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随着经济的发展，电网规模的不断扩大，使电网中的潜在故障电流水平不断增加，以至于不断接近甚至超过了断路器的遮断容量。如果将系统中的开关或其他设备更换，既不合理也不现实。同时，过大的短路电流会使电力系统中的一些重要设备受到损坏，特别是断路器、变压器等设备。而智能电网的发展需要坚强的电网，因此，限制短路电流具有非常重要的意义。相对于母线分段、加入限流电抗器或使用高阻抗变压器等传统的限制短路电流方式，超导故障限流器(Superconducting Fault Current limiters,SFCL)具有损耗小，零干扰等优点，具有广阔的应用前景和重要的研究意义。
本文首先介绍超导材料的两个基本特性——零电阻特性和完全抗磁性（迈斯纳效应）和三个临界基本条件——临界温度、临界磁场和临界电流。详细对比分析三类常用的超导材料（即低温超导材料、高温超导材料和MgB2超导材料）的特点，为超导故障限流器的材料选择提供依据。针对超导故障限流器工作所需要的低温系统，本文在冷却系统和电流引线方面进行分析。液体浸泡式冷却损耗大，冷却速度快，适用于大型设备，制冷机直接冷却损耗小，冷却速度慢，主要适用于小型设备和实验设备。电流引线分为一元电流引线和二元电流引线，一元电流引线主要用于高温超导材料，二院电流引线主要用于中低温超导材料。
其次，分析了超导故障限流器的性能指标，为超导故障限流器的性能评价提供依据。针对限制冲击电流能力和限制稳态短路电流能力两个性能指标，对比阻性超导故障限流器和感性超导故障限流器的优缺点，阻性超导故障限流器限制冲击电流的能力较强，感性超导故障限流器限制稳态短路电流的能力较强。详尽的研究了超导故障限流器的基本类型，对比超导故障限流器的结构特点，分析各种超导故障限流器的工作原理和性能特点，仅通过超导材料失超的方式限制短路电流的限流器（如电阻型、磁屏蔽型、变压器型和磁通锁型）的失超恢复较慢，重合闸性能较差，非失超方式限制短路电流的限流器（如桥路型和饱和铁心型）不存在失超恢复问题，重合闸性能较好，而三相电抗器型超导故障限流器在单相接地故障时超导材料不失超，与重合闸配合性能较好，混合型超导故障限流器的失超时间较短(小于5ms)，超导材料不会产生大量的焦耳热，失超恢复较快，不影响系统的重合闸操作。此外，在单相接地故障限流时应用三相电抗器限流的非故障相负载电压提高，最高时提升为原电压的√3倍。
再次，根据桥路型超导故障限流器的工作原理，本文提供了桥路型超导故障限流器参数的选择依据。利用提供的参数选择依据，设计10kV电压等级的桥路型超导故障限流器的直流电压、超导电感等参数，对设计的10kV桥路型超导故障限流器的限流性能进行仿真，根据仿真波形可知，限流器具有较好的限流性能和瞬时性故障重合闸效果。而桥路型超导故障限流器需要充电回路，且具有放电慢、稳态运行桥路电流不均衡的缺点。对此进行如下改进:①通过开关配合运行，可以将系统电源利用限流器的桥路整流为超导线圈充电，去除了大容量充电电源;②在短路故障切除到系统重合闸操作这段时间内将超导线圈串接一定数值的电阻，用于释放超导线圈在故障限流阶段吸收的能量，从而实现了限流器的重复限流能力;③在桥路型超导故障限流器的一对对角二极管回路中异名端串接一对耦合电感，可以保证桥路电流运行的均衡性。针对这三个方面的改进进行仿真，验证了改进结构的合理性。
然后，将饱和铁芯型超导故障限流器与串联补偿技术相结合，设计了一种具有串联补偿和限流功能的新型磁控型超导故障限流器。在电网稳态运行时，调节磁控电抗器的直流控制电流可以改变电抗器的输出电抗，与电容回路相结合可以得到可调的容抗值。当故障发生后，快速切除电容回路并降低直流控制电流，使装置工作在限流状态。利用Jmag有限元软件和MatLab/Simulink相结合的技术仿真新型结构的电压调节和短路限流性能，仿真结果表明新型结构具有较好的电压调节和限流能力，响应时间分别为2个周波和2.5个周波，且在故障限流的响应时间内仍具有一定的短路电流限制能力。分析气隙结构和铁芯结构对装置性能的影响，为装置结构的进一步优化提供依据。设计并测试了一台具有气隙结构的铁芯控制电抗器小型样机，测试结果表明具有气隙结构的磁控电抗器的可行性。
最后，利用新型超导材料MgB2，设计并研究基于MgB2超导材料的小体积电阻型超导故障限流器。提供了限流器的设计方法，减小了限流器的体积。对设计的限流器进行试验测试和数值仿真，试验和仿真结果表明，限流器的限流能力在44％以上，但未完全失超，限流器在限流阶段的最高温度为112K，限流器的恢复时间在1.5s左右，通过开关并联连接方式可以与重合闸操作配合。根据材料性能，提供了基于MgB2的10kV电压等级的小体积电阻型超导故障限流器的设计方法，仿真其限流性能和超导材料温度，为进一步工程应用提供依据。
