直流混合型断路器与直流故障限流器的匹配研究

张 翀， 邱清泉， 张志丰, 肖立业, 夏 东

(1. 中国科学院应用超导重点实验室, 北京 100190; 2. 中国科学院电工研究所, 北京 100190; 3. 中国科学院大学, 北京 100049)

直流混合型断路器与直流故障限流器的匹配研究

张 翀1,2,3， 邱清泉1,2， 张志丰1,2, 肖立业1,2, 夏 东1,2

(1. 中国科学院应用超导重点实验室, 北京 100190; 2. 中国科学院电工研究所, 北京 100190; 3. 中国科学院大学, 北京 100049)

目前，直流断路器的开断容量还难以达到直流电网的要求,通过限流器和断路器的配合是解决问题的有效方式之一。本文在分析混合型直流断路器开断原理及其特性的基础上，对断路器与直流限流器的配合问题进行研究。首先，以ABB公司混合型直流断路器为例，通过PSCAD/EMTDC软件建立仿真模型，对其开断原理和过程进行分析；然后，根据直流电网电压等级、开断电流大小和开断过程IGBT承受电压电流等不同要求，研究限流器对断路器的影响, 进而确定匹配原则；最后，通过故障状态分析计算确定限流器的参数。

直流故障限流器； 混合断路器； 限流开断； 配合

1 引言

为了满足风能、太阳能等波动性可再生能源大规模并网的需求，基于电压源型换流器的多端直流输电系统(VSC-MTDC)的研究引起国际上越来越多的关注和重视，一批基于VSC-MTDC的多端柔性直流输电示范工程已经建成投运，直流电网的研究也方兴未艾。

然而，VSC-MTDC线路上一旦发生短路故障，相当于换流器直流侧的电容直接放电，其短路电流会快速上升，最大值可达数十千安。过快的电流上升率将带来热量集中、电弧火花、电磁应力等问题，同时因为换流器中有反并联的二极管会形成不控整流桥，所以单纯通过控制换流器是无法切断故障电流的，短路电流甚至会损坏换流站[1,2]。发展快速大容量的高压直流断路器是解决这个问题的有效方法，然而，对于直流断路器而言,现有IGBT/IGCT等电力电子器件的过载能力并不十分理想,而且只能承受有限的电流和电压变化率。若要求采用电力电子器件开断故障电流,则直流断路器在故障电流上升到一定值之前必须完成开断,这对直流断路器的快速开断提出了很高的要求；同时，高压大容量的快速机械开关也面临灭弧困难的问题。因此，即便采用快速机械开关和电力电子开关相结合的方式，目前所能达到的快速开断能力也是有限的。

如果能够在VSC-MTDC线路中串入短路故障限流器(FCL)，采用限流器抑制故障电流的大小和上升速度，就可有效降低直流电网故障对断路器开断容量的要求。目前关于直流故障限流器的研究主要有电阻型[3-5]、电感型[6,7]、阻抗型[8]。文献[9]针对电感型限流器开展研究，针对潮流反转时，电感会对潮流控制的灵活性产生不利影响的问题，提出利用超导电阻型限流器的设想。但是该文献中利用超导电阻限流存在严重的不足，首先，文中针对200kV电压等级的断路器需要的失超电阻高达25Ω，如此大的阻值需要的超导带材用量无论从体积和造价都很大；其次，作者研究了带材失超后，限流器承受的电压高达212.5kV，较高的电压等级意味着体积的进一步增加；另外，从故障发生到发送开断信号用于故障检测的延迟时间高达20ms，在这段时间内，通过超导电阻限流时，电阻长时间通过较大的故障电流，给带材的能量耗散及带材的失超恢复带来困难。文献[10]针对直流机械断路器与超导限流器的配合问题进行了研究，故障后通过与断路器串联的超导带材的限流，使得断路器的开断电流减小，降低了短路故障对直流系统的影响。文献[11]针对限流式混合直流断路器的限流开断特性进行研究，限流电路由电感和能量释放回路构成，通过限制短路电流上升率降低对机械开关速动性的要求。

