如何修复交流电路故障限流器？

电力系统运行中，短路是危及电力系统安全稳定运行、导致大面积停电最为常见的故障。短路故障对电力系统破坏的严重程度，主要取决于短路电流的大小。随着电力负荷不断增加、发电厂及发电机单机容量的不断增大以及各大区电网的互联等，使得电力系统中短路电流值不断提高，这已成为电力系统安全、稳定运行的严重隐患和关键技术难题。短路故障电流限制器就是要限制电网线路短路后的短路电流水平值，限制电力系统的短路容量，从而极大地减轻断路器等各种电气设备的负担，提高其工作可靠性和使用寿命，提高电力系统运行可靠性。

至今已有许多技术措施用于限制交流电力系统的短路故障电流。例如，超导限流器、正温度系数电阻限流器（Positive Temperature Coefficient，PTC），以及固态限流器。

图3-45 超导限流器基本原理

1.超导故障限流器

图3-45a是桥路型超导故障电流限流器（Super Conductive Fault Current Limiter，SFCL），它由二极管VD₁～VD₄、高温超导线圈HTS和直流偏压V_b组成。调节V_b可使流过HTS的电流为系统额定限流峰值I_Lim，V_b与HTS构成一个恒流源，电流为I_Lim。图3-45b中示出交流线路电流i_s正半波时的电流方向。图中流经四个二极管支路的电流i₁、i₂、i₃、i₄由线路电流i_s和HTS的电流源I_Lim共同决定，则由叠加原理可知各支路电流分别是i_s=0时I_Lim产生的电流与I_Lim=0时i_s产生的电流之和。由图3-45b可知，i_s=0时I_Lim/2流入FAE支路，I_Lim/2流过FBE支路，则在每个二极管支路都有I_Lim/2正向电流；当I_Lim=0时，i_s一分为二，i_s/2分别流入AEB和AFB支路。这时，VD₁、VD₄流入正向电流i_s/2，VD₂、VD₃流入反向电流，即-i_s/2，所以i_s、I_Lim同时存在时，有

i₁=（I_Lim+i_s）/2=i₄ （3-66A）

i₂=（I_Lim^-is）/2=i₃ （3-66B）

图3-45b中各二极管总电流方向不可能反向，只要线路电流i_s小于限流值I_Lim，或者HTS中的电流I_Lim大于线路电流i_s，由式（3-66）可知：i₁、i₂、i₃、i₄都为正值，即VD₁、VD₂、VD₃、VD₄都导电，忽略二极管通态电压降，则图中A、B两点电压V_AB=0，等效阻抗Z_AB=0，超导线圈HTS被VD₁～VD₄短接，其电流经VD₃、VD₁和VD₄、VD₂自行续流不影响线路正常运行。一旦线路短路故障，i_s超过限流值I_Lim，式（3-66）中的i₂、i₃为负值，即i_s>I_Lim时VD₂、VD₃不可能导通，于是正方向的短路故障电流i_s经VD₁-HTS-VD₄再从B点经线路短路阻抗构成短路电路中，即这时超导电抗被串在短路电路中，恒流源I_Lim限制了短路电流幅值。由此可知，正常运行时桥路始终导通，超导故障电流限流器SFCL不表现任何阻抗。一旦发生短路故障，HTS转变为高阻态恒流源自动串入故障线路限流。在图3-45中，当交流电流i_s为负半周反向时，正常|i_s|<I_Lim时，VD₁、VD₂、VD₃、VD₄导通，Z_AB=0，一旦|i_s|>I_Lim时，VD₁、VD₄截止，VD₂、VD₃仍导通，HTS串入短路回路，限制反向短路电流。

2.正温度系数（Positive Temperature Coefficient，PTC）电阻限流器

将正温度系数PTC电阻串联在线路中，利用PTC材料的正温度系数非线性电阻特性可构成PTC电阻限流器。正常运行情况下，流过PTC电阻的电流是正常运行电流，因此温度较低，呈现的电阻也很低；当系统发生短路故障时，短路电流流过PTC电阻，引起PTC材料发热膨胀，热量来不及散发使电阻温度迅速增加，并在微秒时间内使PTC的电阻值急剧增加，从而起到限制故障电流的目的。

