1. 故障電流限制技術(shù)概述

故障電流限制技術(shù)是智能電網(wǎng)的另一項(xiàng)重要技術(shù)。一般情況下， 配電網(wǎng)短路會(huì)產(chǎn)生很大的故障電流，除可能造成相關(guān)的配電設(shè)備因發(fā)熱、機(jī)械應(yīng)力損害外， 還會(huì)引起母線電壓驟降， 使同一母線供電的敏感用電設(shè)備受影響， 帶來(lái)嚴(yán)重的后果。

配電設(shè)備、導(dǎo)線的設(shè)計(jì)也因此要留有足夠的耐短路電流沖擊的裕度，這都使配電設(shè)備、導(dǎo)線的制造成本大幅增加， 而應(yīng)用故障電流限制技術(shù)， 將短路電流降低到一個(gè)合理的水平上， 則可以解決這些問(wèn)題。對(duì)于智能配電網(wǎng)， 由于DER 大量接入， 這將造成配電網(wǎng)短路容量增加， 使之超過(guò)配電設(shè)備與導(dǎo)線允許的設(shè)計(jì)值。如果因此而更換配電設(shè)備與導(dǎo)線， 將造成極大的浪費(fèi)，而安裝故障電流限制設(shè)備來(lái)防止短路容量超標(biāo)則是一個(gè)比較經(jīng)濟(jì)的解決方案。因此， 故障電流限制技術(shù)對(duì)于提高供電質(zhì)量、減少配電網(wǎng)造價(jià)與DER 并網(wǎng)投資都具有十分重要的意義， 是建設(shè)智能配電網(wǎng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

限制故障電流的措施分為系統(tǒng)級(jí)措施與設(shè)備級(jí)措施兩類。系統(tǒng)級(jí)措施有電網(wǎng)解列運(yùn)行、母線分列運(yùn)行、提高電壓等級(jí)等;設(shè)備級(jí)措施則是應(yīng)用故障電流限制器( Fault Current Limiter， FCL ) 。因受可靠性、電壓質(zhì)量、損耗等因素的限制， 系統(tǒng)級(jí)限流措施發(fā)揮的作用有限， 必須配合使用FCL， 才能把短路電流降到一個(gè)較低的水平。

FCL 是一種串接在線路中的電氣設(shè)備， 未來(lái)的智能配電網(wǎng)， FCL 將獲得普遍應(yīng)用， 短路電流甚至可限制至2 倍額定電流以下， 使配電系統(tǒng)擺脫短路電流的危害，傳統(tǒng)的遮斷大電流的斷路器或許從系統(tǒng)中消失， 配電網(wǎng)面貌、性能與保護(hù)控制方式將發(fā)生根本性的變化。

2. 故障電流限制器( FCL) 及其應(yīng)用

FCL 分為被動(dòng)型與主動(dòng)型兩種。被動(dòng)型FCL 在正常運(yùn)行與故障狀態(tài)下，均增加系統(tǒng)阻抗， 構(gòu)成簡(jiǎn)單， 易于實(shí)現(xiàn)， 但在正常運(yùn)行狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生電壓降， 增加系統(tǒng)損耗。目前在系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用的FCL 是串聯(lián)電抗器，是一種傳統(tǒng)的被動(dòng)型FCL。

主動(dòng)型FCL 只是在故障狀態(tài)下快速增加系統(tǒng)阻抗，既限制了故障電流， 又不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行， 是理想的故障電流限制設(shè)備。目前應(yīng)用或正在研發(fā)的主動(dòng)型FCL 有高壓限流熔絲、可控串補(bǔ)裝置、超導(dǎo)型故障電流限制器等。因其原理、造價(jià)或其他一些因素的影響，主動(dòng)型FCL 的應(yīng)用受到了限制。隨著電力電子技術(shù)與新材料技術(shù)的發(fā)展， 主動(dòng)型FCL 技術(shù)會(huì)更加成熟， 其性能將進(jìn)一步改進(jìn)， 成本也會(huì)逐漸降低， 將成為主流的FCL。

以下介紹已應(yīng)用于配電網(wǎng)中的幾種主要的FCL( 均為主動(dòng)型) 及其在配電網(wǎng)中的應(yīng)用情況。

2.1. 諧振FCL

諧振FCL 分串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振兩種類型。

1) 串聯(lián)諧振FCL 利用電力電子器件， 使正常工作時(shí)處于串聯(lián)諧振( 阻抗接近零) 狀態(tài)下的電路在出現(xiàn)短路故障時(shí)脫諧， 使阻抗增大而達(dá)到限制短路電流的目的。圖7 為串聯(lián)諧振FCL 構(gòu)成原理圖， 正常運(yùn)行時(shí)晶閘管( SCR) 不導(dǎo)通， 電感L 與電容C 發(fā)生串聯(lián)諧振， 裝置阻抗為零。在系統(tǒng)出現(xiàn)短路時(shí)， SCR導(dǎo)通， 電抗器串入電路起到限流作用。串聯(lián)諧振FCL 簡(jiǎn)單、可靠， 已在中壓配電網(wǎng)中獲得應(yīng)用。

2) 并聯(lián)諧振FCL 在電力電子器件控制下正常工作時(shí)處于非諧振狀態(tài)，阻抗較小， 而在系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障時(shí)進(jìn)入并聯(lián)諧振( 阻抗) 狀態(tài)，使線路阻抗增大而限制短路電流。這種FCL 容量有限，實(shí)際系統(tǒng)中應(yīng)用較少。

