故障电流限制技术及研究进展
石晶 邹积岩 何俊佳 赵子玉
摘要 介绍了国外在电力系统故障电流限制技术方面的研究状况，结合其他领域的进展，提出了几种适合于中国国情的故障电流限制器设计方案，并详细介绍了它们的工作原理，还对各设计方案的特点进行了比较。
关键词 故障电流限制器 超导 电力电子 触发间隙 限流熔断器
DEVELOPMENT OF FAULT CURRENT LIMITING
TECHNIQUE AND ITS PROGRESS
Shi Jing Zou Jiyan He Junjia Zhao Ziyu
Huazhong University of Science & Technology
Wuhan, 430072 China
ABSTRACT With the increment of power system capacity, its fault current level increases. In this paper the current situations of fault current limiting technique study in other countries are summarized. Considering the progress in other subjects, this paper puts forward some approaches for developing fault current limiter in our country, and the advantage and weakness of every approach are analyzed.
KEY WORDS fault current limiter; superconductor; power electronics; triggered gap; limiting fuse
1 引言
随着电力系统容量的不断增大，电网之间的电气联系日趋紧密，电网的短路电流水平也迅速提高,计算表明三峡电站可能的最大短路电流周期分量将达300 kA［1］，而目前国际上生产的100 kA 的GIS已是属最大容量，国内尚无此生产能力。高压大容量断路器的开发和研制成为开关电器领域的顶尖课题［2］。
另一方面，随着电力电子技术、超导技术、计算机技术、新材料等的发展，限制短路电流以减轻断路器开断负担已成为可能，这就依赖于故障电流限制器(FCL，fault current limiter)的研制和开发。
限制低压和中压系统故障电流已有成功经验［3］，一般是采用电力电子器件或限流熔断器。目前电力电子器件的最高参数水平是单个GTO 10000 A/8000 V［4］，但限流熔断器的研制也只处于10 kA和10 kV水平［5］。因此直接将这些现成的技术应用于高压大容量输电系统是不可能的。国外对FCL的研制工作远走在我国之前，并有三相1.2 MVA/10.5 kV的样机在瑞士的某水电厂运行。国内的FCL的研究刚刚起步。
FCL是现代电力系统中的重要元件。使用FCL的优越性有：
(1)一般来说,电压等级越高，故障电流越大，越难以开断，而FCL的使用可直接减轻断路器的开断负担。
(2)快速限制短路电流可减少线路的电压损耗和发电机的失步概率，如果能配置恰当的限流器，则系统的功角稳定、电压稳定和频率稳定都能得到有效的改善，电网和设备事故也就可得到有效的控制。
(3)目前输电线路的实际输送能力均在稳定极限以下，如果限流器能在短路电流达到峰值之前就发挥作用，大多数设备设计和选用时所要求的热稳定极限及动稳定极限就可降低，电网的热极限及稳定极限比也可相应减小，从而大大提高了输电线路的利用率，降低整个电网的投资。
(4)高压电网短路电流水平的限制有利于架设在高压电力线路附近的通信线路和铁道信号系统的工作。
2 FCL的实现方案
实现FCL的方案按关键技术可分为4类：
(1)超导故障电流限制器(SCFCL)
