宰洪濤，李品德

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

高壓故障電流限制器應(yīng)用及研究

宰洪濤1，2，李品德3

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

指出隨著電力工業(yè)的迅猛發(fā)展及用電規(guī)模的不斷攀升，導(dǎo)致很多電力節(jié)點(diǎn)的短路電流超標(biāo)，如何限制或快速開(kāi)斷過(guò)大的短路電流、保護(hù)電力主設(shè)備及電網(wǎng)安全成為電力工作者關(guān)注的重大問(wèn)題，故障電流限制器正是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵設(shè)備。闡述了高壓故障電流限制器的概念、分類(lèi)、原理，分析了高壓故障電流限制器的發(fā)展水平、發(fā)展趨勢(shì)、典型及實(shí)際應(yīng)用情況，表明故障電流限制器的使用在預(yù)防變壓器損壞事故方面有良好的應(yīng)用前景。

故障電流限制器；爆破切割；超導(dǎo)

0 引言

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，系統(tǒng)內(nèi)故障電流水平急劇上升，電力系統(tǒng)中某些節(jié)點(diǎn)的短路電流水平已經(jīng)超過(guò)40 kA，有些節(jié)點(diǎn)甚至可以達(dá)到90 kA以上，面對(duì)如此大的短路電流，電網(wǎng)中的主變壓器常因承受不住短路電流的沖擊而發(fā)生損壞，如何限制故障短路電流是當(dāng)前緊要的問(wèn)題。故障短路電流限制器的出現(xiàn)正適應(yīng)了當(dāng)前電網(wǎng)發(fā)展的需要，是落實(shí)《國(guó)家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》中“當(dāng)有并聯(lián)運(yùn)行要求的三繞組變壓器的低壓側(cè)短路電流超出斷路器開(kāi)斷電流時(shí)，應(yīng)增設(shè)限流電抗器”的具體措施，通過(guò)實(shí)踐也證明了該項(xiàng)舉措的有效性和實(shí)用性。

1 故障電流限制器

故障電流限制器，也稱(chēng)短路電流限制器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“限流器”)FCL（FaultCurrent Limiter），是一種串聯(lián)于電氣回路中、可對(duì)故障電流包括其第一峰值進(jìn)行有效限制的阻抗變換裝置或具有限流功能的快速開(kāi)斷裝置。這類(lèi)設(shè)備的額定參數(shù)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(chǎn)品根據(jù)其技術(shù)特點(diǎn)大致可分為基于爆破切割技術(shù)的故障電流限制器、基于超導(dǎo)技術(shù)的故障電流限制器、基于電力電子技術(shù)的故障電流限制器以及其他類(lèi)型的故障電流限制器。除基于爆破切割技術(shù)的故障電流限制器以外，其余各類(lèi)故障電流限制器尚有各種原因未能大面積在實(shí)際中使用，因此，著重介紹各類(lèi)“基于爆破切割技術(shù)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(shù)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(jié)構(gòu)也有所不同，其中，采用軍事上爆破切割技術(shù)的快速隔離器具有大容量、高速、可靠的特點(diǎn)，逐漸被大家接受，因此，也稱(chēng)該種限流器為基于爆破切割技術(shù)的短路電流限制器。

2.1 基本原理

設(shè)備主回路由基于爆破切割技術(shù)的快速隔離器及特種高壓限流熔斷器并聯(lián)構(gòu)成。電流傳感器將主回路電流信號(hào)提供給電子控制器，電子控制器對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行變換、分析并判斷此電流是否超過(guò)其動(dòng)作整定值，若超過(guò)則電子控制器將立即向快速隔離器發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，快速隔離器在200μs內(nèi)斷開(kāi)并形成隔離斷口，同時(shí)，主回路電流轉(zhuǎn)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(kāi)斷。如圖1所示。

圖1 短路電流限制器基本原理圖

2.2 開(kāi)斷短路電流過(guò)程比較

普通斷路器開(kāi)斷短路電流由于繼電保護(hù)和操作機(jī)構(gòu)的固有特性影響，從短路發(fā)生到斷路器完成開(kāi)斷需要約5個(gè)周波，在電流自然過(guò)零時(shí)熄弧開(kāi)斷，開(kāi)斷過(guò)程不限流。FCL則在短路故障發(fā)生后幾毫秒內(nèi)完成限流開(kāi)斷，短路電流在第一大半波即被限制到較低的水平。開(kāi)斷短路電流過(guò)程對(duì)比如圖2所示。

