新型磁控式故障限流器

李曉明，梁 軍，王 葵，王 雷，陳 曉

（1.山東大學(xué) 電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061；2.國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100032）

0 引言

電力系統(tǒng)短路故障的危害很大，盡快切除短路電流是電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的任務(wù)。由于切除短路電流任務(wù)是由繼電保護(hù)裝置和斷路器共同完成的，而斷路器從接收到跳閘指令到熄滅電弧需要60 ms左右的時(shí)間，繼電保護(hù)動(dòng)作速度加快到一定程度以后所帶來的效益逐漸飽和。所以，超高速的繼電保護(hù)必須配合超高速的開關(guān)才有意義。

短路故障限流器（也稱故障電流限制器）是另一種減小短路電流對(duì)電力系統(tǒng)的危害的措施。近年來，短路故障限流器的研究受到很大關(guān)注[1]，出現(xiàn)了眾多不同原理的短路故障限流器，例如磁控式故障限流器（也稱飽和電抗型故障限流器）、串聯(lián)諧振型故障限流器、橋路型故障限流器、超導(dǎo)材料構(gòu)成的故障限流器等[2-3]。目前，各種故障限流器限流狀態(tài)的短路電流仍然比較大，對(duì)電力系統(tǒng)仍然有較大危害。如果把故障限流器的限流狀態(tài)進(jìn)一步減小，達(dá)到勵(lì)磁電流數(shù)量級(jí)，使導(dǎo)通狀態(tài)與限流狀態(tài)的差距得到進(jìn)一步加大，短路故障限流器就可以作為一種柔性開關(guān)使用。如果故障限流器減小短路電流的速度快于基于機(jī)械原理的斷路器，則其與超高速保護(hù)配合，可超高速減小短路電流的危害。

磁控式故障限流器的工作原理可追溯到磁放大器，其優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)都很明顯[4-5]。由于磁控式故障限流器的某些優(yōu)點(diǎn)是其他類型故障限流器不可替代的，所以，本文對(duì)傳統(tǒng)磁控式故障限流器揚(yáng)長(zhǎng)避短，研究一種新型磁控式故障限流器，并初步探討其特性與指標(biāo)。

1 基本原理與基本結(jié)構(gòu)

1.1 基本原理

圖1 變壓器B-H特性曲線Fig.1 B-H curve of transformer

變壓器鐵芯具有非線性特性，如圖1所示。在鐵芯不飽和的情況下，變壓器工作在區(qū)域[-a，a]，一次線圈流過很小的勵(lì)磁電流，如果把變壓器一次線圈串入輸電回路，交流電流幾乎處于關(guān)斷狀態(tài)；在鐵芯深度飽和的情況下，變壓器工作在區(qū)域（-∞，-b）∪（b，+∞），一次線圈可以流過很大的電流，如果把變壓器一次線圈串聯(lián)接入輸電回路，變壓器一次線圈對(duì)于交流電具有開關(guān)特性。新型磁控式故障限流器是變壓器參數(shù)與飽和電抗器性能結(jié)合的產(chǎn)物[6]。

磁控式故障限流器鐵芯的飽和與不飽和可通過改變鐵芯上控制線圈（或稱為直流線圈）中的直流電流的大小來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，如果直流線圈中有足夠大的直流電流通過，鐵芯深度飽和，磁控式故障限流器的交流線圈呈現(xiàn)小電抗，不影響輸電回路正常送電；當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)，直流線圈中的直流電流快速減小，磁控式故障限流器的交流線圈呈現(xiàn)很大電抗，可把短路電流減小至勵(lì)磁電流數(shù)量級(jí)。

1.2 基本結(jié)構(gòu)

