概述
故障电流限制技术是智能电网的另一项重要技术。一般情况下,配电网短路会产生很大的故障电流,除可能造成相关的配电设备因发热、机械应力损害外,还会引起母线电压骤降,使同一母线供电的敏感用电设备受影响,带来严重的后果。配电设备、导线的设计也因此要留有足够的耐短路电流冲击的裕度,这都使配电设备、导线的制造成本大幅增加,而应用故障电流限制技术,将短路电流降低到一个合理的水平上,则可以解决这些问题。对于智能配电网,由于DER 大量接入,这将造成配电网短路容量增加,使之超过配电设备与导线允许的设计值。如果因此而更换配电设备与导线,将造成极大的浪费,而安装故障电流限制设备来防止短路容量超标则是一个比较经济的解决方案。因此,故障电流限制技术对于提高供电质量、减少配电网造价与DER 并网投资都具有十分重要的意义,是建设智能配电网的一项关键技术。
限制故障电流的措施分为系统级措施与设备级措施两类。系统级措施有电网解列运行、母线分列运行、提高电压等级等;设备级措施则是应用故障电流限制器( Fault Current Limiter , FCL) 。因受可靠性、电压质量、损耗等因素的限制,系统级限流措施发挥的作用有限, 必须配合使用FCL ,才能把短路电流降到一个较低的水平。
FCL一种串接在线路中的电气设备,未来的智能配电网, FCL将获得普遍应用,短路电流甚至可限制至2倍额定电流以下,使配电系统摆脱短路电流的危害,传统的遮断大电流的断路器或许从系统中消失,配电网面貌、性能与保护控制方式将发生根本性的变化。
技术原理
FCL分为被动型与主动型两种。被动型FCL 在正常运行与故障状态下,均增加系统阻抗,构成简单,易于实现,但在正常运行状态下会产生电压降,增加系统损耗。目前在系统中获得广泛应用的FCL 是串联电抗器,是一种传统的被动型FCL 。
主动型FCL 只是在故障状态下快速增加系统阻抗,既限制了故障电流,又不影响系统的正常运行,是理想的故障电流限制设备。目前应用或正在研发的主动型FCL 有高压限流熔丝、可控串补装置、超导型故障电流限制器等。因其原理、造价或其他一些因素的影响,主动型FCL 的应用受到了限制。随着电力电子技术与新材料技术的发展,主动型FCL 技术会更加成熟,其性能将进一步改进,成本也会逐渐降低,将成为主流的FCL 。
以下介绍已应用于配电网中的几种主要的FCL (均为主动型) 及其在配电网中的应用情况。
（1）谐振FCL：
谐振FCL分串联谐振与并联谐振两种类型。
①串联谐振FCL利用电力电子器件,使正常工作时处于串联谐振(阻抗接近零) 状态下的电路在出现短路故障时脱谐,使阻抗增大而达到限制短路电流的目的。图7为串联谐振FCL构成原理图,正常运行时晶闸管(SCR)不导通,电感L与电容C发生串联谐振,装置阻抗为零。在系统出现短路时,SCR导通,电抗器串入电路起到限流作用。串联谐振FCL简单、可靠,已在中压配电网中获得应用。
②并联谐振FCL 在电力电子器件控制下正常工作时处于非谐振状态,阻抗较小,而在系统出现短路故障时进入并联谐振(阻抗) 状态,使线路阻抗增大而限制短路电流。这种FCL 容量有限,实际系统中应用较少。
（2）超导FCL：
超导FCL 简称SFCL (Superconductor FCL) , 是利用超导体在由超导转换为正常状态后阻抗增大来限制故障电流。它有多种实现方式。
①电阻型SFCL 由高温超导( High Temperature Superconductor , HTS) 线圈与并联的普通线圈构成。正常运行时,线路电流全部通过处于超导状态的HTS。在出现短路故障时, HTS线圈因流过它的电流超过临界值而呈现高电阻,电流被转移到普通线圈上去,达到限流目的。
