論文電網(wǎng)故障限流保護(hù)器

1、第一章 緒論第一章 緒論電力系統(tǒng)容量逐年增加，電網(wǎng)短路電流也隨之增大，目前已成為制約電網(wǎng)運(yùn)行和發(fā)展的重要因素。因此，限制電力系統(tǒng)短路電流已成為一個(gè)有待解決的問(wèn)題。傳統(tǒng)的是使用機(jī)械型斷路器，而這種斷路器速度慢，維修量大，是形成暫態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題的重要條件。故障限流器的開(kāi)發(fā)和研制，開(kāi)辟了提高交流輸電線和輸電網(wǎng)運(yùn)行整體控制能力和水平的技術(shù)渠道，為高壓和超高壓輸電性能的革新改造指出了方向。電力系統(tǒng)的迅速發(fā)展，單機(jī)和發(fā)電廠容量、變電站容量、城市和工業(yè)中心的負(fù)荷和負(fù)荷密度的增加，以及電力系統(tǒng)之間的互聯(lián)，導(dǎo)致現(xiàn)代大電力系統(tǒng)各級(jí)電網(wǎng)中的短路電流水平不斷增加，系統(tǒng)中部分地區(qū)的短路電流已經(jīng)達(dá)到甚至超過(guò)斷路器的遮斷容量，

2、而且上升趨勢(shì)越來(lái)越明顯，已經(jīng)嚴(yán)重威脅到系統(tǒng)的安全運(yùn)行。一旦發(fā)生短路故障，可能會(huì)造成故障線路中相關(guān)設(shè)備燒毀，后果難以想象。除改變電網(wǎng)結(jié)構(gòu)外，故障電流限制器（fault current limiter，F(xiàn)CL）成為解決短路電流超標(biāo)問(wèn)題的新途徑。 目前比較成熟的故障電流限制器有：限流電抗器、高壓限流熔斷器、諧振型故障電流限制器。串聯(lián)諧振型故障電流限制器在超高壓系統(tǒng)中的應(yīng)用，關(guān)鍵在于旁通電路替代型式的研究，隨著容量和電壓等級(jí)的提高，飽和電抗器成本和制造難度迅速增加。而電力電子和快速開(kāi)關(guān)等技術(shù)的快速發(fā)展，為新型電容器保護(hù)用旁通技術(shù)的探索提供了新的思路。 可控串補(bǔ)裝置可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電容的阻抗，使其工作在感性

3、模式和容性模式。在短路電流發(fā)生時(shí)刻，調(diào)節(jié)晶閘管閥的觸發(fā)角使其工作在感性模式，相當(dāng)于線路串入一個(gè)大電抗，以達(dá)到限流目的。這是利用可控串補(bǔ)裝置的一個(gè)附加功能。 隨著新材料、新工藝的出現(xiàn)，涌現(xiàn)了許多基于新型器件和原理的故障電流限制器，例如基于超導(dǎo)技術(shù)，基于半導(dǎo)體變流技術(shù)，以及采用PTC（positive temperature coefficient）熱敏電阻材料等。這些新技術(shù)給電力系統(tǒng)的發(fā)展帶來(lái)了新的機(jī)遇。1.1國(guó)內(nèi)情況我國(guó)對(duì)基于電力電子技術(shù)的故障電流限制器也進(jìn)行了工業(yè)化研究，2002年10月甘肅省電力公司與國(guó)家電網(wǎng)公司簽訂“可控串補(bǔ)國(guó)產(chǎn)化研制工程技術(shù)應(yīng)用研究”合同，項(xiàng)目采用中國(guó)電力科學(xué)研究院自主

4、研發(fā)的可控串補(bǔ)裝置TCSC及保護(hù)系統(tǒng)，產(chǎn)品于2004年12月22日在甘肅隴南電力局220kV成碧線成功投入運(yùn)行?；诖隧?xiàng)技術(shù)的延伸，2009年12月由中國(guó)電力科學(xué)研究院和華東電網(wǎng)有限公司聯(lián)合研制的基于TPSC技術(shù)的短路電流限制器在華東電網(wǎng)500kV瓶窯變順利投運(yùn)，將短路點(diǎn)的總短路電流限制到47kA以下，此裝置的投運(yùn)可改善超高壓系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性、減小發(fā)電機(jī)的最大搖擺角、抑制系統(tǒng)的電壓波動(dòng)。隨著FCL受到重視的程度日益提高，國(guó)內(nèi)很多機(jī)構(gòu)單位投入其研究與應(yīng)用。中國(guó)科學(xué)院電工研究所聯(lián)合國(guó)內(nèi)多家單位共同研發(fā)了我國(guó)首臺(tái)三相高溫超導(dǎo)限流器，成功將3500A（有效值）限制到635A（有效值），且短路瞬間波形無(wú)

