高压断路器主要的技术参数是遮断容量和灭弧性能，影响这两参数最直接的原因，是短路电流的切除时间。传统断路器主要解决的措施是增大触头容量、选择灭弧性能优越的介质、对灭弧室结构进行优化等措施。但是遮断容量越大，其制造成本越高。随着系统容量的增大，短路电流值也不断上升，强大的短路电流产生的电动力破坏性更大，通过增大断路器的触头容量已不能解决问题。现需要能在故障瞬时以最快的速度切断短路电流，避免被保护设备及断路器本身受到巨大的热冲击和电动力的破坏。因此，在断路器改造方案上，经过技术经济比较和反复论证，选择大容量高速断路器来替代传统断路器十分必要。
1 问题的提出
　　某公司110kV变电站接入110kV系统电源，同时采用自备电厂的10kV作为备用电源，实现并网运行。其一次系统接线方式如图1。 请登陆:输配电设备网 浏览更多信息


图1 两电源并网运行系统接线图

　　随着系统容量的增大，变电站负荷侧发生三相短路时存在下列问题。
　　发电机出口断路器遮断容量不足，不能开断短路电流。
　　利用主变压器或发电机出口断路器切断短路电流，断路器的开断时间过长，达80～140ms，会对主变压器及发电机产生故障冲击，发电机故障将引起主变压器停运，危害主设备安全。对系统方式影响较大。
2 解决方法
　　针对现用断路器存在问题，为了使负荷侧断路器的开断电流减小，并降低工程造价，采用了一种新型大容量高速断路器装置（简称FSR装置）与电抗器并联的接线方式。正常运行时，FSR将电抗器短接，避免了电抗器巨大的电能损耗，并抑制了大型电动机启动时的电压降；短路时，FSR快速断开，负荷侧断路器的开断电流经电抗器限流到允许范围。
3 大容量高速断路器的组成及功能
　　FSR装置主要由断路器DL、爆炸式快速开断载流桥体FS、高压限流熔断器FU、非线性电阻FR及测控装置组成。
3.1 载流桥体FS


图2 FSR装置组成示意图

　　因FS的电阻与熔断器FU电阻的比值为1∶2000，故正常时工作电流经FS流过，故障时，接到测控单元的命令后，在0.15ms之内爆炸断开，电流转移至熔断器FU。
3.2 熔断器FU
　　FS断开后，全部短路电流转移至熔断器FU，在0.5ms内FU熔断，并产生足够的弧压。
3.3 非线性电阻FR
　　FU熔断时产生的弧压使其导通，吸收电感中存在的磁能及电源注入的能量，使FU顺利熄弧，同时把开断时的过电压限制在2.5倍的额定相电压之内。
3.4 测控单元
　　测控单元的测控数据为检测电流i和电流的变化率di/dt，当电流幅值和电流变化率同时超过整定值时，判断为短路发生，采用三个相同独立工作的CPU部件，以“三取二”表决方式判断，向FS发出分段命令。
4 FSR装置的工作原理
　　在正常运行和正常操作时，负荷电流流过真空断路器后，再流过爆炸式载流桥体与熔断器，其中98%以上的负荷电流流过爆炸式载流桥体，2%的负荷电流流过熔断器。
　
　　当设备发生故障时，主电路中的电流幅值和电流变化率超过整定值，测控单元判断有短路电流，向桥体中发送电脉冲引爆爆炸装置，载流桥体断开，将全部电流加在高压限流熔断器上，高压限流熔断器在2ms内熔断，产生的弧压由高能氧化锌非线性电阻限制并吸收。在大容量高速断路器装置完成了短路断开功能后，与熔断器配合的负荷开关，只要求能够开断额定电流和一般过载电流，对关合短路电流及承载短路电流的动稳定性和热稳定性则无要求。
5 FSR装置的特点
　　限流性　由于FSR的限流性，短路电流在初始上升阶段即加以限制，不可能达到短路冲击电流的峰值，设备不再遭受短路电流的冲击，延长了发电机、变压器等设备的使用寿命，大大提高了设备动稳定和热稳定方面的安全裕度。
　　快速性　故障电流在1ms内被截流，3ms之内衰减到0，故障被完全切除，更能有效地保护设备。而一般断路器至少要60ms才能切除故障。
　　灵敏度高　由于FSR装置增加了电流变化率作为启动判据，故障时电流变化率增加更明显，使灵敏度更高
　　
　　容量大　配置大容量的非线性电阻，吸收开断过程中磁能，开断容量可不受限制。
6 FSR装置的运行要求
　　当发生三相短路故障时，电抗器应可靠投入，从而要求FSR装置在短路电流上升的初始阶段应可靠断开，故FSR动作值应取90%的三相短路电流值。
　　正常运行时，FSR启动电流应能躲过负载允许的短时过载电流。取1.3倍的可靠系数。
7 FSR装置的应用
7.1 应用于发电机出口
　　应用于发电机出口见图3。发电机出口端或其附近发生短路故障时，短路电流的幅值大，从短路开始到电流第一次过零，经历的时间长，大约需要20～150ms。这会给发电机造成很大的危害，同时对保护设备有更高的要求。用FSR保护发电机出口端短路故障，具有很好的保护作用，因为在短路电流最大值未通过发电机时，FSR将故障电源直接切除；也可以采用FSR与限流电抗器并联的方式，正常运行时FSR将电抗器短接；故障时FSR快速断开，故障电流流过限流电抗器，电抗器将故障电流限制在允许范围以内，仍能保证系统正常运行。


图3 FSR用于发电机出口

　　FSR也可以应用在厂用变压器分支、励磁变压器分支，见图4。有效避免变压器因穿越性故障而损坏的事故。


图4 FSR用于厂用变压器分支
7.2 应用于系统扩建或联网运行时
　　在系统扩建时，FSR用于电源联络见图5。原有断路器设备不必更换。可提高系统供电可靠性，减少重负载启动时的压降。实现经济运行。


图5 FSR用于电源联络

　　FSR应用于母联位置，见图6。当系统一旦发生短路故障，由于负荷侧断路器只按单台变压器提供的短路电流进行配置，FSR可以快速限流，将系统解列。


图6 FSR用于母线联络

7.3 FSR与电抗器并联
　　FSR与电抗器并联见图7。在正常运行时FSR将电抗器短接，避免了电抗器巨大的电能损耗和大型电动机启动时的电压降。短路时FSR快速断开，负荷侧断路器的开断电流受电抗器限制到允许范围。


图7 FSR与电抗器并联

　　在供用电系统设计时，可加大电抗器阻抗，使负荷侧断路器的开断电流进一步减小，降低造价。
7.4 FSR用于重要负荷
　　FSR用于重要负荷见图8。若线路中带有重要用户，不允许瞬时断电，或须强行自启动的重要负荷，线路短路时，FSR快速断开，将电抗器投入，电抗器上的残压，可设计得足以维持重要负荷连续运行，而不受影响。


图8 FSR用于重要负荷的线路

　　FSR组成的器件，决定了FSR的特性，FSR装置与传统介质灭弧原理的断路器相比较，动作时间快、可靠性高、不存在机械拒动。应用FSR可以使发电机、变压器及高压断路器不再受短路电流峰值的冲击，延长了设备使用寿命。并且降低了系统投资，通过经济技术比较，具有很大的优势。