（电力电子与电力传动专业论文）电力系统固态短路限流技术的研究.pdf

a b s t r a c t s h o r tc i r c u i ti sat y p eo f s e r i o u sf a u l ti np o w e rs y s t e m s w i t ht h ed e v e l o p m e n t o f t h ed o w e rs y s t e m s ，s h o r tc i r c u i tc a p a c i t yb e c o m e s as e r i o u sl i m i t i n gf a c t o rt oi t a sa d a r to ff a c t s ( f l e x i b l ea l t e r n a t i v ec u r r e n tt r a n s m i s s i o ns y s t e m s ) t e c h n o l o g y , f a u l t c u r r e n tl i m i t e r , w h i c hc a r ld e p r e s st h es h o r tc i r c u i tc u r r e n t t oal o w e rl e v e l ，b e c o m e sa m o r ea t t r a c t i v er e s e a r c hb r a n c h t h e p r o j e c to f t h i sp a p e ri ss u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n a a n di ts t u d i e so nan o v e ls o l i ds t a t ef a u l tc u r r e n tl i m i t i n gt e c h n o l o g y i nt h i s p a p e r ，an e wt y p eo fs i n g l e p h a s es o l i ds t a t eb r i d g ec u r r e n tl i m i t e ra sw e l la sa n e w t y p eo f t h r e e p h a s e s o l i ds t a t eb r i d g ec u r r e n tl i m i t e rh a v eb e e nd e v e l o p e d t h ef i r s tc h a p t e rm a k e sas u m m a r yo nt h er e q u i r e m e n t st ot h ec u r r e n tl i m i t e ri n p o w e rs y s t e m s i t a l s og i v e sa no v e r v i e wo fs o m ee x i s t i n gf a u l tc u r r e n tl i m i t i n g t e c h n o l o g i e s c h a p t e r 2i n t r o d u c e st h et h e o r yo ft h en o v e lc u r r e n tl i m i t i n gt e c h n o l o g yf i r s t ，a n d t h e nd i s c u s s e ss o m et o p o l o g i e so ft h i st e c h n o l o g y f r o mt h ed i s c u s s i o n ，t h ep a p e r i n d i c a t e st h a tt h ef u l lc o n t r o l l e db r i d g et y p ec u r r e n tl i m i t e ri sm o r ef l e x i b l e f o r l i m i t i n gt h ef a u l tc u r r e n t t h eo p e r a t i n gt h e o r yo fs i n g l e - p h a s eb r i d g et y p ec u r r e n t l i m i t e ra n di t sc o n t r o ls t r a t e g i e su n d e rt h ef a u l tc o n d i t i o na r ea l s od i s c u s s e d i nt h i s c h a p t e r , t h ea u t h o rg i v e sac o n c e p t o fs o f tr e c l o s i n g ，a n di t sc o n t r o l l i n gm o d e c h a p t e r3i sb a s e do nc h a p t e r2 b r i d