直流断路器的基本原理和实现方法研究贺强1

直流断路器的基本原理和实现方法研究贺强1

贺强1谢辰昱2罗希3

（1中国南方电网超高压输电公司贵阳局贵州贵阳550002；2中国南方电网有限责任公司超高压输电公司贵阳局贵州贵阳550016；3贵州电网有限责任公司贵安供电局贵州贵阳550025）

摘要：近年来，随着储能技术的不断进步，分布式电源的快速发展，直流负荷的日益增加，以及由于具有传输容量大、线损低、可靠性高等优势，直流电网受到了人们的关注。建立直流电网，可以充分实现多种能源形式、多时间尺度、大空间跨度、多用户类型之间的互补，是未来电网的重要发展方向。

关键词：直流断路器；断流原理；实现方法

引言：

直流断路器技术是直流电网发展的技术瓶颈。现有的混合型高压直流断路器存在成本高的缺陷，现有的机械式直流断路器开断速度慢、可靠性低。

1直流断路器的基本原理和未来发展

直流电网有2种基本的构网方式：第1种构网方式采用基于半桥子模块的MMC加直流断路器方案，这种构网方式适用于端数任意多的直流电网；采用半桥子模块MMC加直流断路器的构网方式时，直流线路故障期间通常要求换流站继续运行，不能闭锁，故障线路由直流断路器快速切除，其故障处理原则与交流电网类似。第2种构网方式采用具有直流故障自清除能力的MMC，例如采用基于全桥子模块的MMC，但无需直流断路器，这种构网方式适用于端数小于10的小规模直流电网；采用无直流断路器的构网方式时，直流线路故障期间网内相关换流器闭锁，闭锁后约10ms时间内直流故障电流到零并稳定于零值，再通过隔离开关来隔离故障线路，然后相关换流器解锁重新恢复送电，从故障开始到恢复送电的时间一般约为20ms，通常对交流电网的冲击在可以承受的范围之内。

开发直流断路器的根本难点主要在2个方面：（1）直流电网的直流故障电流是单极性的，没有过零点，无法套用交流断路器的开断原理；（2）直流电网中的直流故障电流发展速度大大高于交流电网中的故障电流，直流断路器必须在直流故障电流达到稳态值前开断直流故障电流，因此对直流断路器的开断速度要求很高。

直流断路器由其结构特点和工作原理可知，正常工作时，电流流过机械断路器，所以其通态损耗低，与机械断路器相当；发生短路故障时，流过机械开关的电流到固态断路器，固态断路器分断速度迅速，整个直流断路器分断时间小于10ms（有些拓扑结构小于6ms），能够满足目前直流输电的要求，并且可扩充容量，可重复操作，但是技术难度相对较大。近年来直流断路器成为主要研究方向，被认为是在直流输电领域最有发展潜力的断路器。

2基于改变直流故障电流性质法的串入电容型直流断路器方案

2.1单支路结构串入电容型直流断路器

直流断路器中的子模块可以有很多类型，全桥子模块和增强型半桥子模块是2种可行的方案，显然采用增强型半桥子模块具有更好的经济性。增强型半桥子模块主要包括2种开关状态，分别是导通状态和关断状态，具体介绍如下：

1）导通状态。当2个IGBT都导通时，电流直接从IGBT或其并联二极管流过，电容被旁路。这种开关状态称为导通状态。

2）关断状态。当2个IGBT都关断时，电流需要从电容流过，直流电流的流通受阻碍。这种开关状态称为关断状态。下面采用单端额定直流电压为400kV、有功功率为400MW的测试系统进行仿真验证。直流断路器的等效电容值为100F。设置的运行工况如下：MMC运行于整流模式，有功功率为400MW，无功功率为0。

设仿真开始时（t=0ms时刻）测试系统已进入稳态运行，t=10ms时刻在平波电抗器出口处发生单极接地短路，故障后3ms时刻直流断路器中的增强型子模块关断。给出了直流故障电流、MMC直流侧电压和直流断路器上承受电压的变化曲线。含正方形线条是直流断路器等效电容没有预充电时的结果；含三角形线条是直流断路器等效电容两端电压预充电到400kV时的结果。有预充电情况下的直流故障电流较小、直流故障电流到零时间较短；2种情况下的直流侧过电压接近，都约为600kV。

