邱清泉， 肖立業(yè)， 張志豐， 張國民， 張京業(yè)， 劉清峰

(1. 中國科學院電工研究所， 北京 100190； 2. 中國科學院應用超導重點實驗室， 北京 100190)

高壓及超高壓故障電流限制技術(shù)分析

邱清泉1,2， 肖立業(yè)1,2， 張志豐1,2， 張國民1,2， 張京業(yè)1,2， 劉清峰1,2

(1. 中國科學院電工研究所， 北京 100190； 2. 中國科學院應用超導重點實驗室， 北京 100190)

220kV和500kV高壓及超高壓故障電流限制技術(shù)被認為是保障大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行、提高供電可靠性和靈活性的有效途徑。本文結(jié)合國內(nèi)外高壓及超高壓領(lǐng)域的幾個限流器工程示范項目，對比分析串聯(lián)電抗限流技術(shù)、串聯(lián)諧振限流技術(shù)、分裂電抗開斷技術(shù)、超導限流技術(shù)以及其他混合限流技術(shù)的原理、設計和制造關(guān)鍵技術(shù)、可靠性和造價，并對各種限流技術(shù)的優(yōu)缺點進行了評述。

限流電抗器； 串聯(lián)諧振限流器； 分裂電抗器； 超導限流器

1 引言

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大，電網(wǎng)的短路電流水平隨著網(wǎng)架的不斷增強也逐年提高。交流大電網(wǎng)部分220kV、500kV變電站的短路電流水平已經(jīng)接近或者超過斷路器的開斷容量，短路電流超標已經(jīng)成為制約電網(wǎng)發(fā)展的一個重要因素?？刂齐娋W(wǎng)的短路電流水平，一方面要在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及運行機制設計時充分考慮，優(yōu)化電網(wǎng)系統(tǒng)，保證短路電流處在可控的范圍；另一方面要發(fā)展能夠有效限制短路電流的電力設備，提高電網(wǎng)抑制短路電流的能力[1]。采用將現(xiàn)有大電網(wǎng)解列、分段、分區(qū)等方法會降低電力系統(tǒng)的靈活性和可靠性，如果能夠從電力設備的角度來解決短路電流超標的問題，將具有更積極的意義。目前，在設備上解決短路電流過大問題，常用的是高阻抗變壓器或限流電抗器，但這些設備的使用增加了電壓降落和輸電損耗，減弱了電網(wǎng)的電壓調(diào)節(jié)能力。

在高壓及超高壓變電站線路出線上裝設限流裝置能夠有效降低該變電站和附近變電站的母線短路電流。國際大電網(wǎng)會議(CIGRE) A3專委會就限流器及限流器的應用可能對電網(wǎng)保護系統(tǒng)的影響進行了較為系統(tǒng)的分析[2]。理想的限流器應具備如下特征：①在電網(wǎng)正常輸電時低阻抗；②在電網(wǎng)發(fā)生短路故障時迅速轉(zhuǎn)為高阻抗，有效限制短路電流；③限流后能夠自動、及時恢復到低阻抗狀態(tài)；④能夠與電網(wǎng)的保護系統(tǒng)匹配。

通常，限流器可分為常規(guī)限流器和超導限流器兩大類。常規(guī)限流器使用的限流元件以限流電抗器為主，主要包括在線路中直接串聯(lián)限流電抗器[3-6]、快速開關(guān)投切電抗器[7]、串聯(lián)諧振限流器[8，9]、分裂電抗器[10，11]、磁飽和電抗器和固態(tài)限流器等。限流電抗器盡管不具備上述理想限流器的特征，但由于其技術(shù)相對可靠，應用較多，因此在下面的討論中仍將其歸入限流器的范疇。除限流電抗器外，其他幾種常規(guī)限流器大都是利用開關(guān)設備的快速響應特性，將短路電流進行快速限制或轉(zhuǎn)移，應用于高壓及超高壓電網(wǎng)中。純固態(tài)限流器由于電力電子器件的造價和通態(tài)損耗較高，還沒有在高壓及超高壓交流大電網(wǎng)中應用的先例。

