電力系統(tǒng)故障限流器的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用前景

琚興寶

（中國艦船研究設(shè)計中心，武漢430064）

0 前言

規(guī)模迅速發(fā)展的現(xiàn)代電力系統(tǒng)，正面臨著短路故障電流隨著系統(tǒng)容量的持續(xù)增加而不斷增長的挑戰(zhàn)。短路故障電流若得不到及時妥當(dāng)?shù)奶幚?，不僅會危害電力設(shè)備的安全運(yùn)行，而且可能破壞電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定，造成系統(tǒng)失步和解列，損壞運(yùn)行設(shè)備，甚至引起嚴(yán)重的大面積停電事故，需要花費(fèi)大量的投資進(jìn)行改造和改建[1]。

傳統(tǒng)限制短路電流的辦法主要從電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)運(yùn)行方式和設(shè)備三個方面入手， 雖然能在不同程度上實現(xiàn)對短路電流的限制和約束，但各自都存在缺點(diǎn)和不足，或多或少是以犧牲電網(wǎng)在其他方面的指標(biāo)為代價的。就算是新建的電網(wǎng)能比較徹底的解決短路電流問題，但是隨著負(fù)荷和運(yùn)行方式的變化，原有的設(shè)計并不能一勞永逸。

通常，電力系統(tǒng)采用斷路器作為主要保護(hù)設(shè)備，但是由于系統(tǒng)的短路故障形式多樣，單獨(dú)采用斷路器難以更好的實現(xiàn)系統(tǒng)的選擇性保護(hù)、故障恢復(fù)和系統(tǒng)重組。在系統(tǒng)當(dāng)中引入故障限流器后，一方面能將故障時系統(tǒng)出現(xiàn)的實際短路電流限制在一定水平，減小系統(tǒng)承受的機(jī)械和熱應(yīng)力，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。另一方面使系統(tǒng)保護(hù)方案由單純的“斷路器”技術(shù)方案變成核心技術(shù)為限流的“限流器＋斷路器”的較佳技術(shù)方案，即限制短路電流的上升，把它抑制在允許范圍內(nèi)，再通過斷路器分?jǐn)啵ㄒ部梢宰孕蟹謹(jǐn)啵?，以實現(xiàn)對系統(tǒng)短路故障的保護(hù)。這種方案預(yù)期能達(dá)到的效果如圖1所示[2-3]。

1 故障限流器

在電力系統(tǒng)中引入FCL后，會使系統(tǒng)的性能得到明顯的改善，主要優(yōu)點(diǎn)在于：FCL的使用，減輕了斷路器的開斷負(fù)擔(dān)，系統(tǒng)不必進(jìn)行繁復(fù)的設(shè)備更換工作，降低了成本；FCL在短路電流到達(dá)峰值前發(fā)揮作用，能降低對設(shè)備熱極限和動穩(wěn)極限承受能力的要求，減小電網(wǎng)的機(jī)械和熱應(yīng)力，提高系統(tǒng)效率；FCL快速將短路電流限制在一定水平，能減少線路的電壓損耗和發(fā)電機(jī)的失步概率，改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性；FCL在故障切除前顯著減小母線電壓跌落時間，能提高電能質(zhì)量；FCL對系統(tǒng)短路電流的限制作用有助于減小輸電線路附近的電磁干擾。

目前限流器已經(jīng)有多種類型，這里主要介紹其中的超導(dǎo)限流器、固態(tài)限流器、和混合式限流器。

1.1 超導(dǎo)限流器（SCFCL）

根據(jù)是否利用失超特性限流來分，超導(dǎo)限流器可分為失超型和非失超型。失超型超導(dǎo)限流器利用超導(dǎo)材料的超導(dǎo)態(tài)/正常態(tài)（S/N）轉(zhuǎn)變特性（即溫度、磁場或電流超過臨界值時，超導(dǎo)體將由無阻態(tài)轉(zhuǎn)移到高阻態(tài)）來達(dá)到限制短路電流的目的；非失超型超導(dǎo)限流器由超導(dǎo)體線圈和其他元件（電力電子器件或磁元件等）結(jié)合構(gòu)成，通過控制（改變）運(yùn)行模式達(dá)到限制短路電流的目的。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)還可進(jìn)一步分為電阻型、橋路型、磁屏蔽型、變壓器型和飽和鐵心型等。

由于超導(dǎo)限流器能集檢測、轉(zhuǎn)換、限流于一身，具有毫秒級的響應(yīng)時間，并且能在高電壓條件下運(yùn)行，因此是電力系統(tǒng)中一種非常理想的短路故障限流器，引起了世界各國科研工作者極大的興趣。表1為目前世界各國超導(dǎo)限流器的發(fā)展?fàn)顩r。

