串联谐振型高压故障限流器研究及应用进展述评

1串联谐振型高压故障限流器研究及应用进展述评卫元朋1，韩松1，许逵2（1.贵州大学电气工程学院，贵州省贵阳市5500252.贵州电力试验研究院，贵州省贵阳市550001）摘要：近来，我国部分区域电网短路电流测算结果过高制约着电网发展。相对于传统的被动式短路电流控制措施，故障电流限制器能够主动式地限制短路电流，是具有可观发展潜力的限制短路电流技术。文章首先介绍了故障限流器的主要分类，其次调查分析了固态故障限流器研究和应用现状，重点展示了串联谐振型故障限流器的拓扑结构和工作原理。最后，针对该型限流器，从系统侧，讨论了安装位置确定、容量选择、布点优化、继电保护整定等外部应用技术问题，从装置侧，讨论了过电压分析、谐波分析和抑制、损耗分析及降损等内部核心技术问题，为我国故障限流器特别是串联谐振型高压故障限流器的深入研发与应用推广提供参考。关键词：高压电网；短路电流；故障限流器；串联谐振；固态限流器中图分类号：TM713ACriticalReviewonHigh-voltageSeriesResonanceTypeFaultCurrentLimiterWEIYuan-peng1,HANSong1,XUKui2(1.DepartmentofElectricalEngineering,GuizhouUniversity,Guiyang550025,GuizhouProvince,China;2.GuizhouElectricPowerTestingandResearchInstitute,Guiyang550001,GuizhouProvince,China)ABSTRACT:Recently,thecalculationresultsofshort-circuitcurrents(SCCs)forsomeregionalpowergridsinChinashowthattheirshort-circuitcurrentlevelscouldbetoohightosecuringthesafetyandstabilitiesofthesepowersystemsinthefuture.Thisphenomenonattractsmoreandmoreattentions,bothintheindustryandintheacademicsociety.Faultcurrentlimiter(FCL)canactivelylimitSCCsincomparisontothetraditionalpassivemeans,whichisapromisingtechnologyduetotheadvantageofsavingthecostofupdatingandreplacement.Atfirst,thepapersimplyreviewstheclassificationofFCLandinvestigatesthedevelopmenttrendofsolid-stateFCL.Secondly,thetopologyandworkingprincipleaboutseriesresonanttypeFCLarepresented.Finally,thesystem-sidetechnicalproblemssuchaslocationdetermination,capacityselection,relayprotectionsettingareanalyzed.Meanwhile,thedevice-sidetechnicalproblems,forexample,over-voltageanalysis,harmonicanalysis,lossanalysisarediscussed.KEYWORDS：Highvoltagepowergrid;shortcircuitcurrent;faultcurrentlimiter;seriesresonance;solidstatefaultcurrentlimiter0引言随着电力系统负荷的增大，大容量机组、电厂以及变电设备的投入，尤其是负荷中心大电厂的出现及大电力系统的互联，短路电流水平显著增加[1-2]。初步测算结果显示规划年部分地区如广东电基金项目：贵阳市科技计划项目工业振兴科技计划(编号：2012101/2-14)，贵州大学引进人才科研基金(编号：201120)网、上海电网等的高压电网短路电流水平已经接近甚至超过国家有关电力规程所规定的允许范围。短路电流的显著增加给变压器、断路器、隔离开关、互感器、母线、绝缘子、架构、接地网等电气一次设备提出了更苛刻的要求。因此，为避免大规模地更换或加强电气一次设备造成的经济和时间成本，如何采用更为有效、灵活、经济的短路电流限制技术，已成为我国发展“坚强与智能”电网中亟待解决的问题。2传统上，限制短路电流可以采用分层、分区、解列运行、加装串联普通电抗器等。但这些被动式短路电流限制措施受系统网架结构、运行方式、安全稳定性等因素的制约，限流效果有限，且存在如降低系统正常运行时的供电可靠性与运行灵活性、存在压降损耗和操作过电压隐患等负面影响[3-6]。相对于传统的被动式短路电流限制措施，故障电流限制器(FCL，faultcurrentlimiter)能够主动式地限制短路电流，确保系统安全稳定运行，节省电气设备更换成本，是具有可观发展潜力的限制短路电流技术。1故障限流器类型在20世纪70年代C.A.Falcone和J.E.Beehler等在文献中[7]提出了短路限流装置，随着电力电子、超导技术和新材料等的发展，尤其是在柔性交流输电技术FACTS提出以后，主要发达国家都投入大量人力、物力研究限流技术和开发具有更好性能的限流装置。短路限流器根据其构成原理可分为：超导限流器、固态限流器、磁元件限流器和PTC电阻限流器等，其中在高压电网领域应用潜力最大的是固态限流器和超导限流器。