高压故障电流限制器应用及研究

宰洪涛，李品德

（1.华北电力大学，北京 102206；2.晋城供电公司，山西 晋城 048000；3.陕西电力科学研究院，陕西 西安 710000）

高压故障电流限制器应用及研究

宰洪涛1，2，李品德3

（1.华北电力大学，北京 102206；2.晋城供电公司，山西 晋城 048000；3.陕西电力科学研究院，陕西 西安 710000）

指出随着电力工业的迅猛发展及用电规模的不断攀升，导致很多电力节点的短路电流超标，如何限制或快速开断过大的短路电流、保护电力主设备及电网安全成为电力工作者关注的重大问题，故障电流限制器正是解决这一问题的关键设备。阐述了高压故障电流限制器的概念、分类、原理，分析了高压故障电流限制器的发展水平、发展趋势、典型及实际应用情况，表明故障电流限制器的使用在预防变压器损坏事故方面有良好的应用前景。

故障电流限制器；爆破切割；超导

0 引言

随着电力系统的不断发展，系统内故障电流水平急剧上升，电力系统中某些节点的短路电流水平已经超过40 kA，有些节点甚至可以达到90 kA以上，面对如此大的短路电流，电网中的主变压器常因承受不住短路电流的冲击而发生损坏，如何限制故障短路电流是当前紧要的问题。故障短路电流限制器的出现正适应了当前电网发展的需要，是落实《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》中“当有并联运行要求的三绕组变压器的低压侧短路电流超出断路器开断电流时，应增设限流电抗器”的具体措施，通过实践也证明了该项举措的有效性和实用性。

1 故障电流限制器

故障电流限制器，也称短路电流限制器（以下简称“限流器”)FCL（FaultCurrent Limiter），是一种串联于电气回路中、可对故障电流包括其第一峰值进行有效限制的阻抗变换装置或具有限流功能的快速开断装置。这类设备的额定参数为电压范围3～500 kV，额定电流630～6 300A，额定频率50Hz或60Hz。

目前，限流器产品根据其技术特点大致可分为基于爆破切割技术的故障电流限制器、基于超导技术的故障电流限制器、基于电力电子技术的故障电流限制器以及其他类型的故障电流限制器。除基于爆破切割技术的故障电流限制器以外，其余各类故障电流限制器尚有各种原因未能大面积在实际中使用，因此，着重介绍各类“基于爆破切割技术的故障电流限制器”的原理及使用情况。

2 基于爆破切割技术的短路电流限制器

限流器中的主要元件是快速切断短路电流的隔离器，由于制造原理不同结构也有所不同，其中，采用军事上爆破切割技术的快速隔离器具有大容量、高速、可靠的特点，逐渐被大家接受，因此，也称该种限流器为基于爆破切割技术的短路电流限制器。

2.1 基本原理

设备主回路由基于爆破切割技术的快速隔离器及特种高压限流熔断器并联构成。电流传感器将主回路电流信号提供给电子控制器，电子控制器对电流信号进行变换、分析并判断此电流是否超过其动作整定值，若超过则电子控制器将立即向快速隔离器发出触发信号，快速隔离器在200μs内断开并形成隔离断口，同时，主回路电流转移到特种高压限流熔断器中，熔断器在5ms附近完成熔体的熔化、断口起弧、限流熄弧，使故障电流在10ms得以开断。如图1所示。

图1 短路电流限制器基本原理图

2.2 开断短路电流过程比较

普通断路器开断短路电流由于继电保护和操作机构的固有特性影响，从短路发生到断路器完成开断需要约5个周波，在电流自然过零时熄弧开断，开断过程不限流。FCL则在短路故障发生后几毫秒内完成限流开断，短路电流在第一大半波即被限制到较低的水平。开断短路电流过程对比如图2所示。

图2 限流器开断过程与普通断路器开断过程的比较图

2.3 限流器开断短路电流时间过程[1]

图3中，t=0，短路故障发生。

t=t1，电子控制器探测到故障并建立触发信号，此时间与预期短路电流的大小、电子控制器动作整定值及短路发生时的相位角均有关系，一般大于600 μs。

t=t2，快速隔离器断口打开电流转移到限流熔断器中，t1－t2约为200 μs。

t=t3，熔断器开始起弧，t2-t3为熔断器的起弧时间约1ms，图3中的Ic即为限流峰值。

t=t4，熔断器内电弧熄灭故障电流被彻底开断，t3－t4为熔断器的灭弧时间，一般小于5ms。

2.4 国外情况简介

美国G&W公司的CLiP限流保护器快速隔离器采用平板式结构。产品额定电压12 kV，额定电流3 000 A，额定短路开断电流120 kA；额定电压35 kV时最大额定电流2 500 A，额定短路开断电流100 kA。

图3 限流器开断过程时序示意图

德国ABB公司的Is-Limiter快速隔离器采用管式结构。产品额定电压12 kV，额定电流4 000 A，额定短路开断电流210 kA；额定电压36 kV时最大额定电流2 500 A，额定短路开断电流140 kA。

