吳淘+趙雪辰

摘要：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。文章主要敘述了關于電力系統(tǒng)短路故障的產生原因及其影響，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，總結了不同故障電流限制器的優(yōu)缺點，分析了國內外目前的故障電流限制器的研究成果。文章對故障電流限制器在交自流系統(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自流系統(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。

關鍵詞：故障電流限制器；短路電流；超導；固態(tài)開關

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的擴大，短路電流也隨著增大，目前已成為限制電網發(fā)展和運行的一個重要問題，但是更換斷路器耗費巨大，因此，系統(tǒng)中限制短路電流成為一個迫切需要解決的問題，傳統(tǒng)的限制短路電流手段是加裝電抗器，然而它在系統(tǒng)正常運行時造成電壓降落和能耗，所以在70年代國際上就有人提出短路電流限制器（FCL），此后至80年代初期不斷有人對此進行研究：這可視為FCL發(fā)展的第一階段，這一階段FCL的特點是使用機械開關，其主要技術是針對滅弧問題，但裝置成本高、速度慢，難以限制短路電流的峰值，由于以上缺點未能在電力系統(tǒng)中得到實際應用。

從80年代中后期開始，由于新技術的出現及原有技術的發(fā)展，又有一系列新型的FCL被提出，可歸納為以下4類：白愈合熔絲、串聯電弧設備、高溫超導設備、固態(tài)電流限制器。

1、短路電流限制器的要求

故障電流限制器的技術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1-2秒內動作，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，卻不能解決設備動穩(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，能被電力部門接受。

2、國內外故障電流限制器的研究現狀

2.1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，超導體失效，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。電阻型超導故障電流限制器由超導線圈和并聯電阻或電抗組成。當超導體中電流密度或溫度超過臨界值，限流電阻或電抗迅速插入回路。超導線圈浸于低溫冷卻介質中，由引線串入線路，高壓開關與限流器串聯，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構簡單，反應速度塊，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。

2.2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，山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，隨著自關斷器件的出現，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)展帶來了新的轉機。

2.3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諧振故障電流限制器和串聯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500kV電壓等級的諧振型限流器在杭州瓶窯變電站投入運行。并聯諧振故障電流限制器，正常工作時開關斷開，發(fā)生故障時開關迅速閉合，電容器和電感并聯諧振，阻抗極大，從而限制電流。串聯諧振故障電流限制器，正常工作時開關斷開，電容器和電感器串聯諧振，等效阻抗為0，發(fā)生故障時開關迅速閉合，電容器短路，阻抗變大以限制短路電流。

串聯諧振故障電流限制器相比并聯諧振故障電流限制器實現了自身的無功平衡，電容器承受的電壓較小，因此經濟成本較為合理，同時串聯諧振故障電流限制器即使自身出現故障，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。串聯諧振故障電流限制器是目前唯一用于超高壓電網的限流器，其關鍵在于旁通電路替代型式的研究。

3、限制短路電流的現行措施

（1）提升電壓等級，下級電網分層分區(qū)運行。將原電壓等級的網絡分成若干區(qū)，輻射型接入更高一級的電網，原有電壓等級電網的短路電流將隨之降低。例如，在500kV電網發(fā)展的基礎上，將500kV電網與220kV電網解環(huán)運行，使220kV電網分層分區(qū)運行是限制短路電流最直接有效的一種方法。

（2）變電站采用母線分段運行。將母線分列運行可以增大系統(tǒng)阻抗，有效降低短路電流水平。該舉措實施比較方便，但將削弱系統(tǒng)的電氣聯系，降低系統(tǒng)安全裕度和運行靈活性，同時有可能引起母線負荷分配不均衡。

（3）采用高阻抗變壓器和發(fā)電機。加大發(fā)電機阻抗會增大正常情況下發(fā)電機自身的相角差，對系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定不利，采用高阻抗的變壓器同樣也會有增加相角差的問題。因此在選擇是否采用高阻抗變壓器和發(fā)電機時需要綜合考慮系統(tǒng)的短路電流問題和穩(wěn)定問題。

4、結語

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

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