高壓故障電流限制器應用及研究

宰洪濤，李品德

（1.華北電力大學，北京 102206；2.晉城供電公司，山西 晉城 048000；3.陜西電力科學研究院，陜西 西安 710000）

高壓故障電流限制器應用及研究

宰洪濤1，2，李品德3

（1.華北電力大學，北京 102206；2.晉城供電公司，山西 晉城 048000；3.陜西電力科學研究院，陜西 西安 710000）

指出隨著電力工業的迅猛發展及用電規模的不斷攀升，導致很多電力節點的短路電流超標，如何限制或快速開斷過大的短路電流、保護電力主設備及電網安全成為電力工作者關注的重大問題，故障電流限制器正是解決這一問題的關鍵設備。闡述了高壓故障電流限制器的概念、分類、原理，分析了高壓故障電流限制器的發展水平、發展趨勢、典型及實際應用情況，表明故障電流限制器的使用在預防變壓器損壞事故方面有良好的應用前景。

故障電流限制器；爆破切割；超導

0 引言

隨著電力系統的不斷發展，系統內故障電流水平急劇上升，電力系統中某些節點的短路電流水平已經超過40 kA，有些節點甚至可以達到90 kA以上，面對如此大的短路電流，電網中的主變壓器常因承受不住短路電流的沖擊而發生損壞，如何限制故障短路電流是當前緊要的問題。故障短路電流限制器的出現正適應了當前電網發展的需要，是落實《國家電網公司十八項電網重大反事故措施》中“當有并聯運行要求的三繞組變壓器的低壓側短路電流超出斷路器開斷電流時，應增設限流電抗器”的具體措施，通過實踐也證明了該項舉措的有效性和實用性。

1 故障電流限制器

故障電流限制器，也稱短路電流限制器（以下簡稱“限流器”)FCL（FaultCurrent Limiter），是一種串聯于電氣回路中、可對故障電流包括其第一峰值進行有效限制的阻抗變換裝置或具有限流功能的快速開斷裝置。這類設備的額定參數為電壓范圍3～500 kV，額定電流630～6 300A，額定頻率50Hz或60Hz。

目前，限流器產品根據其技術特點大致可分為基于爆破切割技術的故障電流限制器、基于超導技術的故障電流限制器、基于電力電子技術的故障電流限制器以及其他類型的故障電流限制器。除基于爆破切割技術的故障電流限制器以外，其余各類故障電流限制器尚有各種原因未能大面積在實際中使用，因此，著重介紹各類“基于爆破切割技術的故障電流限制器”的原理及使用情況。

2 基于爆破切割技術的短路電流限制器

限流器中的主要元件是快速切斷短路電流的隔離器，由于制造原理不同結構也有所不同，其中，采用軍事上爆破切割技術的快速隔離器具有大容量、高速、可靠的特點，逐漸被大家接受，因此，也稱該種限流器為基于爆破切割技術的短路電流限制器。

2.1 基本原理

設備主回路由基于爆破切割技術的快速隔離器及特種高壓限流熔斷器并聯構成。電流傳感器將主回路電流信號提供給電子控制器，電子控制器對電流信號進行變換、分析并判斷此電流是否超過其動作整定值，若超過則電子控制器將立即向快速隔離器發出觸發信號，快速隔離器在200μs內斷開并形成隔離斷口，同時，主回路電流轉移到特種高壓限流熔斷器中，熔斷器在5ms附近完成熔體的熔化、斷口起弧、限流熄弧，使故障電流在10ms得以開斷。如圖1所示。

圖1 短路電流限制器基本原理圖

2.2 開斷短路電流過程比較

普通斷路器開斷短路電流由于繼電保護和操作機構的固有特性影響，從短路發生到斷路器完成開斷需要約5個周波，在電流自然過零時熄弧開斷，開斷過程不限流。FCL則在短路故障發生后幾毫秒內完成限流開斷，短路電流在第一大半波即被限制到較低的水平。開斷短路電流過程對比如圖2所示。

