故障電流限制器研究現(xiàn)狀分析

李征洲

（華北電力大學，北京昌平，102200）

故障電流限制器研究現(xiàn)狀分析

李征洲

（華北電力大學，北京昌平，102200）

故障電流限制器作為解決短路電流的超標問題的較為理想的工具，對其的研制也顯得尤為重要。論文敘述了關(guān)于電力系統(tǒng)短路故障的產(chǎn)生原因及其影響，并基于對短路電流過大的控制，歸納整理了不同類型故障電流限制器的基本原理，總結(jié)了不同故障電流限制器的優(yōu)缺點，分析了國內(nèi)外目前的故障電流限制器的研究成果。論文對故障電流限制器在交直流系統(tǒng)中的基本原理以及不同點進行了比較，并對故障電流限制器在直流系統(tǒng)中得不到廣泛應用的原因進行了分析，同時指出了故障電流限制器在未來的發(fā)展方向及進一步要解決的問題。

故障電流限制器;短路電流;超導;固態(tài)開關(guān)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，國民用電需求量不斷增加，電網(wǎng)規(guī)模擴大、互聯(lián)程度增加和大型電站的接入，電網(wǎng)故障電流水平已逐漸接近現(xiàn)有斷路器遮斷容量的上限。我國三大負荷中心京津唐、長江三角洲、珠江三角洲負荷和負荷密度急速增加，三峽水力發(fā)電站的最大短路電流可能會高達300kA，短路電流水平急劇增加，且上升趨勢明顯，已經(jīng)影響到了安全運行，一旦發(fā)生故障將造成難以挽回的后果。

一般可從調(diào)整電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、改變系統(tǒng)運行方式和加裝限流設備三方面來考慮限制短路電流。其中故障電流限制器是是目前研究的重點，其技術(shù)的革新和發(fā)展趨勢也是迫切需要解決的問題。

1 電力系統(tǒng)短路故障及其影響

電力系統(tǒng)發(fā)生短路，電流急劇增加，數(shù)值可達幾萬安至幾十萬安，同時系統(tǒng)電壓大幅度下降。例如，發(fā)電機出線端處三相短路時，電流最大瞬時值可能高達額定電流的10～15倍，絕對值達到幾十kA甚至上百kA；相對地短路時，短路點電壓降至零，短路點及其附近各點的電壓明顯降低。

2 故障電流限制器的應用及技術(shù)要求

2.1 故障電流限制器在系統(tǒng)中的應用

故障電流限制器幾種典型應用是用于系統(tǒng)互聯(lián)或母線并聯(lián)，安裝在系統(tǒng)進線處，以及安裝在系統(tǒng)出線處。

2.2 故障電流限制器的技術(shù)要求

故障電流限制器的技術(shù)要求通常包括以下幾點：

1）正常運行時對系統(tǒng)無不利影響，且有功和無功損耗盡量小。

2）高速響應，故障時能在1~2ms內(nèi)動作，限制短路電流峰值及穩(wěn)態(tài)值到安全水平，能夠同時解決短路電流開斷、設備熱穩(wěn)定和動穩(wěn)定的問題。有一些類型的故障電流限制器的響應速度達不到限制最大短路電流峰值的要求，只能解決短路電流開斷和設備熱穩(wěn)定問題，不能解決設備動穩(wěn)定問題。

3） 動作時不造成過電壓和過電流，諧波小。

4）故障切除后，迅速自動復位，不影響電力系統(tǒng)重合閘。

5）不影響繼電保護的工作。

6）可靠性高，不發(fā)生誤動，對正常過載電流不敏感。

7）可重復多次使用。

8）成本較低，能為電力部門接受。

3 國內(nèi)外故障電流限制器的研究現(xiàn)狀

3.1 超導故障電流限制器

發(fā)生故障時,短路電流急劇上升超過臨界電流，超導體失超，電阻迅速增加，從而限制短路電流。切除后一段時間，超導體又從正常態(tài)恢復到超導態(tài)，這就是超導故障限流器的工作原理。

目前基于超導原理的故障電流限制器主要有以下4類：電阻型超導故障電流限制器、磁屏蔽型超導故障電流限制器、飽和鐵心型超導故障電流限制器和整流式超導故障電流限制器。

3.1.1 電阻型超導故障電流限制器

電阻型超導故障電流限制器由超導線圈和并聯(lián)電阻或電抗組成。當超導體中電流密度或溫度超過臨界值，限流電阻或電抗快速插入回路。超導線圈浸于低溫冷卻介質(zhì)中，由引線串入線路，高壓開關(guān)與限流器串聯(lián)，用以切斷限流電流或低于臨界電流的負荷電流。

