【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 限流器；瑞士 ABB 公司也分別在 1996 年和 2020 年研制了 MVA 和 MVA 的電阻型超導(dǎo)限流器； 1998 年 ACECTransport 和 GECAlsthom 開發(fā)了交直流兩用的混合式故障限流器，且已形成商業(yè)化 [11， 18， 19]。 最近兩年來，一方面主要 完善前面的幾種固態(tài)限流器，使之滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行更加實(shí)用化、商業(yè)化。另一方面，更多工作均放在具有多種功能的限流器研究上，大部分研究傾向于將串聯(lián)無功補(bǔ)償和限流功能集于一身 [8， 17]。 短路限流技術(shù)的要求 此限流技術(shù)只是在在電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)才起作用，在正常情況下應(yīng)該對(duì)電力系統(tǒng)沒有影響或者影響很小，因此短路限流技術(shù)應(yīng)滿足以下幾個(gè)要求 [13， 14， 16]： 線路正常運(yùn)行時(shí)，限流裝置呈低阻抗或零阻抗?fàn)顟B(tài)，系統(tǒng)的有功功率和無功功率損耗小，而且不會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)不可接受的諧波； 故障發(fā)生時(shí)，限流器應(yīng)迅速從低 阻抗?fàn)顟B(tài)切換到高阻抗?fàn)顟B(tài)，在故障電流到達(dá)第一個(gè)峰值前有效限制短路電流； 故障切除后，限流裝置能較快地從限流時(shí)的高阻抗?fàn)顟B(tài)回到低阻抗?fàn)顟B(tài)，不影響電力系統(tǒng)重合閘； 限流過程中無過電壓產(chǎn)生，不會(huì)引起系統(tǒng)暫態(tài)振蕩； 控制簡(jiǎn)單，無須高速短路故障檢測(cè)技術(shù)； 限制短路電流后無須更換，短期內(nèi)可承受多次短路故障沖擊，而且限流性能不會(huì)變差； 對(duì)正常過載電流，如電容器放電、變壓器涌流、電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流等不敏感； 不影響電力系統(tǒng)保護(hù)的選擇性； 6 如果故障限流器本身損壞，電力系統(tǒng)仍能安全運(yùn)行； 合理的成 本價(jià)格，可以承受的體積和重量，可靠性高，需要的維修量少。 本文主要工作 本論文結(jié)合國內(nèi)外己見諸文獻(xiàn)的各種限流技術(shù)的相關(guān)研究及固態(tài)限流器在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的條件與特點(diǎn)，分析了固態(tài)限流器在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的一些相關(guān)問題。論文主要針對(duì)新型固態(tài)限流器在電力系統(tǒng)中的限流能力進(jìn)行了分析與討論，具體包括以下及方面： （ 1）介紹并分析了各種短路限流技術(shù)的原理及特性，包括傳統(tǒng)的短路限流技術(shù)和新型固態(tài)限流器； （ 2）針對(duì)新型固態(tài)限流器的優(yōu)良性能，在 10kV 電力系統(tǒng)中設(shè)計(jì)出最佳的限流方案； （ 3）通過 Matlab 仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì) 方案在不同短路故障時(shí)進(jìn)行仿真，分析仿真結(jié)果； （ 4）理論分析限流器在電力系統(tǒng)中的安裝位置。 第 2 章 各種短路限流器的原理及特性 7 第 2 章 各種短路限流器的原理及特性 短路故障限流器 傳統(tǒng)的短路限流措施是目前國內(nèi)外所采用的較多的限制短路電流方式，各種措施從原理到引用方式都有所不同，采用每一種手段限制電流的效果也有差別，雖然都可以不同程度實(shí)現(xiàn)對(duì)短路電流的約束和限制。但是與此同時(shí)，其也存在著這樣或者那樣的缺陷和不足，并以另一種方式對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生不利的影響。而隨著我國電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，短路電流的水平不斷上升，以上措施己經(jīng)不能滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)發(fā)展 的需求，因此有必要尋找新的方法解決電力系統(tǒng)中短路電流不斷上升的問題。 