故障电流限制器的作用及应用

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：而采用故障电流限制器，能在几毫秒的时间内实现限电流开断，就可使上述损害大幅度减轻。空心电抗器在故障态时的电抗值维持常数，适合于限制故障电流，是目前最为成熟的故障电流限制器，广泛应用于高、中、低压系统中。图9-31所示为谐振型故障电流限制器最简单的组成。

随着发电机单机容量的增大、配电容量的扩大及各大电网的互连，配电母线或大型发电机出口的短路电流值也将迅速提高，有可能达到100～200kA的水平。一般断路器的分闸时间约为20～150ms，全开断时间（包括燃弧时间）约为100～200ms，而故障电流的最大峰值往往出现在第一半波，这样采用高参数断路器，不仅其本身制造难度和造价很高，而且它根本不可能使发、变电设备免受故障电流峰值电动力和热效应的冲击。而采用故障电流限制器（Fault Current Limiter，FCL），能在几毫秒的时间内实现限电流开断，就可使上述损害大幅度减轻。

现今国内外的故障电流限制器在系统中的典型应用可以分为以下四种：第一种典型应用是用于系统互连或母线互连，如图9-28a所示；第二种典型应用是安装在系统进线处，如图9-28b所示；第三种典型应用是安装在系统出线处，如图9-28c所示；第四种典型应用是与限流电抗器并联，如图9-28d所示。

图9-28 FCL的典型应用

a）FCL用于系统互连 b）FCL安装在系统进线处 c）FCL安装在系统出线处 d）FCL与限流电抗器并联

目前技术成熟的和正在研制的故障电流限制器主要有以下7种：

1.高压限流熔断器

前面已经介绍过，前述的负荷开关—熔断器组合电器直接利用了高压限流熔断器的限电流开断特性，但是其只适用于额定电流较小的场合。

在额定电流较大的地方可采用混合式熔断器。图9-29所示是其原理框图，它一般由下列部分组成：可爆破开断的载流隔离器、高压限流熔断器（HVRF）、检测故障电流的传感器以及电子判别和点火触发系统。载流隔离器的电阻是μΩ级的，而与之并联的高压限流熔断器的电阻则是mΩ级的，所以正常状态下电流几乎全部从载流隔离器流过，不会引起高压限流熔断器误动作。短路故障发生时，电子系统检测到的电流i及其随时间的变化率di/dt超过整定值后就发出点火脉冲，引爆载流隔离器中的雷管及炸药，爆炸产生的推力或撞击力将载流隔离器从载流状态转变为隔离状态，于是故障电流瞬间转移到高压限流熔断器中，于是由高压限流熔断器完成限流开断。整个过程在4～6ms时间内结束。

图9-29 混合式熔断器的原理框图

混合式熔断器间接利用了高压限流熔断器的性能，开断速度快，限流能力强；装置本身的功耗很低；体积小，安装维护费用低；大幅度扩展了高压限流熔断器的电流范围，并可望做到更大电流和更高电压等级。

图9-30给出了ABB公司研制的Is-快速限流器。这种限流器电压等级为12kV、17.5kV、24kV及36kV，额定电流范围为1250～4000A，最大预期开断电流有效值为140～210kA。图9-30a和图9-30b分别为限流器主体的剖面图及动作后的内部形态示意图。由图9-30可见，爆破桥动作后载流导体从中部断开，在爆破冲击力下它们分别向上、下两个方向卷曲，形成隔离断口，随后由高压限流熔断器完成最终的限流开断。Is-限流器在6kV、预期短路电流23kA时的开断试验表明，限流后开断电流峰值仅为4.58kA，全开断过程为5ms，过电压倍数为1.18。

图9-30 ABB公司的Is-快速限流器

a）主体剖面图 b）动作后内部形态示意图

1—熔断器指示器 2—绝缘筒 3—爆破桥 4—雷管 5—导体指示器 6—熔断器 7—熔丝

法国和英国等国家也分别研制出了高压混合式熔断器。

2.限流电抗器

限流电抗器通常由干式绝缘、空心、自然冷却的线圈组成。其典型配置方式主要有母线联络方式、线路端接入方式、串接于变压器支路和加装在变压器中性点等几种。空心电抗器在故障态时的电抗值维持常数，适合于限制故障电流，是目前最为成熟的故障电流限制器，广泛应用于高、中、低压系统中。这种限流器在系统正常运行期间承受一定的电压，造成系统电压损失，并产生一定的损耗和电磁干扰，给系统稳定性带来一些负面影响，有些地方可能还要加装无功补偿设备，增加了系统投资。

3.谐振型故障电流限制器

在谐振型故障电流限制器中，串联线路电抗器上的电压降被电容器组补偿，而电容器组并联一个非线性旁通电路，在故障发生时实现对电容器组的保护和限流电抗器的投入。系统正常运行时FCL处于串联谐振状态；系统发生故障时，旁通电路转为低阻抗状态，FCL谐振状态被破坏，串联电抗器起到限制故障电流的作用；故障切除后，旁通电路恢复高阻抗，FCL恢复串联谐振状态。