開關(guān)特性飽和電抗器的結(jié)構(gòu)與連接方式如圖2所示。日字型鐵芯上有4個(gè)線圈，L1、L3為交流線圈，L2、L4為直流線圈。兩側(cè)鐵芯的截面積相等，中間鐵芯的截面積等于兩側(cè)鐵芯的截面積之和；交流線圈L1與L3的匝數(shù)相等，直流線圈L2與L4的匝數(shù)相等。交流線圈L1產(chǎn)生的磁通Φ1與交流線圈L3產(chǎn)生的磁通Φ3大小相等，方向都向上，都經(jīng)過中間鐵芯形成閉合回路；直流線圈L2產(chǎn)生的磁通Φ2與直流線圈L4產(chǎn)生的磁通Φ4大小相等，方向相反，直流磁通在兩側(cè)鐵芯形成的磁通回路流動(dòng)。

圖2 開關(guān)特性飽和電抗器的結(jié)構(gòu)與連接方式Fig.2 Configuration of saturated reactor with switching characteristic and its connection mode

當(dāng)開關(guān)K1斷開時(shí)，交流電流從端子1輸入，經(jīng)交流線圈L1、L3輸入全橋整流電路；輸電回路的交流電流經(jīng)全橋整流電路整流后給直流線圈L2、L4提供直流電流，交流與直流電流呈串聯(lián)狀態(tài)。交流線圈匝數(shù)為N1，直流線圈匝數(shù)為 N2，且 N2=2N1，保證 IdN2>ImN1（Id為輸入直流線圈的直流電流值，Im為交流線圈交流電流的峰值）。不論輸電回路的電流大小，飽和電抗器鐵芯的工作區(qū)域?yàn)椋?∞，-b）∪（b，+∞）；鐵芯兩側(cè)處于飽和狀態(tài)，交流線圈L1、L3對(duì)輸電回路的阻抗很小，呈導(dǎo)通狀態(tài)。

當(dāng)開關(guān)K1閉合時(shí)，直流線圈L2、L4失去電壓，直流線圈中的直流電流下降為零。設(shè)計(jì)交流線圈L1、L3的匝數(shù)，在交流線圈L1、L3兩端加額定交流電壓時(shí)，鐵芯工作在（-a，a）；流過交流線圈 L1、L3的電流為勵(lì)磁電流，輸電回路幾乎切斷。

當(dāng)K1斷開時(shí)，飽和電抗器導(dǎo)通輸電回路；當(dāng)K1閉合時(shí)，飽和電抗器幾乎截止輸電回路。飽和電抗器工作在開關(guān)狀態(tài)。

當(dāng)K1斷開時(shí)，K1兩端的電壓很小，為直流電流在直流線圈電阻上的電壓降。當(dāng)K1閉合時(shí)，K1中只流過很小的勵(lì)磁電流。所以，K1從閉合狀態(tài)跳開時(shí)，只切斷很小的勵(lì)磁電流，產(chǎn)生的電弧很小。由于K1觸點(diǎn)的工作電流和工作電壓都很小，可以選用工作可靠性較高的交流接觸器的觸點(diǎn)。

開關(guān)特性的飽和電抗器通過控制低電壓、小功率的K1觸點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓輸電回路的開關(guān)控制。

二極管 VD1、VD2、VD3、VD4的容量按最大負(fù)荷電流設(shè)計(jì)。輸電回路如果發(fā)生短路，快速閉合K1，短路電流不流過二極管 VD1、VD2、VD3、VD4，不會(huì)造成二極管過流損壞。

輸電回路如果發(fā)生短路，突然增大的電流使直流線圈L2、L4兩端電壓增大，此時(shí)快速閉合K1，短路電流不會(huì)流入直流線圈 L2、L4，直流線圈 L2、L4兩端不會(huì)產(chǎn)生過電壓。

飽和電抗器處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，交流線圈的電流沒有畸變，直流線圈L2、L4兩端不會(huì)產(chǎn)生不平衡交流過電壓；飽和電抗器處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，交流線圈的電流也沒有畸變，直流線圈L2、L4兩端不會(huì)產(chǎn)生不平衡交流過電壓。短路的暫態(tài)期間，鐵芯在飽和與非飽和之間交替變化，交流線圈的電流產(chǎn)生畸變，直流線圈L2、L4兩端將產(chǎn)生不平衡交流過電壓。大功率穩(wěn)壓管VD5與全橋整流電路都保證負(fù)半波電壓接近于零，直流線圈出口負(fù)半波不會(huì)過電壓。正半波期間，由VD5保證正半波電壓不超過VD5的穩(wěn)定電壓，直流線圈出口正半波也不會(huì)過電壓。

