李曉明，梁 軍，王 葵，王 雷，陳 曉

（1.山東大學(xué) 電氣工程學(xué)院，山東 濟南 250061；2.國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院，北京 100032）

0 引言

電力系統(tǒng)短路故障的危害很大，盡快切除短路電流是電力系統(tǒng)繼電保護的任務(wù)。由于切除短路電流任務(wù)是由繼電保護裝置和斷路器共同完成的，而斷路器從接收到跳閘指令到熄滅電弧需要60 ms左右的時間，繼電保護動作速度加快到一定程度以后所帶來的效益逐漸飽和。所以，超高速的繼電保護必須配合超高速的開關(guān)才有意義。

短路故障限流器（也稱故障電流限制器）是另一種減小短路電流對電力系統(tǒng)的危害的措施。近年來，短路故障限流器的研究受到很大關(guān)注[1]，出現(xiàn)了眾多不同原理的短路故障限流器，例如磁控式故障限流器（也稱飽和電抗型故障限流器）、串聯(lián)諧振型故障限流器、橋路型故障限流器、超導(dǎo)材料構(gòu)成的故障限流器等[2-3]。目前，各種故障限流器限流狀態(tài)的短路電流仍然比較大，對電力系統(tǒng)仍然有較大危害。如果把故障限流器的限流狀態(tài)進一步減小，達到勵磁電流數(shù)量級，使導(dǎo)通狀態(tài)與限流狀態(tài)的差距得到進一步加大，短路故障限流器就可以作為一種柔性開關(guān)使用。如果故障限流器減小短路電流的速度快于基于機械原理的斷路器，則其與超高速保護配合，可超高速減小短路電流的危害。

磁控式故障限流器的工作原理可追溯到磁放大器，其優(yōu)點與缺點都很明顯[4-5]。由于磁控式故障限流器的某些優(yōu)點是其他類型故障限流器不可替代的，所以，本文對傳統(tǒng)磁控式故障限流器揚長避短，研究一種新型磁控式故障限流器，并初步探討其特性與指標。

1 基本原理與基本結(jié)構(gòu)

1.1 基本原理

圖1 變壓器B-H特性曲線Fig.1 B-H curve of transformer

變壓器鐵芯具有非線性特性，如圖1所示。在鐵芯不飽和的情況下，變壓器工作在區(qū)域[-a，a]，一次線圈流過很小的勵磁電流，如果把變壓器一次線圈串入輸電回路，交流電流幾乎處于關(guān)斷狀態(tài)；在鐵芯深度飽和的情況下，變壓器工作在區(qū)域（-∞，-b）∪（b，+∞），一次線圈可以流過很大的電流，如果把變壓器一次線圈串聯(lián)接入輸電回路，變壓器一次線圈對于交流電具有開關(guān)特性。新型磁控式故障限流器是變壓器參數(shù)與飽和電抗器性能結(jié)合的產(chǎn)物[6]。

磁控式故障限流器鐵芯的飽和與不飽和可通過改變鐵芯上控制線圈（或稱為直流線圈）中的直流電流的大小來實現(xiàn)。當電力系統(tǒng)正常運行時，如果直流線圈中有足夠大的直流電流通過，鐵芯深度飽和，磁控式故障限流器的交流線圈呈現(xiàn)小電抗，不影響輸電回路正常送電；當電力系統(tǒng)發(fā)生短路時，直流線圈中的直流電流快速減小，磁控式故障限流器的交流線圈呈現(xiàn)很大電抗，可把短路電流減小至勵磁電流數(shù)量級。

1.2 基本結(jié)構(gòu)

開關(guān)特性飽和電抗器的結(jié)構(gòu)與連接方式如圖2所示。日字型鐵芯上有4個線圈，L1、L3為交流線圈，L2、L4為直流線圈。兩側(cè)鐵芯的截面積相等，中間鐵芯的截面積等于兩側(cè)鐵芯的截面積之和；交流線圈L1與L3的匝數(shù)相等，直流線圈L2與L4的匝數(shù)相等。交流線圈L1產(chǎn)生的磁通Φ1與交流線圈L3產(chǎn)生的磁通Φ3大小相等，方向都向上，都經(jīng)過中間鐵芯形成閉合回路；直流線圈L2產(chǎn)生的磁通Φ2與直流線圈L4產(chǎn)生的磁通Φ4大小相等，方向相反，直流磁通在兩側(cè)鐵芯形成的磁通回路流動。

圖2 開關(guān)特性飽和電抗器的結(jié)構(gòu)與連接方式Fig.2 Configuration of saturated reactor with switching characteristic and its connection mode