超導限流器有多種類型，從限流元件的阻抗性質(zhì)來分，可分為電阻型和電感型兩大類。電感型超導限流器主要包括飽和鐵心型、磁屏蔽型和橋路型，超導線圈作為勵磁或限流電感使用。電阻型限流器的限流元件通常是由超導帶材繞制的無感線圈。由于純電阻型超導限流器在用于交流限流時，其超導態(tài)難以快速恢復以滿足重合閘要求。因此，在其應用時一般要與常規(guī)限流技術(shù)結(jié)合，包括超導技術(shù)與限流電抗器技術(shù)結(jié)合的混合型超導限流器[12]、超導技術(shù)與磁飽和電抗器技術(shù)結(jié)合的飽和鐵心型超導限流器[13]、以及與分裂電抗器技術(shù)和變壓器技術(shù)相結(jié)合的分裂電抗型超導限流器(也有文獻稱為磁通鎖型超導限流器)和變壓器型超導限流器。

本文結(jié)合國內(nèi)外高壓及超高壓領(lǐng)域的幾個限流器工程示范項目，對比分析上述常規(guī)限流技術(shù)和超導限流技術(shù)的原理、設計和制造關(guān)鍵技術(shù)、可靠性和經(jīng)濟性，并對各種限流技術(shù)的優(yōu)缺點進行了評述。

2 串聯(lián)電抗限流技術(shù)

相對于其他限制短路電流的措施，在電網(wǎng)中直接串入限流電抗器正常運行時不改變潮流分布，而短路時可以有效地限制短路電流但不會造成系統(tǒng)可靠性的顯著下降，是一種較為可行的辦法。高壓限流電抗器容量大，結(jié)構(gòu)復雜，在巴西、美國和澳大利亞等國家應用較早[3]，目前限流電抗器的制造水平已達到較高程度。ABB、Siemens 和 Trench 三家公司在世界范圍內(nèi) 330kV 及以上電網(wǎng)中均有應用串聯(lián)電抗器解決短路電流超標的工程實例，從目前各國限流電抗器的應用情況來看，均未出現(xiàn)重大故障，運行情況良好，且有效地降低了短路電流水平。國內(nèi)華東電網(wǎng)在500kV黃渡-泗涇線路安裝了線路串聯(lián)電抗器[4，5]，該500kV串聯(lián)電抗器構(gòu)成示意圖如圖1所示，其串聯(lián)電抗器參數(shù)見表1，電容器參數(shù)見表2。南方電網(wǎng)于2014年在500kV縱江-寶安線路也安裝了串聯(lián)電抗器[6]，具體參數(shù)見表3。國內(nèi)北京電力設備總廠也成功研制了應用于500kV電壓等級的152.46MVar大容量限流電抗器[14]。

圖1 500kV串聯(lián)電抗器構(gòu)成示意圖[4]Fig.1 Schematic diagram of 500kV current-limiting reactor

由于引入限流電抗器會改變線路參數(shù)，會引起線路工頻過電壓增大，因此在安裝限流電抗器之前，需要對線路工頻過電壓進行校核，以保證運行安全。另外，斷路器在開斷短路電流時，瞬態(tài)恢復過電壓陡度會有明顯升高，可能會超過斷口絕緣恢復強度，影響到斷路器的正常開斷能力[15]。華東電網(wǎng)的500kV串聯(lián)電抗限流工程中，采用在電抗器兩端以及對地加裝小容量電容器的方式，以抑制開斷過程產(chǎn)生的瞬態(tài)過電壓，其構(gòu)成示意圖如圖1所示，其限流電容器參數(shù)見表2。

表1 華東電網(wǎng)限流電抗器參數(shù)[4]Tab.1 Parameters of current-limiting reactor in East China Power Grid

表2 華東電網(wǎng)保護電容器參數(shù)[4]Tab.2 Parameters of protective capacitor in East China Power Grid

表3 南網(wǎng)限流電抗器參數(shù)[6]Tab.3 Parameters of current-limiting reactor in China Southern Power Grid

