1.原理分析

大容量高速開關(FSR)又被稱為故障電流限制器、快速開關、高速限流保護開關、限流保護器、FCL(Fault Current Limiter)等。主要作用是在短路電流未上升到峰值之前，將其高速開斷。FSR原理接線圖見圖1。

圖中高壓載流橋體FS和特種高壓限流熔斷器FU在電氣上是并聯(lián)的，由于前者電阻為微歐級，后者電阻為毫歐級，故正常運行情況下，主導流母線中的電流幾乎全部流過高壓載流橋體FS。當系統(tǒng)發(fā)生短路事故時，特種電流互感器CT檢測到短路電流信號，將其傳遞給電子控制器ZK，由ZK進行信號的分析和處理。若短路電流信號超過整定值，ZK將發(fā)出點火信號，通過高壓脈沖變壓器MB，使高壓載流橋體FS在幾百微秒的時間內高速斷開;在其斷口開斷的過程中，故障電流轉移到特種高壓限流熔斷器FU中，由FU 最后開斷短路電流，切除故障。在FU熔斷過程中，線路上可能會產(chǎn)生瞬時過電壓，此時高能氧化鋅電阻FR對其進行限壓。各部分的動作時序如圖2所示。

圖2中

t=0 短路故障發(fā)生;

t=t1 電子控制器探測到故障并建立點火信號;

t=t2 快速隔離器打開，電流轉移到熔斷器中;

t=t3 熔斷器開始起弧;

t=t4 熔斷器內電弧熄滅，故障電流被徹底開斷，(t3～t4)為熔斷器的燃弧時間。

由此可見，在預期短路電流遠未發(fā)展到峰值之前，短路電流已經(jīng)被高速切斷。實際通過電力設備的短路電流的峰值ic在第一個半波被限制到預期短路電流峰值的(15～45)%，短路電流的持續(xù)時間為5 ms左右，保護了電力系統(tǒng)主設備免受損壞。大容量高速開關的技術參數(shù)見表1。

2.大容量高速開關與斷路器的比較

斷路器的開斷時間約為60～200ms; 斷路器開斷過程中不限流，雖可切除短路故障，但發(fā)電機或變壓器等設備因經(jīng)受不住短路電流電動力的沖擊，仍有可能損壞;普通斷路器開斷能力很有限,額定短路開斷電流小于50kA，在發(fā)電機出口等很多情況下不能滿足要求;采用開斷能力特大的發(fā)電機斷路器則價格非常昂貴，而且發(fā)電機斷路器也無限流功能。

大容量高速開關的開斷時間僅約5ms; 可將短路電流限制到預期值的15%～45%，可針對預期短路電流的水平進行整定，使發(fā)電機、變壓器等主設備不因高幅值短路電流的沖擊而損壞。

大容量高速開關開斷能力強，可開斷預期值為120～200kA的短路電流，價格遠比國外同類產(chǎn)品便宜。 專用于出口短路等災難性短路事故的保護，動作后需更換部件，一般不能重合閘。

由以上比較看出，大容量高速開關彌補了斷路器的不足，適合于短路電流有可能損壞發(fā)電機變壓器等主設備時的災難性短路事故的保護。在很多情況下是對付短路電流的唯一技術方案。

3.工程應用

3.1旁路限流電抗器

旁路限流電抗器接線如圖3所示。將FSR與限流電抗器或變電站原來裝備的限流電抗器并聯(lián)。由于FSR阻抗約為0.1mΩ(其中直流電阻約20μΩ)，而電抗器阻抗一般在0.15～0.9Ω(即150 mΩ～900 mΩ)之間，所以正常運行時電抗器被FSR短接而不起作用。短路故障發(fā)生時，F(xiàn)SR高速開斷，將電抗器投入起限流作用。

以一臺12kV/1500A，電抗率8%的中型限流電抗器為例，其阻抗約0.36歐姆，三相容量約2500kVA，其中有功損耗約50～100kW。接入FSR后：

①消除了電抗器巨大的無功損耗?？梢怨?jié)約裝設補償電容器的投資，已經(jīng)裝設的變電站，可以少投一些補償電容器。有利于改善系統(tǒng)的功率因數(shù)。

②電抗器對母線電壓質量有影響，一般會使母線電壓降低4～8%，若遇大型感性負載(如大容量電動機等)投入，則電壓降落更大。裝備FSR后上述電壓損失消除了，這無疑將使電壓質量得到提高，而提高電能質量一直是電力系統(tǒng)追求的目標。

