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
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
图5磁饱和型SCFCL
超导故障限流器有待解决的问题
超导故障限流器目前主要应用于直流领域, 至今没有在交流电网中得到大规模实际应用, 这是由于一些问题有待解决, 主要问题有: （1）超导磁体稳定性问题
超导体能无损耗通过直流, 但不能无损耗通过交流, 交流磁通线不断进出超导体产生能量损耗, 且能量损耗分布很不均匀, 使超导体内部温差很大, 温度高的地方将首先失超转变为高阻抗状态, 这部分超导体温度迅速上升, 易使超导体过热烧毁。

（2）故障后超导体恢复时间问题
超导故障限流器的恢复特性对其能否在电力系统中得到广泛应用有重要的影响。

恢复时间过长无法重合闸, 如何减少恢复时间是超导故障限流器下一步重点解决的问题。

（3）超导体限流后的散热问题
超导体散热问题始终没有得到圆满解决, 功率较小情况下可采用
并联电阻转移热量, 但在高电压大功率应用中, 为使超导体能产生足
够高电阻限制短路电流, 须采用较长超导体, 但线路越长, 分布电感
越大, 分布电感的大小决定了短路电流换流到并联电阻的速度, 过大
的分布电感使故障电流换流速度过慢, 易使超导体在限流过程中因温
升过大而烧毁, 降低装置可靠性。

2.1固态故障电流限制器
基于电力电子技术的固态故障限流器在近几年得到广泛研究。

固态故障限流器利用电力电子元件构成转换开关的导通和关断, 将故障
电流切换到限制回路,实现限流功能。

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。

采用电力电子器件限流的方案较多，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。

图8带串联补偿的FCL
3 关键技术
目前更新、更合理的故障电流限制技术主要有 2 种：1）在原有
串联电抗器的基础上，采用各种可靠开关技术实现串联电抗器的可控化；2）基于其它创新原理实现的FCL，如基于超导技术的FCL。

基于晶闸管保护串联电容器(TPSC)技术的串联谐振型FCL是现阶段解决超高压系统短路电流超标问题比较可行的新技术手段。

本节将主要阐述该类FCL所涉及的关键技术：
●超高压电网短路电流限制器的基础理论研究
●短路电流限制器的系统分析和系统设计
●对系统暂态行为的影响
●故障电流限制器的故障检测算法
●故障电流限制器的控制保护策略
●晶闸管快速保护电容器技术
●对现有继电保护的影响
●电流限制器的在线检测、故障诊断技术
●基于技术经济学评估模型的最佳配置方案研究
针对以上关键技术，国内一些高校和研究单位，特别是中国电力科学研究院结合示范工程，进行了相关研究，主要工作有：
（1）谐振型限流器最优投切策略研究：通过建模仿真的方式，对各种投切模式进行分析，找出了最为理想的投切模式，即联合投切模式，该模式利用了FCL谐振状态，利用该状态可以抑制旁路断路器的过电压，避免线路电流激增，同时可以最大程度的减小投切对电网暂态的影响。

（2）超高压电网的故障限流器的应用研究：串联谐振型限流器具有响应速度快，能满足超高压电网系统运行方式的需求等优点，技术经济
上也比传统串联电抗器有优势，工程上可行。

另外通过多重化旁路开关技术来有效降低电容器过压击穿的风险。

谐振型参数抑制因子与电抗器、电容器的阻值成正比，该值的确定需综合考虑系统需求，既要考虑可实现性又要考虑对系统保护设备的影响。

（3）谐振型限流器过电压保护电路拓扑优化设计：系统短路故障时，电容器快速旁路是谐振型限流器的关键技术。

通过建立拓扑结构数学模型的方式，从时域角度分析了限流器各保护器件投入过程的阻尼电流变化。

从电流应力出发，串补加阀前小电抗型拓扑能有效降低阻尼电流陡度和电流振荡时间，是比较好的方案。

在优化拓扑结构基础上分析了阻尼参数对电流强度的影响，给出了参数优化范围。

并提出了限流器新型过电压保护方案是采用采用MOV、晶闸管阀、间隙和快速开关作为保护器件的方案，如下图。

（4）对线路距离保护的影响：输电线路安装故障限流器后，其固有的阻抗特性（包括电气距离）被改变，这种改变对安装在其下游的阻抗继电器的测量没有影响，但对于安装其上游的距离保护有很大影响，为此需要进行重新整定。

阻抗圆特性偏移组合法通过对距离保护阻抗特性圆的修正，能很好的解决这个问题。

（5）故障限流器保护配置研究：主要借鉴可控串联电容器装置的保护配置，以保护故障限流器设备和电网的安全运行为目的，具体如下：线路过电流保护（用于快速触发阀和暂时闭合旁路，以限制故障电流）、线路电流斜率保护（为缩短故障检测时间，以缩短电抗投入时间）、主动旁路保护（即阀裕度不足和阻尼回路损坏保护）、阀保护（包括阀自触发保护和阀拒触发保护）、线路电流监视告警、旁路断路器合闸失灵保护、旁路断路器分闸失灵保护、旁路断路器三相不一致保护、刀闸三相不一致告警、MOV 保护、电容器组保护、其他保护配置（GAP 拒触发保护、GAP 延迟触发保护、GAP自触发保护、平台闪络保护、线路联动保护）
4 工程应用
2009年12月25日，世界第一台500kV故障电流限制器在华东电网500kV浙江瓶窑变电站投入运行。

该项目是国家电网公司“十一五”重大科技项目，由华东电网公司和中国电力科学研究院合作，历经3年的研究和建设，完成了项目并掌握了核心技术。

该装置在制造技术和水平、系统集成和工程实施能力上达到国际先进水平，这种串联谐振型FCL在实际工程中的应用在国内尚属首次。

该工程是在华东电网瓶窑—杭北单回线上安装一台8.0 Ω、额定电流为2.0 kA 的FCL，该FCL可大幅降低支路的短路电流，并能把短路点的总电流降低到47kA以下。

由图可见,故障限流器由晶闸管保护的串联补偿设备（TPSC）和与之阻抗值相同的串联电抗器组成。

正常状态下,串联在电网中的限流器阻抗为零,不对系统的潮流分布、无功和电压产生影响。

系统发生故障时,晶闸管导通,电容器被旁路,只有电抗器串联在系统中,故障电流抑制器提供的电抗值由零跃升至X ,故障电流因而得到有效地抑制。

由于TPSC采用自冷却的直接光触发技术的晶闸管(LTT) ,故障消除后,电容器可以很快重新投入,提高了大干扰后系统的稳定性。

5 建议
短路电流水平已成为制约系统发展的因素，除传统方法外，故障电流限制器也是解决这一问题的很好方法。

根据国内外的研究情况来看，故障电流限制器主要是两个方面：超导故障电流限制器和固态故障电流限制器。

但目前超导技术的实用化程度尚不能满足电力工业的实际工程需要，所以其研制还依赖于超导技术的发展和其他相关技术的发展。

目前，固态限流技术的应用还局限于个别工程，如大规模使用还要
解决一系列与其相关的技术问题。

结合国家电网公司《十二五规划之一次设备智能化》，主要工作还是：研究故障电流限制器（FCL）在中、高压电网中的接入点；研究适应于城市电网的FCL主回路方案；研究FCL对电力系统运行特性的影响研究；研究FCL与线路继电保护的配合；研究全景状态数据的采集与处理技术；研究基于全景状态数据的自适应控制保护技术；研究新型FCL等。