11.29-ckxz743-固态故障电流限制器(FCL)的应用与发展

固态故障电流限制器(FCL)的应用与发展
摘要：近年来，我国经济发展迅速，整个社会的电力需求也随之增加，推动了电力系统的进一步发展，发电厂及变电所的容量越来越大，工业中心及城市的负荷也随之增长，因此，电力系统实现了互联，这就要求各级电网短路电流水平的持续提升。

本文主要对固态故障电流限制器（FCL）的应用于发展进行了分析。

关键词：固态故障电流限制器；短路；电力系统
随着现代电力电子技术的发展，越来越多的电力电子产品被广泛应用于工业生产及居民生活中，诸如变频器、中频炉、电弧炉、相控电阻炉、开关电源、节能灯具等均为典型的非线性负载，这些设备的负载电流为不同程度畸变率的非正弦波电流，会引起系统电压不同程度的畸变，对电网造成污染，导致电网电能质量下降。

因此，电网中的变压器、断路器、互感器等相关电器设备，需要与较高水平的短路电流相互适应，使得电力系统中短路电流的限制显得尤为重要。

一、固态故障电流限制器的概念
故障电流限制器也成为短路电流限制器，英文名是Fault Current Limiter（缩写FCL），是一种在电气回路中串接的电气设备，可以对故障电流加以有效的限制。

在正常状态下，其阻抗很小或者为0，一旦发生故障，其阻抗就会变得很大。

在应用过程中，故障电流限制器需要满足以下几个条件：
一是必须可以对故障短路电流的第一个峰值进行限制；
二是在正常运行过程中，不会对系统产生任何影响；
三是在动作过程中，不会带来过电压等一些副作用；
四是在故障发生之后，还可以自动复位；
五是成本相对较低，可以被电力部门接受。

二、固态故障电流限制器的应用
目前，在电力系统的时机应用中，主要涉及两种类型的固态故障电流限制器，具体如下：1、纯限流型固态电流限制器
此种类型的故障电流限流器的主要特点在于利用电力电子器件的快速性使正常工作时处于串联谐振(阻抗Z=0)状态下的LC电路在短路故障时脱谐，或使正常工作下处非谐振状态下的电路在短路故障时进入并联谐振(导纳)。

图1(a) LC串联谐振式图1(b)为晶闸管控制型图1中的(a)是LC串联谐振式，在这种情况下，正常运行状态中，L和C是串联谐振，其中阻抗是0；当发生故障，开关K就会合闸，旁路电容C，其阻抗为JX L。

图1中的(b)是晶闸管控制型，正常运行状态下，阻抗是X s，由于X s是X b和Xc的并联值，由于X c较小，所以，Xs的值也相对较小；当发生故障时，其晶闸管就会开断，此时的阻抗是jX b，这个值较大。

图2是利用LC谐振线路以及一个晶闸管控制的可变阻抗组成的FCL。

图2 一种晶闸管控制的可变阻抗的PCL
它的工作原理具体如下所示：当正常运行时，L1和C是串联谐振，而TCR关断，那么，线路的阻抗就是0。

一旦发生故障，受到TCR的控制，那么，L2和C就会发生并联谐振，从而增大线路的阻抗，以限制电流。

可以说，这是后备保护的一种形式，当发生故障的情况下，电容C就会遭受损坏，与此同时，wL1的阻抗会变得很大，大到完全可以对故障电流水平进行限制。

图3为用GTO控制的FCL基本结构框图。

图3 GTO控制的FCL主电路图
如图3所示，这种固态故障电流限制器利用了GTO当做线路开关，当发生故障时，就会进行关断，并将限流阻抗L接入，来对短路电流进行限制。

具体的限流原理同图1和图2存在一定的差别。

其中，电容元件起到缓冲回路的作用，主要是可以对当GTO关断时的两端电压上升率du/dt进行限制。

而氧化锌制成的避雷器则是用来对关断后装置两端的瞬时过电压幅值进行限制。

限流电抗则可是限制短路电流。

简单来说，该装置工作的过程如下：当FCL在动作之前，线路电流会流经到GTO，在每个周期之内，两只反并联的GTO是轮流导通的。

一旦发生故障，就会对系统动作进行检测，再通过门控回路对GTO发出关断的信号。

当接收到信号之后，GTO就会迅速关断，而电流也会流过限流器通路。

2、带串联补偿型的电流限制器
将限流和串联补偿相互结合，就变成了限流串补，具体可以分成下面两种形式：一个是可控限流串补TCSC，另一个就是固定限流串补。

图4是可控限流串补TCSC主电路示意图：
图4 TCSC电路图
由图4可以看出，TCSC是由以下四个元件构成的，电容器组C、旁路电感L、双向晶闸管SCR以及保护用的氧化锌限压器MOV。

