柔性配电与故障电流限制技术

4. 2 超导FCL

超导FCL 简称SFCL( Superconductor FCL) ,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(High T emper2ature Superconductor, HT S) 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HT S。在出现短路故障时, HT S 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、HT S 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,HT S 线圈两端电压为零。一旦发生短路故障,HT S 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。

4. 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。

4. 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。

图10 固态限流器原理图

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。