大容量高速开关装置(FSR)的原理分析及应用探讨
大容量高速开关装置(FSR)的原理分析及应用探讨
大容量高速开关装置（FSR）的原理分析及应用探讨[摘要]文中阐述了大容量高速开关的原理接线及技术参数，对大容量高速开关与断路器的分断性能进行对比分析，介绍了大容量高速开关的几种工程应用方案。
[关键词] 大容量高速开关断路器短路电流开断能力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。
序号项目单位技术参数1额定电流（有效值） A 1000，2000，3000，4000 2额定电压（有效值）kV12203额定频率Hz50/604额定预期短路开断电流（有效值）kA 50，63，120，2005额定绝缘水平工频（有效值）kV 23425095雷电（峰值）kV 6075901856主回路直流电阻μΩ <407截止电流/预期短路电流峰值I15～458动作电流整定范围（有效值）kV 5kA～60kA2.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。
FSR大容量高速开关在25MW发电机中的应用
２１ ｄ ． ｌ点发 生三相 短路 故障
，
一 ～
３ 主变压器
ｒ … ＿ ５ Ｖ／ｋ ３ｋ ６Ｖ
最大运行方式 下电抗标么值 （ 未与 ＦＲ并联 Ｓ
使用情 况 下 ）Ｘ＊ａ ＝０ ３６ ，在 ｄ ｍｌ ．２５ ｘ １点 发 生 三相
路器 的 额 定 电 流 为 ４ ０ Ａ、额 定 电 流 开 断 能 力 ００
ｆ～ ｉ １ ｊ路定 一ｌ 断额断 — ～ 器开
，
电流 为３ ．ｋ １ Ａ ５
５ｋ ０ Ａ外 ，其它 所有 出线 断路 器 的额定 电流 均 为 １５ Ａ、额 定 电流开 断能力 ３ ．ｋ ２０ １３ Ａ。
器 、Ｆ Ｌ （ ａｌＣ ｒ ｎ ｉ ｒ 等 。主 要 作 用 是 Ｃ Ｆｕｔ ｕｒ ｔＬｍｉ ） ｅ ｅ
短电为 云ｉ 路 流 Ｉ ×＿ 了 １
电流 为 ２ ． ｋ ３ ５ Ａ。
３Ａ 中 电 ９， 发 ｋ其
在短路 电流未上升到峰值之前 ，将其高速开断。 ３ １１ 大容量高速开关装置的构成 （ ３ ．． 图 ）
（ ｈ ｈ ｒ ａ Ｐ ｗ ｒ ｌ ｔ Ｔ ｅＴ ｅｍ ｌ ｏ ｅ ａ ） Ｐ ｎ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔｈ ｓｐ ｐ ｒ ｍａｎｌ ｒ ｓ ｎ ｓ ｔｅ ｃ ａ ａ ｔ ｒｓｉｓ ｏ Ｓ ，ｉｓｗｏ ｋ ｎ ｒｎ ｉｌ ｓ ａ ｄ ｐ ｒｏ ａ ｃ — ｓｒ ｃ ： ｉ ａ ｅ ｉ ｙ ｐ ｅ ｅ ｔ ｈ ｈ ｒ ｃｅ ｉｔ ｆＦ Ｒ ｃ ｔ ｒ ｉ ｇ ｐ ｉ ｃｐ ｅ ｎ ｅｆ ｒ ｎ ｅ ａ ｍ ｎ ｌ ｓｓｏ ｈ ｎ ｔｐａ ａ ｔｒ ｓｗｅｌａ ｔ ｓ ｇ ｅ ｕ ｔ ｎ ２ ａｙ ｉ ｆｔ ｅ ｕ ｉ ｒ ｍｅｅ ｓａ ｌ ｓ ｉｓｕ ａ ｅ ｒ ｓ ｌｓ ｉ ５ＭＷ ｕ ｂ ・ ｎ ｔ ｔ ｒ ｏ ｕ ｉ．
大容量高速开关装置及其应用
大容量高速开关装置及其应用引言随着电子设备的普及和自动化控制技术的进步，对于各种电气装置的性能要求也在不断提高。
其中一个关键的要求是电气设备需要快速高效地处理高功率的电路，尤其是在大容量的负载下工作。
针对这一需求，大容量高速开关装置的应用显得越来越重要。
大容量高速开关装置的概念大容量高速开关装置是一种额定电流和电压能力较高的电子开关设备，其主要用途是开启或关闭电路。
这种装置的优点主要表现在如下几个方面：1.快速的响应速度：大容量高速开关装置可以在极短的时间内完成开启或关闭电路的操作，关键时刻不会浪费任何时间。