電阻型超導故障電流限制器結(jié)構(gòu)簡單，反應速度快。但系統(tǒng)正常運行時，電流流過超導體，損耗較大；發(fā)生故障時，超導體需承受所有短路功率，因此超導材料特性需高度一致，避免形成熱點燒毀超導體。

圖 1 磁屏蔽型超導故障電流限制器Fig.1 Magnetic shield type superconducting fault current limiter

3.1.2 磁屏蔽型超導故障電流限制器

磁屏蔽型感應型超導故障電流限制器等效原理圖如圖1所示。該型故障限流器外側(cè)即變壓器原邊為銅線圈，銅線圈與被保護電路相連，鐵心和銅線圈之間為超導圓筒，超導圓筒在制冷器內(nèi)。正常運行時，超導筒內(nèi)的感應電流小于它的臨界電流，處于超導態(tài)，屏蔽銅繞組產(chǎn)生的磁通，裝置的阻抗僅由一次繞組與二次繞組間的漏磁決定，阻抗很小。短路故障時，超導筒內(nèi)電流超過臨界電流值，超導體進入正常態(tài)，一方面，磁通穿過鐵芯，引起銅繞組的感抗突然上升，另一方面，突然增大的超導筒電阻也折算到一次側(cè)，使得超導故障電流限制器的阻抗急驟上升，達到限制短路電流的目的。

3.1.3 飽和鐵心型超導故障電流限制器

飽和鐵芯電抗器型超導故障電流限制器由一對鐵芯電抗器組成，每個鐵芯上有一個交流銅繞組和一個直流超導繞組，由于交流電流的周期變化，任何時刻，其中一個鐵芯內(nèi)的直流磁場與交流磁場同向，而另一個相反。兩個交流繞組串接在輸電線路中。正常情況下，直流勵磁使鐵芯飽和，故障電流限制器呈現(xiàn)低阻抗。出現(xiàn)短路故障時，隨著交流電流幅值的增大，在一定相位區(qū)間，直流勵磁會被交流勵磁抵消，鐵芯不再飽和，故障電流限制器電抗增大而限流。采用兩組鐵芯是為了在正負半周分別限制短路電流。

3.1.4 整流式超導故障電流限制器

由4個二極管連成整流橋，其中兩個對角端連接超導線圈，正常穩(wěn)定工作時，超導線圈通過直流電流，無電感壓降。當電流幅值出現(xiàn)變化時，超導線圈兩端出現(xiàn)電感壓降。當出現(xiàn)短路故障時，超導線圈阻止電流增大，通過超導線圈的短路電流以較緩慢的速度增加，起到限流作用。

3.2 固態(tài)故障電流限制器

在早期,固態(tài)限流器的開斷元件為晶閘管，由于晶閘管只有在電流過零時才能開斷，它不能滿足必須能限制故障短路電流的第一個峰值的要求，從而限制了其應用。近年來，隨著自關(guān)斷器件的出現(xiàn)，由于其可以準確地控制開斷時刻，并能解決故障電流的首次峰值限制問題，給固態(tài)限流器的發(fā)展帶來了新的轉(zhuǎn)機。

3.3 諧振式故障電流限制器

諧振時故障電流限制器主要有并聯(lián)諧振故障電流限制器和串聯(lián)電流故障電流諧振器。我國在諧振型限流器的研究應用上走在國際前列，09年12月世界上第一個500 kV電壓等級的諧振型限流器在杭州瓶窯變電站投入運行。

諧振故障電流限制器原理圖如圖2所示，并聯(lián)諧振故障電流限制器，正常工作時開關(guān)斷開，發(fā)生故障時開關(guān)迅速閉合，電容器和電感并聯(lián)諧振，阻抗極大，從而限制電流。串聯(lián)諧振故障電流限制器，正常工作時開關(guān)斷開，電容器和電感器串聯(lián)諧振，等效阻抗為0，發(fā)生故障時開關(guān)迅速閉合，電容器短路，阻抗變大以限制短路電流。

圖 2 串、并聯(lián)諧振故障電流限制器原理圖Fig.2 Series and parallel resonant fault current limiter

串聯(lián)諧振故障電流限制器相比并聯(lián)諧振故障電流限制器實現(xiàn)了自身的無功平衡，電容器承受的電壓較小，因此經(jīng)濟成本較為合理，同時串聯(lián)諧振故障電流限制器即使自身出現(xiàn)故障，只要保證電容器短路，電抗器正常工作就不會引發(fā)大規(guī)模故障，安全性更高。串聯(lián)諧振故障電流限制器是目前唯一用于超高壓電網(wǎng)的限流器，其關(guān)鍵在于旁通電路替代型式的研究。