5、突變。由天津機(jī)電工業(yè)控股集團(tuán)公司和北京云電英納超導(dǎo)電纜有限公司聯(lián)合研制的35kV超導(dǎo)磁飽和型FCL，于2007年成功投入實(shí)際運(yùn)行，是目前世界上掛網(wǎng)試運(yùn)行的電壓等級(jí)最高、容量最大的超導(dǎo)限流器。華中科技大學(xué)研究的基于串聯(lián)補(bǔ)償?shù)腇CL使用了真空觸發(fā)間隙或高速斥力機(jī)構(gòu)操作的合閘開(kāi)關(guān)，具有動(dòng)作速度快、成本較低的優(yōu)點(diǎn)。上海交通大學(xué)提出了一種適用于中高壓電網(wǎng)的磁控開(kāi)關(guān)型故障限流器結(jié)構(gòu)，并研制了一臺(tái)220kV/50A限流器模型機(jī)。華東冶金學(xué)院提出一種由普通電感和IGBT橋路構(gòu)成的無(wú)損耗電阻器式限流器拓?fù)洳⑷〉脟?guó)家專(zhuān)利。浙江大學(xué)研制的10kV/500A/2500A帶交流旁路限制電感采用耦合變壓器的新型固態(tài)限流器

6、樣機(jī)于2006年12月在紹興電力試驗(yàn)站通過(guò)試驗(yàn)，取得了令人滿(mǎn)意的試驗(yàn)結(jié)果。1.2國(guó)外情況國(guó)外對(duì)SFCL的研究始于上世紀(jì)90年代中期，我國(guó)的研究則始于本世紀(jì)初。中國(guó)科學(xué)院電工研究所在國(guó)家超導(dǎo)聯(lián)合研究與開(kāi)發(fā)中心的資助下采用低溫超導(dǎo)線圈研制10.5kV/1.5kA橋路型SFCL工業(yè)樣機(jī)，于2005年8月14日在湖南婁底電業(yè)局110kV高溪變掛網(wǎng)運(yùn)行。由北京云電英納超導(dǎo)電纜有限公司和天津市機(jī)電工業(yè)控股集團(tuán)公司聯(lián)合，在研制出220V/3000A單相樣機(jī)和380V三相樣機(jī)的基礎(chǔ)上，于2007年初研制出35kV/1.2kA/90MVA飽和鐵芯型SFCL，并于2009年4月10日在云南昆明供電局220kV普吉

7、變電站成功掛網(wǎng)，目前正在研制220kV的SFCL樣機(jī)。東北大學(xué)物理系在國(guó)家自然科學(xué)基金的資助下聯(lián)合西北有色金屬研究院開(kāi)展了磁屏蔽型SFCL的研究，并完成了一臺(tái)實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)。另外，清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、浙江大學(xué)、湖南大學(xué)也在開(kāi)展SFCL的相關(guān)研究工作。自20世紀(jì)90年代初，EPRI推出固態(tài)FCL方案后，國(guó)外在固態(tài)限流器方面的研究取得巨大進(jìn)展。1993年初，在美國(guó)新澤西州Mort Monmouth的Army Power Center的4.6kV交流饋電線路上安裝了一個(gè)由反并聯(lián)GTO構(gòu)成的6.6MW的固態(tài)斷路器，平均工作電流為800A，在發(fā)生短路故障300ms的時(shí)間內(nèi)切斷故障，起到有效的保護(hù)作用；西

8、屋公司與EPRI合作，制造出一臺(tái)（13.8kV，675A）FCL（與固態(tài)斷路器SSCB組合），于1995年2月安裝在PSE&G的變電站投入運(yùn)行；日本東北電力公司及日立公司研制了（Distribution Current Limiting Device, DCLD）的試驗(yàn)裝置，并進(jìn)行了試驗(yàn)。故障限流器(FCL)早在70年代就出現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)中，但真正受到重視和快速發(fā)展是在柔性交流輸電技術(shù)提出以后，從近十年的發(fā)展來(lái)看可以將故障限流器分為兩大類(lèi)：第一類(lèi)就是采用功率電子器件控制線路阻抗的限流器；第二類(lèi)就是采用具有特殊性質(zhì)的材料作為限流器的基本組成部分，例如：超導(dǎo)材料和具有正溫度系數(shù)(PTC)

9、的聚合材料等。SFCL在國(guó)外工程研究文獻(xiàn)報(bào)到較多，其工程應(yīng)用方面較早的是1995年Lockheed Martin公司（美國(guó)）研制的橋路型2.4kV/80A的超導(dǎo)限流器；在1999年General Atomics公司又研制了指標(biāo)為15kV/20kA的橋路型超導(dǎo)限流器；瑞士ABB公司也分別在1996年和2002年研制了1.2MVA和6.4MVA的電阻型超導(dǎo)限流器；2004年，日本Toshiba公司利用超導(dǎo)高溫材料研制了66kV/750A的超導(dǎo)限流器。此外，1994年日本富士電機(jī)與關(guān)西電力公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)出由真空開(kāi)關(guān)和GTO并聯(lián)構(gòu)成的400V配電用混合式限流器。1998年ACEC-Transport和G