③除無功損耗外，電抗器有功損耗也相當可觀，采用FSR后,有功損耗不到300W，年節(jié)約電費約50萬元。從這點上看，F(xiàn)SR起到了節(jié)能降耗的作用，這符合我國節(jié)約能源的國策。

④不影響原有繼電保護裝置的整定，使老變電站改造變得很容易。

⑤原來因顧及電抗器的缺點而不裝設限流設備的重要變電站可以放心加裝，進一步保證電力主設備的安全。

⑥避免采用高阻抗變壓器。

3.2使分段母線并列運行

大容量高速開關使分段母線閉合運行主接線如圖4所示，在母聯(lián)開關的位置串接一臺FSR，正常運行時母聯(lián)斷路器處于合閘位置，而不是傳統(tǒng)的母聯(lián)斷路器處于分閘位置。僅在出線發(fā)生短路、且預期短路電流值超過FSR整定值時，短路電流限制器才動作，隨后母聯(lián)斷路器分斷，使雙母線分裂運行。在國外，這種應用方式約占到FSR總應用的50%。其優(yōu)點是：

①降低網(wǎng)絡阻抗，改善電能質量;

②變電站擴建或變壓器增容后，無須更換所有出線斷路器，從而節(jié)約大量投資;

③提供閉環(huán)運行的可能性，提高供電可靠性。

④優(yōu)化負荷分配，增強系統(tǒng)的電壓調整能力。

3.3發(fā)電機或變壓器出口的短路保護

發(fā)電機出口保護如圖5所示，將FSR與普通斷路器一起直接串聯(lián)到發(fā)電機或變壓器出口。該應用不僅適用于中、小型水/火電廠，也適用于化工冶金企業(yè)的自備發(fā)電機、大電流試驗室用發(fā)電機、核聚變試驗用發(fā)電機、艦船用發(fā)電機等。在變壓器出口的應用主要是那些不要求重合閘的場合。

大容量發(fā)電機出口短路時，由發(fā)電機提供的短路電流的周期分量可超過90～100 kA;進一步考慮短路電流中含有約50～60% 的非周期分量，普通斷路器已經(jīng)無法使用。解決的辦法之一是采用昂貴的發(fā)電機專用斷路器作為斷路保護，此辦法的缺點是不限流，相關的電氣設備仍然要冒很大的被短路電流損壞的風險。辦法之二采取發(fā)電機—變壓器組死連接，二者之間用封閉母線的方式，以期避免相間短路的發(fā)生，此種接線方式的缺點是運行不靈活，變壓器高壓側斷路器操作/動作頻繁、壽命短，不便于檢修等。辦法之三就是采用FSR+普通斷路器，此辦法克服了上述兩個辦法的缺點。

3.4 發(fā)電廠分支母線和廠高變的短路保護

發(fā)電廠分支母線和廠高變的短路保護如圖6所示，將限流器與普通斷路器一起串聯(lián)到發(fā)電廠廠用電分支回路上。此用法適用于大、中型水電廠及火力發(fā)電廠。

當發(fā)電廠分支母線發(fā)生短路、或廠高變的高壓側或低壓側發(fā)生短路時，從發(fā)電機和系統(tǒng)兩方面同時向故障點提供短路電流，短路電流值比發(fā)電機出口短路時更大，考慮非周期分量后可達150～200 kA。盡管發(fā)電廠的廠高變采用了高阻抗變壓器及分裂繞組變壓器，但是各大型發(fā)電廠的廠高變仍然頻頻損壞。如裝機容量1200MVA的某發(fā)電廠運行十余年來其6臺廠高變已經(jīng)全部燒壞過一次，每次廠高變的事故都導致發(fā)電機停機，給發(fā)電廠和社會造成巨大的損失。裝備限流器后，當發(fā)生災難性短路時，由限流器快速切斷短路電流，即可有效地防止廠高變的損壞。

3.5 地區(qū)火/水發(fā)電廠上網(wǎng)保護

地區(qū)火/水發(fā)電廠上網(wǎng)保護如圖7所示，某一個可以提供15kA短路電流的地區(qū)火/水電廠在上網(wǎng)后，使原先的斷路器的短路開斷能力不足。為此，在上網(wǎng)電廠的出口安裝一臺限流器，可不更換原先裝備的斷路器不用增容改造便可繼續(xù)運行，節(jié)約了工程投資。

結論

大容量快速開關因其獨有的快速可靠的切斷能力，使其可以在發(fā)電及配電系統(tǒng)大量推廣應用，在提供先進的技術方案的同時，大大減少工程投資，具有很高的性能價格比。