開關(guān)特性飽和電抗器的開關(guān)K1用晶閘管電路代替[7]，構(gòu)成新型磁控式故障限流器如圖3所示。為了表述方便，交流線圈L1、L3的組合用L7表示，直流線圈L2、L4的組合用L8表示。如果控制電路（或繼電保護(hù)）發(fā)出第1個(gè)觸發(fā)脈沖，晶閘管VT6、VT7立即導(dǎo)通，且在電壓第1個(gè)過零點(diǎn)關(guān)斷。如果繼電保護(hù)沒有發(fā)出第 2 個(gè)脈沖，VT6、VT7將不再導(dǎo)通；VT6、VT7只旁路不到半個(gè)周期的電流，磁控式故障限流器仍然保持原有的導(dǎo)通狀態(tài)。如果繼電保護(hù)發(fā)出序列觸發(fā)脈沖，使VT6、VT7始終導(dǎo)通，磁控式故障限流器就會(huì)進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。開關(guān)K1用晶閘管電路代替以后，動(dòng)作速度更快，更利于限制 VD1、VD2、VD3、VD4過電流和直流線圈過電壓。只要VT6、VT7的浪涌電流ITSM參數(shù)大于實(shí)際值，就能保證晶閘管VT6、VT7不被損壞。晶閘管的浪涌電流值一般是額定電流值的10倍，選擇晶閘管的額定電流值等于輸電回路最大負(fù)荷電流的峰值，能夠保證磁控式故障限流器在限制短路電流的同時(shí)，保護(hù)晶閘管VT6、VT7不被損壞。

控制模塊有2個(gè)輸入端子連接晶閘管VT6、VT7的兩端，獲得VT6、VT7正極與負(fù)極之間的電壓；控制模塊另外2個(gè)輸入端子通過電壓互感器（TV）與交流線圈的2個(gè)端子連接，獲得交流線圈2個(gè)端子之間的電壓；控制模塊有2個(gè)輸出端子分別控制VT6、VT7的導(dǎo)通狀態(tài)。

圖3 新型磁控式故障限流器結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of magnetic-control-type FCL

電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。磁控式故障限流器輸入端子1連接電力系統(tǒng)輸電回路電源側(cè)，輸出端子2接電力系統(tǒng)輸電回路負(fù)荷側(cè)。

圖4 電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of power system

當(dāng)磁控式故障限流器投入正常運(yùn)行的電力系統(tǒng)時(shí)，負(fù)荷電流與直流電流呈串聯(lián)狀態(tài)；輸電回路的負(fù)荷電流小，給直流線圈L8提供的直流電流就??；反之，所提供的直流電流就大。由于直流線圈L8的直流電流有自我調(diào)節(jié)能力，可減小電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的損耗。

控制模塊通過檢測(cè)晶閘管VT6、VT7兩端正向電壓瞬時(shí)值的大小來判斷電力系統(tǒng)是否發(fā)生短路。當(dāng)輸電回路發(fā)生短路故障時(shí)，晶閘管VT6、VT7兩端正向電壓瞬時(shí)值超過整定值，控制模塊立即給VT6、VT7發(fā)出導(dǎo)通命令。該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方便、可靠，節(jié)省了電流互感器，且可實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體器件的保護(hù)功能。

為了進(jìn)一步提高磁控式故障限流器的綜合效果和動(dòng)作的可靠性，增加一個(gè)動(dòng)作判據(jù)?？刂颇K通過TV檢測(cè)交流線圈兩端子之間的電壓，當(dāng)其大于設(shè)定值時(shí)，使VD5、VT6在交流線圈兩端子電壓大于設(shè)定值期間全導(dǎo)通。

2 磁控式故障限流器設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證磁控式故障限流器工作原理，設(shè)計(jì)制造了一套電壓等級(jí)為220 V、電流為5 A的磁控式故障限流器。

