故障电流限制器

故障电流限制器调研报告

1 概述与国内外研究现状

电力系统的迅速发展，单机和发电厂容量、变电站容量、城市和工业中心的负荷和负荷密度的增加，以及电力系统之间的互联，导致现代大电力系统各级电网中的短路电流水平不断增加，系统中部分地区的短路电流已经达到甚至超过断路器的遮断容量，而且上升趋势越来越明显，已经严重威胁到系统的安全运行。一旦发生短路故障，可能会造成故障线路中相关设备烧毁，后果难以想象。除改变电网结构外，故障电流限制器（fault current limiter，FCL）成为解决短路电流超标问题的新途径。

目前比较成熟的故障电流限制器有：限流电抗器、高压限流熔断器、谐振型故障电流限制器。串联谐振型故障电流限制器在超高压系统中的应用，关键在于旁通电路替代型式的研究，随着容量和电压等级的提高，饱和电抗器成本和制造难度迅速增加。而电力电子和快速开关等技术的快速发展，为新型电容器保护用旁通技术的探索提供了新的思路。

可控串补装置可以动态调节电容的阻抗，使其工作在感性模式和容性模式。在短路电流发生时刻，调节晶闸管阀的触发角使其工作在感性模式，相当于线路串入一个大电抗，以达到限流目的。这是利用可控串补装置的一个附加功能。

随着新材料、新工艺的出现，涌现了许多基于新型器件和原理的故障电流限制器，例如基于超导技术，基于半导体变流技术，以及采用PTC

（positive temperature coefficient）热敏电阻材料等。这些新技术给电力系统的发展带来了新的机遇。

1.1 国内情况

随着FCL受到重视的程度日益提高，国内很多机构单位投入其研究与应用。中国科学院电工研究所联合国内多家单位共同研发了我国首台三相高温超导限流器，成功将3500A（有效值）限制到635A（有效值），且短路瞬间波形无突变。由天津机电工业控股集团公司和北京云电英纳超导电缆有限公司联合研制的35kV超导磁饱和型FCL，于2007年成功投入实际运行，是目前世界上挂网试运行的电压等级最高、容量最大的超导限流器。华中科技大学研究的基于串联补偿的FCL使用了真空触发间隙或高速斥力机构操作的合闸开关，具有动作速度快、成本较低的优点。上海交通大学提出了一种适用于中高压电网的磁控开关型故障限流器结构，并研制了一台220kV/50A限流器模型机。华东冶金学院提出一种由普通电感和IGBT桥路构成的无损耗电阻器式限流器拓扑并取得国家专利。浙江大学研制的10kV/500A/2500A带交流旁路限制电感采用耦合变压器的新型固态限流器样机于2006年12月在绍兴电力试验站通过试验，取得了令人满意的试验结果。

1.2 国外情况

自20世纪90年代初，EPRI推出固态FCL方案后，国外在固态限流器方面的研究取得巨大进展。1993年初，在美国新泽西州Mort Monmouth的

Army Power Center的4.6kV交流馈电线路上安装了一个由反并联GTO构成的6.6MW的固态断路器，平均工作电流为800A，在发生短路故障300 s 的时间内切断故障，起到有效的保护作用；西屋公司与EPRI合作，制造出一台（13.8kV，675A）FCL（与固态断路器SSCB组合），于1995年2月安装在PSE&G的变电站投入运行；日本东北电力公司及日立公司研制了（Distribution Current Limiting Device, DCLD）的试验装置，并进行了试验。

SFCL在国外工程研究文献报到较多，其工程应用方面较早的是1995年Lockheed Martin公司（美国）研制的桥路型2.4kV/80A的超导限流器；在1999年General Atomics公司又研制了指标为15kV/20kA的桥路型超导限流器；瑞士ABB公司也分别在1996年和2002年研制了1.2MVA和6.4MVA 的电阻型超导限流器；2004年，日本Toshiba公司利用超导高温材料研制了66kV/750A的超导限流器。

此外，1994年日本富士电机与关西电力公司联合开发出由真空开关和GTO并联构成的400V配电用混合式限流器。1998年ACEC-Transport和GEC-Alsthom公司开发了交直流两用的混合式故障限流器，且已形成商业化。最近两年来，一方面主要完善前面的几种固态限流器，使之满足工业现场运行更加实用化、商业化。另一方面，更多工作均放在具有多种功能的限流器研究上，大部分研究倾向于将串联无功补偿和限流功能集于一身。

2 工作原理

2.1 对故障限流器的要求

故障限流器是一种串接在线路中的电气设备。它正常时阻抗为零或很小，而故障时阻抗很大。对故障限流器的技术要求主要有以下几个方面：

（1）正常运行时，限流装置呈低阻抗或零阻抗状态，系统的有功功率和无功功率损耗很小，对系统无任何影响（压降为零）；

（2）故障发生后，装置应能在极短时间内动作，在故障电流到达第一个峰值前有效限制短路电流；

（3）有一定的限制容量和限流时间；

（4）控制简单，无须高速短路故障检测技术；

（5）动作时不引起系统暂态振荡，过电压等副作用；

（6）不影响继电保护等设备的正确动作；

（7）装置有自动复位功能和多次连续动作能力；

（8）设备的成本和运行费用低，可承受的体积和重量，可靠性高，维修量小。

2.2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。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