一般来说，TCSC主要有下面几种工作模式：一是晶闸管闭锁。

在这种模式下，TCSC的容抗X=Xc=-j1/wC，和常规的串补基本上是相同的。

二是容抗调节。

在这种模式下，9crt<A<180b。

三是旁路模式。

在这种模式下，A=90b，是一种理想的状况，其中，所有的晶闸管的导通角A都是180b，而电感L则是一种全接入的状态，也可以说是L与C的一个并联支路。

四是感抗调节。

在这种模式下，90b<A<9crt，而TCSC的工作处于感性电抗的调节范围之中。

这种方式具有一个很大的优点，即限流串补为可调节的，也就是说，可以对线路谐波起到抑制作用。

三、固态故障电流限制器的发展
在电力系统中，一旦发生短路电流，必须要进行限制，传统方式就是装设一个电抗器，但是，当电力系统正常运行的过程中，会导致电压降落以及一定能耗的产生，无法满足短路电流限制的最高要求。

早在二十世纪七十年代，国外就有学者提出了关于短路电流限制器的相关论断，随后，广大学者就对短路电流限制器展开了广泛的研究。

而这也是固态故障电流限制器产生及发展的初始阶段。

它的特点在于运用机械开关，关键技术在于针对灭弧问题，然而，其也存在一定的缺陷，即该装置的成本相对较高，速度又很慢，无法对短路电流峰值进行有效的控制，所以，并没有实际用用于电力系统当中。

到了八十年代中后期，出现了很多新的技术，而原有的技术也得到了进一步发展，在这个基础上，又有学者提出了新的故障电流限制器，其中，固态电流限制器从中脱颖而出，主要是由于其充分利用了电力电子技术，具有多项优点，如动作速度很快、便于控制、允许多次动作等，开始广泛应用于电力系统当中。

如在瑞士的一家水电厂内，1.2MVA/10.5kV固态故障电流限制器样机开始了运行。

需要指出的是，早期的固态限流器也存在一定的缺陷，例如，起开断元件是一种晶闸管，而晶闸管的开断条件是电流为零，也就是说，不能对故障电流的第一次峰值进行限制，这样一来，就使得其应用受到了一定程度的限制。

近几年，又出现了MCT、GTO等自关断器件，能够对开断时刻进行准确的控制，而且可以将故障电流首次峰值进行限制，解决了之前存在的不足，为固态故障电流限流器的发展提供了新的机遇。

此外，还有两种新型的合闸开关，将这两种开关应用到固态故障电流控制器当中，可以取得较大的进展。

其中，真空间隙合闸开关的点火时间为1~5Ls，而高速斥力机构操动的合闸开关的动作时间则在1ms内，两者的动作都非常快速，同时，因为在线路中，它们由于它们通常是对大电流进行关合动作，而并非是开断，因而不会产生灭弧问题，在这种情况下，就能够在高压系统中得到广泛应用，新型固态故障电流限流器的最大特点就是单个元件即可符合电力系统的容量要求，同时制造成本相对较低，将会得到较快的发展。

四、结束语
总而言之，固态故障电流限制器在电力系统中发挥着十分重要的作用，随着科学技术的不断进步，其势必会得到不断的发展与完善。

首先，因为固态故障电流限制器可以限制故障短路电流限，所以，有利于输电线路利用率的提升，改善电力系统原有的稳定性，同时减少整个电网中的资金投入，意义重大。

其次，固态故障电流限制器也存在一定的缺陷，现阶段对于单个电子元件来说，它们通电流及耐压十分有限，如果在高压电网中进行应用，就需要用很多个元件进行串并联，并加以协调控制。

此外，这些电子元件往往都是进口产品，大大增加了设备的成本，因而其应用范围也是有限的，以低压电网为主。

最后，目前，已经发明
了很多新的合闸开关，如真空触发间隙开关，高速斥力机构操动的开关等，它们的动作时间十分短，通常不会超过1ms，因此，如果能够将这种合闸开关引入到固态故障电流限制器当中，那么，就能够使传统的机械式电流限制器速度缓慢的问题得到很好的解决，同时，还可以良好地对短路电流的峰值进行限制。

除此之外，因为其单个元件即符合电力系统的容量要求，所以，也能够在高压系统中应用，同以GTO为基础的固态故障电流限制器相比，不存在复杂的控制协调难题，而且制造成本也相对较低，已经成为一个主要的发展方向。

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