飽和電抗器參數(shù)：線圈L1、L4的額定工作電壓為110 V，額定工作電流為5 A；線圈L2、L5的額定工作電壓為220 V，額定工作電流為5 A。為了研究方便和測(cè)試更多特性，線圈L2、L5是由2個(gè)110 V線圈串聯(lián)構(gòu)成；飽和電抗器中間鐵芯還增加了2個(gè)線圈。飽和電抗器鐵芯長(zhǎng) 240 mm，高 200 mm，厚 80 mm，側(cè)柱截面積3200 mm2。對(duì)線圈L2進(jìn)行伏安特性試驗(yàn)測(cè)量，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建單相試驗(yàn)電路，電源電壓220 V，負(fù)載為空心電抗器。不同負(fù)荷電流下，測(cè)得磁控式故障限流器端子1與2之間的電壓有效值如表2所示。從表中可以看出，電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，磁控式故障限流器有感性電壓降，大約為額定電壓的10%。

系統(tǒng)阻抗為j0.3 Ω，故障前負(fù)荷電流為4 A。電力系統(tǒng)出口短路，測(cè)得磁控式故障限流器兩端電壓u1和電流（已轉(zhuǎn)化為電壓u2）如圖5所示。由于電壓、電流一個(gè)周期為20 ms，所以，從圖5波形可以直觀地看出電壓、電流幅值變化與時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系?？梢钥闯?，電壓與電流幅值較小的開始部分（40 ms），為正常輸電時(shí)的電壓、電流波形，此時(shí)磁控式故障限流器兩端電壓很小，有效值約19 V。40 ms時(shí)，短路發(fā)生，電流突然增大，電流第1個(gè)半波較大，第2個(gè)半波迅速減小。短路發(fā)生100 ms（5個(gè)周期）以后，短路電流有效值接近負(fù)荷電流（峰值略大于負(fù)荷電流峰值）。隨著時(shí)間的推移，短路電流最后減小至勵(lì)磁電流。雖然到達(dá)勵(lì)磁電流的時(shí)間比較長(zhǎng)，但是到達(dá)負(fù)荷電流的時(shí)間較短。特別是電壓的暫態(tài)波形很短。短路發(fā)生后，磁控式故障限流器兩端電壓在第1個(gè)半周期（10 ms）小于額定電壓的峰值，第2個(gè)半周期電壓幅值基本等于額定值。電壓第1個(gè)峰值約等于額定電壓的75%，這表明，短路發(fā)生后的前10 ms，接入磁控式故障限流器時(shí)的短路電流小于沒有接入時(shí)的短路電流，約等于原有短路電流的1/3。短路發(fā)生10 ms以后，電壓幅值基本等于額定值，磁控式故障限流器兩端承接系統(tǒng)額定電壓，短路點(diǎn)對(duì)故障限流器的非故障側(cè)的電壓影響很??；故障限流器的非故障側(cè)的母線電壓基本恢復(fù)正常，不受短路電流的影響。

表1 飽和電抗器伏安特性數(shù)據(jù)Tab.1 V-A characteristic data of saturated reactor

表2 正常運(yùn)行時(shí)磁控式故障限流器兩端壓降Tab.2 Voltage drop between two ends of FCL under normal operating condition

圖5是大量測(cè)量數(shù)據(jù)中挑選出的最嚴(yán)重情況。短路電流第1個(gè)半波的幅值大小與短路發(fā)生時(shí)刻電壓的初始角度有關(guān)。圖5表明，短路發(fā)生100 ms以后，短路電流接近負(fù)荷電流。在短路實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)室電源的10 A熔斷器與帶保護(hù)的空氣開關(guān)都沒有發(fā)生跳閘。可見，安裝了磁控式故障限流器后，不必跳開斷路器即可避免短路電流對(duì)電力系統(tǒng)的危害。

