柔性配電與故障電流限制技術

4. 2 超導FCL

超導FCL 簡稱SFCL( Superconductor FCL) ,是利用超導體在由超導轉換為正常狀態后阻抗增大來限制故障電流。它有多種實現方式。

1) 電阻型SFCL 由高溫超導(High T emper2ature Superconductor, HT S) 線圈與并聯的普通線圈構成。正常運行時, 線路電流全部通過處于超導狀態的HT S。在出現短路故障時, HT S 線圈因流過它的電流超過臨界值而呈現高電阻, 電流被轉移到普通線圈上去, 達到限流目的。

2) 橋路型SFCL 構成原理如圖8 所示, 它由二極管V1~ V4、HT S 線圈和直流偏壓源Gb 組成。調節Gb的值, 使流過HTS 線圈的電流大于線路額定電流峰值。正常運行時, 橋路始終導通,HT S 線圈兩端電壓為零。一旦發生短路故障,HT S 線圈失超轉變為高阻狀態串入線路中限流。

3) 變壓器型SFCL 由通過線路電流的原邊常規繞組、副邊短接的高溫超導線圈和鐵芯組成。正常運行時, 超導線圈阻抗為零, 變壓器因副邊被短接而呈現低阻抗。故障時, 超導線圈因變壓器副邊電流很快超過臨界值而失超, 副邊電阻瞬間變大, 導致變壓器原邊的等效阻抗很快增大,從而限制故障電流的增加。

4) 飽和型SFCL 是一種非失超型的限流器,由鐵芯、一次交流繞組、二次直流HTS 繞組及直流偏置電源等構成( 見圖9) 。當額定交流電流通過一次繞組時, 選擇合適的直流偏置電源使兩個鐵芯均處于深度飽和狀態。而當出現故障時, 瞬間增大的電流使交流線圈在鐵芯中產生的磁動勢接近于直流磁動勢, 使兩個鐵芯分別在正負半波退出飽和, 系統呈現高阻抗而起到限流的作用。

5) 磁屏蔽型SFCL 由外層的銅線圈、中間的HTS 線圈和內側的鐵芯或空心電抗器組成, 銅線圈接入線路。正常運行時, HTS 線圈感應磁通可抵消( 屏蔽) 銅線圈產生的磁通, 整個裝置呈現很小的電抗值。當電流超過一定值后, HTS 線圈失超,磁屏蔽作用消失, SFCL 呈現較大阻抗而限流。

總之, SFCL 能在較高電壓下運行, 可在極短時間( 百微秒級) 內有效地限制故障電流, 是FCL發展的重要方向。目前SFCL 技術尚不夠成熟,還需要解決電流整定困難、失超后的散熱維護等問題。由于SFCL 失超后恢復時間過長, 不適于需要快速重合閘的場合。

4. 3 熱敏電阻FCL

熱敏電阻( PTC) 是一種非線性電阻, 室溫時電阻值非常低, 當故障電流流過時, 材料發熱升溫, 在溫度升高到一定值時, 電阻值在微秒時間內提高8~ 10 個數量級, 從而起到限制故障電流的作用。熱敏電阻FCL 已在低壓( 380V) 系統中獲得應用。由于單個PTC 元件的電壓與電流額定值不高, 且存在電阻受外界因素影響大、電阻恢復時間長等缺陷, 限制了其在高壓系統中的應用。

4. 4 固態FCL

固態FCL 由半導體器件構成, 能夠在達到峰值電流之前的電流上升階段就中斷故障電流。圖10 給出了一種固態FCL 的結構, 正常工作時, 半導體開關(GTO1 與GTO2) 導通流過負荷電流,對系統運行無影響。當檢測到故障電流后, 半導體開關被關斷, 電流轉移到電抗器上, 從而限制了故障電流。

圖10 固態限流器原理圖

固態FCL 也是一種DFACTS 設備。隨著電力電子技術的發展, 固態FCL 技術愈來愈成熟,目前已在中低壓配電設備中獲得應用。