邱清泉， 肖立业， 张志丰， 张国民， 张京业， 刘清峰

(1. 中国科学院电工研究所， 北京 100190； 2. 中国科学院应用超导重点实验室， 北京 100190)

高压及超高压故障电流限制技术分析

邱清泉1,2， 肖立业1,2， 张志丰1,2， 张国民1,2， 张京业1,2， 刘清峰1,2

(1. 中国科学院电工研究所， 北京 100190； 2. 中国科学院应用超导重点实验室， 北京 100190)

220kV和500kV高压及超高压故障电流限制技术被认为是保障大电网安全稳定运行、提高供电可靠性和灵活性的有效途径。本文结合国内外高压及超高压领域的几个限流器工程示范项目，对比分析串联电抗限流技术、串联谐振限流技术、分裂电抗开断技术、超导限流技术以及其他混合限流技术的原理、设计和制造关键技术、可靠性和造价，并对各种限流技术的优缺点进行了评述。

限流电抗器； 串联谐振限流器； 分裂电抗器； 超导限流器

1 引言

随着电力系统规模的不断扩大，电网的短路电流水平随着网架的不断增强也逐年提高。交流大电网部分220kV、500kV变电站的短路电流水平已经接近或者超过断路器的开断容量，短路电流超标已经成为制约电网发展的一个重要因素。控制电网的短路电流水平，一方面要在电网结构及运行机制设计时充分考虑，优化电网系统，保证短路电流处在可控的范围；另一方面要发展能够有效限制短路电流的电力设备，提高电网抑制短路电流的能力[1]。采用将现有大电网解列、分段、分区等方法会降低电力系统的灵活性和可靠性，如果能够从电力设备的角度来解决短路电流超标的问题，将具有更积极的意义。目前，在设备上解决短路电流过大问题，常用的是高阻抗变压器或限流电抗器，但这些设备的使用增加了电压降落和输电损耗，减弱了电网的电压调节能力。

在高压及超高压变电站线路出线上装设限流装置能够有效降低该变电站和附近变电站的母线短路电流。国际大电网会议(CIGRE) A3专委会就限流器及限流器的应用可能对电网保护系统的影响进行了较为系统的分析[2]。理想的限流器应具备如下特征：①在电网正常输电时低阻抗；②在电网发生短路故障时迅速转为高阻抗，有效限制短路电流；③限流后能够自动、及时恢复到低阻抗状态；④能够与电网的保护系统匹配。

通常，限流器可分为常规限流器和超导限流器两大类。常规限流器使用的限流元件以限流电抗器为主，主要包括在线路中直接串联限流电抗器[3-6]、快速开关投切电抗器[7]、串联谐振限流器[8，9]、分裂电抗器[10，11]、磁饱和电抗器和固态限流器等。限流电抗器尽管不具备上述理想限流器的特征，但由于其技术相对可靠，应用较多，因此在下面的讨论中仍将其归入限流器的范畴。除限流电抗器外，其他几种常规限流器大都是利用开关设备的快速响应特性，将短路电流进行快速限制或转移，应用于高压及超高压电网中。纯固态限流器由于电力电子器件的造价和通态损耗较高，还没有在高压及超高压交流大电网中应用的先例。

超导限流器有多种类型，从限流元件的阻抗性质来分，可分为电阻型和电感型两大类。电感型超导限流器主要包括饱和铁心型、磁屏蔽型和桥路型，超导线圈作为励磁或限流电感使用。电阻型限流器的限流元件通常是由超导带材绕制的无感线圈。由于纯电阻型超导限流器在用于交流限流时，其超导态难以快速恢复以满足重合闸要求。因此，在其应用时一般要与常规限流技术结合，包括超导技术与限流电抗器技术结合的混合型超导限流器[12]、超导技术与磁饱和电抗器技术结合的饱和铁心型超导限流器[13]、以及与分裂电抗器技术和变压器技术相结合的分裂电抗型超导限流器(也有文献称为磁通锁型超导限流器)和变压器型超导限流器。

本文结合国内外高压及超高压领域的几个限流器工程示范项目，对比分析上述常规限流技术和超导限流技术的原理、设计和制造关键技术、可靠性和经济性，并对各种限流技术的优缺点进行了评述。