10、EC-Alsthom公司開(kāi)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。最近兩年來(lái)，一方面主要完善前面的幾種固態(tài)限流器，使之滿(mǎn)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?jī)A向于將串聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償和限流功能集于一身。17第三章 第二章 故障電流限制器的原理及要求故障電流限制器，也稱(chēng)短路電流限制器或簡(jiǎn)稱(chēng)限流器，英文名FCL（Fault Current Limiter）或SCCL（Short-Circuit Current Limiter），是一種串聯(lián)于電氣回路中、可對(duì)故障電流包括其第一峰值進(jìn)行有效限制的阻抗變換器件或具有限流功能的快速開(kāi)斷設(shè)備。故

11、障限流器是一種串接在線路中的電氣設(shè)備。它正常時(shí)阻抗為零或很小，而故障時(shí)阻抗很大。對(duì)故障限流器的技術(shù)要求主要有以下幾個(gè)方面：（1）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(wú)功功率損耗很小，對(duì)系統(tǒng)無(wú)任何影響（壓降為零）；（2）故障發(fā)生后，裝置應(yīng)能在極短時(shí)間內(nèi)動(dòng)作，在故障電流到達(dá)第一個(gè)峰值前有效限制短路電流；（3）有一定的限制容量和限流時(shí)間；（4）控制簡(jiǎn)單，無(wú)須高速短路故障檢測(cè)技術(shù)；（5）動(dòng)作時(shí)不引起系統(tǒng)暫態(tài)振蕩，過(guò)電壓等副作用；（6）不影響繼電保護(hù)等設(shè)備的正確動(dòng)作；（7）裝置有自動(dòng)復(fù)位功能和多次連續(xù)動(dòng)作能力；（8）設(shè)備的成本和運(yùn)行費(fèi)用低，可承受的體積和重量，可靠性高，維修量小。觸

12、發(fā)線圈為極細(xì)絲超導(dǎo)電纜無(wú)感繞制而成，失超時(shí)呈現(xiàn)較大的電阻來(lái)限流，限制線圈用于限制過(guò)電壓、保護(hù)觸發(fā)線圈；SFCL由超導(dǎo)屏蔽筒、銅繞組和鐵芯同軸配置而成，正常運(yùn)行時(shí)銅繞組產(chǎn)生的磁通被完全屏蔽，裝置表現(xiàn)為低阻狀態(tài)，故障時(shí)因超導(dǎo)筒內(nèi)的電流密度超過(guò)臨界值而失超，裝置阻抗增大從而起到限流作用；飽和鐵芯電抗器型SFCL，由一對(duì)鐵芯電抗器組成，每個(gè)鐵芯上有一個(gè)交流銅繞組和一個(gè)直流超導(dǎo)繞組，兩個(gè)交流繞組極性相反，正常運(yùn)行時(shí)鐵芯因超導(dǎo)線圈的直流偏磁作用而處于飽和狀態(tài)，裝置呈現(xiàn)低阻，故障電流時(shí)由于交流繞組交替的去飽和作用，保證總有一個(gè)鐵芯處于不飽和狀態(tài)，裝置呈現(xiàn)阻抗而限流；橋路型SFCL，正常運(yùn)行時(shí)由于直流源對(duì)超導(dǎo)

13、線圈L的偏流使得二極管橋路始終處于導(dǎo)通狀態(tài)，故障時(shí)橋路截止，電流流過(guò)具有一定阻抗的超導(dǎo)線圈L，故障電流得到限制。第三章 超導(dǎo)故障電流限制器（SCFCL）第三章 超導(dǎo)故障電流限制器（SCFCL）3.1 概述在1997年左右日本就開(kāi)始研究超導(dǎo)故障限流器，同時(shí)中國(guó)科學(xué)院電工研究所也就超導(dǎo)故障限流器發(fā)表過(guò)文章。將超導(dǎo)故障限流器(簡(jiǎn)稱(chēng)SFCL)接入電網(wǎng)中，當(dāng)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，傳輸電流在臨界電流以下，超導(dǎo)體的電阻幾乎為零，對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行不產(chǎn)生影響。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)體瞬時(shí)失超產(chǎn)生非線性高電阻，從而有效地限制短路電流。超導(dǎo)故障限流器(SFCL)有許多類(lèi)型，其中橋路超導(dǎo)故障限流器

14、具有廣闊的前景?；诔瑢?dǎo)技術(shù)的故障電流限制器可簡(jiǎn)稱(chēng)為SFCL（Superconducting Fault Current Limiter），主要是利用超導(dǎo)體正常狀態(tài)下特有的零電阻導(dǎo)電性能或失超時(shí)的電阻突變現(xiàn)象來(lái)工作。超導(dǎo)體保持超導(dǎo)狀態(tài)的三個(gè)條件是：臨界溫度Tc，臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度Hc和臨界電流密度Jc。任何一個(gè)條件不滿(mǎn)足就出現(xiàn)“失超”，即進(jìn)入非超導(dǎo)狀態(tài)。高溫超導(dǎo)體需要用液N2作冷媒，臨界溫度Tc為77K；低溫超導(dǎo)體需要采用價(jià)格昂貴的液He作致冷劑，臨界溫度Tc在4K附近。國(guó)外對(duì)SFCL的研究始于上世紀(jì)90年代中期，我國(guó)的研究則始于本世紀(jì)初。中國(guó)科學(xué)院電工研究所在國(guó)家超導(dǎo)聯(lián)合研究與開(kāi)發(fā)中心的資助下采用