基于減小短路故障電流和降低對(duì)系統(tǒng)正常運(yùn)行不利影響的考慮，故障限流器 (Fault Current Limiter， FCL)的概念和裝置應(yīng)運(yùn)而生。近年來，隨著電力電子技術(shù)以及大容量電力電子器件如 SCR(晶閘管 )、 GTO(門極可關(guān)斷晶閘管 )、 GTR(大功率晶體管 )、 IGBT(絕緣門極雙極晶體管 )等的迅速發(fā)展和在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用，以及高溫超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，使得故障限流技術(shù)得到更好的發(fā)展，能在故障情況下迅速將短路電流限制在遠(yuǎn)低于可能的最大短路電流值范 圍內(nèi) (限定值可整定 )，以限制系統(tǒng)的短路電流?？偟膩碚f，材料型短路限流器的突出優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、可靠，但目前材料型 FCL 受限制于超導(dǎo)等新材料的發(fā)展，超導(dǎo)技術(shù)在電工：領(lǐng)域的應(yīng)用還受很多條件的限制，特別在大功率場(chǎng)合的應(yīng)用技術(shù)尚不成熟，在工業(yè)化實(shí)用方面尚有一定的距離，其實(shí)用化、商品化還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足作為新產(chǎn)品開發(fā)的要求；而電力電子型短路限流器的突出優(yōu)點(diǎn)是可控性強(qiáng)，并且現(xiàn)在 GTO 等產(chǎn)品價(jià)格日益下降，從工程技術(shù)上而言，這種方案己具備了可行性；而其他一些方案諸如采用非線性阻抗等，應(yīng)用于大功率場(chǎng)所還尚未成熟。 目前故障電流限流器己 經(jīng)有多種類型，主要有超導(dǎo)限流器、磁元件限流器、 PTC 電阻限流器、以及固態(tài)限流器等。 FCL 主要有以下四部分組成，如圖 21所示：快速故障電流探測(cè)元件、快速切換開關(guān)、限流電抗器以及過電壓保護(hù)元件。 8 過電壓開關(guān)快速切換開關(guān)限流電抗器故障電流探測(cè)元件 圖 21 短路限流器原理圖 超導(dǎo)限流技術(shù)是一種全新的技術(shù)，其原理圖如圖 22，它利用超導(dǎo)體的超導(dǎo) /正常 (S/N)態(tài)的轉(zhuǎn)變，由無阻態(tài)變到高阻態(tài)，以達(dá)到限制短路電流的目的。超導(dǎo)故障 限流器 (Superconducting Fault Current Limiter，簡(jiǎn)稱 SFCL)的研究在世界范圍內(nèi)己引起廣泛的關(guān)注。超導(dǎo)發(fā)生 S/N 轉(zhuǎn)變的電流稱為臨界電流，超導(dǎo)故障限流器 (SFCL)接入電網(wǎng)中，當(dāng)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，傳輸電流在超導(dǎo)線臨界電流以下，超導(dǎo)體的電阻幾乎為 0，對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行無影響；一旦電網(wǎng)發(fā)生短路，短路電流大于臨界電流時(shí)，超導(dǎo)體“失超”，由零阻抗表現(xiàn)為非線性高電阻，從而限制了短路電流。超導(dǎo)故障限流器正是利用超導(dǎo)的 S/N態(tài)轉(zhuǎn)變來限流，并能在較高電壓下運(yùn)行，同時(shí)集檢測(cè)、轉(zhuǎn)換和限流于一身， 能在毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)有效地限制故障電流。 此外， SFCL 還具有以下卓越特性： 保證電流不超過臨界值，顯著降低線路的機(jī)械和電動(dòng)應(yīng)力，可延長 電力設(shè)備的使用壽命； 能減少故障電流的持續(xù)時(shí)間，從而增加了電力系統(tǒng)的功率輸送能力， 改善其動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性； 正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)熱和損耗都很小。 第 2 章 各種短路限流器的原理及特性 9 原邊線圈超導(dǎo)線圈 H T S 圖 22 超導(dǎo)限流器原理圖 SFCL 基于“失超”現(xiàn)象，立刻把大的短路電流限制在線路正常運(yùn)行電流的 23 倍水平以下，從而不必在電網(wǎng)擴(kuò)容時(shí)替換現(xiàn)有開關(guān)設(shè)備，節(jié)省電力部門的投資 。