目前，直流系統普遍存在短路故障電流幅值大、上升率高且難以開斷的問題，如柔性直流系統短路故障電流可在幾毫秒內上升到幾萬安培。系統發生短路故障時，系統電壓驟降，需要快速可靠地開斷短路電流防止其對系統和換流站造成損害。

隨著船舶向大型化和自動化方向發展，船舶動力系統的容量也越來越大，單機容量隨之增大，使艦船直流系統的短路故障電流迅速增大，目前可達幾十萬安培]。軌道交通直流牽引系統的供電容量不斷增大，使短路故障電流可在幾毫秒上升到幾十萬安培。直流系統短路故障電流幅值大、上升率高，直流電弧無自然過零點，能量連續，使得直接開斷十分困難。

超導限流器（Superconducting Fault Current Limiter, SFCL）在直流輸配電系統中能限制直流電壓的下降和直流電流的激增。超導故障限流器有多種結構，包括電阻型、電抗型、橋路型、飽和鐵心型和變壓器型等。

根據限流方式的不同，直流超導限流器通常分為電阻型超導限流器和電感型超導限流器。電感型超導限流器，只能限制直流系統故障電流上升率，不能限制故障電流幅值。電阻型超導限流器既能限制故障電流上升率，又能限制故障電流幅值。電阻型超導限流器反應迅速，可在1ms內反應，并將短路電流限制到較低水平。

有學者通過仿真研究了兩種超導限流器在直流系統的限流效果。指出電感型超導限流器可有效地抑制直流線路故障電流及初始電流上升率，但無法從根本上避免換流站閉鎖。而采用電阻型超導限流器限流時，雖然故障發生1ms內故障電流上升率較快，但之后電流基本穩定在較低水平，未超過換流器閾值電流，避免了換流站閉鎖。

電阻型超導限流器通常由高溫超導帶材繞制的線圈組成，利用超導材料的失超電阻來限流。電阻型超導故障限流器在直流系統正常運行時，超導限流器處于超導態，不產生額外的功率損耗。當直流故障發生后，故障電流超過超導的臨界電流，超導立即失超，變為大電阻，快速消耗能量，有效降低直流線路過電流，遏制電壓下降。

有學者認為在上述限流器中，電阻型超導限流器是直流系統中最好的選擇。電阻型超導限流器不僅可以限制故障電流，同時可以補償柔性直流系統中的電壓降。其失超后成阻態，可形成過阻尼電路，防止故障電流振蕩。

電阻型超導限流器集檢測、轉換、限流于一身，并且具有通態損耗極低、響應速度快、限流程度深的優勢，是目前直流超導限流器的研究熱點。B. Li 和P. Chang 等認為電阻型超導限流器是高壓直流輸電系統和柔性直流輸電系統中最合適的選擇。西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室智能電器裝備與系統團隊分別研究了電阻型超導限流器與氣體直流斷路器、真空直流斷路器和混合式直流斷路器配合實現直流短路故障電流開斷的技術。

本文介紹的超導限流直流開斷技術包括超導限流自激振蕩式直流開斷技術、超導限流強迫過零式直流開斷技術和超導限流混合式直流開斷技術，適用于中高壓直流系統。超導限流自激振蕩式直流斷路器將超導限流與氣體直流斷路器串聯，其中的氣體直流斷路器采用自激振蕩直流開斷方式，利用氣體電弧的負電阻特性和不穩定性與并聯的電容、電抗產生自激振蕩電流，建立人工過零點開斷直流電流。

超導限流強迫過零式直流斷路器將超導限流與真空斷路器串聯，真空斷路器通過并聯的預充電電容放電，產生人工零點開斷直流電流。超導限流混合式直流斷路器將超導限流與混合式直流斷路器串聯，混合式直流斷路器利用電力電子器件開斷直流故障電流。

本文綜述了超導限流直流開斷技術，通過實驗和仿真分析不同超導限流直流開斷技術的工作過程和原理。本文分析了電阻型直流超導限流器限制直流短路故障電流的特性，并且介紹了超導限流自激振蕩式、超導限流強迫過零式和超導限流混合式直流斷路器的工作原理、開斷過程和配合特性。

圖1 超導帶材限流特性測試電路

圖9 超導限流式真空直流開斷樣機電路拓撲

圖10 超導帶材繞制盤

結論

本文針對直流系統短路故障電流幅值高、上升率大的問題，提出采用超導限流直流開斷技術解決。本文分析了三種超導限流直流斷路器，分別為超導限流自激振蕩式、超導限流強迫過零式和超導限流混合式直流斷路器的工作原理、開斷過程和配合方式。仿真分析了200kV/30kA超導限流自激振蕩開斷過程，完成了10kV/10kA超導限流強迫過零直流電流開斷試驗和55V/55A超導限流混合式直流電流開斷試驗。

本文介紹的超導限流直流開斷三種方式與機械式直流開斷技術相比，具有開斷容量大、開斷過電壓低和可靠性高、系統其他設備不用承受過大短路電流沖擊，能減少其他設備的成本和體積的優勢。超導限流直流開斷技術與混合式直流開斷技術相比，具有通態損耗低、系統短路故障電流幅值和上升率低、開斷過電壓低、能提高設備運行的穩定性及可靠性的優勢。

為了滿足直流輸電快速發展的需求，對于超導限流器，應進一步關注其絕緣特性；對于自激振蕩式開斷單元，應進一步優化，加快電弧振蕩過程并降低燃弧時間；對于強制過零開斷單元，重點應優化振蕩回路參數，以及提升其在小電流情況下的開斷能力；對于混合式開斷單元，重點應提高機械開關操控速度及提升換流速度，減少串并聯電力半導體器件數量，提高設備運行的可靠性。