2.高承受电流：由于在负载电路中经常存在较大的电流流通，因此大容量高速开关装置需要能够承受较大的电流负载，以保证电路的安全性。
3.轻松控制：大容量高速开关装置使用的控制信号可以通过数字电路或者模拟电路控制。
大容量高速开关装置的类型根据其大容量高速开关装置的不同类型，可以分为以下四种形式：1.晶闸管型：晶闸管型大容量高速开关装置可以承受很高的电流，但是切换速度较慢，因此适用于低频负载。
2.绝缘闸型：绝缘闸型大容量高速开关装置具有响应速度快、电流大、高频率的优点，但是价格较高。
3.金属氧化物半导体场效应管型：金属氧化物半导体场效应管型大容量高速开关装置是一种价格低廉的设备，适用于低压、高功率负载的需要，缺点是灵敏度比较低。
4.二极管型：二极管型大容量高速开关装置的特点是结构简单、价格低廉，但是需要采用两个器件工作时，存在功率损失问题。
大容量高速开关装置的应用领域大容量高速开关装置已经广泛应用于航空、工业自动化控制、军事、能源等领域，以下是三个典型的应用案例：1. 飞机发动机控制系统在飞机发动机控制系统中，大容量高速开关装置广泛应用，因为它可以帮助实现高度可靠性和精确控制，同时能够承受高温高压环境。
2. 电力电子变换器电力电子变换器是现代电力电子技术的核心，而大容量高速开关装置则是变换器中关键器件之一。
大容量高速开关在工厂的应用
大容量高速开关在工厂的应用摘要:文章主要介绍大容量高速开关的结构特点及工作原理，阐述选用大容量高速开关在化工企业供用电系统扩能改造带来的好处，并对其在节能方面的性能加以分析。
关键词：大容量高速开关；FSR；电抗器；节能；一、概述热电厂主要负责集团公司马场坪工业园区的生产供汽、供电，是典型的热电联产型自备电厂，供电主要以6kV系统与电网并列。
其高压一次系统简图见图1。
图1其中发电机2F额定容量为15MW，出线由真空断路器DL与XKK-6-2000-8型电抗器并联连接到6kV母线。
正常运行时真空断路器断开，电抗器投入运行。
二、系统存在的问题在工厂扩能改造中为了限制6kV母线的短路电流，在发电机2F出线串联了一个2000A、8%的限流电抗器，虽然可以限制短路电流，但不可避免地也带来一些问题：①解决工厂扩能改造时断路器开断容量不足的问题。
②正常运行时电抗器上产生电压降，而这个电压降随负荷的变化而变化，给调节供电电压质量造成困难。
③较大电动机启动时，电抗器上的电压降会加剧，将影响其他负荷的运行。
④电抗器长期串联在供电系统中，将产生巨大的电能损耗。
⑤电抗器强大的漏磁场，使周围的金属构架、钢筋混凝土产生附加热损耗和振动，影响使用寿命。
同时强大的漏磁场将使通信系统及计算机监控系统受到严重干扰。
三、解决方案取消原有的真空断路器DL，采用大容量高速开关（FSR）与电抗器并联（图2）。
正常运行时负荷电流全部从FSR 流过，由于FSR 具有限流性及动作的快速性，对于上述原系统存在的问题将得到解决。
1. FSR的基本结构如图3所示，它由桥体FS、熔断器FU、非线性电阻FR及测控单元组成，各部分作用如下。
FS：正常时流过工作电流，短路时在0.15ms内快速断开。
FU：桥体断开后全部短路电流转移到熔断器，在0.5ms以内熔断，并产生足够的弧压。
FR：熔断器熔断时产生的弧压使其导通，吸收磁能，并把开断时的过电压限制在允许的范围内。
FSR原边反馈反激式变换器及原理
FSR原边反馈反激式变换器及原理FSR（Flyback Switching Regulator）原边反馈反激式变换器是一种常见的开关电源拓扑结构，可以同时实现输入输出电压的隔离和转换。