为了使断路器达到最佳的开断效果，需要研究直流混合型断路器与限流器的限流开断配合问题，并分析限流类型及参数对断路器开断过程的影响。本文就这一问题展开了初步的研究。

2 直流混合型断路器的开断原理及其发展现状

混合型直流断路器的基本拓扑结构如图1所示。它将机械开关与电力电子器件结合。正常情况下由机械开关导通电流，通态损耗较小；故障情况下，首先导通固态开关，然后分断机械开关，利用机械开关分断时产生的电弧电压为固态开关(已施加触发脉冲)建立阳极正向电压，使其顺利导通；固态开关导通后，由于开关触点间电弧电阻大于固态开关导通电阻，使得电流能够自然地从机械开关换流至固态开关，从而保证机械开关在低压小电流下顺利分断；机械开关分断后立即关断固态开关，从而切断电流通路。

图1 混合型高压直流断路器的基本拓扑结构Fig.1 Basic topology of hybrid DC circuit breaker

混合式直流断路器用快速机械开关来导通正常运行电流，用固态电力电子器件来分断短路电流，结合了机械开关良好的静态特性与电力电子器件快速关断的动态性能，具有通态损耗小、开断时间短、寿命长等优点，是目前高压直流断路器研发的新方向，具有广阔的应用前景[10,11]。

2012年ABB公司研制出基于IGBT的320kV/2kA等级的混合型直流断路器[12]，拓扑结构如图2所示，主要包括旁路开关支路(快速机械隔离开关+辅助直流开关)和主直流开关支路(半导体断路器+避雷器组)。

图2 ABB混合型直流断路器Fig.2 Hybrid circuit breaker by ABB

2014年阿尔斯通公司(ALSTOM)研制出120kV/2kA等级的混合式高压直流断路器，结构原理图如图3所示。该混合式高压直流断路器也采用机械开关与半导体固态开关相结合的混合型结构[13]，但其转移支路由多个模块级联构成，模块中采用晶闸管而不是IGBT,并且每个模块中的避雷器动作电压逐渐递增。

图3 Alstom研制的混合型断路器Fig.3 Hybrid circuit breaker by Alstom

2015年国网智能电网研究院(SGRI)研发了200kV等级的混合型断路器[12]，结构如图4所示。主要包括主开关支路(快速机械隔离开关+H桥)、电流转移开关支路(H桥半导体断路器)和吸收支路(避雷器组)。

图4 智能电网研究院混合型断路器Fig.4 Hybrid circuit breaker by SGRI

上述三种混合式高压直流断路器的性能参数比较如表1所示。由此可见，目前主要的直流断路器的电压在120～320kV左右，而电流开断能力最大达到15kA，难以满足实际运行的VSC-MTDC系统的要求，通过FCL的串入，可以有效提升直流断路器的开断能力。

表1 高压直流混合型断路器性能参数Tab.1 Performance parameters of high voltage DC hybrid circuit breaker

3 直流混合型断路器的建模分析

考虑到目前智能电网研究院和ALSTOM公司尚未公布其直流混合型断路器的详细设计参数，本文以ABB公司的320kV/2kA混合型直流断路器为对象(如图2所示)，利用PSCAD/EMTDC软件进行建模分析。图5为断路器仿真模型及其开断过程电流转移波形图，ICB、Iline、IR、IIGBT分别为机械开关、线路、避雷器、 IGBT的电流。

图5 断路器开断仿真图Fig.5 Simulation of circuit breaker opening process

当直流线路正常运行时，主直流开关处于断开状态，快速隔离开关和辅助直流开关导通并流过直流电流。当在1s时刻发生短路故障时，经过500μs延迟用于故障检测和逻辑判断，首先导通主直流开关，关断辅助直流开关，系统开始换流，线路上的电流转移到主直流开关上，此时辅助直流开关承受主直流开关的导通电压，一般小于1kV，属于其耐受范围内。当流过快速隔离开关的电流为零时，快速隔离开关迅速打开以保护辅助直流开关避免遭受过电压。在1.0025s快速隔离开关成功断开后，主直流开关断开，用于限制故障电流上升率的限流电感LB中的能量通过与主直流开关并联的ZnO避雷器吸收，短路电流下降。当故障电流下降到零时，在1.005s打开剩余电流直流开关将故障线路隔离，防止避雷器热过载。

图6为开断过程中IGBT单元和快速隔离开关的电压波形及ZnO避雷器消耗能量。由于IGBT关断速度极快,可在μs级内完成关断动作，在1.0025s主直流开关关断瞬间，线路电感中储存的能量将在IGBT器件和机械开关两端产生较大的过电压，该过电压有可能导致绝缘薄弱的地方产生火花甚至导致IGBT模块损坏。

