（电力系统及其自动化专业论文）一种新型故障限流器的特性分析与研究.pdf

原创性声明 l i i i ii ii i ii ii ii i ii lllll 17 9 2 9 9 0 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：望 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：立监导师签名趣兰日 期：主竺生兰：纠 山东大学硕十学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章限流技术与限流器的发展1 1 1 限流技术的发展2 1 2 传统的故障电流限制措施2 1 - 3 传统的故障电流限制措施存在的问题5 1 4 故障限流器的要求及优缺点6 1 4 1 故障限流器的要求6 1 4 2 故障限流器的优缺点6 1 5 超导故障限流器的类型和应用7 1 6 本文的研究内容1 1 第二章新型磁饱和限流器的性能分析及实验研究1 3 2 1 磁饱和型限流器的种类及工作原理1 3 2 1 1 饱和电抗器1 3 2 1 2 超导磁饱和型故障限流器1 5 2 1 2 1 基本的超导磁饱和型f c l 1 5 2 1 2 2 永磁饱和型故障限流器1 6 2 1 2 3 主动型磁饱和故障限流器1 6 2 2 新型磁饱和故障限流器的设计方案与特性分析1 7 2 2 1 新型f c l 的拓扑结构1 7 2 2 2 限流器的主要元件一饱和电抗器的铁磁特性1 9 2 2 2 1 饱和电抗器铁芯电磁特性的分析1 9 2 2 2 2 故障限流器模型2 0 2 2 3 新型磁饱和故障限流器的阻抗特性及限流特性分析2 2 2 2 3 1 磁饱和型f c l 的阻抗特性的基本分析2 2 2 2 3 2 磁饱和型f c l 的阻抗特性、磁化特性和限流特性的综合分析2 4 2 2 2 3 新型磁饱和f c l 的阻抗特性、限流特性及优越性分析2 7 2 2 4 新型磁饱和故障限流器的限流特性计算3 3 2 32 2 0 v 单相实验3 6 2 3 1 饱和电抗器的基本实验3 7 2 3 2 稳态性能测试3 7 2 3 3 短路实验3 9 2 4 本章小结4 1 第三章新型故障限流器的m a t l a b 仿真4 3 3 1 仿真模型参数的计算与设定4 3 3 1 1 饱和电抗器的参数计算4 3 3 1 2 仿真电路4 4 3 2 仿真实验4 9 3 2 1 线路不带f c l 时的仿真分析5 0 3 2 2 应用f c l 之后的仿真分析5 0 3 2 2 1 一次侧电流与磁通的关系分析5 l 3 2 2 3 两个饱和电抗器的磁通关系分析5 4 山东大学硕+ 学位论文 3 2 2 4 直流侧电流和磁通之间关系分析5 4 3 2 2 5 线路首端短路分析5 6 3 2 2 6 三相实验5 7 3 3 本章小结5 9 第四章故障限流器对继电保护和重合闸的影响6 l 4 1 继电保护技术简介6 l 4 2f c l 的安装位置6 1 4 3f c l 对自动重合闸和继保装置的影响6 2 4 3 1 安装在发电机、主变压器支路6 2 4 3 2 安装在馈电线路和母线联络线6 3 4 3 2 1 装设距离保护的线路6 3 4 3 2 2 装设过流保护的线路6 4 4 4 本章小结6 5 第五章总结与展望6 7 参考文献6 9 致谢7 3 山东大学硕士学位论文 摘要 随着电网规模的不断扩大，当前的短路电流水平已严重威胁到电力系统的 安全稳定运行，采取适当的短路电流限制措施势在必行。在众多的限流措施中， 故障限流器( f c l ，f a u l tc u r r e n tl i m i t e r ) 的综合性能优越，具有广阔的应用前景， 已成为目前国内外研究的热点。本文对磁饱和型故障限流器的动态特性以及一 种新型磁饱和故障限流器开展了研究。 本文首先介绍了故障限流技术的发展现状和应用情况。对各种限流器的性 能比较分析表明，磁饱和型故障限流器的技术性能较优，实用价值较大。 针对磁饱和型故障限流器的工作原理，本文从暂态视角作出了深入的分析 与说明，总结了普通磁饱和型故障限流器的优缺点并在此基础上给出了新型磁 饱和式故障限流器的初步设计方案，详细分析了其工作原理，提出了研究限流 器工作暂态过程的综合分析方法，提出了研究新型磁饱和故障限流器动态电抗 值的方法以及确定其限流性能的分析方法、推导方法，并得出最终结论；分析 了新型磁饱和故障限流器相对于普通磁饱和型故障限流器的优越性以及不同情 况下其限流能力的强弱。通过作图分析阐明了新型磁饱和故障限流器比普通的 磁饱和故障限流器具备更强的限流能力，运用公式推导总结了其在不同状况下 限流特性的计算方法，为今后进一步的研究打下了一定的理论基础。 设计制作了一个小型实验装置，测试了新型磁饱和限流器的铁磁特性和限 流能力。