15、低溫超導(dǎo)線圈研制10.5kV/1.5kA橋路型SFCL工業(yè)樣機(jī)，于2005年8月14日在湖南婁底電業(yè)局110kV高溪變掛網(wǎng)運(yùn)行。由北京云電英納超導(dǎo)電纜有限公司和天津市機(jī)電工業(yè)控股集團(tuán)公司聯(lián)合，在研制出220V/3000A單相樣機(jī)和380V三相樣機(jī)的基礎(chǔ)上，于2007年初研制出35kV/1.2kA/90MVA飽和鐵芯型SFCL，并于2009年4月10日在云南昆明供電局220kV普吉變電站成功掛網(wǎng)，目前正在研制220kV的SFCL樣機(jī)。東北大學(xué)物理系在國(guó)家自然科學(xué)基金的資助下聯(lián)合西北有色金屬研究院開(kāi)展了磁屏蔽型SFCL的研究，并完成了一臺(tái)實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)。另外，清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、浙江大學(xué)、湖南大學(xué)

16、也在開(kāi)展SFCL的相關(guān)研究工作。3.2 分類(lèi)及原理介紹SFCL的種類(lèi)繁多，按原理可分為：（1）利用自身的電阻或電感限流；（2）利用鐵芯磁路特性，使限流繞組工作在飽和或去飽和狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)低阻導(dǎo)流及高阻限流的目的。超導(dǎo)體有3種導(dǎo)電狀態(tài)，即超導(dǎo)狀態(tài)、正常導(dǎo)電狀態(tài)和過(guò)渡態(tài)。影響超導(dǎo)狀態(tài)的三個(gè)因素是溫度(T)、電流密度(j)和垂直于電流方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度(B)，如圖1所示，曲面S1內(nèi)代表超導(dǎo)態(tài)，曲面S2以外代表常態(tài)導(dǎo)電區(qū)，S1和S2之間代表的是過(guò)渡狀態(tài)。短路故障發(fā)生時(shí)，SCFCL從超導(dǎo)到失超可在1 ms左右完成。圖2為東芝公司研制的6.6 kV/1.5 kA超導(dǎo)故障限流器在不同外加電壓下發(fā)生短路故障時(shí)超導(dǎo)電

17、阻阻值的變化曲線。圖1超導(dǎo)體導(dǎo)電狀態(tài)影響因數(shù)示意圖圖2超導(dǎo)線圈在不同外加電壓下發(fā)生短路時(shí)超導(dǎo)電阻的變化情況多數(shù)SCFCL 的工作原理均基于超導(dǎo)體的電狀態(tài)躍遷。典型的超導(dǎo)故障電流限制器的實(shí)現(xiàn)方法如圖3所示。其動(dòng)作原理是：當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，超導(dǎo)線圈中的電流超過(guò)了臨界值而失超，電阻迅速增大，為了不使超導(dǎo)線圈嚴(yán)重過(guò)熱，開(kāi)斷快速斷路器d，電阻R接替限流工作，直至主線上的斷路器最終分?jǐn)喽搪冯娏鳌ｋ娮鑂也可以由電感L代替，以限制故障電流，但它不消耗有功功率，因此對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定性而言電感的優(yōu)越性不及電阻。另一種SCFCL的原理電路如圖4所示，它實(shí)際上是一個(gè)次級(jí)繞組短路的變壓器。單匝的次級(jí)繞組由超導(dǎo)材料制成，線

18、路正常工作時(shí)初級(jí)繞組端的阻抗很小，故障時(shí)次級(jí)線圈的阻值迅速增大，反映到原邊的阻抗也隨之增加。還有一種方案如圖5所示，電抗器的直流偏置繞組用超導(dǎo)材料制成，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(guò)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。圖3單相SCFCL原理圖 圖4帶鐵芯的SCFCL圖5磁飽和型SCFCL采用功率電力器件控制線路阻抗的故障限流器。這種故障限流器保護(hù)電路的基本思想就是：在正常負(fù)載情況下FCL所呈現(xiàn)的是低阻抗，但是在故障發(fā)生時(shí)，F(xiàn)CL動(dòng)作保護(hù)就會(huì)呈現(xiàn)出大的阻抗值以