2 串联电抗限流技术

相对于其他限制短路电流的措施，在电网中直接串入限流电抗器正常运行时不改变潮流分布，而短路时可以有效地限制短路电流但不会造成系统可靠性的显著下降，是一种较为可行的办法。高压限流电抗器容量大，结构复杂，在巴西、美国和澳大利亚等国家应用较早[3]，目前限流电抗器的制造水平已达到较高程度。ABB、Siemens 和 Trench 三家公司在世界范围内 330kV 及以上电网中均有应用串联电抗器解决短路电流超标的工程实例，从目前各国限流电抗器的应用情况来看，均未出现重大故障，运行情况良好，且有效地降低了短路电流水平。国内华东电网在500kV黄渡-泗泾线路安装了线路串联电抗器[4，5]，该500kV串联电抗器构成示意图如图1所示，其串联电抗器参数见表1，电容器参数见表2。南方电网于2014年在500kV纵江-宝安线路也安装了串联电抗器[6]，具体参数见表3。国内北京电力设备总厂也成功研制了应用于500kV电压等级的152.46MVar大容量限流电抗器[14]。

图1 500kV串联电抗器构成示意图[4]Fig.1 Schematic diagram of 500kV current-limiting reactor

由于引入限流电抗器会改变线路参数，会引起线路工频过电压增大，因此在安装限流电抗器之前，需要对线路工频过电压进行校核，以保证运行安全。另外，断路器在开断短路电流时，瞬态恢复过电压陡度会有明显升高，可能会超过断口绝缘恢复强度，影响到断路器的正常开断能力[15]。华东电网的500kV串联电抗限流工程中，采用在电抗器两端以及对地加装小容量电容器的方式，以抑制开断过程产生的瞬态过电压，其构成示意图如图1所示，其限流电容器参数见表2。

表1 华东电网限流电抗器参数[4]Tab.1 Parameters of current-limiting reactor in East China Power Grid

表2 华东电网保护电容器参数[4]Tab.2 Parameters of protective capacitor in East China Power Grid

表3 南网限流电抗器参数[6]Tab.3 Parameters of current-limiting reactor in China Southern Power Grid

如上所述，在线路中直接串入限流电抗器存在增加线路压降、线路无功和有功损耗等缺点。利用快速开关投切电抗器可以有效解决上述问题。但是由于弧压较低，为了实现电流由断路器快速转移到电抗器，该种类型的限流器一般采用多组模块的串联结构。在宁夏330kV宁安变电站迎安线出口的C 相接入6组限流装置，每个限流电抗器的电抗值为0.6Ω，如图2所示。为考核限流装置的最大限流能力和对限流单元快速开关动作的一致性，以及开断后断口稳态恢复电压的耐受能力，该项目进行了2次单相瞬时人工短路试验。采用开关投切电抗器的缺点是开关的电弧电压极低，如果电感为毫亨级，根本无法实现转移。因此，可将每一个电抗器的电感量降低，或在电抗器上跨接较大容量的电容器，先将短路电流转移到电容器，再转到电抗器[16]。美国电力研究院若干年前做过研究，认为原理上可行，但电容器容量大，实现困难。

图2 投切电抗型限流器示意图[7]Fig.2 Schematic diagram of fast-switched fault current limiter

3 串联谐振限流技术

串联谐振型限流技术已经成为电网限流技术发展的一个主要方向。串联谐振限流器的方案最早由西门子公司提出，其电路拓扑结构是可控串补的延伸。串联谐振限流器的工作原理是：在常规限流电抗器基础上，串联一个与电抗器谐振于工频的电容器，短路时电容器被快速旁路保护装置(包括晶闸管阀、MOV、可控放电间隙等) 迅速将电容器组旁路，相当于电抗器单独投入电网，从而达到限流目的。西门子公司研制的串联谐振型限流器，是在美国加州500kV Vincent 变电站原有可控串补装置外加了一个限流电抗改造而成。限流器中联合采用光触发大功率晶闸管和MOV作为串联电容器组的快速旁路开关。2002 年通过现场短路试验，可将预期的80 kA 短路电流限制到50 kA以下[17]。