1.2 固態(tài)限流器（SSFCL）

固態(tài)限流器以大功率半導(dǎo)體器件為核心，結(jié)合電抗器等其它元件來達(dá)到限制短路故障電流的目的。美國EPRI的一項早期調(diào)查報告顯示，應(yīng)用功率半導(dǎo)體器件發(fā)展固態(tài)限流技術(shù)是比較現(xiàn)實的技術(shù)途徑。近年來，在大功率半導(dǎo)體器件發(fā)展的基礎(chǔ)上，一系列固態(tài)限流器技術(shù)日漸成熟，主要有：GTO開關(guān)型固態(tài)限流器、諧振型限流器、具有串聯(lián)補(bǔ)償作用的限流器、無損耗電阻式、橋式固態(tài)限流器等。

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1995年，美國西屋公司與EPRI合作，研制出了世界上第一臺SSFCL(與固態(tài)斷路器SSCB組合)，功率等級為13.8 kV/675 A，安裝在PSE變電站運(yùn)行。到目前為止功率等級最高的還是由美國EPRI與Silicon Power公司共同開發(fā)的69 kV/3000 A固態(tài)限流器，其實物和基本原理如圖2所示。

1.3 超導(dǎo)型混合式限流器

正常情況下，電流流過超導(dǎo)體和主觸頭。當(dāng)故障發(fā)生時，超導(dǎo)材料失超電阻增大，電流轉(zhuǎn)移至驅(qū)動線圈，在電磁力的作用下，主觸頭以很高的速度分開，當(dāng)觸頭間的電弧熄滅后，電流轉(zhuǎn)移至并聯(lián)的支路，整個過程僅僅幾個ms，功率等級為14 kV/630 A的超導(dǎo)型混合限流器樣機(jī)國外已經(jīng)研制成功。

1.4 半導(dǎo)體型混合式限流器

系統(tǒng)正常運(yùn)行時，電流從高速機(jī)械開關(guān)FTS中流過。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，控制FTS關(guān)斷，同時觸發(fā)半導(dǎo)體開關(guān)GTO開通，電弧迫使電流轉(zhuǎn)移至GTO當(dāng)中；此后控制GTO關(guān)斷，電流被迫轉(zhuǎn)移至PTC電阻構(gòu)成的限流支路當(dāng)中，從而限制短路電流。整個過程也只要幾ms的時間。作者研制成功的原理樣機(jī)功率等級為12 kV/2 kA。

我國在新型限流器方面的研究比國外起步的晚，但也開展了許多相關(guān)工作。例如華東冶金學(xué)院的無損耗電阻器(LLR ) 式短路限流器，浙江大學(xué)的橋式固態(tài)限流器，，中科院的超導(dǎo)限流器，以及七一二研究所和海軍工程大學(xué)和針對艦船直流系統(tǒng)研制的混合式限流器等，均取得了一定的研究成果。

2 FCL的應(yīng)用

在未來艦船綜合電力系統(tǒng)中，電力系統(tǒng)的容量、電壓等級將會不斷增大，由于饋電線路短、獨(dú)立負(fù)載大等特點(diǎn)，電網(wǎng)中短路電流將在數(shù)毫秒內(nèi)達(dá)到百千安級。如此之高的短路故障電流水平成為系統(tǒng)設(shè)計時不得不考慮的一個關(guān)鍵因素，否則線路設(shè)備均將遭受巨大的損害，傳統(tǒng)的“斷路器”保護(hù)方案遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求。而一些常規(guī)的限流辦法要么給系統(tǒng)引入了永久的阻抗，增加損耗；要么需要進(jìn)行繁復(fù)的設(shè)備更換工作，增加了成本。利用FCL構(gòu)成艦船電力系統(tǒng)保護(hù)的新方案是未來電力艦船發(fā)展的方向。

3 結(jié)束語

在上述幾種斷路器中超導(dǎo)限流器性能優(yōu)異，是未來電力系統(tǒng)的發(fā)展方向，但短期內(nèi)難以應(yīng)用和商業(yè)化；而固態(tài)限流器在中壓領(lǐng)域內(nèi)具有明顯的優(yōu)勢，但其成本較高，體積較大；目前來看，比較實用的技術(shù)方案是綜合各種限流技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)和回避其缺點(diǎn)的混合式限流器。然而超導(dǎo)限流器和固態(tài)限流器會隨著超導(dǎo)材料和半導(dǎo)體器件水平的不斷提高而不斷發(fā)展，因此在優(yōu)先考慮發(fā)展混合式限流器的同時，積極開展固態(tài)限流器的研究，同時保持對超導(dǎo)限流器的關(guān)注。

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