19、限制故障電流，將故障電流限制在斷路器正常工作范圍內(nèi)。在線路正常工作情況下，晶閘管處于閉鎖狀態(tài)，電路為串聯(lián)工作。而在故障發(fā)生時(shí)(SF閉合)，控制電路觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管，接入電容器兩端，與電容器并聯(lián)運(yùn)行，增大線路阻抗值以限制故障電流。在這個(gè)電路中，晶閘管控制電抗器并聯(lián)接在電容器兩端，在正常運(yùn)行條件下，晶閘管并不導(dǎo)通，僅在短路發(fā)生情況下，晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通，接入電路起到分流作用，因此在正常工作情況下不會(huì)有諧波產(chǎn)生，同時(shí)由于相對(duì)比較短的保護(hù)過(guò)程，所以發(fā)熱情況并不嚴(yán)重，不需要冷卻裝置。在1998年左右，瑞士ABB研究協(xié)會(huì)提出采用具有正溫度系數(shù)(PTC)的聚合材料作為限制器的基本組成成分，這種設(shè)備在故障電流流過(guò)時(shí)

20、能快速增大自身阻值來(lái)限制和切斷故障電流，通常其阻值可以提高8到10個(gè)數(shù)量級(jí)。由PTC電阻并聯(lián)限壓器構(gòu)成的限流器，具有隨溫度升高其阻值會(huì)增加的能力，溫度的升高是由于電流在PTC電阻上的功率損耗所引起的。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，PTC呈現(xiàn)低阻值，額定電流全部通過(guò)PTC電阻，此時(shí)PTC電阻上的功率損耗很低。當(dāng)故障出現(xiàn)時(shí)，電流大于臨界電流值而急劇上升，則功率也相應(yīng)急劇上升，引起溫度升高，從而PTC的阻值隨溫度的升高而迅速上升，以限制和切斷故障電流。這種設(shè)備所存在的缺點(diǎn)：限制和切斷故障電流的時(shí)間是毫秒級(jí)。PTC電阻比較容易受外界因素的影響。對(duì)于限制較高數(shù)值的電流，效果比較明顯，而對(duì)于限制低值電流其效果不佳。3

21、.3超導(dǎo)故障限流器有待解決的問(wèn)題超導(dǎo)故障限流器目前主要應(yīng)用于直流領(lǐng)域, 至今沒(méi)有在交流電網(wǎng)中得到大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用, 這是由于一些問(wèn)題有待解決, 主要問(wèn)題有:（1）超導(dǎo)磁體穩(wěn)定性問(wèn)題超導(dǎo)體能無(wú)損耗通過(guò)直流, 但不能無(wú)損耗通過(guò)交流, 交流磁通線不斷進(jìn)出超導(dǎo)體產(chǎn)生能量損耗, 且能量損耗分布很不均勻, 使超導(dǎo)體內(nèi)部溫差很大, 溫度高的地方將首先失超轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦杩範(fàn)顟B(tài), 這部分超導(dǎo)體溫度迅速上升, 易使超導(dǎo)體過(guò)熱燒毀。（2）故障后超導(dǎo)體恢復(fù)時(shí)間問(wèn)題超導(dǎo)故障限流器的恢復(fù)特性對(duì)其能否在電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用有重要的影響?；謴?fù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)無(wú)法重合閘, 如何減少恢復(fù)時(shí)間是超導(dǎo)故障限流器下一步重點(diǎn)解決的問(wèn)題。（3）超導(dǎo)體

22、限流后的散熱問(wèn)題超導(dǎo)體散熱問(wèn)題始終沒(méi)有得到圓滿(mǎn)解決, 功率較小情況下可采用并聯(lián)電阻轉(zhuǎn)移熱量, 但在高電壓大功率應(yīng)用中, 為使超導(dǎo)體能產(chǎn)生足夠高電阻限制短路電流, 須采用較長(zhǎng)超導(dǎo)體, 但線路越長(zhǎng), 分布電感越大, 分布電感的大小決定了短路電流換流到并聯(lián)電阻的速度, 過(guò)大的分布電感使故障電流換流速度過(guò)慢, 易使超導(dǎo)體在限流過(guò)程中因溫升過(guò)大而燒毀, 降低裝置可靠性。第四章 固態(tài)故障電流限制器第四章 固態(tài)故障電流限制器我國(guó)對(duì)基于電力電子技術(shù)的故障電流限制器也進(jìn)行了工業(yè)化研究，2002年10月甘肅省電力公司與國(guó)家電網(wǎng)公司簽訂“可控串補(bǔ)國(guó)產(chǎn)化研制工程技術(shù)應(yīng)用研究”合同，項(xiàng)目采用中國(guó)電力科學(xué)研究院自主研發(fā)的

23、可控串補(bǔ)裝置TCSC及保護(hù)系統(tǒng)，產(chǎn)品于2004年12月22日在甘肅隴南電力局220kV成碧線成功投入運(yùn)行。基于此項(xiàng)技術(shù)的延伸，2009年12月由中國(guó)電力科學(xué)研究院和華東電網(wǎng)有限公司聯(lián)合研制的基于TPSC技術(shù)的短路電流限制器在華東電網(wǎng)500kV瓶窯變順利投運(yùn)，將短路點(diǎn)的總短路電流限制到47kA以下，此裝置的投運(yùn)可改善超高壓系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性、減小發(fā)電機(jī)的最大搖擺角、抑制系統(tǒng)的電壓波動(dòng)。在1993年日本提出了固態(tài)故障限流器的設(shè)計(jì)方案，原因?yàn)椋簜鹘y(tǒng)過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)由斷路器和過(guò)流延時(shí)裝置(OCR)組成，從短路發(fā)生到斷路器動(dòng)作，一般有0.2s到0.5s的延時(shí)，這樣在延遲時(shí)間內(nèi)線路的電壓就會(huì)降低或是功率輸送間斷

