高壓直流斷路器的研究簡述

盧瀚順

摘 要：文章綜述了高壓直流斷路器的研究背景和應(yīng)用現(xiàn)狀，簡要介紹了高壓直流斷路器在高壓直流輸電中的作用；高壓直流斷路器的主要性能指標(biāo)以及高壓直流斷路器的種類及其原理結(jié)構(gòu)；高壓直流斷路器滅弧方式的物理設(shè)計(jì)，重點(diǎn)說明了高壓直流斷路器的開斷原理；對高壓直流斷路器進(jìn)行了分類，并介紹了世界先進(jìn)水平的高壓直流斷路器；總結(jié)了現(xiàn)今高壓直流斷路器研究的技術(shù)難題和未來的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：高壓直流輸電；高壓直流斷路器；開斷原理

1 概述

高壓直流（HVDC）輸電系統(tǒng)是由整流器、高壓直流輸電線路以及逆變器組成，其中整流器和逆變器統(tǒng)稱為換流器。從結(jié)構(gòu)上看，高壓直流輸電是交流-直流-交流形式的電力電子換流電路[1]。自從1954年瑞典哥特蘭的世界上第一項(xiàng)高壓直流輸電工程投運(yùn)以來，高壓直流輸電技術(shù)已經(jīng)隨著電力電子技術(shù)的突飛猛進(jìn)而飛速發(fā)展[2]。高壓直流輸電系統(tǒng)主要有兩個作用[3，4，5]：一是將頻率不同或頻率控制策略不同的交流系統(tǒng)聯(lián)接起來；二是增長輸電距離以及增大輸電容量。我國現(xiàn)有的特高壓直流示范工程有三個，分別是南方電網(wǎng)公司的云廣±800kV特高壓直流輸電示范工程，國家電網(wǎng)公司的向上±800kV特高壓直流輸電示范工程和錦蘇±800kV特高壓直流輸電示范工程。與交流輸電比較，直流輸電主要有以下優(yōu)點(diǎn)：輸電損耗小、線路造價低；電壓壓降小；直流輸電不要求與電網(wǎng)同步；可分期建設(shè)，提高投資效益[7]。高壓直流輸電工程的結(jié)構(gòu)中，直流斷路器是至關(guān)重要的設(shè)備之一。研制高壓直流斷路器主要需要突破三個難點(diǎn)[8，9]：一是直流輸電電流沒有過零點(diǎn)，增加斷路器的滅弧的難度；二是直流輸電回路的電感很大，而需要開斷的電流往往也很大，導(dǎo)致直流斷路器需承受巨大的能量；三是直流輸電的過電壓高。

2 高壓直流斷路器的基本構(gòu)成和開斷原理

2.1 高壓直流斷路器的基本構(gòu)成

開斷直流電流一直是高壓直流輸電系統(tǒng)中的重大難題之一。主要原因是直流電流沒有自然過零點(diǎn)，必須強(qiáng)迫電流過零才能熄弧。另外在開斷電流過零，電弧熄滅時，直流系統(tǒng)中仍存儲著巨大的能量需要釋放，這部分能量在斷路器兩端可能產(chǎn)生很高的過電壓從而造成開斷失敗。

高壓直流斷路器的基本構(gòu)成如圖1所示[9]。

高壓直流斷路器是由：QB裝置，振蕩回路，耗能元件組成。QB裝置通常采用傳統(tǒng)的真空斷路器和SF6斷路器改造而成，QB裝置為了獲取較低的電弧電壓，需要加裝輔助回路，包括有源輔助回路和無源輔助回路兩種。振蕩回路用于強(qiáng)迫直流電流過零點(diǎn)，最常用的是LC振蕩回路。耗能元件用于吸收回路中存儲的能量，通常采用金屬氧化物避雷器（MOA）。