正常負(fù)荷電流為4 A的條件下，模擬電力系統(tǒng)斷路器QF合閘對(duì)輸電回路送電過程，測(cè)得磁控式故障限流器兩端電壓和電流如圖6所示。從圖中的電流曲線可以看出，斷路器QF對(duì)輸電回路進(jìn)行送電，磁控式故障限流器阻止電流突然變化，電流幅值逐漸上升至負(fù)荷電流；從圖中的電壓曲線可以看出，斷路器合閘初始階段，電力系統(tǒng)的電壓大部分加在磁控式故障限流器兩側(cè)，小部分加在輸電線路；然后磁控式故障限流器兩側(cè)電壓逐漸減小，線路電壓逐漸上升。暫態(tài)過程約100 ms。

圖6 合閘過程電壓與電流曲線Fig.6 Voltage curve and current curve during closing operation

3 定性分析

磁控式故障限流器的半導(dǎo)體元件的安全性是十分重要的。除了采取上述方法外，采用增加短路線圈的方法也可抵消直流線圈端口的不平衡過電壓[8]。實(shí)際上，圖3既是輸電回路的故障限流器，又是VD1、VD2、VD3、VD4、VD5、VT6、VT7的自我保護(hù)電路。VD1、VD2、VD3、VD4的過電流由 VT6、VT7的快速導(dǎo)通來保護(hù)，VT6、VT7的過電流由交流線圈L7的快速限流來保護(hù)。

電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障，新型磁控式故障限流器在20 ms左右的時(shí)間內(nèi)將短路電流減小至危害較小的程度，這是其他類型故障限流器不具備的。

傳統(tǒng)磁控式故障限流器從變電站的站用變壓器取直流電源，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障限流器的投入與退出操作不方便。新型磁控式故障限流器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行管理方便。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)直接使用測(cè)量信號(hào)的能量作為自身的直流電源，即VD5、VT6兩端的電壓既是控制電路模塊的測(cè)量信號(hào)，又為控制電路模塊提供電源。這樣，整個(gè)磁控式故障限流器相當(dāng)一個(gè)二端口元件，使用非常方便。

傳統(tǒng)磁控式故障限流器從變電站的站用變壓器取直流電源，外部故障使變電站母線電壓下降，將造成非故障線路故障限流器工作不正常。新型磁控式故障限流器的特性與變電站母線電壓無關(guān)。

普通變壓器的短路電壓值一般等于6%的額定電壓。新型磁控式故障限流器的正常運(yùn)行感性壓降約為普通變壓器短路電壓值的2倍，因此不適合安裝在電抗值被嚴(yán)格控制的輸電回路，可應(yīng)用于高阻變壓器回路，或采取串補(bǔ)電容方式來抵消磁控式故障限流器的正常運(yùn)行電抗值。這方面，今后需要做更深入的研究。

新型磁控式故障限流器應(yīng)用于高壓或超高壓系統(tǒng)時(shí)，半導(dǎo)體元件的耐壓等級(jí)可取4000 V，電流取輸電線路額定電流，可達(dá)2000 A。

飽和電抗器的電壓等級(jí)則必須隨著電力系統(tǒng)電壓的增大而增加，主要成本和困難在飽和電抗器。電壓等級(jí)增大，飽和電抗器線圈增多，鐵芯增大，電磁暫態(tài)過程增長(zhǎng)；需要采取措施減小暫態(tài)過程：采用磁損較大的鐵芯減小飽和電抗器暫態(tài)過程，飽和電抗器正常運(yùn)行時(shí)，處于飽和狀態(tài)，磁損較大的鐵芯不會(huì)增加太多損耗；采用超導(dǎo)材料制作線圈，飽和電抗器正常運(yùn)行時(shí)，超導(dǎo)材料制作的線圈的銅損為零；電力系統(tǒng)短路時(shí)，超導(dǎo)材料失超，電阻增大，減小飽和電抗器的暫態(tài)過程。飽和電抗器交流線圈的電抗快速增大，又反過來保護(hù)了超導(dǎo)材料，使其不會(huì)過熱損壞。

4 結(jié)論

新型磁控式故障限流器工作原理可行，設(shè)計(jì)制造的220 V電壓等級(jí)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)表明：電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，磁控式故障限流器對(duì)正常輸電影響較小；電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，磁控式故障限流器可以在20 ms左右使短路電流減小至危害較小的程度；裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便。