24、，影響輸送電能的質(zhì)量。為降低保護(hù)動(dòng)作的時(shí)間，提高電能傳輸質(zhì)量，限制故障電流，提出了固態(tài)限流器設(shè)計(jì)方案，由于GTO響應(yīng)速度快，通常在控制裝置發(fā)出信號(hào)到GTO響應(yīng)動(dòng)作只需40s；控制裝置檢測(cè)到故障電流發(fā)出開(kāi)通信號(hào)給GTO，限流電阻R串入主電路，限制故障電流，這樣整個(gè)系統(tǒng)的故障電流被限制在一定范圍內(nèi)，而且保護(hù)動(dòng)作的響應(yīng)時(shí)間縮短了，提高了系統(tǒng)電能傳輸能力。4.1 原理介紹1996年提出了帶串聯(lián)補(bǔ)償?shù)墓收舷蘖髌?，給出了帶串聯(lián)補(bǔ)償FCL的原理電路圖，正常運(yùn)行時(shí)為電感和電容串聯(lián)，可控硅控制裝置關(guān)斷，電路阻抗呈容性，此時(shí)故障限流器工作在常規(guī)串補(bǔ)狀態(tài)下。在故障發(fā)生時(shí)，開(kāi)關(guān)迅速導(dǎo)通短接電容器，此時(shí)電抗器限制短路電

25、流。低值阻抗限制沖擊電流；過(guò)壓保護(hù)器件和旁路開(kāi)關(guān)并聯(lián)在電容器兩端，同時(shí)故障也合閘，這樣低值阻抗不僅可以限制沖擊電流，而且電容所儲(chǔ)存的電能通過(guò)釋放。其特點(diǎn)是：正常運(yùn)行時(shí)，由于開(kāi)關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)，所以沒(méi)有功率損耗。正常運(yùn)行時(shí)，相當(dāng)于常規(guī)串補(bǔ)，所以提高了故障限流器的使用率。由于帶串補(bǔ)FCL既可以限流，也可以補(bǔ)償無(wú)功，所以提高了系統(tǒng)的傳輸能力和穩(wěn)定性?；陔娏﹄娮蛹夹g(shù)的固態(tài)故障限流器在近幾年得到廣泛研究。固態(tài)故障限流器利用電力電子元件構(gòu)成轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷, 將故障電流切換到限制回路,實(shí)現(xiàn)限流功能。近十年來(lái)，電力電子器件的技術(shù)水平提高很快，在中壓電力系統(tǒng)中已可直接應(yīng)用，經(jīng)適當(dāng)?shù)拇⒙?lián)后甚至可用到高壓、

26、超高壓系統(tǒng)。采用電力電子器件限流的方案較多，總的原理是利用電力電子器件的可控性和快速性使正常工作時(shí)處于串聯(lián)諧振(阻抗Z0)狀態(tài)下的L電路在短路故障時(shí)脫諧，或使正常工作下處于非諧振狀態(tài)下的電路在短路故障時(shí)進(jìn)入并聯(lián)諧振(導(dǎo)納Y0)，從而使線路的阻抗增大而達(dá)到限制短路電流的目的。限流方案還可以合并其他FACTS器件的工作，而成為多功能FACTS控制器。例如與串聯(lián)補(bǔ)償作用結(jié)合起來(lái)形成串聯(lián)補(bǔ)償式限流器。圖6、圖7分別為晶閘管和由GTO控制的諧振電路。在正常工作狀態(tài)下TH-1和TH-2、GTO-1和GTO-2均不通過(guò)電流，而當(dāng)短路發(fā)生時(shí)，會(huì)在幾ms內(nèi)快速觸發(fā)這些電力電子元件，使線路阻抗增大而達(dá)到限流目的。

27、圖6晶閘管控制諧振式FCL 圖7由GTO控制的諧振式FCL另一種實(shí)現(xiàn)方法的電路圖如圖8所示，其工作原理是：由于電容C和電抗器L1的合成阻抗呈容性，F(xiàn)CL可以補(bǔ)償輸電線的串聯(lián)感抗及無(wú)功功率。與C并聯(lián)的開(kāi)關(guān)SW1為晶閘管固態(tài)開(kāi)關(guān)，常態(tài)為開(kāi)路，即FCL常態(tài)下為一串聯(lián)補(bǔ)償器。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，SW1首先快速接通旁路電容C，此時(shí)電抗器L1將限制故障電流，Z1限制通過(guò)SW1的涌流，與電容器并聯(lián)的還有過(guò)電壓保護(hù)器件ZnO和旁路開(kāi)關(guān)BPS，用以保護(hù)SW1開(kāi)關(guān)及電容器本體。圖8所示的FCL可以作成單元模塊，若干個(gè)這種模塊就可以組成保護(hù)系統(tǒng)。圖8帶串聯(lián)補(bǔ)償?shù)腇CL4.2關(guān)鍵技術(shù)前更新、更合理的故障電流限制技術(shù)主要有

