直流断路器的基本原理和实现方法研究

直流断路器的基本原理和实现方法研究

黄敏

(广西电网有限责任公司百色供电局广西533000)

摘要：在本文中我们首先对直流断路器拓扑及工作原理进行了简单的分析，然后在此基础之上对直流断路器功能及性能进行了有效的研究，最后基于故障通路串入无穷大电阻断流法的直流断路器实现方案进行了详细的分析，以供参考。

关键字：直流断路器；基本原理；实现方法

1直流断路器拓扑及工作原理

高压直流断路器根据其结构不同分为许多类型，本工程采用的级联全桥混合式直流断路器主要由3条并联支路构成，即主支路、转移支路和耗能支路。主支路用于导通系统负荷电流，由快速机械开关和少量全桥模块串联构成，通态损耗低；转移支路用于分断系统短路故障电流，由多级全桥模块串联构成；耗能支路用于吸收系统短路电流并抑制分断过电压，由避雷器组构成。

直流断路器运行原理为：稳态运行时，系统负荷电流经主支路导通；当发生直流短路故障时，主支路全桥模块中IGBT关断，电流向转移支路转移；主支路电流迅速下降直至0（约150μs），此时分断主支路的快速机械开关，2ms后快速开关打开足够开距，能够耐受直流单极额定电压1.5倍的暂态分断电压，此时闭锁转移支路，使得短路电流向转移支路全桥模块电容充电，直流断路器两端电压迅速升高；当直流断路器两端电压达到避雷器保护水平时，短路电流全部转移至耗能支路，避雷器吸收故障系统电感储存能量直至电流过零，完成故障电流分断和故障点隔离。

2直流断路器功能及性能

直流断路器具备开断直流电流的能力，同时其分合速度快，可有效实现换流站的带电投退和故障的快速隔离。运行过程中，可能会遇到单个换流站故障或检修需要退出以及检修结束换流站需重新投入运行的情况，工程直流侧原采用隔离刀闸作为分断设备，由于隔离刀闸并不具备分断电流的能力且分合过程耗时较久（8~12s），导致采用隔离刀闸进行换流站的带电投退有较大风险。采用直流断路器即可实现该功能。

2.1换流站退出逻辑

采用直流断路器实现单个换流站带电退出，可直接在运行过程中分断直流断路器，但为了减少退出过程中对系统造成的扰动。采用以上逻辑的优点是：由于断开直流断路器时换流阀已闭锁同时交流断路器已断开，所连直流线路上已无电流流过，保证了在同一套程序下使得未安装直流断路器的换流站通过普通交流断路器也具备了带电退出功能。

2.2换流站投入逻辑

不失一般性，需投入的换流站事先应在停运状态，换流站交流充电完成后一般子模块电压标幺值约为0.6~0.7（基准值为子模块额定电压，即1600V，下同），连上直流线路后换流阀进入交直流混合充电状态，而交直流混合充电时子模块稳态电压必然大于纯交流充电时的对应值，因此合直流开关瞬间会对系统造成一定冲击。由于换流站投入前先进入STATCOM运行，子模块电压标幺值已达1.0，投入过程中又是顺控快速完成闭锁和合直流开关动作，合直流开关瞬间子模块电压标幺值基本约为1.0，高于交直流混合充电后的子模块稳态电压标幺值0.85，直流系统不会对子模块充电，同时由于反向二极管的存在，子模块不会对外放电，因此该过程子模块与外界系统无电气交互，可避免系统扰动。同时该方式也适用于采用普通交流断路器的换流站。

不论采用哪种开关装置均可实现换流站的带电投入，投入过程中换流阀闭锁后极线放电，电压下降，采用普通开关的换流站电压降至换流站不控充电时的稳定电压，采用直流断路器的换流站由于断路器表现为电容，因此电压波动较小，换流站投入瞬间直流电压恢复至200kV，开关合上瞬间直流电流依旧保持为0，不会发生突变。另外该电站站闭锁瞬间的电压电流变化是由该电站站阀侧的接地电抗引起，闭锁前接地电抗器消耗的无功由换流阀提供，闭锁后转由交流系统提供。而舟洋站未配置电抗器接地装置，因此闭锁瞬间交流系统几乎没有扰动出现。

