快速开关型故障限流器的设计及其在电网中的应用

杨 浩，吕 玮，刘 彬，汪大全，潘仁秋

（南京南瑞继保工程技术有限公司，江苏 南京 211102）

0 引言

在各种电力系统事故中，短路是危及电力系统安全稳定运行、导致大面积停电最为常见的严重故障之一。近年来，随着我国电力建设的不断发展、用电负荷的不断增加、低阻抗大容量变压器的应用、发电厂单机容量的不断增大以及各大区电网的互联等，使得电力系统中的短路电流水平不断提高，许多地区的短路电流水平已经直逼甚至超过电力规程所规定的最大允许水平，给电力系统的安全稳定运行以及电力系统中的各种电气设备（如断路器、变压器、变电站母线、线路构架、导线和支承绝缘子以及接地网等）提出了更为苛刻的要求。短路电流限制［1］已成为关系到我国各大区电网安全稳定运行的关键技术难题之一。相比于改变系统运行方式、调整电网结构、采用高阻抗设备等常用短路电流限制措施，采用故障限流器（Fault Current Limiter，以下简称“FCL”）对电网的影响更小，且建设工期短，更易于实施，因此一直以来受到了很多关注。

FCL是一种串接在线路中的电气设备，与普通限流电抗器相比，具备以下几种功能特点：1）启动运行、正常运行或运行状态相互转化时对电力系统无不利影响；2）保护范围内的系统发生短路故障时能立即自动串入限流阻抗并有效限制短路电流至要求的合理水平；3）切除故障回路时不会引起系统暂态振荡和过电压；4）限流阻抗的设计不受其他因素制约，有极大的自由度；5）限流水平、限流时间能根据需要在一定范围内可调，与继电保护及其他自动控制装置可以协调配合；6）具备软重合闸功能，利于改善重合闸操作，避免断路器等电气设备重合于永久性故障回路时的二次冲击。

FCL根据其构成原理可以分为超导型、固态型、串联谐振型、热敏电阻型和电弧电流转移型等多种类型。高温超导型FCL［2-10］由于其应用条件的苛刻和昂贵的价格，尚不具备应用推广的条件；固态型FCL［11-12］由于电力电子器件的高损耗和低抗浪涌能力，不适合于应用在高压大功率的电力系统中；串联谐振型FCL［13］结构繁琐，控制复杂，实用价值也不高；热敏电阻型FCL重复使用性差，电弧电流转移型FCL［14］受电弧电压影响较大，这两种也都不适合高电压场合。

相较于以上类型的FCL，快速开关型FCL 属于利用传统技术实现短路电流限制的限流器，被归为“经济型”FCL一类。目前，大量的研究集中于新型超导限流器或者电力电子型限流器方向，而在实际应用中，反而是以快速开关为代表的“经济型”FCL在电网中发挥着更大的作用［15］。

1 快速开关型故障限流器的原理和组成

快速开关型FCL主要由快速开关与限流电抗器并联组成［16］，其结构示意图如图1所示。正常运行时开关处于合闸状态，线路电流从开关流过，限流电抗器处于旁路状态，对电力系统没有任何影响；发生短路故障时，线路电流异常增大，FCL控制保护系统快速检测到故障，给开关发出分闸指令，在5 ms～10 ms时间内将快速机械开关分断，电流从开关支路转移到电抗器支路，从而将限流电抗器投入到线路中来限制短路电流（如图1所示）；当控制保护系统检测线路电流恢复正常后，自动将快速开关合上，电流转移回开关支路，恢复正常运行。

图1 快速开关型FCL的基本结构及短路时的电流流向示意Fig.1 Basic architecture of HSS FCL and diagram of current direction when short-circuit happens

快速开关是FCL中实现短路电流高速转移的关键设备，如表1 所示，快速开关弥补了常规断路器的不足，适合于短路电流有可能损坏发电机变压器等主设备时的灾难性短路事故的保护。