28、2 種：1）在原有串聯(lián)電抗器的基礎(chǔ)上，采用各種可靠開(kāi)關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電抗器的可控化；2）基于其它創(chuàng)新原理實(shí)現(xiàn)的FCL，如基于超導(dǎo)技術(shù)的FCL?；诰чl管保護(hù)串聯(lián)電容器(TPSC)技術(shù)的串聯(lián)諧振型FCL是現(xiàn)階段解決超高壓系統(tǒng)短路電流超標(biāo)問(wèn)題比較可行的新技術(shù)手段。本節(jié)將主要闡述該類(lèi)FCL所涉及的關(guān)鍵技術(shù)：l 超高壓電網(wǎng)短路電流限制器的基礎(chǔ)理論研究l 短路電流限制器的系統(tǒng)分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)l 對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)行為的影響l 故障電流限制器的故障檢測(cè)算法l 故障電流限制器的控制保護(hù)策略l 晶閘管快速保護(hù)電容器技術(shù)l 對(duì)現(xiàn)有繼電保護(hù)的影響l 電流限制器的在線檢測(cè)、故障診斷技術(shù)l 基于技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)評(píng)估模型的最佳配置方案研

29、究針對(duì)以上關(guān)鍵技術(shù)，國(guó)內(nèi)一些高校和研究單位，特別是中國(guó)電力科學(xué)研究院結(jié)合示范工程，進(jìn)行了相關(guān)研究，主要工作有：（1） 諧振型限流器最優(yōu)投切策略研究：通過(guò)建模仿真的方式，對(duì)各種投切模式進(jìn)行分析，找出了最為理想的投切模式，即聯(lián)合投切模式，該模式利用了FCL諧振狀態(tài)，利用該狀態(tài)可以抑制旁路斷路器的過(guò)電壓，避免線路電流激增，同時(shí)可以最大程度的減小投切對(duì)電網(wǎng)暫態(tài)的影響。（2）超高壓電網(wǎng)的故障限流器的應(yīng)用研究：串聯(lián)諧振型限流器具有響應(yīng)速度快，能滿(mǎn)足超高壓電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行方式的需求等優(yōu)點(diǎn)，技術(shù)經(jīng)濟(jì)上也比傳統(tǒng)串聯(lián)電抗器有優(yōu)勢(shì)，工程上可行。另外通過(guò)多重化旁路開(kāi)關(guān)技術(shù)來(lái)有效降低電容器過(guò)壓擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。諧振型參數(shù)抑制因子

30、與電抗器、電容器的阻值成正比，該值的確定需綜合考慮系統(tǒng)需求，既要考慮可實(shí)現(xiàn)性又要考慮對(duì)系統(tǒng)保護(hù)設(shè)備的影響。（3） 諧振型限流器過(guò)電壓保護(hù)電路拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)：系統(tǒng)短路故障時(shí)，電容器快速旁路是諧振型限流器的關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)建立拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型的方式，從時(shí)域角度分析了限流器各保護(hù)器件投入過(guò)程的阻尼電流變化。從電流應(yīng)力出發(fā)，串補(bǔ)加閥前小電抗型拓?fù)淠苡行Ы档妥枘犭娏鞫付群碗娏髡袷帟r(shí)間，是比較好的方案。在優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上分析了阻尼參數(shù)對(duì)電流強(qiáng)度的影響，給出了參數(shù)優(yōu)化范圍。并提出了限流器新型過(guò)電壓保護(hù)方案是采用采用MOV、晶閘管閥、間隙和快速開(kāi)關(guān)作為保護(hù)器件的方案。（4） 對(duì)線路距離保護(hù)的影響：輸電線路安裝故

31、障限流器后，其固有的阻抗特性（包括電氣距離）被改變，這種改變對(duì)安裝在其下游的阻抗繼電器的測(cè)量沒(méi)有影響，但對(duì)于安裝其上游的距離保護(hù)有很大影響，為此需要進(jìn)行重新整定。阻抗圓特性偏移組合法通過(guò)對(duì)距離保護(hù)阻抗特性圓的修正，能很好的解決這個(gè)問(wèn)題。（5） 故障限流器保護(hù)配置研究：主要借鑒可控串聯(lián)電容器裝置的保護(hù)配置，以保護(hù)故障限流器設(shè)備和電網(wǎng)的安全運(yùn)行為目的，具體如下：線路過(guò)電流保護(hù)（用于快速觸發(fā)閥和暫時(shí)閉合旁路，以限制故障電流）、線路電流斜率保護(hù)（為縮短故障檢測(cè)時(shí)間，以縮短電抗投入時(shí)間）、主動(dòng)旁路保護(hù)（即閥裕度不足和阻尼回路損壞保護(hù)）、閥保護(hù)（包括閥自觸發(fā)保護(hù)和閥拒觸發(fā)保護(hù)）、線路電流監(jiān)視告警、旁路斷路

