快速直流断路器研究现状与展望

快速直流断路器研究现状与展望

仝智祥

国网山西省电力公司超高压变电分公司山西太原030000

摘要：随着技术的进步,直流电力系统在舰船、直流输配电、新能源并网、轨道交通等领域正在获得越来越多的应用,迎来了快速发展的黄金时期,业界有专家将这一现象称为“直流电复仇记”。作为直流电网的重要保护设备,快速直流断路器也随之成为了近年来电器学科的研究热点。快速直流断路器是实现直流电网故障元件快速隔离、构建直流电网的关键设备。该文分析了直流电力系统对快速直流断路器的需求,对空气式直流断路器、直流固态断路器、混合型直流断路器(hybridDCcircuitbreaker,HDCCB)的工作原理、优缺点和研究现状进行综述,最后对快速直流断路器研发中的关键问题进行了展望。

关键词：直流；直流断路器；固态断路器；研发现状

引言

本文首先叙述了快速直流断路器的技术要求和研制难点，从空气式直流断路器、直流固态断路器两种技术途径，分别介绍了其工作原理、优缺点和典型研究成果，最后指出了快速直流断路器研发中需要重点关注的问题[1]。

1高压直流断路器所面临的挑战

断路器是电力系统运行和保护的关键元件，对确保输配电系统的安全可靠运行至关重要。直流断路器是能够按照直流输电的运行方式及故障处理的要求关合或开断直流负荷电流和故障电流的开关设备。直流断路器的任务如下：

1）在正常运行状态下，投入或切除直流线路或换流器而不必降低直流电压。

2）当直流系统发生故障时，直流断路器应与控制系统配合，切断故障电流。但快速可靠开断直流短路电流的能力已成为现今一大挑战[2]。

3）直流断路器还可用作在运行中进行直流侧接线方式转换的开关。随着直流输电系统规模的增大，多端直流输电系统的出现，对直流断路器的功能将会有更高更新的要求。

限制多端高压直流输电发展的主要因素是短路电流的开断。在交流系统中，电流存在自然零点，而直流系统则不然，由于没有电流过零点，直流断路器不能像传统交流断路器一样在电流零点开断电流。现有两种传统的方式可以开断直流电流：一是靠拉长电弧的长度直至其在一定的电弧电压下不能持续，从而实现灭弧。显而易见此方式不适用于高压直流系统；另一方法是人为创造电流零点，即由电感、电容组成辅助振荡电路，通过使电容放电引入高频交流电流造成电流零点，再利用传统的交流断路器切断电弧[3]。到目前为止，所有商业化的直流断路器均基于此原理达到开断直流电流的目的，它们一般用于负荷电流的关合与开断，而短路故障电流的开断能力很低。所以，如何提高直流断路器的开断容量成为了一道复杂的难题，这也是高压直流断路器所面临的一大挑战。

另外，直流断路器必须在系统发生故障时不能开断故障电流，而且要求其速度远远快于交流断路器，以防止损坏昂贵的换流器、电缆及其他电网设备，一般高压直流断路器的操作时间应为数毫秒。对于多终端高压直流电网，如果直流断路器无法快速切除故障线路，会波及到与之相连的其他换流器、线路和网络，酿成大范围停电。缺乏能够快速可靠切断短路电流的高压直流断路器始终是一大瓶颈，制约着多端高压直流电网的快速发展，因此，研发具有可靠、快速切断高额短路电流的高压直流断路器已成为紧迫的任务[4]。

2快速直流断路器技术要求与研制难点

快速直流断路器是直流电力系统运行控制和保护的关键设备,应能够按照系统控制与保护策略的要求实现如下基本功能：

1）合闸状态下,承载工作电流,满足温升和绝缘指标;

2）分闸状态下,提供可靠的隔离断口,满足绝缘要求;

3）接到分、合闸指令,可靠地执行分、合闸动作;

