故障限流器在電力系統(tǒng)中應(yīng)用研究

莫吉漢

中海石油（中國）有限公司湛江分公司 廣東湛江 524057

隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)的迅速發(fā)展，短路故障電流隨著系統(tǒng)容量的增加而增加。如果不能正確及時(shí)地處理短路故障電流，不僅會(huì)危害電氣設(shè)備的安全運(yùn)行，還會(huì)破壞電氣系統(tǒng)的暫時(shí)穩(wěn)定，導(dǎo)致電氣系統(tǒng)的線路和運(yùn)行中斷，造成電氣系統(tǒng)的損失，避免可能導(dǎo)致的大規(guī)模斷電[1]。

1 故障限流器

將FCL技術(shù)引入電力系統(tǒng)可顯著提高系統(tǒng)性能。其主要優(yōu)點(diǎn)是使用FCL減少斷路器的停機(jī)負(fù)擔(dān)，系統(tǒng)不需要復(fù)雜的設(shè)備更換，成本降低；FCL在短路電流達(dá)到峰值之前發(fā)揮作用，降低斷路器熱極限和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定極限的要求，迅速將短路電流限制在一定的水平，降低電路電壓損耗和發(fā)電機(jī)失步概率，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性；FCL技術(shù)有助于減少斷線前母線電壓的下降時(shí)間，并限制系統(tǒng)短路電流，從而有助于減少輸電線路附近的電磁干擾。限流器的分類有以下幾種：

1.1 超導(dǎo)限流器

視采用與否可分為失超和非失超型。失超型采用超導(dǎo)材料的超導(dǎo)/正常（s/N）狀態(tài)的過渡特性（即溫度、磁場或電流超過閾值時(shí)，超導(dǎo)從無阻狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娮锠顟B(tài)，以限制短路電流）；非失超型由超導(dǎo)線圈和其他元件（電子或磁性等）組成。通過控制（修改）線路模式限制短路電流。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可分為電阻、橋路、磁屏蔽、變壓器和飽和鐵芯型[2]。

1.2 固體限流器

限流器以大功率半導(dǎo)體器件為基礎(chǔ)，并與電抗器元件相結(jié)合，達(dá)到限制短路故障電流的目的。根據(jù)美國EPRI公司以前的一份研究報(bào)告，為半導(dǎo)體器件開發(fā)固體限流技術(shù)現(xiàn)實(shí)的技術(shù)方法。近年來，在發(fā)展大功率半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)上，一系列固態(tài)限流器技術(shù)已經(jīng)成熟，其中包括GTO開關(guān)固態(tài)、諧振流、串聯(lián)補(bǔ)償性、無損電阻態(tài)限流器等。

1.3 超導(dǎo)混合限流器

超導(dǎo)和主觸頭被電流流過。故障發(fā)生時(shí)，超導(dǎo)材料的電阻強(qiáng)度提高，電流進(jìn)入驅(qū)動(dòng)線圈。在電磁力作用下，主觸頭高速分離。當(dāng)觸點(diǎn)之間的電弧光熄滅時(shí)，電流將切換到并聯(lián)分支。整個(gè)過程只需幾毫秒，目前國外已成功開發(fā)了14KV/630A超導(dǎo)混合限流器。

1.4 半導(dǎo)體混合限流器

在系統(tǒng)正常運(yùn)行期間，電流通過FTS高速機(jī)械開關(guān)。系統(tǒng)故障時(shí)，控制FTS系統(tǒng)停機(jī)同時(shí)觸發(fā)半導(dǎo)體開關(guān)GTO傳導(dǎo)，電弧爐強(qiáng)制電流轉(zhuǎn)向GTO；接下來，檢查GTO中斷，以強(qiáng)制電流進(jìn)入由PTC電阻組成的有限流支路，從而限制短路電流，整個(gè)過程只需幾毫秒。