图6 开断过程电压和能量波形Fig. 6 Voltage and energy waveforms in opening process

图6(b)为主直流开关关断后，ZnO避雷器导通耗能。为了体现开断过程能量消耗情况，在剩余电流直流开关打开后，没有考虑散热条件，因此使得能量维持不变，实际上在散热条件下曲线应该下降。

尽管电力电子型断路器最大的缺点是通态损耗大,但该混合型断路器由于主直流开关只有在发生直流侧故障时导通，因此其不需要散热系统。辅助开关导通电压是一个 IGBT 和反并联二极管的导通电压之和，约为3～5V，当直流线路正常运行时流过的电流为2kA，其导通损耗为10kW，只需要小型的散热装置。相比于由多个IGBT串联构成的固态型断路器，其开关通态损耗要小得多，例如电压等级为4.5kV的单个IGBT，导通压降可以达到3.3V左右。若装设于320kV的直流输电线路，线路中串联的IGBT开关至少需要72个(考虑过电压时，数量还要更多)，那么单台IGBT开关的导通压降约为 238V，在通过数千安的正常电流时开关的通态损耗要大得多。

4 加装故障限流器的开断过程仿真分析

基于ABB直流混合型断路器的研究，在限流器和快速断路器接入电网的前提下开展故障限流开断研究。故障电路原理如图7所示。在直流线路发生故障后，通过限流器抑制故障电流的上升速度和幅值，从而降低对断路器开断容量的要求。

图7 故障电路原理图Fig. 7 Fault circuit diagram

VSC-MTDC直流网络直流侧短路故障情况包括：①正、负极性直流母线的线间短路；②正极性直流母线对地短路；③负极性直流母线对地短路。两极短路故障发生的概率虽然比单极接地故障低，但其后果更加严重，本文以两极故障为例。另外，在限流器和断路器的接入方式上，往往是正极线路和负极线路都要接，研究时，认为它们的参数和操作是完全一致的，以一个极性安装为例进行故障分析研究。

图7中，CB为直流断路器，FCL为故障限流器，可以是电阻、电感或阻抗型(电阻+电感)，且其参数值可以合理选择。在此模型的基础上，本文主要开展混合型断路器与限流器的配合问题研究，在短路故障发生后，通过投入不同类型及不同限流参数的限流器来限制短路电流，使得断路器更容易开断。研究的重点在于以断路器的最大开断电流、开断瞬间IGBT和快速隔离开关承受瞬态过电压的峰值为研究对象，探索限流器对开断过程的影响。

混合式直流断路器的开断时间主要取决于内部的快速隔离开关，实现混合式直流断路器在2ms时间内开断电流的关键是设计制造出能在2ms内开断的快速隔离开关。因此除了快速分断操作机构外，还需要保证快速隔离开关的耐压等级足够高，因为在主断路器支路关断瞬间快速隔离开关会遭受瞬态过电压，所以开断过程的过电压是能否实现断路器成功开断的重要因素。

假设短路故障发生在1s时刻，通过投入限流器进行故障电流限流，实现快速断路器的故障电流切除。下面分别针对不同类型限流器的限流作用，开展断路器的开断特性研究。在 PSCAD/EMTDC 下搭建仿真系统[14]，如图8所示。模拟正常运行与故障发生后电容放电阶段的限流开断过程，正常运行时直流电源提供正常运行电流同时为电容充电；BRK2闭合，短路故障发生后刀闸 BRK1、BRK3 打开，形成了电容经故障线路的放电回路。图8中 CB即为混合直流断路器及其触发控制电路和波形显示电路的封装结构，仿真模型参数如表2所示。

图8 仿真电路模型Fig.8 Simulation circuit model

参数数值电源电压/kV320线路电阻/Ω0.07线路电感/H0.0005放电电容/μF200负载/Ω160避雷器额定电压/kV90缓冲电阻/Ω5缓冲电容/μF0.05

4.1 电阻型限流器

图9为电阻型限流器限流时的开断波形。由图9(a)可知，短路故障发生后，在换流之前的时间段内通过机械开关的电流迅速上升，在固定的故障检测触发时间内，限流电阻越大，通过机械开关的电流峰值越小。之后在1.0005s换流后，通过主直流开关的IGBT故障电流继续上升(见图9(b))，但是从图9(b)中可以看出，针对开断9kA的故障电流，需要的电阻值高达35Ω，若用超导带材实现限流，那么带材的需用量和造价以及限流器体积会很大。图9(c)中随着限流电阻值的增加，IGBT单元两端的峰值电压变化很小，这是由于当主直流开关关断后电流换流至ZnO避雷器耗能，虽然限流电阻不同，所分担的电压不同，造成IGBT两端电压不同，但限流阻值和ZnO避雷器相比变化幅度不大，因此阻值的变化造成电压差异较小，但在开断后IGBT端电压达到相同值。