图9-31所示为谐振型故障电流限制器最简单的组成。采用谐振技术后，电抗器可以取到更高的值。为了避免故障期间电容器组和电抗器上出现不可接受的高电压，电容器并联了一个饱和铁心电抗器。当超过铁心电抗器上的饱和电压后，饱和电抗器打破串联谐振状态，从而限制故障电流。工作在电磁瞬态时，饱和电抗器和电容器互为过电压保护，即饱和电抗器对电容器起工频过电压保护作用，电容器对饱和电抗器起冲击电压保护作用，不必增设多重保护。这种装置的优点是不需要外加控制就可以使故障限流器投入运行，反应速度快；故障排除后，能使故障限流器自动退出，提高了故障限流器的工作可靠性。其主要缺点是造价较高，占地空间较大。

图9-31 谐振型限流器原理图

4.可控串补装置

可控串补（TCSC）是在串联电容器旁并联一个由晶闸管阀控制的电感回路，从而产生一个叠加在电容器上的可控附加电流，实现对串联补偿电容的外部等效容抗的控制，即通过对半导体晶闸管阀的触发控制来实现对串联补偿电容的平滑调节和动态响应的控制。

可控串补装置可以动态调节电容的阻抗，使其工作在感性模式和容性模式。在短路电流发生时刻，调节晶闸管阀的触发角使其工作在感性模式，相当于线路串入一个大电抗，以达到限流目的，这是利用可控串补装置的一个附加功能。

5.超导限流器

超导限流器主要是利用超导体特有的电阻突变现象，即在它们的温度下降到某一临界温度T_c时其电阻突然消失，而在超过临界参数时，由超电导状态瞬间转变为正常导电状态而开发的。超导体在超电导状态下的电阻为零，一旦其临界温度T_c、临界磁场强度H_c、临界电流密度J_c中任何一个参数被突破，它就会转变为正常导电状态，具有一定的电阻。

根据采用材料的特性，可分为高温超导限流器和低温超导限流器两类。高温超导限流器用液态N₂作冷媒，温度77K即可达到超导体T_c的要求，对冷冻机功率要求较小。而低温超导限流器需采用价格昂贵的液态He作制冷剂，其临界温度在4K附近，对冷冻机制冷量要求较大。除此之外，与低温超导体相比，高温超导体具有较高的热容量及磁稳定性。但另一方面，高温超导体的热传导及冷却速度要比低温超导体的小得多，这样由于材质不均匀而造成局部热损坏的可能性，就要比低温超导体的大得多。交流损耗方面，大尺寸材料的使用可缓解因交流损耗而导致的发热。在故障电流开断后，限流器必须在1s时间内恢复超导状态，材料过热和随后过低的冷却速度将导致较长的恢复时间，而增大材料几何尺寸又会使保证材料质地均匀和快速冷却变得困难。从这一角度看，高温超导体在实际应用方面还需克服许多难题。

目前基于超导原理的故障电流限制器主要有以下4类：电阻性超导故障电流限制器、屏蔽铁心型超导故障电流限制器、饱和铁心型超导故障电流限制器和整流式超导故障电流限制器。

6.固态故障电流限制器

固态故障电流限制器由半导体器件组成，在峰值电流到达之前的电流上升阶段就可以中断故障电流。为了实现这一目的，可以使用自换向固态器件，如门极关断（Gate Turn-Off，GTO）晶闸管、绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Tran-sistor，IGBT）或集成门极换流晶闸管（Integrated Gate Commutated Thyristor，IGCT）。基于大功率电力电子器件的固态故障电流限制器的型式有很多种。固态故障电流限制器的一个例子如图9-32所示，它由双向半导体开关组成，并联1个限流电抗器。

正常工作时，GTO晶闸管导通流过负荷电流，对系统运行无影响。当检测到故障电流后，正常导通的半导体开关（图9-32中的GTO1和GTO2）被关断，电流转移到电流限制电抗器上，从而限制了故障电流。半导体开关并联了金属氧化物压敏电阻器（MetalO_xide Varistor，MOV）和缓冲电路（吸收电路），从而限制了半导体两端的电压幅值及其上升率。其缺点是：稳态时GTO晶闸管承担负荷电流，损耗大。

图9-32 固态限流器原理

7.应用电磁驱动原理的故障电流限制器

在弧驱动类型的故障电流限制器中，窄的并联阻性导体之间产生电弧，从而自动在电路中插入电阻，限制了故障电流。故障电流限制器由转移电阻、高速开关、旋转的弧型断路器组成，并且安装在一个密封的容器中，具有外触发、电流中断、自恢复等特点。目前处于试验研究阶段，样机参数为400A、7.2kV。

故障电流限制器的作用及应用

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