高压直流断路器对比及应用前景分析

宋述波，周登波，彭为，周勇，贾燕冰

(1.中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局，广东 广州 510405；2.太原理工大学，山西 太原 030024)

将西部的清洁能源远距离输送到沿海经济发达地区，成为缓解我国能源分布不均、促进低碳高效发展的重要手段。为实现碳达峰和以新能源为主的电力系统的发展目标，清洁能源的装机容量占比将会越来越重，大量分布式光伏、风电机组要实现并网运行。传统“点对点”高压直流输电方式无法解决分布式能源的消纳和换相失败等问题[1]，而柔性直流输电系统兼具直流系统传输容量大、输电距离远、线路损耗低等优点，且不存在换相失败的问题，无需大量无功补偿装置，还可以很好地解决新能源对电网带来的冲击；所以柔性直流输电技术是解决跨区域电能转移和未来能源问题的关键[2-3]。随着柔性直流输电技术的发展，许多问题亟须解决，其中最重要的就是如何清除直流故障。

柔性直流系统阻尼小，故障发生后电流上升快，会导致IGBT换流器件迅速闭锁。目前采用的故障清除方法有：依靠限流装置和交流侧的交流断路器来清除故障电流，依靠限流装置和直流侧的直流断路器来清除故障电流，依靠具有故障自清除能力的换流阀组来清除故障电流。采用全桥子模块、电容钳位双子模块或者新型子模块的换流阀结构，在发生直流故障后可通过闭锁换流阀达到故障电流清除的目的[4-5]，例如昆柳龙混合三端直流工程就采用半桥与全桥子模块混合结构实现了故障自清除功能。

目前已投运的柔性直流工程，如舟山五端柔性直流工程和张北四端柔性直流工程等，很多都采用半桥子模块，无法通过闭锁换流阀来清除故障电流[6]。当遇到直流侧故障时，就只有通过断开交流断路器来实现故障切除，例如厦门±320 kV柔性直流工程就是利用交流断路器来开断短路故障电流[7]，但该方法应用在高压大容量直流输电系统中会造成整个直流电网的暂时性停电，不能满足系统安全可靠运行的要求。如果系统配备了直流断路器，就可以迅速切断故障电流并实现故障线路隔离，未发生故障的线路继续保持功率输送。因此直流断路器作为高压直流输电系统安全运行的重要保障，越来越受到关注[8-9]。

近年来，国内许多研究机构针对断路器结构、开断容量、开断时间等开展了大量研究，并取得许多成果。2015年，全球能源互联网研究院和中电普瑞科技公司共同研制的200 kV电压等级的混合式直流断路器，可以实现3 ms内开断15 kA直流电流；2016年，南瑞公司研制出了500 kV电压等级的混合式直流断路器，可以实现3 ms内开断25 kA直流电流；2017年，武汉电力推进研究所研制出基于IGCT与晶闸管并联的固态直流断路器，电压等级1.5 kV，可以实现0.05 ms内开断13 kA直流电流；2019年，由清华大学、南瑞公司、全球能源互联网研究院等共同研制出了目前电压等级最高的混合式直流断路器，电压等级达到535 kV，可以在3 ms内开断25 kA直流电流。

直流断路器的实际应用场景非常丰富，除了关注度比较高的超高压直流输电系统领域，还有直流配电网领域、船舶航天轨道交通等一些中低压领域，不同场景对断路器的体积大小、开断能力、能耗经济、控制稳定等都有不同程度的要求，需要根据实际需求来对比分析以选择更适合的直流断路器类型。

对此，本文首先分析当前直流断路器在柔性直流输电中的基本任务及功能需求，介绍不同类型直流断路器的结构特点和开断原理，并对比分析各类直流断路器的特性和发展现状，提出柔性直流工程断路器选型建议。