如上所述，在線路中直接串入限流電抗器存在增加線路壓降、線路無功和有功損耗等缺點。利用快速開關(guān)投切電抗器可以有效解決上述問題。但是由于弧壓較低，為了實現(xiàn)電流由斷路器快速轉(zhuǎn)移到電抗器，該種類型的限流器一般采用多組模塊的串聯(lián)結(jié)構(gòu)。在寧夏330kV寧安變電站迎安線出口的C 相接入6組限流裝置，每個限流電抗器的電抗值為0.6Ω，如圖2所示。為考核限流裝置的最大限流能力和對限流單元快速開關(guān)動作的一致性，以及開斷后斷口穩(wěn)態(tài)恢復電壓的耐受能力，該項目進行了2次單相瞬時人工短路試驗。采用開關(guān)投切電抗器的缺點是開關(guān)的電弧電壓極低，如果電感為毫亨級，根本無法實現(xiàn)轉(zhuǎn)移。因此，可將每一個電抗器的電感量降低，或在電抗器上跨接較大容量的電容器，先將短路電流轉(zhuǎn)移到電容器，再轉(zhuǎn)到電抗器[16]。美國電力研究院若干年前做過研究，認為原理上可行，但電容器容量大，實現(xiàn)困難。

圖2 投切電抗型限流器示意圖[7]Fig.2 Schematic diagram of fast-switched fault current limiter

3 串聯(lián)諧振限流技術(shù)

串聯(lián)諧振型限流技術(shù)已經(jīng)成為電網(wǎng)限流技術(shù)發(fā)展的一個主要方向。串聯(lián)諧振限流器的方案最早由西門子公司提出，其電路拓撲結(jié)構(gòu)是可控串補的延伸。串聯(lián)諧振限流器的工作原理是：在常規(guī)限流電抗器基礎上，串聯(lián)一個與電抗器諧振于工頻的電容器，短路時電容器被快速旁路保護裝置(包括晶閘管閥、MOV、可控放電間隙等) 迅速將電容器組旁路，相當于電抗器單獨投入電網(wǎng)，從而達到限流目的。西門子公司研制的串聯(lián)諧振型限流器，是在美國加州500kV Vincent 變電站原有可控串補裝置外加了一個限流電抗改造而成。限流器中聯(lián)合采用光觸發(fā)大功率晶閘管和MOV作為串聯(lián)電容器組的快速旁路開關(guān)。2002 年通過現(xiàn)場短路試驗，可將預期的80 kA 短路電流限制到50 kA以下[17]。

中國電力科學研究院和華東電網(wǎng)公司等單位在十五期間聯(lián)合研制了500kV串聯(lián)諧振限流器[9]。該裝置采用了大功率晶閘管閥受控啟動和無源自啟動、可控放電間隙和金屬氧化物限壓器聯(lián)合保護串聯(lián)電容器等措施，提高了限流器的動作可靠性，如圖3所示。經(jīng)過系統(tǒng)的仿真研究，妥善解決了限流器與現(xiàn)有的繼電保護、斷路器的兼容問題。2009 年底，該裝置在華東電網(wǎng)500kV 瓶窯變電站投運，限流電抗器和補償電容器的參數(shù)詳見表4和表5，該限流器可將預期短路故障電流由63kA限制到47kA。

圖3 串聯(lián)諧振限流器示意圖[9]Fig.3 Main circuit diagram of fault current limiter

表4 限流電抗器參數(shù)[9]Tab.4 Parameters of current-limiting reactor

表5 補償電容器參數(shù)[9]Tab.5 Parameters of compensating capacitor

串聯(lián)諧振型限流器的優(yōu)點是穩(wěn)態(tài)壓降低，響應快；在出現(xiàn)低頻功率振蕩時，通過適當控制策略，可以利用就地或遠方測量的功率/電壓信號，調(diào)節(jié)限流器總電抗，起到抑制低頻功率振蕩的作用。其缺點是體積大，造價較高；閥體開通前要承受高電壓，開通時有大電流的沖擊。系統(tǒng)仿真研究表明，系統(tǒng)故障時晶閘管電流峰值為61kA，最大沖擊電流變化率為113kA/ms[18]。晶閘管難以同時串并聯(lián)，現(xiàn)有工程中大都采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，進一步增加容量存在困難。