②桥路型SFCL 构成原理如图8所示,它由二极管V1～V4、HTS线圈和直流偏压源Gb组成。调节Gb的值,使流过HTS 线圈的电流大于线路额定电流峰值。正常运行时,桥路始终导通,HTS 线圈两端电压为零。一旦发生短路故障,HTS 线圈失超转变为高阻状态串入线路中限流。
③变压器型SFCL由通过线路电流的原边常规绕组、副边短接的高温超导线圈和铁芯组成。正常运行时, 超导线圈阻抗为零,变压器因副边被短接而呈现低阻抗。故障时, 超导线圈因变压器副边电流很快超过临界值而失超, 副边电阻瞬间变大, 导致变压器原边的等效阻抗很快增大,从而限制故障电流的增加。
④饱和型SFCL是一种非失超型的限流器,由铁芯、一次交流绕组、二次直流HTS 绕组及直流偏置电源等构成(见图9)。当额定交流电流通过一次绕组时, 选择合适的直流偏置电源使两个铁芯均处于深度饱和状态。而当出现故障时, 瞬间增大的电流使交流线圈在铁芯中产生的磁动势接近于直流磁动势, 使两个铁芯分别在正负半波退出饱和, 系统呈现高阻抗而起到限流的作用。
⑤磁屏蔽型SFCL由外层的铜线圈、中间的HTS线圈和内侧的铁芯或空心电抗器组成,铜线圈接入线路。正常运行时, HTS 线圈感应磁通可抵消(屏蔽) 铜线圈产生的磁通,整个装置呈现很小的电抗值。当电流超过一定值后,HTS 线圈失超,磁屏蔽作用消失,SFCL 呈现较大阻抗而限流。总之,SFCL 能在较高电压下运行,可在极短时间(百微秒级) 内有效地限制故障电流,是FCL发展的重要方向。目前SFCL 技术尚不够成熟,还需要解决电流整定困难、失超后的散热维护等问题。由于SFCL 失超后恢复时间过长,不适于需要快速重合闸的场合。
（3）热敏电阻FCL：
热敏电阻( PTC)是一种非线性电阻,室温时电阻值非常低,当故障电流流过时,材料发热升温,在温度升高到一定值时,电阻值在微秒时间内提高8～10个数量级,从而起到限制故障电流的作用。热敏电阻FCL 已在低压(380V) 系统中获得应用。由于单个PTC 元件的电压与电流额定值不高,且存在电阻受外界因素影响大、电阻恢复时间长等缺陷,限制了其在高压系统中的应用。
（4）固态FCL：
固态FCL由半导体器件构成,能够在达到峰值电流之前的电流上升阶段就中断故障电流。图10给出了一种固态FCL 的结构,正常工作时,半导体开关( GTO1 与GTO2) 导通流过负荷电流,对系统运行无影响。当检测到故障电流后,半导体开关被关断,电流转移到电抗器上,从而限制了故障电流。
固态FCL 也是一种DFACTS 设备。随着电力电子技术的发展,固态FCL 技术愈来愈成熟,目前已在中低压配电设备中获得应用。
国内发展和应用现状
故障电流限制器主要包括超导型和固态型, 2类故障电流限制器分别具有独有的限流特性, 可以提高线路和电网运行整体控制能力, 是具有发展前景的限制短路电流技术。目前我国在电力电子技术和超导控制技术的研究与国外还有很大差距, 故障电流限制器已成为电网技术研究的前沿课题。故障电流限制器可以限制系统短路电流, 提高系统安全稳定水平, 对提高电网供电质量, 电网运行灵活性也具有重要意义。
国外发展和应用现状
超导材料在临界温度、临界磁密及临界电流密度下电阻率为零, 而在正常条件下却有较高的电阻率(如类似不锈钢的电阻率), 因而作为高压电网中的故障电流限制器有很好的应用前景。应当说故障电流限制器并不是简单地代替传统的高压断路器,而是对电力系统的稳定性、可靠性、经济性和运行灵活性均有好处, 因此, 有人认为它即使比传统高压断路器贵上几倍也会有不错的市场。欧洲工业协会1995 年预计, 2010 年SFCL 在全世界的市场份额有35 亿美元, 占全部超导电力设备市场份额的40% , 远远高于其他超导电力设备。日本有关电气制造业公司、电力公司、研究院所和大专院校对各种超导电力设备的应用前景估计(问卷调查统计)见图1。可见, 在众多超导电力设备中, SFCL 的应用可望于2012~ 2015 年间实现, 仅晚于超导电缆, 而其效益是最好中的一个。
