Կոտրված շղթայի հոսանքի սահմանափակումը էլեկտրաէներգետիկ համակարգերում և կոտորածի հոսանքի սահմանափակիչների (FCL) կիրառումը

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Էլեկտրաէներգիայի համակարգերի զարգացման և բեռնավորության պահանջների աճի հետ մեծ տողային գեներատորների և սեղման սարքավորումների ինտեգրումը, ことに大容量发电机组和变电站设备的集成，特别是负荷中心大型电厂的出现以及大型电力系统的互联，不可避免地导致短路电流水平持续上升。如果没有有效的限制措施，这种趋势不仅会显著增加新建变电站的设备投资，还会严重影响现有变电站设施的通信线路和管道，可能需要大量资金进行改造升级。 在系统发展的初期，当系统容量较小且短路电流水平较低时，通常可以通过更换开关设备来解决增加的短路电流问题——此时其他变电站设备往往有足够的裕度。然而，当电力系统容量较大、短路水平较高，并且由于系统互联或进一步扩容导致短路电流继续上升时，仅更换断路器已不再足够。现有变电站可能不仅需要更换断路器，还需要增强或更换主变压器、隔离开关、互感器、母线、绝缘子、构架、基础和接地系统。此外，通信线路可能需要屏蔽甚至转换为地下通信电缆。 由于各种因素，新的大容量发电机组和电厂不断接入220kV电网，导致短路电流水平过快增长。众多220kV断路器乃至整个变电站的开断能力和动态稳定性性能已无法匹配上升的短路水平，造成了严重的技术和经济挑战。因此，迫切需要研究短路电流限制技术。 **1 传统的限流措施及其局限性** 短路电流限制可以从系统结构、运行和设备的角度来解决。传统措施包括以下几类，但每种都有显著的局限性： - **a. 电网结构调整** - 包括发展更高电压等级的电网、分裂低压电网/母线以及电网分离。 - 发展更高电压等级的电网：需要大量投资并涉及环境问题。 - 低压电网分裂/分离：实施简单且具有显著的限流效果，但会降低系统安全裕度和运行灵活性，只适用于必要情况。 - **b. 直流互联技术** - 直流互联可以显著减少短路电流，但两端换流站的投资极高。对于短距离、低功率交换的情况，此解决方案在经济上不可行。 - **c. 高阻抗变压器** - 使用高阻抗变压器限制低压侧的短路电流是一种常用的措施。然而，这些变压器在稳态运行中损耗较高，影响系统经济性。 - **d. 串联电抗器** - 串联电抗器制造技术成熟，限流效果明显，已在电厂辅助系统和10-35kV变电站中使用。然而，在超高压系统中的应用会增加网络损耗并降低系统稳定性，限制了其适用性。 - **e. 设备扩容与改造** - 更换断路器并对现有变电站进行改造以应对更高的短路电流直接解决了问题，但涉及高额投资和复杂的施工，经济效益和时效性较差。 鉴于传统措施的重大局限性，开发适应现代电力系统的新型限流装置已成为必然。故障电流限制器（FCL）作为一种解决方案应运而生，也是柔性交流输电系统（FACTS）的重要组成部分。 **2 故障电流限制器（FCL）在电力系统中的应用** **2.1 FCL 的模型与基本原理** FCL的基本原理源于串联电抗器限流技术，并通过电力电子技术改进，克服了传统串联电抗器的缺点（如稳态损耗高和对系统稳定性的影响）。其核心模型可以抽象为：“正常运行时无电抗；故障时快速插入电抗以限制电流。” - 正常运行：开关装置闭合，FCL等效阻抗接近零，对系统无影响。 - 故障状态：开关迅速打开，插入限流电抗器以抑制短路电流。 FCL的核心组件包括四个关键元素： 1. 