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2.2. 超導(dǎo)FCL

超導(dǎo)FCL 簡(jiǎn)稱SFCL( Superconductor FCL) ，是利用超導(dǎo)體在由超導(dǎo)轉(zhuǎn)換為正常狀態(tài)后阻抗增大來(lái)限制故障電流。它有多種實(shí)現(xiàn)方式。

1) 電阻型SFCL 由高溫超導(dǎo)(High Temperature Superconductor， HTS) 線圈與并聯(lián)的普通線圈構(gòu)成。正常運(yùn)行時(shí)，線路電流全部通過(guò)處于超導(dǎo)狀態(tài)的HT S。在出現(xiàn)短路故障時(shí)， HTS 線圈因流過(guò)它的電流超過(guò)臨界值而呈現(xiàn)高電阻，電流被轉(zhuǎn)移到普通線圈上去， 達(dá)到限流目的。

2) 橋路型SFCL 構(gòu)成原理如圖8 所示， 它由二極管V1~ V4、HT S 線圈和直流偏壓源Gb 組成。調(diào)節(jié)Gb的值， 使流過(guò)HTS 線圈的電流大于線路額定電流峰值。正常運(yùn)行時(shí)， 橋路始終導(dǎo)通，HT S 線圈兩端電壓為零。一旦發(fā)生短路故障，HTS 線圈失超轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦锠顟B(tài)串入線路中限流。

3) 變壓器型SFCL 由通過(guò)線路電流的原邊常規(guī)繞組、副邊短接的高溫超導(dǎo)線圈和鐵芯組成。正常運(yùn)行時(shí)，超導(dǎo)線圈阻抗為零， 變壓器因副邊被短接而呈現(xiàn)低阻抗。故障時(shí)， 超導(dǎo)線圈因變壓器副邊電流很快超過(guò)臨界值而失超， 副邊電阻瞬間變大， 導(dǎo)致變壓器原邊的等效阻抗很快增大，從而限制故障電流的增加。

4) 飽和型SFCL 是一種非失超型的限流器，由鐵芯、一次交流繞組、二次直流HTS 繞組及直流偏置電源等構(gòu)成( 見(jiàn)圖9) 。當(dāng)額定交流電流通過(guò)一次繞組時(shí)， 選擇合適的直流偏置電源使兩個(gè)鐵芯均處于深度飽和狀態(tài)。而當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)， 瞬間增大的電流使交流線圈在鐵芯中產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)接近于直流磁動(dòng)勢(shì)，使兩個(gè)鐵芯分別在正負(fù)半波退出飽和， 系統(tǒng)呈現(xiàn)高阻抗而起到限流的作用。

5) 磁屏蔽型SFCL 由外層的銅線圈、中間的HTS 線圈和內(nèi)側(cè)的鐵芯或空心電抗器組成， 銅線圈接入線路。正常運(yùn)行時(shí)， HTS 線圈感應(yīng)磁通可抵消( 屏蔽) 銅線圈產(chǎn)生的磁通， 整個(gè)裝置呈現(xiàn)很小的電抗值。當(dāng)電流超過(guò)一定值后， HTS 線圈失超，磁屏蔽作用消失， SFCL 呈現(xiàn)較大阻抗而限流。

總之， SFCL 能在較高電壓下運(yùn)行，可在極短時(shí)間( 百微秒級(jí)) 內(nèi)有效地限制故障電流， 是FCL發(fā)展的重要方向。目前SFCL 技術(shù)尚不夠成熟，還需要解決電流整定困難、失超后的散熱維護(hù)等問(wèn)題。由于SFCL 失超后恢復(fù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)， 不適于需要快速重合閘的場(chǎng)合。

2.3. 熱敏電阻FCL

熱敏電阻( PTC) 是一種非線性電阻，室溫時(shí)電阻值非常低， 當(dāng)故障電流流過(guò)時(shí)， 材料發(fā)熱升溫， 在溫度升高到一定值時(shí)， 電阻值在微秒時(shí)間內(nèi)提高8~ 10 個(gè)數(shù)量級(jí)，從而起到限制故障電流的作用。熱敏電阻FCL 已在低壓( 380V) 系統(tǒng)中獲得應(yīng)用。由于單個(gè)PTC 元件的電壓與電流額定值不高， 且存在電阻受外界因素影響大、電阻恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)等缺陷， 限制了其在高壓系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2.4. 固態(tài)FCL

固態(tài)FCL 由半導(dǎo)體器件構(gòu)成，能夠在達(dá)到峰值電流之前的電流上升階段就中斷故障電流。圖10 給出了一種固態(tài)FCL 的結(jié)構(gòu)， 正常工作時(shí)， 半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(GTO1 與GTO2) 導(dǎo)通流過(guò)負(fù)荷電流，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行無(wú)影響。當(dāng)檢測(cè)到故障電流后，半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)被關(guān)斷， 電流轉(zhuǎn)移到電抗器上， 從而限制了故障電流。

固態(tài)FCL 也是一種DFACTS 設(shè)備。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展， 固態(tài)FCL 技術(shù)愈來(lái)愈成熟，目前已在中低壓配電設(shè)備中獲得應(yīng)用。