图9 开断过程电流波形Fig.9 Current weaveforms of breaking process

由图9(b)可知，故障发生后，从换流过程开始到主断路器支路断开期间，电容的能量逐渐被电阻消耗，电流上升较平缓，但在换流之前的故障初始阶段内电流已上升到较大值(见图9(a))，使得IGBT在这段时间内长时间承受较大的故障电流，这对IGBT器件的电流耐受能力带来挑战，造成关断损耗较大，较大的损耗还增加了对散热系统的投资。

以上分析说明在电力电子型断路器开断过程中，电感的作用尤为重要。故障发生后，故障电流迅速上升，如果电感值太小，可能超过器件的最大承受di/dt能力。因此下文以感抗型限流器和阻抗型限流器为对象进行研究。

4.2 电感型限流器

故障后串入线路的电感虽然会因储存的能量造成开关关断困难，但电感会限制故障初始阶段电流的上升速率，使得电流在短时间内幅值有所降低，有利于开断。而且对混合式直流断路器的设计要求与电感值的大小有重要关系，当 VSC-MTDC 发生直流侧故障，直流侧相当于一个恒压源，电压值等于线路的输电电压。此时若忽略线路电阻，则故障电流呈线性上升，电流上升的速度主要取决于直流侧电感值的大小。下面通过改变限流电感值进行开断特性分析。

图10为电感型限流器时的限流开断过程电流。由图10(a)中机械开关电流ICB可以看出，在固定的故障检测触发时间内，故障电流上升到4kA，相比于图9(a)中电阻限流时换流之前机械开关的电流就已经到达7kA，说明利用电感限流时故障电流上升率要明显小于电阻限流时，电流变化率过大不仅可能使得器件承受的电流变化率超过其允许范围而损坏，而且会造成主直流支路关断瞬间在断路器两端产生较大过电压。同时机械开关支路故障电流大造成一方面需要更多的IGBT并联流通大的电流，另一方面增加机械开关电流过零时间。同样，在换流过程中，不同于图9(b)中电阻限流的情况下IGBT较长时间通过较大电流，故障电流逐渐上升至最大值，电流上升的速率随着电感值的增加而减小。按照断路器2ms的固定开断时间，若电感值很大，则电流上升速度慢，可降低其开断过程机械开关流过故障电流的幅值，对断路器开断能力的要求可以适当降低，这样其成本也可以降下来；然而电感值越大，电抗器本身的体积和成本会上升，还会影响VSC-MTDC潮流控制的灵活性。反之，若电感值很小，则电流上升速度很快，对断路器开断电流的能力要求很高，开断过大故障电流的快速直流断路器不仅难以制造，其成本也会过高。因此，需要选取适当的电感值，既可以抑制电流的上升速度，保证VSC-MTDC 的直流侧电压不严重跌落的情况下迅速可靠地开断直流侧故障电流，又能兼顾经济性等因素[15]。因此，下面开展故障限流过程中感抗型限流器参数的分析计算。

图10 开断过程电流Fig.10 Current during interrupting process

4.3 电感限流条件下，断路器断开故障电网的分析及限流电感参数计算

图11为故障线路简化等效电路图。其中Udc为故障初始电容放电阶段等效电源，Ldc和Rdc分别为线路电阻和电感，LB为限流电感，Rl为负载，开关S模拟短路故障，线路参数根据文献[16-19]中已有参数分别取0.07Ω/km、0.05mH/km,线路长取10km。故障发生瞬间，电感限流器进行限流，根据电感电流在故障前后瞬间不会突变，由稳态运行可得：

(1)

则故障后线路电流为：

(2)

由此可得故障电流变化率为：

(3)

可求得故障电流最大上升率为：

(4)

图11 故障线路等效电路图Fig.11 Equivalent circuit diagram of fault line

根据文献[14,20]中故障电流最大上升速率一般为3.5～10kA/ms，按照3.5kA/ms分析计算，由式(1)～(4)可求得电感值为91.9mH。

表3为改变限流电感的大小，研究开断的最大故障电流及关断瞬间IGBT单元和机械开关承受过电压的情况。随着限流电感值的增加，流过断路器的最大故障电流明显减小。尽管UIGBT和UCB也随着电感的增加而有所减小，但相比于利用纯电阻限流时(UIGBT为91.2kV)，其过电压峰值明显要高很多，这是电感限流器用于故障限流的缺陷。

