【文章內(nèi)容簡介】 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)場運行更加實用化、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)無功補償和限流功能集于一身 [8， 17]。 短路限流技術的要求 此限流技術只是在在電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時才起作用，在正常情況下應該對電力系統(tǒng)沒有影響或者影響很小，因此短路限流技術應滿足以下幾個要求 [13， 14， 16]： 線路正常運行時，限流裝置呈低阻抗或零阻抗狀態(tài)，系統(tǒng)的有功功率和無功功率損耗小，而且不會產(chǎn)生系統(tǒng)不可接受的諧波； 故障發(fā)生時，限流器應迅速從低 阻抗狀態(tài)切換到高阻抗狀態(tài)，在故障電流到達第一個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的高阻抗狀態(tài)回到低阻抗狀態(tài)，不影響電力系統(tǒng)重合閘； 限流過程中無過電壓產(chǎn)生，不會引起系統(tǒng)暫態(tài)振蕩； 控制簡單，無須高速短路故障檢測技術； 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，而且限流性能不會變差； 對正常過載電流，如電容器放電、變壓器涌流、電動機起動電流等不敏感； 不影響電力系統(tǒng)保護的選擇性； 6 如果故障限流器本身損壞，電力系統(tǒng)仍能安全運行； 合理的成 本價格，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)外己見諸文獻的各種限流技術的相關研究及固態(tài)限流器在電力系統(tǒng)中應用的條件與特點，分析了固態(tài)限流器在電力系統(tǒng)中應用的一些相關問題。論文主要針對新型固態(tài)限流器在電力系統(tǒng)中的限流能力進行了分析與討論，具體包括以下及方面： （ 1）介紹并分析了各種短路限流技術的原理及特性，包括傳統(tǒng)的短路限流技術和新型固態(tài)限流器； （ 2）針對新型固態(tài)限流器的優(yōu)良性能，在 10kV 電力系統(tǒng)中設計出最佳的限流方案； （ 3）通過 Matlab 仿真軟件對設計 方案在不同短路故障時進行仿真，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現(xiàn)對短路電流的約束和限制。但是與此同時，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系統(tǒng)正常運行不利影響的考慮，故障限流器 (Fault Current Limiter， FCL)的概念和裝置應運而生。近年來，隨著電力電子技術以及大容量電力電子器件如 SCR(晶閘管 )、 GTO(門極可關斷晶閘管 )、 GTR(大功率晶體管 )、 IGBT(絕緣門極雙極晶體管 )等的迅速發(fā)展和在實際系統(tǒng)中的應用，以及高溫超導技術的發(fā)展，使得故障限流技術得到更好的發(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)點是簡單、可靠，但目前材料型 FCL 受限制于超導等新材料的發(fā)展，超導技術在電工：領域的應用還受很多條件的限制，特別在大功率場合的應用技術尚不成熟，在工業(yè)化實用方面尚有一定的距離，其實用化、商品化還遠遠不能滿足作為新產(chǎn)品開發(fā)的要求；而電力電子型短路限流器的突出優(yōu)點是可控性強，并且現(xiàn)在 GTO 等產(chǎn)品價格日益下降，從工程技術上而言，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，應用于大功率場所還尚未成熟。 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：快速故障電流探測元件、快速切換開關、限流電抗器以及過電壓保護元件。 8 過電壓開關快速切換開關限流電抗器故障電流探測元件 圖 21 短路限流器原理圖 超導限流技術是一種全新的技術，其原理圖如圖 22，它利用超導體的超導 /正常 (S/N)態(tài)的轉(zhuǎn)變，由無阻態(tài)變到高阻態(tài)，以達到限制短路電流的目的。超導故障 限流器 (Superconducting Fault Current Limiter，簡稱 SFCL)的研究在世界范圍內(nèi)己引起廣泛的關注。超導發(fā)生 S/N 轉(zhuǎn)變的電流稱為臨界電流，超導故障限流器 (SFCL)接入電網(wǎng)中，當電力系統(tǒng)正常運行時，傳輸電流在超導線臨界電流以下，超導體的電阻幾乎為 0，對電力系統(tǒng)運行無影響；一旦電網(wǎng)發(fā)生短路，短路電流大于臨界電流時，超導體“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。超導故障限流器正是利用超導的 S/N態(tài)轉(zhuǎn)變來限流，并能在較高電壓下運行，同時集檢測、轉(zhuǎn)換和限流于一身， 能在毫秒級時間內(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，顯著降低線路的機械和電動應力，可延長 電力設備的使用壽命； 能減少故障電流的持續(xù)時間，從而增加了電力系統(tǒng)的功率輸送能力， 改善其動態(tài)穩(wěn)定性； 正常運行時，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 原邊線圈超導線圈 H T S 圖 22 超導限流器原理圖 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行電流的 23 倍水平以下，從而不必在電網(wǎng)擴容時替換現(xiàn)有開關設備，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，但要求切斷速度非常快，以隔離和抑制超導線圈的焦耳熱。 現(xiàn)階段，要將 SFCL 實際應用到電力系統(tǒng)，仍然有若干關鍵問題需要解決。