表1 快速开关与常规断路器的主要参数比较Table 1 Comparison of main parameters between HSS and normal breakers

如图2所示，快速开关整体采用支柱式安装结构，主要由开关本体（多断口并联）、柱上控制柜及供能变压器等组成，FCL开关本体位于最上方，为了提高耐压和雷电冲击耐受能力，本体采用多断口并列放置、电气上串联的方式，顶部作为开关的进出线，底部通过框架短接，并给柱上控制柜内的储能及触发单元提供固定电位。供能变压器安装于开关本体底部，起到对地绝缘作用。单个断口安装于密闭的套筒内，主要由真空灭弧室、双稳保持机构、缓冲器［17］及电磁斥力操作机构等部分组成，其结构如图3所示。

图2 快速开关外观图Fig.2 Outside view of HSS

图3 快速开关单断口结构示意图Fig.3 Structure diagram of single fracture in HSS

2 基于电磁斥力操作机构的快速开关设计

1）储能触发单元及高压供能装置的设计

快速开关型FCL的储能及触发单元的主要作用是接收外部分合闸指令，为电磁斥力操作机构提供分合闸所需的脉冲电流。

如图4 所示，储能及触发单元包括充电回路和触发回路［18］，为保证重合闸功能，配置两套分闸回路。

图4 储能及触发放电回路Fig.4 Energy-storage and discharge-trigger circuit

充电回路主要将交流电压源整流后为储能电容充电，主要包括充电电阻R 和整流二极管D1、D2、D3、D4。

触发回路主要包括触发开关TR1、TR2、TR3，续流二极管D5、D6，以及控制板卡等。由于充电回路采用二极管半波整流，对储能电容放电侧有过零息弧点，且有10 ms 的反向截止电压，因此触发开关考虑采用晶闸管。续流二极管并联在斥力线圈两端，用以防止储能电容反向充电，同时可以增加脉冲电流在斥力线圈里的作用时间。控制板卡负责接收外部的光控信号，根据编码信号触发相应的晶闸管导通，并且对储能电容电压进行采样，通过反馈光纤上传采样信号。

储能及触发单元的电源来自高压供能装置。快速开关型FCL采用多级隔离变压器串联的方案解决电位隔离问题，如图5 所示，通过多级供能子单元的串联，使得高压供能装置能够承受高压，并且满足动、静态的均压要求。隔离供能变压器采用无局放设计，满足系统对地绝缘水平要求。

图5 高压供能装置设计原理图Fig.5 Design schematic diagram of high-voltage energy-supply device

储能及触发单元一次储能可实现一次完整的分-合-分操作。充电回路的电源来自供能单元，交流输出10 kV，幅值可调。充电采用半波整流电路，后续晶闸管开通放电后，由于电容电压在几毫秒内迅速下降到零，源变压器仍会通过晶闸管给分合闸线圈放电，从而晶闸管电流不能到零关断。只有当源变压器电压反向后，不能给电容充电，晶闸管电流自动到零从而关断，即完成一次晶闸管触发。

储能电容的容量和充电电压的参数选型是触发回路设计的关键，而这些参数可以通过运动质量、分闸时间和行程等基本技术指标来反推。

假设斥力盘在斥力作用下以匀加速运动［19］，设斥力机构将储能电容的能量转化为运动部件动能的效率为η（斥力机构要求电流上升率较高，而且运动质量也较大，这种情况下效率η较低，一般取10%～20%），根据能量守恒定律，斥力机构动能

式（1）中，C为储能电容容量，U0为充电电压，m为运动部件质量，s为行程，top为分闸时间。对于储能电容来说，电容量越小，充电电压越大，则放电电流上升越快，斥力上升越快。但充电电压也不可选取过大，否则会导致电容体积和成本的增加。因此应根据式（1）所表述的电容量和充电电压的关系，进行合理选型。

