故障限流器在電力系統中應用研究

莫吉漢

中海石油（中國）有限公司湛江分公司 廣東湛江 524057

隨著現代電力系統的迅速發展，短路故障電流隨著系統容量的增加而增加。如果不能正確及時地處理短路故障電流，不僅會危害電氣設備的安全運行，還會破壞電氣系統的暫時穩定，導致電氣系統的線路和運行中斷，造成電氣系統的損失，避免可能導致的大規模斷電[1]。

1 故障限流器

將FCL技術引入電力系統可顯著提高系統性能。其主要優點是使用FCL減少斷路器的停機負擔，系統不需要復雜的設備更換，成本降低；FCL在短路電流達到峰值之前發揮作用，降低斷路器熱極限和動態穩定極限的要求，迅速將短路電流限制在一定的水平，降低電路電壓損耗和發電機失步概率，提高系統穩定性；FCL技術有助于減少斷線前母線電壓的下降時間，并限制系統短路電流，從而有助于減少輸電線路附近的電磁干擾。限流器的分類有以下幾種：

1.1 超導限流器

視采用與否可分為失超和非失超型。失超型采用超導材料的超導/正常（s/N）狀態的過渡特性（即溫度、磁場或電流超過閾值時，超導從無阻狀態轉變為高電阻狀態，以限制短路電流）；非失超型由超導線圈和其他元件（電子或磁性等）組成。通過控制（修改）線路模式限制短路電流。根據其結構特點，可分為電阻、橋路、磁屏蔽、變壓器和飽和鐵芯型[2]。

1.2 固體限流器

限流器以大功率半導體器件為基礎，并與電抗器元件相結合，達到限制短路故障電流的目的。根據美國EPRI公司以前的一份研究報告，為半導體器件開發固體限流技術現實的技術方法。近年來，在發展大功率半導體器件的基礎上，一系列固態限流器技術已經成熟，其中包括GTO開關固態、諧振流、串聯補償性、無損電阻態限流器等。

1.3 超導混合限流器

超導和主觸頭被電流流過。故障發生時，超導材料的電阻強度提高，電流進入驅動線圈。在電磁力作用下，主觸頭高速分離。當觸點之間的電弧光熄滅時，電流將切換到并聯分支。整個過程只需幾毫秒，目前國外已成功開發了14KV/630A超導混合限流器。

1.4 半導體混合限流器

在系統正常運行期間，電流通過FTS高速機械開關。系統故障時，控制FTS系統停機同時觸發半導體開關GTO傳導，電弧爐強制電流轉向GTO；接下來，檢查GTO中斷，以強制電流進入由PTC電阻組成的有限流支路，從而限制短路電流，整個過程只需幾毫秒。

2 故障限流器應用研究

2.1 限制短路電流

FCL最重要的功能是限制電力系統中的短路電流，并確保斷路器在發生故障時的安全分離。電力系統中的限流器不僅應具有限制短路電流幅度的能力，還應具有限制短路電流幅值的能力。與此同時，從操作維護的角度對通用投切的運行邏輯和運行次數（使用壽命）進行優化。除了電流幅度值之外，短路電流和允許電流的增加率也對斷路器的切斷能力有很大影響。在電力系統的設計和實施運行時必須考慮到這些因素，以確保限流器安全開斷。FCL的安裝位置通過系統設計確定，一般安裝在發電機和變壓器電路、不同類型的供電線路、母線斷路器之間的間隔、分段斷路器之間的間隔等位置。它可以直接實現限制短路電流和確保斷路器可靠分離的目標。此外，可在區域配電網的接觸線上和低壓和中壓配電網的封閉回路上安裝FCL，以提高系統運行的穩定性。對于具有多電路短路過載的復雜電源系統，應考慮FCL的優化配置和容量選項。建立了具有全網損耗增量和控制器最小電阻值的優化模型，并作為研究對象進行求解。在優化問題上，除了考慮經濟此外，還考慮到流量限制效應等因素，并以最小短路公差作為目標函數，研究了FCL的最佳配置[3]。

2.2 改進電網功能

電網發生故障時，限流電抗器阻抗形式連接電網，影響電網的臨時穩定性、電能質量和潛供電流。迄今為止，FCL在實際應用中沒有改進電網運行的特點，但國內外研究人員就這一問題進行了大量學術研究，為擴大FCL的應用前景奠定了堅實的基礎。對于獨立系統和無限制系統，通常使用相等面積規則分析系統臨時狀態的穩定性在這種情況下，輸入FCL電阻可提高幅值功角曲線的故障，從而減小發生故障時發電機的加速區域，提高系統臨時狀態的穩定性。對于不對稱故障，FCL電阻對瞬態狀態穩定性的影響是復雜的，取決于故障類型、電抗器參數和故障停機時間。一般來說，即使出現不對稱故障，對FCL的電阻也能大大提高電網的暫態穩定性。

2.3 改進新能源和微電網的運行

可再生能源發電和智能電網技術是解決未來問題的關鍵技術，目前風能和太陽能等新能源在電力系統中所占比例繼續增加。在配電網中，很大一部分分布式發電是直接或通過微型電網連接起來的，這帶來了新的安全問題。研究表明，通用FCL限制短路電流、提高風力和光伏系統的低壓穿越能力、改善微網的穩定性和控制特性來改進微網的運行。如果電力系統發生故障，在新能源和故障點之間安裝FCL，可以有效地減小新能源終端電壓衰減幅度，提高新能源的低電壓穿越能力。

3 結語

電能作為一種清潔無污染的能源，可以遠距離、大容量地輸送和使用，電能利用的廣度和深度，日益成為一個社會現代化程度的重要標志。隨著我國社會的發展和國民經濟的增長，社會各行業越來越重視電能的使用，因而對電能的需求日益增加。同時電力系統越來越大，結構越來越復雜，對電力的安全性和穩定性要求越來越高。FCL 的運用有利于提高電網電壓質量和線路的輸電能力，抑制輸電網絡短路電流的危害，提高電網的可靠性。