1 直流断路器性能要求

1.1 架空线路柔性直流电网的发展

多端直流输电系统作为直流电网的初级形式，目前已有诸多应用，但有关直流电网的定义还未统一，例如：直流电网是由多个换流站的直流端连接成的网络化结构电网，并且换流站彼此备用[10-11]；直流电网是大量直流端以直流形式互联组成的能量传输系统[12]；直流电网是一个具有“网孔”结构的输电系统，每个换流站间都由多条输电线路连接[13]。

直流电网是换流站在直流侧相连的系统，形成“一点对多点”和“多点对一点”网络拓扑结构，如图1所示。每个交流系统都通过一个换流站与直流电网连接，换流站之间有多条直流线路通过直流断路器连接，当发生故障时可通过直流断路器选择性切除线路或者换流站，即使一条线路停运，仍然可以利用其他线路保证供电。同时灵活可控的直流电网既可以满足新能源间歇出力的特点，也可满足电动汽车、工业机器人等负荷随机波动的输电需求，契合未来电力系统的发展需求，具备长足的发展潜力。

图1 直流电网拓扑

现阶段的直流电网面临许多问题，其中最迫切需要解决且严重限制直流电网发展的是直流侧故障电流的清除问题。如果不能像交流系统那样及时有效地清除故障，就很难保证系统的可靠性和可用率[14-15]。如果直流故障采用交流断路器，就会大幅降低了直流电网冗余设计的意义，同时使得其规模难以扩大。如果采用带故障清除能力的换流阀，又会增加通态损耗以及投资成本，所以高压直流断路器的研究急切且意义重大。

1.2 高压直流断路器的性能要求

随着柔性直流输电系统电压等级越来越高，输送功率越来越大，输电走廊越来越长，其对高压直流断路器快速性、可靠性和经济性的要求越来越高。

相较于高压交流断路器，高压直流断路器在故障线路中要产生电流过零点，并吸收在开断过程中储存于线路电抗器中以及从交流系统注入短路点的能量；同时能够耐受电流分断后产生的过电压，并抑制该过电压不得超过直流系统的绝缘水平。适用于中低压、小电流领域的通过耗散电弧能量来开断直流电流的方法不能满足这样的需求。

直流输电系统的阻尼相对较小，系统响应常数小，如果不能快速切除故障，将造成多个换流站停运，而且短路电流攀升迅速，必须在极短时间内开断短路电流，在高压领域快速分断成为直流电网对直流断路器最核心的要求。此外，一般断路器都配置于室外，在各种天气、环境下能否可靠运行，以及对于多端直流系统来说，如何灵活配置大量的直流断路器以节省投资成本，这些都是实际工程需要解决的问题。

1.3 柔性直流工程应用实例

目前比较有代表的柔性直流示范工程包括南澳三端、厦门柔性直流工程、珠海三端、舟山五端、昆柳龙混合三端、张北四端等。2013年建成运行的±160 kV南澳多端柔性直流输电工程加装了2台基于有源振荡的机械式直流断路器；2016年舟山五端柔性直流系统在原有网络基础上加装了2台±200 kV基于电阻过零的混合式直流断路器；2018年投运的珠海唐家湾三端柔性直流配电网工程配置了1台基于耦合负压原理的±10 kV混合式直流断路器；2020年乌东德三端混合直流工程配置多台机械式高压直流断路器用于多种运行方式的转换；2020年张北四端柔性直流系统安装了±535 kV、基于电阻过零和电压过零的混合式直流断路器，这是目前世界上电压等级最高、开断容量最大的直流断路器。

2 高压直流断路器分类与特点

目前直流断路器主要分为3大类：早期的机械式直流断路器、全固态式直流断路器以及目前多端柔性直流工程普遍采用的混合式直流断路器。这3种直流断路器具有不同的拓扑结构和开断原理，在实际应用中各有优劣。

