電力系統故障限流器的研究現狀與應用前景

琚興寶

（中國艦船研究設計中心，武漢430064）

0 前言

規模迅速發展的現代電力系統，正面臨著短路故障電流隨著系統容量的持續增加而不斷增長的挑戰。短路故障電流若得不到及時妥當的處理，不僅會危害電力設備的安全運行，而且可能破壞電力系統的暫態穩定，造成系統失步和解列，損壞運行設備，甚至引起嚴重的大面積停電事故，需要花費大量的投資進行改造和改建[1]。

傳統限制短路電流的辦法主要從電力系統結構、系統運行方式和設備三個方面入手， 雖然能在不同程度上實現對短路電流的限制和約束，但各自都存在缺點和不足，或多或少是以犧牲電網在其他方面的指標為代價的。就算是新建的電網能比較徹底的解決短路電流問題，但是隨著負荷和運行方式的變化，原有的設計并不能一勞永逸。

通常，電力系統采用斷路器作為主要保護設備，但是由于系統的短路故障形式多樣，單獨采用斷路器難以更好的實現系統的選擇性保護、故障恢復和系統重組。在系統當中引入故障限流器后，一方面能將故障時系統出現的實際短路電流限制在一定水平，減小系統承受的機械和熱應力，提高系統穩定性。另一方面使系統保護方案由單純的“斷路器”技術方案變成核心技術為限流的“限流器＋斷路器”的較佳技術方案，即限制短路電流的上升，把它抑制在允許范圍內，再通過斷路器分斷（也可以自行分斷），以實現對系統短路故障的保護。這種方案預期能達到的效果如圖1所示[2-3]。

1 故障限流器

在電力系統中引入FCL后，會使系統的性能得到明顯的改善，主要優點在于：FCL的使用，減輕了斷路器的開斷負擔，系統不必進行繁復的設備更換工作，降低了成本；FCL在短路電流到達峰值前發揮作用，能降低對設備熱極限和動穩極限承受能力的要求，減小電網的機械和熱應力，提高系統效率；FCL快速將短路電流限制在一定水平，能減少線路的電壓損耗和發電機的失步概率，改善系統的穩定性；FCL在故障切除前顯著減小母線電壓跌落時間，能提高電能質量；FCL對系統短路電流的限制作用有助于減小輸電線路附近的電磁干擾。

目前限流器已經有多種類型，這里主要介紹其中的超導限流器、固態限流器、和混合式限流器。

1.1 超導限流器（SCFCL）

根據是否利用失超特性限流來分，超導限流器可分為失超型和非失超型。失超型超導限流器利用超導材料的超導態/正常態（S/N）轉變特性（即溫度、磁場或電流超過臨界值時，超導體將由無阻態轉移到高阻態）來達到限制短路電流的目的；非失超型超導限流器由超導體線圈和其他元件（電力電子器件或磁元件等）結合構成，通過控制（改變）運行模式達到限制短路電流的目的。根據其結構特點還可進一步分為電阻型、橋路型、磁屏蔽型、變壓器型和飽和鐵心型等。

由于超導限流器能集檢測、轉換、限流于一身，具有毫秒級的響應時間，并且能在高電壓條件下運行，因此是電力系統中一種非常理想的短路故障限流器，引起了世界各國科研工作者極大的興趣。表1為目前世界各國超導限流器的發展狀況。

1.2 固態限流器（SSFCL）

固態限流器以大功率半導體器件為核心，結合電抗器等其它元件來達到限制短路故障電流的目的。美國EPRI的一項早期調查報告顯示，應用功率半導體器件發展固態限流技術是比較現實的技術途徑。近年來，在大功率半導體器件發展的基礎上，一系列固態限流器技術日漸成熟，主要有：GTO開關型固態限流器、諧振型限流器、具有串聯補償作用的限流器、無損耗電阻式、橋式固態限流器等。

?

