故障电流限制器的分类及应用
中石化石油工程设计有限公司的研究人员杨连殿，在2015年第1期《电气技术》杂志上撰文，针对配电系统中存在的短路电流过大的问题，讨论了故障电流限制器的分类，列举了各类故障电流限制器的典型应用及其优缺点，通过工程实例，分别对限流电抗器和Is-limiter的应用可行性进行了分析。
在变电所改扩建工程中，常常遇到因为变压器增容、负荷增加等原因而导致短路电流水平上升的问题。短路电流增大，有可能导致原有电气设备短路电流水平不足，开关设备不能正常开断短路电流，进而引发设备及导体的动热稳定等一系列问题。
在工程设计中，常采用变压器分列运行，采用高阻抗变压器或在变压器回路中装设限流电抗器(CLR, Current limit reactor)等手段[1]来限制短路电流。
但对于改扩建工程来说，由于原有系统的主接线及电气设备短路电流水平限制，有时候即使在采用高阻抗变压器且分列运行的情况下，也不可避免的出现短路电流水平超出原有设备短路电流水平的情况。
因此，常在新建变压器回路中装设串联限流电抗器，以达到限制短路电流的目的。
近半个世纪以来，随着科学技术的进一步发展及制造水平的提高，出现了各种类型的故障电流限制器，有些在国外已经有了一定的运行经验，以下将分别对这些故障电流限制器加以论述。
1 故障电流限制器的分类
限流电抗器可以看作故障电流限制器的一种，此外，还有快速限流器(Is-limiter)、超导故障电流限制器(SFCL，Superconducting fault current limiter)、固态故障电流限制器(SSFCL，Solid-state fault current limiter)等。
1.1 限流电抗器CLR[2,3]
这是电力系统中最常用的一种限流方法，将CLR串联在发电机、变压器、母联或馈电回路中，可以起到限制短路电流的目的。下图为限流电抗器的各种典型应用。
图1 限流电抗器CLR的典型应用
限流电抗器可以有效的限制短路电流，相对于大面积更换开关柜等电气设备来说，价格低廉，故得到了广泛的应用。但在限制短路电流的同时，限流电抗器在回路中引入了一定的阻抗，造成部分电压损失，影响大电机的启动，对于有载调压变压器的有载调压及线路工频过电压[4]也有一定的影响。
2009年12月，浙江500kV瓶窑变投入了一台8W，2000A的限流电抗器，起到了很好的限流作用。
1.2 快速限流器
Is-limiter是ABB公司研发生产的一种故障电流限制器，自1960年以来，已经在世界范围内有了数千安装实例。其原理图如图2-2所示。
正常工作时，电流流经主导体；发生短路故障时，如果短路电流超过预设的数值，测量脱扣单元断开主导体，由并联高断力熔断器在第一个周波内开断故障电流，时间小于1ms。
发生短路故障以后，主导体及并联高断力熔断器等部件需要更换，其余部分可重复利用。
图2 Is-limiter原理图
Is-limiter除可用于母联回路及发电机回路(参见图2-1(a)、(b))外，还具有如图2-3的典型应用，其中图2-3(a)的连接方式可以避免限流电抗器引起的电压损失，图2-3(b)中的Is-limiter具有方向电流保护的功能。
图3 Is-limiter的典型应用
Is-limiter具有较高的可靠性，在国外具有良好的业绩，在国内工业配电系统也得到了一定的应用，如2008年7月在上海宝钢投运的12kV Is-limiter等。
1.3超导故障电流限制器SFCL
随着二十几年前高温超导体(HTS，Hightemperature superconductor，冷却温度-196℃，冷却介质液氮)的诞生，SFCL随之出现。根据工作原理不同，又可分为电阻型SFCL和磁屏蔽型感应型SFCL两种。
电阻型SFCL等效原理图见图2-4，该型故障限流器由超导线圈和并联电阻组成。超导线圈浸于低温冷却介质中，由引线串入线路，高压开关与限流器串联，用以切断限流电流或低于临界电流的负荷电流。
图4 电阻型SFCL原理图
电阻型SFCL结构简单，反应速度快。但系统正常运行时，电流流过超导体，损耗较大；发生故障时，超导体须承受所有短路功率，因此超导材料特性须高度一致，避免形成热点烧毁超导体。
磁屏蔽型感应型SFCL等效原理图见图2-5。该型故障限流器外侧即变压器原边为铜线圈，铜线圈与被保护电路相连，铁芯和铜线圈之间为超导圆筒，超导圆筒在制冷器内。
系统正常运行时原边线圈产生的交流磁场被超导圆筒屏蔽，限流装置的阻抗决定于铜线圈和超导圆筒之间的漏抗，短路故障时，短路电流超过临界电流，超导圆筒从超导态转变为常态，超导圆筒不足以屏蔽原边线圈产生的交流磁场，交流磁场穿过超导圆筒进入铁芯内，超导圆筒电阻迅速增加，装置相当于变压器，原边绕组电感恢复正常值起到限制短路电流的作用。
图5 磁屏蔽型感应型SFCL原理图
磁屏蔽型感应型SFCL超导材料需求量少，无引流线，漏热少，交流损耗小，制冷要求低；但限流器内含铁芯，体积大，价格高；限流过程产生暂态过电压，为减少电路正常运行时铁芯磁滞损耗，设计时须考虑超导体形状。