串聯(lián)諧振型限流器的技術(shù)關(guān)鍵在于電容器的快速旁路和能量吸收電路的設計，其控制較為復雜，運行期間誤動的可能性較大。

4 分裂電抗限流開斷技術(shù)

華中科技大學潘垣院士等人提出了采用分裂電抗器實現(xiàn)斷路器并聯(lián)、提高斷路器開斷能力的思路[19]。十一五期間，華中科技大學和國網(wǎng)電科院等單位在科技支撐計劃項目“新一代高壓超高壓斷路器攻關(guān)與應用示范”中對基于雙分裂電抗器的模塊化真空斷路器和SF6斷路器進行了大量的研究工作，其原理結(jié)構(gòu)如圖4所示。進一步制作了額定電壓126kV，額定電流5kA，單臂電感為2.6mH的樣機，可以對80kA的預期短路電流進行開斷。樣機于2014年在湖北武漢湯山變電站進行了掛網(wǎng)示范工作，掛網(wǎng)現(xiàn)場如圖5所示。

圖4 基于雙分裂電抗器的并聯(lián)斷路器原理圖[10]Fig.4 Principle diagram of paralleled circuit breakers with divisive reactor

圖5 126kV-5kA/80kA真空斷路器整機實物整體圖[20]Fig.5 126kV-5kA/80kA vacuum breakers

十二五期間，在遼寧省科技項目支持下，中國科學院電工研究所和丹東欣泰電氣公司合作開發(fā)220kV分裂電抗限流斷路器相關(guān)技術(shù)，提出了單模塊和多模塊的分裂電抗型限流器拓撲[21]，如圖6所示。并進一步對不同類型和結(jié)構(gòu)的分裂電抗器進行了深入研究，提出了空氣絕緣和變壓器油絕緣兩種不同絕緣結(jié)構(gòu)的空心和鐵心分裂電抗器[22]，其原理圖如圖7所示?？諝饨^緣結(jié)構(gòu)分裂電抗器具有單模塊耐壓高的優(yōu)點，但是耦合度較低；變壓器油絕緣分裂電抗器可以利用油浸式變壓器的制造工藝，設計時采用半鐵心或空心結(jié)構(gòu)，防止鐵心飽和對限流特性帶來的不利影響?；诳諝饨^緣結(jié)構(gòu)，完成一組弱耦合分裂電抗型限流器的電磁和結(jié)構(gòu)設計，其關(guān)鍵參數(shù)見表6，在預期故障電流為63kA的前提下，限流后短路電流小于30kA，故障電流限制率大于50%。分裂電抗型限流器的主要特點：體積小，造價低，可靠性高；響應速度較慢，取決于快速斷路器的響應時間。

圖6 單模塊和多模塊分裂電抗型限流器拓撲Fig.6 Circuit topology of divisive-reactor type FCL

圖7 分裂電抗型限流斷路器原理圖Fig.7 Principle diagram of divisive reactor

表6 220kV/1500A分裂電抗型限流器關(guān)鍵參數(shù)Tab.6 Key parameters of 220kV/1500A divisive-reactor type current limiter

5 超導限流技術(shù)

超導限流器主要包括飽和鐵心型超導限流器和電阻型超導限流器兩大種類。飽和鐵心型超導限流器主要由鐵心、常規(guī)交流繞組和直流超導繞組三部分組成，正常運行狀態(tài)下，直流電源為超導繞組提供勵磁電流，產(chǎn)生的偏置磁場讓電抗器鐵心處于深度飽和狀態(tài)。此時，電抗器鐵心上的交流繞組處于低感抗狀態(tài)，超導限流器阻抗值較低，對電網(wǎng)的輸送能力無太大影響。當系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，短路電流迫使兩個鐵心在一個周期內(nèi)交替退出飽和狀態(tài)，磁導率迅速增大，交流繞組處于高感抗狀態(tài)，超導限流器阻抗值顯著增大，從而有效地抑制了短路電流。云電英納超導公司和天津百利機電公司在十一五863項目支持下，研制了一套220kV/800A的飽和鐵心型超導限流器[13]，其主要設計參數(shù)見表7。2012 年，該限流器在天津供電局石各莊站的大孟莊線上掛網(wǎng)示范，實物圖如圖8所示。在十二五863項目支持下，廣東電網(wǎng)公司聯(lián)合云電英納超導公司、特變電工、西安聚能超導等單位開展500kV飽和鐵心型超導限流器研究，研制的超導勵磁線圈目前已完成72K溫度下的穩(wěn)態(tài)載流能力測試[23]。由于超導勵磁線圈主絕緣根據(jù)10kV耐壓設計[23]，在限流及快速退磁和勵磁等暫態(tài)工況下的過壓過流耐受特性尚需進一步考核。