运用m a t l a b 仿真分析了新型磁饱和限流器的限流效果和性能，并利用 仿真波形分析了各个相关电气量之间的相互作用关系，进一步明晰了新型磁饱 和故障限流器的工作原理。 另外，本文分析了新型磁饱和式故障限流器对继电保护的影响，详细研究 了发生故障时限流器对距离保护及电流保护的影响，并获得了新的整定公式， 采用新算法整定的距离继电器能够在保护区内可靠动作而不会使保护距离缩 短。 关键词：短路电流：限流器：饱和电抗器：继电保护 山东大学硕士学位论文 山东大学硕七学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h es c a l e - e x p a n d i n go fp o w e rg r i d ，s t a b i l i t ya n ds e c u r i t yo fe l e c t r i c p o w e rs y s t e mi st h r e a t e n e db yt h el e v e lo fs h o r tc i r c u i tc u r r e n t i ti si m p e r a t i v et o t a k eam e a s u r et ol i m i tt h es h o r tc i r c u i tc u r r e n tu n d e rt h es i t u a t i o n f a u l tc u r r e n t l i m i t e r ( f c l ) p e r f o r m sw e l li nt h en u m e r o u sm e t h o d so fl i m i t i n gf a u l tc u r r e n t i t h a saw i d ea p p l i c a t i o nf o r e g r o u n da n dab e t t e rc o m p r e h e n s i v ec a p a b i l i t y r e c e n t l y f c lh a sb e c o m eap o p u l a rr e s e a r c h i n gf o c u sb o t ha th o m ea n da b r o a d t h i sp a p e r g i v e se m p h a s i si nr e s e a r c h i n gt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fs a t u r a t e di r o nc o r ef a u l t c u r r e n tl i m i t e ra n dt h en e wt y p e c u r r e n t - l i m i t t i n gt e c h n o l o g yi sf i r s t l ye x p a t i a t e di nt h ep a p e r c o m p a r i n gw i t h t h eo t h e rt y p e so ff c ls a t u r a b l em a g n e t i cc o r ef c li sb e t t e ri nt e c h n o l o g ya n dl e s s i nc o s t s oi th a sag o o dv a l u ei na p p l i c a t i o n f o rt h en e wt y p eo fs a t u r a t e di r o nc o r ef a u l tc u r r e n tl i m i t e r ，t h ep a p e rg i v e s t h o r o u g ha n a l y s i sa n de x p l a i n a t i o ni nad y n a m i ca n g l eo fv i e w t h em e r i sa n d d r a w b a c k si sc o n c l u d e d b a s e do i lt h ec o n c l u s i o nt h ee l e m e n t a r yp l a no fan e wt y p e o fs a t u r a t e di r o nc o r ef a u l tc u r r e n tl i m i t e ri s p u tf o r w a r d t h e ni t so p e r a t i o n a l p r i n c i p l ei sg i v e n i na l l u s i o nt ot h en e wt y p eo ff c l ，t h ei n t e g r a t em e