故障限流器在电力系统中安装位置综述

金庆忍，陈红坤，杨志平

（武汉大学电气工程学院，武汉市，430072）

0 引言

随着我国电网的不断发展，短路电流也随之不断增大。如何将短路电流水平限制在合理的范围之内，已成为当前电网建设的当务之急。改善电网的网架结构，改变系统运行方式，加装限流设备等是目前通常采用的限流措施[1]。其中，加装故障电流限制器（fault current lim iter，FCL）是一种有效的措施。近年来，人们对FCL的重视程度逐渐提高，对FCL的研究逐步深入，使得其应用得到迅猛发展。因此，探讨FCL在电力系统中的安装位置，研究其在电网中所起的作用显得尤为重要，对我国的电网建设具有重要的现实意义。文献[2]以DXK1短路电流限流开断器为例，从发电系统角度出发，介绍了FCL在发电机出口短路保护和发电厂厂用电分支或厂高变的短路保护方面的应用。文献[3]以DDX1新型高速开关装置为例，重点分析了FCL在母联位置上的应用。文献[4]以浙江大学提出的变压器耦合新型桥式固态限流器为例，对FCL装设于母线联络处、电缆线路始端和发电机组高压出线端三种不同位置进行了分析。文献[5]给出了FCL在电力系统的安装点图并作了简要的说明。本文总结了各种限流装置在电力系统中的不同安装位置，以文献[5]给出的安装点图为基础，将安装位置进行简单分类，并全面分析了不同安装位置上使用FCL的意义。

1 FCL安装位置分类

FCL在电网中的应用非常广泛，其具体的安装位置如图1所示[5]。

根据FCL在电力系统中的实际应用及电网的结构特点，大体可将FCL在电力系统中的安装位置[6]分为3类：

（1）安装于发电系统部分，如图1中位置1、位置2所示；

（2）安装于配电网部分，如图1中位置5、位置6、位置7、位置8、位置10、位置11所示；

（3）安装于电网连接部分，如图1中位置3、位置4、位置9所示。

下面对各个位置发生故障的特点及装设FCL所起到的作用作简要的分析。

2 安装于发电系统部分

2.1 用于发电机出口短路保护

此安装位置[7]对应图1中的位置1。大容量发电机出口发生短路时，短路电流特别大，其短路电流来自于大系统和发电机本身，强大的短路电流会对发电机和主变压器本身产生巨大的危害。将FCL装设在图2位置，与断路器配合（图2中未示出），起到发电机出口短路保护的作用。同时，能够使用更大容量的变压器而不更换断路器，并能减少I2t对变压器的危害[8]。另外发电机出口装设有限流电抗器，则可在限流电抗器上并联限流器以达到节能降耗的目的，见图2中虚框内部分（下同）。

电厂容量的不断增大以及发电机远离负荷中心的网络特征使得高压输电线路上发生短路故障诱发的暂态过程更加严重威胁着大区域电网的稳定性。FCL的恰当运用可以有效地缓解这个问题。FCL限流电抗的投入将使故障时刻发电机的功率输出增加，减少发电机的过剩功率，增加发电机的暂态稳定裕度，其发生失步的可能性也将随之降低，从而提高了系统的暂态稳定能力。

该应用不仅适用于发电厂，也适用于化工冶金企业的自备发电机、大电流试验室用发电机、核聚变试验用发电机、船舶用发电机等。

2.2 用于发电厂分支母线和厂高变的短路保护

此安装位置对应图1所示位置2。电厂中机组出线的厂用分支一般都应装设高压断路器。当发电厂厂用电分支或励磁分支母线发生短路时，发电机和系统电源同时向故障点提供短路电流，短路电流值比发电机出口短路时更大，无合适断路器可选。

如图3所示，若给发电厂的分支母线上串接1组FCL，发生灾难性短路时，由限流器快速切断短路电流，短路电流得到限制，就可以根据限制后的短路容量选取适当的断路器，从而有效地防止厂高变的损坏，保护发电设备的安全。

3 安装于配电网部分

3.1 安装于母线连接处

由CIGRE工作组[9]进行的关于FCL装设于配电网部分情况调查结果如图4所示。

图4 FCL安装位置统计图Fig.4 Statistical graph of FCL locations

由图4可知，FCL安装在母线连接处应用非常普遍。此安装位置对应于图1中的位置5。

不装设FCL时，母联分段开关只能开环运行，各自母线上的负荷单独运行；若将母联分段开关合上，当出线发生短路时短路电流等于两母线上的短路电流和，超过断路器的开断能力，不能安全运行。装设FCL后，母联开关得以闭合，实现并列运行，如图5所示。当发生超过FCL整定水平的短路故障时，FCL迅速开断，使母线开环，从而解决了出线短路电流过大的问题。