但其不能斷開故障線路，因而必須與傳統(tǒng)的斷路器結(jié)合使用，利用傳統(tǒng)斷路器來斷開故障線路。此時(shí)斷路器切斷的僅僅是己被限制的短路電流，但要求切斷速度非?？欤愿綦x和抑制超導(dǎo)線圈的焦耳熱。 現(xiàn)階段，要將 SFCL 實(shí)際應(yīng)用到電力系統(tǒng)，仍然有若干關(guān)鍵問題需要解決。除了提高超導(dǎo)線材的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性能，以及冷卻系統(tǒng)的效率等一般超導(dǎo)電力裝置所共同面臨的問題之外，還必須考慮以下 3 個(gè)方面的問題： （ a）限流水平的設(shè)定以及和電力系統(tǒng)現(xiàn)有斷路器、繼電保護(hù)手段相互配合的問題； （ b）如何移走超導(dǎo)故障限流器在限制短路電流過程中產(chǎn)生的大量的焦 耳熱量的問題，限流過程在超導(dǎo)體 (線圈 )中產(chǎn)生的熱量對(duì)裝置本身特性以及安全性影響的問題； （ c） SFCL 限流動(dòng)作后的狀態(tài)恢復(fù)問題，故障消除后超導(dǎo)體從高阻態(tài)恢復(fù)到超導(dǎo)態(tài)的時(shí)間過長對(duì)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的重合閘很不利。 若高溫超導(dǎo)材料的研究、生產(chǎn)工藝和性能取得新突破，低 壓 交流損耗的大電流超導(dǎo)電纜、高電壓高溫超導(dǎo)交流電纜及高溫超導(dǎo)線“失超”傳播和保護(hù)等問題能得以解決，那么超導(dǎo)故障限流器在電力系統(tǒng)中將具有廣闊的應(yīng)用前景。 10 采用磁元件構(gòu)成的限流器又稱磁飽和型短路限流器，如圖 23所示，它由鐵芯、一次和二 次線圈、直流偏置電源等組成。選取適當(dāng)?shù)陌苍褦?shù)使兩個(gè)電抗器鐵芯在正常工作情況下均處于磁飽和，因而交流繞組的電抗很小，當(dāng)故障電流通過交流繞組時(shí)，兩個(gè)電抗器的鐵芯分別在正、負(fù)半波磁通變得不飽和，而呈現(xiàn)很大的電抗，起到了限制短路電流的作用。 DCAB 圖 23 磁飽和型短路限流器 有時(shí)直流電源回路用永磁體替代，但是這些只能在小容量下可以達(dá)到，大容量等級(jí)下，很難有合適的永磁體可以利用。而且飽和電抗式限流器為保證短路時(shí)的限流電抗值，對(duì)交流線圈匝數(shù)有一定要求，從而使其在非故 障情況下運(yùn)行時(shí)仍具有相當(dāng)數(shù)值的飽和電抗值，這將會(huì)影響電網(wǎng)運(yùn)行的電能質(zhì)量，還可能會(huì)引起暫態(tài)振蕩等問題。另一方面，由于直流偏磁繞組的匝數(shù)往往遠(yuǎn)多于交流繞組，短路時(shí)交流磁通將會(huì)在直流繞組中感應(yīng)出極高的過電壓。 PTC 電阻限流器 PTC(Positive Temperature Coefficient)電阻是一種正溫度系數(shù)的非線性電阻，在室溫時(shí)電阻非常低，當(dāng)溫度升高到一值時(shí) ,電阻迅速增加 ,利用PTC 電阻的這種特性研制的故障限流器在低壓領(lǐng)域已有商業(yè)應(yīng)用。 PTC 電阻限流器是由能導(dǎo)電的活性物質(zhì)和金屬或非金屬填 充物構(gòu)成的合成物，在電路正常運(yùn)行時(shí)電阻小壓降低，產(chǎn)生的焦耳熱損耗不用專門的散熱設(shè)備處理，通第 2 章 各種短路限流器的原理及特性 11 過和空氣發(fā)生傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射等途徑就能達(dá)到熱平衡；當(dāng)發(fā)生過流或短路時(shí)電流增加超過臨界電流值，引起 PTC 電阻發(fā)熱膨脹，熱量來不及散發(fā)使電阻溫度迅速增加， PTC 電阻阻值在短 /時(shí)間內(nèi)增加為高電阻值，從而起到限制故障電流的作用，己有相關(guān)應(yīng)用于美國海軍新型戰(zhàn)略艦上。 由于 PTC 電阻在溫度升高時(shí)電阻值瞬時(shí)增加到室溫電阻的近一兆倍，在限制感性電網(wǎng)電流時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的過電壓，因此在 PTC 電阻兩端必須并聯(lián)限過壓設(shè)備。 PTC 電阻在限流過程中 會(huì)膨脹，必須采用特殊的連接設(shè)備和充分考慮連接設(shè)備的熱的和機(jī)械的強(qiáng)度。 