中压直流断路器研究综述

中压直流断路器研究综述

张,航 ,吴相杰 ,关,昕 ,龚炳正 ,赵晓民

平高集团有限公司  河南省平顶山市  467001  

摘要：随着分布式新能源的大规模发展，以新能源为主体的新型电力系统逐步形成，为保证直流系统安全稳定运行，需要能在几毫秒内完成故障电流开断的中压直流断路器。本文通过分析直流电网对直流断路器的性能要求，介绍了机械式、固态式与混合式三种典型直流断路器开断机理，概括近年来直流断路器的工程应用，归纳并展望中压直流开断技术未来发展趋势。

0引言

构建以新能源为主体的新型电力系统，是“双碳”背景下我国能源电力转型发展的方向。现代化直流配电系统在电能质量、可控性、新能源并网等方面具有的明显优势使其成为新型电力系统的重要组成，因而得到了广泛关注和飞速发展[1-3]。

直流电网是一个低阻抗、低惯量系统，直流侧发生故障后，系统内储能元件向故障点快速放电，几毫秒内便可达到额定电流的几十倍，严重危及直流电网安全。目前，国内外多个科研院所均开展有关中压直流开断技术的研究工作，本文根据直流断路器的开断方式将现有中压直流开断技术进行分类，针对不同开断技术对拓扑结构和工作原理进行深入分析，系统性介绍了直流断路器的工程应用案例，并对中压直流开断技术的发展趋势进行展望，为未来发展提供参考。

1 直流开断挑战

直流电网以其独特优势成为新能源并网的主要发展方向。然而，直流电网建设仍存在许多问题，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。直流系统中由于故障电流上升速度快，峰值电流高，且没有自然过零点，与交流断路器相比，直流断路器往往需要在几毫秒内切断故障电流。因此，研究故障切除速度快、可靠性高的直流断路器一直是研究热点，国内外研究机构对直流断路器也开展了大量研究，并提出了极高的要求：

（１）能够快速清除电网直流侧的故障；

（２）能够迅速消耗直流线路中存储的能量；

（３）在切断直流电流时，能够承受较高的过电压和过电流；

（４）具有高开断能力；

（５）具有重复开断能力。

2 直流断路器关键技术

2.1 机械式直流断路器

机械式直流断路器一般是由交流断路器改造而来, 其原理是在机械开关两端并联振荡换流支路产生振荡电流，人造电流过零点以解决灭弧困难的问题，具有微损耗、低成本、小体积和便于维护的优点。但由于其动作时间长，切断电流能力有限的缺点，难以满足直流系统快速分断故障电流的要求，在实际工程中主要用于分断直流系统的正常运行电流。

典型的机械式直流断路器由机械开关，振荡换流支路以及能量吸收支路构成，其拓扑如图1所示。直流系统在正常运行时，负载电流从机械开关(MS)所在的通流支路上流过；当直流侧故障发生时，机械开关断开并产生电弧，电弧、电感与电容回路出现自激振荡电流，与机械开关电弧电流叠加，机械开关过零熄弧，故障电流转移至换流支路上，不断对电容充电，直到MOV动作，故障电流转移至吸能支路，系统剩余能量被MOV吸收。

图1 机械式直流断路器拓扑

2.2 固态式直流断路器

固态式直流断路器采用电力电子功率器件作为主要开关元件，其原理是通过大量的全控型电力电子器件，如IGBT、IGCT等串并联，实现短路电流快速切断，避免了电弧产生的问题，具备无电弧、开断速度快、寿命长等优点，同时，通过电力电子器件的串并联组合可以灵活地调整通流和开断能力。但电压等级越高、功率越大的固态断路器所需的电力电子器件越多，现阶段电力电子器件存在成本高，通态损耗大等固有缺点，制约了固态断路器的发展和应用。

固态式直流断路器的典型拓扑如图2所示，主通流支路由全控型电力电子器件串并联组成，能量吸收支路由避雷器构成。在正常运行时，电力电子开关导通并承担负载电流；发生故障时，关断电力电子开关，电力电子开关两端产生瞬时过电压，当过电压超过避雷器的参考电压值时，故障电流转移至避雷器支路并进行能量耗散。

图2 固态式直流断路器拓扑

2.3 混合式直流断路器

混合式直流断路器将机械开关和固态开关相结合，兼顾了机械式断路器和固态式断路器的优点，利用快速机械开关导通正常运行电流，固态电力电子开关分断故障电流，通态损耗低且开断速度快。但在额定电压和额定开断电流较高时，需要串并联大量的电力电子器件，控制复杂，成本较高，在配网领域难以大规模推广应用。

混合式直流断路器的典型拓扑如图3所示，主要通过机械开关燃弧产生的电弧电压进行换流。断路器需要进行分断时，首先向换流支路的电力电子开关施加触发信号，之后机械开关触头分离并产生电弧燃烧，利用燃弧电压将机械开关支路电流逐渐换流至电力电子开关支路。当机械开关的触头分离至额定开距时，闭锁全控型电力电子开关，直流侧储能元件存储的能量由缓冲吸能支路的避雷器消耗。

图3 混合式直流断路器拓扑

3直流断路器工程应用

2016年舟山柔性直流工程的舟定站正负极平波电抗器出口处各加装了一台直流断路器，设备额定电压200kV，分断时间3ms，分断电流15kA。

2017年，南澳柔直工程在青澳站至金牛站汇流母排之间的极1和极2之间加装了2台机械式直流高压断路器，采用的带预充电电容的机械式高压直流断路器。

2020年，张北四端柔性直流工程共应用了16台高压直流断路器，涉及3种技术路线：机械式直流断路器2台、负压耦合式直流断路器2台和混合式直流断路器12台。

2021年，平高集团研制的±10kV混合式直流断路器，主支路采用集成磁吹弧模块的高弧压高速机械开关，无电力电子器件，具备集成化程度高、控制灵活、开断容量大、关断速度快等特点，2021年，应用于山西电科院“山西综改区科技创新城北六堡中低压交直流柔性配电示范工程”。

4 展望

中压直流开断技术在城市交直流混网、船舰与岸电电力系统、近远海风力发电和分布式能源并网等领域均有极大的市场前景。直流断路器工程化应用的最大难点在于经济性，攻克机械式直流断路器电弧电压较低、难以实现大容量直流开断的问题，将成为未来直流开断技术的发展趋势。

参考文献

[1]申艳红, 庞科伟, 黄浩然. 多端直流输电与直流电网技术[J]. 电子技术与软件工程, 2018(05) : 237.

[2]张弛. 高压直流断路器及其关键技术[D]. 杭州: 浙江大学，2014.

[3]Franck Christian M.. HVDC circuit breakers: A review identifying future research needs[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2011, 26(2) : 998-1007.