32、器合閘失靈保護(hù)、旁路斷路器分閘失靈保護(hù)、旁路斷路器三相不一致保護(hù)、刀閘三相不一致告警、MOV 保護(hù)、電容器組保護(hù)、其他保護(hù)配置（GAP 拒觸發(fā)保護(hù)、GAP 延遲觸發(fā)保護(hù)、GAP自觸發(fā)保護(hù)、平臺(tái)閃絡(luò)保護(hù)、線路聯(lián)動(dòng)保護(hù)）4.3 工程應(yīng)用2009年12月25日，世界第一臺(tái)500kV故障電流限制器在華東電網(wǎng)500kV浙江瓶窯變電站投入運(yùn)行。該項(xiàng)目是國(guó)家電網(wǎng)公司“十一五”重大科技項(xiàng)目，由華東電網(wǎng)公司和中國(guó)電力科學(xué)研究院合作，歷經(jīng)3年的研究和建設(shè)，完成了項(xiàng)目并掌握了核心技術(shù)。該裝置在制造技術(shù)和水平、系統(tǒng)集成和工程實(shí)施能力上達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，這種串聯(lián)諧振型FCL在實(shí)際工程中的應(yīng)用在國(guó)內(nèi)尚屬首次。該工程是在華

33、東電網(wǎng)瓶窯杭北單回線上安裝一臺(tái)8.0 、額定電流為2.0 kA 的FCL，該FCL可大幅降低支路的短路電流，并能把短路點(diǎn)的總電流降低到47kA以下。故障限流器由晶閘管保護(hù)的串聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備（TPSC）和與之阻抗值相同的串聯(lián)電抗器組成。正常狀態(tài)下,串聯(lián)在電網(wǎng)中的限流器阻抗為零,不對(duì)系統(tǒng)的潮流分布、無(wú)功和電壓產(chǎn)生影響。系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),晶閘管導(dǎo)通,電容器被旁路,只有電抗器串聯(lián)在系統(tǒng)中,故障電流抑制器提供的電抗值由零躍升至X ,故障電流因而得到有效地抑制。由于TPSC采用自冷卻的直接光觸發(fā)技術(shù)的晶閘管(LTT) ,故障消除后,電容器可以很快重新投入,提高了大干擾后系統(tǒng)的穩(wěn)定性。第五章 理想限流器具備的性能

34、特征第五章 理想限流器具備的性能特征故障電流限制器的發(fā)展趨勢(shì)及方向：響應(yīng)及恢復(fù)時(shí)間短、限流效果可控、可重復(fù)使用、寬額定電流范圍、高可靠、低功耗、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)便、結(jié)構(gòu)緊湊、成本合理、環(huán)境友好。FCL的檢測(cè)裝置能快速識(shí)別故障電流并作出響應(yīng)，啟動(dòng)限流元件將故障電流限制到預(yù)期的水平內(nèi)。完成限流后，F(xiàn)CL的限流元件可以快速恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)，以備下次故障時(shí)再使用，對(duì)于要求自動(dòng)重合閘的系統(tǒng)這一特性顯得尤為重要。 限流效果可以通過(guò)兩個(gè)方面加以描述。其一是 FCL限流元件的啟動(dòng)電流，即FCL開(kāi)始起作用的最小電流；其二是限流系數(shù)，即經(jīng)過(guò)FCL后電路中實(shí)際出現(xiàn)的峰值電流與預(yù)期故障電流的最大峰值電流的比值。顯然，這兩

35、個(gè)指標(biāo)的量值表示限流效果的好壞，具體量值應(yīng)該根據(jù)FCL的應(yīng)用方式及安裝位置的實(shí)際情況合理設(shè)計(jì)或整定，不應(yīng)單方面追求過(guò)強(qiáng)的限流效果而忽視了實(shí)用性及FCL產(chǎn)品成本的控制?？梢远啻问褂枚皇菃未问褂?，可重復(fù)使用的次數(shù)是FCL的重要技術(shù)指標(biāo)。目前SFCL及基于電力電子技術(shù)的FCL具備多次使用的特性。對(duì)于高壓領(lǐng)域，額定電流的范圍要求630A6300A，在發(fā)電機(jī)出口使用的限流器根據(jù)發(fā)電機(jī)容量對(duì)額定電流的要求經(jīng)常會(huì)更高。FCL一般裝備在電力系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上，其可靠性直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全性，拒動(dòng)、誤動(dòng)、失效是不允許的。另外，若需要經(jīng)常性的維護(hù)或保養(yǎng)則會(huì)使運(yùn)行成本急劇上升，影響FCL的適用性。FCL裝置本身應(yīng)改具有低功耗特性，即低無(wú)功損耗和低有功損耗。巨大的能耗或電壓降落會(huì)明顯影響其運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，增加用戶(hù)的運(yùn)行成本甚至失去適用性。參考文獻(xiàn)第