故障電流限制技術

1.故障電流限制技術概述

故障電流限制技術是智能電網的另一項重要技術。一般情況下，配電網短路會產生很大的故障電流，除可能造成相關的配電設備因發熱、機械應力損害外，還會引起母線電壓驟降，使同一母線供電的敏感用電設備受影響，帶來嚴重的后果。

配電設備、導線的設計也因此要留有足夠的耐短路電流沖擊的裕度，這都使配電設備、導線的制造成本大幅增加，而應用故障電流限制技術，將短路電流降低到一個合理的水平上，則可以解決這些問題。對于智能配電網，由于DER大量接入，這將造成配電網短路容量增加，使之超過配電設備與導線允許的設計值。如果因此而更換配電設備與導線，將造成極大的浪費，而安裝故障電流限制設備來防止短路容量超標則是一個比較經濟的解決方案。因此，故障電流限制技術對于提高供電質量、減少配電網造價與DER并網投資都具有十分重要的意義，是建設智能配電網的一項關鍵技術。

限制故障電流的措施分為系統級措施與設備級措施兩類。系統級措施有電網解列運行、母線分列運行、提高電壓等級等;設備級措施則是應用故障電流限制器(FaultCurrentLimiter，FCL)。因受可靠性、電壓質量、損耗等因素的限制，系統級限流措施發揮的作用有限，必須配合使用FCL，才能把短路電流降到一個較低的水平。

FCL是一種串接在線路中的電氣設備，未來的智能配電網，FCL將獲得普遍應用，短路電流甚至可限制至2倍額定電流以下，使配電系統擺脫短路電流的危害，傳統的遮斷大電流的斷路器或許從系統中消失，配電網面貌、性能與保護控制方式將發生根本性的變化。

2.故障電流限制器(FCL)及其應用

FCL分為被動型與主動型兩種。被動型FCL在正常運行與故障狀態下，均增加系統阻抗，構成簡單，易于實現，但在正常運行狀態下會產生電壓降，增加系統損耗。目前在系統中獲得廣泛應用的FCL是串聯電抗器，是一種傳統的被動型FCL。

主動型FCL只是在故障狀態下快速增加系統阻抗，既限制了故障電流，又不影響系統的正常運行，是理想的故障電流限制設備。目前應用或正在研發的主動型FCL有高壓限流熔絲、可控串補裝置、超導型故障電流限制器等。因其原理、造價或其他一些因素的影響，主動型FCL的應用受到了限制。隨著電力電子技術與新材料技術的發展，主動型FCL技術會更加成熟，其性能將進一步改進，成本也會逐漸降低，將成為主流的FCL。

以下介紹已應用于配電網中的幾種主要的FCL(均為主動型)及其在配電網中的應用情況。

2.1.諧振FCL

諧振FCL分串聯諧振與并聯諧振兩種類型。

1)串聯諧振FCL利用電力電子器件，使正常工作時處于串聯諧振(阻抗接近零)狀態下的電路在出現短路故障時脫諧，使阻抗增大而達到限制短路電流的目的。圖7為串聯諧振FCL構成原理圖，正常運行時晶閘管(SCR)不導通，電感L與電容C發生串聯諧振，裝置阻抗為零。在系統出現短路時，SCR導通，電抗器串入電路起到限流作用。串聯諧振FCL簡單、可靠，已在中壓配電網中獲得應用。

2)并聯諧振FCL在電力電子器件控制下正常工作時處于非諧振狀態，阻抗較小，而在系統出現短路故障時進入并聯諧振(阻抗)狀態，使線路阻抗增大而限制短路電流。這種FCL容量有限，實際系統中應用較少。

2.2.超導FCL

超導FCL簡稱SFCL(SuperconductorFCL)，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(HighTemperatureSuperconductor，HTS)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HTS。在出現短路故障時，HTS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、HTS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，HTS線圈兩端電壓為零。一旦發生短路故障，HTS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。

2.3.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。

2.4.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。

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。