圖8 飽和鐵心型超導限流器實物圖[13]Fig.8 220kV/800A superconducting saturated core type current limiter

表7 220kV/800A飽和鐵心型超導限流器關(guān)鍵參數(shù)[13]Tab.7 Key parameters of 220kV/800A superconducting saturated core type current limiter

飽和鐵心型超導限流器由于采用了鐵心結(jié)構(gòu)，是一種具有較大限流阻抗的限流器。由于超導線圈無需經(jīng)歷失超過程，其冷卻系統(tǒng)功率要求較小。其缺點是重量較大，另外，如果運行于較大電流情況下，超導線圈也需較大的勵磁安匝數(shù)，否則其穩(wěn)態(tài)阻抗較大，220kV限流器樣機在不同交流和直流電流配合下交流線圈阻抗曲線如圖9所示。同時，由于超導線圈匝數(shù)多、電感大，為滿足快速限流和重合閘要求，超導線圈的快速退磁、快速勵磁和過電壓保護也是需要深入考慮的問題。

圖9 不同交流和直流電流配合下交流線圈阻抗曲線[13]Fig.9 Impedance curves of coil under different AC and DC currents

圖10 美國超導公司115kV/ 800A電阻型超導限流單元實物圖[12]Fig.10 115 kV/800A resistive-type superconducting fault current limiting element

美國超導公司、西門子公司和Nexans公司合作研制了一臺115kV/800A的電阻型超導限流器，其超導限流單元的結(jié)構(gòu)如圖10所示。該電阻型超導限流器于2009年進行了耐壓和限流特性的初步測試[12]，但后續(xù)由于技術(shù)和經(jīng)濟問題，并沒有進一步制作三相樣機。中國科學院電工研究所和中天科技集團公司在十二五863項目的支持下，對220kV/1500A電阻型超導限流器的設計進行了深入研究，由于純電阻型限流器在限流后難以實現(xiàn)快速恢復，不能滿足重合閘要求，因此，在前期設計時仍然參考了美國超導公司的限流器拓撲，采用超導限流單元和限流電抗器并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，其電路拓撲如圖11所示。在正常運行情況下，電流由超導限流單元流通，對電網(wǎng)無影響。另外，通過快速斷路器對超導限流單元在30～40ms內(nèi)開斷，還可以降低超導帶材的用量，提高超導限流線圈單元的可靠性。進一步對電阻型超導限流器和電抗器的參數(shù)匹配進行了設計，見表8。該限流器可將短路電流由63kA限制在37.8kA之內(nèi)，電流縮減率超過40%。

圖11 220kV電阻型超導限流器電路原理圖[24]Fig.11 Circuit diagram of 220kV resistive type superconducting fault current limiter

表8 220kV電阻型超導限流器的設計參數(shù)[24]Tab.8 Key parameters of 220kV resistive type superconducting fault current limiter

如上所述，單純采用超導電阻限流技術(shù)，由于其造價高、失超恢復速度慢，難以在高壓及特高壓輸電網(wǎng)中大規(guī)模推廣。如果將超導限流技術(shù)和常規(guī)限流技術(shù)結(jié)合，將有效拓展超導限流技術(shù)的適應性。一種分裂電抗型超導限流器拓撲(文獻[25]稱為磁通鎖型超導限流器)如圖12(a)所示，利用超導電阻限流技術(shù)和分裂電抗限流技術(shù)相結(jié)合，可將流過超導電阻的電流縮小一半，減少超導電阻的并聯(lián)支路數(shù)。利用超導電阻，提高分裂電抗型限流器的響應速度。另外，在超導電阻失超恢復時，可采用斷路器K3將超導電阻旁路，應用分裂電抗器同樣可以完成重合閘和開斷等開關(guān)動作，有效提高限流器的可靠性和適應性。基于第4節(jié)給出的分裂電抗器設計參數(shù)見表6，進一步獲得220kV分裂電抗型超導限流器的初步設計參數(shù)見表9。與表8相比，故障電流限制率可由40%增加到60%，超導帶材用量由9.4km減少到9km。