g et y p ec u r r e n tl i m i t e i n gt o p o l o g yc a l lb e e x t e n d e dt ot h r e e p h a s ep o w e rs y s t e m s t h ep a p e rd e v e l o p san o n - g r o u n d e db r i d g e t y p ec u r r e n tl i m i t e ra n d ag r o u n d e db r i d g et y p ec u r r e n tl i m i t e r a n dt h e n ，i td i s c u s s e s t h e i ro p e r a t i n gt h e o r i e sa n dc u r r e n tl i m i t i n gs t r a t e g i e s i ns e c t i o n3o ft h i sc h a p t e r , a t h r e e p h a s e s o l i ds t a t ec u r r e n tl i m i t e ru s e di n u l t r a h i g hv o l t a g ep o w e rs y s t e mi s i n t r o d u c e d t h en o v e lc u r r e n tl i m i t e rd i s c u s s e da b o v ew i l lc a u s eh a r m o n i cc u r r e n ti nt h e p o w e rs y s t e m s c h a p t e r4a n a l y z e st h er e l a t i o n s h i po ft h ef a c t o r st h a tc a u s et h e h a r m o n i cc u r r e n t t h er e s u l to ft h ea n a l y s i sg i v e st h er e f e r e n c eo nh o wt or e d u c et h e h a r m o n i cc o m p o n e n t sc a u s e db yt h e l i m i t e r n e x t ，t h ep a p e rd e v e l o p sat y p eo f c u r r e n tl i m i t e rw i t h o u th a r m o n i c st os o l v et h ep r o b l e m c o m p l e t e l y t h em a i nc o n t e n to f c h a p t e r5i so n t h ee n g i n e e r i n g d e s i g no f t h el i m i t e r i tg i v e s t h ei d e ao fh o wt od e s i g nt h ec o n t r o l l i n gc i r c u i to ft h el i m i t e ra n dt h eb l o c k d i a g r a m o fm e c o n t r o l l i n gp r o g r a mo ft h em i c r o c o n t r o l l e ri nt h ec i r c u i t t h en e x tp a r to ft h i s c h a p t e rg i v et h ec r i t e r i o n sf o rc h o o s i n gr e l a t e dp a r a m e t e ro fe a c hl i m i t e r 致谢 本论文的完成，应归功于我的导师吴兆麟教授的悉心指导，我愿 在此表达一个学生对先生最衷心的谢意。 在完成本论文课题的过程中，还要特别感谢与我一起合作的谌平 平博士。在她的帮助下，此项研究工作才得以顺利完成。 谨以此文献给我的爸爸、妈妈，以及我的妹妹，特别是要献给我 的未婚妻费雪莉小姐。 谭凌云 二0 0 一年二月于求是园 第1 章、短路限流技术综述 导言：电力系统的运行要求安全可靠、电能质量高、经济性好。但是，电力 系统的组成元件数量多，结构各异，运行情况复杂，覆盖的地域辽阔。因此，受 自然条件、设备及人为因素的影响，可能出现各种故障和不正常运行状态。故障 中最常见，危害最大的是各种形式的短路。本章主要介绍了短路限流技术在电网 中的意义、短路限流技术的发展状况，同时介绍了本论文的背景，指出作为柔性 交流输电技术的组成部分，固态短路限流技术已成为电力系统新型限流技术的必 然发展趋势。 1 1 、短路限流技术在电网中的意义 电能作为一种清洁无污染的能源，可以远距离、大容量地输送和使用。电能 利用的广度和深度，日益成为一个社会现代化程度的重要标志。