故障限流器在电力系统中应用研究

莫吉汉

中海石油（中国）有限公司湛江分公司 广东湛江 524057

随着现代电力系统的迅速发展，短路故障电流随着系统容量的增加而增加。如果不能正确及时地处理短路故障电流，不仅会危害电气设备的安全运行，还会破坏电气系统的暂时稳定，导致电气系统的线路和运行中断，造成电气系统的损失，避免可能导致的大规模断电[1]。

1 故障限流器

将FCL技术引入电力系统可显著提高系统性能。其主要优点是使用FCL减少断路器的停机负担，系统不需要复杂的设备更换，成本降低；FCL在短路电流达到峰值之前发挥作用，降低断路器热极限和动态稳定极限的要求，迅速将短路电流限制在一定的水平，降低电路电压损耗和发电机失步概率，提高系统稳定性；FCL技术有助于减少断线前母线电压的下降时间，并限制系统短路电流，从而有助于减少输电线路附近的电磁干扰。限流器的分类有以下几种：

1.1 超导限流器

视采用与否可分为失超和非失超型。失超型采用超导材料的超导/正常（s/N）状态的过渡特性（即温度、磁场或电流超过阈值时，超导从无阻状态转变为高电阻状态，以限制短路电流）；非失超型由超导线圈和其他元件（电子或磁性等）组成。通过控制（修改）线路模式限制短路电流。根据其结构特点，可分为电阻、桥路、磁屏蔽、变压器和饱和铁芯型[2]。

1.2 固体限流器

限流器以大功率半导体器件为基础，并与电抗器元件相结合，达到限制短路故障电流的目的。根据美国EPRI公司以前的一份研究报告，为半导体器件开发固体限流技术现实的技术方法。近年来，在发展大功率半导体器件的基础上，一系列固态限流器技术已经成熟，其中包括GTO开关固态、谐振流、串联补偿性、无损电阻态限流器等。

1.3 超导混合限流器

超导和主触头被电流流过。故障发生时，超导材料的电阻强度提高，电流进入驱动线圈。在电磁力作用下，主触头高速分离。当触点之间的电弧光熄灭时，电流将切换到并联分支。整个过程只需几毫秒，目前国外已成功开发了14KV/630A超导混合限流器。

1.4 半导体混合限流器

在系统正常运行期间，电流通过FTS高速机械开关。系统故障时，控制FTS系统停机同时触发半导体开关GTO传导，电弧炉强制电流转向GTO；接下来，检查GTO中断，以强制电流进入由PTC电阻组成的有限流支路，从而限制短路电流，整个过程只需几毫秒。

2 故障限流器应用研究

2.1 限制短路电流

FCL最重要的功能是限制电力系统中的短路电流，并确保断路器在发生故障时的安全分离。电力系统中的限流器不仅应具有限制短路电流幅度的能力，还应具有限制短路电流幅值的能力。与此同时，从操作维护的角度对通用投切的运行逻辑和运行次数（使用寿命）进行优化。除了电流幅度值之外，短路电流和允许电流的增加率也对断路器的切断能力有很大影响。在电力系统的设计和实施运行时必须考虑到这些因素，以确保限流器安全开断。FCL的安装位置通过系统设计确定，一般安装在发电机和变压器电路、不同类型的供电线路、母线断路器之间的间隔、分段断路器之间的间隔等位置。它可以直接实现限制短路电流和确保断路器可靠分离的目标。此外，可在区域配电网的接触线上和低压和中压配电网的封闭回路上安装FCL，以提高系统运行的稳定性。对于具有多电路短路过载的复杂电源系统，应考虑FCL的优化配置和容量选项。建立了具有全网损耗增量和控制器最小电阻值的优化模型，并作为研究对象进行求解。在优化问题上，除了考虑经济此外，还考虑到流量限制效应等因素，并以最小短路公差作为目标函数，研究了FCL的最佳配置[3]。

2.2 改进电网功能

电网发生故障时，限流电抗器阻抗形式连接电网，影响电网的临时稳定性、电能质量和潜供电流。迄今为止，FCL在实际应用中没有改进电网运行的特点，但国内外研究人员就这一问题进行了大量学术研究，为扩大FCL的应用前景奠定了坚实的基础。对于独立系统和无限制系统，通常使用相等面积规则分析系统临时状态的稳定性在这种情况下，输入FCL电阻可提高幅值功角曲线的故障，从而减小发生故障时发电机的加速区域，提高系统临时状态的稳定性。对于不对称故障，FCL电阻对瞬态状态稳定性的影响是复杂的，取决于故障类型、电抗器参数和故障停机时间。一般来说，即使出现不对称故障，对FCL的电阻也能大大提高电网的暂态稳定性。

2.3 改进新能源和微电网的运行

可再生能源发电和智能电网技术是解决未来问题的关键技术，目前风能和太阳能等新能源在电力系统中所占比例继续增加。在配电网中，很大一部分分布式发电是直接或通过微型电网连接起来的，这带来了新的安全问题。研究表明，通用FCL限制短路电流、提高风力和光伏系统的低压穿越能力、改善微网的稳定性和控制特性来改进微网的运行。如果电力系统发生故障，在新能源和故障点之间安装FCL，可以有效地减小新能源终端电压衰减幅度，提高新能源的低电压穿越能力。

3 结语

电能作为一种清洁无污染的能源，可以远距离、大容量地输送和使用，电能利用的广度和深度，日益成为一个社会现代化程度的重要标志。随着我国社会的发展和国民经济的增长，社会各行业越来越重视电能的使用，因而对电能的需求日益增加。同时电力系统越来越大，结构越来越复杂，对电力的安全性和稳定性要求越来越高。FCL 的运用有利于提高电网电压质量和线路的输电能力，抑制输电网络短路电流的危害，提高电网的可靠性。