故障限流器技術(shù)的研究概況_secret

1、故障限流器技術(shù)的研究概況摘 要：近年來，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有待解決的問題。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)定問題的重要條件。故障限流器的開發(fā)和研制，開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。 關(guān)鍵字：故障限流器 高壓 超高壓輸電 交流輸電1引言 近年來，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有待解決的問題

2、。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)定問題的重要條件。故障限流器的開發(fā)和研制，開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。 2國外故障限流器研究的動態(tài) 故障限流器(FCL)早在70年代就出現(xiàn)在國內(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)展來看可以將故障限流 器分為兩大類：第一類就是采用功率電子器件控制線路阻抗的限流器；第二類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)的聚合材料等。 2.1采用功率電力器件控制線路

3、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，F(xiàn)CL動作保護(hù)就會呈現(xiàn)出大的阻抗值以限制故障電流，將故障電流限制在斷路器正常工作范圍內(nèi)，圖1為FCL的實驗室裝置圖。在線路正常工作情況下，晶閘管處于閉鎖狀態(tài)，L2R2未被串入，電路為L1C串聯(lián)工作。而在故障發(fā)生時(SF閉合)，控制電路觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管，L2R2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，L2接入電路起到分流作用，因此在正常工作情況

4、下不會有諧波產(chǎn)生，同時由于相對比較短的保護(hù)過程，所以發(fā)熱情況并不嚴(yán)重，不需要冷卻裝置。 2.2固態(tài)故障限流器 在1993年日本提出了固態(tài)故障限流器的設(shè)計方案，原因為：傳統(tǒng)過流保護(hù)系統(tǒng)由斷路器和過流延時裝置(OCR)組成，從短路發(fā)生到斷路器動作，一般有 0.2s到0.5s的延時，這樣在延遲時間內(nèi)線路的電壓就會降低或是功率輸送間斷，影響輸送電能的質(zhì)量。為降低保護(hù)動作的時間，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)計方案，由于GTO響應(yīng)速度快，通常在控制裝置發(fā)出信號到GTO響應(yīng)動作只需40s；控制裝置檢測到故障電流發(fā)出開通信號給 GTO，限流電阻R串入主電路，限制故障電流，這樣整個系統(tǒng)的

5、故障電流被限制在一定范圍內(nèi)，而且保護(hù)動作的響應(yīng)時間縮短了，提高了系統(tǒng)電能傳輸能力。 但是這種限流器的缺點(diǎn)就是正常情況下可控硅控制電路處于斷開狀態(tài)，僅在故障發(fā)生的情況下才能投入使用，所以它的使用率不高。 2.3帶串聯(lián)補(bǔ)償故障限流器 1996年在日本又提出了帶串聯(lián)補(bǔ)償?shù)墓收舷蘖髌?，圖2給出了帶串聯(lián)補(bǔ)償FCL的原理電路圖，正常運(yùn)行時為電感L1和電容C1串聯(lián)，可控硅控制裝置 SW1關(guān)斷，電路阻抗呈容性，此時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，SW1迅速導(dǎo)通短接電容器C1，此時電抗器L1限制短路電流。低值阻抗 Z1限制沖擊電流；過壓保護(hù)器件ZNO和旁路開關(guān)BPS并聯(lián)在電容器C1兩端，同時故障B

6、PS也合閘，這樣低值阻抗Z2不僅可以限制沖擊電流，而且C1所 儲存的電能通過Z2釋放。其特點(diǎn)是：正常運(yùn)行時，由于SW1處于關(guān)斷狀態(tài)，所以沒有功率損耗。正常運(yùn)行時，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)償無功，所以提高了系統(tǒng)的傳輸能力和穩(wěn)定性。 2.4超導(dǎo)故障限流器(SFCL) 在1997年左右日本就開始研究超導(dǎo)故障限流器，同時中國科學(xué)院電工研究所也就超導(dǎo)故障限流器發(fā)表過文章。將超導(dǎo)故障限流器(簡稱SFCL)接入電網(wǎng) 中，當(dāng)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時，傳輸電流在臨界電流以下，超導(dǎo)體的電阻幾乎為零，對電力系統(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

7、時，超導(dǎo) 體瞬時失超產(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)有許多類型，其中橋路超導(dǎo)故障限流器具有廣闊的前景。橋式超導(dǎo)故障限流 器的原理電路圖如圖3所示。它由二極管橋路D1D4，超導(dǎo)線圈L和直流偏壓源Vb組成。正常運(yùn)行期間二極管D1D4全部導(dǎo)通，線路電流iac小于負(fù)載電流，此時調(diào)節(jié)Vb使SFCL對線路電流iac不表現(xiàn)出任何阻抗。此時橋路上只有較小的正向電壓降。當(dāng)線路發(fā)生短路故障時，iac幅值增加到等于負(fù)載電流，這時在iac的正半周內(nèi)二極管D3和D4不導(dǎo)通，而在負(fù)半周內(nèi)D1和D2不導(dǎo)通，超導(dǎo)線圈就被自動串入線路，而且由于電流增大超導(dǎo)線圈失超呈現(xiàn)非線性高阻抗，因此短路電

8、流的上升率就被大阻抗所限制。2.5采用正溫度系數(shù)聚合材料的限流器 在1998年左右，瑞士ABB研究協(xié)會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)備在故障電流流過時能快速增大自身 阻值來限制和切斷故障電流，通常其阻值可以提高8到10個數(shù)量級。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PTC電阻，此時PTC電阻上的功率損耗很低。當(dāng)故障 出現(xiàn)時，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間是毫秒級。PTC電阻比較容易受外界因素的影響。對于限制較高數(shù)值的電流，效果比較明顯，而對于限制低值電 流其效果不佳。 3我國故障限流技術(shù)的發(fā)展前景 我國對故障限流技術(shù)的研究起步并不晚，但從實用化程 度看，和國際先進(jìn)水平還有一定的差距。在此提出幾點(diǎn)建議：第一：研究單位、生產(chǎn)廠家與用戶通力合作，避免研究和生產(chǎn)各自為戰(zhàn)，缺乏全面部署，重復(fù)開發(fā)，應(yīng) 集中力量實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化；第二：制定長遠(yuǎn)計劃。目前的研究僅限于某個工程、某個項目或裝