随着人类社会的 发展，人们对电能数量的需求不断增加，对电能质量的要求也日益提高。 1 1 1 、电力系统的发展4 9 l 电能的使用越来越受到人们的重视，随着电能需求的增加，近百年来，输电 技术及电力系统得到了迅速发展。这主要表现在以下两个方面： 1 ) 、为了满足远距离及大容量电能输送的要求，输电电压越来越高：2 ) 、电 力系统越来越大，结构也越来越复杂，在人类消耗的各种形式的能量中，由电力 系统供给的电能所占比例越来越高。 我国电力系统发展也很迅速。十几年前，当中国发电装机容量第次登上1 亿k w 的台阶后，电力建设就以每年新增装机容量1 0 0 0 万k w 以上的超常规速 度加快发展。 随着规模及容量的增大，现代电力系统也正面l 临着一系列新的矛盾和问题， 面临着前所未有的挑战，其中，短路电流随着输电容量的增加而急剧增大，成为 电力系统建设的一个制约因素。因为随着电力系统的不断扩大，系统容量的增大， 相当于在电网中任何一点接入的电源容量加大，这样短路电流水平也迅速提高， 现有的断路器往往难以满足急剧增大的断流容量的要求，载流导体及各类电器设 墨! 兰：堑坠堡堕垫查堡堕一 备也无法满足不断提高的动稳定和热稳定等方面的要求，只能被迫更换不满足要 求的大量电气设备。 同时，短路故障也影响了电网的稳定性问题。近年来，国内外曾出现电力系 统稳定破坏的事故，进而导致大面积停电，甚至系统瓦解事故，给国民经济造成 极大损害，社会生活受到很大影响。 在电力系统日益复杂的情况下，应用先进的输配电技术来提高电压质量和系 统的稳定性已势在必行。 1 1 2 、限流技术在电网中应用的重要性3 1 l 作为电力系统中最常见、同时也是危害最严重的故障类型短路，已成为 制约电网容量增大的一个瓶颈因素。因此，短路限流技术的应用在电力系统中意 义犹为重大。发生短路时可能造成的危害是： 1 、故障点很大的短路电流燃起的电弧，使故障设备损坏。 2 、从电源到短路点间流过短路电流，它们引起的发热和电动力将造成在该 路径中有关的非故障元件的损坏。 3 、靠近故障点的部分地区电压大幅度下降，使用户的正常工作遭到破坏或 影响产品质量。 4 、破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统振荡，甚至使该系统瓦解和 崩溃。 故障和不正常运行状态若不及时处理或处理不当时，就可能在电力系统中引 起事故。故障和不正常运行情况常常是难以避免的，但事故却可防止。短路限流 就是对电网中发生的短路故障进行处理，以避免事故的发生。 1 1 3 、电网系统对短路故障继电保护的要求 在常规的电网中，采用继电保护装置与有触点的机械式断路器相结合实现对 短路电流的继电保护。 电力系统继电保护装置就是装设在电力系统中，用来反应其中发生的故障和 不正常运行情况，从而动作于断路器跳闸或发出信号的一种有效的反事故的自动 装置。它的基本任务是： 塑坚查兰堡主兰堡堡苎一 l 、自动、有选择性、快速地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件损 坏程度可能减轻，并保证该系统中非故障部分迅速恢复正常运行。 2 、反映电气元件的不正常运行状态，并依据运行维护的具体条件和设备的 承受能力，发出信号、减负荷或延时跳闸。 应该指出，要确保电力系统的安全运行，除了继电保护装置外还应该设置电 力系统安全自动装置。后者是着眼于事故后和系统不正常运行情况的紧急处理， 以防止电力系统大面积停电和保证对重要负荷连续供电及恢复电力系统的正常 运行。如自动重合闸、备用电源自动投入、自动切负荷、快关汽门、电气制动、 在选定的开关上实现系统解列、过负荷控制等。 随着电力系统的扩大，对安全运行的要求也更高。为此，还应设置以各级计 算机为中心，用分层控制方式实施的安全监控系统，它能对包括正常运行在内的 各种运行状态实旖控制。这样才能更进一步地确保电力系统的安全运行。 为实现其目标，作用于跳闸的继电保护装置在技术性能上必须满足以下四个 基本要求：l 、选择性：其基本含义是保护装置动作时，仅将故障元件从电力系 统中切除，使停电范围尽量减小，以保证系统中非故障部分继续安全运行；2 、 速动性：速动性是指继电保护装置应以尽可能快的速度断开故障元件。这样就能 减轻故障设备的损坏程度，减小用户在低电压情况下工作的时间，提高电力系统 运行的稳定性：3 、灵敏性：保护装置对其保护范围内的故障或不正常运行状态 的反应能力称为灵敏性( 灵敏度) ；4 、可靠性：可靠性是指在保护装置规定的保 护范围内发生了它应该反应的故障时，保护装置应可靠地动作( 即不拒动) 。在 不属于该保护动作的其他任何情况下，则不应该动作( 即不误动) 。 在输电线路中，一般采用所谓“三段式”保护方式来实现短路电流保护【3 1 】【3 2 1 。 l 、无时限电流速断保护( 电流i 段) ： 输电线路上发生相间短路时，故障相的电流会增大，当线路电流超过规定值 时，继电器将会动作于跳闸，这就是线路的电流保护。其中最简单，能瞬时动作 的，按躲过相邻元件首端短路整定的一种电流保护叫做无时限电流速断保护。