故障限流器在電力系統中安裝位置綜述

金慶忍，陳紅坤，楊志平

（武漢大學電氣工程學院，武漢市，430072）

0 引言

隨著我國電網的不斷發展，短路電流也隨之不斷增大。如何將短路電流水平限制在合理的范圍之內，已成為當前電網建設的當務之急。改善電網的網架結構，改變系統運行方式，加裝限流設備等是目前通常采用的限流措施[1]。其中，加裝故障電流限制器（fault current lim iter，FCL）是一種有效的措施。近年來，人們對FCL的重視程度逐漸提高，對FCL的研究逐步深入，使得其應用得到迅猛發展。因此，探討FCL在電力系統中的安裝位置，研究其在電網中所起的作用顯得尤為重要，對我國的電網建設具有重要的現實意義。文獻[2]以DXK1短路電流限流開斷器為例，從發電系統角度出發，介紹了FCL在發電機出口短路保護和發電廠廠用電分支或廠高變的短路保護方面的應用。文獻[3]以DDX1新型高速開關裝置為例，重點分析了FCL在母聯位置上的應用。文獻[4]以浙江大學提出的變壓器耦合新型橋式固態限流器為例，對FCL裝設于母線聯絡處、電纜線路始端和發電機組高壓出線端三種不同位置進行了分析。文獻[5]給出了FCL在電力系統的安裝點圖并作了簡要的說明。本文總結了各種限流裝置在電力系統中的不同安裝位置，以文獻[5]給出的安裝點圖為基礎，將安裝位置進行簡單分類，并全面分析了不同安裝位置上使用FCL的意義。

1 FCL安裝位置分類

FCL在電網中的應用非常廣泛，其具體的安裝位置如圖1所示[5]。

根據FCL在電力系統中的實際應用及電網的結構特點，大體可將FCL在電力系統中的安裝位置[6]分為3類：

（1）安裝于發電系統部分，如圖1中位置1、位置2所示；

（2）安裝于配電網部分，如圖1中位置5、位置6、位置7、位置8、位置10、位置11所示；

（3）安裝于電網連接部分，如圖1中位置3、位置4、位置9所示。

下面對各個位置發生故障的特點及裝設FCL所起到的作用作簡要的分析。

2 安裝于發電系統部分

2.1 用于發電機出口短路保護

此安裝位置[7]對應圖1中的位置1。大容量發電機出口發生短路時，短路電流特別大，其短路電流來自于大系統和發電機本身，強大的短路電流會對發電機和主變壓器本身產生巨大的危害。將FCL裝設在圖2位置，與斷路器配合（圖2中未示出），起到發電機出口短路保護的作用。同時，能夠使用更大容量的變壓器而不更換斷路器，并能減少I2t對變壓器的危害[8]。另外發電機出口裝設有限流電抗器，則可在限流電抗器上并聯限流器以達到節能降耗的目的，見圖2中虛框內部分（下同）。

電廠容量的不斷增大以及發電機遠離負荷中心的網絡特征使得高壓輸電線路上發生短路故障誘發的暫態過程更加嚴重威脅著大區域電網的穩定性。FCL的恰當運用可以有效地緩解這個問題。FCL限流電抗的投入將使故障時刻發電機的功率輸出增加，減少發電機的過剩功率，增加發電機的暫態穩定裕度，其發生失步的可能性也將隨之降低，從而提高了系統的暫態穩定能力。

該應用不僅適用于發電廠，也適用于化工冶金企業的自備發電機、大電流試驗室用發電機、核聚變試驗用發電機、船舶用發電機等。

2.2 用于發電廠分支母線和廠高變的短路保護

此安裝位置對應圖1所示位置2。電廠中機組出線的廠用分支一般都應裝設高壓斷路器。當發電廠廠用電分支或勵磁分支母線發生短路時，發電機和系統電源同時向故障點提供短路電流，短路電流值比發電機出口短路時更大，無合適斷路器可選。

如圖3所示，若給發電廠的分支母線上串接1組FCL，發生災難性短路時，由限流器快速切斷短路電流，短路電流得到限制，就可以根據限制后的短路容量選取適當的斷路器，從而有效地防止廠高變的損壞，保護發電設備的安全。

3 安裝于配電網部分

3.1 安裝于母線連接處

由CIGRE工作組[9]進行的關于FCL裝設于配電網部分情況調查結果如圖4所示。

圖4 FCL安裝位置統計圖Fig.4 Statistical graph of FCL locations

由圖4可知，FCL安裝在母線連接處應用非常普遍。此安裝位置對應于圖1中的位置5。

不裝設FCL時，母聯分段開關只能開環運行，各自母線上的負荷單獨運行；若將母聯分段開關合上，當出線發生短路時短路電流等于兩母線上的短路電流和，超過斷路器的開斷能力，不能安全運行。裝設FCL后，母聯開關得以閉合，實現并列運行，如圖5所示。當發生超過FCL整定水平的短路故障時，FCL迅速開斷，使母線開環，從而解決了出線短路電流過大的問題。