2）电磁斥力操作机构的设计

电磁斥力操作机构［20-30］是快速开关中实现快速分合闸的主体部件，其工作原理是通过预充电的储能电容向分闸或合闸线圈放电，产生的脉冲电流在线圈周围产生交变磁场，同时在铝盘（斥力盘）上产生涡流，涡流产生的磁场与线圈产生的磁场之间产生较强的作用力，带动连杆运动，实现开关的快速分断或关合。

目前常见的斥力盘和线圈均为扁圆盘形式，内、外径基本相等，其结构形式如图6 所示。斥力机构设计的关键在于线圈半径、线圈匝数和斥力盘厚度等重要结构参数的设计。

图6 斥力盘与线圈结构示意图Fig.6 Structure diagram of ERM disk and coil

斥力盘厚度h2的选取主要取决于斥力盘中涡流的趋肤深度δ。如式（2）所示，趋肤深度δ与斥力盘磁导率μ、斥力盘电导率ε以及放电回路的谐振频率f相关。

选取好线圈半径参数之后，可以计算出线圈匝数。线圈绕制时填充率τ 一般选在0.5～0.7 之间，如τ 取0.55，则线圈匝数

以220 kV快速开关为例，要求其达到的主要技术指标如表2所示，根据以上参数设计方法，可以反推出电磁斥力机构（以及其储能触发单元）可采用的设计参数如表2所示。

表2 220 kV快速开关电磁斥力机构设计参数Table 2 Design parameters of 220 kV HSS ERM

在平面导体中，涡流密度大小一般是随着距离导体表面距离的增加呈指数衰减，当透入深度达到δ时，涡流密度衰减到表面涡流密度的37%（即1/e），因此斥力盘高度至少应达到2δ高度。

线圈内半径由绝缘拉杆的外径决定，绝缘拉杆需要承受一定的拉伸力，为保证拉杆的强度，可选择拉杆的外径为30 mm，即线圈的内半径R1为30 mm。

线圈外半径的选取与线圈尺寸盘之间的耦合系统k相关。耦合系数越大，则励磁线圈产生的磁力线与斥力盘相交链得越多，斥力盘感应涡流越大，斥力越大，因此k值应尽可能大。而耦合系数k与线圈的外径和高度比成正比，当线圈的外半径R2与高度h1之比在9～12 之间时，k值较大，如果再增加R2和h1之比，k值增加不明显，反而这时增大该比值带来的缺点的影响相对较大。因此可选择外半径R2是高度h1的9 倍。如取线圈高度h1为10 mm，则线圈外半径R2为90 mm。

3 仿真与样机实测

通过Ansoft 有限元3D 瞬态场可以建立斥力机构实际模型，模型中采取表2中的参数。

电磁斥力机构有限元3D仿真结果如图7所示。

图7 3D仿真结果：斥力、保持力、位移和速度Fig7 3D simulation result:repulsion,retention,displacement and speed

从仿真波形可以看出：斥力峰值122.6 kN，达到峰值的时间为1.1 ms，与理论概算时设计值1 ms接近；而分合闸保持力的峰值为2 kN，分、合闸保持力远小于斥力，在斥力盘加速运动过程的作用基本可以忽略；斥力机构在3 ms 内的行程为29.6 mm，比理论设计的行程30 mm低了1.3%。

根据以上分析和仿真所获得的如表2 所示的参数，试制了基于电磁斥力操作机构的200 kV快速开关样机，样机采用4断口串联形式，其中每两个断口共用一组储能及触发回路。这两个断口的斥力线圈相互串联，保证了分合闸的一致性，节省的触发回路数量，同时也容易使触发回路获取高电位。

图8 是将样机的储能电容充电到720 V 时进行分闸实验时的分闸位移波形，从测试波形可以看出，样机在720 V储能电压下，暂态绝缘开距13 mm时，分闸时间约3 ms，满足设计需求。

