摘要　介绍了国外在电力系统故障电流限制技术方面的研究状况，结合其他领域的进展，提出了几种适合于中国国情的故障电流限制器设计方案，并详细介绍了它们的工作原理，还对各设计方案的特点进行了比较。
关键词　故障电流限制器　超导　电力电子　触发间隙　限流熔断器

2　FCL的实现方案
　　实现FCL的方案按关键技术可分为4类：
　　(1)超导故障电流限制器(SCFCL)
　　超导体有3种导电状态，即超导状态、正常导电状态和过渡态。影响超导状态的三个因素是温度(T)、电流密度(j)和垂直于电流方向的磁感应强度(B)，如图1所示，曲面S1内代表超导态，曲面S2以外代表常态导电区，S1和S2之间代表的是过渡状态。短路故障发生时，SCFCL从超导到失超可在1 ms左右完成。图2为东芝公司研制的6.6 kV/1.5 kA超导故障限流器在不同外加电压下发生短路故障时超导电阻阻值的变化曲线。

图1　超导体导电状态影响因数示意图

图2　超导线圈在不同外加电压下发生短路时超导电阻的变化情况

　　多数SCFCL 的工作原理均基于超导体的电状态跃迁［8］。典型的超导故障电流限制器的实现方法如图3所示。其动作原理是：当发生短路故障时，超导线圈中的电流超过了临界值而失超，电阻迅速增大，为了不使超导线圈严重过热，开断快速断路器d，电阻R接替限流工作，直至主线上的断路器最终分断短路电流。电阻R也可以由电感L代替，以限制故障电流，但它不消耗有功功率，因此对于系统的稳定性而言电感的优越性不及电阻。另一种SCFCL的原理电路如图4所示，它实际上是一个次级绕组短路的变压器。单匝的次级绕组由超导材料制成，线路正常工作时初级绕组端的阻抗很小，故障时次级线圈的阻值迅速增大，反映到原边的阻抗也随之增加。还有一种方案如图5所示，电抗器的直流偏置绕组用超导材料制成，选取适当的安匝数使两个电抗器铁芯在正常工作情况下均处于磁饱和，因而交流绕组的电抗很小，当故障电流通过交流绕组时，两个电抗器的铁芯分别在正、负半波磁通变得不饱和，而呈现很大的电抗，起到了限制短路电流的作用。

图3　单相SCFCL原理图

图4　带铁芯的SCFCL

　　(2)用电力电子器件实现的FCL
　　近十年来，电力电子器件的技术水平提高很快，在中压电力系统中已可直接应用，经适当的串并联后甚至可用到高压、超高压系统。柔性交流输电系统(FACTS)就是在这种背景下产生的。FACTS电器的基础元件就是电力电子开关。 FCL作为一种FACTS器件，采用电力电子器件限流的方案也较多。总的原理是利用电力电子器件的可控性和快速性使正常工作时处于串联谐振(阻抗Z≈0)状态下的L电路在短路故障时脱谐，或使正常工作下处于非谐振状态下的电路在短路故障时进入并联谐振(导纳Y≈0)，从而使线路的阻抗增大而达到限制短路电流的目的。限流方案还可以合并其他FACTS器件的工作，而成为多功能FACTS 控制器。例如与串联补偿作用结合起来形成串联补偿式限流器。图6、图7分别为晶闸管和由GTO控制的谐振电路。在正常工作状态下TH-1和TH-2、GTO-1和GTO-2均不通过电流，而当短路发生时，会在几ms内快速触发这些电力电子元件，使线路阻抗增大而达到限流目的。

图5　磁饱和型SCFCL

图6　晶闸管控制谐振式FCL

图7　由GTO控制的谐振式FCL

　　另一种实现方法的电路图如图8所示，其工作原理是：由于电容C和电抗器L1的合成阻抗呈容性，FCL可以补偿输电线的串联感抗及无功功率。与C并联的开关SW1为晶闸管固态开关，常态为开路，即FCL常态下为一串联补偿器。当出现故障时，SW1首先快速接通旁路电容C，此时电抗器L1将限制故障电流，Z1限制通过SW1的涌流，与电容器并联的还有过电压保护器件ZnO和旁路开关BPS，用以保护SW1开关及电容器本体。图8所示的FCL可以作成单元模块，若干个这种模块就可以组成保护系统。
　　(3)用放电间隙法实现的FCL
　　该方法实际上也是利用谐振和非谐振两种状态下阻抗值的变化而达到限制短路电流的目的。它的基本原理与由电力电子器件实现的FCL是一样的，只不过它的控制元件由间隙放电替代了电力电子器件。放电的间隙是真空间隙，也可以是空气间隙，从给间隙发出点火放电信号到间隙完全导通所需的时间是μs级的。从这个角度来看，由间隙取代GTO、晶闸管或者IGBT是完全可能的，同样能达到限流的目的。图9为其原理图。正常工作时由C1和L1组成串联谐振状态，当发生短路故障时，则在几个ms内点火电路使得间隙SW击穿成为导电状态，这时L1便投入限流工作。

