浅析高压直流断路器关键技术

浅析高压直流断路器关键技术

王宁周挺罗凯明王亮

（国网苏州供电公司）

摘要：随着可再生能源发电的发展及用户对电能要求的不断提高，传统交流电网已难以满足可再生能源发电和负荷随机波动性对电网快速反应的要求。随着电压源型高压变流器和高压柔性直流输电技术的迅速发展，国内外对直流输电网的研究正日益深入。在输电领域，为适应新的能源格局，基于常规直流和柔性直流的多端直流输电系统和直流电网技术成为未来的发展趋势，多端直流输电实现了多电源供电、多落点受电，是一种更灵活、快捷的输电方式以，在此基础上如果将直流输电线路在直流侧互联形成直流电网，可以有效解决新能源并网带来的有功波动等问题，在未来城市智能配电网、微网等领域也具有较大优势，对我国未来电网的建设和发展具有重大意义。

1引言

直流侧故障是直流输电系统必须考虑的一种故障类型，影响到设备参数的计算和控制保护策略的设计。与交流系统相比，直流系统阻抗相对较低，故障渗透速度更快，渗透程度更深，控制保护难度也更大。随着多端柔性直流输电系统的发展，如何处理直流故障成为王程实践中需要考虑的关键问题。从原理上讲，直流侧故障处理方法主要有3类：一是通过换流器闭锁实现故障的自清除；二是通过交流断路器的动作使故障点与交流系统隔离；＝是通过直流断路器的动作使故障点与交流系统隔离。采用晶闸管的常规两端直流输电系统即采用第一类方法，在直流侧故障发生时，通过强制移相使两侧换流器进入逆变方式，使弧道电压、电流迅速降低为零，实现直流侧故障快速消除，可用于易发化闪络等暂时性故障的架空线路，而对于柔性直流输电系统，目前采用的两电平、电平换流器和模块化多电平换流器均不具备闭锁能力，换流器新型拓扑尚未成熟，实际工程中仍采用断开交流侧断路器来清除直流侧故障，但这样往往需要短时停运整个系统，导致交流侧特别是弱交流系统收到较大冲击，增加了系统失稳的风险，同时降低了柔性直流输电系统的可利用率。

2高压直流断路器的技术发展趋势

2.1机械式高压直流断路器的发展现状

机械式高压断路器通常采用将交流断路器（少油式断路器，真空式断路器等）改造之后用于直流系统之中以实现电路的开断。直流电不存在电流自然过零点，灭弧困难。在低压小电流应用场合，可以通过增大电弧电压、分段串接限流电阻或控制磁场气体发电断流等方法实现强迫直流开断熄弧。但在高压大电流应用场合，上述方法不可行，一般是对常规机械式交流断路器结构做适当改造，并增加能够在开断直流电流过程中自动形成高频振荡电流过零点的振荡换流回路，以解决机械开关切断高压大直流电流时的灭弧问题。在20世纪年70代初，美国公司的专家就提出了采用振荡换流熄弧的机械式直流断路器基本结构其一般化拓扑结构如图所示，主要由机械开关、振荡换流回路，以及能量吸收与过压放电回路等部分构成。

图1机械式直流断路器的基本拓扑结构

根据是否存在预先向振荡回路中的电容进行充电，机械式直流断路器的灭弧方式一般分为自然振荡灭弧与强制振荡灭弧：

（1）自然振荡灭弧

自然振荡灭弧直接利用电弧电压随电流增大而下降的非线性负电阻效应，利用结构中的振荡回路以及线路电感来产生振荡电流，从而产生人工过零点，当电流过零点时，可实现电弧熄灭。其控制方式简单可靠，但对电路参数依赖性大，原件选择要求高，且开断电流能力较弱，不适用于高压大容量系统。

（2）强制振荡灭弧

强制振荡灭弧则是通过采用外部电源，动作前预先对振荡回路中的电容进行充电，开断时通过控制接入振荡回路，使其产生的高频振荡电流迫使电弧电流强制过零，从而实现断路器的开断。强制震荡灭弧相对自然振荡灭弧，可产生幅值较大的振荡电流，开断容量较大且成功率高；但每次开断后均需要重新对电容充电，且需增加振荡回路电容预充电与开断时控制产生强制振荡电流等环节，装置控制实现复杂，成本高。