图8 分闸位移波形Fig.8 Test waveform of opening displacement

到2018 年吉泉直流工程投运，以及大量配套火、风电机组的接入，五彩湾地区220 kV短路电流水平进一步急剧上升，使运行方式安排更加困难，难以支撑新的大用户自备电厂接入，电网的安全稳定性、大用户自备电厂经济性，以及后续五彩湾地区的经济发展都受到严重制约。

为解决五彩湾地区电网短路电流超标问题，昌吉国泰新华电厂在其220 kV 主变出线侧安装了1 台220 kV 全电压大容量快速开关型故障限流器（如图9所示）。该故障限流器的额定电流为1 600 A，额定短路开断能力为40 kA，其在本文所述的电磁斥力机构的设计参数和方法的基础上，从绝缘耐压、高速缓冲、分闸速率等方面进行了工艺上的改进。

图9 国泰新华快速开关型FCL外观Fig.9 Outside view of HSS FCL used in Guotai Xinhua power plant

4 工程应用实例

昌吉国泰新华电厂位于新疆昌吉准东地区自备电厂集中区域，电厂装机容量2×350 MW，通过220 kV霞国泰双线、彩霞双线接入750 kV五彩湾变电站［31］。五彩湾地区由于大量火电机组的接入以及网架的不断加强，短路电流持续超标，以往需通过运行方式调整等手段降低220 kV厂站短路电流水平，限制了运行方式的灵活性，降低了电网的安全稳定水平。由于运行方式的限制，还影响到了大用户自备电厂的正常运行，降低了经济效益。

图10 至图13 所示为昌吉五彩湾地区电网某750 kV线路进行某次单相人工接地短路试验时故障限流器的动作波形，故障限流装置动作时国泰新华电厂仅2 号机运行，主变高压侧电流有效值在650 A 左右，故障限流装置动作定值为2 800 A（瞬时值）。

图10 FCL自动分闸期间的线路电流波形Fig.10 Line current waveform during automatic opening of FCL

如图10 所示，当线路B 相发生接地短路故障时，线路B相电流幅值达到2 840 A（图10中接近400 ms时刻），超过动作定值，快速开关自动分闸；根据图11 快速开关三相电流波形可知，从检测到故障到三相开关完全过零开断时间分别为7 ms、6 ms、3 ms，即经过短路电流大半波之后限流电抗器即投入系统；根据图10所示，当限流电抗器投入系统之后，线路B相（故障相）电流幅值从2 840 A（图10 中接近400 ms 时刻）降至2 370 A（图10中接近440 ms时刻）。再过19 ms后（即图10 中接近460 ms 时刻），故障点继电保护动作切除故障，线路电流降低。

图11 FCL自动分闸时刻的快速开关电流波形Fig.11 HSS current waveform during automatic opening of FCL

如图12所示，当故障限流快速开关符合重合条件时自动合闸，恢复到初始状态。如图13所示，从合闸信号出口（图13中接近400 ms时刻）到快速开关支路出现电流（图13中接近410 ms时刻）的时间为8.5 ms。

图12 FCL自动合闸期间的线路电流波形Fig.12 Line current waveform during automatic closing of FCL

图13 FCL自动合闸时刻的快速开关电流波形Fig.13 HSS current waveform during automatic closing of FCL

从试验结果可知，在近区电网短路故障期间，安装于昌吉国泰新华电厂的故障限流装置正确动作，并在短路电流的1个周波之内进入限流状态，在一定程度上限制了昌吉国泰新华电厂支路馈入故障点的短路电流，故障限流装置动作性能可靠，对系统的正常运行无不利影响。

5 结语

本文在介绍快速开关型故障限流器的功能、原理和组成的基础上，重点阐述了电磁斥力操作机构及其供电和触发单元的参数设计方法，并通过仿真及样机实测结果说明了设计方法的正确性，而快速开关型故障限流器在新疆五彩湾地区电网中的应用，证明了其对于限制电网故障电流、提高电网运行安全稳定水平的有效作用，具有推广应用价值。