故障限流器对电网安全稳定的影响及应用研究综述

吕亚洲，崔晓丹，胡阳，李熙，李威，李碧君

（1.南瑞集团公司（国网电力科学研究院），江苏南京 211000；2.南京理工大学自动化学院，江苏南京 210094）

故障限流器对电网安全稳定的影响及应用研究综述

吕亚洲1，崔晓丹1，胡阳1，李熙2，李威1，李碧君1

（1.南瑞集团公司（国网电力科学研究院），江苏南京 211000；2.南京理工大学自动化学院，江苏南京 210094）

介绍了不同类型故障限流器的基本原理、优缺点、开发及应用现状。从继电保护和重合闸、系统暂态功角及电压稳定等方面，论述了FCL接入对电网安全稳定性的影响及优化配置问题。总结了FCL工程实用化需要解决的几大关键问题，提出了FCL研发应用发展趋势，指出FCL会在改善直流受端输电能力、降低换相失败风险，提高电能质量，增强大规模新能源接入能力等方面发挥其独特作用。由于目前FCL技术和经济性限制，基于常规电气设备的经济型FCL仍是目前实用化的首选，而随着大容量高耐压自关断电力电子器件的日益成熟，基于电力电子技术的固态限流器将成为未来FCL应用的热点。

故障限流器（FCL）；短路电流；继电保护

随着特高压互联电网规模越来越大，其电气联系和耦合特性也越来越明显。发电机单机容量的增大、配电容量的扩张及各大电网的互联，配电母线或大型发电机出口的短路电流值不断攀升，有些情况下甚至超出了断路器的额定遮断容量，严重威胁电网的安全运行[1-4]。短路电流问题成为影响电网运行控制的一个重要因素，限制电力系统短路电流成为一个亟待解决的问题[5-10]。故障限流器是解决短路电流超标的方案之一[11]，文献[5，12]等综述主要集中在故障限流器的分类、实现原理和技术改进等方面。本文着重从FCL的接入对电网安全稳定的影响、FCL的优化配置以及应用新趋势等角度深入介绍，对各类FCL技术和经济性做了对比，指出FCL未来可能的热门发展方向。

1 故障限流器技术简介

传统的被动型故障电流限制措施如采用高阻抗变压器、固定电抗器、母线分裂运行存在着破坏电网结构，增加稳态运行时系统阻抗，降低系统安全稳定性等固有缺点，在目前复杂大电网中越来越不适用。而以FCL为代表的主动动作型的限流措施在电网正常运行期间，呈现出小电抗特性；当电网发生故障时，立即转变为大阻抗，将故障电流限制到较低水平，实现了故障限流的动态控制。

FCL是在传统串联电抗器限流的基础上，依靠电力电子技术、超导技术、磁路控制等其他先进技术改造而来，其基本原理模型可简化为图1。在系统正常运行时，K处于闭合状态，FCL无电抗投入；而只在系统故障时K快速断开投入电抗器进行限流。大部分FCL本质上都是基于此基本模型或拓展，不同的FCL主要区别在于限流阻抗的性质、K的实现方式及其控制策略。

图1 故障限流器简化模型Fig.1 General model of the FCL

2 故障限流器的实现方案及应用现状

2.1 超导故障限流器

超导故障限流器根据超导体是否利用失超特性限流，可分为失超型和非失超型，根据其结构特点还可进一步分为电阻型、桥路型、磁屏蔽型、变压器型、饱和铁芯型等。失超型超导限流器利用超导体的超导/正常（S/N）态的转变（即温度、磁场或电流超过临界值时，超导体将由无阻态转移到高阻态）来达到限制电流的目的。非失超型超导限流器由超导体线圈和其他元件（电力电子器件或磁元件等）结合构成，通过控制运行模式达到限制短路电流的目的[11-18]。超导型FCL的实用化不仅面临经济性及超导系统冷却的效率[19-20]等超导装置共性问题，而且失超型FCL恢复超导态时间过长，容易与系统重合闸冲突[21]，非失超型的阻抗变化也会影响继电保护的正确动作[22]，需要重新进行整定。

2.2 磁元件限流器

磁元件限流器分为磁通约束型和磁饱和开关型2种[11]。磁通约束型的原理是在同一铁芯上串联2个同名端相反的绕组，正常情况下工作电流在2个绕组上激发2个大小相等方向相反的磁通，铁芯中总磁通为零，FCL对外表现为2个绕组的漏阻抗，其值很小。当故障发生时，将其中一个绕组旁路，铁芯内磁通零平衡被破坏，FCL呈现出高阻抗[23-25]。而磁饱和开关型也是利用铁芯的磁路特性，不同的是，限流绕组在正常工况下利用直流偏置电源等方法使其工作在磁饱和状态，输出低阻抗以降低对系统运行的影响；故障工况下，限流绕组通过故障电流使其去饱和以实现高阻抗限流的目的[26-27]，由于磁元件限流器的控制较复杂，目前应用较少。