2.2全固态高压直流断路器的发展现状

全固断路器是指断路器中没有机械运动部件，完全由半导体器件作为断路器的开关器件。之后，随着电力电子器件的出现与发展，20世纪90年代末，逐渐出现了以晶闸管作为开关元件的断路器。80年代到90年代，全控器件的诞生，固态断路器得到了迅速的发展。随着直流断路器研究的发展，全固态断路器也被运用于直流的场合，相对机械式直流断路器，固态直流断路器具有无触头、投切快速、无孤无声响、开关时剣准确可控、工作可靠性高、寿命长等优点，特别适用于直流输（配）电网等速动性要求高的场合，其结构如图2所示。虽然目前全固态直流断路器相对于机械式直流断路器的成本较高，但由于其优良的工作性能，以及电力电子技术的不断发展，全固态断路器在直流系统中的应用开始受到关注。

图2全固态直流断路器的基本拓扑结构

根据全固态直流断路器中所电力电子器件类型的不同可主要把全固态直流断路器划分为两类：

（1）半控型全固态直流断路器

半控型器件主要以功率晶闹管为代表，其原理拓扑结构如图所示。半控型器件主要以功率晶闸管为代表，具有通断容量大、通态损耗低、通态压降小、成本低廉等优点，是最早用于研发全固态断路器的电力电子器件之一。这种固态直流断路器理论研究已较比较成熟，其工作原理简单、拓扑结构易于实现，且控制策略容易实现，具有较高的可靠性，工业应用广泛。但晶间管为半控型器件，实现直流关断需增加振荡换流回路产生电流过零点，电路结构复杂，体积较大；同时晶闸管工作频率相对较低，基于其构成的固态直流断路器开断速度也受到了一定的限制。

图3半控型全固态直流断路器原理拓扑

（2）全控型全固态直流断路器

全控型全固态直流断路器属于电流驱动型器件，静态特性好，基于其构成的直流断路器具有通态容量大的特点；但全控型全固态直流断路器通态压降与损耗大、开关时间长、动作速度慢，尤其是门极驱动功率大（特别是关断时）、驱动电路复杂等缺点大大限制了其在直流断路器领域的使用。全控型全固态直流断路器原理拓扑如下图4所示：

图4全控型全固态直流断路器原理拓扑

由于良好的性能优势，全固态断路器在交流领域的某些场合已经得到了商业化应用，同时在直流领域，全固态断路器的应用研究也在不断增多。

2.3混合式高压直流断路器的发展现状

混合式直流断路器根据换流关断原理的不同，可分为自然换流关断型与强制换流关断型两种：

（1）自然换流关断型混合式直流断路器

自然换流关断型混合式直流断路器的固态开关部分一般由全控型电力电子器件构成.

（2）强制换流关断型混合式直流断路器

强制换流关断型混合式直流断路器类似于机械式直流断路器中所采用的方法，即利用电感电容串并联谐振结构产生谐振电流，利用反向的谐振电流产生电流过零点从而实现在电流过零点处的快速断开与消弧。

3直流断路器关键技术

3.1电力电子器件串、并联技术

在高电压、大电流的应用场合，需要电力电子器件串联提高耐压能力和并联提高通流能力，由于器件自身参数差异和外围电路影响导致的动、静态均压、均流问题尤为突出。当电力电子器件作为直流断路器断流主支路时，一般不需要并联即可满足关断电流要求，而为了承受较高的开断过电压，往往需要大量器件串联使用，本节将重点分析串联均压问题。

电力电子器件串联电压不均一般分为两种情况：静态电压不均和动态电压不均。器件运行过程中会经历开通瞬态、开通稳态、关断瞬态和关断稳态四个工作状态。在开通稳态和关断稳态下，串联各器件电压基本保持稳定，属静态均压问题；在开通瞬态和关断瞬态下，串联各器件电压动态变化，属动态均压问题。由于影响串联均压的因素较为复杂，不同工作状态下应采用不同的均压策略。