t h o do f a n a l y z i n gd y n a m i co p e r a t i n gp r o c e s si sp u tf o r w a r d ，s oi st h er e s e a r c h i n gm e t h o d s 、 f i n a lc o n c l u s i o na n dd e r i v a t i v em e t h o do ft h e d y n a m i cr e a c t a n c ea n dt h e c u r r e n t - l i m i t i n gc a p a b i l i t y t h e nt h ep a p e rg i v e s t h ep r o o ft h a tt h en e wt y p eo f s a r u r a t e di r o nc o r ef a u l tc u r r e n tl i m i t e rh a sa d v a n t a g e sc o m p a r i n gw i t ht h ec o m m o n t y p e s a n dt h e ni t sc a p a b i l i t yi nd i f e r e n ts i t u a t i o ni sa n a l y z e d l a r g en u m b e r s o f c o n s t r u c t i o ni l l u m i n a t e st h a tt h en e w t y p eo fs a t u r a t e di r o nc o r ef a u l tc u r r e n tl i m i t e r h a sab e t t e rc a p a b i l i t yt h a nt h ec o m m o nt y p e s l a r g en u m b e r so fd e d u c t i o ns h o w st h e c o m p u t i n gm e t h o do fi t sc u r r e n t l i m i t i n gc h a r a c t e r i s t i ci nd i f e r e n ts i t u a t i o n w h i c h w i l lb eh e l p f u lf o rf u t h e ra d d i t i o n a lr e s e a r c hi nf u t u r e e x p e r i m e n t s a r ec a r d e do u tt o g e t t h e m a g n e t i cc h a r a c t e r i s t i ca n d c u r r e n t - l i m i t i n gc a p a b i l i t yo ft h en e wt y p eo fs a t u r a t e di r o n c o r ef a u l tc u r r e n t l i m i t e r 。w h i c hm a k et h ed e s i g np r o p o s a lc o m et r u e u s i n gs i m u l a t i o nw i t hm a t l a bw e g e tt h ec u r r e n t l i m i t i n ge f f e c ta n de x c e l l e n tc a p a b i l i t yo ft h en e wt y p eo fs a t u r a t e d i r o nc o r ef a u l tc u r r e n tl i m i t e r t h ec o n n e c t i o no ft h ee l e c t r i cq u a n t i t i e si sa l s o g a i n e d ，w h i c hm a k et h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo ft h en e wf c lm u c hm o r ec l e a r i na d d i t i o n ，t h ei n f l u e n c eo ff c lo nd i s t a n c ep r o t e c t i o ni sr e s e a r c h e dc a r e f u l l y w i t hn e w s e t t i n gf o r m u l a sg a i n e d t h en e ws e t t i n gf o m u l a se n s u r