圖2 限流器開斷過程與普通斷路器開斷過程的比較圖

2.3 限流器開斷短路電流時間過程[1]

圖3中，t=0，短路故障發生。

t=t1，電子控制器探測到故障并建立觸發信號，此時間與預期短路電流的大小、電子控制器動作整定值及短路發生時的相位角均有關系，一般大于600 μs。

t=t2，快速隔離器斷口打開電流轉移到限流熔斷器中，t1－t2約為200 μs。

t=t3，熔斷器開始起弧，t2-t3為熔斷器的起弧時間約1ms，圖3中的Ic即為限流峰值。

t=t4，熔斷器內電弧熄滅故障電流被徹底開斷，t3－t4為熔斷器的滅弧時間，一般小于5ms。

2.4 國外情況簡介

美國G&W公司的CLiP限流保護器快速隔離器采用平板式結構。產品額定電壓12 kV，額定電流3 000 A，額定短路開斷電流120 kA；額定電壓35 kV時最大額定電流2 500 A，額定短路開斷電流100 kA。

圖3 限流器開斷過程時序示意圖

德國ABB公司的Is-Limiter快速隔離器采用管式結構。產品額定電壓12 kV，額定電流4 000 A，額定短路開斷電流210 kA；額定電壓36 kV時最大額定電流2 500 A，額定短路開斷電流140 kA。

法國FERRAZ公司的PyroBreaker：快速隔離器采用活塞撞擊式結構。產品額定電壓12 kV，額定電流3 000 A，額定短路開斷電流100 kA；額定電壓24 kV時最大額定電流2 000 A。

2.5 國內情況簡介

陜西電力科學研究院的DXK1短路電流限流開斷器、陜西藍河電氣的DDX1短路電流限制器具有自主知識產權，額定電壓3.6～40.5 kV，額定電流630～6 300 A，額定短路開斷電流50～200 kA。額定電壓在40.5 kV時，最大額定電流可達到4 000 A。產品特點是快速隔離器為全密封平板式結構；內置式羅氏線圈傳感器；電子控制器各相獨立設置，采用電流及電流變化率雙判據觸發控制；可單相安裝，也可三相成柜。

安徽合肥的FSR大容量高速開關：額定電壓3.6～14 kV，額定電流2 000～4 000 A。產品特點是快速隔離器為非密封管式結構；傳感器外置；電子控制器在低壓側，三相共用一個控制器，采用高壓脈沖變壓器觸發；需要在主回路上并聯高能氧化鋅電阻；大額定電流時需要多橋體并聯；只能三相成柜安裝。

3 短路電流限制器的發展趨勢[2]

短路電流限制器的發展趨勢及方向為響應及恢復時間短、限流效果可控、可重復使用、寬額定電流范圍、高可靠、低功耗、維護簡便、結構緊湊、成本合理。

3.1 響應及恢復時間

FCL的檢測裝置能快速識別故障電流并作出響應，啟動限流元件將故障電流限制到預期的水平內。完成限流后，FCL的限流元件可以快速恢復到正常運行狀態，以備下次故障時再使用，對于要求自動重合閘的系統這一特性顯得尤為重要。

3.2 限流效果可控

限流效果可以通過兩個方面加以描述。其一是FCL限流元件的啟動電流，即FCL開始起作用的最小電流；其二是限流系數，即經過FCL后電路中實際出現的峰值電流與預期故障電流的最大峰值電流的比值。顯然，這兩個指標的量值表示限流效果的好壞，具體量值應該根據FCL的應用方式及安裝位置的實際情況合理設計或整定，不應單方面追求過強的限流效果而忽視了實用性及FCL產品成本的控制。

