故障限流器的不同拓撲結構分析概述目錄TOC\o"1-3"\h\u24197故障限流器的不同拓撲結構分析概述 1288331.1故障限流器概述 1299931.2故障限流器分類 1120081.2.1超導限流器 19791.2.2磁元件限流器 2138371.2.3PTC電阻限流器 397581.2.4固態(tài)限流器 31.1故障限流器概述故障限流器（ＦａｕｌｔＣｕｒｒｅｎｔＬｉｍｉｔｅｒ，ＦＣＬ）的概念自上世紀70年代被提出之后，各種新型的故障限流器設備隨之不斷出現(xiàn)。但故障限流器在真正意義上受到重視然后快速發(fā)展起來的，是在柔性交流輸電技術提出以后。近幾些年來，現(xiàn)代科技快速發(fā)展，加上控制理論的創(chuàng)新研究和新材料新技術的研發(fā)，故障限流器已經成為眾多限流措施當中的首選，在很多國家都作為重點技術受到了更進一步的研究。1.2故障限流器分類1.2.1超導限流器超導限流器的原理為，超導態(tài)的超導體在一些情況下超導態(tài)被破壞，從而轉變?yōu)橛须娮璧恼B(tài)，發(fā)生這個變化的情況有溫度超過臨界溫度Tc、穿過超導體的磁場超過臨界磁場Hc、過超導體電流超過臨界電流Ic，或者同時出現(xiàn)這幾種情況。如果在電網中接入超導裝置，在電力系統(tǒng)正常運行時，由于傳輸?shù)碾娏髟诔瑢Ь€臨界電流以下，所以超導體的電阻幾乎為零，對電力系統(tǒng)的運行幾乎沒有影響。而一旦電網發(fā)生短路故障時，短路電流瞬間大于臨界電流使得超導體發(fā)生“失超”，從零阻抗狀態(tài)變?yōu)榉蔷€形高電阻狀態(tài)，從而對短路電流起到了限制作用。超導限流器(SFCL)利用了超導體的這個特性，有超導和正常兩種狀態(tài)的轉變從而進行限流，跟多的是它能夠在較高的高電壓下運行，并且集檢測、轉換和限流于一身，限制短路電流的能力更是在毫秒級的時間內。目前超導限流器主要有4種類型，分別為電感型（即變壓器型)、電阻型、飽和鐵心型、磁屏蔽型；此外，其他類型的超導限流器[21]的原理也都為超導體的超導和正常兩種狀態(tài)的轉變來起到限流作用。但目前，由于應用在大功率場合的技術尚不成熟，在電工領域想要應用超導技術，還有很多條件的限制[33]。特別是其成本的昂貴，在不久的將來其大量實用化的可能尚且還不存在。換句話說，目前超導技術還不能作為新產品以滿足開發(fā)的要求，因其在實用化和商品化的程度上還達不到要求。更有，由于研制超導限流器還賴于超導技術的發(fā)展和其他相關技術的進步，這使研制超導限流器的實用化還有待商榷。1.2.2磁元件限流器磁飽和型短路電流限流器是采用磁元件構成的限流器[32]。如圖2-1所示，它由直流偏置電源、鐵芯、一次和二次線圈等組成。要使兩個電抗器的鐵心在正常工作情況下處于磁飽和狀態(tài)，可以選取適當?shù)脑褦?shù)，由于一次線圈的阻抗較低，所以當一次線圈中通過故障電流時，兩個電抗器的鐵心分別工作在正負半波，不飽和狀態(tài)，這情況下一次線圈的阻抗值變得很大從而對故障短路電流起到了限制作用。在理論上這種限流器是可行的，在一些場所也得到了應用，但是，因為很難設計合理的短路限制倍數(shù)，并且它的工作范圍較小，所以在發(fā)生大的短路電流時，很大的交流電壓將產生在直流繞組線圈中。如果用永磁體替代直流電源偏置回路從而構成無源磁體限流器，但達到這個條件的只有在小容量下有可能，可以利用的永磁體很難有合適的在大容量等級下。圖2-1磁飽和性限流器1.2.3PTC電阻限流器PTC電阻，一種非線性電阻，當在室溫時，它的電阻值非常的低，但電阻迅速增加在當溫度升高到一定值時。在低壓領域，有利用這種特性而研制的故障限流器，已經在商業(yè)上有了相關應用。電路正常運行的情況下，壓降低、電阻小，不用專門的散熱設備去處理產生的焦耳熱損耗，而是僅通過和空氣發(fā)生對流、傳導、輻射等途徑就能使之達到熱平衡；當發(fā)生短路故障時產生過電流，PTC電阻發(fā)熱膨脹由短路電流超過臨界電流值引起，電阻溫度迅速增加，熱量來不及散發(fā)出去，在微秒時間內，PTC電阻的阻值增加至高阻值狀態(tài)，從而起到限制短路電流的作用。由于在溫度升高時，PTC的電阻值在瞬間增加到室溫電阻的近108倍，會產生很大的過電壓在限制短路電流時，因此必須并聯(lián)過壓設備在PTC電阻的兩端。在限流過程中，PTC的電阻會膨脹，所以要在充分考慮連接設備的熱和機械的強度下必須采用特別的鏈接設備。