直流斷路器的現(xiàn)狀及發(fā)展

于　海

(國網新疆電力有限公司電力科學研究院, 新疆維吾爾自治區(qū) 烏魯木齊830010)

0　引言

目前世界各國發(fā)電主要依靠煤炭、石油等不可再生能源。隨著化石燃料的不斷燃燒，化石能源不斷減少，環(huán)境日益惡化，人們越來越注重新能源的開發(fā)利用。世界各國的能源戰(zhàn)略已經從傳統(tǒng)能源向可再生能源調整[1-3]。

我國是一個風能資源豐富，太陽能資源充足的國家。但我國的能源中心主要集中在西部、北部，負荷中心主要分布在東部沿海，能源中心與負荷中心地理位置不一致，因此必須進行遠距離輸電來滿足我國能源需求，滿足我國“西電東送，全國聯(lián)網”的發(fā)展戰(zhàn)略[1-4]。

對于遠距離輸電，目前主要有兩種解決辦法：一種為特高壓交流輸電，另一種為高壓直流輸電。與交流輸電相比，直流輸電具有很多優(yōu)點，如：不存在同步問題，不存在無功功率問題，穩(wěn)定性較高，適合分布式電源接入，損耗小，輸送容量大等[1]。但直流系統(tǒng)線路阻抗低，發(fā)生短路故障時，線路電流上升迅速，在很短的時間內上升到電網難以承受的水平[2]。直流斷路器作為直流輸電的關鍵設備，能夠快速隔離故障，因此日益受到人們的關注。

文中以直流輸電為背景，分析了直流輸電對直流斷路器的基本要求；總結了目前可用于直流輸電領域的直流斷路器種類，分析了各自工作原理，發(fā)展現(xiàn)狀以及特點；同時分析了各直流斷路器存在的技術問題以及發(fā)展方向；指出了混合直流斷路器研究前景廣闊，為直流斷路器的研究提供了參考。

1　直流輸電對于直流斷路器的基本要求

隨著大功率電力電子器件的發(fā)展，基于電壓源換流器的直流輸電(VSC-HVDC)，由于其無功和有功可獨立控制、無需濾波及無功補償設備、可向無源負荷供電、潮流翻轉時電壓極性不改變等優(yōu)勢，成為了未來直流輸電的主要方向[2]。但是由于直流輸電線路不存在變壓器等設備，所以線路電抗低，發(fā)生短路故障時，短路電流上升快，幅值高。同時，直流輸電線路存在大量電力電子器件，如果故障發(fā)生，而不能迅速隔離故障，將使電力電子器件承受巨大的過電流壓力，甚至損壞器件，使整個輸電網絡癱瘓。與交流輸電相比，直流輸電電流無過零點，傳統(tǒng)的機械開關不能有效、迅速地隔離短路故障。所以，目前急需可靠的直流斷路器來解決直流故障問題[3-4]。

目前直流輸電主要依靠交流側的交流斷路器切除短路故障。首先，這種方式不能在很短的時間內切除故障電路，故障電流迅速升高，給直流輸電線路、換流站等帶來巨大壓力，損壞器件；其次，該方式會使得整個直流輸電網絡退出運行，造成大面積停電等事故。為了保證輸電線路的可靠性，保障直流輸電的可靠運行，減小對于輸電線路的壓力，研究性能優(yōu)良的直流斷路器至關重要[4]。

目前沒有開斷能力強、分斷速度快且滿足直流輸電的直流斷路器產品，這極大限制了直流輸電特別是多端直流輸電的發(fā)展。因此世界各國加大對直流斷路器的研究力度，力求研究出性能優(yōu)良的直流斷路器。近年來，隨著直流輸電技術的發(fā)展，對直流斷路器提出了以下要求[5]：