3.3 可重復使用

可以多次使用而不是單次使用，可重復使用的次數是FCL的重要技術指標。

3.4 寬額定電流范圍

對于高壓領域，額定電流的范圍要求630～6 300 A，在發電機出口使用的限流器根據發電機容量對額定電流的要求經常會更高。

3.5 高可靠性

FCL一般裝備在電力系統的關鍵節點上，其可靠性直接關系到電力系統的安全性，拒動、誤動、失效是不允許的。另外，若需要經常性地維護或保養則會使運行成本急劇上升，影響FCL的適用性。

3.6 低功耗

FCL裝置本身應該具有低功耗特性，即低無功損耗和低有功損耗。較大的能耗或電壓降落會明顯影響其運行的經濟性，增加用戶的運行成本甚至失去適用性。

3.7 其他方面

運行維護簡便，便于運行維護是FCL產品推廣應用的前提；結構緊湊，FCL裝置結構應盡可能緊湊化、小型化，以降低對安裝位置空間的要求；成本合理，裝置及其備品備件的成本過分昂貴將阻礙FCL的大面積推廣；環境友好，FCL裝置本身應該是環保的，不包含或產生有害物質，不對周邊環境造成不利影響。

4 短路電流限制器的典型應用[3]

大型變壓器低壓側最大短路電流可達數十甚至上百kA，只由普通斷路器無法完成開斷任務。

4.1 應用于大型變壓器低壓側出口

將限流器串聯安裝于大型變壓器與低壓側斷路器之間，同時，在限流器與變壓器之間串聯隔離開關，以達到對FCL進行維護時不需要停運變壓器的目標。變壓器出口安裝限流電抗器的主要用途就是限制系統的短路電流，在系統發生短路電流超出斷路器安全開斷電流時由FCL限流或開斷，保護變壓器不因短路電流沖擊而發生損壞，從而解決變壓器短路電流耐受能力不足的問題。

4.2 應用于變電站母聯位置

FCL應用于變電站母聯位置。例如某110 kV變電站裝備2臺50MVA的大容量變壓器1號及2號，每臺變壓器可向10 kV側提供的最大短路電流為18 kA，若2臺主變壓器并列運行則饋線出口短路電流最大可能達到36 kA。出于設備經濟性或系統經濟性的考慮，饋線斷路器的額定短路開斷電流通常不超過31.5 kA，所以，正常情況下母聯斷路器不能閉合、分段母線不能并列；只有在1臺主變壓器因故退出運行后，母聯斷路器才能閉合運行。在母聯開關的位置串接1臺FCL的情況下，則分段母線可并列運行。合理整定FCL的動作電流，當出線發生短路、且預期短路電流值接近31.5 kA時，使FCL動作，10 kV母線分列運行，使饋線斷路器只承擔開斷能力以內的短路電流。

4.3 應用于區域電網之間的聯絡線上

FCL應用于區域電網之間的聯絡線上。由于區域電網的連接，造成局部短路電流成倍增大，必須采用限流器加以限制。串聯FCL后，當短路電流超出斷路器安全開斷電流時由FCL限流或開斷，從而解決了斷路器開斷能力不足的問題。

4.4 應用于發電機出口或廠用電分支母線

FCL應用于發電機出口或廠用電分支母線上，作為發電機出口或廠用電分支的災難性事故保護。

4.5 其他應用方式

應用于對電能質量有特殊要求的場合，比如有的用戶要求在短路過程中供電系統電壓降落時間小于20ms；應用于小容量發電機組的上網保護；應用于大功率電力電子電路的短路保護。

5 短路電流限制器的實際應用情況

2009年，某廠家生產的220 kV變壓器多次由于低壓側短路發生損壞故障，嚴重影響系統的安全穩定運行。變壓器在短路電流作用下損壞的事故時有發生，而且損壞時的短路電流水平一般都在10 kA左右，遠沒有超過變壓器相關標準所規定的額定短時耐受電流水平，主變壓器實際抗短路電流沖擊的能力遠低于理論計算值。為了防止主變壓器低壓側短路造成損壞，解決220 kV變壓器抗短路能力不足的問題，在問題變壓器低壓側加裝短路電流限制器是十分必要的。