圖12 混合型限流器電路拓撲Fig.12 Circuit topology of hybrid superconducting fault current limiter

表9 220kV分裂電抗型超導限流器的設計參數(shù)Tab.9 Key parameters of 220kV divisive-reactor type superconducting fault current limiter

另外，對于電阻型超導限流器而言，應用于高壓及超高壓領(lǐng)域，由于需采用液氮絕緣，液氮汽化對絕緣的影響非常大。因此，線圈單元和支撐絕緣子的絕緣距離通常需按照氮氣耐壓設計，使得裝置體積和占地空間均很大。一種變壓器型超導限流器拓撲如圖12(b)所示。如果采用變壓器將電阻型超導限流器的端電壓降下來，則電阻型超導限流器可以根據(jù)較低電壓等級來設計，這樣相同容量的電阻型超導限流器，其主絕緣距離可降低，低溫杜瓦體積可減小很多。

6 不同限流技術(shù)對比分析

如上所述，應用于高壓及超高壓電網(wǎng)的限流電抗限流技術(shù)、串聯(lián)諧振限流技術(shù)、分裂電抗限流技術(shù)以及超導限流技術(shù)均已得到廣泛關(guān)注。為了在高壓及超高壓電網(wǎng)限流器的選型和設計時提供一些參考依據(jù)，筆者對不同限流器設計方案的技術(shù)經(jīng)濟性進行了粗略的對比，見表10。

表10 不同限流器的技術(shù)經(jīng)濟性對比Tab.10 Economical and technical comparison of different current limiting technologies

7 結(jié)論

通過上述論述和分析，可以得出結(jié)論和展望如下：

(1)近十幾年來，應用于高壓及超高壓電網(wǎng)的直接串聯(lián)電抗型、投切電抗型、串聯(lián)諧振型、分裂電抗型以及電阻型和飽和鐵心型超導限流技術(shù)已取得重大進展。但是由于限流器技術(shù)標準滯后、功能試驗困難、運行經(jīng)驗不足，特別是造價偏高等原因，除了直接串聯(lián)電抗限流的相關(guān)技術(shù)得到了一定推廣應用，其他類型限流器商業(yè)化規(guī)模應用的步伐緩慢。

(2)鑒于限流器技術(shù)的復雜性，建議建設可滿足輸電網(wǎng)限流器型式試驗要求的試驗回路系統(tǒng)，并建立限流器的技術(shù)標準。

(3)由于各種限流技術(shù)都有其優(yōu)點和局限性，因此，還需根據(jù)具體應用環(huán)境和線路參數(shù)來進行限流器的選型和設計。從造價和占地面積的角度考慮，投切電抗型和分裂電抗型限流器具有相對優(yōu)勢，但從穩(wěn)態(tài)壓降和響應速度來考慮，電阻型超導限流器更優(yōu)。

[1] 武守遠，荊平，戴朝波，等(Wu Shouyuan, Jing Ping, Dai Chaobo，et al．)．故障電流限制技術(shù)及其新進展(Fault current limiting measures and their recent progress)[J]．電網(wǎng)技術(shù)(Power System Technology)，2008，32(24)：23-32．

[2] CIGRE WG A3.10．Fault current limiters in electrical medium and high voltage systems，Technical brochure 239[R]．Paris：CIGRE，2003．

[3] J Amon F， P C Fernandez， E H Rose，等．巴西在將限流電抗器用于短路電流限制方面取得的成功經(jīng)驗(Successful experiences about application of limited-reactor for short-circuit current limitation control of the Brazil)[J]．電氣應用(Electro Technical Journal)，2006，24(1)：4-8．