图8　带串联补偿的FCL

图9　FCL保护的原理电路

　　(4)用限流熔断器实现的FCL
　　限流熔断器(CLFs，current limiting fuses)是在规定的电流范围内动作，能把电流限制在比预期电流峰值小的电器［7］。图10是实验［5］所得电流突然上升时CLFs所起限流作用对应的电流、电压与时间的关系，以及计算所得的电阻-时间关系。分析曲线可知，短路后电阻的突变是非常快的，5～6 ms内完成，小于工频的1/2个周期，所以与超导有着异曲同工的效果。也就是说，故障发生时，CLFS就开始升温，并且能远在短路电流达到峰值之前就明显的增大CLFs的电阻值，从而限制了短路电流。如果将这种熔断器代替图4中的超导线圈，就能将只适合于中低压水平使用的CLFs通过变压器的“放大作用”而应用于高压系统。
 

图10　CLFs的电压、电流和计算电阻

3　结束语
　　超导材料广泛地应用于电力系统，将给这个领域带来革命性的进步，超导FCL的发展也是科技进步的必然趋势。超导FCL 有其突出的优点：①限流作用的启动不依赖于其他控制线路，电流的增大就是超导体失超的命令信号；②超导限流器本身失超后给短路系统引入的电阻不同于引入的电感，它不仅有利于限流，也有利于发电机的制动，同时其不利因素比引入电感而引起的过电压等不利因素要小。但超导目前的实用化、商品化程度还远不能满足作为新产品开发的要求。也就是说，这样的FCL目前的性能价格比偏低。同时超导FCL的研制还有赖于超导技术的发展和其他相关技术的进步。
　　应用电力电子技术实现的FCL也有它的优点，最重要的是它能通过复杂的控制线路将限流和无功补偿甚至潮流控制等熔为一体。但由于目前单个器件的容量有限，所以在高压和超高压系统中使用必须采用多管串、并联的方法，而这种串、并联不同于简单的电阻串并，需要研究驱动电路的同步控制技术。另一方面电力电子器件的漏电流和昂贵的价格也会影响它的发展前景。
　　用间隙式“快速接触器”替代电力电子器件的显著优点是：间隙的单个容量远远大于电力电子器件，系统正常情况下不存在因漏电流而产生的损耗，产品价格比前两者也低很多，而作为限流的效果和电力电子器件是完全一样的，但控制的灵活性较差些。
　　限流熔断器方法是寻找了一种超导的替代品，显然它也具有不需要短路检测和系统判断的优点，二次接线简单。但是它不利于自动重合闸而使得它的应用受到限制。
　　国内的FCL研制刚刚起步，应在现有的经济技术基础上寻找一条适合国情的方案。国外对超导FCL 和电力电子限流研究较多，有很多可以借鉴的东西，但后两种方法未发现记录，这两种限流器在性能价格比上和目前状态下的可行性方面均优于前两者。限流熔断器实现的FCL，要适应自动重合闸还有待于自恢复限流熔断器的发展（已有研究报告［9］），并且这种方法要求有能承受正常状态下CT接线方式而故障状态下PT接线方式的变压器，因此对变压器的性能要求较高，但此方法最为简单，开发周期最短，不失为一种可供参考的方法。若选择间隙放电式FCL作为原始研究，它的技术难点在于放电间隙的选择及如何提高其工作稳定性，这种方式的FCL在目前经济技术的基础上是最可取的，也是本课题组正在研究的项目。

　　本文课题为武汉市青年科技晨光计划资助项目(985003083)。

作者简介：石　晶　博士生,1969年生,研究方向为真空触发开关式故障电流限制器。
　　　　　邹积岩　教授，博士生导师，1954年生，长期从事高压电器的研究。
　　　　　何俊佳　副教授，1968年生，从事真空断路器和真空触发间隙的研究。
　　　　　赵子玉　博士后，1961年生，研究方向为真空开关的在线检测和故障电流限制器的控制系统设计。
作者单位：华中理工大学电力工程系,430074 武汉

4　参考文献
1　杨杰et al. 三峡水电站短路电流水平及限制措施分析. 电网技术,1997(7)
2　邹积岩et al.初论新概念(开关)电器.高压电器, 1998(2)
3　邱毓昌. 超导故障电流限制器. 高压电器.1998(5)
4　徐国政et al. 固态断路器的应用和发展.高压电器. 1998(6)
5　Kojovic Lj et al.Application of limiting fuses in distribution systems for improved power quality and protection. IEEE Trans on Power Delivery,1997,12(2)
6　Ito D et al. 6.6kV/1.5kA-Class superconducting fault current limier development.IEEE Trans on Mag,1992,28(1)
7　金立军et al.高压限流熔断器弧前时间的数值分析与实验研究.高压电器,1998(3)
8　Pham V D et al.Towards the superconducting fault current limiter. IEEE Trans on Power Delivery,1991,6(2)
9　和田勇一 et al. ナトリウムの（Na）限流素子の自己復旧特性と低压配电回路应用における过电流协调. T.IEE Japan,1994，114-B(7/8)