et h a tt h ed i s t a n c e p r o t e c t i o na c tr e l i a b l yw i t h o u tr e d u c i n gi t sp r o t e c t i v er a n g e k e y w o r d s ：f a u l tc u r r e n t ；f a u l tc u r r e n tl i m i t e r ；s a t u r a t e dr e a c t o r ；p r o t e c t i v e r e l a y i n g 1 1 1 山东大学硕士学位论文 第一章限流技术与限流器的发展 由于电力系统规模的不断发展，发电机单机容量、变电所容量、城市和工业 中心的负荷和负荷密度的持续增长，低阻抗大容量变压器在现代化低压配电系统 中的应用不断增长以及配电网络的不断发展，以及电网互联和跨国互联日益发 展，使得现在大电力系统各级电压电网中的短路电流( 短路容量) 有目益增加的趋 势。这就要求电网内各种送变电设备，诸如断路器开关设备、变压器、互感器以 及变电站的母线、构架、导线和支承绝缘子和接地网等，必须满足短路电流水平 提高所带来的更苛刻的要求。 电力系统发生短路时，电流急剧增加，例如发电机出线端处三相短路时，电 流的最大瞬时值可高达额定电流的十几倍甚或数十倍，从绝对值来讲可达上万安 培，甚至几十万安培。如此同时，系统中的电压将大幅度下降，例如系统发生三 相短路时，短路点的电压降到零，短路点附近各点的电压也将明显降低。这些将 会导致破坏性后果【1 2 1 1 3 ： 1 ) 短路点的电弧可能烧坏电气设备，同时很大的短路电流通过设备会使发 热增加，当短路持续时间较长时，可能使设备过热而损坏。 2 ) 很大的短路电流通过导体时，要引起导体间很大的机械应力，如果导体 和它们的支架不够坚固，则可能遭到破坏。 3 ) 短路时，系统电压大幅度下降，对用户工作影响很大。系统中最主要的 负荷是异步电动机，它的电磁转矩与它的端电压的平方成正比，电压下降时， 转矩急剧下降使电机停转，以致造成产品报废及设备损坏等严重后果。 4 ) 当电力系统中发生短路时，有可能使并列运行的发电厂失去同步，破坏 系统稳定，使整个系统的正常运行遭到破坏，引起大片地区的停电。这是短路 故障最严重的后果。 5 ) 不对称接地短路所造成的不平衡电流，将产生零序不平衡磁通，会在临 近的平行线路内( 如通信线路、铁道信号系统) 感应出很大的电动势。这将造成 对通信的干抗，并危及设备和人身安全。面对短路的严重后果，如果不采取限 制措施加以控制同益增高的短路电流，但使新变电所的设备投资大大增加，甚 山东大学硕士学位论文 至需花费大量的投资进行改造、改建或者更换。因此，为了保证电力系统运行 的可靠性、安全性、稳定性、改善电能质量，必须采取行之有效的方法限制短 路电流，多数国家都对各级电压电网的短路水平值予以控制。在系统发展的初 期阶段，系统容量不大，短路电流水平不高，对系统发展产生的短路电流增大 问题，一般可以用更换断路器开关设备来解决，因为在这种情况下变电所的其 他设备往往是有足够的裕度。如我国东北电网在7 0 年代即因短路电流过大而更 换了大批2 2 0 k v 断路器。但是当系统容量已经很大，短路电流水平已经很高，由 于系统进一步扩容使短路电流水平进一步提高时，就不能简单地采取更换断路 器的办法。这是因为系统中原有变电所不仅要更换断路器而且对其他设备和出 线包括主变压器、隔离开关、互感器和母线、绝缘子、架构、基础、接地网等 也必须加强或更换。对通信线路的干扰还要采取屏蔽措旋甚至要改为地下通信 电缆。目前我国的华东、华中、华北电网都已经出现了这个问题【4 j ，由于各种 原因，新增的大容量机组和电厂还在不断接入5 0 0 k v 电网，更使现有5 0 0 k v 的短 路电流水平增长过快，大批既投5 0 0 k v 断路器，甚至整个变电所的设备和设施， 在断流容量和动热稳定方面都将满足不了短路水平增大的要求，形成了严重的 技术经济问题。因此，研究限制短路电流的措施具有非常现实而长远的意义。 1 1 限流技术的发展 伴随着电力体制改革的新要求，电力系统仍将不断发展，因而对电力系统短 路电流的控制也需要相应地加强，常用的各种传统限流装置已无法良好地适应系 统的要求。结合广泛应用的微电子技术，国内外学者越来越多的关注和投入新型 限流技术方面的研制。基于大功率半导体器件和超导技术、超导材料、p t c 电阻、 等新技术发展起来的新型故障限流技术都仍有其广阔的发展前景，尽管国内外已 对这些新型技术作了大量的实验性研究、分析建模等工作，并将其部分应用于实 践之中，但仍由于新型限流技术本身存在的不足影响了其推广应用，尤其是我国 对各种新型限流技术的研究进展比较缓慢，对超导故障限流器研究才刚刚起步。 1 2 传统的故障电流限制措施 限制短路电流是电力系统运行的重要课题，传统的故障电流限制措施有以下 几种方法1 5 l 。 