路器S1和S2處于閉合狀態，兩線圈處于超導狀態，耦合系數為1。線圈W1和W2共同承擔線路電流（Is=I1+I2），并聯電感限流斷路器的等效結構如圖2所示。無感耦合的并聯電感的等效阻抗為：

　　（1）

　　電感處于無感耦合狀態，因此呈現的等效阻抗很小，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。

　　圖2并聯電感故障限流器的等效電路

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

　　當系統發生短路故障時，系統電流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仍然共同承擔故障電流，但并聯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，并聯電感的第一線圈W1被開斷后，并聯電感解耦，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。并聯電感限流斷路器的限流阻抗觸發來限制故障電流，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S1斷開后，感應電流突然中斷，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將轉換為低阻抗。然后，L1和R2組成持續回路，開關過電壓將會消失。隨著過電壓的消失，R1會轉換成高阻抗狀態。當S2斷開后，故障消除，R2將發揮著同樣的作用。

　　 參數設計

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

　　 （4）

　　由k和n的表達式知Icb與Isf的比例關系可以改寫為。因此，調整k和n的值可改變Icb，且S1的開斷容量就能靈活的設計。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k的值對耦合線圈阻抗ZSFCL的影響

　　這種新型無感耦合并聯電感限流斷路器的并聯耦合線圈所用的材料均為超導材料，它的主斷路器或輔助斷路器為電力電子開關或PWM變流器。它具有三個主要特點：（1）具有無感耦合特性；（2）具有靈活的開關開斷容量控制設計；（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故障限流器，這種新型無感耦合并聯電感故障限流斷路器在故障發生的初始時間內能減小主斷路器的負擔，此外，由于兩條路徑的故障電流通過，減少了超導元件發生損壞的可能性。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。在短路電流比現有可用的中斷斷路器容量大的電力系統中是很重要的。

　 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。故障前系統處于正常運行狀態，t=0.026s時，系統在負載端發生接地短路故障，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，由于并聯電感處于無感耦合狀態，其兩端的電壓降落幾乎為0，故系統正常運行時裝置的損耗很低。輔助斷路器S1開斷之后，并聯電感解耦，阻抗增大，第二線圈W2成為系統的主要阻抗，故電感上的電壓降落接近于系統電抗。圖中Uw1與Uw2反向是因為并聯電感的異名端相連。

　　如圖7所示，細實線表示系統電流Is，粗虛線表示輔助斷路器電流I1。系統正常運行時，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，由于并聯電感的分流作用，流過輔助斷路器S1的電流只有系統短路電流的一半，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、并聯電感解耦之前，并聯電感起分流作用（Is=I1+I2），在輔助斷路器S1開斷，并聯電感解耦后（t》0.08s），系統的故障電流全部由主斷路器S2來承擔（Is=I2），但由于并聯電感的解耦，裝置阻抗大大增加，進入限流狀態，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 并聯電感線圈兩端的電壓UW1和UW2

　　圖7 并聯電感限流斷路器的輔助斷路器電流I1和系統電流IS

　　圖8 并聯電感限流斷路器的主斷路器電流I2和系統電流IS

　結論

　　本文中所提出的并聯電感故障限流斷路器作為一種新型大容量短路保護器件，克服了現有斷路器開斷能力的不足，利用無感耦合并聯電感的分流來減小輔助斷路器的開斷容量，利用并聯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。

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

　　本論文所涉及的SFCL具有設計簡單、裝置損耗低、運行費用小、限流效果好的特點，在電力系統中有著廣闊的應用前景。但是要做到真正應用，還必須進行深入細致的研究，以便更好的應用于實際。另外，本文只是研究了有關FCL的一些方面的問題，電力系統中還有很多同FCL相關的課題或者問題，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人士加入研究FCL的行列，FCL能夠早日在電網中得到應用，成為提高電力系統安全和穩定的一項中堅技術。

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