高压直流断路器的研究简述

卢瀚顺

摘 要：文章综述了高压直流断路器的研究背景和应用现状，简要介绍了高压直流断路器在高压直流输电中的作用；高压直流断路器的主要性能指标以及高压直流断路器的种类及其原理结构；高压直流断路器灭弧方式的物理设计，重点说明了高压直流断路器的开断原理；对高压直流断路器进行了分类，并介绍了世界先进水平的高压直流断路器；总结了现今高压直流断路器研究的技术难题和未来的发展方向。

关键词：高压直流输电；高压直流断路器；开断原理

1 概述

高压直流（HVDC）输电系统是由整流器、高压直流输电线路以及逆变器组成，其中整流器和逆变器统称为换流器。从结构上看，高压直流输电是交流-直流-交流形式的电力电子换流电路[1]。自从1954年瑞典哥特兰的世界上第一项高压直流输电工程投运以来，高压直流输电技术已经随着电力电子技术的突飞猛进而飞速发展[2]。高压直流输电系统主要有两个作用[3，4，5]：一是将频率不同或频率控制策略不同的交流系统联接起来；二是增长输电距离以及增大输电容量。我国现有的特高压直流示范工程有三个，分别是南方电网公司的云广±800kV特高压直流输电示范工程，国家电网公司的向上±800kV特高压直流输电示范工程和锦苏±800kV特高压直流输电示范工程。与交流输电比较，直流输电主要有以下优点：输电损耗小、线路造价低；电压压降小；直流输电不要求与电网同步；可分期建设，提高投资效益[7]。高压直流输电工程的结构中，直流断路器是至关重要的设备之一。研制高压直流断路器主要需要突破三个难点[8，9]：一是直流输电电流没有过零点，增加断路器的灭弧的难度；二是直流输电回路的电感很大，而需要开断的电流往往也很大，导致直流断路器需承受巨大的能量；三是直流输电的过电压高。

2 高压直流断路器的基本构成和开断原理

2.1 高压直流断路器的基本构成

开断直流电流一直是高压直流输电系统中的重大难题之一。主要原因是直流电流没有自然过零点，必须强迫电流过零才能熄弧。另外在开断电流过零，电弧熄灭时，直流系统中仍存储着巨大的能量需要释放，这部分能量在断路器两端可能产生很高的过电压从而造成开断失败。

高压直流断路器的基本构成如图1所示[9]。

高压直流断路器是由：QB装置，振荡回路，耗能元件组成。QB装置通常采用传统的真空断路器和SF6断路器改造而成，QB装置为了获取较低的电弧电压，需要加装辅助回路，包括有源辅助回路和无源辅助回路两种。振荡回路用于强迫直流电流过零点，最常用的是LC振荡回路。耗能元件用于吸收回路中存储的能量，通常采用金属氧化物避雷器（MOA）。

2.2 高压直流断路器的开断原理

2.2.1 高压直流的开断方式

目前可行的开断方法主要有以下几种[10]：（1）限流式开断法。主要原理是利用装置把电弧拉长致使系统电压无法维持燃弧而熄灭。（2）振荡式开断法。其基本构成如图1所示，基本原理如2.1所述：首先利用振荡电路强迫电流过零点，接着利用交流断路器开断电流，最后利用金属氧化物避雷器吸收直流回路的能量，确保灭弧不重新燃弧。这是最常用的开断方法。（3）其他的开断方法。例如用可关断晶闸管GTO串联构成的直流断路器，但造价高且可靠性差[11]。

2.2.2 高压直流断路器的开断原理。这里主要介绍振荡式开断法的开断原理。振荡式开断法强迫电流过零的方法有两种[12]：一是他能振荡方法（无源型[13]），如圖2所示；一是自能振荡方法（有源型），如图3所示。他能振荡方法的原理是：先向电容器C充电，然后电容器C通过电感L向电弧间隙放电，产生振荡电流，强迫电流过零。他能振荡方法对电路的操作过程如下：闭合Kch向储能电容器C充电；Kch断开，断路器CB开断；CB中会有电弧出现，这时闭合Kcon，产生振荡电流，形成电流过零点。可见，他能振荡方法步骤较为复杂且可靠性较差，对重合闸操作不利。

自能振荡方法的原理是利用电弧自身的不稳定性和负阻特性产生电流振荡。当断路器CB触头断开后，产生的电弧电压向储能电容器C充电。由于电弧的不稳定性，电弧电压产生波动，使电容器C与CB间的电弧有一个充放电过程，产生充放电电流，电弧的负阻特性使充放电流的振幅不断增加。电弧的负阻特性如图4所示。其电路方程为：

