大容量高速开关装置（FSR）的原理分析及应用探讨

1.原理分析

大容量高速开关(FSR)又被称为故障电流限制器、快速开关、高速限流保护开关、限流保护器、FCL(Fault Current Limiter)等。主要作用是在短路电流未上升到峰值之前，将其高速开断。FSR原理接线图见图1。

图中高压载流桥体FS和特种高压限流熔断器FU在电气上是并联的，由于前者电阻为微欧级，后者电阻为毫欧级，故正常运行情况下，主导流母线中的电流几乎全部流过高压载流桥体FS。当系统发生短路事故时，特种电流互感器CT检测到短路电流信号，将其传递给电子控制器ZK，由ZK进行信号的分析和处理。若短路电流信号超过整定值，ZK将发出点火信号，通过高压脉冲变压器MB，使高压载流桥体FS在几百微秒的时间内高速断开;在其断口开断的过程中，故障电流转移到特种高压限流熔断器FU中，由FU 最后开断短路电流，切除故障。在FU熔断过程中，线路上可能会产生瞬时过电压，此时高能氧化锌电阻FR对其进行限压。各部分的动作时序如图2所示。

图2中

t=0 短路故障发生;

t=t1 电子控制器探测到故障并建立点火信号;

t=t2 快速隔离器打开，电流转移到熔断器中;

t=t3 熔断器开始起弧;

t=t4 熔断器内电弧熄灭，故障电流被彻底开断，(t3～t4)为熔断器的燃弧时间。

由此可见，在预期短路电流远未发展到峰值之前，短路电流已经被高速切断。实际通过电力设备的短路电流的峰值ic在第一个半波被限制到预期短路电流峰值的(15～45)%，短路电流的持续时间为5 ms左右，保护了电力系统主设备免受损坏。大容量高速开关的技术参数见表1。

2.大容量高速开关与断路器的比较

断路器的开断时间约为60～200ms; 断路器开断过程中不限流，虽可切除短路故障，但发电机或变压器等设备因经受不住短路电流电动力的冲击，仍有可能损坏;普通断路器开断能力很有限,额定短路开断电流小于50kA，在发电机出口等很多情况下不能满足要求;采用开断能力特大的发电机断路器则价格非常昂贵，而且发电机断路器也无限流功能。

大容量高速开关的开断时间仅约5ms; 可将短路电流限制到预期值的15%～45%，可针对预期短路电流的水平进行整定，使发电机、变压器等主设备不因高幅值短路电流的冲击而损坏。

大容量高速开关开断能力强，可开断预期值为120～200kA的短路电流，价格远比国外同类产品便宜。 专用于出口短路等灾难性短路事故的保护，动作后需更换部件，一般不能重合闸。

由以上比较看出，大容量高速开关弥补了断路器的不足，适合于短路电流有可能损坏发电机变压器等主设备时的灾难性短路事故的保护。在很多情况下是对付短路电流的唯一技术方案。

3.工程应用

3.1旁路限流电抗器

旁路限流电抗器接线如图3所示。将FSR与限流电抗器或变电站原来装备的限流电抗器并联。由于FSR阻抗约为0.1mΩ(其中直流电阻约20μΩ)，而电抗器阻抗一般在0.15～0.9Ω(即150 mΩ～900 mΩ)之间，所以正常运行时电抗器被FSR短接而不起作用。短路故障发生时，FSR高速开断，将电抗器投入起限流作用。

以一台12kV/1500A，电抗率8%的中型限流电抗器为例，其阻抗约0.36欧姆，三相容量约2500kVA，其中有功损耗约50～100kW。接入FSR后：

①消除了电抗器巨大的无功损耗。可以节约装设补偿电容器的投资，已经装设的变电站，可以少投一些补偿电容器。有利于改善系统的功率因数。

②电抗器对母线电压质量有影响，一般会使母线电压降低4～8%，若遇大型感性负载(如大容量电动机等)投入，则电压降落更大。装备FSR后上述电压损失消除了，这无疑将使电压质量得到提高，而提高电能质量一直是电力系统追求的目标。

