1 概述　　 　　 開關又稱斷路器，是電力系統中最重要的電力設備之一。它在電網中的基本任務是：第一，根據電網運行的需要，將一部分線路或電力設備投入或退出運行，以此對電網的運行方式進行控制，在這種情況下，開關的觸頭承載的是負荷電流；第二，當線路或電力設備發生故障時，開關可將故障部分從電網中快速切除，以保證無故障部分正常運行，保護電網的安全，此時，開關的觸頭承載的是故障電流或短路電流。 　　 短路電流的最大峰值往往出現在第一個周波內，而且非周期分量很大，通常幾個周波內不過零。同時，斷路器的動作時間相對于故障發生的時刻有一定的滯后，再加上繼電保護所形成的時間差，在開斷時間內短路電流的峰值已經數次沖擊發電機、斷路器和變壓器等被保護設備，經過幾次重大事故，就有可能造成設備的損壞，進而增加運行維護和檢修的成本。另外，斷路器正常工作時的額定電流與發生短路故障時的短路電流相差過大，尤其是現代電力系統容量的不斷增大，短路電流值也不斷上升，強大的短路電流產生的電動力破壞性更大，斷路器必須按照開斷短路電流進行選擇，設備、線路及斷路器本身就要求設計有足夠的熱穩定、動穩定裕度，設備的投資就會加大，造價過高。因此，隨著電力系統的不斷發展，越來越需要斷路器能夠在故障瞬時就發現并以最快的速度切斷短路電流，避免被保護設備及開關本身受到巨大的熱沖擊和電動力作用。 　　 2 大容量高速開關裝置的構成與原理 　　 2．1大容量高速開關裝置的構成 　　 大容量高速開關裝置由橋體FS、高壓限流熔斷器FU、非線性電阻FR及測控單元組成，簡稱FSR。　　 　　 2．1．1橋體 　　 橋體與高壓限流熔斷器、非線性電阻并聯運行。橋體內包含爆炸裝置和載流導體，橋體的設計電阻為高壓限流熔斷器的幾十分之一，因此正常時從橋體中流過的電流為從高壓限流熔斷器中流過的電流的幾十倍，而工作電流基本為兩者之和，在不增加高壓限流熔斷器額定電流的情況下，整個裝置的額定電流得到了提高。短路時，測控單元發出的脈沖信號點燃爆炸裝置，在0.15ms～0.2ms后載流導體從中部斷開，在爆炸沖擊力的作用下，分開的載流導體向六個方向卷曲，形成隔離斷口，將電流轉移至高壓限流熔斷器。 　　 2．1．2高壓限流熔斷器 　　 高壓限流熔斷器具有限流性和快速性。由于故障電流的最大峰值往往出現在第一半波，當橋體斷開后全部短路電流轉移到高壓限流熔斷器，熔斷器在第一個大半波內短路電流還未來得及升起就完成汽化、擊穿、間隙產生電弧和熄滅電弧，限制并強制性地切斷短路電流（t﹤2ms），使電流達不到預期的短路電流峰值。如圖3所示，當短路電流上升到Ip時，熔斷器熔斷并截流，截止電流Ip僅為預期電流峰值的15%左右，將故障電流對發、變電設備的電動力和熱效應沖擊大幅度減輕。高壓限流熔斷器產生的弧壓可以通過非線性電阻加以限制，通過與橋體在阻值上的配合，解決高壓限流熔斷器容量不足的問題，提高整個裝置的應用范圍。 　　 2．1．3非線性電阻 　　 高能氧化鋅非線性電阻具有非線性伏安特性，同時能夠抑制瞬時過電壓，當其端電壓低于某一值時，其中的電流幾乎為零；超過這一值時，其電流將隨著端電壓U的增大而急劇增加。其非線性特性見圖4所示。在高壓限流熔斷器熔斷時產生的弧壓，使氧化鋅非線性電阻導通吸收電感中儲存的磁能及電源注入的能量，氧化鋅非線性電阻導通，使高壓限流熔斷器順利熄弧。同時氧化鋅電阻良好的非線性特性，可以把開斷時的過電壓限制在2.5倍額定相電壓之內，使電器設備不再受到大電流的沖擊。 　　 2．1．4測控單元 　　 測控單元是一個電子邏輯控制器，隨時檢測系統電流瞬時值i和電流變化率di/dt，一旦有短路故障發生，當i和di/dt大于整定值時，電子邏輯控制器會向橋體中的爆炸裝置發出脈沖點火信號。