4 故障電流限制器在直流系統(tǒng)中的發(fā)展

4.1 故障電流限制器在直流系統(tǒng)中發(fā)展緩慢的原因

高壓直流的發(fā)展同樣需要抑制直流故障短路電流，但故障電流限制器在直流系統(tǒng)中的相關(guān)應用極少，已有的設計主要是針對低壓直流配網(wǎng)。主要的原因在于目前相關(guān)的大規(guī)模高壓直流輸電網(wǎng)絡尚未建成，大量的直流工程都是背靠背的交流電網(wǎng)互聯(lián)工程，主要是采用電纜輸電，使得發(fā)生嚴重短路故障的概率極低，而且事故發(fā)生后換流器依靠自身閥臂開關(guān)的動作就可以切斷故障電路，限制短路電流，從而造成了對適用于高壓直流系統(tǒng)的故障電流限流器的需求較小。另一方面，故障電流限流器一般是和線路斷路器配合使用的，而目前適合于高壓直流系統(tǒng)的直流斷路器開發(fā)研制遇到了難以突破的技術(shù)瓶頸。

4.2 故障電流限制器在交直流系統(tǒng)中的比較

對于直流系統(tǒng)中的故障電流限流器而言，其基本的原理和交流系統(tǒng)中的故障限流器是完全相同的，都是由故障檢測模塊，限流元件模塊，裝置動作模塊等構(gòu)成，所不同的是對于直流系統(tǒng)而言其短路故障有著不同與交流的故障特性：國內(nèi)外研究的故障電流限制器大部分基于交流系統(tǒng)的過零或者工頻諧振特性，不適用于直流系統(tǒng)，而直流系統(tǒng)發(fā)生短路時沒有過零的條件，因此，分斷直流要比交流更困難。對于交流輸電系統(tǒng)，采用電阻型電流限制器不如用電抗型電流限制器經(jīng)濟，因為前者涉及大量的有功損耗和發(fā)熱問題，但對于直流系統(tǒng)而言則電阻限流是唯一可用的方法。在實際應用中，需要結(jié)合具體系統(tǒng)特點選擇合理的限流方案。

5 結(jié)束語

通過上述分析可以看出：

1）隨著經(jīng)濟迅速發(fā)展，國力不斷提高，對電力的需求也不斷增加，電網(wǎng)中某些斷路器的容量已經(jīng)無法滿足短路電流水平的要求，如果只靠改變電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在未來將無法解決短路電流問題。故障電流限制器的出現(xiàn)給這一問題帶了新的方向。

2）目前，在超導故障電流限制器、固態(tài)電容限制器等方面的研究都已經(jīng)取得了一定的成果。但是由于造價高，占地面積大，穩(wěn)定性不高等因素制約了其在市場大規(guī)模的應用，技術(shù)方面也還有待提高。

3）雖然故障電流限制器已經(jīng)提出很長一段時間，但至今沒有在電力系統(tǒng)中得到大規(guī)模的實際應用，尤其在直流系統(tǒng)中的應用更是少有，隨著技術(shù)的不斷革新，電力系統(tǒng)的需求量不斷增加，故障電流限制器需要多方面的擴展它的應用范圍，以面對未來更具挑戰(zhàn)的問題。

[1] 阮前途．上海電網(wǎng)短路電流控制的現(xiàn)狀與對策[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2005，29(2)：78-83．

[2] 陳鍇.限制電網(wǎng)短路電流的措施及新型短路限流器的研究[D]：華北電力大學, 2014.

[3] Power A J，Avenue K.An Overview of Transmission Fault Current Limiters[A].in:IEE Fault Current Limiters-a Look at Tomorrow[C].London：1995：1-5.

[4] 葉林，林良真.超導故障限流器在電力系統(tǒng)中的應用研究[J].中國電機工程學報，2000，20(7)： 1-5.

李征洲、女、研究方向為電力系統(tǒng)分析。

Research status of Fault Current Limiters

Li Zhengzhou
（North China Electric Power University, Changping District,Beijing，102200）

A fault current limiter as an ideal tool to solve the problem of excessive short-circuit current, and its development is also very important.Paper describes the causes of short-circuit fault on the power system and its impact,based on the short-circuit current is too large to control,collate and analyze the basic principles of different types of fault current limiter,summed up the advantages and disadvantages of different fault current limiter,analysis the current research achievements at home and abroad fault current limiters.Thesis fault current limiter basic principles and the different points of AC and DC systems are compared,and fault current limiters are not widely used in DC analysis of the causes,noting that the fault current limiter future direction and further problems to be solved.

fault current limiter;short circuit current;superconductivity;solid state switch