除了提高超導線材的技術、經(jīng)濟性能，以及冷卻系統(tǒng)的效率等一般超導電力裝置所共同面臨的問題之外，還必須考慮以下 3 個方面的問題： （ a）限流水平的設定以及和電力系統(tǒng)現(xiàn)有斷路器、繼電保護手段相互配合的問題； （ b）如何移走超導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，限流過程在超導體 (線圈 )中產(chǎn)生的熱量對裝置本身特性以及安全性影響的問題； （ c） SFCL 限流動作后的狀態(tài)恢復問題，故障消除后超導體從高阻態(tài)恢復到超導態(tài)的時間過長對實現(xiàn)電力系統(tǒng)的重合閘很不利。 若高溫超導材料的研究、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電纜、高電壓高溫超導交流電纜及高溫超導線“失超”傳播和保護等問題能得以解決，那么超導故障限流器在電力系統(tǒng)中將具有廣闊的應用前景。 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?shù)陌苍褦?shù)使兩個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，當故障電流通過交流繞組時，兩個電抗器的鐵芯分別在正、負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到，大容量等級下，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的限流電抗值，對交流線圈匝數(shù)有一定要求，從而使其在非故 障情況下運行時仍具有相當數(shù)值的飽和電抗值，這將會影響電網(wǎng)運行的電能質(zhì)量，還可能會引起暫態(tài)振蕩等問題。另一方面，由于直流偏磁繞組的匝數(shù)往往遠多于交流繞組，短路時交流磁通將會在直流繞組中感應出極高的過電壓。 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，在室溫時電阻非常低，當溫度升高到一值時 ,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域已有商業(yè)應用。 PTC 電阻限流器是由能導電的活性物質(zhì)和金屬或非金屬填 充物構(gòu)成的合成物，在電路正常運行時電阻小壓降低，產(chǎn)生的焦耳熱損耗不用專門的散熱設備處理，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、對流、輻射等途徑就能達到熱平衡；當發(fā)生過流或短路時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，己有相關應用于美國海軍新型戰(zhàn)略艦上。 由于 PTC 電阻在溫度升高時電阻值瞬時增加到室溫電阻的近一兆倍，在限制感性電網(wǎng)電流時會產(chǎn)生很大的過電壓，因此在 PTC 電阻兩端必須并聯(lián)限過壓設備。 PTC 電阻在限流過程中 會膨脹，必須采用特殊的連接設備和充分考慮連接設備的熱的和機械的強度。 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時間，并且這種限流器在使用多次后也會導致性能變壞，必須更換。 固態(tài)限流技術是建立在柔性交流輸電技術基礎上的一種短路限流技術。它采用具有單獨或綜合功能的電力電子裝置，對輸電系統(tǒng)的主要參數(shù) (如電壓、相位、電抗等 )進行調(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、微機處理技術、控制技術等高新技術應用于高壓輸電系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)可靠性、可控性、運行性能和電能質(zhì)量，并可獲取大量節(jié)電效益的新型綜合技術，在世界上引起了極大反響，從一開始就得到了業(yè)界及有關科技工作者的高度重視 電力電子技術在電力系統(tǒng)的應用為改善電能質(zhì)量，提高輸電線路的輸電能力提供了性價比很高的解決方法，電力電子技術在電力系統(tǒng)的廣泛應用說明目前電力電子技術比超導技術相對成熟。這些應用對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、性能好價格低、體積小重量輕、功率損耗低、應用溫 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)故障限流器的競爭力提供了良好的基礎。 固態(tài)限流器還有其他很多種類： GTO 開關型限流器、諧振式限流器、可變阻抗式限流器、具有串聯(lián)補償作用的限流器、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。下面簡要介紹一下這幾種限流器。 12 （ 1） GTO 開關型限流器 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，正常運行時 GTO 常通，將限流電感短接 。一旦發(fā)生短路，在短路電流達到第一個峰值前迅速將 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，而且要求保護電路具有極快的響應速度 ； 同時由于 GTO 快速截斷數(shù)值遠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)諧振電路的導納為零的特點設計成 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，正常運行時， L2 與 C 發(fā)生串聯(lián)諧振，阻抗為 O。故障時， SCR閉合， L2 串入電路限流。其中 L1僅是保護固態(tài)開關不受大電流沖擊。這種限流器的主要矛盾是在大負載電流系統(tǒng)中，由于限流電感值較小，則所需的補償電容數(shù)量極大，根本無法投入實際應用。 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)補償，當短路發(fā)生時，晶閘管SCR 觸發(fā)導通，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，正常運行情況下，電流流過 GTO 開關，當故障發(fā)生時， GTO 開關被切斷，電流轉(zhuǎn)移到并聯(lián)諧