1995年，美國西屋公司與EPRI合作，研制出了世界上第一臺SSFCL(與固態斷路器SSCB組合)，功率等級為13.8 kV/675 A，安裝在PSE變電站運行。到目前為止功率等級最高的還是由美國EPRI與Silicon Power公司共同開發的69 kV/3000 A固態限流器，其實物和基本原理如圖2所示。

1.3 超導型混合式限流器

正常情況下，電流流過超導體和主觸頭。當故障發生時，超導材料失超電阻增大，電流轉移至驅動線圈，在電磁力的作用下，主觸頭以很高的速度分開，當觸頭間的電弧熄滅后，電流轉移至并聯的支路，整個過程僅僅幾個ms，功率等級為14 kV/630 A的超導型混合限流器樣機國外已經研制成功。

1.4 半導體型混合式限流器

系統正常運行時，電流從高速機械開關FTS中流過。當系統發生故障時，控制FTS關斷，同時觸發半導體開關GTO開通，電弧迫使電流轉移至GTO當中；此后控制GTO關斷，電流被迫轉移至PTC電阻構成的限流支路當中，從而限制短路電流。整個過程也只要幾ms的時間。作者研制成功的原理樣機功率等級為12 kV/2 kA。

我國在新型限流器方面的研究比國外起步的晚，但也開展了許多相關工作。例如華東冶金學院的無損耗電阻器(LLR ) 式短路限流器，浙江大學的橋式固態限流器，，中科院的超導限流器，以及七一二研究所和海軍工程大學和針對艦船直流系統研制的混合式限流器等，均取得了一定的研究成果。

2 FCL的應用

在未來艦船綜合電力系統中，電力系統的容量、電壓等級將會不斷增大，由于饋電線路短、獨立負載大等特點，電網中短路電流將在數毫秒內達到百千安級。如此之高的短路故障電流水平成為系統設計時不得不考慮的一個關鍵因素，否則線路設備均將遭受巨大的損害，傳統的“斷路器”保護方案遠遠不能滿足要求。而一些常規的限流辦法要么給系統引入了永久的阻抗，增加損耗；要么需要進行繁復的設備更換工作，增加了成本。利用FCL構成艦船電力系統保護的新方案是未來電力艦船發展的方向。

3 結束語

在上述幾種斷路器中超導限流器性能優異，是未來電力系統的發展方向，但短期內難以應用和商業化；而固態限流器在中壓領域內具有明顯的優勢，但其成本較高，體積較大；目前來看，比較實用的技術方案是綜合各種限流技術方案的優點和回避其缺點的混合式限流器。然而超導限流器和固態限流器會隨著超導材料和半導體器件水平的不斷提高而不斷發展，因此在優先考慮發展混合式限流器的同時，積極開展固態限流器的研究，同時保持對超導限流器的關注。

[1] 陳永剛．新型固態限流器及其應用研究[D]．杭州：浙江大學，2006．

[2] Epri. Superconducting fault current limiters：technology watch 2009. Palo Alto, CA： 2009.

[3] Schmitt H, Amon J, Braun D, et al. Fault current limiters-Applications, principles, experience[M].CIGRE WG A3.16, CIGRE SC A3&B3 Joint Colloquium in Tokyo, 2005.

[4] CIGRE Working Group. Guideline of the impacts of fault current limiting devices on protection systems[M]. CIGRE Publishing, 2008, A3.16.

[5] EPRI. Survey of fault current limiter (FCL)technologies [M]. Palo Alto, 2005.

[6] 葉鶯，肖立業．超導故障限流器的應用和研究新進展[J]．電力系統自動化，2005，29(13)：92-96．

[7] M M R Ahmed, Ghanim Putrus, Li Ran, et al.Development of a prototype solid-state fault-current limiting and interrupting device for low-voltage distribution networks[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2006, 21(4)：1997-2005.

[8] Silicon Power. SSCLTM solid state fault current limiter data sheet. America, 2011.

[9] B W Lee, K B Park, J Sim, et al. Design and experiments of novel hybrid type superconducting fault current limiters[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2008, 18(2)：624-627.

[10] M S, et al. A novel hybrid current-limiting circuit breaker for medium voltage： principle and test results[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2003,18(2)：460-467.