故障電流限制器的分類及應用

楊連殿

（中石化石油工程設計有限公司，山東 東營 257026）

在變電所改擴建工程中，常常遇到因為變壓器增容、負荷增加等原因而導致短路電流水平上升的問題。短路電流增大，有可能導致原有電氣設備短路電流水平不足，開關設備不能正常開斷短路電流，進而引發設備及導體的動熱穩定等一系列問題。

在工程設計中，常采用變壓器分列運行，采用高阻抗變壓器或在變壓器回路中裝設限流電抗器（CLR，Current limit reactor）等手段[1]來限制短路電流。但對于改擴建工程來說，由于原有系統的主接線及電氣設備短路電流水平限制，有時候即使在采用高阻抗變壓器且分列運行的情況下，也不可避免的出現短路電流水平超出原有設備短路電流水平的情況。因此，常在新建變壓器回路中裝設串聯限流電抗器，以達到限制短路電流的目的。

近半個世紀以來，隨著科學技術的進一步發展及制造水平的提高，出現了各種類型的故障電流限制器，有些在國外已經有了一定的運行經驗，以下將分別對這些故障電流限制器加以論述。

1 故障電流限制器的分類

限流電抗器可以看作故障電流限制器的一種，此外，還有快速限流器（Is-limiter）、超導故障電流限 制 器（ SFCL ， superconducting fault current limiter）、固態故障電流限制器（SSFCL，solid-state fault current limiter）等。

1.1 限流電抗器CLR[2-3]

這是電力系統中最常用的一種限流方法，將CLR 串聯在發電機、變壓器、母聯或饋電回路中，可以起到限制短路電流的目的。圖1為限流電抗器的各種典型應用。

圖1 限流電抗器CLR 的典型應用

限流電抗器可以有效的限制短路電流，相對于大面積更換開關柜等電氣設備來說，價格低廉，故得到了廣泛的應用。但在限制短路電流的同時，限流電抗器在回路中引入了一定的阻抗，造成部分電壓損失，影響大電機的啟動，對于有載調壓變壓器的有載調壓及線路工頻過電壓[4]也有一定的影響。2009年12月，浙江500kV 瓶窯變投入了一臺8W，2000A 的限流電抗器，起到了很好的限流作用。

1.2 快速限流器Is-limiter[5]

Is-limiter 是ABB 公司研發生產的一種故障電流限制器，自1960年以來，已經在世界范圍內有了數千安裝實例。其原理圖如圖2所示。正常工作時，電流流經主導體；發生短路故障時，如果短路電流超過預設的數值，測量脫扣單元斷開主導體，由并聯高斷力熔斷器在第一個周波內開斷故障電流，時間小于1ms。發生短路故障以后，主導體及并聯高斷力熔斷器等部件需要更換，其余部分可重復利用。

圖2 Is-limiter 原理圖

Is-limiter 除可用于母聯回路及發電機回路［參見圖1（a）、（b）］外，還具有如圖2所示的典型應用，其中圖3（a）的連接方式可以避免限流電抗器引起的電壓損失，圖3（b）中的Is-limiter 具有方向電流保護的功能。

圖3 Is-limiter 的典型應用

Is-limiter 具有較高的可靠性，在國外具有良好的業績，在國內工業配電系統也得到了一定的應用，如2008年7月在上海寶鋼投運的12kV Is-limiter 等。

1.3 超導故障電流限制器SFCL[6-8]

隨著二十幾年前高溫超導體(HTS，High temperature superconductor，冷卻溫度-196℃，冷卻介質液氮)的誕生，SFCL 隨之出現。根據工作原理不同，又可分為電阻型 SFCL 和磁屏蔽型感應型SFCL 兩種。

電阻型SFCL 等效原理圖如圖4所示，該型故障限流器由超導線圈和并聯電阻組成。超導線圈浸于低溫冷卻介質中，由引線串入線路，高壓開關與限流器串聯，用以切斷限流電流或低于臨界電流的負荷電流。

