PDF《超导故障电流限流器 （SCFCL） 技术概观》

超导故障电流限流器 (SCFCL) 技术概观 本文说明美商应用材料公司 (Applied Materials, AMAT) 超导故障电流限流器的各项能力及其功能, 以及此项已获得专利之独一无二的革命性电网保护系统背后各项技术.

目录 A. 摘要.2 标准元件和商业产品.3 坚固设计、严格测试及故障模式分析.4 B. 技术概观.4 触发及回复 C 115kV 安装例 (位於泰国的民营电厂)9 C. 元件.12 电抗器

13 液态氮 (LN2) 冷却超导体.14 超导体保护及回复模组.14 「活槽式」或「死槽式」设计.15 液态氮储存或制造.15 监控、控制及客户介面.15 D. 运作与维护.16 1. 损耗

16 2. 安装

16 3. 维护考量因素

16 A. 摘要 美商应用材料公司 (以下简称 应材 ) 开发出创新、专利及专属的故障电流限流器 (FCL, Fault Current Limiter),因应显而易见且迅速增长的电网保护需求,可解决传统方案的功能及经济性限制, 例如配电盘升级 (Switchgear Upgrade)、高阻抗网路 (High Impedance Network)、串联电抗器 (Series Reactor) 以及爆炸断路器 (Explosive Interrupter).应材超导体 (SC, Super Conductor) 故障电流限流器 (以下简称 SCFCL) 是属於被动装置,利用高温超导体 (HTS, High Temperature Superconductor) 材料 的独特属性,可由非常低阻抗 (几乎零压降) 的「正常状态」,立即转变 (大约一毫秒) 为高阻抗 (压降足以控制电流至所需值) 的「故障限流状态」.SCFCL 在正常运作期间,其高阻抗的性质基本 上不会出现在网路之中,因此在传导正常负载电流时,具有近乎於零的阻抗,对电力品质的影响 非常小,不过可在故障电流超过指定值时非常迅速的转变,将故障电流限制在安全标准. 获得专利的应材 SCFCL 具备相当简单的基本架构,包括并联的电抗器和超导体 模组 (图1). 图1CSCFCL 概观 SCFCL 利用超导模组之中 超导的特性,达到快速限制故障的效果.超导导线以超导方式运作时, 传导电力几乎没有损耗.本文之后将说明超导导线在故障期间会进行相变 (「猝熄」'

quench'

),成 为一般的电阻导体.这种猝熄现象是超导导线固有的特性,反应速度非常快,大约只要一毫秒. 超导模组猝熄时,超导系统电阻将远高於电抗器,因此电流会立即转向分流电抗器路径,有效在 第一个峰值之前减少故障电流.故障清除时,超导导线将回到超导状态,而正常负载电流将以非 常微小的损耗流通. 实际上,SCFCL 包含一个以上的低温恒温器,超导导线,组成超导模组与电抗器并联连接.SCFCL 架构采用获得专利的模组化设计,能够以弹性方式部署系统,而超导模组和电抗器能够以各种不 同状况配置,因应各种现场需求.在较低电压系统,三相系统可安装於具接地装置与接地电位之 单一个低温恒温器装置(dead tank,接地电位槽或称'

死槽'

),而在较高电压的系统,则需采用 具浮接线电位(floating line potential)之三个单相低温恒温器装置(live tank,浮接电位槽或称'

活 电抗器 超导体 槽'

).液态氮 (LN2) 可经济地冷却以高温超导体 (HTS) 方法运作的超导导线;

液态氮可於现场大 批储存,或是使用低温冷却器在现场制造. 采用并联电抗器是应材 SCFCL 的主要部件之一,可确保在所有故障情况下控管电力流动,直到现 有保护方法发挥作用中断故障为止.这项容错架构可消除误「跳脱」,并让 SCFCL 略过微小的系 统不稳定状态,保持电网通电,同时永远确保电网受到保护,不受故障影响.同样地,如果发生 罕见的超导模组故障,即使压降升高,电力仍可持续通过并联的电抗器路径,并维持电网安全. SCFCL 并没有耗损项目或消耗性元件.其中将正常运作期间的定期维护需求降到最低,除了液态 氮供应以外,大部分都与其他一般的电力设备相同,例如相同地点的变压器或电抗器.重要的是, SCFCL 故障后不必维护、更换、维修或断电,即可回复运作,SCFCL 可在故障清除之后,自动迅速 回复正常负载. 故障安全、被动及高功率设计 应材 SCFCL 的创新设计因应了高功率及高电压问题;