中国电力科学研究院和华东电网公司等单位在十五期间联合研制了500kV串联谐振限流器[9]。该装置采用了大功率晶闸管阀受控启动和无源自启动、可控放电间隙和金属氧化物限压器联合保护串联电容器等措施，提高了限流器的动作可靠性，如图3所示。经过系统的仿真研究，妥善解决了限流器与现有的继电保护、断路器的兼容问题。2009 年底，该装置在华东电网500kV 瓶窑变电站投运，限流电抗器和补偿电容器的参数详见表4和表5，该限流器可将预期短路故障电流由63kA限制到47kA。

图3 串联谐振限流器示意图[9]Fig.3 Main circuit diagram of fault current limiter

表4 限流电抗器参数[9]Tab.4 Parameters of current-limiting reactor

表5 补偿电容器参数[9]Tab.5 Parameters of compensating capacitor

串联谐振型限流器的优点是稳态压降低，响应快；在出现低频功率振荡时，通过适当控制策略，可以利用就地或远方测量的功率/电压信号，调节限流器总电抗，起到抑制低频功率振荡的作用。其缺点是体积大，造价较高；阀体开通前要承受高电压，开通时有大电流的冲击。系统仿真研究表明，系统故障时晶闸管电流峰值为61kA，最大冲击电流变化率为113kA/ms[18]。晶闸管难以同时串并联，现有工程中大都采用串联结构，进一步增加容量存在困难。

串联谐振型限流器的技术关键在于电容器的快速旁路和能量吸收电路的设计，其控制较为复杂，运行期间误动的可能性较大。

4 分裂电抗限流开断技术

华中科技大学潘垣院士等人提出了采用分裂电抗器实现断路器并联、提高断路器开断能力的思路[19]。十一五期间，华中科技大学和国网电科院等单位在科技支撑计划项目“新一代高压超高压断路器攻关与应用示范”中对基于双分裂电抗器的模块化真空断路器和SF6断路器进行了大量的研究工作，其原理结构如图4所示。进一步制作了额定电压126kV，额定电流5kA，单臂电感为2.6mH的样机，可以对80kA的预期短路电流进行开断。样机于2014年在湖北武汉汤山变电站进行了挂网示范工作，挂网现场如图5所示。

图4 基于双分裂电抗器的并联断路器原理图[10]Fig.4 Principle diagram of paralleled circuit breakers with divisive reactor

图5 126kV-5kA/80kA真空断路器整机实物整体图[20]Fig.5 126kV-5kA/80kA vacuum breakers

十二五期间，在辽宁省科技项目支持下，中国科学院电工研究所和丹东欣泰电气公司合作开发220kV分裂电抗限流断路器相关技术，提出了单模块和多模块的分裂电抗型限流器拓扑[21]，如图6所示。并进一步对不同类型和结构的分裂电抗器进行了深入研究，提出了空气绝缘和变压器油绝缘两种不同绝缘结构的空心和铁心分裂电抗器[22]，其原理图如图7所示。空气绝缘结构分裂电抗器具有单模块耐压高的优点，但是耦合度较低；变压器油绝缘分裂电抗器可以利用油浸式变压器的制造工艺，设计时采用半铁心或空心结构，防止铁心饱和对限流特性带来的不利影响。基于空气绝缘结构，完成一组弱耦合分裂电抗型限流器的电磁和结构设计，其关键参数见表6，在预期故障电流为63kA的前提下，限流后短路电流小于30kA，故障电流限制率大于50%。分裂电抗型限流器的主要特点：体积小，造价低，可靠性高；响应速度较慢，取决于快速断路器的响应时间。

图6 单模块和多模块分裂电抗型限流器拓扑Fig.6 Circuit topology of divisive-reactor type FCL

图7 分裂电抗型限流断路器原理图Fig.7 Principle diagram of divisive reactor

表6 220kV/1500A分裂电抗型限流器关键参数Tab.6 Key parameters of 220kV/1500A divisive-reactor type current limiter