表3 电感限流器时电压和电流Tab.3 Voltage and current for inductor current limiter

4.4 阻抗型限流器

当所匹配的限流器类型为电阻和电抗时，故障发生后既可以限制故障电流的幅值，又可以抑制故障电流上升速率。根据4.1.3节电感参数的分析计算，该部分取定电感值L为91.9mH，通过附加小的限流电阻研究阻抗型限流器对断路器开断过程的影响。

图12为阻抗限流时的限流开断波形。其说明限流电感值固定在91.9mH时，无论从电流还是能量角度考虑，附加的电阻对断路器的开断更有利。表4为电流和电压的变化情况。

由表4可知，随着电阻的增加，开断的最大故障电流减小。虽然电压变化很小，但与纯电感限流器时相比有所减小。综上可知，当故障限流器为电感型时，额外附加的限流小电阻的增加，将有利于断路器的顺利开断。如果降低限流电感，增加电阻(超导限流器)，在故障电流的上升率和稳态值满足直流开断要求条件下，超导限流器在直流稳态运行时无损耗和压降，潮流控制的灵活性也会提升。

图12 限流开断波形Fig.12 Limiting and breaking waveforms

R/Ω1235810UIGBT/kV93.8993.7993.7593.4893.4193.35Imax/kA9.259.179.088.928.698.54UCB/kV373.92373.67372.69372.52372.31371.89

5 结论

根据不同的限流类型和参数值，得出直流混合型断路器与限流器的匹配原则：

(1)若利用电阻型限流器进行限流，首先，需要的限流电阻较大，所需的超导带材多、造价高、体积大；其次，限流过程中通过IGBT器件的故障电流大，较长时间通过大电流，不仅对器件的电流耐受而且对超导带材的能量耗散和失超恢复带来挑战。

(2)若利用感抗型限流器进行限流，故障后抑制故障电流上升速率，对IGBT器件本身的实用特性更有利。但是电感限流的缺陷是过电压问题，给断路器的绝缘设计带来困难。

(3)在电力电子型断路器的实用中，器件本身的电流变化率、浪涌电流峰值等参数是关键限制因素，因此，阻抗型限流器更适合于混合式断路器，附加的限流电阻不仅能减少故障电流值，而且可以降低暂态过电压。

(4)混合型直流断路器已发展成为直流断路器的一个重要类型，其电路拓扑相对变化不大，仅在各元器件的选型和设计上有一定差异。在目前的产品中，采用大电感限流，但是过大的电感不仅不利于潮流的灵活控制，而且增加了过电压。采用阻抗限流思路可以解决上述问题，因此以上结论对于混合型直流断路器具有普适性。

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Study on coordination of DC hybrid circuit breaker and DC fault current limiter

ZHANG Chong1,2,3, QIU Qing-quan1,2, ZHANG Zhi-feng1,2，XIAO Li-ye1,2, XIA Dong1,2

(1. Key Laboratory of Applied Superconductivity, Chinese Academy of Sciences， Beijing 100190， China；2. Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences， Beijing 100190， China；3. University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China)

Direct current circuit breaker is an essential equipment for the removal of DC power grid faults, and its breaking capacity is insufficient to meet the requirements of DC power grid. With the cooperation of current limiter and circuit breaker, it can effectively improve the breaking capacity of circuit breaker, ensuring the safe operation of DC power network. Based on the development of the hybrid circuit breaker, the paper studies the coordination of the circuit breaker and the DC current limiter. Firstly, the DC hybrid circuit breaker and its principle are analyzed briefly by PSCAD/EMTDC software. Secondly, according to the DC power grid voltage level, the maximum breaking current and the current of IGBT, the effect of current limiter on circuit breaker are studied, then the matching principle is determined. Thirdly, the values of the current limiting parameters are determined.

DC fault current limiter; hybrid circuit breaker; fault current limiting and breaking; coordination

2016-02-29

国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2015CB251005)

张 翀(1988-)， 男， 河南籍， 硕士研究生， 研究方向为柔性直流输电故障限流与开断； 邱清泉(1979-)， 男， 山东籍， 副研究员/硕导， 博士， 研究方向为超导电力技术。

TM561

A

1003-3076(2016)09-0021-08