PTC限流器在美国海军新型战舰上已有应用，在低压商业领域也有应用。但PTC电阻限流器在每次限制短路电流、故障被切除后，需要好几分钟时间才能冷却恢复到常态低电阻，并且在使用多次后会导致性能变坏。

3.固态故障电流限流器（Solid State Fault Current Limiter，SSFCL）

交流固态限流器是利用电力电子技术开发的一张新型交流电力系统短路限流器，其具有动作速度快、允许动作次数多、控制简单等优点。美国EPRI（电力研究院）于20世纪90年代在全面调研现有各种可用的限流技术后认为，应用电力电子技术发展交流固态限流器是比较现实的技术途径。

（1）采用反并联门极关断晶闸管的固态限流器

图3-46为美国EPRI于1991年提出的GTO开关型交流固态，限流器拓扑，图中反并联的GTO根据不同的电压等级可能有多组串联，且一般并联有缓冲电容器（未画出），以缓冲GTO关断时其两端的电压上升率dV/dt，氧化锌压敏电阻器ZnO则用以吸收开关SSCB切断故障回路时限流器两端可能出现的瞬时过电压，以保护GTO不受损害。该限流器正常运行时GTO为通态，将限流电感L短接；当负荷侧发生短路故障时，其控制器快速检测、判断并在短路电流达到第一峰值前关断GTO，从而使限流电感L接入故障回路限制短路电流。基于上述原理，1993年美国研制出了由反并联GTO构成的6.6MVA固态断路器，并安装在新泽西州Mort Monmount的Army Power Center的一条4.6kV/800A交流馈电线路上；日本东北电力公司与日立公司研制出了6.6kV/400A的DCLD（Distribution Current Limiting Device）；1995年，西屋公司与EPRI合作，研制出了13.8kV/675A的SSFCL（与固态短路器SSCB组合）并安装在变电站上运行。但这种限流器对功率开关器件有较高的电流变化率di/dt和电压变化率dV/dt应力要求，此外当限流电感中短路电流数值较大时，断路器SSCB断开时有可能产生暂态振荡和过电压。

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图3-46 美国EPRI提出的交流固态限流器拓扑

（2）具有串联补偿作用的固态故障电流限流器

图3-47是在图3-46基础上发展的一种具有串联补偿作用的限流器，它也可分为可控限流串补以及固定限流串补两种，图3-47为日立公司和Chubu-EPC（Chubu E_- lectric Power CO.，Hamaoka）于1995年提出的具有固定限流串补功能的限流器拓扑。正常运行时，固态开关SW₁与机械式旁路开关BPS均断开，电流通过输电线路电感L和串联补偿电容C。通过适当选择C，可以补偿部分线路电抗。当发生短路故障时，SW₁迅速闭合（与SW₁串联的电抗L₁很小，其作用是当SW₁闭合时防止电容C过大的放电电流），电容被旁路，由线路电感L限制线路短路电流；确认SW₁已闭合（进入短路限流状态）且在短路电流较小情况下，闭合旁路机械开关BPS（L₂的作用同L₁），然后封锁SW₁触发脉冲，使SW₁断开以减少短路限流状态下的功耗。

图3-47 具有串联补偿作用的限流器

在实际应用中，由于串补电抗X_C与线路电抗X（ωL）之比值并不很大，因此当BPS闭合短接X_C后，也并不能使等效短路阻抗增大很多，这就使具有串联补偿作用的限流器的限流水平具有很大的约束性。