2.3 PTC电阻限流器

PTC（positive temperature coefficient）电阻是一种非线性电阻，在正常工作时产生的热量很小，电阻很低，当发生短路时电阻温度迅速增加，在数毫秒时间内就增加到比正常电阻高8～10个数量级的高阻值。利用PTC电阻的这种特性研制的FCL在低压领域已有商业应用[28]。但其也存在固有缺点：由于电阻迅速升高，在限制感性电网电流时会产生很大的过电压，因此必须并联限过压设备，增加投资成本；PTC电阻在限流过程中会膨胀，必须充分考虑连接设备的机械强度[28-29]；PTC电阻固有的电压和电流额定值不高，只有几百伏/几安，必须串并联使用，限制了其在高压系统中的应用；PTC电阻在每次限流动作后，需几分钟的恢复时间，且使用寿命也较短，这是阻碍其大规模应用的主要因素。

2.4 固态限流器

固态限流器[30-32]是利用电力电子技术开发的一种新型短路限流器，一般由常规电抗器、电力电子器件和控制器构成，可以根据需要构成许多不同拓扑结构，具有动作速度快，允许动作次数多，控制简便等优点。通过控制电力电子器件的工作状态，可以改变固态限流器的等效阻抗，从而达到限流短路电流的目的。固态限流器可以称为一种新型的FACTS设备，已经得到了越来越多的重视，但由于电力电子器件在系统故障期间要通过全部的故障电流，对器件的性能和容量要求较高[33]。另外多个固态限流器或与其他FACTS装置控制系统的协调配合，也是一个亟待解决的问题[36]。

2.5 经济型限流器

经济型限流器的具有技术成熟，可靠性高，成本较低，无需外加控制实现自动投切的优点。主要分为电弧电流转移型和串联谐振型两大类。电弧电流转移型FCL主要结构由真空开关和限流电阻的并联组成。当系统正常工作时，负荷电流正常通过真空开关，短路故障发生后，向真空开关开断，强迫电流过零熄弧并转移至限流电阻实现限流。但该类型FCL存在以下问题[12]：可转移电流受真空电弧电压和引线杂散电感影响较大；转移时间取决于真空开关的分断速度；当电弧电压很低时，短路电流转移困难，需要外加辅助装置提高电弧电压和强迫电路过零。

串联谐振型FCL分为基于饱和电抗器和避雷器[34]2种类型，其中饱和电抗器和避雷器相当于开关的作用。正常工作下电容电感处于串联谐振状态，阻抗很小，当系统短路故障时，大电流使电抗器进入饱和状态或使避雷器动作导通，使电容器退出谐振，从而使电抗器单独串入线路而实现限流。另外，利用电磁斥力快速开关[35]也可达到快速旁路电容器的目的。

2.6 故障限流器的工程应用现状

FCL除了需要上述故障期间进行快速阻抗投入外，还应当具备自动复位、多次连续动作能力、谐波产生少、投资及运行成本可接受等条件才具备实用价值[30-39]。

目前故障限流器受其技术难度和性价比限制，国内外研究机构虽已研制出各类FCL实验样机[40]，但在电网中实际工程应用较少，且主要为在低压小容量的试验性应用。国外在该领域起步较早，特别是在固态和超导FCL的实用化、商业化均有一定的成果[4]。1993年初，在美国新泽西州Mort Monmouth的Army Power Center的4.6 kV交流馈电线路上安装了一个由反并联GTO构成的6.6 MW的固态断路器，平均工作电流为800 A，能在发生短路故障的300 μs的时间内切断故障[41]；1995年EPRI与西屋公司合作制造出的13.8 kV/675 A的固态FCL在PSE&G变电站投运。

在超导FCL工程应用方面，1998年ACECTransport和GEC-Alsthom开发了交直流两用的混合式故障限流器，且已形成商业化[42]；1999年美国通用原子公司GA等6家公司的联合研制的容量达15 kV/1 200 A的SFCL在Southern California Edison（SCE）中心变电站投运[43]。