2.2 高壓直流斷路器的開斷原理

2.2.1 高壓直流的開斷方式

目前可行的開斷方法主要有以下幾種[10]：（1）限流式開斷法。主要原理是利用裝置把電弧拉長致使系統(tǒng)電壓無法維持燃弧而熄滅。（2）振蕩式開斷法。其基本構(gòu)成如圖1所示，基本原理如2.1所述：首先利用振蕩電路強(qiáng)迫電流過零點(diǎn)，接著利用交流斷路器開斷電流，最后利用金屬氧化物避雷器吸收直流回路的能量，確保滅弧不重新燃弧。這是最常用的開斷方法。（3）其他的開斷方法。例如用可關(guān)斷晶閘管GTO串聯(lián)構(gòu)成的直流斷路器，但造價高且可靠性差[11]。

2.2.2 高壓直流斷路器的開斷原理。這里主要介紹振蕩式開斷法的開斷原理。振蕩式開斷法強(qiáng)迫電流過零的方法有兩種[12]：一是他能振蕩方法（無源型[13]），如圖2所示；一是自能振蕩方法（有源型），如圖3所示。他能振蕩方法的原理是：先向電容器C充電，然后電容器C通過電感L向電弧間隙放電，產(chǎn)生振蕩電流，強(qiáng)迫電流過零。他能振蕩方法對電路的操作過程如下：閉合Kch向儲能電容器C充電；Kch斷開，斷路器CB開斷；CB中會有電弧出現(xiàn)，這時閉合Kcon，產(chǎn)生振蕩電流，形成電流過零點(diǎn)?？梢?，他能振蕩方法步驟較為復(fù)雜且可靠性較差，對重合閘操作不利。

自能振蕩方法的原理是利用電弧自身的不穩(wěn)定性和負(fù)阻特性產(chǎn)生電流振蕩。當(dāng)斷路器CB觸頭斷開后，產(chǎn)生的電弧電壓向儲能電容器C充電。由于電弧的不穩(wěn)定性，電弧電壓產(chǎn)生波動，使電容器C與CB間的電弧有一個充放電過程，產(chǎn)生充放電電流，電弧的負(fù)阻特性使充放電流的振幅不斷增加。電弧的負(fù)阻特性如圖4所示。其電路方程為：

LC■+C■+i=0 （1）

LC■+rC■+i=0 （2）

電弧電阻r=■<0（i是增幅振蕩），當(dāng)電流的振幅等于所開斷的電流時，在斷路器觸頭之間產(chǎn)生電流過零點(diǎn)。自能振蕩方法避免了他能振蕩方法所必須的許多設(shè)備，簡化了換流電路，且即使電流過零后重燃，也不影響電流過零點(diǎn)的形成，這樣省去了過零點(diǎn)形成時間與觸頭開距之間的配合問題。

圖3 自能振蕩方法

3 高壓直流斷路器的分類和主要性能

從安裝環(huán)境角度劃分：如圖5所示為雙極送電端（左）、受電端（右）換流站直流斷路器配置圖。按照安裝環(huán)境劃分，可分為以下四種斷路器[4]。（1）中性母線斷路器NBS。對于兩端換流站的每一極都應(yīng)設(shè)有一臺中性母線斷路器NBS，NBS應(yīng)滿足能開斷任何故障類型的直流電流。NBS的開斷必須實(shí)現(xiàn)合-分-合操作循環(huán)。換言之，開斷裝置實(shí)現(xiàn)此操作循環(huán)而無需對操作機(jī)構(gòu)充電。在轉(zhuǎn)換失敗或電動機(jī)掉電情況下，此功能能確保開斷裝置返回閉合狀態(tài)。（2）中性母線接地?cái)嗦菲鱊BGS。每個換流站都要有一臺NBGS。當(dāng)接地極退出運(yùn)行時兩端換流站的NGBS應(yīng)自動將中性母線轉(zhuǎn)移到換流站地網(wǎng)。NGBS不要求具備大電流轉(zhuǎn)換的能力，但必須能在雙極運(yùn)行時打開，以及將雙極不平衡電流轉(zhuǎn)換至接地極。（3）金屬回路轉(zhuǎn)換斷路器MRTB。MRTB的主要作用是將直流運(yùn)行電流從較低阻抗的大地回路轉(zhuǎn)向較高阻抗的金屬回路，并且所轉(zhuǎn)移的直流輸送功率不應(yīng)下降，應(yīng)滿足即使在長時間的過負(fù)荷功率水平下也能進(jìn)行轉(zhuǎn)換。（4）大地回路轉(zhuǎn)換斷路器ERTB。ERTB的作用與MRTB相反，是將直流運(yùn)行電流從較高阻抗的金屬回路轉(zhuǎn)向較低阻抗的大地回路。同樣ERTB所轉(zhuǎn)移的直流輸送功率不應(yīng)下降，應(yīng)滿足即使在長時間的過負(fù)荷功率水平下也能進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