圖4 電阻型SFCL 原理圖

電阻型SFCL 結構簡單，反應速度快。但系統正常運行時，電流流過超導體，損耗較大；發生故障時，超導體須承受所有短路功率，因此超導材料特性須高度一致，避免形成熱點燒毀超導體。

磁屏蔽型感應型SFCL 等效原理圖如圖5所示。該型故障限流器外側即變壓器原邊為銅線圈，銅線圈與被保護電路相連，鐵心和銅線圈之間為超導圓筒，超導圓筒在制冷器內。系統正常運行時原邊線圈產生的交流磁場被超導圓筒屏蔽，限流裝置的阻抗決定于銅線圈和超導圓筒之間的漏抗，短路故障時，短路電流超過臨界電流，超導圓筒從超導態轉變為常態，超導圓筒不足以屏蔽原邊線圈產生的交流磁場，交流磁場穿過超導圓筒進入鐵心內，超導圓筒電阻迅速增加，裝置相當于變壓器，原邊繞組電感恢復正常值起到限制短路電流的作用。

圖5 磁屏蔽型感應型SFCL 原理圖

磁屏蔽型感應型SFCL 超導材料需求量少，無引流線，漏熱少，交流損耗小，制冷要求低；但限流器內含鐵心，體積大，價格高；限流過程產生暫態過電壓，為減少電路正常運行時鐵心磁滯損耗，設計時須考慮超導體形狀。

兩種SFCL 均可用于母聯回路、饋電回路及變壓器回路，參見圖1（a）、（c）、（d）。

1.4 固態故障電流限制器SSFCL[9-10]

SSFCL 原理圖如圖6所示，正常運行時，電容C1與電感L1發生串聯諧振，總阻抗表現為零；發生短路故障時，固態開關SW1高速閉合（小于3ms），電感L1接入回路，起限流作用，阻抗Z1可限制通過固態開關SW1的涌流。為進一步增強其可靠性，增加了氧化鋅避雷器及旁路（由Z2及BPS 組成），旁路作為固態開關SW1的后備。

圖6 固態故障電流限制器SSFCL 原理圖

SSFCL 采用電子元件，動作速度快，允許動作次數多，可以有效限制短路電流暫態峰值。但由于電子元件容量較低，用于高電壓、大電流場合需要 多個元件串并聯，目前制造難度大，可靠性低、成本高。

2 故障電流限制器的選擇

2.1 工程簡介

國外某油田，目前已探明原油儲量達180 億桶（24.33 億t），是世界上迄今為止最大的五個未開發油田之一。該油田將分三期進行開發，預計一期建成48 口油井，穩產后日產原油8.5 萬桶；二期預計增加油井30 口，建成后總產量達到每天18.5 萬桶；三期工程尚在概念設計階段，預計建成后總產量達到每天30 萬桶。

該油田設一座中心處理站，一期、二期的用電均由中心處理站的發電廠供給。一期用電負荷約40.8MW，配備5 臺油氣兩用發電機，4 用1 備，單臺額定容量16MW，額定電壓11kV；二期用電負荷約27MW，配備4 臺同樣的發電機，所有發電機中性點采用低電阻接地，其電氣接線原理如圖7所示。

圖7 某油田供電系統電氣接線原理圖

利用ETAP 7.1 計算軟件分別對一期、二期工程及一期+二期工程進行短路電流計算，得到計算結果如表1、圖8所示。由計算結果可知，當母聯斷路器閉合時，11kV 母線三相短路電流有效值及峰值將分別達到77.6kA 和196.4kA，這遠遠超出了普通中壓開關柜的短路耐受能力。因此，可以考慮在母聯回路中裝設故障電流限制器，以達到限制短路電流的目的。

圖8 三相短路電流

表1 三相短路電流計算結果

2.2 采用限流電抗器CLR

在母聯回路中裝設不同容量的CLR，得到計算結果如表2、圖9所示。在不等于￥的各種情況下，電抗器的電壓損失均不超過5%。由表2可知，當CLR 的值等于1W 時，11kV 母線I、II 段三相短路電流有效值均小于50kA，但I 段母線三相短路電流峰值為131kA，大于所選11kV 開關柜的短時耐受電流峰值（125kA）；CLR 等于2W 時，11kV 開關柜滿足短路電流的要求；而隨著CLR 電抗值的增大，其限流效果逐漸變的不明顯，當CLR 為無窮大時，所得到的計算結果即為兩端母線分列運行的短路電路值。因此，可以考慮在2～10W 間選擇一個恰當的數值，來確定所需的限流電抗器。

