故障限流器在電力系統(tǒng)中安裝位置綜述

金慶忍，陳紅坤，楊志平

（武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢市，430072）

0 引言

隨著我國電網(wǎng)的不斷發(fā)展，短路電流也隨之不斷增大。如何將短路電流水平限制在合理的范圍之內(nèi)，已成為當(dāng)前電網(wǎng)建設(shè)的當(dāng)務(wù)之急。改善電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，改變系統(tǒng)運行方式，加裝限流設(shè)備等是目前通常采用的限流措施[1]。其中，加裝故障電流限制器（fault current lim iter，F(xiàn)CL）是一種有效的措施。近年來，人們對FCL的重視程度逐漸提高，對FCL的研究逐步深入，使得其應(yīng)用得到迅猛發(fā)展。因此，探討FCL在電力系統(tǒng)中的安裝位置，研究其在電網(wǎng)中所起的作用顯得尤為重要，對我國的電網(wǎng)建設(shè)具有重要的現(xiàn)實意義。文獻[2]以DXK1短路電流限流開斷器為例，從發(fā)電系統(tǒng)角度出發(fā)，介紹了FCL在發(fā)電機出口短路保護和發(fā)電廠廠用電分支或廠高變的短路保護方面的應(yīng)用。文獻[3]以DDX1新型高速開關(guān)裝置為例，重點分析了FCL在母聯(lián)位置上的應(yīng)用。文獻[4]以浙江大學(xué)提出的變壓器耦合新型橋式固態(tài)限流器為例，對FCL裝設(shè)于母線聯(lián)絡(luò)處、電纜線路始端和發(fā)電機組高壓出線端三種不同位置進行了分析。文獻[5]給出了FCL在電力系統(tǒng)的安裝點圖并作了簡要的說明。本文總結(jié)了各種限流裝置在電力系統(tǒng)中的不同安裝位置，以文獻[5]給出的安裝點圖為基礎(chǔ)，將安裝位置進行簡單分類，并全面分析了不同安裝位置上使用FCL的意義。

1 FCL安裝位置分類

FCL在電網(wǎng)中的應(yīng)用非常廣泛，其具體的安裝位置如圖1所示[5]。

根據(jù)FCL在電力系統(tǒng)中的實際應(yīng)用及電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點，大體可將FCL在電力系統(tǒng)中的安裝位置[6]分為3類：

（1）安裝于發(fā)電系統(tǒng)部分，如圖1中位置1、位置2所示；

（2）安裝于配電網(wǎng)部分，如圖1中位置5、位置6、位置7、位置8、位置10、位置11所示；

（3）安裝于電網(wǎng)連接部分，如圖1中位置3、位置4、位置9所示。

下面對各個位置發(fā)生故障的特點及裝設(shè)FCL所起到的作用作簡要的分析。

2 安裝于發(fā)電系統(tǒng)部分

2.1 用于發(fā)電機出口短路保護

此安裝位置[7]對應(yīng)圖1中的位置1。大容量發(fā)電機出口發(fā)生短路時，短路電流特別大，其短路電流來自于大系統(tǒng)和發(fā)電機本身，強大的短路電流會對發(fā)電機和主變壓器本身產(chǎn)生巨大的危害。將FCL裝設(shè)在圖2位置，與斷路器配合（圖2中未示出），起到發(fā)電機出口短路保護的作用。同時，能夠使用更大容量的變壓器而不更換斷路器，并能減少I2t對變壓器的危害[8]。另外發(fā)電機出口裝設(shè)有限流電抗器，則可在限流電抗器上并聯(lián)限流器以達到節(jié)能降耗的目的，見圖2中虛框內(nèi)部分（下同）。

電廠容量的不斷增大以及發(fā)電機遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的網(wǎng)絡(luò)特征使得高壓輸電線路上發(fā)生短路故障誘發(fā)的暫態(tài)過程更加嚴(yán)重威脅著大區(qū)域電網(wǎng)的穩(wěn)定性。FCL的恰當(dāng)運用可以有效地緩解這個問題。FCL限流電抗的投入將使故障時刻發(fā)電機的功率輸出增加，減少發(fā)電機的過剩功率，增加發(fā)電機的暫態(tài)穩(wěn)定裕度，其發(fā)生失步的可能性也將隨之降低，從而提高了系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定能力。

該應(yīng)用不僅適用于發(fā)電廠，也適用于化工冶金企業(yè)的自備發(fā)電機、大電流試驗室用發(fā)電機、核聚變試驗用發(fā)電機、船舶用發(fā)電機等。