（3）电力电子开关变流器型限流器

图3-48和图3-49示出了几种三相桥变流器型固态交流限流器原理电路。三相桥式固态限流器是一个由SCR构成的变流器和普通限流电感组成的固态交流限流器，它通过控制各晶闸管触发脉冲相位使桥路工作在不同的状态，从而达到限流目的。桥式固态限流器可分为单相式和三相式两个大类，无论单相或三相又可细分为经变压器耦合和无变压器耦合而直接串接在线路上两种，又有耦合变压器一次侧带交流旁路限流电感和不带交流旁路限流电感等多种类型。图3-48所示为一种无耦合变压器直接接入电网的三相桥式固态限流器原理电路。

三相桥式固态限流器结构紧凑，且可减少所需晶闸管数量，图3-48中三相桥和直流限流电感接在三相电源V_a、V_b、V_c的三相中点，这种无耦合变压器直接插入电网线路中的限流器在非三相故障限流时会影响非故障相，而图3-49经变压器耦合三相桥式固态限流器串联插入线路便于接入系统，且可有效降低桥路晶闸管的电压等级，但正常运行时将因耦合变压器的漏抗作用而使限流器等效阻抗有所增大。

图3-48 无耦合变压器直接接入电网的三相桥式固态限流器

图3-48带限流电感L_d的三相桥X、Y、Z三点分别接在三相电源V_a、V_b、V_c的中点，正常运行时三相桥六个开关管VT₁、VT₂、VT₃、VT₄、VT₅、VT₆都（有触发脉冲信号）处于通态，等效于X、Y、Z三点短接，限流器对主电路运行无任何影响，一当发生短路，故障电流突增到限流值时，将三相桥式转入相控运行，产生一定的电压V_x、V_y、V_z，同电源电压V_a、V_b、Vc共同作用限制故障短路电流i_a、i_b、i_c。

带耦合变压器的三相桥式固态限流器拓扑如图3-49所示。在系统正常运行时，开关管VT₇、VT₈同时导通使换流桥直流侧“短接”，从而使耦合变压器二次侧等效于短接状态，一次侧电压降等效为“零”，整个限流器对系统呈现“零”阻抗。负载侧发生短路时，令VT₇、VT₈有一个或两个关断，限流电感L_d通过耦合变压器自动串入系统，从而达到短路期间自动限制故障电流迅速上升的目的。通过合理控制VT₁～VT₆触发脉冲相位角，可以有效地控制故障电流的大小。由图3-49可知，不论电网主电路和系统电源采用何种接线方式，带耦合变压器三相固态限流器都可以方便地接入限流回路。

图3-49 三相桥式固态限流器原理拓扑

图3-49b中在耦合（串联）变压器一次绕组两端并接了一个旁路电感L。虽有了旁路电感L，但正常运行时由于VT₁～VT₆都有触发脉冲，VT₇、VT₈又都处于通态，三相桥将直流电感L_d短接，使a、A两点间等效电感仍然是L_aA=0，限流器不影响系统供电；当故障时若VT₁～VT₆全部关断，由于L_d与交流系统完全断开，故使L_aA=L。若故障期间VT₁～VT₆仍相控运行，则L_d折算到交流侧的等效电感L_d′是可控的，因而a、A两点间的等效限流电感L_aA为L与L_d′的并联电感L_aA=LL_d′/（L+L_d′）在0～L可控，可在一定范围内连续调控限流值。当然，由于增加了旁路限流电感，整个设备的体积也要大一些。此种结构综合了传统与新型固态限流器的特点，成为目前电力系统专业人士可以接受的设计方案，原理上它能够快速抑制短路电流的上升和限制稳态短路电流到设定水平，同时也具有良好的故障隔离、网络保护等功能。但新型高压大容量的固态限流断路装置的实用化与推广应用，还需要解决一些实际问题：①目前所研制的新型固态限流器电压等级与容量（10kV/500A/2500A）远不能满足电力系统发展需要，需要进一步开发更高电压等级、更大容量新型固态限流器并使其小型化、实用化；②与已有自动控制装置和继电保护装置等的协调配合上网试验和应用中的安全、可靠性问题；③多个固态限流器之间以及与其他FACTS装置之间的协调配合与优化控制问题；④新型固态限流器控制纳入现有电网调度控制系统问题等。