本文将详细介绍FSR原边反馈反激式变换器的工作原理及其特点。
[图片]在FSR原边反馈反激式变换器中，电源输入通过变压器的一侧加入，并由输入电容进行滤波。
控制IC产生的PWM信号控制MOSFET的开关，将输入电压转换为短暂的高功率矩形脉冲，并传输给变压器。
由于变压器的变比，高功率脉冲信号被变压器转换为低功率矩形脉冲信号，然后通过输出二次侧的整流和滤波电路得到所需的输出电压。
1.输入滤波和整流：电源输入先通过输入电容进行滤波，降低电源噪声。
然后，经过整流电路将交流输入转换为直流输入。
2.反激开关：控制IC通过控制频率和占空比产生PWM信号，控制功率MOSFET的通断。
当MOSFET导通时，电源输入电源通过变压器传递到输出端；当MOSFET截止时，输出端的电压会产生反向电压，称为反激。
3.变压器：变压器是FSR变换器的核心组件。
它以一定的变比将输入电压转换为输出电压。
当功率MOSFET导通时，输入脉冲能量被储存在变压器的磁场中；当MOSFET截止时，储存在磁场中的能量通过变压器的绕组耦合到二次侧，并转换为输出电压。
4.输出整流和滤波：由于输出是交流信号，需要进行整流和滤波处理，将其转换为直流输出。
通常，采用整流二极管和输出电容来实现。
1.隔离性：由于变压器的存在，输入与输出之间具有隔离性，使输出与输入之间不会存在电气连接。
这保证了输出的安全性和稳定性。
2.最小化元件数量：FSR变换器相对于其他开关电源结构，所需元件数量较少，减小了系统的复杂性。
3.简化控制电路：FSR变换器采用原边反馈控制方式，可实现电流和电压双回路控制，简化了控制电路的设计。
4.可实现多输出：FSR变换器可通过变压器的设计来实现多种输出，满足不同应用的需求。
大容量高速开关(FSR型)在电厂生产中的应用
工程 质量 与管理
大容 量高速开关 （ Ｆ Ｓ Ｒ 型） 在 电厂 生产 中的应用
陈汉 泉
湖 南省 工 业 设 备 安 装 有 限公 司
摘要： 本 单位 承建 施 工 的江苏 某 化工 热 电项 目中， 采 用 电抗器 和Ｆ Ｓ Ｒ型大 容 量高速 开 关相 配 合使 用 的一 次系 统 ， 本 文分 析 了Ｆ Ｓ Ｒ 型大容量高速开关节此系统 中的功能和应用。
（ ５ ） 电抗 器 １ ｝ ｝Ｕ ｅ ＝ ６ ． ３ ｋ Ｖ， Ｉ ｏ ＝ ２ ０ ０ ０ Ａ， 电抗 百分 值 为 １ ２ ％。 （ ６ ） 电抗器 ２ ＃ｕ － ６ ． ３ ｋ Ｖ， ｋ ＝ ３ ０ ０ ０ ａ ， 电抗百 分值为 １ ２ ％。见如下 一次 系统图 ：
１ ． ２短路 电流计 算 ：
计 算 短路 电流 ，系 统 提供 的短 路 电流 按 无 限大 电源不 考 虑 周 期 分量 衰
大容量高速开关装置及其应用
大容量高速开关装置及其应用1概述开关又称断路器，是电力系统中最重要的电力设备之一。
它在电网中的基本任务是：第一，根据电网运行的需要，将一部分线路或电力设备投入或退出运行，以此对电网的运行方式进行控制，在这种情况下，开关的触头承载的是负荷电流；第二，当线路或电力设备发生故障时，开关可将故障部分从电网中快速切除，以保证无故障部分正常运行，保护电网的安全，此时，开关的触头承载的是故障电流或短路电流。
短路电流的最大峰值往往出现在第一个周波内，而且非周期分量很大，通常几个周波内不过零。
同时，断路器的动作时间相对于故障发生的时刻有一定的滞后，再加上继电保护所形成的时间差，在开断时间内短路电流的峰值已经数次冲击发电机、断路器和变压器等被保护设备，经过几次重大事故，就有可能造成设备的损坏，进而增加运行维护和检修的成本。