并列運行的優點：（1）可以平均分配2臺變壓器的負荷，充分發揮變電站帶負荷的能力，達到優化負荷分配的效果；（2）降低網絡阻抗，進而減小電壓跌落及電壓波動，提高供電質量及可靠性；（3）節能降耗；（4）提高變電站運行方式的靈活性。

類似的情況還有配電環網中裝設FCL后可以運行于閉環方式，在各種橋形接線的橋開關處裝設FCL以及適當地串接于橋形接線回路中都可以降低故障電流對系統運行狀態的制約，提高供電的靈活性和可靠性，如圖1中的位置11所示。

3.2 安裝于饋電進線處

（1）變壓器饋電進線。也就是通常說的應用于變壓器低壓側，作為短路后備保護，對應于圖1中的位置7。

FCL可運用于大型變壓器低壓側，作為短路后備保護，如圖6所示。這種用法的優點是：快速限流開斷短路電流，保護重要變壓器或電力設備免受短路電流的沖擊而損壞。

FCL還可用于旁路限流電抗器，對應于圖1中的位置6。降壓變壓器或發電機出口的限流電抗器唯一的用途就是限制系統的短路電流。給限流電抗器上并聯1臺限流器，正常運行時，負荷電流幾乎全部流過FCL；當母線或出線發生兩相或三相短路時，FCL快速開斷使電抗器投運，起到限制短路電流的作用。此用法具有以下效果：節能降耗；消除無功損耗；減少電壓跌落，提高供電質量；消除電抗器磁場及噪聲對環境和設備的干擾。

（2）發電機饋電進線。也就是通常說的地區火/水電廠上網保護。對應于圖1中的位置10。

如圖7所示，一個地區火/水電廠上網后，會使變電站原先的饋線斷路器的短路開斷能力不足。為此，在上網電廠的出口安裝1臺FCL，可不更換原先的斷路器繼續運行，節約工程投資。

3.3 安裝于饋電出線處

FCL安裝于饋電出線處，對應于圖1中位置8，其作用在于維持母線電壓。任1出線的短路故障都將導致母線電壓大幅度的波動，引起計算機、變頻器等重要負載不能正常工作甚至停機，給工業生產造成重大損失。當某出線上發生短路時，FCL快速將該支路開斷，母線電壓基本不受影響，從而改善了非故障用戶或設備的電壓質量。

4 安裝于輸電網連接部分

（1）應用于高壓輸電網連接處，提高系統安全穩定性，解決電網互聯、增容帶來的短路電流開斷困難問題，優化潮流輸送，保障電壓穩定。FCL的應用可以抑制越限的故障電流。此安裝位置對應于圖1中的位置3。

（2）應用于高中壓配電網連接處，使電力供應更加安全、穩定，優化潮流輸送。此安裝位置對應于圖1中的位置4。

（3）應用于保護某些重要的電力設備，如超導電纜等。此安裝位置對應于圖1中的位置9。還有高壓直流輸電中的整流電路部分。在大功率整流電路中發生短路時，需要有高速保護，否則會造成整流器件和其他設備損壞的嚴重事故。為此，可在該電路中接入1臺FCL，當發生短路故障時可以避免設備的損壞。

5 結語

目前FCL在電力系統中還沒有得到廣泛應用，不同類型和原理的限流器因造價、技術成熟度等原因，制約了其應用和發展。當前國內有多家單位正著手FCL的研究，10 kV樣機的開發已經完成，有多家單位也進行了并網試驗。35、110 kV樣機正在研制中。FCL在電力系統中的裝設位置以及安裝數量將取決于其所在電力系統的結構。一般情況下，FCL安裝在故障點附近能夠最有效地限制短路電流，但是電力系統中短路情況發生的偶然性和地點的不確定性使得這個問題的研究變得相當復雜。目前針對FCL的安裝位置還存在一些亟待解決的問題，包括：（1）基于最低成本和最優限流效率的考慮，針對不同的系統以及不同的短路情況選擇FCL在電力系統中裝設的最佳位置，還需要通過詳細的分析、計算和仿真。（2）實際應用中還應考慮FCL同斷路器、自動重合閘及繼電保護的配合問題[10]，以確定其安裝位置，來滿足系統及各設備的具體要求。（3）根據系統穩定性和設備動熱穩定性，來確定FCL的最佳配置點也是當前需深入研究的問題。

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