5 超导限流技术

超导限流器主要包括饱和铁心型超导限流器和电阻型超导限流器两大种类。饱和铁心型超导限流器主要由铁心、常规交流绕组和直流超导绕组三部分组成，正常运行状态下，直流电源为超导绕组提供励磁电流，产生的偏置磁场让电抗器铁心处于深度饱和状态。此时，电抗器铁心上的交流绕组处于低感抗状态，超导限流器阻抗值较低，对电网的输送能力无太大影响。当系统发生短路故障时，短路电流迫使两个铁心在一个周期内交替退出饱和状态，磁导率迅速增大，交流绕组处于高感抗状态，超导限流器阻抗值显著增大，从而有效地抑制了短路电流。云电英纳超导公司和天津百利机电公司在十一五863项目支持下，研制了一套220kV/800A的饱和铁心型超导限流器[13]，其主要设计参数见表7。2012 年，该限流器在天津供电局石各庄站的大孟庄线上挂网示范，实物图如图8所示。在十二五863项目支持下，广东电网公司联合云电英纳超导公司、特变电工、西安聚能超导等单位开展500kV饱和铁心型超导限流器研究，研制的超导励磁线圈目前已完成72K温度下的稳态载流能力测试[23]。由于超导励磁线圈主绝缘根据10kV耐压设计[23]，在限流及快速退磁和励磁等暂态工况下的过压过流耐受特性尚需进一步考核。

图8 饱和铁心型超导限流器实物图[13]Fig.8 220kV/800A superconducting saturated core type current limiter

表7 220kV/800A饱和铁心型超导限流器关键参数[13]Tab.7 Key parameters of 220kV/800A superconducting saturated core type current limiter

饱和铁心型超导限流器由于采用了铁心结构，是一种具有较大限流阻抗的限流器。由于超导线圈无需经历失超过程，其冷却系统功率要求较小。其缺点是重量较大，另外，如果运行于较大电流情况下，超导线圈也需较大的励磁安匝数，否则其稳态阻抗较大，220kV限流器样机在不同交流和直流电流配合下交流线圈阻抗曲线如图9所示。同时，由于超导线圈匝数多、电感大，为满足快速限流和重合闸要求，超导线圈的快速退磁、快速励磁和过电压保护也是需要深入考虑的问题。

图9 不同交流和直流电流配合下交流线圈阻抗曲线[13]Fig.9 Impedance curves of coil under different AC and DC currents

图10 美国超导公司115kV/ 800A电阻型超导限流单元实物图[12]Fig.10 115 kV/800A resistive-type superconducting fault current limiting element

美国超导公司、西门子公司和Nexans公司合作研制了一台115kV/800A的电阻型超导限流器，其超导限流单元的结构如图10所示。该电阻型超导限流器于2009年进行了耐压和限流特性的初步测试[12]，但后续由于技术和经济问题，并没有进一步制作三相样机。中国科学院电工研究所和中天科技集团公司在十二五863项目的支持下，对220kV/1500A电阻型超导限流器的设计进行了深入研究，由于纯电阻型限流器在限流后难以实现快速恢复，不能满足重合闸要求，因此，在前期设计时仍然参考了美国超导公司的限流器拓扑，采用超导限流单元和限流电抗器并联的结构，其电路拓扑如图11所示。在正常运行情况下，电流由超导限流单元流通，对电网无影响。另外，通过快速断路器对超导限流单元在30～40ms内开断，还可以降低超导带材的用量，提高超导限流线圈单元的可靠性。进一步对电阻型超导限流器和电抗器的参数匹配进行了设计，见表8。该限流器可将短路电流由63kA限制在37.8kA之内，电流缩减率超过40%。

图11 220kV电阻型超导限流器电路原理图[24]Fig.11 Circuit diagram of 220kV resistive type superconducting fault current limiter

表8 220kV电阻型超导限流器的设计参数[24]Tab.8 Key parameters of 220kV resistive type superconducting fault current limiter

如上所述，单纯采用超导电阻限流技术，由于其造价高、失超恢复速度慢，难以在高压及特高压输电网中大规模推广。如果将超导限流技术和常规限流技术结合，将有效拓展超导限流技术的适应性。一种分裂电抗型超导限流器拓扑(文献[25]称为磁通锁型超导限流器)如图12(a)所示，利用超导电阻限流技术和分裂电抗限流技术相结合，可将流过超导电阻的电流缩小一半，减少超导电阻的并联支路数。利用超导电阻，提高分裂电抗型限流器的响应速度。另外，在超导电阻失超恢复时，可采用断路器K3将超导电阻旁路，应用分裂电抗器同样可以完成重合闸和开断等开关动作，有效提高限流器的可靠性和适应性。基于第4节给出的分裂电抗器设计参数见表6，进一步获得220kV分裂电抗型超导限流器的初步设计参数见表9。与表8相比，故障电流限制率可由40%增加到60%，超导带材用量由9.4km减少到9km。