2 山东大学硕七学位论文 1 ) 改造电网结构限制短路电流 变压器分开运行比变压器并联运行时的短路阻抗要大，可以限制短路电流， 但这样影响了系统运行的灵活性，功率损耗更大【6 1 。当电网容量日益扩大，短路 电流相应增加到一定程度时，可以发展高一级电网，低压电网分片或将母线分列、 分段运行【7 】【8 】，甚至将电网解列，但发展高一级电网的投资大，并且涉及环境污 染问题。 2 ) 调整系统运行方式限制短路电流 随着5 0 0 k v 电网的发展，2 2 0 k v 电网实施合理分区运行后，当系统短路电流 不再对设备造成威胁时，分裂厂站应重新合环运行。采用超高压直流联网也是减 小短路电流的一种方法1 9 1 ，大区电网以直流互联的主要优点在于：两交流电网可 以非同步运行，两网可以互相隔离，不传送短路功率。这种方法投资较大，但随 着晶闸管整流器等电力用半导体元件的普及与推广，脉冲开断、晶闸管集成等技 术的开发，成本将会大幅度下降。 3 ) 利用电力设备限制短路电流 目前系统内应用的限流设备有串联电抗器、高阻抗变压器、分裂电抗器、分 段电抗器和出线电抗器等【1 0 】。在厂用电及1 0 3 5 k v 变电所中可使用串联电抗器， 但在高压电网中不宜采用，这种措施会导致电压降和网络损耗增加，降低系统的 稳定性。串联电抗器限流技术在发生短路故障断开断路器时，还会引起瞬态恢复 电压，易损坏断路器及其他设备。安装限制过电压的浪涌电容可以解决这一问题。 在大容量发电厂中，为限制短路电流，可采用低压侧带分裂绕组的变压器，在水 电厂扩大单元机组上也可采用分裂绕组变压器。为了限制6 lo k v 配电装置中的 短路电流，可以在母线上装设分段电抗器。 ( 1 ) 分段电抗器 分段电抗器能限制发电机回路、变压器回路、母线上发生短路时的短路电流， 当配电网络发生短路时，主要由线路电抗器来限制短路电流。采用高阻抗变压器、 分段电抗器和出线电抗器的方法由于简单、可靠性高，应用较为广泛，但是系统 正常运行时有较大的电压降和功率损耗，效率低。分裂电抗器在电力系统正常运 行时因负载引起的电压损失比普通电抗器要低，但是分裂电抗器有可能使无故障 支路侧电压超过额定电压。 ( 2 ) 限流式熔断器【i i 】 山东大学硕士学位论文 限流式熔断器只需单次动作，一旦熔断器熔断，便随之切断故降电流，故而 具有比较大的分断能力，且其成本低廉，因而被广泛应用于1 0 k v 一6 3 k v 等中低压 配电系统中的电力线路和电力变压器设备进行过载和短路保护。目前绝大多数熔 断器都是有填料产品，其开断短路电流能力可达2 0 0 3 0 0 k a 以上。例如，h r c 高 分断能力熔断器是指以优质硅石英沙为填料的各种熔断器，因石英砂在熔断器分 断故障电流时具有极强的瞬间熄弧作用，限制了强大电流对电气装置的冲击与破 坏。但是它的不足之处在于：每发生一次短路故障后必须人工更换熔断器，这种 不便增加了停电时间，无法满足故障限流器必须能承受多次故障的冲击要求：此 外熔体的保护特性不够稳定，灭弧性能差，在限流过程中也有电弧产生，和断路 器产生的电弧一样会对周围的通信设备产生电磁干扰。 ( 3 ) 限流式断路器l l 2 j 限流式断路器目前仅局限于低压应用。限流式低压断路器由于具有限流效 应，提高了断路器分断短路电流的能力和降低了，2 ，而限制了在短路故障时释 放的能量并减轻了故障对短路器、变压器等的危害，降低了低压成套配电装置动、 热稳定性要求。并且经过不断的开发研究，低压限流式断路器在尺寸和价格上已 经和普通的塑壳断路器相当接近，并可使用在1 0 0 0 v 电压场合，因此自8 0 年代低 压断路器限流技术得到了较大的发展和应用。 即便如此，由于断路器是机械式开关，惯性较大，因而灵敏度低，动作速度 慢，操作频率低，触头磨损大，电气寿命低，维修工作量大，开断短路电流时在 灭弧过程中电弧在灭弧室与触头间隙之间多次转移。即开断过程中触头间隙存在 多次重击穿现象，使燃弧时间增长，2 ，变大，触头磨损更厉害，这些都大大制 约了断路器的限流效果和电气寿命。而且，在分断短路电流时，电弧除产生很强 的电磁辐射外，电弧熄灭时产生的过电压形成电网浪涌电压和高频振荡，而产生 高频干扰信号，它们通过静电感应、电磁感应等方式进入附近的微机信息系统及 通信系统形成干扰，影响了它们的正常工作。 因此，限流式断路器很难满足快速限制短路电流、操作频率高、电器寿命长、 使用和维修方便、可靠性高等要求，这些也是影响有触点电器发展的固有原因。 而且限流式断路器只局限于低电压系统中，在中、高压系统中，中、高压断路器 几乎没有限流能力，这是因为短路电流在l m s 时间内已经上升到短路电流峰值的 4 山东人学硕十学位论文 5 0 。4 - 8 m s l 内将达到短路电流峰值，而从检测到触发断路器所需要的时间为8 m s 左右，最快的断路器切断短路电流至少还需1 2 m s 3 2 m s ，这决定于保护响应延迟 时间的设置，因此中、高压断路器尽管在开断过程中产生的电弧电压虽然有限流 作用，但短路电流在此之前已经达到了最大值，并将流通至少一到两个周波。 