随着我国电网负荷密度的增大和总体容量的增长,短路电流超过断路器遮断水平已成为亟待解决的问题。研究性能优良,经济性好的新型故障电流限制器(Fault Current Limiter)对我国电网建设和发展具有重要意义。而基于常规电气设备的串联谐振经济型故障限流器,不仅可把短路电流限制到较低水平,而且具有运行可靠性高、无需外加控制而实现自动投切和技术经济性能好等明显优点,可望在高压电网中获得推广应用。为推进基于常规电气设备的非超导、非电力电子的经济型故障限流器的工程应用,本文对其在高压电网应用时面临的几个关键技术问题开展系统的研究。研究内容包含以下几个方面：基于金属氧化物限压器(Metal Oxide Varistor)和快速开关的串联谐振型故障限流器的研究,涉及到新型故障限流器的动态限流特性分析、实用拓扑改进和组件参数优化等；故障限流器对断路器瞬态恢复电压特性的影响与分析；大容量金属氧化物限压器MOV通风冷却结构设计与计算分析,涉及到MOV的通风冷却结构的优化和温度特性分析等；金属氧化物限压器流场与温度场直接耦合数值计算研究；基于电磁斥力机构的高压快速开关的仿真分析与研究,涉及到电磁斥力机构的有限元仿真分析和快速开关的测试试验；以及故障限流器工程应用计算和参数设计等。在综合分析现有各种串联谐振型故障限流器拓扑的基础上,提出一种基于MOV和快速开关的新型故障限流拓扑,通过计算比较加装FCL前后短路故障电流的大小,表明该故障限流器拓扑限流效果显著。以装设于10kV系统为例,通过电磁暂态分析程序仿真分析了其动态限流特性,并对各种影响故障限流器性能的因素进行了系统的研究,在此基础上进行了故障限流器的实用拓扑改进和组件参数优化设计,为10kV经济型故障限流器的工程应用和挂网运行提供理论依据。对基于MOV和快速开关的新型故障限流器进行拓扑组合,提出了一种复合型故障限流器,建立其等效分析模型。针对复合型故障限流器的不同运行模式、不同的安装位置,给出了断路器恢复电压上升率与限流模式下的限流比、串补模式下的串补度以及近区故障距离之间的数学农达式。系统研究了运行模式、安装位置以及故障类型等因素对断路器恢复电压上升率的影响。研究结果为复合型故障限流器的参数优化设计和断路器开断特性的选型,提供了分析基础和理论依据。大容量金属氧化物限压器(MOV)作为故障限流器的的关键组件,在系统短路故障时吸收短路能量而导致本体温度瞬间升高,MOV的运行可靠性依赖于其通风冷却结构的散热能力,因此,合理优化MOV通风冷却结构具有重要的工程实际意义。在前期大容量MOV结构设计和大量实验研究基础上,提出两种通风冷却结构优化方案。根据计算流体动力学原理并应用有限体积法,对初设方案以及两种优化方案的MOV流场和温度场进行了系统的计算分析。结果表明,相对于初设文案,方案及文案二的经过优化的通风冷却结构能使流体带走更多的MOV内产生的热量,其最热点温度分别下降了约35℃和约40℃, MOV芯柱的散热效果有了显著的提高。方案二在方案一的结构基础上,增加了径向冷却通风孔,其散热效果明显改善。在此基础上,对确定的优化结构作了进一步的计算和实验验证,表明了所提出的MOV优化结构的可行性以及所采用的温度场计算方法的可靠性。在上述提出的金属氧化物限压器优化设计方案二的基础上,利用有限体积法,建立了用于MOV本体冷却结构流场、温度场直接耦合计算的三维模型,并建讧简化的验证模型,得到了较为准确的MOV流场、温度场计算结果,解决了由于散热系数等耦合参量不能准确确定而导致的计算结果不精确的问题,验证了仿真模型的正确性。在此基础上,对影响MOV温度特性的主要因索进行了研究,分别就轴向通风道入口风速、径向冷却通道半径、散热金属导电环材料以及导电环厚度对MOV温度特性的影响进行了仿真分析。分析结果表明,在t<300s时段内,影响MOV冷却的首要因素足金属导电环的传导散热,加大入口风速对影响MOV的散热效果并不明显,增大冷却通道半径,反而消弱导电环的传导散热。在MOV芯柱高度和重量束条件满足的前提下加大导电环的厚度和选用热导率大的金属材质,可以得到更好的散热效果;在t>300s时段后,MOV冷却结构起主导作用的是对流换热,加大入口风速和增大冷却通道半径,可明显增强MOV的冷却效果。进而得出了一般性的MOV设计指导原则,为MOV本体冷却结构优化设计提供了理论依据。高压快速开关是决定经济型故障限流器的限流性能和可靠性的关键技术之一,其快速分、合闸时间等性能参数直接影响到整个故障限流器的限流效果和运行安全。本文建立了用于电磁斥力机构瞬态分析的二维有限元模型和耦合电路模型,通过对改变电磁斥力机构参数得到的不同仿真结果进行分析,得到了线圈匝数、铜盘厚度及半径、电容的容量和电压等参数对电磁斥力影响的规律,得出了针对电磁斥力机构一般性的设计指导原则。研制了基于电磁斥力机构的10kV高压快速开关样机,实测表明其分闸时间为4.8ms,合闸时间为16.2ms,满足经济型故障限流器对快速开关的分、合闸速度要求。论文最后结合工程应用实例,开展了经济型故障限流器工程应用计算和参数设计研究,给出了具体的设计参数并进行了参数校核计算。本文的研究成果为经济型故障限流器核心组件的研制提供了理论依据和新的分析方法,对推动经济型故障限流器在高压电网中的工程应用具有重要意义。