5.1 實際安裝改造情況

某220 kV變電站（電壓等級為220 kV、110 kV、35 kV）為解決變壓器低壓側出口抗短路能力不足的問題，于2010年初在該站1臺變壓器低壓側出口串接一組短路電流限制器，同時為檢修方便，在變壓器與短路電流限制器之間加裝1組隔離開關。實際安裝情況如圖4所示。

圖4 加裝限流器后35 kV側的接線示意圖

5.2 實際運行情況

2010年10月，由于該變壓器所帶35 kV線路故障，短路電流限制器動作，B、C相熔斷，變壓器低壓側后備保護、所帶35 kV線路的開關保護均啟動，但是未出口，錄波圖顯示該變壓器低壓側B、C相發生短路故障，故障電流在10ms被切斷，故障電流的峰值為3 780 A，與歷史上發生主變壓器損壞事故時的故障電流9 000 A、故障動作時間400ms相比，故障持續時間和故障電流大小均有大幅度降低，確實起到了保證變壓器不受到大短路電流沖擊的作用。

6 結論

現有大型變壓器多次損壞的教訓說明，由于制造過程中個別工藝質量的不穩定造成大型變壓器抗短路能力嚴重不足已經是不爭的事實，采取預防性措施十分必要。隨著電網外部運行環境的逐漸惡化，不可能完全避免變壓器低壓側短路事故的發生，甚至有愈演愈烈的趨勢，因此，采取技術措施強化變壓器抗短路能力尤為重要。通過變壓器低壓側安裝短路電流限制器是解決目前變壓器抗短路能力不足問題的理想方案，可以將短路電流有效地限制在可接受范圍內。短路電流限制器對保護變壓器不受短路電流沖擊的作用。因為主變壓器及線路保護啟動后未能出口，給障礙原因的判定帶來較大影響，今后短路電流限制器與保護的配合使用是值得探討的問題。短路電流限制器B、C相熔斷，需要進行更換，費用較大，今后在降低使用成本上需進一步探索。

［1］毛鳳麟，李品德，朱躍，等.超高速開斷短路電流的新設備——DXK1短路電流限流開斷器［J］.陜西電力，2006（06）：24-29.

［2］ 陳金祥，董恩源，鄒積巖.固態故障電流限制器（FCL）的應用與發展［J］.繼電器，2000（12）：37.

［3］ 李品德，劉軍虎，王永紅，等.電力系統故障電流限制器的應用和研制現狀［J］.高壓電器，2000（03）：31-36.

The App lication of High-voltage Fault Current Lim iter

ZAIHong-tao1,2,LIPin-de3
(1.North China Electric Power University,Beijing 102206,China;2.Jincheng Power Supply Company,Jincheng,Shanxi 048000,China；3.Shaanxi Electric Power Research Institute,Xi’an,Shaanxi 710000,China)

With the rapid development of electric power industry and the expansion of power utilization scale,short-circuit current at nodes exceeds standard value.Thus,how to limit or fast cut off the short-circuit current to ensure the security of main equipment and power grid has been an important issue for electric workers.Fault current limiter can solve these problems.This paper focuses on the structure，classification，principles，the development level，development trend and the typical application of fault current limiterwhich shows better prospectof application to prevent the damage of transformer.

fault current limiter；blasting cutting；superconductivity

TM471

B

1671-0320（2012）04-0006-04

2012-03-30，

2012-06-28

宰洪濤（1977-），男，山西晉城人，2010級華北電力大學工業工程專業在職研究生，高級工程師，從事生產技術管理工作；

李品德（1966-），男，湖北建始人，1991年畢業于西安交通大學電器專業，碩士，高級工程師，從事電力系統高壓開關管理及相關的技術開發工作。