另外，断路器正常工作时的额定电流与发生短路故障时的短路电流相差过大，尤其是现代电力系统容量的不断增大，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，断路器必须按照开断短路电流进行选择，设备、线路及断路器本身就要求设计有足够的热稳定、动稳定裕度，设备的投资就会加大，造价过高。
因此，随着电力系统的不断发展，越来越需要断路器能够在故障瞬时就发现并以最快的速度切断短路电流，避免被保护设备及开关本身受到巨大的热冲击和电动力作用。
2大容量高速开关装置的构成与原理2．1大容量高速开关装置的构成大容量高速开关装置由桥体FS、高压限流熔断器FU、非线性电阻FR及测控单元组成，简称FSR。
2．1．1桥体桥体与高压限流熔断器、非线性电阻并联运行。
桥体内包含爆炸装置和载流导体，桥体的设计电阻为高压限流熔断器的几十分之一，因此正常时从桥体中流过的电流为从高压限流熔断器中流过的电流的几十倍，而工作电流基本为两者之和，在不增加高压限流熔断器额定电流的情况下，整个装置的额定电流得到了提高。
短路时，测控单元发出的脉冲信号点燃爆炸装置，在0.15ms~0.2ms后载流导体从中部断开，在爆炸冲击力的作用下，分开的载流导体向六个方向卷曲，形成隔离断口，将电流转移至高压限流熔断器。
大容量高速开关使用说明书-FSR
In 为变压器的额定电流
12 为变压器合闸时的冲击电流倍数
2） 最小动作电流曲线 最小动作电流曲线的选择原则是避开断路器开断电流范围内的短路电
流，同时还要避开设备合闸时的冲击电流，还要从要保护设备的动稳定和热 稳定的角度来考虑。
A）大容量高速开关安装在发电机出口处 最小动作电流曲线= K*1.3*√2*Insin(18t) K=1.1～1.4 为安全系数
正常工作时，面板上的工作指示灯亮，其余指示灯均不亮；当 FSR 动作时，
分闸、动作指示灯亮，报警指示灯不亮；如果报警指示灯亮，而动作指示灯
A） 大容量高速开关安装在发电机出口处
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大容量高速开关装置（FSR）使用说明书
电流值=K*1.3*√2*In
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K=1.1～1.2 K 为安全系数 In 为发电机的额定电流
1.3 为发电机允许过电流倍数
B） 大容量高速开关安装在厂用变高压侧
电流值=K*12*√2*In
K=1～3 K 为安全系数
靠性，采用 3 块采样模块进行采样处理。
对三块采样模块输出的动作信号进行判断，若三块采样模块有二块以
上发出动作信号则表决模块发动作信号给触发板；同时对三块采样模块和自
身的器件进行监控.其工作原理如图 8 所示。
1#采样动作信号
动作
运
信号
算
2#采样动作信号
器
3#采样动作信号
工作
信号
监控 1#~3#采样板
监控芯片
报警 信号
图 8 采样板工作原理
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大容量高速开关装置（FSR）使用说明书
3） 电源板
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这块板的作用是给整个控制器提供电源，同时对各种动作、工作、报警
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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。