2.2 用于發(fā)電廠分支母線和廠高變的短路保護

此安裝位置對應(yīng)圖1所示位置2。電廠中機組出線的廠用分支一般都應(yīng)裝設(shè)高壓斷路器。當(dāng)發(fā)電廠廠用電分支或勵磁分支母線發(fā)生短路時，發(fā)電機和系統(tǒng)電源同時向故障點提供短路電流，短路電流值比發(fā)電機出口短路時更大，無合適斷路器可選。

如圖3所示，若給發(fā)電廠的分支母線上串接1組FCL，發(fā)生災(zāi)難性短路時，由限流器快速切斷短路電流，短路電流得到限制，就可以根據(jù)限制后的短路容量選取適當(dāng)?shù)臄嗦菲?，從而有效地防止廠高變的損壞，保護發(fā)電設(shè)備的安全。

3 安裝于配電網(wǎng)部分

3.1 安裝于母線連接處

由CIGRE工作組[9]進行的關(guān)于FCL裝設(shè)于配電網(wǎng)部分情況調(diào)查結(jié)果如圖4所示。

圖4 FCL安裝位置統(tǒng)計圖Fig.4 Statistical graph of FCL locations

由圖4可知，F(xiàn)CL安裝在母線連接處應(yīng)用非常普遍。此安裝位置對應(yīng)于圖1中的位置5。

不裝設(shè)FCL時，母聯(lián)分段開關(guān)只能開環(huán)運行，各自母線上的負(fù)荷單獨運行；若將母聯(lián)分段開關(guān)合上，當(dāng)出線發(fā)生短路時短路電流等于兩母線上的短路電流和，超過斷路器的開斷能力，不能安全運行。裝設(shè)FCL后，母聯(lián)開關(guān)得以閉合，實現(xiàn)并列運行，如圖5所示。當(dāng)發(fā)生超過FCL整定水平的短路故障時，F(xiàn)CL迅速開斷，使母線開環(huán)，從而解決了出線短路電流過大的問題。

并列運行的優(yōu)點：（1）可以平均分配2臺變壓器的負(fù)荷，充分發(fā)揮變電站帶負(fù)荷的能力，達到優(yōu)化負(fù)荷分配的效果；（2）降低網(wǎng)絡(luò)阻抗，進而減小電壓跌落及電壓波動，提高供電質(zhì)量及可靠性；（3）節(jié)能降耗；（4）提高變電站運行方式的靈活性。

類似的情況還有配電環(huán)網(wǎng)中裝設(shè)FCL后可以運行于閉環(huán)方式，在各種橋形接線的橋開關(guān)處裝設(shè)FCL以及適當(dāng)?shù)卮佑跇蛐谓泳€回路中都可以降低故障電流對系統(tǒng)運行狀態(tài)的制約，提高供電的靈活性和可靠性，如圖1中的位置11所示。

3.2 安裝于饋電進線處

（1）變壓器饋電進線。也就是通常說的應(yīng)用于變壓器低壓側(cè)，作為短路后備保護，對應(yīng)于圖1中的位置7。

FCL可運用于大型變壓器低壓側(cè)，作為短路后備保護，如圖6所示。這種用法的優(yōu)點是：快速限流開斷短路電流，保護重要變壓器或電力設(shè)備免受短路電流的沖擊而損壞。

FCL還可用于旁路限流電抗器，對應(yīng)于圖1中的位置6。降壓變壓器或發(fā)電機出口的限流電抗器唯一的用途就是限制系統(tǒng)的短路電流。給限流電抗器上并聯(lián)1臺限流器，正常運行時，負(fù)荷電流幾乎全部流過FCL；當(dāng)母線或出線發(fā)生兩相或三相短路時，F(xiàn)CL快速開斷使電抗器投運，起到限制短路電流的作用。此用法具有以下效果：節(jié)能降耗；消除無功損耗；減少電壓跌落，提高供電質(zhì)量；消除電抗器磁場及噪聲對環(huán)境和設(shè)備的干擾。

（2）發(fā)電機饋電進線。也就是通常說的地區(qū)火/水電廠上網(wǎng)保護。對應(yīng)于圖1中的位置10。

如圖7所示，一個地區(qū)火/水電廠上網(wǎng)后，會使變電站原先的饋線斷路器的短路開斷能力不足。為此，在上網(wǎng)電廠的出口安裝1臺FCL，可不更換原先的斷路器繼續(xù)運行，節(jié)約工程投資。