并列运行的优点：（1）可以平均分配2台变压器的负荷，充分发挥变电站带负荷的能力，达到优化负荷分配的效果；（2）降低网络阻抗，进而减小电压跌落及电压波动，提高供电质量及可靠性；（3）节能降耗；（4）提高变电站运行方式的灵活性。

类似的情况还有配电环网中装设FCL后可以运行于闭环方式，在各种桥形接线的桥开关处装设FCL以及适当地串接于桥形接线回路中都可以降低故障电流对系统运行状态的制约，提高供电的灵活性和可靠性，如图1中的位置11所示。

3.2 安装于馈电进线处

（1）变压器馈电进线。也就是通常说的应用于变压器低压侧，作为短路后备保护，对应于图1中的位置7。

FCL可运用于大型变压器低压侧，作为短路后备保护，如图6所示。这种用法的优点是：快速限流开断短路电流，保护重要变压器或电力设备免受短路电流的冲击而损坏。

FCL还可用于旁路限流电抗器，对应于图1中的位置6。降压变压器或发电机出口的限流电抗器唯一的用途就是限制系统的短路电流。给限流电抗器上并联1台限流器，正常运行时，负荷电流几乎全部流过FCL；当母线或出线发生两相或三相短路时，FCL快速开断使电抗器投运，起到限制短路电流的作用。此用法具有以下效果：节能降耗；消除无功损耗；减少电压跌落，提高供电质量；消除电抗器磁场及噪声对环境和设备的干扰。

（2）发电机馈电进线。也就是通常说的地区火/水电厂上网保护。对应于图1中的位置10。

如图7所示，一个地区火/水电厂上网后，会使变电站原先的馈线断路器的短路开断能力不足。为此，在上网电厂的出口安装1台FCL，可不更换原先的断路器继续运行，节约工程投资。

3.3 安装于馈电出线处

FCL安装于馈电出线处，对应于图1中位置8，其作用在于维持母线电压。任1出线的短路故障都将导致母线电压大幅度的波动，引起计算机、变频器等重要负载不能正常工作甚至停机，给工业生产造成重大损失。当某出线上发生短路时，FCL快速将该支路开断，母线电压基本不受影响，从而改善了非故障用户或设备的电压质量。

4 安装于输电网连接部分

（1）应用于高压输电网连接处，提高系统安全稳定性，解决电网互联、增容带来的短路电流开断困难问题，优化潮流输送，保障电压稳定。FCL的应用可以抑制越限的故障电流。此安装位置对应于图1中的位置3。

（2）应用于高中压配电网连接处，使电力供应更加安全、稳定，优化潮流输送。此安装位置对应于图1中的位置4。

（3）应用于保护某些重要的电力设备，如超导电缆等。此安装位置对应于图1中的位置9。还有高压直流输电中的整流电路部分。在大功率整流电路中发生短路时，需要有高速保护，否则会造成整流器件和其他设备损坏的严重事故。为此，可在该电路中接入1台FCL，当发生短路故障时可以避免设备的损坏。

5 结语

目前FCL在电力系统中还没有得到广泛应用，不同类型和原理的限流器因造价、技术成熟度等原因，制约了其应用和发展。当前国内有多家单位正着手FCL的研究，10 kV样机的开发已经完成，有多家单位也进行了并网试验。35、110 kV样机正在研制中。FCL在电力系统中的装设位置以及安装数量将取决于其所在电力系统的结构。一般情况下，FCL安装在故障点附近能够最有效地限制短路电流，但是电力系统中短路情况发生的偶然性和地点的不确定性使得这个问题的研究变得相当复杂。目前针对FCL的安装位置还存在一些亟待解决的问题，包括：（1）基于最低成本和最优限流效率的考虑，针对不同的系统以及不同的短路情况选择FCL在电力系统中装设的最佳位置，还需要通过详细的分析、计算和仿真。（2）实际应用中还应考虑FCL同断路器、自动重合闸及继电保护的配合问题[10]，以确定其安装位置，来满足系统及各设备的具体要求。（3）根据系统稳定性和设备动热稳定性，来确定FCL的最佳配置点也是当前需深入研究的问题。

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