故障电流限制器原理及应用简介ppt课件.pptx

故障电流限制器原理及应用简介 电力科学研究院 2011年9月 目录 概述 概念及分类基于超导技术的故障电流限制器基于电力电子技术的故障电流限制器基于爆破切割技术的故障电流限制器其它故障电流限制器理想限流器应具备的性能特征 发展趋势 限流器的典型应用 1概念及分类 1 1概念故障电流限制器 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 1 2分类目前限流器产品根据其技术特点大致可作如下分类 1 基于超导技术的故障电流限制器 2 基于电力电子技术的故障电流限制器 3 基于爆破切割技术的故障电流限制器 4 其它类型的FCL 2基于超导技术的FCL 2 1概述基于超导技术的故障电流限制器可简称为SFCL SuperconductingFaultCurrentLimiter 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Hc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 2 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 中的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 中的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 为饱和铁芯电抗器型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 为桥路型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 2 3历史及实物国外对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 a 正在工厂内组装的超导限流器本体 b 安装调试中的超导限流器 c 正式挂网运行的超导限流器图2 1我国自主研发的35kV 90MVA超导限流器 应该说世界上还没有形成真正的超导限流器产业 超导限流器的生产厂商不多 目前瑞士 德国 美国和英国挂网超导限流器不超过20台 中国仅2台 3基于电力电子技术的FCL 这类FCL一般是利用电力电子器件来高速接通或断开电路 随即旁路或投入电阻器 电容器 电抗器等器件来增大回路的阻抗从而起到限制故障电流的作用 1 串联谐振原理 2 并联谐振原理 图3 1原理图 图3 2我国基于TPSC技术的FCL在500kV瓶窑变顺利投运 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 特点 成本很高 技术复杂 适合于超高压电力系统 4基于爆破切割技术的FCL 图4 1实物照片及内部结构示意图 4 1国外情况 美国G W公司CLiP限流保护器 快速隔离器采用平板式结构 产品额定电压12kV 额定电流3000A 额定短路开断电流120kA 额定电压35kV时最大额定电流2500A 额定短路开断电流100kA 德国ABB公司的Is Limiter 快速隔离器采用管式结构 产品额定电压12kV 额定电流4000A 额定短路开断电流210kA 额定电压36kV时最大额定电流2500A 额定短路开断电流140kA 图4 2实物照片及内部结构示意图 法国FERRAZ公司的PyroBreaker 快速隔离器采用活塞撞击式结构 产品额定电压12kV 额定电流3000A 额定短路开断电流100kA 额定电压24kV时最大额定电流2000A 图4 3外观照片 4 2国内情况 DDX1短路电流限制器 陕西电科院 陕西蓝河电气 具有自主知识产权 在多方面已经达到甚至超出国外产品的水平 额定电压3 6kV 40 5kV 额定电流630A 6300A 额定短路开断电流50kA 200kA 其单台产品价格在进口产品的50 以内 额定电压在40 5kV时 最大额定电流可达到4000A DDX1 12 3150外观图 DDX1 40 5 3150外观图 图4 4产品外观照片 FSR短路电流限制器 合肥公司 额定电压3 6kV 14kV 额定电流2000 4000A 隔离器导电体为管式结构 传感器外置 电子控制器在低压侧 采用高压脉冲变压器触发 需要在主回路上并联高能氧化锌电阻 隔离器外壳多孔排气 大电流时需要多桥体并联 FSR 12 2000 FSR 12 4000 图4 5 4 3工作原理 图6中 