论文通过理论分析和仿真、试验相结合的方式，主要对超导故障限流器的结构进行了深入分析，并对部分结构进行改进，为超导故障限流器的进一步研究提供一定的参考价值。
本文首先介绍超导材料的两个基本特性——零电阻特性和完全抗磁性（迈斯纳效应）和三个临界基本条件——临界温度、临界磁场和临界电流。详细对比分析三类常用的超导材料（即低温超导材料、高温超导材料和MgB2超导材料）的特点，为超导故障限流器的材料选择提供依据。针对超导故障限流器工作所需要的低温系统，本文在冷却系统和电流引线方面进行分析。液体浸泡式冷却损耗大，冷却速度快，适用于大型设备，制冷机直接冷却损耗小，冷却速度慢，主要适用于小型设备和实验设备。电流引线分为一元电流引线和二元电流引线，一元电流引线主要用于高温超导材料，二院电流引线主要用于中低温超导材料。
其次，分析了超导故障限流器的性能指标，为超导故障限流器的性能评价提供依据。针对限制冲击电流能力和限制稳态短路电流能力两个性能指标，对比阻性超导故障限流器和感性超导故障限流器的优缺点，阻性超导故障限流器限制冲击电流的能力较强，感性超导故障限流器限制稳态短路电流的能力较强。详尽的研究了超导故障限流器的基本类型，对比超导故障限流器的结构特点，分析各种超导故障限流器的工作原理和性能特点，仅通过超导材料失超的方式限制短路电流的限流器（如电阻型、磁屏蔽型、变压器型和磁通锁型）的失超恢复较慢，重合闸性能较差，非失超方式限制短路电流的限流器（如桥路型和饱和铁心型）不存在失超恢复问题，重合闸性能较好，而三相电抗器型超导故障限流器在单相接地故障时超导材料不失超，与重合闸配合性能较好，混合型超导故障限流器的失超时间较短(小于5ms)，超导材料不会产生大量的焦耳热，失超恢复较快，不影响系统的重合闸操作。此外，在单相接地故障限流时应用三相电抗器限流的非故障相负载电压提高，最高时提升为原电压的√3倍。
再次，根据桥路型超导故障限流器的工作原理，本文提供了桥路型超导故障限流器参数的选择依据。利用提供的参数选择依据，设计10kV电压等级的桥路型超导故障限流器的直流电压、超导电感等参数，对设计的10kV桥路型超导故障限流器的限流性能进行仿真，根据仿真波形可知，限流器具有较好的限流性能和瞬时性故障重合闸效果。而桥路型超导故障限流器需要充电回路，且具有放电慢、稳态运行桥路电流不均衡的缺点。对此进行如下改进:①通过开关配合运行，可以将系统电源利用限流器的桥路整流为超导线圈充电，去除了大容量充电电源;②在短路故障切除到系统重合闸操作这段时间内将超导线圈串接一定数值的电阻，用于释放超导线圈在故障限流阶段吸收的能量，从而实现了限流器的重复限流能力;③在桥路型超导故障限流器的一对对角二极管回路中异名端串接一对耦合电感，可以保证桥路电流运行的均衡性。针对这三个方面的改进进行仿真，验证了改进结构的合理性。
然后，将饱和铁芯型超导故障限流器与串联补偿技术相结合，设计了一种具有串联补偿和限流功能的新型磁控型超导故障限流器。在电网稳态运行时，调节磁控电抗器的直流控制电流可以改变电抗器的输出电抗，与电容回路相结合可以得到可调的容抗值。当故障发生后，快速切除电容回路并降低直流控制电流，使装置工作在限流状态。利用Jmag有限元软件和MatLab/Simulink相结合的技术仿真新型结构的电压调节和短路限流性能，仿真结果表明新型结构具有较好的电压调节和限流能力，响应时间分别为2个周波和2.5个周波，且在故障限流的响应时间内仍具有一定的短路电流限制能力。分析气隙结构和铁芯结构对装置性能的影响，为装置结构的进一步优化提供依据。设计并测试了一台具有气隙结构的铁芯控制电抗器小型样机，测试结果表明具有气隙结构的磁控电抗器的可行性。
最后，利用新型超导材料MgB2，设计并研究基于MgB2超导材料的小体积电阻型超导故障限流器。提供了限流器的设计方法，减小了限流器的体积。对设计的限流器进行试验测试和数值仿真，试验和仿真结果表明，限流器的限流能力在44％以上，但未完全失超，限流器在限流阶段的最高温度为112K，限流器的恢复时间在1.5s左右，通过开关并联连接方式可以与重合闸操作配合。根据材料性能，提供了基于MgB2的10kV电压等级的小体积电阻型超导故障限流器的设计方法，仿真其限流性能和超导材料温度，为进一步工程应用提供依据。
论文通过理论分析和仿真、试验相结合的方式，主要对超导故障限流器的结构进行了深入分析，并对部分结构进行改进，为超导故障限流器的进一步研究提供一定的参考价值。