（1）静态电压不均原因分析与均压措施

当串联各器件处于开通稳态时，只承受很低的通态压降，由器件参数差异引起的电压不均对其安全运行影响较小，一般可以忽略不计；当串联器件处于关断稳态时，各器件可等效为一个阻值较大的电狙，其上只有很小的漏电流通过，此时器件两端电压一般较高，必须采取措施解决电压不均问题。为实现静态均压，首先应尽量选用参数和特性均一致的器件，此外还可在串联各器件集射极之间并联均压电阻，当该电阻远小于器件漏电阻时，电压分配主要取决于均压电阻值，该阻值通常应远低于器件断态等效电阻，并尽可能的大。

（2）动态电压不均原因分析与均压措施

影响串联器件动态电压不均的因素主要分为两类：器件自身参数和外围电路参数。其中器件自身参数主要包括极间寄生电容、拖尾电流、栅极内狙和杂散电感等，外围电路主要包括栅极驱动电阻、驱动回路寄生电感、驱动信号延迟和吸收电路等。

3.2直流灭弧技术

与交流电流相比，直流电流没有自然过零点，在高电压等级和高故障电流等级下，如果用机械开关强制断开直流电流，一方面将产生巨大能量的电弧，对设备安全造成严重威胁，另一方面从机械开关动作到其恢复可靠的耐压能力往往需要数十毫秒，难以满足速动性的要求。目前为应对灭弧问题多采用以下几种策略；

（1）研究直流电弧特性并建立准确的电弧模型，研制灭弧能力更强、速度更快的机械开关。

（2）借鉴交流断路器工作原理．，采用振荡电路等方式人为制造电流过零点。

（3）采用包含机械开关和电力电子器件的混合型拓扑，通过合理的开断时序控制策略，使机械开关实现在极小的电流甚至零电流下开断。

（4）采用只包含电力电子器件的全固态拓巧，避免电弧。

以上策略各有利弊，如何选择合理的灭弧方法是直流断路器面临的重要问题。

3.3直流断路器控制与保护技术

（1）故障电流检测与判断

直流断路器作为开断故障电流的关键设备，其按制系统应准碗检测回路电流动态变化，可靠识别短路故障、电流暂升和电流波动等各类工况并通速响应。电流类保护策略主要有过流速断保护、电流增量保护和电流变化率保护等。过流速断保护检测到电流超过整定值后立即跳闽，一般用于快速切除故障场合，准确性和可靠性较差；电流上升率和电流增量保护根据稳态电流和故障电流上升率之间的差异实现保护，对保护校盤的要求较高，实际中两种保护以同一个电流上升率整定值作为启动条件，启动后进入各自的延时阶段，相互配合完成保护功能。两种保护的动作过程如下：

电流上升率保护通过不断检测电流上升率，当其高于保护阔值巧，保护启动并进入延时阶段。在延时阶段内，若电流上升率一直高于整定值则保护动作，反之则保护返回。电流增量俱护和电流上升率保护在同一时刻启动，继电器启动时刻电流为基准计算电流相对增量。当电流上升率一直高于电流增量保护整定的斜率且在延时后值达到动作闽值，则保护动作。在电流増量计算过程中，允许电流上升率在短时间内回落到整定值之下，如果送段时间不超过返回延时整定值，保护不返回；反之则保护返回。

（2）分、合阐时序控制策略

随着直流断路器巧扑不断发展，其各部分往往包含不同类型的元件，如全控型器件、半控型器件、机械开关和无源、有源电路等。在直流断路器动作过程中，各元件之间可靠的时序配合控制策略决定了换流过程和关断过程能否正常进行，对电力电子器件运行在安全工作区也具有重要意义。

一般而言，对于含有多条并联支路的直流断路器，合理的分、合闸时序应满足以下基本要求：1）动作时刻按电流阈值整定并考虑各元件动作延时，动作持续时间满足热设计要求。2）保证机械开关在零电弧或小电弧下分断。3）在某条支路开断时，应保证上一条通流支路已完全换流并可靠开断。4）避免电力电子器件过压、过流。5）防止能量吸收支路避雷器误动作。

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