4. 限制短路电流的 措施

4.1. 限制电流

在高、中压电网采用串联限流电抗器等措施来限制短路电流，实现短路电流水平满足开关遮断容量的要求是目前最为有效和通行的限制短路电流的措施。随着系统短路容量的不断增加，主网内越来越多的降压变压器中、低压侧，甚至 750 kV 及以下线路都需要加装限流电抗器以限制短路电流，电抗器能够减小短路电流和使短路瞬间系统的电压保持不变。

如图 2 所示系统短路电流有效值 63kA ，峰值 168.2kA ；加装限流电抗器后，短路电流有效值降低到 32.74kA, 短路电流峰值降到 83.4kA 。

图 2 电抗器限流短路电流对比

中压电网零损耗深度限流装置主要 由快速换流器 、深度限流器、快速识别器及电流采集器等组成。正常运行时快速换流器闭合，一旦发生短路故障，快速换流器最晚可在 7 ～ 8 ms 之内动作，在短路电流的第一次过零点投入深度限流器，零损耗深度限流装置立即由“零损耗”状态转变为“深度限流”状态。零损耗深度限流装置不仅限流效果可以做到足够深，而且克服了常规限流电抗器和高阻抗变压器存在的电能损耗和电压波动问题，避免了限流电抗器漏磁场带来的电磁干扰和附加损耗问题。零损耗限流技术，采用短路故障快速识别和快速分断短路电流，能克服限流电抗器正常运行时带来的巨大电能损耗，解决电压波动及漏磁场等问题，电抗器的参数可以按要求的任意限流深度来设计。采用深度限流器、快 速换流器、快速识别器构成基本的限流单元，结合高压、超高压绝缘平台及其取能技术，按照系统要求的限流 深度采取多级限流单元串联的方法，可以将零损耗深度限流技术应用到高压、超高压电网。

零损耗深度限流装置设置了短路后快速投入功能、带电后自动退出功能、误跳后自动愈合功能以及远方测控和事件记忆功能。当线路发生短路故障时，快速换流器在 7 ～ 8 ms 之内动作，在短路电流的第一次过零点投入深度限流器实现深度限流。当故障支路被切除或线路自动重合闸动作成功后，快速换流器自动合闸，将深度限流器短接，实现“零损耗”运行。正常运行条件下时，万一发生快速换流器误跳闸，则快速识别器自动控制其合闸，实现自愈，避免发生不对称运行。

a. 极速开关型无损耗限流装置 ，如图 3 所示，采用超快速真空断路器（极速开关）与电抗器并联，工作原理是正常时极速开关将电抗器短接，处于零损耗状态；短路时极速开关快速分闸，使电抗器投入限流。解决了电抗器长期运行带来巨大的运行损耗问题。极速开关是采用快速涡流驱动技术操作机构的真空断路器，快速涡流驱动靠电磁斥力为动力，航空母舰上电磁弹射器的工作原理就是通过弹射导轨的载流导线在磁场中运动，利用磁通量瞬间巨大变化产生的感应电磁斥力将飞机弹射升空，因此速度快；基于电磁感应涡流原理的电磁斥力机构和传统操动机构相比，其结构简单，分闸速度快，具有机械延迟时间短，初始反应速度快等优点，特别适合于驱动灭弧室动触头高速分闸，而触头的保持力则通过永磁保持机构实现，寿命高达 10 万次，具有保持力大且稳定的优点，电磁斥力击鼓和永磁保持机构结合使得大容量快速机械开关性能更加优越。极速开关主要组成包括：真空灭弧室、分合闸励磁线圈、涡流盘、储能电容器、永磁铁等，开关动作时通过电平信号触发可控硅导通，电容器向线圈放电，线圈产生的磁通，在涡流盘中感应涡流并与磁场产生互斥作用，驱动涡流盘带动灭弧室动触头上下运动，与传统断路器相比，快速涡流驱动开关速动性提高 10 倍。合闸时间 8ms 以内，分闸时间可以控制在 5ms 以内，而传统 10kV 真空断路器分合闸时间为 60ms 左右。短路故障快速识别技术是利用电流瞬时值和电流变化率同时越线作为判据， 0.3 ～ 0.4ms 实现短路电流有效值的快速预测，在短路故障发生后的 2 ～ 3ms 完成短路电流有效值的识别和过零点的预测，基于快速涡流驱动技术的智能高速开关是分相控制的，分闸分散度做到 0.1ms 以内，合闸分散度可以做到 0.2ms 以内，普通真空断路器为 2-3ms 。利用智能高速开关作为执行部件，可实现真正意义上的“过零开断”。

图 3 极速开关型无损耗限流装置

b. 恢复爆破桥式高速限流开断装置 ，图 4 所示，通过限流器和电抗器并接的方式实现。其工作原理是：工作时，限流器处于导通状态，工作电流从限流器实心铜母线路径通过，阻抗为零，没有任何损耗；当短路发生时，限流器动作快速打开，将电抗器投入进行限流，由于价格低廉被广泛使用，但采用爆炸桥强行开断短路电流限流器，每一次限流后需停电更换爆炸桥，所以不能广泛地应用于限制短路电流的各种场合。针对一般限流器中的开关爆炸桥开断后需停电更换元件、不能快速恢复的缺点，研制出一种适用于各电压等级系统的结构简单、成本合理、无损耗、不用更换元件，可重复使用的电网短路电流限制装置就显得非常必要。

恢复爆破桥式高速限流开断装置采用自恢复爆破桥式高速限流开断装置与电抗器并联，工作原理同极速开关型无损耗限流装置相同，只是采用自恢复型限流器取代快速开关。发生短路后，在电流未达到峰值之前，在电流未达到峰值之前，首个半波 1-3ms 内限流器开断，电抗器投入运行，确保发电机和主变安全，对比于快速开关的开断时间为 5ms ，速度更快；开关柜内部预装有一套后备限流器；短路动作后，无需停电通过断路器合闸投入后备限流器保持续运行；按短路故障的平均间隔周期约 3 年一次估算，装置在投运后 3-5 年可不用更换备件，仅在大修停电时更换即可，彻底解决了“单一爆炸式开关”动作后更换一次性元件带来的运行成本增加和维护工作量加大等问题。

图 4 恢复爆破桥式高速限流开断装置系统图

由于电抗器价格比较高，并没有在线路中广泛使用，但从系统应用的长远效果来说，投资是值得的。