论文电网故障限流保护器.docx

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论文电网故障限流保护器

第一章绪论

电力系统容量逐年增加，电网短路电流也随之增大，目前已成为制约电网运行和发展的重要因素。

因此，限制电力系统短路电流已成为一个有待解决的问题。

传统的是使用机械型断路器，而这种断路器速度慢，维修量大，是形成暂态稳定问题的重要条件。

故障限流器的开发和研制，开辟了提高交流输电线和输电网运行整体控制能力和水平的技术渠道，为高压和超高压输电性能的革新改造指出了方向。

电力系统的迅速发展，单机和发电厂容量、变电站容量、城市和工业中心的负荷和负荷密度的增加，以及电力系统之间的互联，导致现代大电力系统各级电网中的短路电流水平不断增加，系统中部分地区的短路电流已经达到甚至超过断路器的遮断容量，而且上升趋势越来越明显，已经严重威胁到系统的安全运行。

一旦发生短路故障，可能会造成故障线路中相关设备烧毁，后果难以想象。

除改变电网结构外，故障电流限制器（faultcurrentlimiter，FCL成为解决短路

电流超标冋题的新途径。

目前比较成熟的故障电流限制器有：

限流电抗器、高压限流熔断器、谐振型故障电流限制器。

串联谐振型故障电流限制器在超高压系统中的应用，关键在于旁通电路替代型式的研究，随着容量和电压等级的提高，饱和电抗器成本和制造难度迅速增加。

而电力电子和快速开关等技术的快速发展，为新型电容器保护用旁通技术的探索提供了新的思路。

可控串补装置可以动态调节电容的阻抗，使其工作在感性模式和容性模式。

在短路电流发生时刻，调节晶闸管阀的触发角使其工作在感性模式，相当于线路串入一个大电抗，以达到限流目的。

这是利用可控串补装置的一个附加功能。

随着新材料、新工艺的出现，涌现了许多基于新型器件和原理的故障电流限制器，例如基于超导技术，基于半导体变流技术，以及采用PTC（positive

temperaturecoefficient）热敏电阻材料等。

这些新技术给电力系统的发展带来了新的机遇。

1.1国内情况

我国对基于电力电子技术的故障电流限制器也进行了工业化研究，2002年10

月甘肃省电力公司与国家电网公司签订“可控串补国产化研制工程技术应用研究”合同，项目采用中国电力科学研究院自主研发的可控串补装置TCSC及保护系统，

产品于2004年12月22日在甘肃陇南电力局220kV成碧线成功投入运行。

基于此项技术的延伸，2009年12月由中国电力科学研究院和华东电网有限公司联合研制的基于TPSC技术的短路电流限制器在华东电网500kV瓶窑变顺利投运，将短路点的总短路电流限制到47kA以下，此装置的投运可改善超高压系统的暂态稳定性、减小发电机的最大摇摆角、抑制系统的电压波动。

随着FCL受到重视的程度日益提高，国内很多机构单位投入其研究与应用。

中国科学院电工研究所联合国内多家单位共同研发了我国首台三相高温超导限流器，成功将3500A（有效值）限制到635A（有效值），且短路瞬间波形无突变。

由天津机电工业控股集团公司和北京云电英纳超导电缆有限公司联合研制的35kV超导

磁饱和型FCL于2007年成功投入实际运行，是目前世界上挂网试运行的电压等级最高、容量最大的超导限流器。

华中科技大学研究的基于串联补偿的FCL使用

了真空触发间隙或高速斥力机构操作的合闸开关，具有动作速度快、成本较低的优点。

上海交通大学提出了一种适用于中高压电网的磁控开关型故障限流器结构，并研制了一台220kV/50A限流器模型机。

华东冶金学院提出一种由普通电感和IGBT桥路构成的无损耗电阻器式限流器拓扑并取得国家专利。

浙江大学研制的10kV/500A/2500A带交流旁路限制电感采用耦合变压器的新型固态限流器样机于2006年12月在绍兴电力试验站通过试验，取得了令人满意的试验结果。