PTC 電阻固有的電壓和電流額定值不高，只有幾百伏 /幾安，必須串并聯(lián)使用，這限制了其在高壓系統(tǒng)中的應(yīng)用。PTC 電阻在每次限制短路電流故障被切斷后，需要好幾分鐘的恢復(fù)時(shí)間，并且這種限流器在使用多次后也會(huì)導(dǎo)致性能變壞，必須更換。 固態(tài)限流技術(shù)是建立在柔性交流輸電技術(shù)基礎(chǔ)上的一種短路限流技術(shù)。它采用具有單獨(dú)或綜合功能的電力電子裝置，對(duì)輸電系統(tǒng)的主要參數(shù) (如電壓、相位、電抗等 )進(jìn)行調(diào)整控制，使輸電更加可靠，具有更大的安全性和有效 性。這種將電力電子技術(shù)、微機(jī)處理技術(shù)、控制技術(shù)等高新技術(shù)應(yīng)用于高壓輸電系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)可靠性、可控性、運(yùn)行性能和電能質(zhì)量，并可獲取大量節(jié)電效益的新型綜合技術(shù)，在世界上引起了極大反響，從一開始就得到了業(yè)界及有關(guān)科技工作者的高度重視 電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用為改善電能質(zhì)量，提高輸電線路的輸電能力提供了性價(jià)比很高的解決方法，電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用說明目前電力電子技術(shù)比超導(dǎo)技術(shù)相對(duì)成熟。這些應(yīng)用對(duì)電力電子器件提出了更高的要求，促使電力電子器件向高壓大電流、性能好價(jià)格低、體積小重量輕、功率損耗低、應(yīng)用溫 度高的方向發(fā)展，為降低固態(tài)故障限流器的投資成本，降低功率損耗，提高固態(tài)故障限流器的競(jìng)爭(zhēng)力提供了良好的基礎(chǔ)。 固態(tài)限流器還有其他很多種類： GTO 開關(guān)型限流器、諧振式限流器、可變阻抗式限流器、具有串聯(lián)補(bǔ)償作用的限流器、無損耗電阻器式限流器、混合限流器、橋式固態(tài)短路限流器等。下面簡(jiǎn)要介紹一下這幾種限流器。 12 （ 1） GTO 開關(guān)型限流器 EPRI 提出的固態(tài)限流器如圖 24 所示，該限流器主要由一組反并聯(lián)的GTO 與限流電感 L 并聯(lián)組成，正常運(yùn)行時(shí) GTO 常通，將限流電感短接 。一旦發(fā)生短路，在短路電流達(dá)到第一個(gè)峰值前迅速將 GTO 斷開，使電感 L 插入短路回路以限制短路電流。這種限流器不僅要求使用昂貴的 GTO，而且要求保護(hù)電路具有極快的響應(yīng)速度 ； 同時(shí)由于 GTO 快速截?cái)鄶?shù)值遠(yuǎn)大于額定值的短路電流而使之轉(zhuǎn)移至限流電感 L 中，將引起極大的 di/dt 及 dv/dt，因此必須另外采取有效措施以抑制由它所產(chǎn)生的高壓及附加振蕩，以免危及系統(tǒng)絕緣與安全。 吸收電路 吸收電路 吸收電路G T OZ n O 避雷器限流阻抗 圖 24 美國 EPRI 提出的 GTO 限流器 （ 2）諧振式限流器 諧振式限流器主要是分別利用串聯(lián)諧振電路的阻抗為零、并聯(lián)諧振電路的導(dǎo)納為零的特點(diǎn)設(shè)計(jì)成 串聯(lián)諧振限流器和并聯(lián)諧振限流器。圖 25 為串聯(lián)諧振限流器，正常運(yùn)行時(shí)， L2 與 C 發(fā)生串聯(lián)諧振，阻抗為 O。故障時(shí)， SCR閉合， L2 串入電路限流。其中 L1僅是保護(hù)固態(tài)開關(guān)不受大電流沖擊。這種限流器的主要矛盾是在大負(fù)載電流系統(tǒng)中，由于限流電感值較小，則所需的補(bǔ)償電容數(shù)量極大，根本無法投入實(shí)際應(yīng)用。 第 2 章 各種短路限流器的原理及特性 13 L 1L 2CS C R 圖 25 串聯(lián)諧振式限流器 CS C RLGT OLC （ a） SCR 型并聯(lián)諧振 式限流器 （ b） GTO 型并聯(lián)諧振式限流器 圖 26 并聯(lián)諧振式限流器 圖 (a)中，電容 C 與線路串聯(lián)，提供串聯(lián)補(bǔ)償，當(dāng)短路發(fā)生時(shí)，晶閘管SCR 觸發(fā)導(dǎo)通，使電感 L與電容 C并聯(lián)諧振電路工作，限制故障電流。圖 (b)中，正常運(yùn)行情況下，電流流過 GTO 開關(guān)，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)， GTO 開關(guān)被切斷，電流轉(zhuǎn)移到并聯(lián)諧