饱和铁心型SFCL一般由铁心、常规交流绕组、直流超导绕组三个部分组成，如图1所示^[9]。单相交流绕组为两个常规导体绕制的线圈，串联在电网中，分置于不同的铁心上，线圈产生的磁场方向相同；直流绕组由超导材料绕制而成，同时为两个铁心提供直流励磁。铁心中的磁化曲线如图2所示^[9]。当系统正常运行时，超导绕组中的直流励磁将产生很强的直流磁场，使铁心深度饱和，限流器工作在磁化曲线的Ⅰ段，装置表现出较的阻抗较低，损耗小，对系统几乎无影响。当系统发生短路故障时，交流绕组中的电流瞬间增大，产生很强的交流磁场。当交流线圈在铁心中产生的磁动势接近于直流磁动势时，两个铁心将在一个周期内交替由饱和态进入非饱和态，限流器工作在曲线的Ⅱ段，交流绕组的阻抗迅速增大从而自动限制短路电流的增加。当故障电流持续增大至交流磁动势大于直流磁动势时，铁心将反向饱和，工作在磁化曲线的Ⅲ段，SFCL失去限流能力。

图  1  饱和铁心型SFCL的结构示意图

Figure 1.  The structure of Saturated core type SFCL

图  2  限流器铁心磁化曲线

Figure 2.  The magnetization curve of iron core

饱和铁心型SFCL的主要优点在于故障态时，直流超导线圈没有超导态到正常态的过程，恢复时间较短，可以重复多次进行限流操作，且适应于自动重合闸运行。其主要缺点在于：

1)在同一时刻起限流作用的仅为两个铁心中的一个，限流效果较弱；

2)交流磁场会在直流线圈中产生交流感应电流。此感应电流会增大限流器正常工作时的压降及能量损耗，同时也会提高直流绕组对耐受感应冲击电压的要求。

3)在限流期间，铁心反复饱和去饱和的过程将在电路中产生大量的电压谐波。

为解决上述问题，某公司于2007年研制了一台改良式饱和铁心型SFCL，在传统的铁心型超导限流器中加入了直流控制回路，将被动式限流变为主动式限流，其结构如图3所示^[10]。在短路发生的瞬间，直流控制回路在故障发生10ms内切断直流励磁回路，使两个铁心同时退饱和进入限流态，避免限流器反复饱和、去饱和产生的大量谐波，且切断直流励磁后，由于两个铁心内的交流感应磁场相互抵消，最大限度的减少了超导绕组的感应电压，可降低直流绕组对耐受感应冲击电压的要求。

图  3  改良型饱和铁心型FSCL结构示意图

Figure 3.  Advanced Saturated core type SFCL

早在70年代已提出了关于SFCL的设想^[11]，NbTi的发现更引起了人们对SFCL的研究兴趣。Raju^[12]等人于1982年利用低温NbTi超导带材研发出3 kV/550 A的饱和铁心型SFCL。但NbTi制作成本高，运行条件苛刻，体积和重量太大都阻碍了它的发展。随着高温超导材料的出现，又为饱和铁心型SFCL的发展带来了曙光。近年来，饱和型SFCL已成为超导技术在电力系统中的研究热点。2003年韩国完成了6.6 kV/200 A饱和型SFCL样机的制作和测试工作^[13]。2005年以色列完成了120 kVA饱和型SFCL的实验室模型研制^[14]。同年，澳大利亚也研制成功15 kV/1MVA饱和型SFCL样机^[15-16]。2007年，我国研制的35 kV/90MVA饱和铁心型SFCL样机在云南电网公司220 kV普吉变电站成功挂网运行^[17-19]。2008年，德国完成了13.8 kV/0.8 kA和138 kV/1.8 kA饱和铁心型SFCL的研制工作^[20]，并于2009年在美国南加利福尼亚州投入运行。2012年底我国研制的220 kV/300 MVA铁心型SFCL正式在天津石各庄变电站挂网运行，是当时世界首台220 kV电压等级的SFCL。2014年又开始研制世界首台500 kV等级饱和铁心型高温超导限流器，目前该样机正在进行出厂前的多种测试工作。

接入饱和铁心型SFCL后，在系统发生短路故障时，SFCL在抑制短路电流的同时也会对电网的暂态稳定性、自动重合闸、继电保护等多方面其产生综合影响。因此，在SFCL的应用过程中，有必要就SFCL对系统暂态稳定的影响、与自动重合闸操作的配合以及继电保护的重新整定等重点问题进行研究，使SFCL与电网其他设备协调运行。

在串有饱和铁心型SFCL的电力系统中，当系统发生故障时，SFCL进入限流态，对系统呈现出较大的阻抗。这个阻抗的串入，势必会对系统的网络参数产生影响。对于单机无穷大系统，发电机到无穷大系统之间的转移阻抗将发生变化，该转移阻抗将影响发电机的功率特性，继而影响到单机无穷大系统的暂态稳定性。