3基于故障通路串入无穷大电阻断流法的直流断路器实现方案

3.1已经得到应用的技术方案

目前已得到应用的技术方案主要有2种：其一是通常所称的传统机械型直流断路器；其二是ABB公司于2011年提出的混合型直流断路器。针对每种技术方案，具体实现时可能会有些变化，下面将对典型的实现方案进行介绍。

3.1.1传统机械型直流断路器方案

传统机械型直流断路器的原理图见图1。此类直流断路器由主体开关CB，电容C、电感L及开关S1构成的串联谐振换流回路，代表无穷大电阻的MOV,以及辅助充电电路（辅助电源电压为U0，辅助电源电阻为R，辅助电源开关为S2）这4个部分组成。Id为流过直流断路器的电流。

图2传统机械型直流断路器的原理图

正常运行如图1(a)所示，CB是闭合的，工作电流通过CB流通，损耗可以忽略不计，且电容C已预充电完毕。当直流线路发生故障要求直流断路器开断直流故障电流时，首先CB断开产生电弧，同时闭合S1，使串联谐振的换流支路与CB构成1个回路；这样流过CB的电流将包含直流故障电流和从换流支路流入的振荡交变电流，这2个电流叠加后会产生过零点，在合适的条件下CB在电流过零点时电弧熄灭，如图1(b)所示。在CB关断以后，直流故障电流将对电容C充电，使电容两端电压迅速上升到使MOV导通的水平，如图7(c)所示。在MOV导通以后，流过换流支路的电流会下降，当该电流下降到一定值时，S1会自动关断，从而实现了在故障通路中串入MOV的目标，如图1(d)所示。

3.1.2混合型直流断路器方案

混合型直流断路器的结构如图2所示，主要包含3条支路：第1条支路是正常通流支路，由超高速隔离开关和负载转移开关串联构成；第2条支路是主转移开关支路，由具有双向导通和双向阻断能力的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）开关串联构成；第3条支路是代表无穷大电阻的MOV。正常运行时，超高速隔离开关以及负载转移开关处于闭合状态，直流电流通过正常通流支路流通，损耗较小。当线路发生故障要求直流断路器开断直流故障电流时，首先触发主转移开关使其导通，然后对负载转移开关施加关断信号使其关断；这时直流故障电流仅通过主转移开关支路流通，正常通流支路中无电流，因而超高速隔离开关可以在无电流和电压很低的状态下关断；在超高速隔离开关关断后，对主转移开关施加关断信号使其关断，此时直流系统产生的过电压将使MOV导通，直流故障电流将只经过MOV支路流通，从而实现了在故障通路中串入MOV的目标。

图2混合型直流断路器结构

3.2原理上可行的其他技术方案

故障通路串入无穷大电阻断流法一直是直流断路器研究的主流，目前很多研究没有脱离混合型直流断路器的基本思路，仅仅是在负载转移开关和主转移开关的电路结构上做些改变，比如采用子模块串联结构来代替IGBT的直接串联等。通过何种电路结构，能够更经济有效地在故障期间将MOV串入到故障通路中，仍然是一个具有重大价值的研究课题。

总之，1）在阐述了直流断路器拓扑结构及其工作原理的基础上，提出了直流输电系统的直流断路器配置方案，该配置方案在工程改造量小，经济成本低的前提下，有效验证了直流断路器的开断能力。2）目前已运用在实际工程中的直流断路器都是基于故障通路串入无穷大电阻断流法。

参考文献：

[1]徐政，肖晃庆，张哲任，等.柔性直流输电系统[M].2版.北京：机械工业出版社，2017：188-279.

[4]徐政，肖晃庆，张哲任.模块化多电平换流器主回路参数设计[J].高电压技术，2015，41(8)：2514-2527.