楊連殿

（中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 東營(yíng) 257026）

在變電所改擴(kuò)建工程中，常常遇到因?yàn)樽儔浩髟鋈?、?fù)荷增加等原因而導(dǎo)致短路電流水平上升的問(wèn)題。短路電流增大，有可能導(dǎo)致原有電氣設(shè)備短路電流水平不足，開(kāi)關(guān)設(shè)備不能正常開(kāi)斷短路電流，進(jìn)而引發(fā)設(shè)備及導(dǎo)體的動(dòng)熱穩(wěn)定等一系列問(wèn)題。

在工程設(shè)計(jì)中，常采用變壓器分列運(yùn)行，采用高阻抗變壓器或在變壓器回路中裝設(shè)限流電抗器（CLR，Current limit reactor）等手段[1]來(lái)限制短路電流。但對(duì)于改擴(kuò)建工程來(lái)說(shuō)，由于原有系統(tǒng)的主接線(xiàn)及電氣設(shè)備短路電流水平限制，有時(shí)候即使在采用高阻抗變壓器且分列運(yùn)行的情況下，也不可避免的出現(xiàn)短路電流水平超出原有設(shè)備短路電流水平的情況。因此，常在新建變壓器回路中裝設(shè)串聯(lián)限流電抗器，以達(dá)到限制短路電流的目的。

近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展及制造水平的提高，出現(xiàn)了各種類(lèi)型的故障電流限制器，有些在國(guó)外已經(jīng)有了一定的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，以下將分別對(duì)這些故障電流限制器加以論述。

1 故障電流限制器的分類(lèi)

限流電抗器可以看作故障電流限制器的一種，此外，還有快速限流器（Is-limiter）、超導(dǎo)故障電流限 制 器（ SFCL ， superconducting fault current limiter）、固態(tài)故障電流限制器（SSFCL，solid-state fault current limiter）等。

1.1 限流電抗器CLR[2-3]

這是電力系統(tǒng)中最常用的一種限流方法，將CLR 串聯(lián)在發(fā)電機(jī)、變壓器、母聯(lián)或饋電回路中，可以起到限制短路電流的目的。圖1為限流電抗器的各種典型應(yīng)用。

圖1 限流電抗器CLR 的典型應(yīng)用

限流電抗器可以有效的限制短路電流，相對(duì)于大面積更換開(kāi)關(guān)柜等電氣設(shè)備來(lái)說(shuō)，價(jià)格低廉，故得到了廣泛的應(yīng)用。但在限制短路電流的同時(shí)，限流電抗器在回路中引入了一定的阻抗，造成部分電壓損失，影響大電機(jī)的啟動(dòng)，對(duì)于有載調(diào)壓變壓器的有載調(diào)壓及線(xiàn)路工頻過(guò)電壓[4]也有一定的影響。2009年12月，浙江500kV 瓶窯變投入了一臺(tái)8W，2000A 的限流電抗器，起到了很好的限流作用。

1.2 快速限流器Is-limiter[5]

Is-limiter 是ABB 公司研發(fā)生產(chǎn)的一種故障電流限制器，自1960年以來(lái)，已經(jīng)在世界范圍內(nèi)有了數(shù)千安裝實(shí)例。其原理圖如圖2所示。正常工作時(shí)，電流流經(jīng)主導(dǎo)體；發(fā)生短路故障時(shí)，如果短路電流超過(guò)預(yù)設(shè)的數(shù)值，測(cè)量脫扣單元斷開(kāi)主導(dǎo)體，由并聯(lián)高斷力熔斷器在第一個(gè)周波內(nèi)開(kāi)斷故障電流，時(shí)間小于1ms。發(fā)生短路故障以后，主導(dǎo)體及并聯(lián)高斷力熔斷器等部件需要更換，其余部分可重復(fù)利用。

圖2 Is-limiter 原理圖

Is-limiter 除可用于母聯(lián)回路及發(fā)電機(jī)回路［參見(jiàn)圖1（a）、（b）］外，還具有如圖2所示的典型應(yīng)用，其中圖3（a）的連接方式可以避免限流電抗器引起的電壓損失，圖3（b）中的Is-limiter 具有方向電流保護(hù)的功能。

圖3 Is-limiter 的典型應(yīng)用

Is-limiter 具有較高的可靠性，在國(guó)外具有良好的業(yè)績(jī)，在國(guó)內(nèi)工業(yè)配電系統(tǒng)也得到了一定的應(yīng)用，如2008年7月在上海寶鋼投運(yùn)的12kV Is-limiter 等。

1.3 超導(dǎo)故障電流限制器SFCL[6-8]

隨著二十幾年前高溫超導(dǎo)體(HTS，High temperature superconductor，冷卻溫度-196℃，冷卻介質(zhì)液氮)的誕生，SFCL 隨之出現(xiàn)。根據(jù)工作原理不同，又可分為電阻型 SFCL 和磁屏蔽型感應(yīng)型SFCL 兩種。