PTC電阻必須串并聯(lián)使用，因為其固有的電壓和電流額定值只有幾百伏和幾安，其值并不高，這也在一定程度上限制了其應用在高壓系統(tǒng)中。PTC電阻每次都需要幾分鐘的恢復時間，當在每次限制短路電流故障被切斷后，此外，這種限流器也會導致性能變壞在使用多次后，所以必須即使更換。1.2.4固態(tài)限流器（1）諧振式限流器該類限流器包含串聯(lián)諧振型故障限流器和并聯(lián)諧振型故障限流器兩大類。①并聯(lián)諧振型故障限流器[22]在電力系統(tǒng)正常運行時，并聯(lián)諧振型故障限流器處于非諧振狀態(tài)，而在短路故障發(fā)生時處于諧振狀態(tài)，即導納Y=0，通過增大線路的阻抗以限制短路電流。并聯(lián)諧振型故障限流器的拓撲結構如圖2-2所示：圖2-2并聯(lián)諧振型故障限流器的拓撲結構電力系統(tǒng)正常運行時兩個GTO開關處于關斷狀態(tài)，負荷電流流經電容C并對對系統(tǒng)進行了串聯(lián)補償；當故障發(fā)生時，外部檢測電路對GTO產生的脈沖信號使得兩個GTO輪流導通，迅速接入電感并和電容C發(fā)生并聯(lián)諧振，來產生高阻抗，從而限制短路電流。在這里接入的限流阻抗的大小由電容C、電感和電阻R和電感線圈決定，其值為：圖2-2中，為防止GTO開通和關斷時出現(xiàn)過電壓和過電流，串聯(lián)了C1、R1作為GTO的緩沖電路；為保護電容器，加裝ZnO為氧化鋅避雷器，為過電壓吸收裝置。這種形式的FCL，其優(yōu)點為系統(tǒng)正常運行時因為GTO不承擔負荷電流，所以損耗小，并且對線路電抗起到了串聯(lián)補償?shù)淖饔?，但問題是，在故障期間，電容上的過電壓和過電流由諧振引起，容易造成FCL因為擊穿電容器而失敗。②串聯(lián)諧振型故障限流器串聯(lián)諧振型故障限流器的拓撲結構如圖2-3所示，在電力系統(tǒng)正常工作運行時處于諧振狀態(tài)，系統(tǒng)阻抗Z>0，發(fā)生短路故障時，處于非諧振狀態(tài)，阻抗Z增大，起到限制短路電流的作用。圖2-3串聯(lián)諧振式故障限流器正常運行時，L2與C發(fā)生串聯(lián)諧振，阻抗Z>0，故障時，SCR閉合使L2接入電路從而得以限流。其中L1的作用僅是保護固態(tài)開關不受大電流沖擊。由于限流電感值比較小，所以在大負載電流系統(tǒng)中，這種限流器的主要缺陷是所需要的補償電容數(shù)量級極大，在實際應用根本無法投入使用。（2）可變阻抗式限流器可變阻抗式限流器的拓撲結構如圖2-4，和串聯(lián)諧振式限流器的拓撲結構相同，但是不一樣在于控制原理的不同。在正常情況下，SCR關斷，C與L1串聯(lián)，使線路阻抗為0；但當故障發(fā)生時，通過SCR的控制使得L2與C發(fā)生并聯(lián)諧振，增大線路阻抗從而限制短路電流。但它作為一種后備保護，在故障發(fā)生時，電容C受到破壞，那么L1的感抗wL1應大到足以限制故障電流的水平。這種類型的故障限流器的缺陷是，在運行過程中會產生有大量的諧波。圖2-4可變阻抗式限流器（3）無損耗電阻器限流器無損耗電阻器限流器的拓撲結構如圖2-5所示，它是由8個應用PWM技術的IGBT組成的橋式電路，該橋路的“等效電阻”是通過控制IGBT開關的調制頻率來控制的。調制頻率將非常高，才能使短路時呈高阻值，但這樣會造成IGBT的損耗很大；同時，該橋路若無其他特殊措施將產生很多不需要的諧波電流，將無法在交流狀況下正常工作。圖2-5無損耗電阻器限流器（4）混合式故障限流器圖2-6為交直流混合限流器的拓撲結構，系統(tǒng)正常運行時由機械開關SW1閉合流通負載電流，發(fā)生短路故障時，限流器會利用預先沖好的電容內存儲的能量給SW1進入反響電流從而達到限流和切斷短路故障的目的。但使結構復雜，成本較高使此限流器缺點，因此使用范圍也非常有限。圖2-6混合式故障限流器（5）橋式故障限流器[23]圖2-7為固態(tài)橋式短路電流限制器的拓撲圖。它由晶閘管橋路S1~S4，限流電感和輔助充磁電路組成。在電力系統(tǒng)正常運行期間，S1~S4常加觸發(fā)脈沖，調節(jié)Vb使始終大于線路電流的峰值，使得導通四個晶閘管，在這情況下限流器對不表現(xiàn)出任何阻抗。而當故障發(fā)生時，線路電流急劇上升直到電感電流的大小，此時截止限流電感的續(xù)流通路并自動串入故障線路，