電力系統(tǒng)短路電流限制器的研究

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(biāo)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(guān)于電力系統(tǒng)短路故障的產(chǎn)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(jié)了不同故障電流限制器的優(yōu)缺點，分析了國內(nèi)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(jìn)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(yīng)用的原因進(jìn)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(jìn)一步要解決的問題。

關(guān)鍵詞：故障電流限制器；短路電流；超導(dǎo)；固態(tài)開關(guān)

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(wǎng)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(jìn)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(guān)，其主要技術(shù)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(yīng)用。

從80年代中后期開始，由于新技術(shù)的出現(xiàn)及原有技術(shù)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(lián)電弧設(shè)備、高溫超導(dǎo)設(shè)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(shù)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(yīng)、故障時能在1-2秒內(nèi)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(shè)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(yīng)速度達(dá)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(shè)備熱穩(wěn)定問題，卻不能解決設(shè)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(fù)位，不影響電力系統(tǒng)重合閘。

（5）不影響繼電保護(hù)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(fù)多次使用。

（8）成本較低，能被電力部門接受。

2、國內(nèi)外故障電流限制器的研究現(xiàn)狀

2.1超導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體又從正常態(tài)恢復(fù)到超導(dǎo)態(tài)，這就是超導(dǎo)故障限流器的工作原理。電阻型超導(dǎo)故障電流限制器由超導(dǎo)線圈和并聯(lián)電阻或電抗組成。當(dāng)超導(dǎo)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(dǎo)線圈浸于低溫冷卻介質(zhì)中，由引線串入線路，高壓開關(guān)與限流器串聯(lián)，用以切斷限流電流或低于臨界電流的負(fù)荷電流。

電阻型超導(dǎo)故障電流限制器結(jié)構(gòu)簡單，反應(yīng)速度塊，但系統(tǒng)正常運行時，電流流過超導(dǎo)體，損耗較大；發(fā)生故障時，超導(dǎo)體需承受所有短路功率，因此超導(dǎo)材料特性需高度一致，避免形成熱點燒毀超導(dǎo)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(yīng)用。近年來，隨著自關(guān)斷器件的出現(xiàn)，由于其可以準(zhǔn)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(zhuǎn)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(lián)諧振故障電流限制器和串聯(lián)電流故障電流諧振器。我國在諧振型限流器的研究應(yīng)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(lián)諧振故障電流限制器，正常工作時開關(guān)斷開，發(fā)生故障時開關(guān)迅速閉合，電容器和電感并聯(lián)諧振，阻抗極大，從而限制電流。串聯(lián)諧振故障電流限制器，正常工作時開關(guān)斷開，電容器和電感器串聯(lián)諧振，等效阻抗為0，發(fā)生故障時開關(guān)迅速閉合，電容器短路，阻抗變大以限制短路電流。

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

3、限制短路電流的現(xiàn)行措施

（1）提升電壓等級，下級電網(wǎng)分層分區(qū)運行。將原電壓等級的網(wǎng)絡(luò)分成若干區(qū)，輻射型接入更高一級的電網(wǎng)，原有電壓等級電網(wǎng)的短路電流將隨之降低。例如，在500kV電網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)上，將500kV電網(wǎng)與220kV電網(wǎng)解環(huán)運行，使220kV電網(wǎng)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(lián)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(fù)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(jié)語

隨著經(jīng)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(wǎng)中某些斷路器的容量已經(jīng)無法滿足短路電流水平的要求，如果只靠改變電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在未來將無法解決短路電流問題。故障電流限制器的出現(xiàn)給這一問題帶了新的方向。

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