[4] 薛敏，盧波，黃華，等(Xue Min, Lu Bo, Huang Hua, et al.)．首臺500kV線路串聯(lián)電抗器在華東電網(wǎng)的應用研究(Application of the first 500 kV series reactors to East China power grid)[J]．華東電力(East China Electric Power)，2008，36(11)：47-50．

[5] 莊侃沁，陶榮明，尹凡，等(Zhuang Kanqin, Tao Rongming, Yin Fan, et al.)． 采用串聯(lián)電抗器限制500kV短路電流在華東電網(wǎng)的應用(Using series reactors to limit 500 kV short-circuit current for east China power grid)[J]．華東電力(East China Electric Power)，2009，37(3)：440-443．

[6] 宋洋(Song Yang)．500kV線路串聯(lián)電抗器的應用研究(Research & application of the 500 kV power line series reactor)[D]．廣州：華南理工大學(Guangzhou: South China University of Technology)，2015．

[7] 艾紹貴，高峰，黃永寧，等(Ai Shaogui, Gao Feng, Huang Yongning, et al.)．330kV開關(guān)型零損耗故障限流裝置的研制及人工短路試驗(Development and short-circuit experiment of 330 kV switch-type no-loss fault current limiter)[J]．智能電網(wǎng)(Smart Grid)，2015，3(4)：354-359．

[8] 胡宏，周堅(Hu hong, Zhou jian.)．瓶窯 500kV 母線短路電流限制措施的研究(Study of short circuit current limitation measures for Pingyao 500 kV busbar)[J]．華東電力(East China Electric Power)，2005，33(5)：15-17．

[9] 陳海波，楊凌輝，楊國慶，等(Chen Haibo, Yang Linghui, Yang Guoqing, et al.)．超高壓電網(wǎng)故障限流器示范應用(Application of fault current limiter on EHV grid)[J]．華東電力(East China Electric Power)，2011，39(1)：36-39．

[10] 尹婷，陳軒恕，杜硯，等(Yin Ting, Chen Xuanshu, Du Yan, et al.)．采用緊耦合電抗器的大容量高壓斷路器設計(Design of large-capacity high-voltage breakers using tightly-coupled reactor)[J]．高電壓技術(shù)(High Voltage Apparatus)，2010，36(6)：1577-1582．

[11] 陳軒恕，尹婷，潘垣，等(Chen Xuanshu, Yin Ting, Pan Yuan, et al.)．基于單元化真空斷路器串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的大容量高壓斷路器設計方案(High voltage and large capacity vacuum circuit breakers with series-parallel structure)[J]．高電壓技術(shù)(High Voltage Apparatus,)，2011，37(12)：57-63．

[12] Heinz-Werner Neumueller，Wolfgang Schmidt， Hans-Peter Kraemer，et al．Development of resistive fault current limiters based on YBCO coated conductors[J]．IEEE Journals & Magazines，2009， 19(3)：1950-1955．

[13] Xin Ying，Gong Weizhi，Hong Hui．Development of 220 kV /300MVA superconductive fault current limiter [J]．Superconductivity Science Technology，2012，10：105011-105017．

[14] 張月華，趙楊，張德金，等(Zhang Yuehua, Zhao Yang, Zhang Dejin, et al.)．500kV超大容量限流電抗器研制(Development effort of 500 kV ultrahigh capacity current-limiting reactor)[J]．高壓電器(High Voltage Apparatus)，2015，51(12)：130-135．

[15] 陳水明，王威，楊鵬程(Chen Shuiming, Wang Wei, Yang Pengcheng)．限流電抗器對輸電線路工頻過電壓的影響(Effects of current-limiting inductor on power frequency overvoltages in transmission line)[J]．電網(wǎng)技術(shù)(Power System Technology)，2010，34(3)：193-196．

[16] 錢家驪(Qian Jiali)．非超導型故障電流限制器的展望(Prospect of non suerconducting fault current limiter)[J]．電氣應用(Electro Technical Journal)，2011，30(9)： 22-29．

[17] Gor V，Povh D，Lu Yichuan，et al．SCCL-A new type of facts based short-circuit current limiter for application in high-voltage systems[A]．CIGRE General Session[C]. Paris, France, 2004.B4-209．