图12 混合型限流器电路拓扑Fig.12 Circuit topology of hybrid superconducting fault current limiter

表9 220kV分裂电抗型超导限流器的设计参数Tab.9 Key parameters of 220kV divisive-reactor type superconducting fault current limiter

另外，对于电阻型超导限流器而言，应用于高压及超高压领域，由于需采用液氮绝缘，液氮汽化对绝缘的影响非常大。因此，线圈单元和支撑绝缘子的绝缘距离通常需按照氮气耐压设计，使得装置体积和占地空间均很大。一种变压器型超导限流器拓扑如图12(b)所示。如果采用变压器将电阻型超导限流器的端电压降下来，则电阻型超导限流器可以根据较低电压等级来设计，这样相同容量的电阻型超导限流器，其主绝缘距离可降低，低温杜瓦体积可减小很多。

6 不同限流技术对比分析

如上所述，应用于高压及超高压电网的限流电抗限流技术、串联谐振限流技术、分裂电抗限流技术以及超导限流技术均已得到广泛关注。为了在高压及超高压电网限流器的选型和设计时提供一些参考依据，笔者对不同限流器设计方案的技术经济性进行了粗略的对比，见表10。

表10 不同限流器的技术经济性对比Tab.10 Economical and technical comparison of different current limiting technologies

7 结论

通过上述论述和分析，可以得出结论和展望如下：

(1)近十几年来，应用于高压及超高压电网的直接串联电抗型、投切电抗型、串联谐振型、分裂电抗型以及电阻型和饱和铁心型超导限流技术已取得重大进展。但是由于限流器技术标准滞后、功能试验困难、运行经验不足，特别是造价偏高等原因，除了直接串联电抗限流的相关技术得到了一定推广应用，其他类型限流器商业化规模应用的步伐缓慢。

(2)鉴于限流器技术的复杂性，建议建设可满足输电网限流器型式试验要求的试验回路系统，并建立限流器的技术标准。

(3)由于各种限流技术都有其优点和局限性，因此，还需根据具体应用环境和线路参数来进行限流器的选型和设计。从造价和占地面积的角度考虑，投切电抗型和分裂电抗型限流器具有相对优势，但从稳态压降和响应速度来考虑，电阻型超导限流器更优。

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Analysisoffaultcurrentlimitingtechnologyusedinhighvoltageandultrahighvoltagepowergrid

QIU Qing-quan1,2, XIAO Li-ye1,2, ZHANG Zhi-feng1,2, ZHANG Guo-min1,2, ZHANG Jing-ye1,2, LIU Qing-feng1,2

(1. Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2. Applied Superconductivity Key Lab, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

The fault current limiting (FCL) technology for 220 kV/500 kV high voltage and ultrahigh voltage power grid is regarded as an effective way to guarantee the safe and stable operation, and to improve the reliability and flexibility of power supply. This paper in reference to several engineering demonstration projects in the field of high voltage and ultrahigh voltage, analyzes the mechanism, key design and manufacturing technologies, reliability and cost of several fault current limiting technologies, such as series-reactance FCL technology, series resonance FCL technology, divisive reactor FCL technology, superconducting FCL technology and other hybrid FCL technologies. Finally the advantages and disadvantages of these FCL technologies are reviewed.

current-limiting reactor; series-resonant type fault current limiter; divisive reactor; superconducting fault current limiter

10.12067/ATEEE1705070

1003-3076(2017)10-0046-09

TM47

2017-05-23

国家“863”资助项目(2012AA050403)；江苏省产学研资助项目(BY2012245)

邱清泉(1979-), 男, 山东籍, 博士, 副研究员, 研究方向为新型电工装备优化设计技术、 磁控放电等离子体应用技术; 肖立业(1966-), 男, 湖南籍, 博士, 研究员, 研究方向为智能电网、超导电力技术。