两种SFCL均可用于母联回路、馈电回路及变压器回路，参见图2-1(a)、(c)、(d)。
1.4 固态故障电流限制器SSFCL
SSFCL原理图见图2-6，正常运行时，电容C1与电感L1发生串联谐振，总阻抗表现为零；发生短路故障时，固态开关SW1高速闭合(小于3ms)，电感L1接入回路，起限流作用，阻抗Z1可限制通过固态开关SW1的涌流。
为进一步增强其可靠性，增加了氧化锌避雷器及旁路(由Z2及BPS组成)，旁路作为固态开关SW1的后备。
图6固态故障电流限制器SSFCL原理图
SSFCL采用电子元件，动作速度快，允许动作次数多，可以有效限制短路电流暂态峰值。但由于电子元件容量较低，用于高电压、大电流场合需要多个元件串并联，目前制造难度大，可靠性低、成本高。
2 故障电流限制器的选择
2.1 工程简介
国外某油田，目前已探明原油储量达180亿桶（24.33亿吨），是世界上迄今为止最大的五个未开发油田之一。该油田将分三期进行开发，预计一期建成48口油井，稳产后日产原油8.5万桶；二期预计增加油井30口，建成后总产量达到每天18.5万桶；三期工程尚在概念设计阶段，预计建成后总产量达到每天30万桶。
该油田设一座中心处理站，一期、二期的用电均由中心处理站的发电厂供给。一期用电负荷约40.8MW，配备5台油气两用发电机，4用1备，单台额定容量16MW，额定电压11kV；二期用电负荷约27MW，配备4台同样的发电机，所有发电机中性点采用低电阻接地，其电气接线原理图见图3-1。
图7某油田供电系统电气接线原理图
利用ETAP 7.1计算软件分别对一期、二期工程及一期+二期工程进行短路电流计算，得到计算结果如表3-1、图3-2所示。
由计算结果可知，当母联断路器闭合时，11kV母线三相短路电流有效值及峰值将分别达到77.6 kA和196.4 kA，这远远超出了普通中压开关柜的短路耐受能力。因此，可以考虑在母联回路中装设故障电流限制器，以达到限制短路电流的目的。
表1 三相短路电流计算结果
图8三相短路电流
2.2 采用限流电抗器CLR
在母联回路中装设不同容量的CLR，得到计算结果如表3-2、图3-3所示。在不等于¥的各种情况下，电抗器的电压损失均不超过5%。
由表3-2可知，当CLR的值等于1W时，11kV母线I、II段三相短路电流有效值均小于50kA，但I段母线三相短路电流峰值为131kA，大于所选11kV开关柜的短时耐受电流峰值(125kA)；CLR等于2W时，11kV开关柜满足短路电流的要求；而随着CLR电抗值的增大，其限流效果逐渐变的不明显，当CLR为无穷大时，所得到的计算结果即为两端母线分列运行的短路电路值。
因此，可以考虑在2~10W间选择一个恰当的数值，来确定所需的限流电抗器。
表2 装设CLR后的短路电流计算结果
图9装设CLR后的三相短路电流
2.3 采用Is-limiter
综合考虑可靠性、运行经验和成本，Is-limiter是一个较好的选择。Is-limiter响应时间短(< 1ms)，可以认为短路故障刚出现时，母联即分断，两段母线分列运行。
Is-limiter可预设整定值，其测量脱扣单元通过检测短路电流的幅值和di/dt来分辨故障电流，当短路电流大于整定值时，Is-limiter动作，开断短路电流，当短路电流小于整定值时，Is-limiter不动作，由母联断路器开断短路电流；Is-limiter具有方向电流保护功能，可判断不同母线段的短路故障。
图3-3给出了Is-limiter开断故障电流时的三相短路电流波形图，其中虚线为未装设Is-limiter时的短路电流，从上往下依次为一期+二期、一期、二期的短路电流；实线为装设Is-limiter后一期和二期的短路电流。
从图中可以看出，装设Is-limiter后，I段母线三相短路电流峰值不超过125kA，所选开关柜满足要求；II段母线的情况与之类似。
图10装设Is-limiter后的三相短路电流
3 结论
通过以上章节的讨论，可以得出如下结论：
（1）对短路电流的限制是一个需要综合考虑的问题。在设计初期，若能预见到会出现很大的三相短路电流，应从电气主接线及运行方式上对其进行限制，如采用高阻抗变压器、变压器分列运行等手段。在不可避免出现短路电流过大的情况下，可针对不同的情况选择不同的短路电流限制器加以限制。
（2）限流电抗器结构简单、可靠性好、造价低廉，在通常情况下，应首先考虑选择限流电抗器；但限流电抗器同时存在尺寸大、笨重等缺点，且会造成一定的电压损失。
（3）Is-limiter动作快，自带测量脱扣单元，具有较好的可靠性和良好的运行业绩。在配电室布局紧张，或对电压质量要求较高的场合，可考虑选择Is-limiter。为此，在上述工程中，选择Is-limiter来限制故障电流。
（4）超导故障电流限制器和固态故障电流限制器由于造价高、结构复杂、可靠性低，尚未得到大面积应用，目前尚处于试运行阶段。