[18] 袁洪亮，任孟干，趙東旭，等(Yuan Hongliang, Ren Menggan, Zhao Dongxu, et al.)．華東電網(wǎng)500kV故障電流限制器晶閘管閥浪涌電流試驗方法研究(Surge current test of fault current limiter thyristor valve in the 500 kV east China power grid)[J]．中國電機工程學報(Proceedings of the CSEE)，2011，31(12)：15-21．

[19] 潘垣，何俊佳，程時杰，等(Pan Yuan, He Junjia,Cheng Shijie,et al.)．并聯(lián)型斷路器(Parallel type circuit breakers)[P]．中國專利(Chinese Patent):200710052947.7．

[20] 劉波，陳軒恕，蘭貞波，等(Liu Bo, Chen Xuanshu, Lan Zhenbo, et al.)．新一代110kV真空斷路器掛網(wǎng)試運行研究(Research on trial operation for a new generation of 110 kV vacuum circuit breaker)[J]．電力系統(tǒng)保護與控制(Power System Protection and Control)，2015，43(16)：126-132．

[21] 肖立業(yè)，邱清泉，張志豐，等(Xiao Liye，Qiu Qingquan，Zhang Zhifeng，et al．).一種限流軟開斷裝置(Current limited soft connecting/disconnecting device)[P].中國專利(Chinese Patent)：201210252205.X.

[22] 邱清泉，肖立業(yè)，張志豐，等(Qiu Qingquan，Xiao Liye，Zhang Zhifeng，et al．).一種應用于限流器的雙柱雙分裂電抗器(Double-column double-split reactor applied to current limiter)[P]. 中國專利(Chinese Patent)：201410117670.1.

[23] Ma Tao，Dai Shaotao，Song Meng, et al．Design and fabrication of HTS DC bias winding for 500 kV saturated iron core fault current limiter[A]．25thInternational Conference on Magnet Technology[C].Amsterdam, 2017．

[24] 電力超導技術(shù)聯(lián)合研究開發(fā)中心(Research and development center of power superconducting technology)．220kV高溫超導限流器技術(shù)報告(Technical report of 220kV high temperature superconducting fault current limiter)[R]．中國科學院電工研究所(Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, 2011)，2011．

[25] Matsumura T， Uchii T， Yokomizu Y．Development of flux-lock-type fault current limiter with high-Tcsuperconducting element [J]．IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 1997, 7(2): 1001-1004.

Analysisoffaultcurrentlimitingtechnologyusedinhighvoltageandultrahighvoltagepowergrid

QIU Qing-quan1,2, XIAO Li-ye1,2, ZHANG Zhi-feng1,2, ZHANG Guo-min1,2, ZHANG Jing-ye1,2, LIU Qing-feng1,2

(1. Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2. Applied Superconductivity Key Lab, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

The fault current limiting (FCL) technology for 220 kV/500 kV high voltage and ultrahigh voltage power grid is regarded as an effective way to guarantee the safe and stable operation, and to improve the reliability and flexibility of power supply. This paper in reference to several engineering demonstration projects in the field of high voltage and ultrahigh voltage, analyzes the mechanism, key design and manufacturing technologies, reliability and cost of several fault current limiting technologies, such as series-reactance FCL technology, series resonance FCL technology, divisive reactor FCL technology, superconducting FCL technology and other hybrid FCL technologies. Finally the advantages and disadvantages of these FCL technologies are reviewed.

current-limiting reactor; series-resonant type fault current limiter; divisive reactor; superconducting fault current limiter

10.12067/ATEEE1705070

1003-3076(2017)10-0046-09

TM47

2017-05-23

國家“863”資助項目(2012AA050403)；江蘇省產(chǎn)學研資助項目(BY2012245)

邱清泉(1979-), 男, 山東籍, 博士, 副研究員, 研究方向為新型電工裝備優(yōu)化設計技術(shù)、 磁控放電等離子體應用技術(shù); 肖立業(yè)(1966-), 男, 湖南籍, 博士, 研究員, 研究方向為智能電網(wǎng)、超導電力技術(shù)。