对 于无时限瞬断保护，它不能保护线路全长，所以，它不能单独作为主保护用，而 必须与其他保护配合才能担当保护的职责：另一方面，无时限电流速断保护的保 护范围受系统运行方式变化的影响大，即当运行方式变化很大时，在最小方式下 墨! 兰：丝坚堡鎏茎查壁堕一 没有保护范围。 2 、限时电流速断保护( 电流i i 段) 由于无时限电流速断不能保护全线，剩下的线路上的故障只能靠较长时限的 定时限过电流保护反映，如果这个时限太长，必须再考虑增设一套新的保护a 这 套保护的主要任务是为切除被保护线路上无时限电流速断保护区以外的短路。对 这套保护的要求是在任何情况下都能保护本线路的全长，且其动作时间要求尽可 能短。这种新的保护称为带时限电流速断保护( 又称限时电流速断) 。 为保证动作的选择性，限时电流速断保护必须使其动作时限比下一线路的无 时限电流速断保护大一个时限差级，其动作也要与下一线路的无时限电流速断的 动作电流相配合。带时限电流速断保护灵敏性较好，能保护线路全长，但它的速 动性较差，带有o 5 秒的延时动作。 在输电线路上装设无时限电流速断和带时限电流速断以后，它们的联合工作 可以构成本线路的主保护。其中带时限电流速断保护，可用来保护本线路无时限 电流速断保护不能保护的部分，并作为它的近后备保护。 3 、定时限过电流保护( 电流i i i 段) ： 定时限过电流保护的动作电流按躲过最大负荷电流整定。正常运行时它不应 起动，而在发生短路时起动并以时间来保证动作的选择性。这种保护不仅能够 保护本线路的全长，而且也能保护相邻线路的全长，可以起到远后备保护的作用。 定时限过电流保护的选择性是依靠保护的时限特性来保证的。 定时限过电流保护是一种简单而比较可靠的保护方式，应用非常广泛。但由 于为了保证选择性，保护动作时间的整定按逆向接替原则，且时限级差较大，这 样，如果线路段数较多时，则愈靠近电源处，保护的动作时间愈长，常累积至 4 s 5 s ，而靠近电源处的短路故障，短路电流很大，这对电源是一个严重威胁， 这是过电流保护从原理上存在的缺点。 1 2 、短路限流技术的发展状况 随着电力系统容量和规模的扩大，系统短路电流越大，对这些电器设备要求 也越高，制造成本也相应提高。单纯用提高电器设备承受短路电流能力的方法是 十分不经济的，因而应采取措施来限制短路电流的增长。故障电流限制器( f c l - - f a u l tc u n 锄tl i m i t e r ，或c l d - - c u r r e n tl i m i t i n gd e v i c e ) 就是用来限制故障电 流的一种设备。研制这种设备已有：十多年的历史，人们作了大量研究工作4 9 1 。 1 2 1 、常规短路故障限流装置 电力系统中为限制短路电流，常规的作法是在电网中串入一个限流的电抗 器。这个电抗器在电网无故障运行时，由于在其上有电压降落以及损耗，对电网 的输电质量有一定影响。同时，由于该限流电抗不能太大，所以在故障发生时不 能显著地降低短路电流水平。 另有一类故障电流限制器是单次动作的，例如能# 艮制故障电流的限流式熔断 器【h 1 一旦熔断器熔断，便切断了故障电流，这是目前唯一进入商业市场的故障 电流限制器【4 9 】。 1 2 2 、几种新型限流技术的介绍 对电力用户而言，更需要能多次动作的故障电流限制器，这些电流限制器目 前尚处于研制阶段，无实用产品。多次动作的故障电流限制器有的采用一个开关 和一个阻抗并联联接，正常时电流流过开关，故障时开关断开，故障电流流过阻 抗而受到限制【1 】【2 】【6 1 ；也有采用非线性阻抗，在正常电流下呈小阻抗，大电流( 故 障) 下呈大阻抗，限制了故障电流。多次动作的故障电流限制器原理上也是多种 多样的【l 】，例如能产生等离子体的自恢复高压熔断器( n a k r e h e a l i n gf u s e ) 、利用 超导的装置以及利用真空开关、半导体开关的装置。另外还有一些限流器( 断路 器) 采用固态限流技术和机械开关相结合的方式【9 ，以达到功能和价格之间的 个平衡。以下仅对目前文献报导较多的超导型故障限流器及固态限流器作简要介 绍。 a 、超导故障限流器1 7 l 超导限流技术是一种全新的技术，它利用超导体的超导正常( s n ) 态的转 变，由无阻态变到高阻态，以达到限制短路电流的目的，超导发生s n 转变的电 流称为临界电流。超导故障限流器( s u p e r c o n d u c t i n gf a u l t c u r r e n tl i m i t e r ，简称 s f c l ) 的研究在世界范围内已引起广泛的关注。 超导故障限流器( s f c l ) 接入电网中，当电力系统正常运行时，传输电流 。 蔓! 兰：望堕堡篓垫查簦垄 在超导线临界电流以下，超导体的电阻几乎为0 ，对电力系统运行无影响。一旦 电网发生短路，短路电流大于临界电流时，超导体“失超”( q u e n c h ) ，由零阻抗 表现为非线性高电阻，从而限制了短路电流。超导故障限流器正是利用超导的 s n 态转变来限流，并能在较高电压下运行，同时集检测、转换和限流于一身， 能在毫秒级时间内有效地限制故障电流。 