电力系统中发生短路故障的主要原因是电气设备载流部分的绝缘损坏。此 外，由于雷击等过电压或电缆被人为损伤可能导致短路故障，运行人员未拆地线 就合闸、带负荷拉隔离开关等误操作也将引发短路故障。 为有效抑制短路故障给电力系统及其用户带来的危害，保证电力系统安全、 可靠、稳定地运行，改善电能质量，必须采取行之有效的方法限制短路电流。 1 3 传统的故障电流限制措施存在的问题 传统的短路电流限制措施存在这样或那样的缺点，同时随着电力系统容量和 规模的扩大，系统短路电流越来越大，运行中的电气设备( 如断路器和隔离开关) 的开断容量逐渐与系统的短路容量不匹配，断路器及其他设备的遮断容量和短路 动稳定性不能满足要求，因此必须将其更换为具有更大开断容量的断路器和其他 电力设施。短路电流越大，对这些电气设备的要求也越高，制造成本也相应提高。 可见，单纯用提高电气设备承受短路电流能力的方法是十分不经济的。 当短路电流超过现有断路器遮断容量时，更换大容量断路器是最简单的方 法，但牵涉到设备制造能力、辅件的动热稳定承受能力以及通信干扰等问题，需 要综合考虑。一般认为系统短路电流和断路器遮断容量太大是不经济的。而且， 一般断路器的分闸时间为2 0 1 5 0 m s ，全开断时间至少需要几十毫秒，而故障电 流的最大峰值往往出现在第一半波，采用高参数断路器，不仅其本身制造难度和 造价很高，而且不能使发、变电设备免受故障电流峰值电动力和热效应的冲击。 解决这一问题更为经济可行的办法是设法限制电力系统的短路电流，故障电流限 制器就是用来限制故障电流的一种设备【1 3 】。 2 0 世纪7 0 年代至8 0 年代初期可视为f c l 发展的第一阶段，其特点是使用机械 开关，主要技术是针对灭弧问题，但装置成本高，速度慢，难以限制短路电流的 峰值。8 0 年代中后期，由于新技术的出现及原有技术的发展，又有一系列新型的 f c l 产生【l4 1 。f c l 具有很明显的优点，但也有明确的要求，以下详细说明。 5 山东人学硕士学位论文 1 4 故障限流器的要求及优缺点 1 4 1 故障限流器的要求 故障限流器是一种串接在线路中的电气设备，它在正常时阻抗为零或很小， 而故障时阻抗很大。f c l 必, 须满足下列要求【1 5 】： 1 ) 线路正常运行时，f c l 呈低阻抗或零阻抗状态，系统的有功功率和无功 功率损耗小，而且不会产生系统不可接受的谐波； 2 ) 故障发生时，f c l 应迅速从低阻抗状态切换到高阻抗状态，在故障电流 到达第一个峰值前，有效限制短路电流； 3 ) 故障切除后，f c l 能较快地从限流时的高阻抗状态回到低阻抗状态，不 影响电力系统重合闸； 4 ) 限流过程中无过电压产生，不会引起系统暂态振荡； 5 ) 控制简单，无须高速短路故障检测技术； 6 ) 短期内可承受多次短路故障冲击，而且限流性能不会变差； 7 ) 对正常过载电流，如电容器放电、变压器涌流、电动机启动电流等不敏 感； 8 ) 不影响电力系统保护的选择性； 9 ) 如果f c l 本身损坏，电力系统仍能安全运行； l o ) 价格合理，体积和质量适中，可靠性高，维修量少。 1 4 2 故障限流器的优缺点 故障限流器是现代电力系统中的重要元件，使用f c l 具有如下的优点【1 6 】： 1 ) 电压等级越高，故障电流越大，断路器的开断负担越大，而f c l 的使用 可直接减轻断路器的开断负担； 2 ) 快速限制短路电流，可减少线路的电压损耗和发电机的失步概率，如果 能配置恰当的限流器，则系统的功角稳定、电压稳定和频率稳定等问题都能得到 有效的改善，电网和设备事故可以得到有效的控制； 3 ) 目前输电线路的实际输送能力均在稳定极限以下，如果限流器能在短路 电流达到峰值之前发挥作用，那么在设计和选用设备时所要求的热稳定极限及动 稳定极限就可降低，电网的热极限及稳定极限比也可相应减小，从而提高输电线 路的利用率，降低整个电网的投资； 6 山东大学硕士学位论文 4 ) 限制高压电网短路电流水平，有利于架设在高压电力线路附近的通信线 路和铁道信号系统的正常工作。 虽然具备上述的优点，但是装设故障限流器也会同时带来一些管理上的麻 烦，增加占地面积，增加能耗甚至可能影响供电的可靠性。 1 5 超导故障限流器的类型和应用 这种利用超导体超导正常态( s n ，即s u p e r c o n d u c t n o m a l 的缩写) 的转变， 由无阻态变到高阻态，以达到限制短路电流的目的的超导限流技术使s f c l 能够 将短路电流限至电网元件( 像开关、母线、线路和变压器) 额定电流的2 5 倍，在中 压开关中达到最大节约【1 7 】。可将昂贵的断路器用造价低得多的( 可达到断路器造 价的5 0 ) 负荷开关取代。