直流断路器技术发展探究

赵颖

摘要：高压直流输电迫切需要高速、高速、经济的直流断路器。分析了直流断路器的拓扑结构，分析了机械式、全固态和混合式直流分断方式的特点和应用场合。指出混合强制换相方案和机械预充电手动过零方案更容易满足高压大容量直流系统的高速分断要求。

关键词：直流断路器;发展探究;

引言

近年来，高压直流输电以其独特的优势得到了广泛的重视和应用。与交流输电相比，高压直流输电具有输电线路建设成本低、功率调节简单易行、无稳定性问题等优点，适用于特高压、大容量、远距离输电。1954年，世界上第一个直流输电工程（哥德兰直流输电工程）在瑞典投入商业运营;1989年，中国第一条±500千伏特高压直流输电线路建成投产。目前，世界上已有90多个高压直流输电工程投入运行，总容量超过7万兆瓦。国内外专家认为，高压直流电网作为风电集电平台，可以避免交流电网电压、频率、功角等稳定性问题，为随机性强的风电并网提供解决方案。然而，它需要解决直流短路故障的隔离和排除问题，因此依赖于直流断路器等新技术的发展。直流断路器的发展有两个难点：一是直流系统电流没有自然过零，交流断路器中成熟的灭弧技术无法应用;二是直流系统感应元件储能巨大，大大增加了直流故障电流分断的难度。

一、直流断路器日益增长的需求

随着柔性直流输电及高压多端直流电网的发展，对直流断路器的性能提出了新的需求。

1高电压、大电流

直流系统向多端、高电压、大电流方向发展，部分适用于中低压、小电流领域的直流开断方法不能满足直流断路器的发展需求。

2高速开断

直流断路器的分断速度不仅决定了直流系统其他关键部件的冲击电流水平，而且决定了断路器本身的分断电流值。新型多终端高压直流输电系统的发展，特别是柔性直流电网的发展，导致直流故障电流峰值大、上升速度快，这就要求研制超高速直流断路器。

3高可靠性和经济性

与交流断路器不同，直流断路器若不能及时切断，会使故障电流峰值增大。因此，直流系统比交流系统对断路器的分断可靠性有更高的要求。多终端直流系统的规模化发展需要大量的直流电直流断路器在高压大容量系统中的应用受到直流断路器固态器件的数量因素和价格因素的制约。因此，直流断路器的发展应从经济上加以考虑。

直流断路器的分类与特性直流断路器的拓扑原理复杂多样。根据直流断路器中关键分断装置的不同，直流断路器可分为机械式直流断路器、全固态直流断路器、机械开关和固态开关混合式直流断路器三大类。各种直流断路器有不同的实现形式和拓扑结构。

二、机械式直流断路器

机械式直流断路器将传统的交流机械分断单元应用到不同的直流分断拓扑中，完成直流分断。

交流机械开关仅具有电流过零能力，而直流系统电流不具有自然过零能力。由交流机械开关构成的直流断路器，或人工电流过零完成直流分断，或限制电流小到足以实现可靠的电流分断。机械式直流断路器的关键是为机械式分断单元创造一个类似交流零点的分断环境。根据分断原理的不同，该断路器可分为人工电流零分断、限流分断和其他分断方式。

1人工电流零点法

这种直流断路器主要由机械开关和反向电流组成发电支路和能量吸收支路由三部分组成。正常运行时，直流电流通过机械开关，运行损耗小。短路故障时，机械开关触头断开并起弧，触头断开一定距离后，反向电流产生支路传导，产生高频反向电流叠加在机械開关上形成“人工电流零”，断路器利用本机灭弧，当机械开关两端恢复电压上升到一定值时，吸能支路传导吸收直流系统的能量，完成直流故障解列。根据反向电流产生原理的不同，“人工电流零点法”可分为自激振荡法、预充电振荡法和其他人工调零方法。