1.2国外情况

国外对SFCL的研究始于上世纪90年代中期，我国的研究则始于本世纪初。

中国科学院电工研究所在国家超导联合研究与开发中心的资助下采用低温超导线圈研制10.5kV/1.5kA桥路型SFCL工业样机，于2005年8月14日在湖南娄底电业局110kV高溪变挂网运行。

由北京云电英纳超导电缆有限公司和天津市机电工业控股集团公司联合，在研制出220V/3000A单相样机和380V三相样机的基础上，于2007年初研制出35kV/1.2kA/90MVA饱和铁芯型SFCL，并于2009年4月10日在云南昆明供电局220kV普吉变电站成功挂网，目前正在研制220kV的SFCL样机。

东北大学物理系在国家自然科学基金的资助下联合西北有色金属研究院开展了磁屏蔽型SFCL的研究，并完成了一台实验室样机。

另外，清华大学、华中科技大学、浙江大学、湖南大学也在开展SFCL的相关研究工作。

自20世纪90年代初，EPRI推出固态FCL方案后，国外在固态限流器方面的研究取得巨大进展。

1993年初，在美国新泽西州MortMonmouth的ArmyPowerCenter的4.6kV交流馈电线路上安装了一个由反并联GTO构成的6.6MW的固态断路器，平均工作电流为800A，在发生短路故障300s的时间内切断故障，起到有效的保护作用；西屋公司与EPRI合作，制造出一台（13.8kV，675A）FCL

（与固态断路器SSCB组合），于1995年2月安装在PSE&G的变电站投入运行；

日本东北电力公司及日立公司研制了（DistributionCurrentLimitingDevice,DCLD）

的试验装置，并进行了试验。

故障限流器（FCL）早在70年代就出现在国内外的文献中，但真正受到重视和快速发展是在柔性交流输电技术提出以后，从近十年的发展来看可以将故障限流器分为两大类：

第一类就是采用功率电子器件控制线路阻抗的限流器；第二类就是采用具有特殊性质的材料作为限流器的基本组成部分，例如：

超导材料和具有正温度系数（PTC）的聚合材料等。

SFCL在国外工程研究文献报到较多，其工程应用方面较早的是1995年

LockheedMartin公司（美国）研制的桥路型2.4kV/80A的超导限流器；在1999年GeneralAtomics公司又研制了指标为15kV/20kA的桥路型超导限流器；瑞士ABB公司也分别在1996年和2002年研制了1.2MVA和6.4MVA的电阻型超导限流器；2004年，日本Toshiba公司利用超导高温材料研制了66kV/750A的超导限

此外，1994年日本富士电机与关西电力公司联合开发出由真空开关和GTO

并联构成的400V配电用混合式限流器。

1998年ACEC-Transport和GEC-Alsthom公司开发了交直流两用的混合式故障限流器，且已形成商业化。

最近两年来，一方面主要完善前面的几种固态限流器，使之满足工业现场运行更加实用化、商业化。

另一方面，更多工作均放在具有多种功能的限流器研究上，大部分研究倾向于将串联无功补偿和限流功能集于一身。

第二章故障电流限制器的原理及要求

故障电流限制器，也称短路电流限制器或简称限流器，英文名FCL（FaultCurrentLimiter）或SCCL（Short-CircuitCurrentLimiter），是一种串联于

