电力需求的不断增长导致了输电系统向长距离、大容量和高稳定性的方向发展，而提高系统稳定的方法之一是应用可控硅控制的串联补偿。另一方面，为了保持稳定输电，快速短路故障保护是非常重要的。一般的机械断路器切断短路电流需要两个或更多的周波，包括继电保护的动作时间。而与断路器一起使用的快速电流限制装置能缩短故障保护时间。
　　人们研究过一种并联谐振型电流限制器，运用高阻抗的串联电容器及与之并联的电抗器来限制故障电流。这种方法存在串联电容器的过电压问题或在故障保护期间由电容器容抗和系统电抗引起的谐振电流问题。本文研究的串联补偿故障电流限制器（FCL）能防止这些问题的产生，可作为超高压电力系统的一种新型的保护系统。

1　　回路构成及特点

1．1  回路构成

　　串联补偿FCL由一个带并联快速操作旁路开关的串联补偿电容器和一个与电容器串联的电流限制电抗器构成，如图1所示。由于电容器C₁和电抗器L₁的合成电抗呈容性，所以FCL能补偿输电线的串联电抗。与电容器并联的开关SW₁是由可控硅组成的固态开关，正常时处于断开状态，所以FCL呈串联补偿器工作状态。故障发生时，SW₁迅速接通，从而短路了旁路电容器，电抗器限制了故障电流，并且低阻抗Z₁限制了流过SW₁开关的涌流。过电压保护装置ZnO和作为SW₁开关后备的旁路开关BPS，被并联到C₁上。当BPS关闭时，低阻抗Z₂限制了涌流并释放电容器C₁的剩余电能。

1．2  回路特点

　　与传统的电流限制器相比，带串联补偿的FCL具有以下显著特点：
　　（1）通过固态开关控制快速电流限制。固态开关不仅提供比机械式开关更快的保护，而且能更快地重新启动串联补偿。
　　（2）固态开关无功耗。因固态开关中没有负荷电流流过，因此正常运行无功耗。
　　（3）电流限制和电容器保护并存。电流限制时旁路串联电容器能减轻电容器的过电压。
　　（4）通过串联补偿，提高设备使用率。传统的电流限制器仅起故障电流限制作用，而FCL在正常运行中能提供串联补偿。
　　（5）提高输电容量和系统稳定。电流限制装置只能限制故障电流，不能增加系统稳态稳定性下的输电容量，而FCL通过串联补偿能加强系统稳定区域。

1．3  限制率及补偿度

　　带串联补偿的FCL具有两种回路参数，即故障电流的限制率α及电力系统的补偿度κ，图2表示输电系统中的电抗分布，其中FCL安装在输电线的两端。

　　（1）限制率α（0．0≤α＜1．0）。以系统短路电流I_f和限制电流I_L，或系统电抗X和电抗器电抗X_L来定义限制率α：

    α越大时，FCL限制故障电流就越多，由式（1）可得到限制电抗X_L

　    由于FCLs装在输电线的两端，则每一FCL的容抗为它是电容器和电抗器的合成电抗：

2　　仿真

2．1  故障电流限制

　　运用电磁暂态程序（EMTP）来分析带串联补偿FCL的故障电流限制特性。
　　图3给出了供分析用的仿真系统。FCLs的应用如图3（a）所示，FCLs的参数是α＝0．5及κ＝50％，假设一回线发生三相接地故障。
    带FCLs的保护顺序如图3（b）所示。当FCLs自身不能切断电流时，故障线两端的断路器也会切断电流。FCLs限制短路电流比断路器要快，这是因为FCLs使用的是行波继电器，能在4～8 ms内探测到故障的发生。因此，从故障的发生到电流限制启动是5 ms，而断路器从故障发生、切断电流到消除故障则大约需要2个周波的时间（33．3 ms）。

