Ограничение тока короткого замыкания в энергетических системах и применение ограничителей тока короткого замыкания (FCL)

0 Введение​
С развитием энергетических систем и увеличением нагрузочных требований интеграция крупногабаритных генерирующих установок и подстанционного оборудования, особенно появление крупных электростанций в центрах нагрузки и взаимосвязь крупных энергетических систем, неизбежно приводит к непрерывному росту уровней короткого замыкания. Без эффективных ограничительных мер эта тенденция не только значительно увеличит затраты на оборудование для новых подстанций, но также серьезно повлияет на линии связи и трубопроводы существующих подстанционных объектов, что может потребовать значительных средств на реконструкцию и модернизацию.

На ранних этапах развития системы, когда ее мощность мала, а уровни короткого замыкания низкие, увеличение короткого замыкания обычно можно решить путем замены коммутационных устройств — другое подстанционное оборудование часто имеет достаточный запас прочности на этом этапе. Однако, когда мощность энергетической системы велика, уровни короткого замыкания высоки, и короткое замыкание продолжает расти из-за взаимосвязи системы или дальнейшего расширения мощности, простая замена выключателей уже недостаточна. Существующие подстанции могут потребовать не только замены выключателей, но и улучшений или замены главных трансформаторов, разъединителей, измерительных трансформаторов, шин, изоляторов, конструкций, фундаментов и заземляющих систем. Кроме того, линии связи могут потребовать экранирования или даже перевода на подземные кабели связи.

Из-за различных факторов новые крупногабаритные генерирующие установки и электростанции продолжают интегрироваться в сеть 220 кВ, что приводит к чрезмерно быстрому увеличению уровней короткого замыкания. Прерывная способность и динамическая стабильность многих выключателей 220 кВ, а иногда и целых подстанций, уже не соответствуют растущим уровням короткого замыкания, создавая серьезные технические и экономические вызовы. Исследования по ограничению короткого замыкания, следовательно, крайне необходимы.

​1 Традиционные меры ограничения тока и их ограничения​
Ограничение короткого замыкания можно рассматривать с точки зрения структуры системы, эксплуатации и оборудования. Традиционные меры включают следующие категории, но каждая из них имеет значительные ограничения:

• ​a. Регулирование структуры сети​
  Включает развитие сетей более высокого напряжения, разделение сетей низкого напряжения/шин и разделение сетей.
• Развитие сетей более высокого напряжения: требует больших инвестиций и связано с экологическими проблемами.
• Разделение сетей низкого напряжения/разделение: легко реализуется, имеет значительный эффект ограничения тока, но снижает запасы безопасности системы и ограничивает оперативную гибкость, делая его подходящим только для необходимых ситуаций.
• ​b. Технология постоянного тока (DC) для взаимосвязи​
  Постоянный ток (DC) для взаимосвязи может значительно снизить короткое замыкание, но инвестиции в конвертерные станции на обоих концах очень высоки. Для коротких соединений с низкой мощностью обмена это решение экономически нецелесообразно.
• ​c. Трансформаторы с высоким сопротивлением​
  Использование трансформаторов с высоким сопротивлением для ограничения короткого замыкания на стороне низкого напряжения является широко применяемой мерой. Однако эти трансформаторы имеют более высокие потери при стабильной работе, что влияет на экономику системы.
• ​d. Последовательные реакторы​
  Последовательные реакторы, с成熟的电力系统和不断增长的负载需求，导致了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和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，这一趋势不仅会显著增加新变电站的设备投资，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和升级。 在系统发展的早期阶段，当系统容量较小且短路电流水平较低时，增加的短路电流通常可以通过更换开关设备来解决——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、结构、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继续并入220kV电网，导致短路电流水平过快增长。众多220kV断路器——甚至整个变电站——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。 **1 传统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、分割低电压等级电网/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。 * 低电压等级电网分割/分离：实施简单，限流效果明显，但会降低系统安全裕度，限制运行灵活性，只适用于必要场景。 * **b. 直流互联技术** * 直流互联可以显著降低短路电流，但两端换流站的投资极高。对于短距离、低功率交换的互联，这种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短路电流是一种常用措施。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，其在超高压系统中的应用会增加网络损耗，降低系统稳定性，限制了适用性。 * **e. 设备扩容和改造** * 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限流装置已成为当务之急。故障电流限制器（FCL）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 的模型和基本原理** * FCL 的基本原理源于串联电抗器限流技术，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：开关器件闭合，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部分： 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. 快速开关器件：在故障期间迅速动作，在“无电抗”和“有电抗”状态之间切换。 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 的功能和设计要求** **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的方法，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、更难切断的故障电流。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、电压和频率稳定性。 * 提高设备和线路利用率：如果 FCL 在短路电流峰值之前动作，可以减少热稳定和动稳定极限的要求，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制电流缩短了非故障线路的电压暂降时间，确保电网电压稳定。 * 减少对周围设施的干扰：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（在 1-2 毫秒内），限制峰值和稳态短路电流，不产生过电压等副作用。 * 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工作逻辑。 * 合理的成本和高性价比，满足公用工程应用需求。 **2.3 各种 FCL 实施方案比较** **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 | 已淘汰 | | 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 | 试验阶段 | | 电力电子 FCL | 控制灵活，响应快，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 是目前最优的解决方案。前者简单可靠，但受材料技术限制；后者控制能力强，随着电力电子成本的下降，已成为工程可行的选择，是最具前景的研发方向。 **2.5 FCL 未来的研究方向** * 未来的 FCL 研究应集中在“性能优化、功能集成和工程适应性”。关键方向包括： 1. 可连续调节阻抗的变换器：超越当前的“双态阻抗（零或无穷大）”限制，开发响应式、可连续调节的阻抗变换器，动态匹配更高的阻抗与更大的故障电流。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）以增强系统自动化。 2. 与 FACTS 控制器的集成：开发综合控制装置，将 FCL 与其他 FACTS 组件（如 SVG、SVC）结合，提高整体成本效益，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。作为一种新型保护装置，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 已具备理论基础和工程实用性。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 技术的不断发展，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 控制器协作，进一步推动可控交流输配电系统的发展。