设备主回路由基于爆破切割技术的快速隔离器1及特种高压限流熔断器2并联构成 电流传感器4将主回路电流信号提供给电子控制器3 电子控制器对电流信号进行变换 分析并判断此电流是否超过其动作整定值 若超过则电子控制器将立即向快速隔离器1发出触发信号 快速隔离器1在200 s内断开并形成隔离断口 同时主回路电流转移到特种高压限流熔断器2中 熔断器2在5ms附近完成熔体的熔化 断口起弧 限流熄弧 使故障电流在10ms得以开断 图4 6原理示意图 动作原理示意图 1 2 3 4 5 6 图4 7动作过程示意图 4 4与断路器开断短路电流过程比较及其动作时序 t 0短路故障发生 t t1电子控制器探测到故障并建立触发信号 此时间与预期短路电流的大小 电子控制器动作整定值及短路发生时的相位角均有关系 一般大于600 s t t2快速隔离器断口打开电流转移到限流熔断器中 t2 t1 约为200 s t t3熔断器开始起弧 t3 t2 为熔断器的起弧时间约1ms左右 图中的Ic即为限流峰值 t t4熔断器内电弧熄灭故障电流被彻底开断 t4 t3 为熔断器的灭弧时间 一般小于5ms 图4 8动作时序示意图 4 5工程应用 5其它类型的FCL 1 基于PTC元件的FCL PTC是一种正温度系数的聚合物材料 正常运行工况下的电阻很小 而故障状态下由于电流热效应的作用使其电阻急剧增大 从而实现限流 在美国海军新型战略舰上有相关的应用报道 在低压商业领域也有应用 但应用于高压领域还有很多技术问题包括过电压问题 长恢复时间问题 绝缘问题 热容量问题等等 2 基于电磁斥力机构的快速真空开关的FCL 如图5 1所示 图 a 中正常运行时快速开关HS VCB处于分闸状态 L C形成串联谐振 装置阻抗很小 故障电流出现时测控装置触发HS VCB的电磁斥力合闸回路 使其在1 2ms内快速合闸 C被旁路 由电抗器L限流 图5 1基于电磁斥力机构快速真空开关的FCL 故障电流限制器的发展趋势及方向 响应及恢复时间短 限流效果可控 可重复使用 宽额定电流范围 高可靠 低功耗 运行维护简便 结构紧凑 成本合理 环境友好 6 1响应及恢复时间FCL的检测装置能快速识别故障电流并作出响应 启动限流元件将故障电流限制到预期的水平内 完成限流后 FCL的限流元件可以快速恢复到正常运行状态 以备下次故障时再使用 对于要求自动重合闸的系统这一特性显得尤为重要 6 2限流效果可控限流效果可以通过两个方面加以描述 其一是FCL限流元件的启动电流 即FCL开始起作用的最小电流 其二是限流系数 即经过FCL后电路中实际出现的峰值电流与预期故障电流的最大峰值电流的比值 显然 这两个指标的量值表示限流效果的好坏 具体量值应该根据FCL的应用方式及安装位置的实际情况合理设计或整定 不应单方面追求过强的限流效果而忽视了实用性及FCL产品成本的控制 6理想限流器具备的性能特征 发展趋势 6 3可重复使用可以多次使用而不是单次使用 可重复使用的次数是FCL的重要技术指标 目前SFCL及基于电力电子技术的FCL具备多次使用的特性 6 4宽额定电流范围对于高压领域 额定电流的范围要求630A 6300A 在发电机出口使用的限流器根据发电机容量对额定电流的要求经常会更高 6 5高可靠FCL一般装备在电力系统的关键节点上 其可靠性直接关系到电力系统的安全性 拒动 误动 失效是不允许的 另外 若需要经常性的维护或保养则会使运行成本急剧上升 影响FCL的适用性 6 6低功耗FCL装置本身应改具有低功耗特性 即低无功损耗和低有功损耗 巨大的能耗或电压降落会明显影响其运行的经济性 增加用户的运行成本甚至失去适用性 6 7其它方面 运行维护简便 便于运行维护是FCL产品推广应用的前提 结构紧凑 FCL装置结构应尽可能紧凑化 小型化 以降低对安装位置空间的要求 成本合理 装置及其备品备件的成本过分昂贵将阻碍FCL的大面积推广 环境友好 FCL装置本身应该是环保的 不包含或产生有害物质 不对周边环境造成不利影响 a FCL的维护需停运主变 b FCL的维护可不停运主变 7FCL的典型应用 7 1旁路限流电抗器 此用法达到的效果是 节能降耗 消除无功损耗 提高供电质量 消除电抗器的电磁干扰 图7 1旁路限流电抗器原理接线图 7 2使大容量配电系统分段母线并列运行 此用法达到的效果是 变电站扩建或变压器增容后 无须更换所有出线断路器 从而节约大量基建投资 提高供电质量及可靠性优化负荷分配降低网络阻抗节能降耗增强大容量变电站运行方式的灵活性 图7 2母联位置应用原理图 7 3发电厂分支母线和厂高变的短路保护 此用法达到的效果是 对付可能出现的巨大短路电流以经济的手段