　　图4（a）显示没有运用FCLs时，故障电流为23kA_{r ms}。图4（b）是采用FCLs后故障电流限制到10kA_rms，由于FCLs的阻抗，图4（b）中上升电流波形与图4（a）中不同。当串联电容器被固态开关旁路，限制电流没有引起串联谐振。图4（c）显示了电容器电压，由于故障电流流经电容器引起电压升高，然而过电压保护装置抑制了电压的升高，然后通过合上固态开关来降低电容器电压，开关所允许流过的电流如图4（d）所示。关闭合上后的瞬时峰值电流主要是串联电容器的放电电流，随后的是限制故障电流。

2．2 暂态稳定

　　带串联补偿的FCLs对输电系统稳定性的作用，可通过暂态稳定分析来评价。
2．2．1  分析条件 
　　用于分析的仿真系统是多机组系统，额定电压是500 kV_{r ms}（＝1．0 pu），共有14个电厂，总容量为37．6 GW，FCLs安装在250 km的双回输电线中，输电线从发电机G处传输电力至整个多机系统。图5（a）显示了FCLs的安装位置，假设一回线上靠近发电机G处发生一起三相短路故障，图5（b）显示了保护的顺序。故障发生后5 ms，SWs旁路串联电容器Xc来限制故障电流，CB1断路器在50 ms时切断了故障电流，固态开关控制能在100 ms时动作，重新启动串联补偿。分析参数是限制率α及补偿度κ，系统稳定是由系统受干扰时发电机G没有发生相位移时的最大输送容量来决定的。

2．2．2  分析结果 
　　图6显示了3600 MW传输容量时仅有机械断路器保护的电力系统振荡，母线电压和发电机出力在故障发生时下降。当故障消除时，电压和出力得到了恢复，发电机在1．15s时发生相位移，因此，3500 MW传输容量是带断路器正常保护电力系统的稳定极限。

　　带FCL保护的结果如图7所示，输电容量是6200 MW，FCLs的α＝0．2、κ＝50％。FCLs在故障发生后立即限制故障电流，而母线电压却仍保留在0．25 pu，发电机在故障期间仍在输出功率。故障消除瞬间，发电机出力大约为原来没有串联补偿单回路传输时的故障之前的60％，虽然经过重新投入电容器来启动串联补偿，但发电机出力恢复到故障发生前的90％以上，系统趋于稳定。这些结果表明，通过故障起始时的快速电流限制及故障消除后的串联补偿，FCL能提高系统的稳定性。

3  提高系统稳定性的讨论

　　图8显示了串联补偿FCL使输电容量得以提高，串联补偿的情况有无补偿、10％、30％及50％的补偿度。如果在故障线上的FCLs限制了故障电流并阻止了非故障线上的过电流，则在非故障线上的串联电容器在故障期间不需要过压保护。这是假设2．5 pu是电容器允许的过电压幅值。如果电容10％串联补偿时增加300 MW，30％补偿时增加1100 MW，50％补偿时增加2400 MW。这些值要比只有快速电流限制而忽略电抗器电抗的值大。为了略去非故障线上的电容器旁路保护，则补偿度越高就需要越大的电抗才能有效地抑制过电流，最低所需的电抗为10％串联补偿时的0．01 pu，50％补偿时的0．04 pu。当电抗为0．04 pu时，输电容量能在10％串联补偿时提高400 MW，30％串联补偿时提高1900 MW，50％补偿时提高3800 MW。对于在非故障线上没有电容器旁路保护的保护方法比有旁路保护的更能使系统稳定，因此FCL能提供有效的系统保护。

4  结论

　　FCL对提高电力系统的暂态稳定是有效的，这是因为电流限制能在故障发生后立即限制发电机转子加速，串联补偿能使加速的转子减速，起到提高输电容量的效果。而且，故障电流限制能在故障保护期间防止非故障线上的串联电容器上的过电压，并提供持续的串联补偿来稳定电力系统。FCL能很方便地运用于带串联补偿器的输电系统中。
　　周颖，浙江省电力试验研究所（310014），摘译自《IEEETransactions on Power Delivery》1996，11（2），王遵雯审校．