LC■+C■+i=0 （1）

LC■+rC■+i=0 （2）

电弧电阻r=■<0（i是增幅振荡），当电流的振幅等于所开断的电流时，在断路器触头之间产生电流过零点。自能振荡方法避免了他能振荡方法所必须的许多设备，简化了换流电路，且即使电流过零后重燃，也不影响电流过零点的形成，这样省去了过零点形成时间与触头开距之间的配合问题。

图3 自能振荡方法

3 高压直流断路器的分类和主要性能

从安装环境角度划分：如图5所示为双极送电端（左）、受电端（右）换流站直流断路器配置图。按照安装环境划分，可分为以下四种断路器[4]。（1）中性母线断路器NBS。对于两端换流站的每一极都应设有一台中性母线断路器NBS，NBS应满足能开断任何故障类型的直流电流。NBS的开断必须实现合-分-合操作循环。换言之，开断装置实现此操作循环而无需对操作机构充电。在转换失败或电动机掉电情况下，此功能能确保开断装置返回闭合状态。（2）中性母线接地断路器NBGS。每个换流站都要有一台NBGS。当接地极退出运行时两端换流站的NGBS应自动将中性母线转移到换流站地网。NGBS不要求具备大电流转换的能力，但必须能在双极运行时打开，以及将双极不平衡电流转换至接地极。（3）金属回路转换断路器MRTB。MRTB的主要作用是将直流运行电流从较低阻抗的大地回路转向较高阻抗的金属回路，并且所转移的直流输送功率不应下降，应满足即使在长时间的过负荷功率水平下也能进行转换。（4）大地回路转换断路器ERTB。ERTB的作用与MRTB相反，是将直流运行电流从较高阻抗的金属回路转向较低阻抗的大地回路。同样ERTB所转移的直流输送功率不应下降，应满足即使在长时间的过负荷功率水平下也能进行转换。

从技术角度划分[14]。（1）机械式断路器，这是以传统的交流断路器灭弧技术为基础改造而成的直流断路器。（2）真空/等离子断路器，使用高压真空系统/等离子管的断路器。（3）电力电子直流断路器，例如有基于高电压、高电流晶闸管换流器，基于IGBT换流器等。（4）超导断路器，利用在超导和常温状态下电阻快速变化的超导材料制造而成。以上前两种均是基于前面所提到的借助于辅助振荡电路实现灭弧的断路器，区别是所采用灭弧方式和介质不同。后两种是目前世界上最先进的、处在研发阶段的具有高开端容量的直流断路器。值得一提的是，ABB在2012年11月宣称开发了世界上第一台混合式高压直流断路器。这一研究成果将机械动力学与电力电子设备相结合，可在5ms之内开断一所大型发电站的直流输出电流，设计参数：额定直流电压320kV，额定直流电流为2kA，电流开断能力为9kA。阿尔斯通电网在2013年2月宣称已研制出最佳性能的高压直流断路器样机，并通过了开断电流超过3kA、开断时间小于2.5ms的实验。

4 存在的问题和未来的研究展望

尽管直流断路器利用了现有的交流断路器的技术，但两者之间还存在着一定的差异。也就是说，直流断路器还有许多问题需待解决，才能得到不断地完善。直流断路器有待解决的问题可以归纳为如下几个方面[4，15，16，17]：（1）优化直流断路器电路的元件尺寸，包括电容器、电抗器、变阻器等元件的尺寸，以优化基本的高压直流断路器的结构。大的研究方向是缩小元件的尺寸，减小直流开断时间以及降低造价；（2）研究各种情况下气体绝缘或者真空开关的不同电弧特性，以优化开断直流电弧的振荡上升速度和断路器的开断能力；（3）研制动作更快的机械开关或者隔离开关，并且这些开关应该具有更高耐压能力和更低的损耗；（4）研制纯净的半导体开关器件，这些开关器件应该具有非常小的导通损耗；（5）通过技术改进，将中压直流断路器的应用扩展到更高水平的电压等级；（6）研制中高压故障限流器；（7）完善高压直流断路器控制保护，提高高压直流断路器工作的安全性和可靠性；（8）不断开发新的高压直流断路器（或者单个组件）的试验方法；（9）不断完善多端高压直流输电系统的标准和规范。

参考文献

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