3.3 安裝于饋電出線處

FCL安裝于饋電出線處，對應(yīng)于圖1中位置8，其作用在于維持母線電壓。任1出線的短路故障都將導(dǎo)致母線電壓大幅度的波動，引起計算機、變頻器等重要負(fù)載不能正常工作甚至停機，給工業(yè)生產(chǎn)造成重大損失。當(dāng)某出線上發(fā)生短路時，F(xiàn)CL快速將該支路開斷，母線電壓基本不受影響，從而改善了非故障用戶或設(shè)備的電壓質(zhì)量。

4 安裝于輸電網(wǎng)連接部分

（1）應(yīng)用于高壓輸電網(wǎng)連接處，提高系統(tǒng)安全穩(wěn)定性，解決電網(wǎng)互聯(lián)、增容帶來的短路電流開斷困難問題，優(yōu)化潮流輸送，保障電壓穩(wěn)定。FCL的應(yīng)用可以抑制越限的故障電流。此安裝位置對應(yīng)于圖1中的位置3。

（2）應(yīng)用于高中壓配電網(wǎng)連接處，使電力供應(yīng)更加安全、穩(wěn)定，優(yōu)化潮流輸送。此安裝位置對應(yīng)于圖1中的位置4。

（3）應(yīng)用于保護某些重要的電力設(shè)備，如超導(dǎo)電纜等。此安裝位置對應(yīng)于圖1中的位置9。還有高壓直流輸電中的整流電路部分。在大功率整流電路中發(fā)生短路時，需要有高速保護，否則會造成整流器件和其他設(shè)備損壞的嚴(yán)重事故。為此，可在該電路中接入1臺FCL，當(dāng)發(fā)生短路故障時可以避免設(shè)備的損壞。

5 結(jié)語

目前FCL在電力系統(tǒng)中還沒有得到廣泛應(yīng)用，不同類型和原理的限流器因造價、技術(shù)成熟度等原因，制約了其應(yīng)用和發(fā)展。當(dāng)前國內(nèi)有多家單位正著手FCL的研究，10 kV樣機的開發(fā)已經(jīng)完成，有多家單位也進行了并網(wǎng)試驗。35、110 kV樣機正在研制中。FCL在電力系統(tǒng)中的裝設(shè)位置以及安裝數(shù)量將取決于其所在電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。一般情況下，F(xiàn)CL安裝在故障點附近能夠最有效地限制短路電流，但是電力系統(tǒng)中短路情況發(fā)生的偶然性和地點的不確定性使得這個問題的研究變得相當(dāng)復(fù)雜。目前針對FCL的安裝位置還存在一些亟待解決的問題，包括：（1）基于最低成本和最優(yōu)限流效率的考慮，針對不同的系統(tǒng)以及不同的短路情況選擇FCL在電力系統(tǒng)中裝設(shè)的最佳位置，還需要通過詳細(xì)的分析、計算和仿真。（2）實際應(yīng)用中還應(yīng)考慮FCL同斷路器、自動重合閘及繼電保護的配合問題[10]，以確定其安裝位置，來滿足系統(tǒng)及各設(shè)備的具體要求。（3）根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定性和設(shè)備動熱穩(wěn)定性，來確定FCL的最佳配置點也是當(dāng)前需深入研究的問題。

[1]Engelman N，Schreurs E，Drugge B.Field test results for a multi-shot 12.47 kV fault current lim iter[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1991，6（3）：1081-1087.

[2]李久紅，李品德，毛鳳麟.一種對付發(fā)電系統(tǒng)特大短路電流的新方法[J].西北電力技術(shù)，2006，34（2）：1-3.

[3]林立軒，李品德.超高速開關(guān)裝置在大容量配電變電站的應(yīng)用研究[J].高壓電器，2007，43（3）：206-208.

[4]金鑫，梅彥，徐竹嫻.電力系統(tǒng)短路限流裝置安裝地點的研究[J].電工技術(shù)，2008（6）：6-7.

[5]劉凱，陳紅坤，林軍，等.故障限流器在電力系統(tǒng)中應(yīng)用研究現(xiàn)狀[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38（7）：147-151.

[6]Noe M，Oswald B R.Technical and econom ical benefits of superconducting fault current lim iters in power systems[J].IEEE Transactionson Applied Superconductivity，1999，9（2）：1347-1350.

[7]Slade PG，Wu JL，Stacey E J，etal.The utility requirements for a distribution fault current limiter[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1992，7（2）：507-515.

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

[9]Heino Schm itt on behalf of CIGREWorking Group A3.16.Fault current lim iters report on the activities of CIGREWG A3.16[R]. IEEEPower Engineering Society GeneralMeeting，2006.

[10]何妍，陳軒恕，唐躍進，等.超導(dǎo)故障限流器對自動重合閘和繼保的影響[J].高電壓技術(shù)，2008，34（10）：2190-2194.