故障電流限制技術(shù)

1.故障電流限制技術(shù)概述

故障電流限制技術(shù)是智能電網(wǎng)的另一項(xiàng)重要技術(shù)。一般情況下，配電網(wǎng)短路會(huì)產(chǎn)生很大的故障電流，除可能造成相關(guān)的配電設(shè)備因發(fā)熱、機(jī)械應(yīng)力損害外，還會(huì)引起母線電壓驟降，使同一母線供電的敏感用電設(shè)備受影響，帶來嚴(yán)重的后果。

配電設(shè)備、導(dǎo)線的設(shè)計(jì)也因此要留有足夠的耐短路電流沖擊的裕度，這都使配電設(shè)備、導(dǎo)線的制造成本大幅增加，而應(yīng)用故障電流限制技術(shù)，將短路電流降低到一個(gè)合理的水平上，則可以解決這些問題。對(duì)于智能配電網(wǎng)，由于DER大量接入，這將造成配電網(wǎng)短路容量增加，使之超過配電設(shè)備與導(dǎo)線允許的設(shè)計(jì)值。如果因此而更換配電設(shè)備與導(dǎo)線，將造成極大的浪費(fèi)，而安裝故障電流限制設(shè)備來防止短路容量超標(biāo)則是一個(gè)比較經(jīng)濟(jì)的解決方案。因此，故障電流限制技術(shù)對(duì)于提高供電質(zhì)量、減少配電網(wǎng)造價(jià)與DER并網(wǎng)投資都具有十分重要的意義，是建設(shè)智能配電網(wǎng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

限制故障電流的措施分為系統(tǒng)級(jí)措施與設(shè)備級(jí)措施兩類。系統(tǒng)級(jí)措施有電網(wǎng)解列運(yùn)行、母線分列運(yùn)行、提高電壓等級(jí)等;設(shè)備級(jí)措施則是應(yīng)用故障電流限制器(FaultCurrentLimiter，F(xiàn)CL)。因受可靠性、電壓質(zhì)量、損耗等因素的限制，系統(tǒng)級(jí)限流措施發(fā)揮的作用有限，必須配合使用FCL，才能把短路電流降到一個(gè)較低的水平。

FCL是一種串接在線路中的電氣設(shè)備，未來的智能配電網(wǎng)，F(xiàn)CL將獲得普遍應(yīng)用，短路電流甚至可限制至2倍額定電流以下，使配電系統(tǒng)擺脫短路電流的危害，傳統(tǒng)的遮斷大電流的斷路器或許從系統(tǒng)中消失，配電網(wǎng)面貌、性能與保護(hù)控制方式將發(fā)生根本性的變化。

2.故障電流限制器(FCL)及其應(yīng)用

FCL分為被動(dòng)型與主動(dòng)型兩種。被動(dòng)型FCL在正常運(yùn)行與故障狀態(tài)下，均增加系統(tǒng)阻抗，構(gòu)成簡單，易于實(shí)現(xiàn)，但在正常運(yùn)行狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生電壓降，增加系統(tǒng)損耗。目前在系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用的FCL是串聯(lián)電抗器，是一種傳統(tǒng)的被動(dòng)型FCL。

主動(dòng)型FCL只是在故障狀態(tài)下快速增加系統(tǒng)阻抗，既限制了故障電流，又不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，是理想的故障電流限制設(shè)備。目前應(yīng)用或正在研發(fā)的主動(dòng)型FCL有高壓限流熔絲、可控串補(bǔ)裝置、超導(dǎo)型故障電流限制器等。因其原理、造價(jià)或其他一些因素的影響，主動(dòng)型FCL的應(yīng)用受到了限制。隨著電力電子技術(shù)與新材料技術(shù)的發(fā)展，主動(dòng)型FCL技術(shù)會(huì)更加成熟，其性能將進(jìn)一步改進(jìn)，成本也會(huì)逐漸降低，將成為主流的FCL。

以下介紹已應(yīng)用于配電網(wǎng)中的幾種主要的FCL(均為主動(dòng)型)及其在配電網(wǎng)中的應(yīng)用情況。

2.1.諧振FCL

諧振FCL分串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振兩種類型。

1)串聯(lián)諧振FCL利用電力電子器件，使正常工作時(shí)處于串聯(lián)諧振(阻抗接近零)狀態(tài)下的電路在出現(xiàn)短路故障時(shí)脫諧，使阻抗增大而達(dá)到限制短路電流的目的。圖7為串聯(lián)諧振FCL構(gòu)成原理圖，正常運(yùn)行時(shí)晶閘管(SCR)不導(dǎo)通，電感L與電容C發(fā)生串聯(lián)諧振，裝置阻抗為零。在系統(tǒng)出現(xiàn)短路時(shí)，SCR導(dǎo)通，電抗器串入電路起到限流作用。串聯(lián)諧振FCL簡單、可靠，已在中壓配電網(wǎng)中獲得應(yīng)用。