国内FCL的研究与应用起步较晚，但发展很快。由天津机电工业控股集团公司和北京云电英纳超导电缆有限公司联合研制的35 kV超导磁饱和型FCL，于2007年在云南省普吉变电站进行并网试运行，是当时世界上挂网试运行的电压等级最高、容量最大的超导限流器[44]。在串联谐振型FCL的工程应用方面，我国也做了一些初步探索。2009年底由中国电力科学研究院、中电普瑞公司、华东电网公司联合研制了国内首台500 kV串联谐振型故障限流装置，在华东电网500 kV瓶窑站（瓶窑—杭北单回线）投运，能够将短路点的总电流降低到47 kA以下[45]。

目前，在世界范围内，FCL的应用还局限于个别工程，但已经日益受到关注。在研究提高FCL的容量、耐压能力、材料改进、散热能力、成本控制及拓扑优化等方面，还有巨大的潜力。

3 故障限流器接入对电力系统安全稳定性的影响

由于FCL在故障期间阻抗的快速投入，随着FCL技术研究及应用的不断深入表明，FCL在故障期间阻抗的快速投入，在有效限制故障电流的同时，也改变了电网的网络参数，对系统的暂态、电压稳定性，继电保护参数整定及重合闸都将产生一定影响，若控制不当，可能引起负面效应。同时多个FCL投入时，为达到最优的限流效果需要进行协调控制和优化配置。

3.1 对继电保护、重合闸整定的影响

对于饱和铁芯型超导FCL，受制于前述恢复超导时间过长的特性，故障恢复后SFCL短时间内仍呈现较大阻抗，相关线路自动重合闸和继电保护可能需要重新整定[46-47]。因此文献[22]指出在发电机和主变支路处更适合安装失超型SFCL，虽然需要重新整定机端保护装置，但其故障后在失超恢复过程内仍存在的高阻抗还可以起到制动电阻的作用，从而对暂态稳定性有利。对于线路继电保护的整定，文献[48-52]提出了多种计及SFCL的线路距离保护整定方法，文献[53]提出采用固态FCL的晶闸管触发信号、旁路断路器接点位置、FCL投切刀闸位置和GAP电路来控制零序电流保护定值切换解决FCL投入后零序电流保护灵敏性的问题。

3.2 对电网暂态功角稳定的影响

虽然FCL基本上都遵循正常运行小阻抗，故障瞬间切换为高阻抗的基本原理，但由于其具体限流动作方式及结构的不同，对电网的暂态功角稳定的影响也不尽相同。

对于固态、超导故障限流器而言，其接入电力系统后，短路故障期间接入的高阻抗有助于提高故障时发电机的电磁功率输出，进而增强系统的暂态稳定能力，且限流元件为电阻型比电抗型对电网的暂态稳定性改善更好，这是因为前者在短路期间提供的等效阻尼电阻消耗了更多的发电机的电磁功率，但若限流电阻的阻值取值不当，则可能造成系统向发电机倒送有功以弥补其功率严重缺额的不良后果[48-54]。文献[55]进一步分析了输电线路不同位置发生故障时，超导限流器对电力系统暂态稳定性的影响，指出随着故障位置远离发电端，发电机电动势与系统间的总转移电抗逐渐减少，电感型SFCL对系统的暂态稳定性的有利程度增加；而电阻型SFCL的阻值在大于某一门槛值后，也呈现出同样的特性。

FCL对电网暂态稳定性影响也与其他多种因素有关。如短路位置、短路类型等因素将使FCL对暂稳的影响发生较大变化。只有在安装FCL的线路上发生短路故障后才会对系统功角稳定性有影响，否则FCL只起到限制短路电流的作用[56]。当在线路首端发生不对称短路故障时，FCL投入电抗有利于暂态稳定，且随着电抗值的增加有利程度在增大；当在线路末端发生不对称短路故障时，如果快速切除故障线路，FCL投入电抗不利于暂态稳定，但对于两相接地短路和两相短路随着投入电抗值的增加不利程度会逐渐减小；对于在线路末端附近发生单相接地短路或两相短路故障时，如果故障切除时间适当延长，FCL投入小的电抗将变得有利于暂态稳定，且摇摆曲线幅值与快速切除故障时的相比明显减小[57]。

3.3 对电网暂态电压稳定的影响

短路故障不仅可能会产生很大的短路电流，同时伴随着电压跌落，严重影响电气设备的正常运行，甚至造成巨大的经济损失。文献[49]基于PSCAD对FCL对抑制电压跌落的效果进行分析，指出在一定的范围内，FCL电感值越大，抑制电压跌落的效果越好。改善系统故障电压是故障限流器具有的一种本质能力，而对于不同网架类型加装FCL对暂态电压稳定的影响不同，在辐射状馈线上加装的故障限流器电抗若超过0.5 pu，故障期间电压可维持在0.8 pu以上；如果故障点母线附近有本地电源或其他无功支撑，对FCL的依赖可大大降低[58]。

