一、背景
引起晃电的主要原因有很多种，其中包含雷击、外网电压波动以及短路故障等外部不可抗因素，也包含不平衡负载启动、厂用电切换等人为因素。据统计，因雷击造成电压暂降大概占到 60%以上。由于电压暂降发生的偶然性以及不可预见性，因此可以说电压暂降是不可避免的。由外部电网、内部故障等原因导致的晃电现象会影响电网供电的可靠性，导致生产企业敏感负荷如大量接触器、 变频器、PLC、各种数字设备等跳闸或损坏，而且易造成计算机信息丢失、 死机， 进而可能导致工艺生产中断， 给企业造成重大的经济损失，甚至影响企业的安全稳定运行。
根据现有的保护配置，当发生接地故障时，保护装置检测时间约 60ms，常规弹簧操作机构的断路器跳闸时间 60ms，电压暂降持续时间至少 120ms以上。电压暂降虽然持续时间短，造成的后果却十分严重，具体危害如下：
（1）当电压下降到额定值的 70%以下时，持续时间超过 1 个周波时，接触器就会脱扣造成用户大面积停电，对于一类用户，突然停电造成的损失十分巨大。
（2）当电压降低到 50%以下时，电动机失磁，在电压恢复时电动机重复启动，特别是高压电机较多的用户，众多电机同时再加速对电网造成很大冲击，严重者造成电网停电。
（3）对可编程序控制器（PLC），当电压低于 50%时，PLC将停止工作；一些 I/0设备，当电压低于90%时，持续时间仅几个周波就会被切除。这将导致使用PLC的生产线作业中断，造成重大经济损失。
（4）电压暂降会造成服务器出现瘫痪和数据丢失，对信息安全造成重大的影响。
考虑到电压暂降问题对电网及企业用户带来严重的用电安全隐患， 南京国高电气自动化有限公司研制了FBVP系列基于故障快速检测和快速机械开关的母线电压限流保护设备，主要解决区内支线短路故障造成的晃电问题，通过快速检测线路短路故障，检测时间小于 5ms，迅速分断快速机械开关，投入阻抗，限制短路电流，稳定上级母线电压的跌落，从而保证上级母线的所有出线的电压稳定，稳定电压至少 90%以上，缩短电网晃电的持续时间，减小电网、企业重要负荷供电中断及停机的可能，为企业生产提供稳定可靠的供电电源。
二、方案内容
本系列产品主要解决线路短路造成的电压暂降问题，现有的解决方案检测时间长，断路器设备分合闸时间长，造成电压暂降的时间长，电网上的重要负荷存在停机风险。
可在易发生短路故障的馈线支路配置母线快速保护设备，当馈线侧出现暂时性短路故障，导致母线电压出现大幅跌落时，母保设备对线路故障进行快速判别，母保装置对快速开关发跳闸指令，限流电抗器被投入，故障电流被限制，母线电压将维持在额定电压的 90%以上，从而实现对上级母线电压的保护。当下级故障被清除时，母保设备会重合，系统恢复正常运行。当下级故障无法被正常清除时，母保柜内后备常规断路器跳闸，将故障点隔离，配置如下图1。
本产品主要解决了以下几个问题：
1、限制短路电流至要求的合理水平
限制系统短路电流，减小短路电流对重要负荷的冲击，避免暂时性短路故障引起大范围跳闸事故，提高电力系统运行稳定性。
2、维持母线电压稳定
避免电压暂降引发母线电压大幅跌落，维持母线电压稳定，保障同段母线的其他负荷能够正常运行，实现重要负荷低电压穿越。
3、降低系统的有功和无功损耗
正常运行时，开关回路为低阻抗状态，只有故障情况下，限流电抗器被短时间内投入，避免由于采用高阻抗设备带来的系统损耗增加。
本产品为母线电压限流保护成套设备，在电网及企业厂用电系统研究、主设备的设计制造以及控制保护系统的研制均采用国际上先进的技术，使得母保设备整体限流保护效果非常理想，设备质量可靠。
母保成套设备主要包含了以下主要设备：
1.普通断路器 2.快速断路器 3.快速开关触发驱动系统 4.限流电抗器 5.控保系统
结构如下图2所示。
图2 母保设备电气系统图
限流电抗器并联在快速断路器的两端，快速断路器与普通断路器串联。控保系统采集母线电压、限流电流实现故障的快速检测。整个设备（10kV）集成在金属封闭开关柜内。控保系统通过光纤控制快速断路器分合。
① 快速开关