此外，s f c l 还具有以下卓越特性：i 、保证电流不超过临界值，显著降低线 路的机械和电动应力，可延长电力设备的使用寿命；2 、能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，改善其动态稳定性：3 、正常运行 时，发热和损耗都小。 s f c l 基于“失超”现象，立刻把大的短路电流限制在线路正常运行电流的 2 3 倍水平以下，从而不必在电网扩容时替换现有开关设备，节省电力部门的投 资。但其不能跳开线路，因而必须用一个传统的断路器与之串联来跳开线路。此 时断路器切断的仅仅是已被限制的电流，但要求切断速度非常快，以隔离和抑制 超导线圈的焦耳热。 1 、电阻型超导故障限流器【5 2 】( 见图1 2 1 ) 。 正常运行时，触发线圈处于超导态，由其交流 损耗和漏感决定的阻抗很小，线路电流全部通 过触发线圈。故障状态下，短路电流很快超过 触发线圈的临界电流，触发线圈变为常态，出 现高阻值，故障电流被图1 2 1 中与触发线圈 并联的限制线圈所限制。该限流器结构简单， 响应速度快，电流过载系数低。正常运行电压 限制线圈 触发线圈 图1 2 1 、电阻型超 导故障限流器 低；但其超导线圈在正常运行期间要流过线路全电流，需采用低交流损耗的大电 流超导电缆。 日本在1 9 9 5 年成功地实验了6 6 k v ( 有效值) 2 i n ( 有效值) 4 k a ( 峰值) 的电阻型s f c l 模型机。1 9 9 8 年法国s c h n e i d e re l e c t r i c 公司提出用超导块材研 制电阻型s f c l 的设想【5 9 】。德国西门子公司和加拿大h y d r oq u e b e c 合作研制成 功了用y c b o 作材料的1 0 0 k v a 的电阻型s f c l ，正在进一步研制1 0 m v a 电阻 型s f c l ，并计划于2 0 0 1 年进行电网实验【6 0 1 。 塑坚查堂堡主兰垡堡壅一 2 、桥路型超导故障限流器p 州 ( 图1 2 2 ) ：如右图，它由二极管 d l d 4 、超导线圈l 和直流偏压源 v b 组成，与之串联的断路器c b 用 来开断被降低的故障电流。正常运 行时，调节v b 使流过超导线圈的电 流大于负载电流的峰值，于是桥路 始终导通，s f c l 对负载不表现任 d ll - d 3 x jcj 二l 广气 一x 垩 锺肇娴 _ d 2 l v 警j k f i f 。 图1 2 2 、桥路型超导故障限流器 何阻抗。在故障状态下，超导线圈自动串入故障线路，故障电流被大电感限制住， 然后用c b 切断故障电网。它的特点是能在o 5 秒内从第一次故障中恢复，而不 需要第二套系统，适用于自动重合闸运行：超导线圈是直流的，无交流损耗；正 常运行期间，装置的电压降小。且不会引起电力系统谐波；由于无铁心，故装置 的重量轻且费用低：可以调节故障电流的缩减率。但是在正常运行期间，超导线 圈将通过大于线路电流幅值的直流，由电流引线引入的低温损耗大，还需要电力 二极管桥路及直流偏压源。 桥路型超导故障限流器概念是美国在1 9 8 2 年提出的，并在1 9 9 4 年由l a n l ， a s c ( a m e r i c a ns 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 桥路型s f c l 模型。l a n l ，a s c 和l m c 合作，在1 9 9 5 年1 9 9 7 年用b i - 2 2 2 3 a g 分别研制了2 4 0 v 2 k a ，2 4 k v 3 k a 桥路型h t s f c l t 6 1 1 。中国 科学院电工研究所于1 9 9 7 年在国家超导联合中心支持下，开始研制1 k v 1 0 0 a 桥路型s f c l t l 2 l ，已完成了电路的初步设计，并用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。 3 、变压器型超导故障限流器1 5 4 】：变压器型超导故障限流器( 图1 2 3 ) 的原 边绕组与输电线串联，副边超导绕组短接。正常运行时，变压器因副边绕组短接 而表现出低阻抗，因此只表现出很低的电压降。发生短路故障时，变压器副边绕 组的感应电流超过超导绕组的临晃电流而“失超”，瞬间变为大阻抗，使变压器 阻抗增大，从而限制故障电流。该限流器超导线圈不需要电流引线，低温损耗较 少。但需要非金属杜瓦和大电流交流超导电缆。 _ _ _ _ _ _ _ - _ 。一 法国g e ca l s t h o m 于1 9 9 2 年研$ i j - r 6 3 k v ( 有效值) 1 2 5 k a ( 有效值) 5 3 k a ( 峰值) 的变压器型s f c l 6 2 】；在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 变压器型s f c l 模型【5 4 1 ，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。 4 、磁屏蔽型超导故障限流器【5 5 1 ：如 图1 2 4 所示，磁屏蔽型超导故障限流器 由外侧的铜线圈、中间的超导圆筒和内 侧的铁一t l , 同轴配置而成，铜线圈串入电 网。