2自激振荡法

自激振荡式“人工电流零点”法拓扑原理。反向电流产生支路由电容器C和电感L串联而成。能量吸收支路由非线性电阻锌避雷器组成。直流电流切断时，电流断路器的断路器断路器分闸灭弧，C、l回路自动激发幅值增大的振荡电流;当振荡电流幅值超过系统电流时，在断路器内形成振荡过零点，并在断路器断口熄灭，氧化锌避雷器吸收系统能量，最终完成中断。上世纪80年代，BBC欧洲公司选择了自己的Dilf 550千伏四断口交流断路器，成功研制出一台500kv/2ka自激振荡式高压直流断路器样机，并于1985年2月安装在太平洋直流联网工程的CELILO换流站进行现场试验。同时，西屋公司使用了改进的SF。研制成功了500kv/2.2ka自激振荡高压直流断路器样机，并通过了CELILO换流站的现场试验。自激振荡法具有结构简单、控制方便、成本低等优点，但分断时间与电路参数密切相关，人工零点只能在几十毫秒后形成，这种断路器一般需要电弧电压较高的SF。现有的操动机构往往难以满足高压电弧机械开关超快驱动的要求。

2.1.1.2预充由操荡注

预充电“人工电流零”法的拓扑原理。反向电流产生支路由电容器C、电感L、预充电装置u和触发开关K组成，当断路器收到分闸命令时，断路器分闸并起弧。当断路器触头分离到足够的分闸距离时，当k闭合时，LC支路产生反向电流，叠加在断路器支路上形成电流零点，断路器断口电弧熄灭，系统的能量被氧化锌避雷器吸收。预充电振荡法只利用断路器及其电弧的分断原理在该方法中，分断速度只与机械开关触点的分断速度、LC支路参数和开关K的闭合速度有关，可以实现直流电流的高速分断。该拓扑需要增加电容充电电路、触发开关K等单元。预充电振荡的“人工电流零点法”是近年来备受关注的一种中断方式，适用于高压大电流场合。1972年，GE公司基于预充电振荡过零原理，采用真空断路器串并联结构，研制出80kV/30kA直流断路器样机;1984年，日本东芝公司集成了真空断路器反弧介质快速恢复率和SF。利用断路器大容量分断能力的优点，利用预充电振荡过零原理，成功研制出250kV/1.2kA商用断路器16;1985年，日立公司利用预充电振荡过零成功研制出250kV/8kA直流断路器原理，并进行了实验室试验。

3其他人工零点型式

其它的人工调零方法主要包括几种特殊形式的耦合电感引入反向电流。反向电流产生支路由耦合电感器L2和电容器C组成。当发生直流故障时，快速上升的故障电流流过电感器ll，引起耦合电感L2的变化电流，该电流与故障电流相反。故障电流与可变电流的叠加，使机械开关主回路过零点，实现灭弧。

结语

高压、大电流、高速分断、高可靠性和经济性是多终端直流电网对高压直流断路器的新要求。目前，国内外研究机构在高压直流断路器的研制方面也在不断的尝试和努力，并在技术上取得了很大的突破。分析了机械式、全固态和混合式直流断路器的原理、特点及其在新要求下的适用性。认为目前适合高压直流输电的直流断路器方案有两种：混合强制换流器式和机械预充手动过零式。为充分满足直流输电快速发展的需要，应重点研究详细的拓扑结构、人工零点下机械开关灭弧单元的极限分断能力、振荡回路参数的优化和快速机构的研制;对于混合式直流断路器，发展的重点是提高机械开关的运行速度，减少元器件数量，提高可靠性和经济性。

[1]李岩，罗雨，许树楷，等.柔性直流输电技术：应用、进步与期望.南方电网技术，2018，9（6 12）：7-13.

[2]沈力，吉嘉琴.500 kV输电线路中直流断路器工作条件的计算.清华大学学报，2017，（334）：13-21.

[3]郑占锋，邹积岩，董恩源.直流开断与直流断路器[J].高压电器，2006，426）：445-449.