2.1 机械式直流断路器

机械直流断路器的本质是通过串入电容，使单极性的直流电流变为交流电流[16]，然后利用传统交流断路器开断单元(如SF6或真空交流断路器)来分闸直流电流。根据不同的拓扑结构，可以将机械式直流断路器分为无源振荡型和有源振荡型2种。文献[17]基于不同的直流开断原理对机械式断路器进行介绍；文献[18]针对在±160 kV南澳多端柔性直流输电工程加装的机械式高压直流断路器进行建模研究，并给出了断路器参数选型建议；文献[19]对无源型机械式直流断路器样机进行试验验证，结果表明样机能在20 ms内开断5.3 kA的直流电流；文献[20]提出一种新型机械式直流断路器拓扑结构，无须预充电，且开断时间小于4 ms；文献[21]提出一种基于耦合电抗器的新型机械式直流断路器，并通过了1.8～2.3 kA小电流的开断试验。

2.1.1 无源振荡型机械式直流断路器

无源振荡型拓扑原理如图2所示，图中Lre为谐振电感器(其值为Lre)，Cre为谐振电容器(其值为Cre)。其3条支路分别为交流分断装置所在的稳态通流支路、用于产生振荡电流的电流转移支路以及避雷器(MOV)所在的能量吸收支路。其中稳态支路用以在正常工况下导通直流电流；电流转移支路用以和稳态通流支路配合来实现不同工况下直流电流的分断；能量吸收支路用以解决开断过程中产生的过电压耐受和系统能量吸收问题。

图2 无源振荡型直流断路器拓扑

发生振荡时，振荡电流被限制在换流支路，电弧电压与电弧电流iarc(t)为非线性关系，表示如下：

(1)

(2)

电感太小将无法产生振荡电流，且电容越大振荡现象越容易发生，所开断容量也越大。

2.1.2 有源振荡型机械式直流断路器

有源振荡型的拓扑结构如图3所示，其与无源振荡型结构类似，也包括避雷器、谐振电容和谐振电感。分断电流原理亦相同，不同的是其多了辅助电源，可以通过开关S对电容器进行预充电，使其能具备更高的逆向电流幅值，从而减少断路器分断时间。

图3 有源振荡型直流断路器拓扑

在换流支路接入主回路时电容电压已被充电至额定电压Uc(0)，其他推导过程与无源振荡型相同，其电弧电压和电流的关系为：

(3)

(4)

由结果可以看出，故障发生后电弧电流能更快过零。

2.1.3 机械式直流断路器对比

对比上述2种断路器可以发现：

a)有源型高压断路器通过反向注入电流的方式创造电流过零点熄弧，这在技术上易于实现，且可以控制注入电流的幅值，开断能力强，能够缩短熄弧时间，提高断路器分断速度；但由于需要配备辅助电源设备，増加了有源型断路器的体积和成本，结构相对复杂，运行可靠性也相对降低。

b)无源型断路器利用机械开关电弧负阻抗特性，与并联的电感-电容电路谐振创造电流过零点熄弧，控制简单，回路可靠性高。但问题在于，在产生过零点的同时叠加电流的正向幅值增加至少1倍，增加了直流断路器开断电流的难度，可能会使得直流断路器分断时产生的电弧更大，直接影响直流断路器的寿命[22]。此外，当电弧电流大到一定程度后，电弧负阻特性就变得不很明显，不能保证振荡电流稳定振荡到可以产生零点的幅值。

2.2 全固态式直流断路器

大功率电力电子器件所具有的通流能力、快速开断能力和耐压能力，能够很好地契合直流开断的需求。线路正常运行时，电流流过电力电子开关所在的主回路发生故障时，电力电子开关迅速断开。线路感性元件中存储的磁场能量转化为电场能量，使得断路器两端电压升高至避雷器的动作阈值，通过避雷器吸收系统能量，完成电流开断。所以，全固态直流断路器主要由电力电子开关和吸能支路2部分组成。根据所采用的电力电子开关类型，可以将全固态直流断路器分为半控型和全控型2种固态直流断路器。文献[23]提出将碳化硅器件用于直流固态断路器，可以大大降低其通态损耗，并减轻散热压力；文献[24]为解决串联IGBT电压不均衡的问题，提出一种门极均压控制方法；文献[25]在半控型直流固态断路器的基础上提出利用IGCT和晶闸管并联的新的拓扑结构，可以显著减少开断时间，并完成了50 μs内开断13 kA短路电流的试验。