文献[21]分析了饱和铁心型SFCL对电力系统暂态稳定性的影响规律，得出如下结论：对于单机无穷大系统而言，当近机端发生单相故障时系，统仍可保持基本稳定，饱和铁心型SFCL的接入会使功角摆动增大，不利于系统的暂态稳定性；多相短路时，不装设饱和铁心型SFCL的系统震荡失稳，投入饱和铁心型SFCL后系统稳定性得到改善，其中三相短路时，投入限流阻抗值越大，越有利与系统稳定，两相短路和两相接地短路时与三相短路的状况相反。文献[22]表明，三相短路时，随着故障位置从机端向后移，SFCL对暂态稳定的有利程度增加。

从饱和铁心型SFCL的工作原理可见，当系统发生短路故障时，SFCL的铁心将退出饱和呈现高阻态实现限流；当系统故障清除后，SFCL应恢复低阻态，降低SFCL装置的接入对系统的影响。电网中，常见的首次自动重合闸时间为1s或更短^[23]。这就要求饱和铁心型SFCL需在很短的时间内实现从高阻到低阻的转变以配合系统重合闸。而饱和铁心型SFCL的阻抗恢复过程本质上是超导线圈重新励磁的过程。若励磁恢复不充分，重合闸后限流器工作在磁化曲线的Ⅱ段，限流器呈现高阻抗，产生较大的压降，且会引入大量谐波，严重影响电网的稳定运行。另外，对于装置本身而言，若重合闸时铁心尚未深度饱和，直流绕组可能由于感抗较大而产生较高的过电压。因此，重合闸之前应保证铁心已经达到一定的磁饱和程度。但短时间内完成超导磁体的充磁，也可能由于直流绕组中的电流变化过快而产生较大的过电压，损坏直流绕组，相应也会增加直流励磁系统的设计难度。

饱和铁心型SFCL在电网重合闸时，直流励磁不必完全恢复至额定工作值，只要能够确保在一定交流退磁作用下，铁心的最小磁化强度处于磁化曲线Ⅰ段和Ⅱ段的拐点处即可。这样即降低了对励磁电压、电流的要求，提高了设备运行的安全性，也可满足重合闸后限流器压降较低的要求^[24-25]。

距离保护是保护电力系统安全稳定运行的重要手段之一，其主要元件是阻抗继电器。距离保护的主要原理是根据故障点至保护安装点之间的距离的远近来确定动作时间，从而实现保护的选择性。对距离保护安装位置较近的短路点，动作时间短；对距离保护安装位置较远的短路点，则动作时间较长。当系统发生故障时，距离保护装置根据其端子两端的电压和电流测得短路点位保护安装置至的阻抗值Z_m，并与整定阻抗Z_set相比较，以确定出故障所处的区段。如图4所示是保护范围。当测量阻抗在圆内时，保护动作，否则不动作。

图  4  距离保护装置的保护范围图

Figure 4.  Protection range of distance protection

从图4可见，圆内或圆上区域位置到圆心的距离均不大于圆半径，因此距离保护的动作条件为：

由于饱和铁心型SFCL串联在线路中，在故障过程中靠增加限流阻抗来实现限流。因此，接入饱和铁心型SFCL后，由于其电感和电阻的投入，线路原有阻抗特性发生变化，距离保护时测量阻抗将较未投入饱和铁心型SFCL时有所增加，这将导致距离保护的保护范围缩小，灵敏度降低。因此接入饱和铁心型SFCL后，需重新整定距离保护的整定阻抗，并校验灵敏度，且加以修正。然而，由于饱和铁心型SFCL的限流阻抗与短路电流的大小有关，且并不呈线性关系，这为距离保护的整定带来了新的挑战。

饱和铁心型SFCL的直流绕组通过铁心与交流绕组耦合，直流绕组侧可能出现较高的感应电压，此高压可能对磁体及控制系统构成致命的威胁，需在磁体设计时尽量减小直流绕组过电压。超导线圈并联结构可减少磁体的匝数，降低感应电压，增强系统安全性。三相六铁心的布局结构也能尽量减小限流器稳态运行时直流绕组中的交流感应电压。

对于改进型饱和铁心型SFCL，在短路故障发生时，需尽快切断直流励磁回路，使铁心退出饱和呈现高阻抗从而限流。因此，故障检测的快速性和准确性至关重要。一般要求监控装置能排除由电网振荡、负载波动、谐波影响及外界干扰等因素造成的系统电流瞬时波动，准确判断系统短路故障的发生并发出动作指令，避免误动作。直流控制回路一般要求能在故障发生10 ms内切断直流励磁回路。

国际上普遍认为高温超导限流器将是超导技术大规模应用的产品，将最早实现产业化。饱和铁心型SFCL在电压等级和限流容量等参数上符合未来电力系统限流需求，可有效限制系统的短路电流，提高电力系统的综合运行效率，同时会对电力系统的暂态稳定性、自动重合闸以及距离保护等方面带来负面影响。提高超导带材的技术、经济性能，降低制冷成本，提升饱和铁心型SFCL的设计和制造水平，深入研究饱和铁心型SFCL与电力系统的相互作用机理，探讨饱和铁心型SFCL与电力系统的协调运行方法，解决关键应用技术问题，饱和铁心型SFCL将是电力系统限流的一种可靠选择。随着220 kV、500 kV饱和铁心型SFCL的研制成功，超导限流器在各类超导电力设备中将率先实现工业化应用。