琚兴宝

（中国舰船研究设计中心，武汉430064）

0 前言

规模迅速发展的现代电力系统，正面临着短路故障电流随着系统容量的持续增加而不断增长的挑战。短路故障电流若得不到及时妥当的处理，不仅会危害电力设备的安全运行，而且可能破坏电力系统的暂态稳定，造成系统失步和解列，损坏运行设备，甚至引起严重的大面积停电事故，需要花费大量的投资进行改造和改建[1]。

传统限制短路电流的办法主要从电力系统结构、系统运行方式和设备三个方面入手， 虽然能在不同程度上实现对短路电流的限制和约束，但各自都存在缺点和不足，或多或少是以牺牲电网在其他方面的指标为代价的。就算是新建的电网能比较彻底的解决短路电流问题，但是随着负荷和运行方式的变化，原有的设计并不能一劳永逸。

通常，电力系统采用断路器作为主要保护设备，但是由于系统的短路故障形式多样，单独采用断路器难以更好的实现系统的选择性保护、故障恢复和系统重组。在系统当中引入故障限流器后，一方面能将故障时系统出现的实际短路电流限制在一定水平，减小系统承受的机械和热应力，提高系统稳定性。另一方面使系统保护方案由单纯的“断路器”技术方案变成核心技术为限流的“限流器＋断路器”的较佳技术方案，即限制短路电流的上升，把它抑制在允许范围内，再通过断路器分断（也可以自行分断），以实现对系统短路故障的保护。这种方案预期能达到的效果如图1所示[2-3]。

1 故障限流器

在电力系统中引入FCL后，会使系统的性能得到明显的改善，主要优点在于：FCL的使用，减轻了断路器的开断负担，系统不必进行繁复的设备更换工作，降低了成本；FCL在短路电流到达峰值前发挥作用，能降低对设备热极限和动稳极限承受能力的要求，减小电网的机械和热应力，提高系统效率；FCL快速将短路电流限制在一定水平，能减少线路的电压损耗和发电机的失步概率，改善系统的稳定性；FCL在故障切除前显著减小母线电压跌落时间，能提高电能质量；FCL对系统短路电流的限制作用有助于减小输电线路附近的电磁干扰。

目前限流器已经有多种类型，这里主要介绍其中的超导限流器、固态限流器、和混合式限流器。

1.1 超导限流器（SCFCL）

根据是否利用失超特性限流来分，超导限流器可分为失超型和非失超型。失超型超导限流器利用超导材料的超导态/正常态（S/N）转变特性（即温度、磁场或电流超过临界值时，超导体将由无阻态转移到高阻态）来达到限制短路电流的目的；非失超型超导限流器由超导体线圈和其他元件（电力电子器件或磁元件等）结合构成，通过控制（改变）运行模式达到限制短路电流的目的。根据其结构特点还可进一步分为电阻型、桥路型、磁屏蔽型、变压器型和饱和铁心型等。

由于超导限流器能集检测、转换、限流于一身，具有毫秒级的响应时间，并且能在高电压条件下运行，因此是电力系统中一种非常理想的短路故障限流器，引起了世界各国科研工作者极大的兴趣。表1为目前世界各国超导限流器的发展状况。

1.2 固态限流器（SSFCL）

固态限流器以大功率半导体器件为核心，结合电抗器等其它元件来达到限制短路故障电流的目的。美国EPRI的一项早期调查报告显示，应用功率半导体器件发展固态限流技术是比较现实的技术途径。近年来，在大功率半导体器件发展的基础上，一系列固态限流器技术日渐成熟，主要有：GTO开关型固态限流器、谐振型限流器、具有串联补偿作用的限流器、无损耗电阻式、桥式固态限流器等。

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1995年，美国西屋公司与EPRI合作，研制出了世界上第一台SSFCL(与固态断路器SSCB组合)，功率等级为13.8 kV/675 A，安装在PSE变电站运行。到目前为止功率等级最高的还是由美国EPRI与Silicon Power公司共同开发的69 kV/3000 A固态限流器，其实物和基本原理如图2所示。

1.3 超导型混合式限流器

正常情况下，电流流过超导体和主触头。当故障发生时，超导材料失超电阻增大，电流转移至驱动线圈，在电磁力的作用下，主触头以很高的速度分开，当触头间的电弧熄灭后，电流转移至并联的支路，整个过程仅仅几个ms，功率等级为14 kV/630 A的超导型混合限流器样机国外已经研制成功。

1.4 半导体型混合式限流器

系统正常运行时，电流从高速机械开关FTS中流过。当系统发生故障时，控制FTS关断，同时触发半导体开关GTO开通，电弧迫使电流转移至GTO当中；此后控制GTO关断，电流被迫转移至PTC电阻构成的限流支路当中，从而限制短路电流。整个过程也只要几ms的时间。作者研制成功的原理样机功率等级为12 kV/2 kA。

我国在新型限流器方面的研究比国外起步的晚，但也开展了许多相关工作。例如华东冶金学院的无损耗电阻器(LLR ) 式短路限流器，浙江大学的桥式固态限流器，，中科院的超导限流器，以及七一二研究所和海军工程大学和针对舰船直流系统研制的混合式限流器等，均取得了一定的研究成果。

2 FCL的应用

在未来舰船综合电力系统中，电力系统的容量、电压等级将会不断增大，由于馈电线路短、独立负载大等特点，电网中短路电流将在数毫秒内达到百千安级。如此之高的短路故障电流水平成为系统设计时不得不考虑的一个关键因素，否则线路设备均将遭受巨大的损害，传统的“断路器”保护方案远远不能满足要求。而一些常规的限流办法要么给系统引入了永久的阻抗，增加损耗；要么需要进行繁复的设备更换工作，增加了成本。利用FCL构成舰船电力系统保护的新方案是未来电力舰船发展的方向。

3 结束语

在上述几种断路器中超导限流器性能优异，是未来电力系统的发展方向，但短期内难以应用和商业化；而固态限流器在中压领域内具有明显的优势，但其成本较高，体积较大；目前来看，比较实用的技术方案是综合各种限流技术方案的优点和回避其缺点的混合式限流器。然而超导限流器和固态限流器会随着超导材料和半导体器件水平的不断提高而不断发展，因此在优先考虑发展混合式限流器的同时，积极开展固态限流器的研究，同时保持对超导限流器的关注。

[1] 陈永刚．新型固态限流器及其应用研究[D]．杭州：浙江大学，2006．

[2] Epri. Superconducting fault current limiters：technology watch 2009. Palo Alto, CA： 2009.

[3] Schmitt H, Amon J, Braun D, et al. Fault current limiters-Applications, principles, experience[M].CIGRE WG A3.16, CIGRE SC A3&B3 Joint Colloquium in Tokyo, 2005.

[4] CIGRE Working Group. Guideline of the impacts of fault current limiting devices on protection systems[M]. CIGRE Publishing, 2008, A3.16.

[5] EPRI. Survey of fault current limiter (FCL)technologies [M]. Palo Alto, 2005.

[6] 叶莺，肖立业．超导故障限流器的应用和研究新进展[J]．电力系统自动化，2005，29(13)：92-96．

[7] M M R Ahmed, Ghanim Putrus, Li Ran, et al.Development of a prototype solid-state fault-current limiting and interrupting device for low-voltage distribution networks[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2006, 21(4)：1997-2005.

[8] Silicon Power. SSCLTM solid state fault current limiter data sheet. America, 2011.

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[10] M S, et al. A novel hybrid current-limiting circuit breaker for medium voltage： principle and test results[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2003,18(2)：460-467.