2.2.1 半控型固态式直流断路器

半控型固态直流断路器的典型拓扑结构由晶闸管T1、换流晶闸管T2、换流电感器Lcon、换流电容器Ccon、避雷器组成，如图4所示。

图4 半控型固态直流断路器拓扑

由于采用的晶闸管是半控型器件，为了使主回路的晶闸管关断，必须使流过其电流降为0；所以采用振荡回路强迫换流，使得T1的电流降为0后关断。正常运行时，电容由辅助电源充电至U0，可得：

(5)

uCcon(t)=U0cosωt，

(6)

i1(t)=i(t)-iLcon(t).

(7)

由此可知，主回路晶闸管的电流以正弦形式下降到0，实现零电压软关断；之后谐振电流流入吸能支路，电容器上的电压降为0，完成分断过程。

半控型固态直流断路器具有耐压高、分断能力强、技术门槛低、成本优势等特点，但是高压大电容和辅助电源设备增加了断路器整体的复杂度和占地面积，而且电容器充电回路中辅助电源的绝缘问题也难以解决。

2.2.2 全控型固态式直流断路器

GTO、IGBT、IGCT和ETO等全控型开关元件可自关断，所以采用全控型器件的直流断路器不会产生振荡电流，可以省去换流支路。但目前单个器件的耐压等级远达不到系统的电压等级，所以需要将多个全控型器件进行串联分压。

图5所示为全控型直流断路器拓扑结构，包括限流电抗器、多个IGBT开关管以及并联在断路器两端的避雷器；其工作波形如图6所示，其中：Idc为直流线路稳态电流；Udc为直流线路稳态电压；Iswicth为IGBT开关管所在换流支路电流；Imov为避雷器支路电流；Ibreaker=Iswicth+Imov，为流过断路器的电流；Ubreaker为断路器两端的电压。

图5 全控型固态直流断路器拓扑

图6 全控型固态直流断路器工作波形

如图6所示：t1时刻系统发生短路，随后短路电流迅速上升，在限流电抗器的作用下，短路电流上升率被限制在一个定值；t2时刻断路器动作，由于IGBT开关管的关断速度非常快，短路电流迅速从IGBT支路转移到避雷器支路，电路电流在避雷器支路产生一个大于直流侧电压的反电动势，从而将短路电流降到0；t3时刻断路器完全关断。

全控型固态直流断路器能可控关断，动作迅速，体积小，其模块化便于拓展；但是全控型器件耐压能力、开断电流能力比晶闸管差，相同电压等级下需要更多的器件。同时全控型器件的串联均压、并联均流问题需要进一步研究解决。

2.3 混合式直流断路器

混合式直流断路器结合了机械式直流断路器和固态式直流断路器的优势，可以实现更快的关断速度以及更小的通态损耗，其拓扑结构一般由主回路、换流支路以及吸能支路组成。按照不同的换流方式，混合式直流断路器分为自然换流型、电压过零型和电阻过零型3种。文献[26]提出一种强制换流型混合直流断路器拓扑结构，换流支路采用子模块级联，并通过IGBT和隔离开关配合实现不带电合闸。文献[27]提出混合式直流断路器的核心开断参数，并结合直流电网具体运行方式，对相关参数进行定性与定量分析。文献[28]提出优化的强迫换流混合式直流断路器拓扑结构，主支路不包含全控型电力电子器件，可以实现机械开关的无弧分断。文献[29]基于电阻型超导和IGBT限流电阻，提出一种超导限流混合式直流断路器拓扑，在短路时抑制故障电流上升率，从而提高断路器的开断性能。