當開關(guān)K1斷開時，交流電流從端子1輸入，經(jīng)交流線圈L1、L3輸入全橋整流電路；輸電回路的交流電流經(jīng)全橋整流電路整流后給直流線圈L2、L4提供直流電流，交流與直流電流呈串聯(lián)狀態(tài)。交流線圈匝數(shù)為N1，直流線圈匝數(shù)為 N2，且 N2=2N1，保證 IdN2>ImN1（Id為輸入直流線圈的直流電流值，Im為交流線圈交流電流的峰值）。不論輸電回路的電流大小，飽和電抗器鐵芯的工作區(qū)域為（-∞，-b）∪（b，+∞）；鐵芯兩側(cè)處于飽和狀態(tài)，交流線圈L1、L3對輸電回路的阻抗很小，呈導(dǎo)通狀態(tài)。

當開關(guān)K1閉合時，直流線圈L2、L4失去電壓，直流線圈中的直流電流下降為零。設(shè)計交流線圈L1、L3的匝數(shù)，在交流線圈L1、L3兩端加額定交流電壓時，鐵芯工作在（-a，a）；流過交流線圈 L1、L3的電流為勵磁電流，輸電回路幾乎切斷。

當K1斷開時，飽和電抗器導(dǎo)通輸電回路；當K1閉合時，飽和電抗器幾乎截止輸電回路。飽和電抗器工作在開關(guān)狀態(tài)。

當K1斷開時，K1兩端的電壓很小，為直流電流在直流線圈電阻上的電壓降。當K1閉合時，K1中只流過很小的勵磁電流。所以，K1從閉合狀態(tài)跳開時，只切斷很小的勵磁電流，產(chǎn)生的電弧很小。由于K1觸點的工作電流和工作電壓都很小，可以選用工作可靠性較高的交流接觸器的觸點。

開關(guān)特性的飽和電抗器通過控制低電壓、小功率的K1觸點，實現(xiàn)對高壓輸電回路的開關(guān)控制。

二極管 VD1、VD2、VD3、VD4的容量按最大負荷電流設(shè)計。輸電回路如果發(fā)生短路，快速閉合K1，短路電流不流過二極管 VD1、VD2、VD3、VD4，不會造成二極管過流損壞。

輸電回路如果發(fā)生短路，突然增大的電流使直流線圈L2、L4兩端電壓增大，此時快速閉合K1，短路電流不會流入直流線圈 L2、L4，直流線圈 L2、L4兩端不會產(chǎn)生過電壓。

飽和電抗器處于導(dǎo)通狀態(tài)時，交流線圈的電流沒有畸變，直流線圈L2、L4兩端不會產(chǎn)生不平衡交流過電壓；飽和電抗器處于截止狀態(tài)時，交流線圈的電流也沒有畸變，直流線圈L2、L4兩端不會產(chǎn)生不平衡交流過電壓。短路的暫態(tài)期間，鐵芯在飽和與非飽和之間交替變化，交流線圈的電流產(chǎn)生畸變，直流線圈L2、L4兩端將產(chǎn)生不平衡交流過電壓。大功率穩(wěn)壓管VD5與全橋整流電路都保證負半波電壓接近于零，直流線圈出口負半波不會過電壓。正半波期間，由VD5保證正半波電壓不超過VD5的穩(wěn)定電壓，直流線圈出口正半波也不會過電壓。

開關(guān)特性飽和電抗器的開關(guān)K1用晶閘管電路代替[7]，構(gòu)成新型磁控式故障限流器如圖3所示。為了表述方便，交流線圈L1、L3的組合用L7表示，直流線圈L2、L4的組合用L8表示。如果控制電路（或繼電保護）發(fā)出第1個觸發(fā)脈沖，晶閘管VT6、VT7立即導(dǎo)通，且在電壓第1個過零點關(guān)斷。如果繼電保護沒有發(fā)出第 2 個脈沖，VT6、VT7將不再導(dǎo)通；VT6、VT7只旁路不到半個周期的電流，磁控式故障限流器仍然保持原有的導(dǎo)通狀態(tài)。如果繼電保護發(fā)出序列觸發(fā)脈沖，使VT6、VT7始終導(dǎo)通，磁控式故障限流器就會進入截止狀態(tài)。開關(guān)K1用晶閘管電路代替以后，動作速度更快，更利于限制 VD1、VD2、VD3、VD4過電流和直流線圈過電壓。只要VT6、VT7的浪涌電流ITSM參數(shù)大于實際值，就能保證晶閘管VT6、VT7不被損壞。晶閘管的浪涌電流值一般是額定電流值的10倍，選擇晶閘管的額定電流值等于輸電回路最大負荷電流的峰值，能夠保證磁控式故障限流器在限制短路電流的同時，保護晶閘管VT6、VT7不被損壞。