電阻型SFCL 等效原理圖如圖4所示，該型故障限流器由超導(dǎo)線(xiàn)圈和并聯(lián)電阻組成。超導(dǎo)線(xiàn)圈浸于低溫冷卻介質(zhì)中，由引線(xiàn)串入線(xiàn)路，高壓開(kāi)關(guān)與限流器串聯(lián)，用以切斷限流電流或低于臨界電流的負(fù)荷電流。

圖4 電阻型SFCL 原理圖

電阻型SFCL 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，反應(yīng)速度快。但系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，電流流過(guò)超導(dǎo)體，損耗較大；發(fā)生故障時(shí)，超導(dǎo)體須承受所有短路功率，因此超導(dǎo)材料特性須高度一致，避免形成熱點(diǎn)燒毀超導(dǎo)體。

磁屏蔽型感應(yīng)型SFCL 等效原理圖如圖5所示。該型故障限流器外側(cè)即變壓器原邊為銅線(xiàn)圈，銅線(xiàn)圈與被保護(hù)電路相連，鐵心和銅線(xiàn)圈之間為超導(dǎo)圓筒，超導(dǎo)圓筒在制冷器內(nèi)。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)原邊線(xiàn)圈產(chǎn)生的交流磁場(chǎng)被超導(dǎo)圓筒屏蔽，限流裝置的阻抗決定于銅線(xiàn)圈和超導(dǎo)圓筒之間的漏抗，短路故障時(shí)，短路電流超過(guò)臨界電流，超導(dǎo)圓筒從超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌B(tài)，超導(dǎo)圓筒不足以屏蔽原邊線(xiàn)圈產(chǎn)生的交流磁場(chǎng)，交流磁場(chǎng)穿過(guò)超導(dǎo)圓筒進(jìn)入鐵心內(nèi)，超導(dǎo)圓筒電阻迅速增加，裝置相當(dāng)于變壓器，原邊繞組電感恢復(fù)正常值起到限制短路電流的作用。

圖5 磁屏蔽型感應(yīng)型SFCL 原理圖

磁屏蔽型感應(yīng)型SFCL 超導(dǎo)材料需求量少，無(wú)引流線(xiàn)，漏熱少，交流損耗小，制冷要求低；但限流器內(nèi)含鐵心，體積大，價(jià)格高；限流過(guò)程產(chǎn)生暫態(tài)過(guò)電壓，為減少電路正常運(yùn)行時(shí)鐵心磁滯損耗，設(shè)計(jì)時(shí)須考慮超導(dǎo)體形狀。

兩種SFCL 均可用于母聯(lián)回路、饋電回路及變壓器回路，參見(jiàn)圖1（a）、（c）、（d）。

1.4 固態(tài)故障電流限制器SSFCL[9-10]

SSFCL 原理圖如圖6所示，正常運(yùn)行時(shí)，電容C1與電感L1發(fā)生串聯(lián)諧振，總阻抗表現(xiàn)為零；發(fā)生短路故障時(shí)，固態(tài)開(kāi)關(guān)SW1高速閉合（小于3ms），電感L1接入回路，起限流作用，阻抗Z1可限制通過(guò)固態(tài)開(kāi)關(guān)SW1的涌流。為進(jìn)一步增強(qiáng)其可靠性，增加了氧化鋅避雷器及旁路（由Z2及BPS 組成），旁路作為固態(tài)開(kāi)關(guān)SW1的后備。

圖6 固態(tài)故障電流限制器SSFCL 原理圖

SSFCL 采用電子元件，動(dòng)作速度快，允許動(dòng)作次數(shù)多，可以有效限制短路電流暫態(tài)峰值。但由于電子元件容量較低，用于高電壓、大電流場(chǎng)合需要 多個(gè)元件串并聯(lián)，目前制造難度大，可靠性低、成本高。

2 故障電流限制器的選擇

2.1 工程簡(jiǎn)介

國(guó)外某油田，目前已探明原油儲(chǔ)量達(dá)180 億桶（24.33 億t），是世界上迄今為止最大的五個(gè)未開(kāi)發(fā)油田之一。該油田將分三期進(jìn)行開(kāi)發(fā)，預(yù)計(jì)一期建成48 口油井，穩(wěn)產(chǎn)后日產(chǎn)原油8.5 萬(wàn)桶；二期預(yù)計(jì)增加油井30 口，建成后總產(chǎn)量達(dá)到每天18.5 萬(wàn)桶；三期工程尚在概念設(shè)計(jì)階段，預(yù)計(jì)建成后總產(chǎn)量達(dá)到每天30 萬(wàn)桶。

該油田設(shè)一座中心處理站，一期、二期的用電均由中心處理站的發(fā)電廠供給。一期用電負(fù)荷約40.8MW，配備5 臺(tái)油氣兩用發(fā)電機(jī)，4 用1 備，單臺(tái)額定容量16MW，額定電壓11kV；二期用電負(fù)荷約27MW，配備4 臺(tái)同樣的發(fā)電機(jī)，所有發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)采用低電阻接地，其電氣接線(xiàn)原理如圖7所示。