③除无功损耗外，电抗器有功损耗也相当可观，采用FSR后,有功损耗不到300W，年节约电费约50万元。从这点上看，FSR起到了节能降耗的作用，这符合我国节约能源的国策。

④不影响原有继电保护装置的整定，使老变电站改造变得很容易。

⑤原来因顾及电抗器的缺点而不装设限流设备的重要变电站可以放心加装，进一步保证电力主设备的安全。

⑥避免采用高阻抗变压器。

3.2使分段母线并列运行

大容量高速开关使分段母线闭合运行主接线如图4所示，在母联开关的位置串接一台FSR，正常运行时母联断路器处于合闸位置，而不是传统的母联断路器处于分闸位置。仅在出线发生短路、且预期短路电流值超过FSR整定值时，短路电流限制器才动作，随后母联断路器分断，使双母线分裂运行。在国外，这种应用方式约占到FSR总应用的50%。其优点是：

①降低网络阻抗，改善电能质量;

②变电站扩建或变压器增容后，无须更换所有出线断路器，从而节约大量投资;

③提供闭环运行的可能性，提高供电可靠性。

④优化负荷分配，增强系统的电压调整能力。

3.3发电机或变压器出口的短路保护

发电机出口保护如图5所示，将FSR与普通断路器一起直接串联到发电机或变压器出口。该应用不仅适用于中、小型水/火电厂，也适用于化工冶金企业的自备发电机、大电流试验室用发电机、核聚变试验用发电机、舰船用发电机等。在变压器出口的应用主要是那些不要求重合闸的场合。

大容量发电机出口短路时，由发电机提供的短路电流的周期分量可超过90～100 kA;进一步考虑短路电流中含有约50～60% 的非周期分量，普通断路器已经无法使用。解决的办法之一是采用昂贵的发电机专用断路器作为断路保护，此办法的缺点是不限流，相关的电气设备仍然要冒很大的被短路电流损坏的风险。办法之二采取发电机—变压器组死连接，二者之间用封闭母线的方式，以期避免相间短路的发生，此种接线方式的缺点是运行不灵活，变压器高压侧断路器操作/动作频繁、寿命短，不便于检修等。办法之三就是采用FSR+普通断路器，此办法克服了上述两个办法的缺点。

3.4 发电厂分支母线和厂高变的短路保护

发电厂分支母线和厂高变的短路保护如图6所示，将限流器与普通断路器一起串联到发电厂厂用电分支回路上。此用法适用于大、中型水电厂及火力发电厂。

当发电厂分支母线发生短路、或厂高变的高压侧或低压侧发生短路时，从发电机和系统两方面同时向故障点提供短路电流，短路电流值比发电机出口短路时更大，考虑非周期分量后可达150～200 kA。尽管发电厂的厂高变采用了高阻抗变压器及分裂绕组变压器，但是各大型发电厂的厂高变仍然频频损坏。如装机容量1200MVA的某发电厂运行十余年来其6台厂高变已经全部烧坏过一次，每次厂高变的事故都导致发电机停机，给发电厂和社会造成巨大的损失。装备限流器后，当发生灾难性短路时，由限流器快速切断短路电流，即可有效地防止厂高变的损坏。

3.5 地区火/水发电厂上网保护

地区火/水发电厂上网保护如图7所示，某一个可以提供15kA短路电流的地区火/水电厂在上网后，使原先的断路器的短路开断能力不足。为此，在上网电厂的出口安装一台限流器，可不更换原先装备的断路器不用增容改造便可继续运行，节约了工程投资。

结论

大容量快速开关因其独有的快速可靠的切断能力，使其可以在发电及配电系统大量推广应用，在提供先进的技术方案的同时，大大减少工程投资，具有很高的性能价格比。