控制模塊有2個輸入端子連接晶閘管VT6、VT7的兩端，獲得VT6、VT7正極與負極之間的電壓；控制模塊另外2個輸入端子通過電壓互感器（TV）與交流線圈的2個端子連接，獲得交流線圈2個端子之間的電壓；控制模塊有2個輸出端子分別控制VT6、VT7的導(dǎo)通狀態(tài)。

圖3 新型磁控式故障限流器結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of magnetic-control-type FCL

電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。磁控式故障限流器輸入端子1連接電力系統(tǒng)輸電回路電源側(cè)，輸出端子2接電力系統(tǒng)輸電回路負荷側(cè)。

圖4 電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of power system

當磁控式故障限流器投入正常運行的電力系統(tǒng)時，負荷電流與直流電流呈串聯(lián)狀態(tài)；輸電回路的負荷電流小，給直流線圈L8提供的直流電流就?。环粗?，所提供的直流電流就大。由于直流線圈L8的直流電流有自我調(diào)節(jié)能力，可減小電力系統(tǒng)正常運行時的損耗。

控制模塊通過檢測晶閘管VT6、VT7兩端正向電壓瞬時值的大小來判斷電力系統(tǒng)是否發(fā)生短路。當輸電回路發(fā)生短路故障時，晶閘管VT6、VT7兩端正向電壓瞬時值超過整定值，控制模塊立即給VT6、VT7發(fā)出導(dǎo)通命令。該結(jié)構(gòu)簡單、方便、可靠，節(jié)省了電流互感器，且可實現(xiàn)半導(dǎo)體器件的保護功能。

為了進一步提高磁控式故障限流器的綜合效果和動作的可靠性，增加一個動作判據(jù)?？刂颇K通過TV檢測交流線圈兩端子之間的電壓，當其大于設(shè)定值時，使VD5、VT6在交流線圈兩端子電壓大于設(shè)定值期間全導(dǎo)通。

2 磁控式故障限流器設(shè)計與實驗

為了驗證磁控式故障限流器工作原理，設(shè)計制造了一套電壓等級為220 V、電流為5 A的磁控式故障限流器。

飽和電抗器參數(shù)：線圈L1、L4的額定工作電壓為110 V，額定工作電流為5 A；線圈L2、L5的額定工作電壓為220 V，額定工作電流為5 A。為了研究方便和測試更多特性，線圈L2、L5是由2個110 V線圈串聯(lián)構(gòu)成；飽和電抗器中間鐵芯還增加了2個線圈。飽和電抗器鐵芯長 240 mm，高 200 mm，厚 80 mm，側(cè)柱截面積3200 mm2。對線圈L2進行伏安特性試驗測量，試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

在實驗室構(gòu)建單相試驗電路，電源電壓220 V，負載為空心電抗器。不同負荷電流下，測得磁控式故障限流器端子1與2之間的電壓有效值如表2所示。從表中可以看出，電力系統(tǒng)正常運行時，磁控式故障限流器有感性電壓降，大約為額定電壓的10%。

系統(tǒng)阻抗為j0.3 Ω，故障前負荷電流為4 A。電力系統(tǒng)出口短路，測得磁控式故障限流器兩端電壓u1和電流（已轉(zhuǎn)化為電壓u2）如圖5所示。由于電壓、電流一個周期為20 ms，所以，從圖5波形可以直觀地看出電壓、電流幅值變化與時間的對應(yīng)關(guān)系?？梢钥闯?，電壓與電流幅值較小的開始部分（40 ms），為正常輸電時的電壓、電流波形，此時磁控式故障限流器兩端電壓很小，有效值約19 V。40 ms時，短路發(fā)生，電流突然增大，電流第1個半波較大，第2個半波迅速減小。短路發(fā)生100 ms（5個周期）以后，短路電流有效值接近負荷電流（峰值略大于負荷電流峰值）。隨著時間的推移，短路電流最后減小至勵磁電流。雖然到達勵磁電流的時間比較長，但是到達負荷電流的時間較短。特別是電壓的暫態(tài)波形很短。短路發(fā)生后，磁控式故障限流器兩端電壓在第1個半周期（10 ms）小于額定電壓的峰值，第2個半周期電壓幅值基本等于額定值。電壓第1個峰值約等于額定電壓的75%，這表明，短路發(fā)生后的前10 ms，接入磁控式故障限流器時的短路電流小于沒有接入時的短路電流，約等于原有短路電流的1/3。短路發(fā)生10 ms以后，電壓幅值基本等于額定值，磁控式故障限流器兩端承接系統(tǒng)額定電壓，短路點對故障限流器的非故障側(cè)的電壓影響很小；故障限流器的非故障側(cè)的母線電壓基本恢復(fù)正常，不受短路電流的影響。

表1 飽和電抗器伏安特性數(shù)據(jù)Tab.1 V-A characteristic data of saturated reactor

表2 正常運行時磁控式故障限流器兩端壓降Tab.2 Voltage drop between two ends of FCL under normal operating condition