4）系统故障时,快速限流分断短路电流,分断时间符合系统指标,分断过电压不超过系统绝缘的限定。

快速直流断路器研制的难点之一在于直流电力系统中电流不存在自然过零点,必须采用特殊的方法制造出电流零点。另一方面,由于直流短路电流上升快、峰值高,断路器必须在数ms的时间内完成分断任务,才能满足直流电力系统限流分断的保护需要。断路器分断过程通常包括故障检测、逻辑判断与脱扣、机构分闸(或固态开关触发)、过电压建立与能量吸收耗散等多个环节。快速直流断路器必须尽可能地减少各个环节的耗时,将全分断时间压缩在几ms内,且短时间内完成大量的系统储能吸收耗散,研制难度非常大。

3快速直流断路器研究现状

3.1空气式直流断路器

空气式直流断路器是以交流断路器灭弧技术为基础变革而来，主要包括脱扣系统、触头系统、操作机构和灭弧罩四大部分。脱扣系统的功能是故障发生时完成检测与脱扣，保证断路器可靠分闸；触头系统的功能是长时间承载额定电流、短时承受过载和故障电流，在分断过程中促进电弧弧根的转移、跳变；操作机构的功能是实现断路器的分合闸动作，保证触头系统的分合闸速度要求，利于电弧运动与转移，提供合闸保持力，保证触头系统的动热稳定性；灭弧罩的功能是拉伸、切割、冷却电弧，建立电弧电压，限制短路电流上升，实现分断任务。短路发生后（t0），空气式直流断路器首先经历脱扣器脱扣耗时、机构机械延时，而后触头分离（t1），通过磁吹或气吹等手段将触头间的电弧引入灭弧罩内，进行切割、强烈的冷却、去游离，建立起与电源电压相反的电弧电压；当电弧电压大于电源电压时，短路电流开始下降（t2），电弧持续燃烧一段时间（t1—t3），直至电流下降到零，断路器两端电压等于系统电压，分断过程结束（t3），快速空气式直流断路器关键技术有：快速检测脱扣技术、高速分闸技术、电弧快速转移与电弧电压建压技术等。

空气式直流断路器的优点是技术成熟，应用经验丰富，但存在分闸时间长、限流效果差；分断时触头及灭弧栅烧蚀严重，电寿命低，维护保养成本高；额定电压一般不超过5kV，不适用于更高电压等级直流分断等问题。

3.2直流固态断路器
  直流固态断路器故名思议由电力电子器件（如SCR、IGBT、IGCT、ETO等）作为主控开关，配以测控单元和缓冲吸能组件等共同组成。测控单元利用传感器或器件结电压等自身特性检测、判断系统的运行状态；电流分断任务主要依靠电力电子器件的关断性能（半控型器件晶闸管还需强迫关断回路的配合）；缓冲和吸能组件完成分断过程的过电压限制和能量消耗，保障器件的安全。故障发生后，测控单元迅速向器件发出关断信号，实现关断。电力电子器件微秒量级的分断速度，决定了直流固态断路器具有优异的故障电流限制能力。快速直流固态断路器的关键技术主要有：器件尽限应用、均压、均流、同步驱动和保护等。

4结束语

直流电网的蓬勃发展对快速直流断路器提出了更高的需求。从文中所述快速直流断路器工作原理和研究现状来看，不同的快速直流分断技术各具优缺点，混合型直流分断技术具有一定的发展潜力。直流分断技术产品化过程中，追求高可靠性指标下的低成本实现，从而决定了不同应用背景下技术方案的选择。

参考文献

[1]张娜.直流电“复仇”[J].能源，2013（1）：40-47.

[2]胡杰,王莉,穆建国.直流固态断路器现状及应用前景[J].电力系统保护与控制,2009,37(19):145-150.

[3]荣命哲,杨飞,吴翊,等.综述:直流断路器电弧研究的新进展[J].电工技术学报,2012,27(3):35-43.

[4]马钊.直流断路器的研发现状及展望[J].智能电网,2013,1(1):13-16.