2.3.1 自然换流型混合式直流断路器

自然换流型混合式直流断路器拓扑结构如图7所示，包括避雷器、IGBT开关管以及快速机械开关(FMD)。正常情况下，电流通过快速机械开关所在的主回路；发生故障时，快速机械开关断开并燃弧，当机械触头达到一定的开距后，导通换流支路里的电力电子开关。由于主回路的电弧电压大于换流支路导通压降，故障电流转移到换流支路，待机械开关触头能承受暂态恢复电压并恢复绝缘后，关断电力电子开关，故障电流转移到吸能支路，由避雷器吸收。

图7 自然换流型混合式直流断路器拓扑

自然换流型受限于电弧电压的大小，随着直流断路器电压等级和开断容量升高，换流支路中串联的电力电子开关越来越多，通态压降也越来越高，为了可靠换流，需要保证机械触头开距更大以产生更高的电弧电压，因此对快速机械开关和电力电子开关二者的性能都提出提出了更高的要求。

2.3.2 电阻过零型混合式直流断路器

电阻过零型混合式直流断路器的拓扑结构如图8所示，其中包括避雷器、快速机械开关、辅助电力电子开关模块(AUX)和换流电力电子模块。正常情况下，电流通过快速机械开关和辅助电力电子开关所在回路流通，当发生故障时，关断辅助电力电子开关，其所在支路阻抗迅速升高，电流强迫转移到换流支路，主回路电流降为0，这时快速机械开关就可以实现无弧分断，之后关断换流支路里电力电子开关，故障电流转移到吸能支路由避雷器吸收。

图8 电阻过零型混合式直流断路器拓扑

2012年，由ABB公司研制生产的世界首台混合型高压直流断路器就是采用电阻过零型换流原理，其开断时间为5 ms，开断电流能力为8.5 kA。基于此换流原理，我国也相继研制出了200 kV电压等级的混合式直流断路器和535 kV电压等级混合式直流断路器，二者分别应用在舟山五端柔性直流工程和张北四端柔性直流工程[30-32]。

电阻过零型混合式直流断路器中，由于辅助电力电子开关一直会流过数千安的稳态电流，通态损耗会远大于自然换流型混合式直流断路器，所以需要配备水冷散热系统，这增加了整体断路器的成本和复杂性。

2.3.3 电压过零型混合式直流断路器

电压过零型混合式直流断路器结构是由清华大学于2015年提出的，其拓扑如图9所示，其中包括1个耦合负压电路、快速机械开关、避雷器和换流电力电子模块。电压过零型混合式直流断路器通过控制耦合负压产生一个负向电压，从而减少换流支路整体的导通压降，实现电流可靠转移。相比于自然换流型运行更可靠，并且适用于更高的电压等级；相比于电阻过零型，其主回路只有快速机械开关，通态损耗更低，结构更简单。

图9 电压过零型混合式直流断路器拓扑

由图9可见：正常运行时，开关T断开，耦合负压回路不接入电路，同时电容器C进行预充电；发生故障时，先拉开快速机械开关，同时导通换流支路里电力电子开关，闭合开关T，耦合电感产生一个负向压降加在换流支路上，从而强迫电流转移到换流支路，再断开电力电子开关，电流转移到吸能支路，完成整个分断过程。