2 故障限流器應(yīng)用研究

2.1 限制短路電流

FCL最重要的功能是限制電力系統(tǒng)中的短路電流，并確保斷路器在發(fā)生故障時(shí)的安全分離。電力系統(tǒng)中的限流器不僅應(yīng)具有限制短路電流幅度的能力，還應(yīng)具有限制短路電流幅值的能力。與此同時(shí)，從操作維護(hù)的角度對通用投切的運(yùn)行邏輯和運(yùn)行次數(shù)（使用壽命）進(jìn)行優(yōu)化。除了電流幅度值之外，短路電流和允許電流的增加率也對斷路器的切斷能力有很大影響。在電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施運(yùn)行時(shí)必須考慮到這些因素，以確保限流器安全開斷。FCL的安裝位置通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)確定，一般安裝在發(fā)電機(jī)和變壓器電路、不同類型的供電線路、母線斷路器之間的間隔、分段斷路器之間的間隔等位置。它可以直接實(shí)現(xiàn)限制短路電流和確保斷路器可靠分離的目標(biāo)。此外，可在區(qū)域配電網(wǎng)的接觸線上和低壓和中壓配電網(wǎng)的封閉回路上安裝FCL，以提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。對于具有多電路短路過載的復(fù)雜電源系統(tǒng)，應(yīng)考慮FCL的優(yōu)化配置和容量選項(xiàng)。建立了具有全網(wǎng)損耗增量和控制器最小電阻值的優(yōu)化模型，并作為研究對象進(jìn)行求解。在優(yōu)化問題上，除了考慮經(jīng)濟(jì)此外，還考慮到流量限制效應(yīng)等因素，并以最小短路公差作為目標(biāo)函數(shù)，研究了FCL的最佳配置[3]。

2.2 改進(jìn)電網(wǎng)功能

電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，限流電抗器阻抗形式連接電網(wǎng)，影響電網(wǎng)的臨時(shí)穩(wěn)定性、電能質(zhì)量和潛供電流。迄今為止，F(xiàn)CL在實(shí)際應(yīng)用中沒有改進(jìn)電網(wǎng)運(yùn)行的特點(diǎn)，但國內(nèi)外研究人員就這一問題進(jìn)行了大量學(xué)術(shù)研究，為擴(kuò)大FCL的應(yīng)用前景奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。對于獨(dú)立系統(tǒng)和無限制系統(tǒng)，通常使用相等面積規(guī)則分析系統(tǒng)臨時(shí)狀態(tài)的穩(wěn)定性在這種情況下，輸入FCL電阻可提高幅值功角曲線的故障，從而減小發(fā)生故障時(shí)發(fā)電機(jī)的加速區(qū)域，提高系統(tǒng)臨時(shí)狀態(tài)的穩(wěn)定性。對于不對稱故障，F(xiàn)CL電阻對瞬態(tài)狀態(tài)穩(wěn)定性的影響是復(fù)雜的，取決于故障類型、電抗器參數(shù)和故障停機(jī)時(shí)間。一般來說，即使出現(xiàn)不對稱故障，對FCL的電阻也能大大提高電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

2.3 改進(jìn)新能源和微電網(wǎng)的運(yùn)行

可再生能源發(fā)電和智能電網(wǎng)技術(shù)是解決未來問題的關(guān)鍵技術(shù)，目前風(fēng)能和太陽能等新能源在電力系統(tǒng)中所占比例繼續(xù)增加。在配電網(wǎng)中，很大一部分分布式發(fā)電是直接或通過微型電網(wǎng)連接起來的，這帶來了新的安全問題。研究表明，通用FCL限制短路電流、提高風(fēng)力和光伏系統(tǒng)的低壓穿越能力、改善微網(wǎng)的穩(wěn)定性和控制特性來改進(jìn)微網(wǎng)的運(yùn)行。如果電力系統(tǒng)發(fā)生故障，在新能源和故障點(diǎn)之間安裝FCL，可以有效地減小新能源終端電壓衰減幅度，提高新能源的低電壓穿越能力。

3 結(jié)語

電能作為一種清潔無污染的能源，可以遠(yuǎn)距離、大容量地輸送和使用，電能利用的廣度和深度，日益成為一個(gè)社會(huì)現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志。隨著我國社會(huì)的發(fā)展和國民經(jīng)濟(jì)的增長，社會(huì)各行業(yè)越來越重視電能的使用，因而對電能的需求日益增加。同時(shí)電力系統(tǒng)越來越大，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，對電力的安全性和穩(wěn)定性要求越來越高。FCL 的運(yùn)用有利于提高電網(wǎng)電壓質(zhì)量和線路的輸電能力，抑制輸電網(wǎng)絡(luò)短路電流的危害，提高電網(wǎng)的可靠性。