3.4 与传统限流措施配合问题

FCL与传统限流措施的协调优化也是FCL实用化要解决的关键问题。文献[59]提出一种电力系统限流措施的自动优化配置方法，可以指导FCL与传统限流措施协调配合。该方法采用0-1变量模拟各种限流措施的投运与否，采用普通整数变量模拟限流电抗器、FCL以及高阻抗变压器的容量，形成一个混合整数规划问题，并用分支定界法等求解。

3.5 优化配置问题

当电网中安装多个FCL时，如何统筹考虑安装地点、数量及参数整定等因素以实现限流效果和经济性的优化配置也是FCL研究的热点。

当电网规模较小，支路较少时，可以通过枚举法[60-61]、基于功率变化或损耗率[62]等方法对FCL进行优化配置。然而当电网规模较大，存在多个节点的短路电流超标时，枚举法的计算量大，且不能解决阻抗值、安装台数和安装地点等多目标问题[63]。

为了解决该多目标优化问题，可以将FCL的阻抗值和安装台数加权和作为目标函数进行优化，并利用遗传算法[64]或粒子群算法[65]进行求解。但这些算法均采用加权系数将多目标问题转化为单目标问题，而优化结果受加权系数的影响很大。鉴于此，文献[66]提出了一种基于短路电流变化量的灵敏度计算方法，避免加权系数的影响，类似地，通过计算短路电流超标点自阻抗对支路阻抗参数的灵敏度也可获取FCL安装位置、数量及阻抗值的优化配置[67]。

由于FCL的主要功能是限制短路电流，因此可以将限流效果设为优化目标，通过FCL的启动条件和逻辑判断所选安装线路是否能影响所有短路电流裕量不足节点[68]。另外，FCL的成本[63]和运行损耗[69]在实际优化配置中也是不应忽略的因素。

4 故障限流器开发及应用发展趋势

4.1 故障限流器技术研发趋势

为了充分发挥各类FCL的优势，改善其固有缺陷，从而尽快地将其实用化，目前研究人员对FCL的改进方向提出了很多新的思路，将成为未来FCL技术研发的新趋势。

目前与储能相结合是超导FCL的热门研究方向，其在故障期间吸收系统能量，在正常运行时将能量供给网侧改善电能质量，会取得事半功倍的效果[18-72]，其实现的关键在于功率调节系统（power conditioning system）的设计[18]。

针对固态限流器中电力电子器件容量需求大、成本高、谐波丰富的缺点，文献[33]提出了一种带旁路电感的变压器耦合三相桥式固态限流器的改进方案，克服了传统固态限流器拓扑的缺陷。

一般的FCL无法动态调节限流程度，在系统稳态时，也无法根据需要实现灵活的补偿。文献[73]提出一种具有动态串联补偿功能的FCL，正常时，通过投切不同的电容器组，按步长的方式来控制调整线路的补偿度；故障时，则通过和旁路电感相串联的可关断晶闸管（GTO）或自关断器件集成门级换流晶闸管（IGCT）[74]来控制其限流程度，实现了FCL的多用途化。需要指出的是，串联补偿度应合理选择，否则可能会引起次同步振荡[74]。

4.2 故障限流器应用趋势

由于故障限流器不仅可以在系统短路期间限制短路电流，而且在合适的条件下也会改善系统功角和电压稳定性，从而大大拓展了故障限流器应用领域，如改善直流受端输电能力，降低换相失败风险，提高电能质量，增强大规模新能源接入能力等，逐渐成为了故障限流器新的发展趋势和研究热点。

随着多端直流系统在电力系统中的应用，直流断路器的开断能力逐渐凸显，成为限制多端直流系统进一步发展的重要因素。可以考虑采用将FCL应用于多端直流系统，这不仅具有明显的限流作用，同时不会影响多端直流系统的正常运行[75]。

对于直流受端电网，短路故障不仅产生很大短路电流，往往也会引起直流换相失败。如果存在多回直流受入，往往交直流耦合紧密，单一交流故障冲击传递范围广，可能引起近区多回直流同时换相失败，引起功率电压大幅振荡，极易引发连锁故障。可在故障传导路径安装FCL，将系统划分为若干个相互间由FCL隔开的区域，阻隔故障在各区域电网之间的传递，从而有效缩短直流线路换相失败的持续时间，加快直流功率恢复，缓解多回直流同时换相失败引起的交流系统功率不平衡和潮流转移问题，提升整个系统的暂态稳定性[76]。