当然, 超导电力设备的基本原理十分简单, 但在技术上和经济上却存在巨大的困难。为解决这些问题, 一些技术先进国家在上世纪八十年代开始, 在国家政府有关单位的领导和协调下投入相当的资金和技术力量进行研究开发。如美国能源部( DOE) 的电力系统超导计划 ( 1988) , 欧盟的欧洲委员会下属的第三总局1984 年推进的共同研究开发框架计划 , 该计划到1998~ 2002 年已经是第五次了。日本通商产业部制订的新阳光计划自1988 年开始至今仍在进行, 近几年对超导电力设备的投入每年达1亿美元。其中包括技术基础研究和应用研究。除此之外, 以上各国有关制造业和电力公司等也投入资金和技术力量。在美国, 各公司的资金投入约占总数50% 左右。截至1997年, 美、欧、日在超导电力设备方面的计划据统计有31 项, 其中属于SFCL的多达12 项, 占总数近40%。
供应商信息
日本电力公司
东芝公司
西门子公司
加拿大Hydro Quebec
法国GEC Alsthon 公司
ABB 瑞士研究中心
经典案例
DDX1在唐山电网的实际应用
2.1现场运行方式
现场运行方式确定为与母联断路器串联, 使变电站分段母线并列运行。
唐山地区近年来经济发展迅速, 售电量大幅增长, 110kV变电站单台主变容量超过40MVA的情况逐年递增。而110kV变电站10kV侧几乎全部是单母分段接线方式, 这就造成大容量变电站（主变容量在40MVA及以上）10kV母线不能并列运行。目前普遍采用的运行方式是2台或多台主变分裂运行, 母联断路器打开处于热备用状态, 利用安全自动装置在一定的条件下备自投。
下面以应用于唐山电网某110kV变电站母联断路器串联安装限流装置DDX1为实例加以说明。
该变电站电压等级为110kV/10kV, 2台主变型号相同, 容量均为50MVA。10kV侧为单母线分段运行, 每段母线上各安装2组无功补偿电容器, 容量分别为3000kvar。目前2台主变分裂运行, 即母联断路器打开处于热备用状态。
通过理论上的计算和分析, 该变电站单台主变10kV出口最大短路电流可达18kA, 若两段母线并列运行则馈线开关出口短路电流最大可达36kA, 而馈线开关的极限短路开断能力仅为31.5kA, 所以母线分段运行是必然的。
选用的DDX1主要参数为:
额定电压：12kV；
额定电流：3150A；
额定短路开断能力：63kA；
全开断时间：小于10ms；
短路电流限制水平：预期短路电流的20%~50%以内。
具体实施方案是将FCL与母联断路器串联使用, 原母联隔离开关柜（545-3）内加装DDX1产品, 见图4。当出线发生超过DDX1整定水平的短路时, DDX1快速动作, 在几个毫秒内开断故障电流, 将两段母线分开, 使出线开关所承受的短路电流减小约50%, 从而解决了出线开关开断容量不足的问题。DDX1安装前后短路点电流的波形参见图5。图中所示情况是短路发生在电压U过零的瞬间, 所以短路电流的非周期分量最大, 纵坐标表示短路电流的瞬时值（系统可能出现的短路电流峰值, 其中为系统额定短路电流）。
2.2DDX1动作参数的整定
2.2.1DDX1动作值的确定原则
加装DDX1后的系统主接线示意图见图4。在母联位置串接FCL后, 原来分段运行的母线可以并列运行, 对于馈线断路器而言短路电流的情况发生了变化, 即馈线断路器出口短路时短路电流由原来的仅一台主变提供（最大值18kA）变为两台主变同时提供（最大值36kA）。那么DDX1的动作值的确定原则就是保证馈线断路器的短路电流开断的安全。馈线断路器目前的额定短路开断电流为31.5kA, 则应保证馈线断路器开断的短路电流在其额定短路开断电流以内。
2.2.2动作值的确定