2)并聯(lián)諧振FCL在電力電子器件控制下正常工作時(shí)處于非諧振狀態(tài)，阻抗較小，而在系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障時(shí)進(jìn)入并聯(lián)諧振(阻抗)狀態(tài)，使線路阻抗增大而限制短路電流。這種FCL容量有限，實(shí)際系統(tǒng)中應(yīng)用較少。

2.2.超導(dǎo)FCL

超導(dǎo)FCL簡稱SFCL(SuperconductorFCL)，是利用超導(dǎo)體在由超導(dǎo)轉(zhuǎn)換為正常狀態(tài)后阻抗增大來限制故障電流。它有多種實(shí)現(xiàn)方式。

1)電阻型SFCL由高溫超導(dǎo)(HighTemperatureSuperconductor，HTS)線圈與并聯(lián)的普通線圈構(gòu)成。正常運(yùn)行時(shí)，線路電流全部通過處于超導(dǎo)狀態(tài)的HTS。在出現(xiàn)短路故障時(shí)，HTS線圈因流過它的電流超過臨界值而呈現(xiàn)高電阻，電流被轉(zhuǎn)移到普通線圈上去，達(dá)到限流目的。

2)橋路型SFCL構(gòu)成原理如圖8所示，它由二極管V1~V4、HTS線圈和直流偏壓源Gb組成。調(diào)節(jié)Gb的值，使流過HTS線圈的電流大于線路額定電流峰值。正常運(yùn)行時(shí)，橋路始終導(dǎo)通，HTS線圈兩端電壓為零。一旦發(fā)生短路故障，HTS線圈失超轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦锠顟B(tài)串入線路中限流。

3)變壓器型SFCL由通過線路電流的原邊常規(guī)繞組、副邊短接的高溫超導(dǎo)線圈和鐵芯組成。正常運(yùn)行時(shí)，超導(dǎo)線圈阻抗為零，變壓器因副邊被短接而呈現(xiàn)低阻抗。故障時(shí)，超導(dǎo)線圈因變壓器副邊電流很快超過臨界值而失超，副邊電阻瞬間變大，導(dǎo)致變壓器原邊的等效阻抗很快增大，從而限制故障電流的增加。

4)飽和型SFCL是一種非失超型的限流器，由鐵芯、一次交流繞組、二次直流HTS繞組及直流偏置電源等構(gòu)成(見圖9)。當(dāng)額定交流電流通過一次繞組時(shí)，選擇合適的直流偏置電源使兩個(gè)鐵芯均處于深度飽和狀態(tài)。而當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，瞬間增大的電流使交流線圈在鐵芯中產(chǎn)生的磁動(dòng)勢接近于直流磁動(dòng)勢，使兩個(gè)鐵芯分別在正負(fù)半波退出飽和，系統(tǒng)呈現(xiàn)高阻抗而起到限流的作用。

5)磁屏蔽型SFCL由外層的銅線圈、中間的HTS線圈和內(nèi)側(cè)的鐵芯或空心電抗器組成，銅線圈接入線路。正常運(yùn)行時(shí)，HTS線圈感應(yīng)磁通可抵消(屏蔽)銅線圈產(chǎn)生的磁通，整個(gè)裝置呈現(xiàn)很小的電抗值。當(dāng)電流超過一定值后，HTS線圈失超，磁屏蔽作用消失，SFCL呈現(xiàn)較大阻抗而限流。

總之，SFCL能在較高電壓下運(yùn)行，可在極短時(shí)間(百微秒級(jí))內(nèi)有效地限制故障電流，是FCL發(fā)展的重要方向。目前SFCL技術(shù)尚不夠成熟，還需要解決電流整定困難、失超后的散熱維護(hù)等問題。由于SFCL失超后恢復(fù)時(shí)間過長，不適于需要快速重合閘的場合。

2.3.熱敏電阻FCL

熱敏電阻(PTC)是一種非線性電阻，室溫時(shí)電阻值非常低，當(dāng)故障電流流過時(shí)，材料發(fā)熱升溫，在溫度升高到一定值時(shí)，電阻值在微秒時(shí)間內(nèi)提高8~10個(gè)數(shù)量級(jí)，從而起到限制故障電流的作用。熱敏電阻FCL已在低壓(380V)系統(tǒng)中獲得應(yīng)用。由于單個(gè)PTC元件的電壓與電流額定值不高，且存在電阻受外界因素影響大、電阻恢復(fù)時(shí)間長等缺陷，限制了其在高壓系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2.4.固態(tài)FCL

固態(tài)FCL由半導(dǎo)體器件構(gòu)成，能夠在達(dá)到峰值電流之前的電流上升階段就中斷故障電流。圖10給出了一種固態(tài)FCL的結(jié)構(gòu)，正常工作時(shí)，半導(dǎo)體開關(guān)(GTO1與GTO2)導(dǎo)通流過負(fù)荷電流，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行無影響。當(dāng)檢測到故障電流后，半導(dǎo)體開關(guān)被關(guān)斷，電流轉(zhuǎn)移到電抗器上，從而限制了故障電流。

固態(tài)FCL也是一種DFACTS設(shè)備。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，固態(tài)FCL技術(shù)愈來愈成熟，目前已在中低壓配電設(shè)備中獲得應(yīng)用。