大容量异步电动机启动电流高，在电压支撑较弱的电网或电网故障恢复期间会造成电网电压较大跌落或电压恢复困难，并且在电网短路时也会向故障点提供短路电流，如将超导FCL与异步电动机定子回路串联使用，相当于电动机进行降压启动，并在电网短路故障时有抑制向系统提供短路电流的作用，从而减缓系统电压跌落，提高暂态电压稳定性[77]。

大规模新能源接入电力系统是电网未来发展的趋势，但系统短路故障对风机的低电压穿越能力带来了极大考验，且存在大规模脱网的风险，对系统稳定性的影响不容忽视。已有研究表明，在风机并网点使用FCL可有效改善恒速异步风机的故障穿越能力[78-79]，减少其脱网风险。其中风机故障穿越能力的改善作用与限流阻抗密切相关，在相同故障持续时间下电阻型限流器保持风机稳定所需阻抗要比电感型限流器小得多，但在临界稳定阻抗下，电感型比电阻型对故障穿越能力的提升效果要好[80]。

随着FCL研发和工程应用技术日益成熟，FCL作为一种具有限制故障电流、提高暂态功角电压稳定性及阻隔故障传递等多功能快速响应设备，将在更多应用领域中得到应用。

5 结语

FCL不仅能够实现短路故障的有效限流，而且对电网功角、电压稳定性、继保和重合闸参数整定等方面可能产生一定影响。多个FCL之间或与FACTS装置进行优化配置和协调控制预期将带来显著效果。未来FCL不仅可用于短路限流，在改善直流受端输电能力，降低换相失败风险，提高电能质量，增强大规模新能源接入能力等领域也将大有可为。然而由于技术或经济原因，一些高电压等级大容量FCL距实际规模化应用还有一定距离。固态限流器受限于电力电子器件容量和耐压能力，目前还只能应用于配电网。但随着大功率自关断电力电子器件的发展，技术瓶颈有望获得突破，且其成本将大大降低。超导FCL具有响应速度快、自触发等优点，但仍存在维持超导状态成本高、散热困难、失超恢复时间长等困难，是其大规模实用化的一大障碍。从近期技术可能性和经济性考虑，基于常规电气设备的经济型FCL是目前解决故障限流问题的首选。而基于电力电子技术的固态限流器技术门槛相对较低，技术相对成熟，将是FCL主流发展方向。

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Effects of Fault Current Limiter on the Safety and Stability of Power Grid and Its Application：A Research Review

LÜ Yazhou1，CUI Xiaodan1，HU Yang1，LI Xi2，LI Wei1，LI Bijun1
（1.NARI Group Corporation（State Grid Electric Power Research Institute），Nanjing 211000，Jiangsu，China；2.School of Automation，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China）

In this paper，the basic principles，advantages and disadvantages，development and applications of different types of the fault current limiter（FCL）are described.Effects on safety and stability of power grid and optimization configuration are also expounded with the application of the FCL in aspects of relay protection，reclosure，transient power angle and voltage stability.In addition，several key problems of the FCL engineering application are summarized.The development trends of FCL research and application are also proposed.The paper points out that the FCL will play a unique role in fields such as improving the transmission capacity of DC receiving-side，reducing the risk of commutation failure，improving power quality，enhancing large-scale new energy integration capability and so on.Due to the limitation of technical and economic constraints，the economical FCL based on the normal electric equipment is still the first choice for application at present.However，with the increasing maturity of large-capacity and high-voltage self-turn-off power electronic devices，the solidstate current limiter based on power electronic technology will become a hot spot of research and application in the future.

fault current limiter （FCL）；short-circuit current；relay protection

1674-3814（2017）07-0025-10

TM712

A

国网公司科技项目（基于磁路控制的超高压故障电流限制技术基础理论及可行性研究）。

Project Supported by the Technology Research program of the SGCC：“Basic Theory and Feasibility Study on the Technology of Ultra-high Voltage Fault Current Limitation Based on Magnetic Circuit Control”

2016-06-28。

吕亚洲（1988—），男，硕士，工程师，研究方向为大电网安全稳定分析与控制；

崔晓丹（1981—），男，硕士，高级工程师，研究方向为大电网安全稳定分析与控制。

（编辑 冯露）