故障电流限制技术

1.故障电流限制技术概述

故障电流限制技术是智能电网的另一项重要技术。一般情况下，配电网短路会产生很大的故障电流，除可能造成相关的配电设备因发热、机械应力损害外，还会引起母线电压骤降，使同一母线供电的敏感用电设备受影响，带来严重的后果。

配电设备、导线的设计也因此要留有足够的耐短路电流冲击的裕度，这都使配电设备、导线的制造成本大幅增加，而应用故障电流限制技术，将短路电流降低到一个合理的水平上，则可以解决这些问题。对于智能配电网，由于DER大量接入，这将造成配电网短路容量增加，使之超过配电设备与导线允许的设计值。如果因此而更换配电设备与导线，将造成极大的浪费，而安装故障电流限制设备来防止短路容量超标则是一个比较经济的解决方案。因此，故障电流限制技术对于提高供电质量、减少配电网造价与DER并网投资都具有十分重要的意义，是建设智能配电网的一项关键技术。

限制故障电流的措施分为系统级措施与设备级措施两类。系统级措施有电网解列运行、母线分列运行、提高电压等级等;设备级措施则是应用故障电流限制器(FaultCurrentLimiter，FCL)。因受可靠性、电压质量、损耗等因素的限制，系统级限流措施发挥的作用有限，必须配合使用FCL，才能把短路电流降到一个较低的水平。

FCL是一种串接在线路中的电气设备，未来的智能配电网，FCL将获得普遍应用，短路电流甚至可限制至2倍额定电流以下，使配电系统摆脱短路电流的危害，传统的遮断大电流的断路器或许从系统中消失，配电网面貌、性能与保护控制方式将发生根本性的变化。

2.故障电流限制器(FCL)及其应用

FCL分为被动型与主动型两种。被动型FCL在正常运行与故障状态下，均增加系统阻抗，构成简单，易于实现，但在正常运行状态下会产生电压降，增加系统损耗。目前在系统中获得广泛应用的FCL是串联电抗器，是一种传统的被动型FCL。

主动型FCL只是在故障状态下快速增加系统阻抗，既限制了故障电流，又不影响系统的正常运行，是理想的故障电流限制设备。目前应用或正在研发的主动型FCL有高压限流熔丝、可控串补装置、超导型故障电流限制器等。因其原理、造价或其他一些因素的影响，主动型FCL的应用受到了限制。随着电力电子技术与新材料技术的发展，主动型FCL技术会更加成熟，其性能将进一步改进，成本也会逐渐降低，将成为主流的FCL。

以下介绍已应用于配电网中的几种主要的FCL(均为主动型)及其在配电网中的应用情况。

2.1.谐振FCL

谐振FCL分串联谐振与并联谐振两种类型。

1)串联谐振FCL利用电力电子器件，使正常工作时处于串联谐振(阻抗接近零)状态下的电路在出现短路故障时脱谐，使阻抗增大而达到限制短路电流的目的。图7为串联谐振FCL构成原理图，正常运行时晶闸管(SCR)不导通，电感L与电容C发生串联谐振，装置阻抗为零。在系统出现短路时，SCR导通，电抗器串入电路起到限流作用。串联谐振FCL简单、可靠，已在中压配电网中获得应用。

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2)并联谐振FCL在电力电子器件控制下正常工作时处于非谐振状态，阻抗较小，而在系统出现短路故障时进入并联谐振(阻抗)状态，使线路阻抗增大而限制短路电流。这种FCL容量有限，实际系统中应用较少。

2.2.超导FCL

超导FCL简称SFCL(SuperconductorFCL)，是利用超导体在由超导转换为正常状态后阻抗增大来限制故障电流。它有多种实现方式。

1)电阻型SFCL由高温超导(HighTemperatureSuperconductor，HTS)线圈与并联的普通线圈构成。正常运行时，线路电流全部通过处于超导状态的HTS。在出现短路故障时，HTS线圈因流过它的电流超过临界值而呈现高电阻，电流被转移到普通线圈上去，达到限流目的。

2)桥路型SFCL构成原理如图8所示，它由二极管V1~V4、HTS线圈和直流偏压源Gb组成。调节Gb的值，使流过HTS线圈的电流大于线路额定电流峰值。正常运行时，桥路始终导通，HTS线圈两端电压为零。一旦发生短路故障，HTS线圈失超转变为高阻状态串入线路中限流。

3)变压器型SFCL由通过线路电流的原边常规绕组、副边短接的高温超导线圈和铁芯组成。正常运行时，超导线圈阻抗为零，变压器因副边被短接而呈现低阻抗。故障时，超导线圈因变压器副边电流很快超过临界值而失超，副边电阻瞬间变大，导致变压器原边的等效阻抗很快增大，从而限制故障电流的增加。

4)饱和型SFCL是一种非失超型的限流器，由铁芯、一次交流绕组、二次直流HTS绕组及直流偏置电源等构成(见图9)。当额定交流电流通过一次绕组时，选择合适的直流偏置电源使两个铁芯均处于深度饱和状态。而当出现故障时，瞬间增大的电流使交流线圈在铁芯中产生的磁动势接近于直流磁动势，使两个铁芯分别在正负半波退出饱和，系统呈现高阻抗而起到限流的作用。

5)磁屏蔽型SFCL由外层的铜线圈、中间的HTS线圈和内侧的铁芯或空心电抗器组成，铜线圈接入线路。正常运行时，HTS线圈感应磁通可抵消(屏蔽)铜线圈产生的磁通，整个装置呈现很小的电抗值。当电流超过一定值后，HTS线圈失超，磁屏蔽作用消失，SFCL呈现较大阻抗而限流。

总之，SFCL能在较高电压下运行，可在极短时间(百微秒级)内有效地限制故障电流，是FCL发展的重要方向。目前SFCL技术尚不够成熟，还需要解决电流整定困难、失超后的散热维护等问题。由于SFCL失超后恢复时间过长，不适于需要快速重合闸的场合。

2.3.热敏电阻FCL

热敏电阻(PTC)是一种非线性电阻，室温时电阻值非常低，当故障电流流过时，材料发热升温，在温度升高到一定值时，电阻值在微秒时间内提高8~10个数量级，从而起到限制故障电流的作用。热敏电阻FCL已在低压(380V)系统中获得应用。由于单个PTC元件的电压与电流额定值不高，且存在电阻受外界因素影响大、电阻恢复时间长等缺陷，限制了其在高压系统中的应用。

2.4.固态FCL

固态FCL由半导体器件构成，能够在达到峰值电流之前的电流上升阶段就中断故障电流。图10给出了一种固态FCL的结构，正常工作时，半导体开关(GTO1与GTO2)导通流过负荷电流，对系统运行无影响。当检测到故障电流后，半导体开关被关断，电流转移到电抗器上，从而限制了故障电流。

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固态FCL也是一种DFACTS设备。随着电力电子技术的发展，固态FCL技术愈来愈成熟，目前已在中低压配电设备中获得应用。