(1) 直流斷路器必須能夠快速清除故障；

(2) 能夠迅速消耗直流線路中存儲的能量；

(3) 在切斷直流電流時，能夠承受較高的過電壓和過電流；

(4) 具有高開斷能力，能夠切斷較高的電壓或電流等級；

(5) 具有重復開斷能力；

(6) 成本低，使用壽命長，維修成本低，可靠性高。

2　直流斷路器研究現(xiàn)狀

目前直流斷路器主要分成三類：機械直流斷路器，固態(tài)直流斷路器和混合直流斷路器。

2.1　機械斷路器

直流輸電不同于交流輸電，由于其電流不存在自然過零的現(xiàn)象，斷路器消弧困難，所以傳統(tǒng)的機械斷路器不能用于直流輸電。

針對上述問題，學者提出相應的改進方案。在傳統(tǒng)機械斷路器兩端并聯(lián)LC振蕩電路，利用振蕩電路使流過機械斷路器的電流產生“人造”過零點進而解決消弧難的問題[6]。按照其產生振蕩方式的不同可分為兩種：一種為無源型；另一種為有源型[7]。

2.1.1無源型機械斷路器

無源型機械直流斷路器結構如圖1所示[8]。電路組成包括機械開關,LC振蕩電路以及避雷器組成的能量吸收電路。

圖1　無源型機械直流斷路器Fig.1　Mechanical DC circuit breaker without power charging circuit

正常工作時，電流流過機械開關；發(fā)生短路故障時，分斷機械開關，機械開關燃弧，利用電弧的不穩(wěn)定性以及電弧的負阻特性，迫使LC振蕩電路振蕩，使得流過機械開關的電流出現(xiàn)過零點，實現(xiàn)滅弧,最后由避雷器吸收線路中保存的能量。

無源型機械斷路器主要利用電弧的不穩(wěn)定性以及電弧的負阻特性。其控制步驟少，結構簡單，即使電弧重燃，也不會影響電流過零點的形成，可靠性較高，但是分斷時間相對較長[9]。

2.1.2有源型機械斷路器

有源型機械斷路器與無緣斷路器結構相似，只是多了一個預充電裝置，如圖2所示。

圖2　有源型機械直流斷路器Fig.2　Mechanical DC circuit breaker with power charging circuit

圖中K1為觸發(fā)開關，電容兩端有一個反向預充電裝置，對電容充電。正常工作時，反向預充電裝置對電容充電。發(fā)生故障時，機械開關斷開，當斷路器觸頭間達到一定開距時，閉合觸發(fā)開關K1，同時斷開K2。由預充電電容C使得LC發(fā)生振蕩，疊加在機械開關上，從而使斷路器中電流產過零點，機械開關中電弧熄滅，斷路器成功分斷[7]。

由于預充電裝置的存在，分斷時間相對較短，但是其結構相對復雜，控制步驟復雜，可靠性較低。

2.1.3機械斷路器研究現(xiàn)狀

直流機械斷路器最早出現(xiàn)在1972年[7]，美國通用公司研制了有源型直流機械斷路器樣機，開斷能力為80 kV/30 kA。該斷路器采用有源結構，提高了分斷速度，但是增加了器件投入費用，控制相對復雜。20世紀80年代，相繼有直流機械斷路器問世，其中包括歐洲BBC公司500 kV/2 kA無源型樣機，該樣機重點設計機械開關，提高了機械開關的開斷能力；東芝公司250 kV/1.2 kA有源型商用直流斷路器，首次將樣機轉化為商用產品；日立公司250 kV/8 kA有源型直流斷路器，提高分斷電流等級；美國西屋公司500 kV/2.2 kA無源型樣機。隨著機械直流斷路器研制的不斷發(fā)展，20世紀90年代，東芝公司研制出了500 kV/3.5 kA直流斷路器并應用于實際工程。國外機械直流斷路器的研究主要在提高開斷能力上，而對于分斷速度上的考慮相對較少。西安交通大學研制出了5 kV原理樣機，該樣機僅為研究原理使用，電壓電流等級相對較低，不能滿足實際需求。2017年12月，由華中科技大學牽頭研制的160 kV機械直流斷路器已應用于我國±160南澳多端柔性直流輸電系統(tǒng)。該斷路器解決了傳統(tǒng)機械高壓預儲能、快速觸發(fā)、快速分斷等技術難題，是世界上首次將機械斷路器應用于柔性直流輸電工程，改變了以往機械直流斷路器分斷緩慢的觀念[10]。