從技術(shù)角度劃分[14]。（1）機(jī)械式斷路器，這是以傳統(tǒng)的交流斷路器滅弧技術(shù)為基礎(chǔ)改造而成的直流斷路器。（2）真空/等離子斷路器，使用高壓真空系統(tǒng)/等離子管的斷路器。（3）電力電子直流斷路器，例如有基于高電壓、高電流晶閘管換流器，基于IGBT換流器等。（4）超導(dǎo)斷路器，利用在超導(dǎo)和常溫狀態(tài)下電阻快速變化的超導(dǎo)材料制造而成。以上前兩種均是基于前面所提到的借助于輔助振蕩電路實(shí)現(xiàn)滅弧的斷路器，區(qū)別是所采用滅弧方式和介質(zhì)不同。后兩種是目前世界上最先進(jìn)的、處在研發(fā)階段的具有高開端容量的直流斷路器。值得一提的是，ABB在2012年11月宣稱開發(fā)了世界上第一臺混合式高壓直流斷路器。這一研究成果將機(jī)械動力學(xué)與電力電子設(shè)備相結(jié)合，可在5ms之內(nèi)開斷一所大型發(fā)電站的直流輸出電流，設(shè)計(jì)參數(shù)：額定直流電壓320kV，額定直流電流為2kA，電流開斷能力為9kA。阿爾斯通電網(wǎng)在2013年2月宣稱已研制出最佳性能的高壓直流斷路器樣機(jī)，并通過了開斷電流超過3kA、開斷時間小于2.5ms的實(shí)驗(yàn)。

4 存在的問題和未來的研究展望

盡管直流斷路器利用了現(xiàn)有的交流斷路器的技術(shù)，但兩者之間還存在著一定的差異。也就是說，直流斷路器還有許多問題需待解決，才能得到不斷地完善。直流斷路器有待解決的問題可以歸納為如下幾個方面[4，15，16，17]：（1）優(yōu)化直流斷路器電路的元件尺寸，包括電容器、電抗器、變阻器等元件的尺寸，以優(yōu)化基本的高壓直流斷路器的結(jié)構(gòu)。大的研究方向是縮小元件的尺寸，減小直流開斷時間以及降低造價；（2）研究各種情況下氣體絕緣或者真空開關(guān)的不同電弧特性，以優(yōu)化開斷直流電弧的振蕩上升速度和斷路器的開斷能力；（3）研制動作更快的機(jī)械開關(guān)或者隔離開關(guān)，并且這些開關(guān)應(yīng)該具有更高耐壓能力和更低的損耗；（4）研制純凈的半導(dǎo)體開關(guān)器件，這些開關(guān)器件應(yīng)該具有非常小的導(dǎo)通損耗；（5）通過技術(shù)改進(jìn)，將中壓直流斷路器的應(yīng)用擴(kuò)展到更高水平的電壓等級；（6）研制中高壓故障限流器；（7）完善高壓直流斷路器控制保護(hù)，提高高壓直流斷路器工作的安全性和可靠性；（8）不斷開發(fā)新的高壓直流斷路器（或者單個組件）的試驗(yàn)方法；（9）不斷完善多端高壓直流輸電系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

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