2.2双支路结构串入电容型直流断路器

上节的单支路结构串入电容型直流断路器正常运行时直流电流流过所有子模块，直流断路器的通态压降较高，损耗较大。为此，采用与混合型直流断路器相同的思路，增加1条正常通流支路。这样，包含正常通流支路的串入电容型直流断路器结构变为双支路结构。负载转移开关的子模块可以采用与上1节相同的子模块，而主断路器中的子模块可以有很多类型。需要注意的是，由于稳态运行时断流支路不流过电流，而发生直流故障时流过主断路器的电流极性是单一的，所以主断路器中的子模块可以采用较为经济的精简型半桥子模块。精简型半桥子模块也分为导通状态和关断状态。当IGBT导通时，电流从IGBT流过，电容被旁路，记为导通状态；当IGBT关断时，电流从电容支路流过，记为关断状态。

仍然采用单端额定直流电压为400kV、有功功率为400MW的测试系统进行仿真验证。负载转移开关采用增强型半桥子模块；主断路器采用精简型半桥子模块；主断路器等效电容值为100F。设仿真开始时（t=0ms时刻）测试系统已进入稳态运行，t=10ms时刻在平波电抗器出口处发生单极接地短路。t=13ms时刻对精简型半桥子模块的IGBT加触发脉冲使其导通，同时对负载转移开关加关断指令，t=13.1ms时刻高速机械开关加关断指令，t=15ms时刻高速机械开关完全关断，t=15.1ms时刻对断流支路施加关断指令。给出了正常通流支路电流、断流支路电流、断流支路承受的电压和MMC直流侧电压变化曲线。

双支路结构串入电容型直流断路器的开断性能与单支路结构串入电容型直流断路器的开断性能类似，主要区别是前者的主断路器动作时间比后者慢，直流故障电流最大值较大；但由于前者正常通流路径上的子模块数量少，所以稳态损耗小。

2.3支路结构串入电容型直流断路器

双支路结构串入电容型直流断路器所用的串入电容是分布在各个子模块中的，如果需要将电容集中串入到故障通路中，那么可以采用3支路结构。该结构由3个支路组成：正常通流支路和主转移支路与混合型直流断路器的功能一致；断流支路由晶闸管阀与集中式电容串联构成。正常运行时直流电流从正常通流支路中流过，断流支路中不流过电流。直流线路发生故障后，采用类似于混合型直流断路器的操作步骤，最后将直流故障电流引导到断流支路中，在直流故障电流第1次过零点时截断电流。

仍然采用单端额定直流电压为400kV、有功功率为400MW的测试系统进行仿真验证。负载转移开关采用增强型半桥子模块；主转移支路采用精简型半桥子模块；主转移支路等效电容值为10F，集中式电容值为100F。

设仿真开始时（t=0ms时刻）测试系统已进入稳态运行，t=10ms时刻在平波电抗器出口处发生单极接地短路。t=13ms时刻对主转移支路精简型半桥子模块的IGBT加触发脉冲使其导通，同时负载转移开关加关断指令，t=13.1ms时刻高速机械开关加关断指令，t=15ms时刻高速机械开关完全关断，同时触发断流支路中的晶闸管阀，t=15.1ms时刻主转移支路加关断指令。

结束语：

直流输电工程不断增加，直流输电技术不断成熟，直流断路器作为直流输电的重要保障技术，日益受到人们的关注。

参考文献：

[1]徐政，刘高任，张哲任.柔性直流输电网的故障保护原理研究[J].高电压技术.2017（01）

[2]温伟杰，黄瑜珑，吕纲，余占清，曾嵘，刘卫东.应用于混合式直流断路器的电流转移方法[J].高电压技术.2016（12）

[3]李斌，何佳伟，冯亚东，李晔，李钢，邱宏.多端柔性直流电网保护关键技术[J].电力系统自动化.2016（21）

[4]何俊佳，袁召，赵文婷，方帅，喻新林，潘垣.直流断路器技术发展综述[J].南方电网技术.2017（02）