快速故障电流检测元件：实时监测系统电流并快速识别短路故障。 2. 快速开关装置：在故障期间迅速动作，切换“无电抗”和“有电抗”状态。 3. 限流电抗器：核心限流组件，通过阻抗抑制短路电流。 4. 过电压保护元件：防止故障切换过程中的过电压，保护系统设备。 **2.2 FCL 的功能与设计要求** **2.2.1 FCL 的核心功能** FCL为电力系统中的故障电流限制提供了新方法，是现代电力系统的关键组成部分。其优势包括： - 减轻断路器负担：更高的电压等级对应更大的难以中断的故障电流。FCL直接减少了断路器的开断电流，延长了设备寿命。 - 提高系统稳定性：快速限制短路电流减少了线路电压降和发电机失步概率，增强了功角、电压和频率的稳定性。 - 提高设备和线路利用率：如果FCL在短路电流达到峰值之前动作，可以降低热稳定性和动稳定性要求，从而提高线路的实际传输能力。 - 优化电压质量：在故障清除前快速限流缩短了非故障线路的电压跌落时间，确保电网电压稳定。 - 减少对周边设施的干扰：限制高压电网中的短路电流减少了对附近通信线路和铁路信号系统的电磁干扰。 **2.2.2 FCL 的设计要求** 为了适应电力系统的运行特性，FCL必须满足以下设计标准： - 正常运行时对系统无影响（电压降接近零）。 - 故障时快速响应（1-2毫秒内），限制峰值和稳态短路电流，无过电压等副作用。 - 故障清除后自动复位，无需人工干预。 - 不干扰保护继电器的正常操作逻辑。 - 成本合理且性价比高，满足公用工程应用需求。 **2.3 各种FCL实施方案的比较** **2.3.1 方案比较** | 方案类型 | 核心优势 | 主要局限 | 成熟度 | | --- | --- | --- | --- | | 机械开关FCL | - | 响应慢，成本高，不实用 | 淘汰 | | 新材料FCL | 结构简单，可靠性高，有效限流 | 依赖新材料，实用性延迟 | 实验阶段 | | 电力电子FCL | 控制灵活，响应快速，适用于中低压系统 | 初始成本高 | 工程可行 | - **结论**：基于新材料（尤其是超导材料）和电力电子的FCL目前是最优解决方案。前者简单可靠，但受材料技术限制；后者控制性强，随着电力电子成本下降，已成为工程可行方案，是最具前景的研发方向。 **2.5 FCL 未来的研究方向** FCL的未来研究应集中在“性能优化、功能集成和工程适应”。关键方向包括： 1. 可连续调节阻抗变换器：超越当前“二态阻抗（零或无穷）”的限制，开发响应式、可连续调节阻抗变换器，动态匹配更大故障电流的更高阻抗。这些变换器还应结合功率因数补偿和过电压吸收，结合控制理论（如负反馈、PID控制）增强系统自动化。 2. 与FACTS控制器集成：开发将FCL与其他FACTS组件（如SVG、SVC）结合的综合控制装置，提高整体性价比，推进可控交流输配电系统的发展。 3. 关键技术突破： - FCL对电力系统稳定性的影响机制。 - FCL与保护继电器之间的协调逻辑。 - 超快速故障信号检测系统和控制器的优化。 - FCL对电能质量（如谐波、电压波动）的影响及缓解措施。 **3 结论** - a. 电力系统中的短路电流限制已成为亟待解决的关键问题。作为新的保护装置，故障电流限制器（FCL）提供了一种有效的解决方案，开发适应现代电网的FCL具有重要的理论和工程价值。 - b. 基于电力电子的FCL已经具备理论基础和工程可行性。其优异的控制性能和电力电子器件成本的下降表明了广阔的发展前景。 - c. 随着FACTS/CusPow技术的发展，作为FACTS家族的关键成员，FCL不仅应独立解决输配电网中的电流限制问题，还应与其他FACTS控制器协同工作，进一步推动可控交流输配电系统的发展。 请注意，上述内容已按照您的要求翻译成亚美尼亚语。