正常运行时，超导圆筒为超导态， 铜线圈产生的磁通被短路的超导圆筒感 应屏蔽电流所产生的磁通所抵消，装置 的阻抗仅由铜线圈和超导屏蔽筒间的气 隙磁通决定，表现出低阻抗。当发生短 图1 2 3 、变压器型超导故障限流器 图1 2 4 、磁屏蔽型 超导故障限流器 心 路故障时，超导体因感应的电流很快增大到临界值而呈现足够大的电阻，使超导 圆筒不再能屏蔽铜线圈的磁通，引起装置的阻抗增大，从而限制故障电流。磁屏 蔽型超导故障限流器所需的高温超导体用量较小：而且因超导屏蔽筒的交流损耗 低，所以低温热负荷小，可以用g - m 制冷机来冷却；装置外侧的杂散磁场也小， 但是装置的故障恢复时间较长，用于快速重合闸需要两套装置，并需要转换开关； 限制故障电流期间有瞬态过电压产生。 目前b i 系列h t c s 圆筒可以做到直径5 0 c m 7 0 c m ，j e = 4 k a c m 2 的水平， g e 公司认为用它来研制磁屏蔽型s f c l 是比较好的方案 6 4 1 。1 9 9 4 年瑞士成功地 实验了4 8 0 v 2 5 0 a 的样机【6 3 1 。以色列于1 9 9 5 年在3 8 0 v 电网上实验了l k v 2 5 a 的样机1 6 。日本于1 9 9 7 年实验了6 6 k v 4 0 0 a 的磁屏蔽型s f c l 。 5 、饱和铁心型超导故障限流器【5 6 】：饱和铁心型超导故障限流器( 图1 2 5 ) 由一对铁心电抗器组成，每个铁心上有铜的交流限制绕组l l 和l 2 以及直流超导 塑坚查兰堡主兰垡笙苎 绕组x i 和x 2 。两个交流限制绕组极性相反地 串联，直流超导绕组串联并加直流偏压源。正 常运行时，调节直流偏压源使两个铁心饱和， 装置呈现低阻抗：当线路故障时，短路电流使 两个铁心在一个周期内交替饱和，装置的阻抗 增大，从而限制了故障电流。其特点是有多次 自动启动功能，适于自动重合闸运行：超导线 圈是直流的，所需的直流超导电缆较易制造， 图1 2 5 、饱和铁心型 超导故障限流器 正常运行和故障状态间的转变是渐进的，产生的过电压小。但是铁心和常规绕组 尺寸要按2 倍的故障功率设计，所以装置比较笨重；正常运行期间铁心处于饱和 状态，有显著的漏磁场，限流期间铁心因反复饱和、去饱和，将产生电压谐波。 英国于1 9 8 2 年提出设想并试制了3 k v 5 5 6 a 样机。澳大利亚w o l l o n g o n g u 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，在1 9 9 4 年完成了2 0 v 2 a 的h t e s f c l 概念设计，并于1 9 9 7 年研 制出套银陶瓷h t e 线材，在7 7 k 液氮温度及零外场的条件下，临界电流密度j 。 达到6 9 k a c m 2 ，利用其制各的h t c s f c l 在6 9 k v 电网上的实验结果证明，其能 有效地抑制故障电流。 6 、三相电抗型超导故障限流器刚( 如图 1 2 6 所示) ：三相电抗器型超导故障限流器 由绕在单铁心上的3 个匝数相同的超导绕组 组成。正常运行时，三相电流平衡，其和为 0 ，铁心中无磁通变化，装置呈现低阻抗；当 发生单相对地短路时，三相电流失衡，阻抗 变得很大，故障电流被s f c l 的大的零序阻 抗所限制，超导绕组不会“失超”。当发生两 相或三相短路故障时，装置的阻抗不增大， 图1 2 6 、三相电抗器型 超导故障限流器 当故障电流达到超导绕组的临界电流时，超导绕组“失超”，故障电流被大的常 态阻抗所限制。三相电抗器型超导故障限流器的特点是：它在单相对地短路情况 下超导绕组不“失超”，因为电力系统9 0 的故障为单相对地短路故障，所以它 丝! 童：篁坠堕亟茎查堡姿一 可以不“失超”地限制大多数故障电流。且正常运行期间，三相电流之和为0 ， 无磁通变化，可用金属杜瓦。但是，它需要能通过线路全电流的交流超导电缆： 因为有铁心，所以重量较重，总损耗大。 日本s e i k e iu n i n e r s i t y 和c e n t r a lr e s e a r c hi n s t i t u t eo f e l e c t r i cp o w e ri n d u s t r y 于1 9 9 2 年用n b t i 线制备了2 0 0 v 1 3 a 的三相电抗器型s f c l 【6 5 1 ，并进行了电网 实验，它可以有效地限制单相短路电流。 随着灵活交流输电技术的发展，超导短路电流限制器在供配电网的应用研究 已成为2 1 世纪电网技术发展的前沿课题之一。s f c l 可以用在母联开关、进线 出线断路器、发电机出口断路器等处。若高温超导材料的研究、生产工艺和性能 取得新突破，低交流电损耗的大电流超导电缆、高电压高温超导交流电缆及高温 超导线“失超”传播和保护等问题能得以解决，那么就高温超导强电应用而言t 超导故障限流器在电力系统中具有广阔的应用前景。 