DDX1的动作判据为电流瞬时值及电流瞬时变化率, 两个判据同时满足时DDX1才能动作。电流瞬时值判据应保证DDX1的动作不受高频暂态干扰电流的影响并躲开系统可能出现的各种过电流；电流瞬时变化率判据应保证预期短路电流的最大变化率大于此值时DDX1才能动作。对于该变电站两个判据可以设置如下：
电流瞬时值判据对应于回路电流10kA的最大瞬时电流；
电流瞬时变化率判据对应于回路电流14kA的最大瞬时电流变化率。
这就是说, 小于14kA的短路电流出现时DDX1不会动作, 大于14kA的短路电流出现并且其瞬时值超过时DDX1才会动作。由于两台主变容量及型号相同, 所以馈线短路时两台主变向短路点提供的短路电流也相同。也就是说在主变并列运行时馈线短路电流在以内时DDX1不动作, 由馈线断路器按原来的继电保护方案切断短路电流：而当馈线短路电流
在以上时DDX1在10ms开断, 使变压器分裂运行, 这样一来馈线断路器所开断的最大短路电流仅为一台主变提供的18 A, 保证了设备的安全。
2.2.3改造后相关继电保护装置的调整方案
根据上面所述, 各馈线断路器及主变进线断路器的继电保护方案不需要作出调整, 而母联断路器的继电保护方案需要作出如下调整：
（1）DDX1不投运时母联断路器的运行方式及继电保护方案保持不变；
（2）DDX1投运时, 母联断路器的安全自动装置退出（解除备自投）, 增加DDX1与母联短路器分闸的联动, 其它继电保护方案仍保持不变；
（3）DDX1投运时, 应将DDX1低压信号控制箱的一组继电器接点用于遥信接点, 与变电站监控系统连接。
2.3分段母线并列运行的条件及技术经济评估
分段母线并列运行的条件：（1）相位相同, 接线组别相同；（2）电压比相同；（3）短路电压差不大于10%；（4）容量比不超过3:1。如果不能满足上述（2）、（3）、（4）条件时, 在任何一台变压器都不会过载的情况下, 也可以并列运行。并列运行后技术经济特性如下
2.3.1优化负荷分配
两台主变的负荷可以自动优化分配, 有利于变压器自身的合理使用, 保证变压器正常的使用寿命。
2.3.2降低网络阻抗
变压器有一定的阻抗, 尤其是现在使用的高阻抗变压器。并列运行后, 网络阻抗降低, 有利于提高变电站带负荷的能力, 使现有供电设备充分发挥效能, 缓解地区性或季节性供电紧张局势。
2.3.3提高供电质量及可靠性
提高电能质量及可靠性一直是电力系统追求的目标。由于并列运行后带负荷能力增强, 使母线电压更为稳定, 电压质量得以提高。另外由于有两路电源同时供电, 所以任何一路电源出现故障或临时退出, 所有负荷或重要负荷可以不间断供电,显然供电的可靠性得到提高。
2.3.4节能降耗
假若两台同容量的变压器分裂运行时, 一台主变负荷电流为, 另一台负荷电流为, 又假设两变压器的总电阻均为, 则两变压器的有功损耗；这时若将两台变压器并列运行,两台变压器的负荷电流都将是, 这时的有功损耗。节能降耗率为。不难推算出极限情况可以降耗50%。考虑到一台50MVA的变压器有功损耗近200kW,所以并列运行具有明显的节能降耗作用。以当前改造变电站的具体情况, 两台主变容量均为50MVA, 单台主变总有功损耗210kW, 其中空载损耗80kW, 平时运行时负载很不平衡, 其中一台满载, 另一台近乎空载, 则当母联开关打开时, 两台主变总损耗, 而母联开关合上后总损耗, 节能。
2.3.5节约工程投资
两主变或多主变并列运行的唯一缺点就是需要提高所有出线开关的短路电流开断能力, 同时需要提高相关电气设备在短路电流冲击下的动热稳定能力, 增加工程及设备造价。而采用DDX1后, 这一缺点将不复存在。不仅如此, 所有出线开关还可以选择较小容量的产品, 进一步节约投资。
参考文献
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