法国FERRAZ公司的PyroBreaker：快速隔离器采用活塞撞击式结构。产品额定电压12 kV，额定电流3 000 A，额定短路开断电流100 kA；额定电压24 kV时最大额定电流2 000 A。

2.5 国内情况简介

陕西电力科学研究院的DXK1短路电流限流开断器、陕西蓝河电气的DDX1短路电流限制器具有自主知识产权，额定电压3.6～40.5 kV，额定电流630～6 300 A，额定短路开断电流50～200 kA。额定电压在40.5 kV时，最大额定电流可达到4 000 A。产品特点是快速隔离器为全密封平板式结构；内置式罗氏线圈传感器；电子控制器各相独立设置，采用电流及电流变化率双判据触发控制；可单相安装，也可三相成柜。

安徽合肥的FSR大容量高速开关：额定电压3.6～14 kV，额定电流2 000～4 000 A。产品特点是快速隔离器为非密封管式结构；传感器外置；电子控制器在低压侧，三相共用一个控制器，采用高压脉冲变压器触发；需要在主回路上并联高能氧化锌电阻；大额定电流时需要多桥体并联；只能三相成柜安装。

3 短路电流限制器的发展趋势[2]

短路电流限制器的发展趋势及方向为响应及恢复时间短、限流效果可控、可重复使用、宽额定电流范围、高可靠、低功耗、维护简便、结构紧凑、成本合理。

3.1 响应及恢复时间

FCL的检测装置能快速识别故障电流并作出响应，启动限流元件将故障电流限制到预期的水平内。完成限流后，FCL的限流元件可以快速恢复到正常运行状态，以备下次故障时再使用，对于要求自动重合闸的系统这一特性显得尤为重要。

3.2 限流效果可控

限流效果可以通过两个方面加以描述。其一是FCL限流元件的启动电流，即FCL开始起作用的最小电流；其二是限流系数，即经过FCL后电路中实际出现的峰值电流与预期故障电流的最大峰值电流的比值。显然，这两个指标的量值表示限流效果的好坏，具体量值应该根据FCL的应用方式及安装位置的实际情况合理设计或整定，不应单方面追求过强的限流效果而忽视了实用性及FCL产品成本的控制。

3.3 可重复使用

可以多次使用而不是单次使用，可重复使用的次数是FCL的重要技术指标。

3.4 宽额定电流范围

对于高压领域，额定电流的范围要求630～6 300 A，在发电机出口使用的限流器根据发电机容量对额定电流的要求经常会更高。

3.5 高可靠性

FCL一般装备在电力系统的关键节点上，其可靠性直接关系到电力系统的安全性，拒动、误动、失效是不允许的。另外，若需要经常性地维护或保养则会使运行成本急剧上升，影响FCL的适用性。

3.6 低功耗

FCL装置本身应该具有低功耗特性，即低无功损耗和低有功损耗。较大的能耗或电压降落会明显影响其运行的经济性，增加用户的运行成本甚至失去适用性。

3.7 其他方面

运行维护简便，便于运行维护是FCL产品推广应用的前提；结构紧凑，FCL装置结构应尽可能紧凑化、小型化，以降低对安装位置空间的要求；成本合理，装置及其备品备件的成本过分昂贵将阻碍FCL的大面积推广；环境友好，FCL装置本身应该是环保的，不包含或产生有害物质，不对周边环境造成不利影响。

4 短路电流限制器的典型应用[3]

大型变压器低压侧最大短路电流可达数十甚至上百kA，只由普通断路器无法完成开断任务。

4.1 应用于大型变压器低压侧出口

将限流器串联安装于大型变压器与低压侧断路器之间，同时，在限流器与变压器之间串联隔离开关，以达到对FCL进行维护时不需要停运变压器的目标。变压器出口安装限流电抗器的主要用途就是限制系统的短路电流，在系统发生短路电流超出断路器安全开断电流时由FCL限流或开断，保护变压器不因短路电流冲击而发生损坏，从而解决变压器短路电流耐受能力不足的问题。

4.2 应用于变电站母联位置

FCL应用于变电站母联位置。例如某110 kV变电站装备2台50MVA的大容量变压器1号及2号，每台变压器可向10 kV侧提供的最大短路电流为18 kA，若2台主变压器并列运行则馈线出口短路电流最大可能达到36 kA。出于设备经济性或系统经济性的考虑，馈线断路器的额定短路开断电流通常不超过31.5 kA，所以，正常情况下母联断路器不能闭合、分段母线不能并列；只有在1台主变压器因故退出运行后，母联断路器才能闭合运行。在母联开关的位置串接1台FCL的情况下，则分段母线可并列运行。合理整定FCL的动作电流，当出线发生短路、且预期短路电流值接近31.5 kA时，使FCL动作，10 kV母线分列运行，使馈线断路器只承担开断能力以内的短路电流。