如将超导装置利用于电网中，当电力系统正常运行时， 电网电流在超导体t 以下，超导体的电阻几乎为零，对电力系统正常运行没有影 响；当电网发生短路故障，短路电流急速上升超过超导体t 时，超导体瞬时失超 ( q u e n c h ，又称碎熄) 转变为正常态，使超导体电阻迅速增加限制短路电流；当短 路故障被切除，经过一段时间后( r e s e tt i m e ) 又能从正常态恢复为超导态，这就是 s f c l 的基本工作原理。它的限流时间可小于百微秒级，主要用于电力传输和配 送系统，特别是在人口密度高、经济发展速度快、对电能的需求较高的地区。因 此，s f c l 将增强电力系统的安全性： 1 ) 增加电力系统的可靠性； 2 ) 提高电能质量； 3 ) 能够与现有的电力系统保护设施兼容； 4 ) 通过调节允许的电流峰值增加电力系统的灵活性： 5 ) 减少电力系统线路中断路器和熔断器的使用，减小其在正常运行时的发 热和损耗，保证电流不超过临界值，显著降低线路的机械和电动应力，从而延 长电力设备的使用寿命，延缓其更新以降低成本： 6 ) 减少故障电流的持续时间，从而增加了电力系统的功率输送能力。提高 系统的运行容量，改善其动态稳定性。和熔断器的特性有些相似，s f c l 也是集 检测、触发和限流于一体，反应速度快，正常运行时的损耗很低，但每次故障 限流后能自动复位，克服了常规熔断器只能使用一次的缺点，因而性能大大优 7 山东人学硕士学位论文 越于限流熔断器，也把它称为是一种“永久性超熔断器”。s f c l 被认为是当前 行之有效的短路故障限流装置。尽管如此，国际上适应配电系统的高温s f c l 的 技术性能已接近应用的水平，但大体上仍处在示范试验阶段。以下简要介绍几 种主要类型的s f c l 的发展及其应用的优缺点。 1 ) 电阻型s f c l 1 8 】【1 9 】【2 0 】 日本三菱电气公司自1 9 9 0 年开始就开展电阻型高温s f c l 的研究，首先用在 s r t i 0 3 基础上生长的y b c o 薄膜制成电阻限流器；1 9 9 5 年，日本电力公司与东芝 合作计划研究5 0 0 k w 8 k a 的s f c l ，作为第一步，首先成功研制并试验了6 6 k v ( 有 效值) n k a ( 有效值) 4 k a ( 峰值) 的电阻型s f c l 模型机：法 s c h n e i d e re l e c t r i c 公司 于1 9 9 8 年提出用超导块材研制电阻型s f c l 的设想；1 9 9 9 年，德国西门子与加拿 大h y d r o q u e b e c 合作完成利用y b c o 薄膜研制的0 7 7 k v 1 3 5 a 电阻型s f c l ，在此 基础上，又于2 0 0 0 年完成了1 m v a 限流器的研制，继而又在研制1 2 m v a 电阻型 s f c l 原型样机( 并己于2 0 0 1 年进行电网试验) ，2 0 0 0 年a b b 瑞士研究中心也成功研 制出单相6 4 m v a 的电阻型s f c l 原型样机。 电阻型s f c l 的优点是结构十分简单，电流过载系数低，正常运行电压低并 能快速响应于短路故障；但由于超导体在系统稳态运行期间要流过所有的线路电 流，导致其交流损耗较大，故对超导电缆材料的要求较高。 2 ) 桥路型s f c l t 2 1 儿2 2 1 1 2 3 】 1 9 8 2 年，美国提出桥路型s f c l 概念，并在1 9 9 4 年由l a n l ，a s c ( a m e r i c a n s u p e r c o n d u c t o rc o r p o r a t i o n ) ，l m c ( l o c k h e e dm a r t i nc o r p o r a t i o n ) 完成了1 2 v 3 2 a 的桥路型s f c l 模型：1 9 9 5 年，美国l o c k h e e dm a r t i n 公司研制出一台额定值为 2 4 k v 8 0 a 的桥路型高温s f c l ，可将最大短路电流从2 2 k a 限制到1 1l k a ，并在 南加州爱迪生电站进行了6 周的试验运行：1 9 9 5 1 9 9 7 年，l a n l 、a s c 和l m c 合 作用b i 2 2 2 3 a g 分别研制了2 4 0 w 2 k a ，2 4 k w 3 k a 桥路型高温s f c l ；自1 9 9 5 年以 来，我国中科院电工研究所在国家超导联合中心支持下，也开始开展s f c l 的研 究，并于1 9 9 7 年开始研制1 k v 1 0 0 a 的桥路型s f c l ，并初步完成器电路设计，用 n b t i 线绕制了内径1 4 2 m m 、外径1 5 8 m m ，高2 7 7 m m 的磁体，1 9 9 8 年成功研制其 样机。 