表2 裝設CLR 后的短路電流計算結果

圖9 裝設CLR 后的三相短路電流

2.3 采用Is-limiter

綜合考慮可靠性、運行經驗和成本，Is-limiter是一個較好的選擇。Is-limiter 響應時間短（＜1ms），可以認為短路故障剛出現時，母聯即分斷，兩段母線分列運行；Is-limiter 可預設整定值，其測量脫扣單元通過檢測短路電流的幅值和di/dt來分辨故障電流，當短路電流大于整定值時，Is-limiter 動作，開斷短路電流，當短路電流小于整定值時，Is-limiter不動作，由母聯斷路器開斷短路電流；Is-limiter 具有方向電流保護功能，可判斷不同母線段的短路故障。

圖10 給出了Is-limiter 開斷故障電流時的三相短路電流波形圖，其中虛線為未裝設Is-limiter 時的短路電流，從上往下依次為一期+二期、一期、二期的短路電流；實線為裝設Is-limiter 后一期和二期的短路電流。從圖中可以看出，裝設Is-limiter 后，I段母線三相短路電流峰值不超過125kA，所選開關柜滿足要求；II 段母線的情況與之類似。

圖10 裝設Is-limiter 后的三相短路電流

3 結論

通過以上章節的討論，可以得出如下結論：

1）對短路電流的限制是一個需要綜合考慮的問題。在設計初期，若能預見到會出現很大的三相短路電流，應從電氣主接線及運行方式上對其進行限制，如采用高阻抗變壓器、變壓器分列運行等手段。在不可避免出現短路電流過大的情況下，可針對不同的情況選擇不同的短路電流限制器加以限制。

2）限流電抗器結構簡單、可靠性好、造價低廉，在通常情況下，應首先考慮選擇限流電抗器；但限流電抗器同時存在尺寸大、笨重等缺點，且會造成一定的電壓損失。

3）Is-limiter 動作快，自帶測量脫扣單元，具有較好的可靠性和良好的運行業績。在配電室布局緊張，或對電壓質量要求較高的場合，可考慮選擇Is-limiter。為此，在上述工程中，選擇Is-limiter 來限制故障電流。

4）超導故障電流限制器和固態故障電流限制器由于造價高、結構復雜、可靠性低，尚未得到大面積應用，目前尚處于試運行階段。

[1] GB 50059—2011.35～110kV 變電所設計規范[S].

[2] 周靜華.變電站低壓側限流電抗器電抗值的選擇[J].供用電,2009,26(3): 48-49.

[3] 高昆,袁良,李強,等.小型電廠接入系統短路電流的限制措施[J].華電技術,2009,31(10): 68-69.

[4] 陳水明,王威,楊鵬程.限流電抗器對輸電線路工頻過電壓的影響[J].電網技術,2010,34(3): 193-196.

[5] HARTUNG K H.Is-limiter—The Solution for High Short-circuit Current Applications[EB/OL].ABB Calor Emag,2002,http://www.abb.de/calor.

[6] PAUL W.Superconducting Technology Moves On[J].Power Engineering International,2001(6): 27.

[7] PAUL W.Superconducting Fault Current Limiter- Applications[C].Technical and Economical Benefits,Simulations and Test Results CIGRE 2000,13-201,Paris 8/2000.

[8] PAUL W,CHEN M,LAKNER M,et al.Fault current limiter based on high temperature superconductors- different concepts test results,simulations,applications[J].Physica C 2001,354: 27-34.

[9] VEDA T,et al.Solid-state Current Limiter for Power Distribution system[J].IEEE Trans PWRD,1993,1(8): 1796-1801.

[10] SUGIMOTO S.Fault Current Limiting System for 500kV Power System[J].Electrical engineering in Japan,1999,127(1).