超导体有3种导电状态，即超导状态、正常导电状态和过渡态。影响超导状态的三个因素是温度(T)、电流密度(j)和垂直于电流方向的磁感应强度(B)，如图1所示，曲面S1内代表超导态，曲面S2以外代表常态导电区，S1和S2之间代表的是过渡状态。短路故障发生时，SCFCL从超导到失超可在1 ms左右完成。图2为东芝公司研制的6.6 kV/1.5 kA超导故障限流器在不同外加电压下发生短路故障时超导电阻阻值的变化曲线。
图1 超导体导电状态影响因数示意图
图2 超导线圈在不同外加电压下发生短路时超导电阻的变化情况
多数SCFCL 的工作原理均基于超导体的电状态跃迁［8］。典型的超导故障电流限制器的实现方法如图3所示。其动作原理是：当发生短路故障时，超导线圈中的电流超过了临界值而失超，电阻迅速增大，为了不使超导线圈严重过热，开断快速断路器d，电阻R接替限流工作，直至主线上的断路器最终分断短路电流。电阻R也可以由电感L代替，以限制故障电流，但它不消耗有功功率，因此对于系统的稳定性而言电感的优越性不及电阻。另一种SCFCL的原理电路如图4所示，它实际上是一个次级绕组短路的变压器。单匝的次级绕组由超导材料制成，线路正常工作时初级绕组端的阻抗很小，故障时次级线圈的阻值迅速增大，反映到原边的阻抗也随之增加。还有一种方案如图5所示，电抗器的直流偏置绕组用超导材料制成，选取适当的安匝数使两个电抗器铁芯在正常工作情况下均处于磁饱和，因而交流绕组的电抗很小，当故障电流通过交流绕组时，两个电抗器的铁芯分别在正、负半波磁通变得不饱和，而呈现很大的电抗，起到了限制短路电流的作用。
图3 单相SCFCL原理图
图4 带铁芯的SCFCL
(2)用电力电子器件实现的FCL
近十年来，电力电子器件的技术水平提高很快，在中压电力系统中已可直接应用，经适当的串并联后甚至可用到高压、超高压系统。柔性交流输电系统(FACTS)就是在这种背景下产生的。FACTS电器的基础元件就是电力电子开关。 FCL作为一种FACTS器件，采用电力电子器件限流的方案也较多。总的原理是利用电力电子器件的可控性和快速性使正常工作时处于串联谐振(阻抗Z≈0)状态下的L电路在短路故障时脱谐，或使正常工作下处于非谐振状态下的电路在短路故障时进入并联谐振(导纳Y≈0)，从而使线路的阻抗增大而达到限制短路电流的目的。限流方案还可以合并其他FACTS器件的工作，而成为多功能FACTS 控制器。例如与串联补偿作用结合起来形成串联补偿式限流器。图6、图7分别为晶闸管和由GTO控制的谐振电路。在正常工作状态下TH-1和TH-2、GTO-1和GTO-2均不通过电流，而当短路发生时，会在几ms内快速触发这些电力电子元件，使线路阻抗增大而达到限流目的。
图5 磁饱和型SCFCL
图6 晶闸管控制谐振式FCL
图7 由GTO控制的谐振式FCL
另一种实现方法的电路图如图8所示，其工作原理是：由于电容C和电抗器L1的合成阻抗呈容性，FCL可以补偿输电线的串联感抗及无功功率。与C并联的开关SW1为晶闸管固态开关，常态为开路，即FCL常态下为一串联补偿器。当出现故障时，SW1首先快速接通旁路电容C，此时电抗器L1将限制故障电流，Z1限制通过SW1的涌流，与电容器并联的还有过电压保护器件ZnO和旁路开关BPS，用以保护SW1开关及电容器本体。图8所示的FCL可以作成单元模块，若干个这种模块就可以组成保护系统。
(3)用放电间隙法实现的FCL
该方法实际上也是利用谐振和非谐振两种状态下阻抗值的变化而达到限制短路电流的目的。它的基本原理与由电力电子器件实现的FCL是一样的，只不过它的控制元件由间隙放电替代了电力电子器件。放电的间隙是真空间隙，也可以是空气间隙，从给间隙发出点火放电信号到间隙完全导通所需的时间是μs级的。从这个角度来看，由间隙取代GTO、晶闸管或者IGBT是完全可能的，同样能达到限流的目的。图9为其原理图。正常工作时由C1和L1组成串联谐振状态，当发生短路故障时，则在几个ms内点火电路使得间隙SW击穿成为导电状态，这时L1便投入限流工作。
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