设计精巧、可靠、坚固及采用超导 (SC) 技术 的故障电流限流器 (FCL).电压并未用於侦测故障或「触发」FCL,而超导导线并不会受到其运作 电压的影响.只有在装置介电设计的背景下 (其因应方式与百余年来的变压器设计相同),以及在 判定必须产生的压降,以限制故障电流至所需值的情况下,才需要考量 FCL 电压.在低电压 (一般 为二次输电及配电电压) 情况下,SCFCL 可利用於接地电位运作的「死槽」轻设计,不过比较聪 明的配置方式是缩小 SCFCL 尺寸,在输电电压采用「活槽」设计,让FCL 随线路电压浮动依旧可 以作用.这项设计概念搭配使用并联分流电抗器,可大幅减少 SCFCL 的尺寸和成本. 应材 SCFCL 是电流驱动装置.超导模组可立即回应 (1 毫秒内) 电流变化,并猝熄超导导线以限制 故障,成为具备高电阻的传统导体.SCFCL 的故障限制功能,无需相关的侦测器或控制.控制和 仪表仅用於状态监控,以维持超导导线的低温环境,并收集故障和故障限制效能的资料. SCFCL 完全被动,会在产生猝熄现象时自动限制故障,而猝熄是超导导线的固有特性.SCFCL 使用 的并联路径电抗器是非常可靠的元件,就像变压器一样,已经在电网使用一百年以上的时间.电 抗器这种电气元件稳定可靠,通常以没有备援或旁路的方式安装於电网之中.采用并联路径电抗 器是 SCFCL 重要的故障安全功能之一.如果发生罕见的超导模组故障情形,并联路径电抗器可确 保电力持续流通,维持故障限制,而电网则一定受到保护. 标准元件和商业产品 SCFCL 具备坚固、可靠及优异效能等特色,这大部分要归功於采用创新、专利及独特的设计,并 以业界及科学界长期使用且深获肯定的元件和材料组成.超导导线是商业产品,普遍用於核磁共 振成像 (MRI) 机器乃至於缆线等各种装置配件,并向可靠的供应商采购.同样地,低温恒温器为 不锈钢或铝制容器,数十年来普遍用於全球实验室及加工厂.电抗器则是普遍使用的电网设备, 已经可靠应用超过一百年以上.电抗器是由知名的业界供应商负责设计和建造.超导导线的低温 冷却是由液态氮提供;

这是非常普遍的工业液体,可储存於大型储槽之中,由当地工业气体供应 商定期补充,例如 British Oxygen 或Praxair.如果没有办法定期供应工业气体,可於现场使用低温 冷却器制造液态氮. 坚固设计、严格测试及故障模式分析 美商应用材料公司采取有条理的全方位系统工程方法开发 SCFCL,确保制造坚固、可靠、经济及 故障安全的高效能产品. 应用材料公司使用严格的设计和产品发行程序,针对 SCFCL 采用完整的品质和效能工程方法.所 有层级的设计之中都应用韦伯 (Weibull) 资料分布分析及故障模式、效应和关键性分析,围涵盖 个别元件至最终成品.我们在内部及独立第三方实验室,都进行数百小时的全功率测试,并反覆 测试各种元件、组件、子系统及系统的故障情形. 展示装置通电部署於电网及特殊的测试设施,并持续监控、分析及评估各种运作及维护考量因素, 包括许多真实世界的故障事件.结果显示这项装置效能优异,运作风险非常低.最重要的是,应 用材料公司发现即使采用严格设计和保护措施,任何装置都可能随时因为任何原因故障;

因此 SCFCL 采用故障安全设计.如下方图

2 所示,发生罕见的 SCFCL 故障时,电力仍然流通,维持故障 电流限制,且电网受到保护. 系统层级失效情境 系统........