圖2 限流器開(kāi)斷過(guò)程與普通斷路器開(kāi)斷過(guò)程的比較圖

2.3 限流器開(kāi)斷短路電流時(shí)間過(guò)程[1]

圖3中，t=0，短路故障發(fā)生。

t=t1，電子控制器探測(cè)到故障并建立觸發(fā)信號(hào)，此時(shí)間與預(yù)期短路電流的大小、電子控制器動(dòng)作整定值及短路發(fā)生時(shí)的相位角均有關(guān)系，一般大于600 μs。

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

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

t=t4，熔斷器內(nèi)電弧熄滅故障電流被徹底開(kāi)斷，t3－t4為熔斷器的滅弧時(shí)間，一般小于5ms。

2.4 國(guó)外情況簡(jiǎn)介

美國(guó)G&W公司的CLiP限流保護(hù)器快速隔離器采用平板式結(jié)構(gòu)。產(chǎn)品額定電壓12 kV，額定電流3 000 A，額定短路開(kāi)斷電流120 kA；額定電壓35 kV時(shí)最大額定電流2 500 A，額定短路開(kāi)斷電流100 kA。

圖3 限流器開(kāi)斷過(guò)程時(shí)序示意圖

德國(guó)ABB公司的Is-Limiter快速隔離器采用管式結(jié)構(gòu)。產(chǎn)品額定電壓12 kV，額定電流4 000 A，額定短路開(kāi)斷電流210 kA；額定電壓36 kV時(shí)最大額定電流2 500 A，額定短路開(kāi)斷電流140 kA。

法國(guó)FERRAZ公司的PyroBreaker：快速隔離器采用活塞撞擊式結(jié)構(gòu)。產(chǎn)品額定電壓12 kV，額定電流3 000 A，額定短路開(kāi)斷電流100 kA；額定電壓24 kV時(shí)最大額定電流2 000 A。

2.5 國(guó)內(nèi)情況簡(jiǎn)介

陜西電力科學(xué)研究院的DXK1短路電流限流開(kāi)斷器、陜西藍(lán)河電氣的DDX1短路電流限制器具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，額定電壓3.6～40.5 kV，額定電流630～6 300 A，額定短路開(kāi)斷電流50～200 kA。額定電壓在40.5 kV時(shí)，最大額定電流可達(dá)到4 000 A。產(chǎn)品特點(diǎn)是快速隔離器為全密封平板式結(jié)構(gòu)；內(nèi)置式羅氏線圈傳感器；電子控制器各相獨(dú)立設(shè)置，采用電流及電流變化率雙判據(jù)觸發(fā)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(kāi)關(guān)：額定電壓3.6～14 kV，額定電流2 000～4 000 A。產(chǎn)品特點(diǎn)是快速隔離器為非密封管式結(jié)構(gòu)；傳感器外置；電子控制器在低壓側(cè)，三相共用一個(gè)控制器，采用高壓脈沖變壓器觸發(fā)；需要在主回路上并聯(lián)高能氧化鋅電阻；大額定電流時(shí)需要多橋體并聯(lián)；只能三相成柜安裝。

3 短路電流限制器的發(fā)展趨勢(shì)[2]

短路電流限制器的發(fā)展趨勢(shì)及方向?yàn)轫憫?yīng)及恢復(fù)時(shí)間短、限流效果可控、可重復(fù)使用、寬額定電流范圍、高可靠、低功耗、維護(hù)簡(jiǎn)便、結(jié)構(gòu)緊湊、成本合理。

3.1 響應(yīng)及恢復(fù)時(shí)間

FCL的檢測(cè)裝置能快速識(shí)別故障電流并作出響應(yīng)，啟動(dòng)限流元件將故障電流限制到預(yù)期的水平內(nèi)。完成限流后，F(xiàn)CL的限流元件可以快速恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)，以備下次故障時(shí)再使用，對(duì)于要求自動(dòng)重合閘的系統(tǒng)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(guò)兩個(gè)方面加以描述。其一是FCL限流元件的啟動(dòng)電流，即FCL開(kāi)始起作用的最小電流；其二是限流系數(shù)，即經(jīng)過(guò)FCL后電路中實(shí)際出現(xiàn)的峰值電流與預(yù)期故障電流的最大峰值電流的比值。顯然，這兩個(gè)指標(biāo)的量值表示限流效果的好壞，具體量值應(yīng)該根據(jù)FCL的應(yīng)用方式及安裝位置的實(shí)際情況合理設(shè)計(jì)或整定，不應(yīng)單方面追求過(guò)強(qiáng)的限流效果而忽視了實(shí)用性及FCL產(chǎn)品成本的控制。