电气回路中、可对故障电流包括其第一峰值进行有效限制的阻抗变换器件或具有限流功能的快速开断设备。

故障限流器是一种串接在线路中的电气设备。

它正常时阻抗为零或很小，而故障时阻抗很大。

对故障限流器的技术要求主要有以下几个方面：

（1）正常运行时，限流装置呈低阻抗或零阻抗状态，系统的有功功率和无功功率损耗很小，对系统无任何影响（压降为零）；

（2）故障发生后，装置应能在极短时间内动作，在故障电流到达第一个峰值前有效限制短路电流；

（3）有一定的限制容量和限流时间；

（4）控制简单，无须高速短路故障检测技术；

（5）动作时不引起系统暂态振荡，过电压等副作用；

（6）不影响继电保护等设备的正确动作；

（7）装置有自动复位功能和多次连续动作能力；

（8）设备的成本和运行费用低，可承受的体积和重量，可靠性高，维修量小。

触发线圈为极细丝超导电缆无感绕制而成，失超时呈现较大的电阻来限流，

限制线圈用于限制过电压、保护触发线圈；SFCL由超导屏蔽筒、铜绕组和铁芯同轴配置而成，正常运行时铜绕组产生的磁通被完全屏蔽，装置表现为低阻状态，故障时因超导筒内的电流密度超过临界值而失超，装置阻抗增大从而起到限流作用；饱和铁芯电抗器型SFCL由一对铁芯电抗器组成，每个铁芯上有一个交流铜绕组和一个直流超导绕组，两个交流绕组极性相反，正常运行时铁芯因超导线圈的直流偏磁作用而处于饱和状态，装置呈现低阻，故障电流时由于交流绕组交替的去饱和作用，保证总有一个铁芯处于不饱和状态，装置呈现阻抗而限流；桥路型SFCL正常运行时由于直流源对超导线圈L的偏流使得二极管桥路始终处于导通状态，故障时桥路截止，电流流过具有一定阻抗的超导线圈L,故障电流得到

限制。

第三章超导故障电流限制器（SCFCL）

3.1概述

在1997年左右日本就开始研究超导故障限流器，同时中国科学院电工研究所也就超导故障限流器发表过文章。

将超导故障限流器（简称SFCL）接入电网中，当

电力系统正常运行时，传输电流在临界电流以下，超导体的电阻几乎为零，对电力系统运行不产生影响。

一旦电网发生短路，短路电流大于临界电流时，超导体瞬时失超产生非线性高电阻，从而有效地限制短路电流。

超导故障限流器（SFCL）

有许多类型，其中桥路超导故障限流器具有广阔的前景。

基于超导技术的故障电流限制器可简称为SFCL（SuperconductingFault

CurrentLimiter），主要是利用超导体正常状态下特有的零电阻导电性能或失超时的电阻突变现象来工作。

超导体保持超导状态的三个条件是：

临界温度Tc，临界

磁场强度He和临界电流密度Jc。

任何一个条件不满足就出现“失超”，即进入非超导状态。

高温超导体需要用液N2作冷媒，临界温度Tc为77K;低温超导体需要采用价格昂贵的液He作致冷剂，临界温度Tc在4K附近。

国外对SFCL的研究始于上世纪90年代中期，我国的研究则始于本世纪初。

中国科学院电工研究所在国家超导联合研究与开发中心的资助下采用低温超导线圈研制10.5kV/1.5kA桥路型SFCL工业样机，于2005年8月14日在湖南娄底电业局110kV高溪变挂网运行。

由北京云电英纳超导电缆有限公司和天津市机电工业控股集团公司联合，在研制出220V/3000A单相样机和380V三相样机的基础上，于2007年初研制出35kV/1.2kA/90MVA饱和铁芯型SFCL，并于2009年4月10日在云南昆明供电局220kV普吉变电站成功挂网，目前正在研制220kV的SFCL样机。

东北大学物理系在国家自然科学基金的资助下联合西北有色金属研究院开展了磁屏蔽型SFCL的研究，并完成了一台实验室样机。

另外，清华大学、华中科技大学、浙江大学、湖南大学也在开展SFCL的相关研究工作。

3.2分类及原理介绍

SFCL的种类繁多，按原理可分为：

（1）利用自身的电阻或电感限流；

（2）利用铁芯磁路特性，使限流绕组工作在饱和或去饱和状态以实现低阻导流及高阻限流的目的。

超导体有3种导电状态，即超导状态、正常导电状态和过渡态。

影响超导状

态的三个因素是温度（T）、电流密度（j）和垂直于电流方向的磁感应强度（B），如图1所示，曲面S1内代表超导态，曲面S2以外代表常态导电区，S1和S2之间代表的是过渡状态。

短路故障发生时，SCFCL从超导到失超可在1ms左右完成。

图2为东芝公司研制的6.6kV/1.5kA超导故障限流器在不同外加电压下