圖7 某油田供電系統(tǒng)電氣接線(xiàn)原理圖

利用ETAP 7.1 計(jì)算軟件分別對(duì)一期、二期工程及一期+二期工程進(jìn)行短路電流計(jì)算，得到計(jì)算結(jié)果如表1、圖8所示。由計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)母聯(lián)斷路器閉合時(shí)，11kV 母線(xiàn)三相短路電流有效值及峰值將分別達(dá)到77.6kA 和196.4kA，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了普通中壓開(kāi)關(guān)柜的短路耐受能力。因此，可以考慮在母聯(lián)回路中裝設(shè)故障電流限制器，以達(dá)到限制短路電流的目的。

圖8 三相短路電流

表1 三相短路電流計(jì)算結(jié)果

2.2 采用限流電抗器CLR

在母聯(lián)回路中裝設(shè)不同容量的CLR，得到計(jì)算結(jié)果如表2、圖9所示。在不等于￥的各種情況下，電抗器的電壓損失均不超過(guò)5%。由表2可知，當(dāng)CLR 的值等于1W 時(shí)，11kV 母線(xiàn)I、II 段三相短路電流有效值均小于50kA，但I(xiàn) 段母線(xiàn)三相短路電流峰值為131kA，大于所選11kV 開(kāi)關(guān)柜的短時(shí)耐受電流峰值（125kA）；CLR 等于2W 時(shí)，11kV 開(kāi)關(guān)柜滿(mǎn)足短路電流的要求；而隨著CLR 電抗值的增大，其限流效果逐漸變的不明顯，當(dāng)CLR 為無(wú)窮大時(shí)，所得到的計(jì)算結(jié)果即為兩端母線(xiàn)分列運(yùn)行的短路電路值。因此，可以考慮在2～10W 間選擇一個(gè)恰當(dāng)?shù)臄?shù)值，來(lái)確定所需的限流電抗器。

表2 裝設(shè)CLR 后的短路電流計(jì)算結(jié)果

圖9 裝設(shè)CLR 后的三相短路電流

2.3 采用Is-limiter

綜合考慮可靠性、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和成本，Is-limiter是一個(gè)較好的選擇。Is-limiter 響應(yīng)時(shí)間短（＜1ms），可以認(rèn)為短路故障剛出現(xiàn)時(shí)，母聯(lián)即分?jǐn)?，兩段母線(xiàn)分列運(yùn)行；Is-limiter 可預(yù)設(shè)整定值，其測(cè)量脫扣單元通過(guò)檢測(cè)短路電流的幅值和di/dt來(lái)分辨故障電流，當(dāng)短路電流大于整定值時(shí)，Is-limiter 動(dòng)作，開(kāi)斷短路電流，當(dāng)短路電流小于整定值時(shí)，Is-limiter不動(dòng)作，由母聯(lián)斷路器開(kāi)斷短路電流；Is-limiter 具有方向電流保護(hù)功能，可判斷不同母線(xiàn)段的短路故障。

圖10 給出了Is-limiter 開(kāi)斷故障電流時(shí)的三相短路電流波形圖，其中虛線(xiàn)為未裝設(shè)Is-limiter 時(shí)的短路電流，從上往下依次為一期+二期、一期、二期的短路電流；實(shí)線(xiàn)為裝設(shè)Is-limiter 后一期和二期的短路電流。從圖中可以看出，裝設(shè)Is-limiter 后，I段母線(xiàn)三相短路電流峰值不超過(guò)125kA，所選開(kāi)關(guān)柜滿(mǎn)足要求；II 段母線(xiàn)的情況與之類(lèi)似。

圖10 裝設(shè)Is-limiter 后的三相短路電流

3 結(jié)論

通過(guò)以上章節(jié)的討論，可以得出如下結(jié)論：

1）對(duì)短路電流的限制是一個(gè)需要綜合考慮的問(wèn)題。在設(shè)計(jì)初期，若能預(yù)見(jiàn)到會(huì)出現(xiàn)很大的三相短路電流，應(yīng)從電氣主接線(xiàn)及運(yùn)行方式上對(duì)其進(jìn)行限制，如采用高阻抗變壓器、變壓器分列運(yùn)行等手段。在不可避免出現(xiàn)短路電流過(guò)大的情況下，可針對(duì)不同的情況選擇不同的短路電流限制器加以限制。

2）限流電抗器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好、造價(jià)低廉，在通常情況下，應(yīng)首先考慮選擇限流電抗器；但限流電抗器同時(shí)存在尺寸大、笨重等缺點(diǎn)，且會(huì)造成一定的電壓損失。

3）Is-limiter 動(dòng)作快，自帶測(cè)量脫扣單元，具有較好的可靠性和良好的運(yùn)行業(yè)績(jī)。在配電室布局緊張，或?qū)﹄妷嘿|(zhì)量要求較高的場(chǎng)合，可考慮選擇Is-limiter。為此，在上述工程中，選擇Is-limiter 來(lái)限制故障電流。

4）超導(dǎo)故障電流限制器和固態(tài)故障電流限制器由于造價(jià)高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性低，尚未得到大面積應(yīng)用，目前尚處于試運(yùn)行階段。

[1] GB 50059—2011.35～110kV 變電所設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 周靜華.變電站低壓側(cè)限流電抗器電抗值的選擇[J].供用電,2009,26(3): 48-49.

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