电力系统短路电流限制器的研究

吴淘+赵雪辰

摘要：故障电流限制器作为解决短路电流的超标问题的较为理想的工具，对其的研制也显得尤为重要。文章主要叙述了关于电力系统短路故障的产生原因及其影响，并基于对短路电流过大的控制，归纳整理了不同类型故障电流限制器的基本原理，总结了不同故障电流限制器的优缺点，分析了国内外目前的故障电流限制器的研究成果。文章对故障电流限制器在交自流系统中的基本原理以及不同点进行了比较，并对故障电流限制器在自流系统中得不到广泛应用的原因进行了分析，同时指出了故障电流限制器在未来的发展方向及进一步要解决的问题。

关键词：故障电流限制器；短路电流；超导；固态开关

随着电力系统规模的扩大，短路电流也随着增大，目前已成为限制电网发展和运行的一个重要问题，但是更换断路器耗费巨大，因此，系统中限制短路电流成为一个迫切需要解决的问题，传统的限制短路电流手段是加装电抗器，然而它在系统正常运行时造成电压降落和能耗，所以在70年代国际上就有人提出短路电流限制器（FCL），此后至80年代初期不断有人对此进行研究：这可视为FCL发展的第一阶段，这一阶段FCL的特点是使用机械开关，其主要技术是针对灭弧问题，但装置成本高、速度慢，难以限制短路电流的峰值，由于以上缺点未能在电力系统中得到实际应用。

从80年代中后期开始，由于新技术的出现及原有技术的发展，又有一系列新型的FCL被提出，可归纳为以下4类：白愈合熔丝、串联电弧设备、高温超导设备、固态电流限制器。

1、短路电流限制器的要求

故障电流限制器的技术要求通常包括以下几点：

（1）正常运行时对系统无不利影响，且有功和无功损耗尽量小。

（2）高速响应、故障时能在1-2秒内动作，限制短路电流峰值及稳态值到安全水平，能够同时解决短路电流开断、设备热稳定和动稳定的问题。有一些类型的故障电流限制器的响应速度达不到限制最大短路电流峰值的要求，只能解决短路电流开断和设备热稳定问题，却不能解决设备动稳定问题。

（3）动作时不造成过电压和过电流，谐波小。

（4）故障切除后，迅速自动复位，不影响电力系统重合闸。

（5）不影响继电保护的工作。

（6）可靠性高，不发生误动，对正常过载电流不敏感。

（7）可重复多次使用。

（8）成本较低，能被电力部门接受。

2、国内外故障电流限制器的研究现状

2.1超导故障电流限制器

发生故障时，短路电流急剧上升超过临界电流，超导体失效，电阻迅速增加，从而限制短路电流。切除后一段时间，超导体又从正常态恢复到超导态，这就是超导故障限流器的工作原理。电阻型超导故障电流限制器由超导线圈和并联电阻或电抗组成。当超导体中电流密度或温度超过临界值，限流电阻或电抗迅速插入回路。超导线圈浸于低温冷却介质中，由引线串入线路，高压开关与限流器串联，用以切断限流电流或低于临界电流的负荷电流。

电阻型超导故障电流限制器结构简单，反应速度块，但系统正常运行时，电流流过超导体，损耗较大；发生故障时，超导体需承受所有短路功率，因此超导材料特性需高度一致，避免形成热点烧毁超导体。

2.2固态故障电流限制器

在早期，固态限流器的开断元件为晶闸管，山于晶闸管只有在电流过零时才能开断，它不能满足必须能限制故障短路电流的第一个峰值的要求，从而限制了其应用。近年来，随着自关断器件的出现，由于其可以准确地控制开断时刻，并能解决故障电流的首次峰值限制问题，给固态限流器的发展带来了新的转机。

2.3谐振式故障电流限制器

谐振时故障电流限制器主要有并联谐振故障电流限制器和串联电流故障电流谐振器。我国在谐振型限流器的研究应用上走在国际前列，09年12月世界上第一个500kV电压等级的谐振型限流器在杭州瓶窑变电站投入运行。并联谐振故障电流限制器，正常工作时开关断开，发生故障时开关迅速闭合，电容器和电感并联谐振，阻抗极大，从而限制电流。串联谐振故障电流限制器，正常工作时开关断开，电容器和电感器串联谐振，等效阻抗为0，发生故障时开关迅速闭合，电容器短路，阻抗变大以限制短路电流。

串联谐振故障电流限制器相比并联谐振故障电流限制器实现了自身的无功平衡，电容器承受的电压较小，因此经济成本较为合理，同时串联谐振故障电流限制器即使自身出现故障，只要保证电容器短路，电抗器正常工作就不会引发大规模故障，安全性更高。串聯谐振故障电流限制器是目前唯一用于超高压电网的限流器，其关键在于旁通电路替代型式的研究。

3、限制短路电流的现行措施

（1）提升电压等级，下级电网分层分区运行。将原电压等级的网络分成若干区，辐射型接入更高一级的电网，原有电压等级电网的短路电流将随之降低。例如，在500kV电网发展的基础上，将500kV电网与220kV电网解环运行，使220kV电网分层分区运行是限制短路电流最直接有效的一种方法。

（2）变电站采用母线分段运行。将母线分列运行可以增大系统阻抗，有效降低短路电流水平。该举措实施比较方便，但将削弱系统的电气联系，降低系统安全裕度和运行灵活性，同时有可能引起母线负荷分配不均衡。

（3）采用高阻抗变压器和发电机。加大发电机阻抗会增大正常情况下发电机自身的相角差，对系统静态稳定不利，采用高阻抗的变压器同样也会有增加相角差的问题。因此在选择是否采用高阻抗变压器和发电机时需要综合考虑系统的短路电流问题和稳定问题。

4、结语

随着经济迅速发展，国力不断提高，对电力的需求也不断增加，电网中某些断路器的容量已经无法满足短路电流水平的要求，如果只靠改变电网结构，在未来将无法解决短路电流问题。故障电流限制器的出现给这一问题带了新的方向。

参考文献：

[1]阮前途.上海电网短路电流控制的现状与对策.电网技术，2005， 29（2）：78-83.

[2]陈借.限制电网短路电流的措施及新型短路限流器的研究华北电力大学，2014.

[3]叶林，林良真.超导故障限流器在电力系统中的应用研究中国电机工程学报，2000

[4]叶琳，戴彦.短路电流限制技术在浙江电网的应用[J].华东电力2005，33（5）：23-26.