檢測電流變化率的功能由一空心電流互感器實現，避免了帶鐵芯電流互感器因為磁飽和而引起波形失真，同時又可將測量控制線路與主電路隔離。 　　 2．2 大容量高速開關裝置的原理 　　 當設備發生故障時，主電路中的電流幅值i和電流變化率di/dt超過整定值，測控單元判斷有短路電流，向橋體中發送電脈沖引爆爆炸裝置，載流導體斷開，將全部電流加在高壓限流熔斷器上，高壓限流熔斷器在2ms內熔斷，產生的弧壓由高能氧化鋅非線性電阻限制并吸收。 　　 在大容量高速開關裝置完成了短路斷開功能后，與熔斷器配合的負荷開關只要求能夠開斷額定電流和一般過載電流，對關合短路電流及承受短路電流的動穩定性和熱穩定性方面則無要求。 　　 3 大容量高速開關裝置的特點 　　 大容量高速開關裝置與傳統的斷路器開斷方式相比，具有以下顯著特點： 　　 1．速動性提高20倍以上。短路電流在1ms以內被截流，3ms之內衰減到零，故障被完全切除，而傳統的斷路器保護方式最快也要75ms。　　 2．短路電流在初始上升階段即加以限制，永遠達不到短路沖擊電流的峰值，設備的動穩定和熱穩定的裕度不必設計得過大，可節省大量資金。　　 3．解決了電網擴建帶來的短路電流增加的難題。　　 4．優化了配電設備聯網過程的解決方案。　　 5．降低了配電設備的費用。電力設備可免受強大的短路電流的沖擊，機械強度不必做得很大。開斷快、截流小，電力設備無須考慮熱穩定問題，導體尺寸不必很大。 　　 4 大容量高速開關裝置的應用 　　 上述提到的特點必須通過實際的應用才能得以體現。下面探討大容量高速開關裝置的幾種實際應用。 　　 4．1FSR應用在發電機出口 　　 發電機出口端或其附近發生短路故障時，短路電流的幅值大，從短路開始到電流第一次過零經歷的時間長（大約需要20～150ms）。這會給發電機造成很大的危害，同時對其保護設備有更高的要求。 　　 用FSR保護發電機出口端短路故障，具有很好的保護作用，因為在短路電流最大值未通過發電機時，熔斷器已切除了故障。 　　 FSR也可以應用在廠用變分支、勵磁變分支，有效避免變壓器因穿越性故障而損壞的事故，延長設備的使用壽命，提高系統設備在動穩定方面的安全裕度。 　　 4．2FSR與電抗器并聯 　　 在正常運行時FSR將電抗器短接，避免了電抗器巨大的電能損耗和大型電動機啟動時的電壓降。短路時FSR快速斷開，負荷側斷路器的開斷電流受電抗器限制到允許范圍。 　　 在新供用電系統設計時，可加大電抗器阻抗，使負荷側斷路器的開斷電流進一步減小，降低造價。 　　 線路短路時，FSR快速斷開，將電抗器投入，電抗器上的殘壓可設計得足以維持重要負荷繼續運行而不受影響。 　　 4．3FSR應用于母聯 　　 在電網連接點上裝設限流熔斷器將電網實現閉環運行，正常情況下可以大大提高供電可靠性，而一旦發生短路故障，可以由限流熔斷器快速地限流并切斷電網間的連接實行開環運行，聯網前各分支電網已經裝設的短路保護設備可以不作任何增容改造，實現最經濟的電網互連。 　　 4．4FSR應用于線路 　　 FSR應用于供電線路中，若線路中帶有敏感用戶，可防止線路短路電壓降而引起敏感用戶失控，一條線路短路后，該路的大容量高速開關裝置斷開，其他線路繼續供電。 　　 5 結論 　　 由于FSR組成器件的物理特性決定了FSR的快速性和限流性，因此與傳統的斷路器相比較，不存在機械拒動，可靠性高。應用FSR可以使發電機、變壓器及短路器不再受短路電流峰值的沖擊，延長了設備使用壽命。目前，該裝置已在劉家峽水電廠、烏蘭浩特熱電廠、漳澤發電廠、蘭州化學工業公司等單位投入使用，取得了很好的效果。