桥路型s f c l 优点在于：超导线圈工作在低压直流状态下，消除了交流损耗 8 山东大学硕士学位论文 和非金属杜瓦问题；可在0 5 秒内从第一次故障中恢复，适合自动重合闸运行； 正常运行期间装置的电压降低，且不会引起系统谐波；由于装置中没有铁芯，故 重量减轻且费用降低；可调节故障电流的缩减率。但是二极管的存在带来了导通 损耗和偏压源损耗；短路故障发生后，v b 装置将流过所有被限制的故障电流， 故其额定电流值必须选的较大，从而增加了整个装置的成本。 3 ) 磁屏蔽型s f c l 【2 4 】【2 5 】 g e 公司认为用b i 系歹：u h t c s 圆筒来研制是比较好的方案，因为它可以做到直 径5 0 7 0 c m ，丘= 4 k a c m 2 的水平；日本中央电力试验研究所从1 9 9 5 年开始研究 用b i 系材料研制磁屏蔽型s f c l ，1 9 9 7 年日本对6 6 k w 4 0 0 a 的磁屏蔽型s f c l 进行 了实验，以色列于1 9 9 5 年在3 8 0 v 电网上实验了1 k v 2 5 a 的样机；而a b b 瑞士研究 中心一直从事磁屏蔽型高温s f c l 的研究，1 9 9 4 年成功实验了4 8 0 w 2 5 0 a 的样机， 并于1 9 9 7 年被安装在洛桑一家变电站进行长时间试验运行，目前a b b 公司采用高 温超导材料成功设计并测试了1 2 m v a 的磁屏蔽型s f c l ，也是现今最大的高温 s f c l 。我国东北大学物理系也开展了磁屏蔽型高温s f c l 的研究，取得了良好的 成果。 此类s f c l 对高温超导材料的需要量最少，无需电流引线，因而漏热小，超 导体交流电流损耗又低，所以制冷要求低，用g m 制冷机来冷却即可；装置外侧 的杂散磁场也小。但是装置含有铁心，体积较大，笨重，需消耗大量铜和铁，价 格高；限流过程中有瞬态过电压产生；由于磁通量的方向和超导体的集合形状密 切相关，为减少电路正常运行时铁心的磁滞损耗，还必须充分考虑超导体的几何 形状，增加了设计难度；此外，装置的故障恢复时间较长，甚至需要数分钟或数 小时，故不适用于需要重合闸的场合，如要使之用于快速重合闸，还必需两套装 置，并需要转换开关来改善超导体的恢复时间。 4 ) 饱和铁心型s f c l 1 9 8 2 年，英国提出设想并试制了饱和铁心型s f c l 的3 k v 5 5 6 a 样机；1 9 9 4 年， 澳大利亚w o l l o n g o n gu n i v e r s i t y 的超导和电子材料中心及u n i v e r s i t yo f n s w 电力 系在华裔科学家窦士学的领导下，完成了2 0 w 2 a 的高温s f c l 概念设计，并于 1 9 9 7 年研制出套银陶瓷高温线材，能在7 7 k 液氮温度及零外场的条件下，临界电 流密度人达到6 9 k a c m 2 ，利用其制备的高温s f c l 在6 9 k v 电网上的实验结果证 9 山东大学硕士学位论文 明，其能有效的抑制故障电流。 此类s f c l 的特点是有多次自动启动功能，适于自动重合闸运行；直流超导 电缆制作绕组x 1 ，和x 2 较为容易，正常运行向故障状态的转变是渐进的，产生 的过电压小。但是铁心和常规绕组尺寸要按2 倍故障功率设计，所以体积较大， 且由于正常运行期间铁心处于饱和状态，有显著的漏磁场，限流期间铁心又因反 复饱和、去饱和，将在电路中产生电压谐波。 5 ) 电感型s f c l 又被称为变压器型s f c l 。1 9 9 2 年，法国a l s t h o m 研制t 6 3 k v ( 有效值) 1 2 5 k a ( 有效值) 5 3 k a ( 峰值) 的电感型s f c l ；1 9 9 4 年根据传统的跳开一重合一跳开 ( o c o ) 的操作规程，又研制了1 5 0 v 5 0 a 电感型s f c l 模型，解决了快速恢复超导 性问题，并降低了占总损耗大部分的电流引线损耗。 此类s f c l 正常运行时不需电流引线和电路相连，故低温损耗和漏热较少， 但需要非金属杜瓦；短路故障时超导体承受的电压电流决定于变压器变比，电压 较小而电流较大，故对超导材料的一致性要求比电阻型小，但须采用大电流交流 超导体；又因其本身是变压器结构，需要铁心，体积大，笨重，价格较贵，且有 稳态交流磁滞，为尽量减小磁滞损耗，还必须充分考虑超导体的几何形状。 有些文献把电感型、磁屏蔽型、饱和铁心型s f c l 统称为电感型s f c l ，是因 为当超导体从超导态转变为正常态后，它们基本上就是变压器。 6 ) p t c 电阻故障限流器【2 6 j 由于新型限流器材料的独特性能，使得限流器结构非常简单，功能十分可靠， 其工作的可靠性、长寿命及低成本，优于一般的限流器，而且安装也十分方便。 实验表明，p t c 电阻故障限流器能够在1 2 m s 时间内将预期5 2 k a 的峰值短路