1.1超导故障限流器超导限流器（Superconductorfaultcurrentlimiter，SFCL）根据是否利用超导体的失超特性，可将SFCL分为失超型和非失超型。失超型是利用超导体的超导态(S)/正常态(N)的转换特性。正常运行时，触发线圈处于超导态（无电阻），故障发生时，短路电流超过临界电流，触发线圈失超后转变成高阻态，电流被转换到限制线圈中，从而限制故障电流。当线路故障排除后，自动恢复超导态为再次限制短路电流做好准备。失超型SFCL有电阻型、磁屏蔽型等[8]。非失超型利用的是超导材料直流状态下的无阻载流特性[9]，当线路发生短路故障时，通过辅助线路SFCL随着线路电流的周期性变化在高阻与低阻状态之间切换。非失超型SFCL有桥路型、饱和铁心型等。由于SFCL同时集检测、转换和限流于一身，能在较高电压下运行，能在毫秒级时间内有效地限制故障电流。1.2固态故障限流器固态故障限流器是由常规电抗器、电力电子器件和控制器构成，通过晶闸管的快速通断来完成阻抗的快速切换，并结合电感等其它元件来达到故障限流的目的。固态短路限流器主要类型：GTO开关型限流器、谐振式限流器、可变阻抗式限流器、具有串联补偿作用的限流器、无损耗电阻器式限流器、混合限流器、新型桥式固态短路限流器等。固态限流器在无短路故障时对负载无明显影响，短路发生时可及时有效地限制短路电流，并可实现软重合闸的功能，避免了短路条件下大故障电流对电网设备的冲击，具有动作速度快、允许动作次数多、控制简便等优点，对于高压电网，相比超导限流器具有较高的实用性。2近期固态故障限流器研发应用进展20世纪90年代初，在EPRI对配电网络的各种限流技术的调研报告的推动下，全球兴起了研究短路限流技术特别是应用电力电子器件的固态限流器的热潮。经过十多年的发展，国外在固态限流器方面已经积累了一定的经验，近年来其研究主要工作集中在限流器的实用化、商业化及多种应用功能上[10]。2006年BinChen和AlexQ.Huang等提出了用发射级管段晶闸管EmitterTurn-OffThyristor(ETO)取代固态限流器中的GTO可将限流等级大幅提高[11]。美国能源部的资助下，2008年SiliconPower建造并测试了一台基于超级门级可关断晶闸管(SuperGateTurn-offThyristor,SGTO)的FCL装置（69kV/1kA）[12]。2009年底APEI与研究人员合作在阿肯色大学开发两台（4.16kV/4kA）用于现代舰艇上的基于Si和SiC的SGTO的固态故障限流器（SSFCL）被认为是能够超越传统的方法[13]。鉴于限流技术的快速发展，NdeyeK.Fall等人提出加快限流器的测试平台的建设及相关标准的制定，将有助于限流器的部署。可见近年来国外主要工作集中在限流器性能提升和应用领域扩展等研究上[10]。我国在固态限流器方面研究稍晚于国外，随着电力电子装备研发能力的整体提升，在固态故障限流器方面，国内一些高校及科研单位深入研究，取得了相当科研成果。上海交通大学提出并研制了一台磁控开关型故障限流器模型机(220kV/50A)。华东冶金学院提出的无损耗电阻器式限流器以取得国家专利。华中科技大学将真空触发间隙或高速斥力机构操作的合闸开关用于串联补偿的FCL，并论证了其可行性。浙江大学研制的10kV/500A/2500A带3交流旁路限流电感采用耦合变压器的新型固态限流器样机于2006年12月在绍兴电力试验站通过试验，取得了令人满意的试验结果[14]。2009年，中国电力科学研究院、中电普瑞公司、华东电网公司研制并在中国华东电网投入试运行的500kV电压等级、基于TPSC技术的的故障限流装置，发现了一些运行中存在的问题，获得一些运行经验，推动了我国在超高压等级固态FCL装置及其应用技术的发展[15-16]。3串联谐振型故障限流器3.1串联谐振型故障限流器原理图1为串联谐振故障限流器(SRFCL，SeriesResonanceFaultCurrentLimiter)的原理拓扑结构。LCGTOGTOACACK图1串联谐振型FCL原理拓扑结构Fig.1Topologyofseriesfaultcurrentlimiter其工作原理为：当交流电网正常运行时，晶闸管GTO截止，电容C和电感L处于工频串联谐振状态，对外等效阻抗为零。当交流电网发生短路故障时，晶闸管GTO导通，将电容C短路，故障限流器对外呈现一定的阻抗，从而限制短路电流[17]。(1)在系统正常运行时，SRFCL中容抗值和感抗值相等而极性相反，阻抗为零，因此电容器承受电压较低，且自身实现了无功平衡。即使串联谐振故障限流器发生故障，只要电抗器正常，只需通过开关K将电容器旁路，则其仍可保持限流状态，具有较高的安全可靠性。(2)SRFCL在正常运行中不影响电力系统的稳定性，没有无功损耗和电压降落和问题。3.2500KV串联谐振式限流器的应用串联谐振式故障限流器SRFCL是在晶闸管保护串联电容补偿装置(TPSC)技术上发展而来的新型故障限流器[18]。目前，国内串联谐振限流器在超高压电网系统中的研究尚处于初级阶段，中国电力科学研究院、中电普瑞公司、华东电网公司联合研制了国内首台500kV串联谐振型故障限流装置，安装在华东电网500kV瓶窑站(瓶窑-杭北单回线)，具体为：在500kV瓶和5411线上安装了一台8Ω，额定电流为2kA的FCL；短路电流限制设计目标为，降低流经该线路的短路电流并能把短路点的总电流降低到47kA以下[19]，并于2009年12月22日投运，但在运行中还存在一些问题。表1给出了500kV瓶窑变故障限流装置主要参数。表1500kV瓶窑变故障限流装置主要参数Tab.1mainparametersoffaultcurrentlimiter电抗器额定阻抗/Ω电容器额定阻抗/Ω额定电流/kA4h过负荷能力/kA30min过负荷能力/kA0.5s过负荷能力/kA8822.22.720华东电网瓶窑变500kV串联谐振型故障限流器的简化结构如图2。电容器组（C）MOVM