4.3 应用于区域电网之间的联络线上

FCL应用于区域电网之间的联络线上。由于区域电网的连接，造成局部短路电流成倍增大，必须采用限流器加以限制。串联FCL后，当短路电流超出断路器安全开断电流时由FCL限流或开断，从而解决了断路器开断能力不足的问题。

4.4 应用于发电机出口或厂用电分支母线

FCL应用于发电机出口或厂用电分支母线上，作为发电机出口或厂用电分支的灾难性事故保护。

4.5 其他应用方式

应用于对电能质量有特殊要求的场合，比如有的用户要求在短路过程中供电系统电压降落时间小于20ms；应用于小容量发电机组的上网保护；应用于大功率电力电子电路的短路保护。

5 短路电流限制器的实际应用情况

2009年，某厂家生产的220 kV变压器多次由于低压侧短路发生损坏故障，严重影响系统的安全稳定运行。变压器在短路电流作用下损坏的事故时有发生，而且损坏时的短路电流水平一般都在10 kA左右，远没有超过变压器相关标准所规定的额定短时耐受电流水平，主变压器实际抗短路电流冲击的能力远低于理论计算值。为了防止主变压器低压侧短路造成损坏，解决220 kV变压器抗短路能力不足的问题，在问题变压器低压侧加装短路电流限制器是十分必要的。

5.1 实际安装改造情况

某220 kV变电站（电压等级为220 kV、110 kV、35 kV）为解决变压器低压侧出口抗短路能力不足的问题，于2010年初在该站1台变压器低压侧出口串接一组短路电流限制器，同时为检修方便，在变压器与短路电流限制器之间加装1组隔离开关。实际安装情况如图4所示。

图4 加装限流器后35 kV侧的接线示意图

5.2 实际运行情况

2010年10月，由于该变压器所带35 kV线路故障，短路电流限制器动作，B、C相熔断，变压器低压侧后备保护、所带35 kV线路的开关保护均启动，但是未出口，录波图显示该变压器低压侧B、C相发生短路故障，故障电流在10ms被切断，故障电流的峰值为3 780 A，与历史上发生主变压器损坏事故时的故障电流9 000 A、故障动作时间400ms相比，故障持续时间和故障电流大小均有大幅度降低，确实起到了保证变压器不受到大短路电流冲击的作用。

6 结论

现有大型变压器多次损坏的教训说明，由于制造过程中个别工艺质量的不稳定造成大型变压器抗短路能力严重不足已经是不争的事实，采取预防性措施十分必要。随着电网外部运行环境的逐渐恶化，不可能完全避免变压器低压侧短路事故的发生，甚至有愈演愈烈的趋势，因此，采取技术措施强化变压器抗短路能力尤为重要。通过变压器低压侧安装短路电流限制器是解决目前变压器抗短路能力不足问题的理想方案，可以将短路电流有效地限制在可接受范围内。短路电流限制器对保护变压器不受短路电流冲击的作用。因为主变压器及线路保护启动后未能出口，给障碍原因的判定带来较大影响，今后短路电流限制器与保护的配合使用是值得探讨的问题。短路电流限制器B、C相熔断，需要进行更换，费用较大，今后在降低使用成本上需进一步探索。

［1］毛凤麟，李品德，朱跃，等.超高速开断短路电流的新设备——DXK1短路电流限流开断器［J］.陕西电力，2006（06）：24-29.

［2］ 陈金祥，董恩源，邹积岩.固态故障电流限制器（FCL）的应用与发展［J］.继电器，2000（12）：37.

［3］ 李品德，刘军虎，王永红，等.电力系统故障电流限制器的应用和研制现状［J］.高压电器，2000（03）：31-36.

The App lication of High-voltage Fault Current Lim iter

ZAIHong-tao1,2,LIPin-de3
(1.North China Electric Power University,Beijing 102206,China;2.Jincheng Power Supply Company,Jincheng,Shanxi 048000,China；3.Shaanxi Electric Power Research Institute,Xi’an,Shaanxi 710000,China)

With the rapid development of electric power industry and the expansion of power utilization scale,short-circuit current at nodes exceeds standard value.Thus,how to limit or fast cut off the short-circuit current to ensure the security of main equipment and power grid has been an important issue for electric workers.Fault current limiter can solve these problems.This paper focuses on the structure，classification，principles，the development level，development trend and the typical application of fault current limiterwhich shows better prospectof application to prevent the damage of transformer.

fault current limiter；blasting cutting；superconductivity

TM471

B

1671-0320（2012）04-0006-04

2012-03-30，

2012-06-28

宰洪涛（1977-），男，山西晋城人，2010级华北电力大学工业工程专业在职研究生，高级工程师，从事生产技术管理工作；

李品德（1966-），男，湖北建始人，1991年毕业于西安交通大学电器专业，硕士，高级工程师，从事电力系统高压开关管理及相关的技术开发工作。