b 、固态短路限流器1 4 9 l 1 2 11 6 l 故障电流限制器原 理图( f a u l tc u r r e m l i m i t e r ，简称f c l ) 见图 1 2 7 ，它主要由三部分组 成：一个快速动作的g t o 开关，一个限制电流的阻 抗，一个氧化锌避雷器。 此外，有一套检测电流装 置及一套控制装置。在正 常负荷条件下，g t 0 开 翱挂瓣礴 图1 2 7 、故障电流限制器原理接线图 关闭合并处于完全导通状态。故障时g t o 在几十微秒内可转换为断开状态，并 可断开很大的电流，使故障电流在达到有破坏性的数值前很快受到限制，在g t o 关断瞬间，电流流向吸收保护的电容，吸收保护在晶闸管电压达到避雷器动作电 压之前，限制了电压的上升速度。该电压也加在限流阻抗上，由于限流阻抗的作 用，故障电流受到了限制，当故障被清除，线路电流恢复正常，g t o 开关则在 电压为零或接近零时接通，这样可以避免吸收电容放电电流太大，限流阻抗上的 塑坚查堂堡主兰垡丝兰 电流将在零点几秒内衰减掉。 西屋公司按与e p r i 签订的合同，已制造出一台( 1 3 8 v ，6 7 5 a ) f c l ( 与固 态断路器s s c b 组合) ，并于9 5 年2 月安装于p s e & g 的变电站中投入运行 4 9 】。 日本东北电力公司及日立公司研制了试验装置，并进行了实验 4 9 】。在实际实验装 置中，g t o 开关放在密闭的容器内，采用液体自循环冷却系统，不需要风扇和 泵。通过实验发现，d c l d ( d i s t r i b u t i o n c u r r e n tl i m i t i n gd e v i c e ，配电系统电流 限制器) 的动作是十分迅速的。在电流为4 0 0 a ，电压为6 6 k v 、通过功率为 4 5 7 0 k w 情况下。g t o 及二级管的损耗不大于通过功率的0 2 ，这表明采用自 循环冷却系统是完全可行的。这种电流限制器可用在对电源要求高的场合。 据西屋公司、e p r i ( e l e c t r i cp o w e rr e s e a r c hi n s t i t u t e ) 的纽约爱迪生公司对 美国一些电力公司所作的调查表明【“，大家对于多次操作的电流限制器是有很大 需求的，对于有的一次性操作的熔断器类限制器已不能满足要求。e p r i 根据被 调查的美国电力公司的答复，归纳出对配电系统电流限制器( d c l d ) 的参数要 求： ( 1 ) 、适用于1 5 k v 直接接地的配电系统，从统计来看，这种电压等级的配 电系统最多。 ( 2 ) 、馈电线的d c l d 连续电流额定值为6 0 0 a ，变压器主回路的d c l d 为 1 6 0 0 a ，这两种电流下好与a n s ic 3 7 0 1 0 和c 3 7 2 0 0 标准的断路器相 匹配。 ( 3 ) 、故障电流不大于2 0 k a ( 三相对称，有效值) 。 ( 4 ) 、至少应该动作5 0 次，设备才需要进行修理更换，设备上应装设动作次 数记录器。 ( 5 ) 、正常运行下的功率损耗不大于1 0 m v a 变压器损耗的1 4 ，或不大于通 过设备功率的o 2 5 。 ( 6 ) 、每套设备的价格不超过5 万美元。 ( 7 ) 、安装的复杂程度及体积的大小应不超过断路器。 电流限制器应有的功能： ( 1 ) 、限制系统的短路电流。使其不超过设备允许的瞬时电流及遮断电流。 ( 2 ) 、保持限制故障电流，直至清除故障。 墨!垩：塑堕里堕垫查堡堕一 ( 3 ) 、故障清除后，电流限制器自动恢复。 ( 4 ) 、运行在电流限制模式时，系统的保护应能保持协调，保证正确动作。 e p r i 结合调查结论和当前限流技术的发展，指出以半导体器件为基础的固 态短路限流方案，是有可能满足各电力公司提出的以上各项要求的技术发展方 向，并推荐了如图1 2 7 所示的限流器结构。 1 2 3 新型限流技术与f a c t s 技术的发展 固态限流技术的发展，是建立在电力系统柔性交流输电技术( f a c t s ) 迅猛 发展的大背景条件上的。 在8 0 年代后期，美国电力科学院( e p r i ) 的n g h i n g o r a n i 博士提出了f a c t s 技术的概念【6 6 1 。所谓“柔性交流输电系统”，又称“灵活交流输电系统”( f l e x i b l e a l t e r n a t i v ec u r r e n tt r a n s m i s s i o ns y s t e m s ，简称f a c t s ) ，就是在输电系统的重要 部位，采用具有单独或综合功能的电力电子装置，对输电系统的主要参数( 如电 压、相位、电抗等) 进行调整控制，使输电更加可靠，具有更大的可靠性和有效 性。这种将电力电子技术、微机处理技术、控制技术等高新技术应用于高压输电 系统，以提高系统可靠性、可控性、运行性能和电能质量，并可获取大量节电效 益的新型综合技术，在世界上引起了极大反响，从一开始就得到了迅速发展。 