3.3 可重復(fù)使用

可以多次使用而不是單次使用，可重復(fù)使用的次數(shù)是FCL的重要技術(shù)指標(biāo)。

3.4 寬額定電流范圍

對(duì)于高壓領(lǐng)域，額定電流的范圍要求630～6 300 A，在發(fā)電機(jī)出口使用的限流器根據(jù)發(fā)電機(jī)容量對(duì)額定電流的要求經(jīng)常會(huì)更高。

3.5 高可靠性

FCL一般裝備在電力系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上，其可靠性直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全性，拒動(dòng)、誤動(dòng)、失效是不允許的。另外，若需要經(jīng)常性地維護(hù)或保養(yǎng)則會(huì)使運(yùn)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(yīng)該具有低功耗特性，即低無(wú)功損耗和低有功損耗。較大的能耗或電壓降落會(huì)明顯影響其運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，增加用戶(hù)的運(yùn)行成本甚至失去適用性。

3.7 其他方面

運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)便，便于運(yùn)行維護(hù)是FCL產(chǎn)品推廣應(yīng)用的前提；結(jié)構(gòu)緊湊，F(xiàn)CL裝置結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能緊湊化、小型化，以降低對(duì)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(guò)分昂貴將阻礙FCL的大面積推廣；環(huán)境友好，F(xiàn)CL裝置本身應(yīng)該是環(huán)保的，不包含或產(chǎn)生有害物質(zhì)，不對(duì)周邊環(huán)境造成不利影響。

4 短路電流限制器的典型應(yīng)用[3]

大型變壓器低壓側(cè)最大短路電流可達(dá)數(shù)十甚至上百kA，只由普通斷路器無(wú)法完成開(kāi)斷任務(wù)。

4.1 應(yīng)用于大型變壓器低壓側(cè)出口

將限流器串聯(lián)安裝于大型變壓器與低壓側(cè)斷路器之間，同時(shí)，在限流器與變壓器之間串聯(lián)隔離開(kāi)關(guān)，以達(dá)到對(duì)FCL進(jìn)行維護(hù)時(shí)不需要停運(yùn)變壓器的目標(biāo)。變壓器出口安裝限流電抗器的主要用途就是限制系統(tǒng)的短路電流，在系統(tǒng)發(fā)生短路電流超出斷路器安全開(kāi)斷電流時(shí)由FCL限流或開(kāi)斷，保護(hù)變壓器不因短路電流沖擊而發(fā)生損壞，從而解決變壓器短路電流耐受能力不足的問(wèn)題。

4.2 應(yīng)用于變電站母聯(lián)位置

FCL應(yīng)用于變電站母聯(lián)位置。例如某110 kV變電站裝備2臺(tái)50MVA的大容量變壓器1號(hào)及2號(hào)，每臺(tái)變壓器可向10 kV側(cè)提供的最大短路電流為18 kA，若2臺(tái)主變壓器并列運(yùn)行則饋線出口短路電流最大可能達(dá)到36 kA。出于設(shè)備經(jīng)濟(jì)性或系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的考慮，饋線斷路器的額定短路開(kāi)斷電流通常不超過(guò)31.5 kA，所以，正常情況下母聯(lián)斷路器不能閉合、分段母線不能并列；只有在1臺(tái)主變壓器因故退出運(yùn)行后，母聯(lián)斷路器才能閉合運(yùn)行。在母聯(lián)開(kāi)關(guān)的位置串接1臺(tái)FCL的情況下，則分段母線可并列運(yùn)行。合理整定FCL的動(dòng)作電流，當(dāng)出線發(fā)生短路、且預(yù)期短路電流值接近31.5 kA時(shí)，使FCL動(dòng)作，10 kV母線分列運(yùn)行，使饋線斷路器只承擔(dān)開(kāi)斷能力以?xún)?nèi)的短路電流。

4.3 應(yīng)用于區(qū)域電網(wǎng)之間的聯(lián)絡(luò)線上

FCL應(yīng)用于區(qū)域電網(wǎng)之間的聯(lián)絡(luò)線上。由于區(qū)域電網(wǎng)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(lián)FCL后，當(dāng)短路電流超出斷路器安全開(kāi)斷電流時(shí)由FCL限流或開(kāi)斷，從而解決了斷路器開(kāi)斷能力不足的問(wèn)題。