圖5是大量測量數(shù)據(jù)中挑選出的最嚴重情況。短路電流第1個半波的幅值大小與短路發(fā)生時刻電壓的初始角度有關(guān)。圖5表明，短路發(fā)生100 ms以后，短路電流接近負荷電流。在短路實驗過程中，實驗室電源的10 A熔斷器與帶保護的空氣開關(guān)都沒有發(fā)生跳閘?？梢姡惭b了磁控式故障限流器后，不必跳開斷路器即可避免短路電流對電力系統(tǒng)的危害。

正常負荷電流為4 A的條件下，模擬電力系統(tǒng)斷路器QF合閘對輸電回路送電過程，測得磁控式故障限流器兩端電壓和電流如圖6所示。從圖中的電流曲線可以看出，斷路器QF對輸電回路進行送電，磁控式故障限流器阻止電流突然變化，電流幅值逐漸上升至負荷電流；從圖中的電壓曲線可以看出，斷路器合閘初始階段，電力系統(tǒng)的電壓大部分加在磁控式故障限流器兩側(cè)，小部分加在輸電線路；然后磁控式故障限流器兩側(cè)電壓逐漸減小，線路電壓逐漸上升。暫態(tài)過程約100 ms。

圖6 合閘過程電壓與電流曲線Fig.6 Voltage curve and current curve during closing operation

3 定性分析

磁控式故障限流器的半導(dǎo)體元件的安全性是十分重要的。除了采取上述方法外，采用增加短路線圈的方法也可抵消直流線圈端口的不平衡過電壓[8]。實際上，圖3既是輸電回路的故障限流器，又是VD1、VD2、VD3、VD4、VD5、VT6、VT7的自我保護電路。VD1、VD2、VD3、VD4的過電流由 VT6、VT7的快速導(dǎo)通來保護，VT6、VT7的過電流由交流線圈L7的快速限流來保護。

電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障，新型磁控式故障限流器在20 ms左右的時間內(nèi)將短路電流減小至危害較小的程度，這是其他類型故障限流器不具備的。

傳統(tǒng)磁控式故障限流器從變電站的站用變壓器取直流電源，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障限流器的投入與退出操作不方便。新型磁控式故障限流器結(jié)構(gòu)簡單，運行管理方便。實驗樣機直接使用測量信號的能量作為自身的直流電源，即VD5、VT6兩端的電壓既是控制電路模塊的測量信號，又為控制電路模塊提供電源。這樣，整個磁控式故障限流器相當一個二端口元件，使用非常方便。

傳統(tǒng)磁控式故障限流器從變電站的站用變壓器取直流電源，外部故障使變電站母線電壓下降，將造成非故障線路故障限流器工作不正常。新型磁控式故障限流器的特性與變電站母線電壓無關(guān)。

普通變壓器的短路電壓值一般等于6%的額定電壓。新型磁控式故障限流器的正常運行感性壓降約為普通變壓器短路電壓值的2倍，因此不適合安裝在電抗值被嚴格控制的輸電回路，可應(yīng)用于高阻變壓器回路，或采取串補電容方式來抵消磁控式故障限流器的正常運行電抗值。這方面，今后需要做更深入的研究。

新型磁控式故障限流器應(yīng)用于高壓或超高壓系統(tǒng)時，半導(dǎo)體元件的耐壓等級可取4000 V，電流取輸電線路額定電流，可達2000 A。

飽和電抗器的電壓等級則必須隨著電力系統(tǒng)電壓的增大而增加，主要成本和困難在飽和電抗器。電壓等級增大，飽和電抗器線圈增多，鐵芯增大，電磁暫態(tài)過程增長；需要采取措施減小暫態(tài)過程：采用磁損較大的鐵芯減小飽和電抗器暫態(tài)過程，飽和電抗器正常運行時，處于飽和狀態(tài)，磁損較大的鐵芯不會增加太多損耗；采用超導(dǎo)材料制作線圈，飽和電抗器正常運行時，超導(dǎo)材料制作的線圈的銅損為零；電力系統(tǒng)短路時，超導(dǎo)材料失超，電阻增大，減小飽和電抗器的暫態(tài)過程。飽和電抗器交流線圈的電抗快速增大，又反過來保護了超導(dǎo)材料，使其不會過熱損壞。

4 結(jié)論

新型磁控式故障限流器工作原理可行，設(shè)計制造的220 V電壓等級的實驗樣機的實驗表明：電力系統(tǒng)正常運行時，磁控式故障限流器對正常輸電影響較?。浑娏ο到y(tǒng)發(fā)生短路故障時，磁控式故障限流器可以在20 ms左右使短路電流減小至危害較小的程度；裝置結(jié)構(gòu)簡單、操作方便。