f a c t s 近年来发展十分迅速，所包含的器件不断增加，f a c t s ( 含c u s t o m p o w e r ) 开发项目的具体装置日益增多，目前已知的已有2 0 多种【4 9 】： s t a t c o m 新型静止无功发生器( s t a t i cc o m p e n s a t o r ) ，又称a s v g ( a d v a n c e ds m i l ev a rg e n e r a t o r ) 。而把同时可以调节有功功率的称作 s r c o n 静止调相器( s t a t i cc o n d e n s e r ) ： t c s c 可控串联电容补偿器( n y r i s t o r c o n t r o l l e d s e r i e sc o m p e n s a t o r ) ： u p f c 综合潮流控制器( u n i f i e dp o w e rf l o wc o n t r o l l e r ) ： s v c 静止无功补偿器( s t a t i cv a r c o m p e n s a t o r ) ： t c p r 可控移相器( t h y r i s t o r c o n t r o l l e dp h a s ea n g l er e g u l a t o r ) ： s s c b 固态断路器( s o l i d s t a t ec i r c u i tb r e a k e r ) ： s p f c 串联潮流控制器( s e r i e sp o w e rf l o wc o n t r o l l e r ) ： t c t c 变压器抽头有载可控调节器( t h y r i s t o r c o n t r o l l e rt a pc h a n g e r ) ： 1 2 塑垩盔兰堡主堂堡堡塞一 t c b r 可控制动电阻器( t h y r i s t o r s w i t c h e d s h u n tb r a k i n gr e s i s t o r ) ； t s c 可控并联电容器( t h y r i s t o r s w i t c h e d s h u n tc a p a c i t o r s ) ： t c r 可控串联电感( t h y r i s t o r - c o n t r o u e d s e r i e sr e a c t o r ) ； n g h s s r d 次同步振荡阻尼器( n a r a i ng h i n g o r a n is u b s y n c h r o n o u s r e s o n a n c ed a m p e r ) ： t c f r d 可控铁磁谐振阻尼器( t h y r i s t o r c o n t r o l l e d f e r r o r e s o n a n c e d a m p e r ) f c l 故障电流限制器( f a u l t c u r r e n tl i m i t e r ) ； d v l 动态过电压限制器( d y n a m i cv o l t a g el i m i t e r ) ： d v r 动态电压恢复器( d y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r ) ： a p f 有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ) ： s m e s 超导蓄能器( s u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t i ce n e r g ys t o r a g e ) ； b e s s 电池蓄能器( b a t t e r ye n e r g ys t o r a g es y s t e m ) ： 这些装置有的己投入实际应用，有的正处于工业示范阶段，还有一些尚处于 设计试制阶段，另外还有一些具有发展前景的设备如下： 重合器( r e c l o s e r ) ： 快速故障定位器( 包括高阻抗故障定位器) ； 矫正负荷曲线( l o a dl e v e l i n g ) 发散电源； 作为f a c t s 设备组成部分的故障电流限制器( f c l ) ，以及与此相关的固态 断路器( s s c b ) 、重合器( r e c l o s e r ) ，在f a c t s 大力发展的背景下，具有良好 的应用前景，是电力系统短路保护技术发展的新方向。 1 3 、本论文的选题及结构 本论文讨论的是一种新型的固态短路限流技术在电力系统中的应用。浙江大 学电力电子国家专业实验室对短路限流技术的研究工作起步于9 5 年，迄今已有 五年时间。当时主要结合电力电子装置的电压源逆变器桥臂直通短路保护进行， 这一成果9 6 年应用于固态高频感应加热电源，取得了良好的效果，并申请获得 了国家专利。应用这一限流保护技术所开发的电压源逆变式高频感应加热电源己 苎! 童：望堕堕堕垫查堡姿 由有关企业形成批量生产，大量应用于实际生产中。在直流限流保护技术的基础 上，将其思路按电力电子电路的拓扑变换原