4.4 應(yīng)用于發(fā)電機(jī)出口或廠用電分支母線

FCL應(yīng)用于發(fā)電機(jī)出口或廠用電分支母線上，作為發(fā)電機(jī)出口或廠用電分支的災(zāi)難性事故保護(hù)。

4.5 其他應(yīng)用方式

應(yīng)用于對(duì)電能質(zhì)量有特殊要求的場(chǎng)合，比如有的用戶(hù)要求在短路過(guò)程中供電系統(tǒng)電壓降落時(shí)間小于20ms；應(yīng)用于小容量發(fā)電機(jī)組的上網(wǎng)保護(hù)；應(yīng)用于大功率電力電子電路的短路保護(hù)。

5 短路電流限制器的實(shí)際應(yīng)用情況

2009年，某廠家生產(chǎn)的220 kV變壓器多次由于低壓側(cè)短路發(fā)生損壞故障，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。變壓器在短路電流作用下?lián)p壞的事故時(shí)有發(fā)生，而且損壞時(shí)的短路電流水平一般都在10 kA左右，遠(yuǎn)沒(méi)有超過(guò)變壓器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的額定短時(shí)耐受電流水平，主變壓器實(shí)際抗短路電流沖擊的能力遠(yuǎn)低于理論計(jì)算值。為了防止主變壓器低壓側(cè)短路造成損壞，解決220 kV變壓器抗短路能力不足的問(wèn)題，在問(wèn)題變壓器低壓側(cè)加裝短路電流限制器是十分必要的。

5.1 實(shí)際安裝改造情況

某220 kV變電站（電壓等級(jí)為220 kV、110 kV、35 kV）為解決變壓器低壓側(cè)出口抗短路能力不足的問(wèn)題，于2010年初在該站1臺(tái)變壓器低壓側(cè)出口串接一組短路電流限制器，同時(shí)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(kāi)關(guān)。實(shí)際安裝情況如圖4所示。

圖4 加裝限流器后35 kV側(cè)的接線示意圖

5.2 實(shí)際運(yùn)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(dòng)作，B、C相熔斷，變壓器低壓側(cè)后備保護(hù)、所帶35 kV線路的開(kāi)關(guān)保護(hù)均啟動(dòng)，但是未出口，錄波圖顯示該變壓器低壓側(cè)B、C相發(fā)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(fā)生主變壓器損壞事故時(shí)的故障電流9 000 A、故障動(dòng)作時(shí)間400ms相比，故障持續(xù)時(shí)間和故障電流大小均有大幅度降低，確實(shí)起到了保證變壓器不受到大短路電流沖擊的作用。

6 結(jié)論

現(xiàn)有大型變壓器多次損壞的教訓(xùn)說(shuō)明，由于制造過(guò)程中個(gè)別工藝質(zhì)量的不穩(wěn)定造成大型變壓器抗短路能力嚴(yán)重不足已經(jīng)是不爭(zhēng)的事實(shí)，采取預(yù)防性措施十分必要。隨著電網(wǎng)外部運(yùn)行環(huán)境的逐漸惡化，不可能完全避免變壓器低壓側(cè)短路事故的發(fā)生，甚至有愈演愈烈的趨勢(shì)，因此，采取技術(shù)措施強(qiáng)化變壓器抗短路能力尤為重要。通過(guò)變壓器低壓側(cè)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(wèn)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(nèi)。短路電流限制器對(duì)保護(hù)變壓器不受短路電流沖擊的作用。因?yàn)橹髯儔浩骷熬€路保護(hù)啟動(dòng)后未能出口，給障礙原因的判定帶來(lái)較大影響，今后短路電流限制器與保護(hù)的配合使用是值得探討的問(wèn)題。短路電流限制器B、C相熔斷，需要進(jìn)行更換，費(fèi)用較大，今后在降低使用成本上需進(jìn)一步探索。

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

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

［3］ 李品德，劉軍虎，王永紅，等.電力系統(tǒng)故障電流限制器的應(yīng)用和研制現(xiàn)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(jí)華北電力大學(xué)工業(yè)工程專(zhuān)業(yè)在職研究生，高級(jí)工程師，從事生產(chǎn)技術(shù)管理工作；

李品德（1966-），男，湖北建始人，1991年畢業(yè)于西安交通大學(xué)電器專(zhuān)業(yè)，碩士，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)高壓開(kāi)關(guān)管理及相關(guān)的技術(shù)開(kāi)發(fā)工作。