3 高压直流断路器方案比较及应用展望

3.1 断路器性能对比分析

以上3大类7种直流断路器各自都有不同的特点，以下就开断时间、通态损耗、是否燃弧、电流过零方式等方面对这7种直流断路器进行对比分析，见表1。

由表1可以看出：

表1 断路器不同特征指标对比分析

a)传统机械式断路器具有通态阻抗低、损耗小、耐压能力强的优点，但也存在动作时间长和分断电流能力有限的缺点。传统机械断路器的开断时间一般需要几十毫秒，很难满足柔性直流输电系统快速清除故障的需求，在实际工程中主要用于分断高压直流系统中的正常运行电流，又称为高压直流转换开关，目前能分断的电流为5 kA左右。此外，每次分断电流过程中都有电弧产生，降低了断路器的使用寿命，维护成本也相应提高。

b)全固态式直流断路器中，半控型耐压高，分断能力强，技术门槛低，但复杂度和占地面积大，且辅助电源的绝缘问题也难以解决；全控型器件制造成本更高，投资更大，通态损耗很高，往往占到换流站传输功率的三分之一，这点限制了其应用前景。

c)混合式直流断路器结合了机械式直流断路器和固态式直流断路器的优势，可以实现更快的关断速度以及更小的通态损耗。

3.2 断路器选型及应用前景分析

从开断直流电流的理论方面来说，固态式和混合式直流断路器具备更快的开断速度以及更简单的控制系统，以及后期维护成本更低。但从工程实际来说，机械式直流断路器具有更好的经济性，能适应更高的电压等级。所以要根据不同的开断场景，合理选择不同类型的直流断路器。

a)随着柔性直流输电网络的电压等级越来越高，直流电流越来越大，短路发生瞬间的故障电流能达到数万安，机械式直流断路器已不能满足开断要求，必须配备相应电压等级的混合式直流断路器。这种情况下，系统对断路器的开断时间、换流可靠性等要求很高，而通态损耗、经济性不再是衡量标准。

b)对于采用真双极接线方式的直流系统，往往需要进行单极-大地回线运行方式到单极-金属回线运行方式的转换，此时断路器开断的是稳态直流，且对开断时间要求不是很高，此类转换开关采用机械式直流断路器；又因为这种转换操作不是经常需要，更多考虑的是断路器的经济性。

c)对于城市直流配电网，由于涉及到不同的电压等级，而且一些重要的工业、医疗负荷对供电稳定性要求很高，所以要求换流站在故障后能快速重启动，这就需要断路器在换流阀闭锁前就切除故障。而且城市换流站往往占地面积有限，所以不考虑需要大型电容器的机械式直流断路器，而是安装更灵活、控制更优的低压固态直流断路器。

目前高压直流断路器应用最广泛的主要是机械式和混合式2种，其中混合式直流断路器具有灵活的控制策略和成熟的开断技术，因而成为更主流的直流断路器方案，全世界70%商业运行的高压直流断路器解决方案采用的都是混合式。

未来混合式高压直流断路器的发展主要为以下几个方面：①采用更加合理的拓扑结构，从而降低较高的电力电子器件使用率；②采用更可靠且高比能的氧化锌器件，以减少吸能支路的体积以及因避雷器爆炸带来的安全隐患；③混合式高压直流断路器是包含了信号采集、运算控制、器件驱动、状态检测、机构动作等功能的复杂装置，需要对不同部件进行控制和供电，合理的绝缘配合和高效的功能系统能大大提高断路器的运行可靠性；④采用更高强度的快速机械开关，随着断路器开断电压、短路容量不断升高，机械斥力结构所承受的电动力冲击会非常大，需要提高材料的机械强度，来延长断路器的使用寿命；⑤针对具体的直流工程来优化断路器配置，不能一味讲究数量，而是应考虑在切除系统所有故障工况产生的最大短路电流前提下如何配置更少的断路器。

4 结束语

随着柔性直流电网的发展，高压直流断路器在直流系统中的作用越来越重要，同时也对直流断路器的速动性、可靠性、经济性等提出了更高的要求。本文分析了目前常用的几种直流断路器的结构拓扑、分断原理以及各自的优缺点，并对当前直流电网不同的应用场景下，对断路器选型给出建议，指出混合式直流断路器换流原理简单、运行可靠，是目前最理想的高压直流断路器，将得到更为广泛的应用。