快速开关是母保成套设备核心元件之一，采用电磁斥力驱动，其特点是分合闸速度快，分闸时间小于 1.5ms，5ms内即可达到额定绝缘开距，合闸时间小于 10ms，远小于常规断路器几十毫秒的分合闸时间。因其极快的分闸速度，可实现对限流电抗器在第一个半波内快速投入，同时其对短路电流耐受能力及短路开断性能较常规开关更加优异。
快速断路器采用基于电磁斥力的快速机构，由图3所示。主要包括真空灭弧室、绝缘拉杆K、动触头G、静触头H、分闸线圈C、合闸线圈D、金属盘（含拉杆）以及缓冲装置L等。其主要工作原理利用分闸线圈C和合闸线圈D通入瞬时电流产生磁场，利用磁场的涡流效应产生斥力F，从而实现机构的快速运动。
② 快速开关驱动系统
快速开关驱动系统采用电容储能与电力电子器件控制相结合的具有自主知识产权的设计方案，控制系统摒弃了常规开关的操作回路，与保护装置间通过光纤进行信号传输，控制延时小于 300us，远小于常规节点控制时间，同时抗干扰能力强。
开关控制系统接收保护装置指令，并触发电容放电回路晶闸管，在接收到指令后几十微妙内实现对储能电容进行放电，实现对快速开关的快速驱动。
③ 限流电抗器
限流电抗器是母保设备的重要元件，其采用空心浇注式结构，整体绝缘耐热等级要求为 F级，绕组匝间、股间绝缘耐热材料要求H级，支柱绝缘子为实芯棒状，非磁性瓷支柱绝缘子。阻抗值根据不同限流深度要求可灵活配置，满足动、热稳定电流和持续时间的要求。电抗器的容量参数需要根据系统设计参数进行仿真确定。
④ 控保装置
控保装置采用了国高电气成熟稳定的 32位平台。该平台广泛应用于保护、快切控制系统、数字化变电站控制保护系统等多个产品中。该平台是高性能的分散、分布式系统，拥有友好的人机环境，方便进行功能扩展，支持远程维护。由于控制装置采用了32位高性能的CPU和DSP、内部高速总线、智能 I/O，使得系统响应速度快，控制精度高，能够很好地满足母保控制系统对快速调节的需要。
基于瞬时值、斜率、幅值相结合的多判据短数据窗综合故障快速识别方法，故障检测时间小于5ms，检测结果准确，可靠性高。
快速机械开关与控制保护装置采用一二次深度融合设计：摒弃传统的节点控制方式（传输延时时间长达 8-10ms），通过光纤以太网编码通讯方式，控制快速开关的分合，控制延时时间小于300us，抗干扰能力强。
快速开关采用小型化设计方案，兼容现有常规开关的尺寸，与常规开关集成在同一开关柜体内，可兼容现有常规开关柜，设备紧凑，占地面积小，满足用户个性化需求，即可用于新建站，又可用于老站改造扩建。
三、工作原理
快速开关型母线电压限流保护设备主要由常规真空断路器、快速机械开关和限流电抗器组成，其工作原理如下图 3所示，正常运行时普通开关和快速开关均处于闭合状态，并承担通流任务，整个开关回路处于低阻抗状态。
系统发生短路时，快速开关在 5毫秒内完成额定绝缘开距动作，可以实现第一周波内将电流转移到限流电抗器上，起到限流作用。此后，若故障在 300ms（可根据实际电抗器配置进行定值整定）内消失，则给快速开关发送合闸指令，限流电抗器退出，系统恢复正常运行；若在 300ms 后故障依然存在，则给普通开关发送跳闸指令，将故障点切除。
图 4为母保设备在不同故障时刻的动作波形示意图。短路故障发生后母保设备限流电抗器投入前后，短路电流将发生实质性变化。根据短路发生时刻不同，限流电抗器被投入时刻有所不同，因短路故障发生初始时刻往往带有较大的直流分量，若故障发生在大半波的前 1/2周期内，可实现在第一个大半波末将限流电抗器投入，实现限流作用；若故障发生在大半波末，则在下一个小半波电流零点处将电抗器投入，实现限流作用。
图 5 为快速开关开断短路电流过程示意图。控保装置对系统电流进行实时监测，当检测到线路发生短路故障后，控保装置经过故障检测时间发出分闸指令，经过固有分闸时间和燃弧时间后快速开关在短路电流过零点开断，限流电抗器被投入，进入限流阶段。
图4 母保设备在不同故障时刻的动作波形示意图
总结
该限流保护设备限制系统短路电流，减小短路电流对重要负荷的冲击，避免暂时性短路故障引起大范围跳闸事故，提高电力系统运行稳定性。同时避免电压暂降引发母线电压大幅跌落，维持母线电压稳定，保障同段母线的其他负荷能够正常运行，实现重要负荷低电压穿越。