2.2　固態(tài)斷路器

固態(tài)斷路器主要依靠電力電子器件的開關特性，實現(xiàn)斷路器的功能。

根據避雷器接入的方式不同，固態(tài)斷路器分為兩種：一種為固態(tài)開關并聯(lián)避雷器型固態(tài)斷路器，另一種為續(xù)流二極管型固態(tài)斷路器[11]。

2.2.1固態(tài)開關并聯(lián)避雷器型固態(tài)斷路器

固態(tài)開關并聯(lián)避雷器型固態(tài)斷路器按照其固態(tài)開關電力電子器件組成的不同又可分為半控型固態(tài)斷路器以及全控型固態(tài)斷路器[12]。

半控型固態(tài)斷路器如圖3(a)所示，其固態(tài)開關由半控型電力電子器件組成(如晶閘管等)。正常工作時，電流流過固態(tài)開關；發(fā)生短路故障時，閉合開關K1，同時斷開K2，由LC振蕩電路實現(xiàn)半控型電力電子器件關斷電壓[13]。

全控型固態(tài)斷路器如圖3(b)所示，其固態(tài)開關由全控型電力電子器件(集成門極換流晶閘管(IGBT)，絕緣柵雙極晶體管(IGCT)，以及其他器件等)組成。其通斷完全由全控型電力電子器件完成。

圖3　固態(tài)開關并聯(lián)避雷器型固態(tài)斷路器Fig.3　Solid state DC circuit breaker with parallel arrester

與半控型固態(tài)直流斷路器相比，全控型直流斷路器控制靈活，動作迅速，無大電容、電感接入，體積小，模塊化，便于容量擴展。但是由于全控型器件開斷能力相比半控型器件較差，所以投入電力電子器件費用相對較高。

2.2.2續(xù)流二極管型固態(tài)斷路器

續(xù)流二極管型固態(tài)斷路器結構如圖4所示[14]，該類斷路器能量吸收電路未并聯(lián)在固態(tài)斷路器兩端，而是通過串聯(lián)續(xù)流二極管和避雷器，使得線路故障部分與其構成回路，吸收的剩余能量只有故障電路部分，吸收的能量較少，對避雷器要求較低。

圖4　續(xù)流二極管型固態(tài)斷路器Fig.4　Solid state DC circuit breaker with wheeling diode

2.2.3固態(tài)電路的研究現(xiàn)狀

固態(tài)斷路器的出現(xiàn)伴隨著大功率電力電子器件的發(fā)展。1987年，美國德克薩斯州大學研制出了200 V/15 A樣機，該樣機開斷能力有限，僅為研究實驗原理；隨后，休斯敦大學研制出500 V樣機，提高了電壓等級，但是開斷能力仍舊有限；2004年，德國亞琛工業(yè)大學在對比不同電力電子器件以及一些固態(tài)斷路器拓撲結構的基礎上，提出了一種20 kV固態(tài)斷路器結構，該結構采用電流限制器，能夠有效的線路減少行干擾，提高電能質量[15]。美國電力電子研究中心，于2005年分別研制出開斷能力為2.5 kV/1.5 kA和4.5 kV/5 kA樣機，兩類樣機大大提高了開斷能力。2010年，南京航空航天大學提出一種固態(tài)斷路器拓撲結構，該結構采用半控型電力電子器件替換全控型電力電子器件，減少投入費用，但該結構不能實現(xiàn)完全的軟關斷，分斷速度上相對全控型還是較慢[16]。2012年底，ALSTOM公司研制出120 kV/7.5 kA固態(tài)斷路器樣機，該樣機是目前開斷能力最強的固態(tài)直流斷路器；2014年，日本電力電子研究中心提出一種采用續(xù)流二極管吸收能量的方案，該方案能夠減少避雷器消耗的能量，減少對避雷器的壓力[14]。2015年，美國考慮用寬禁帶電力電子器件以減少固態(tài)斷路器通態(tài)損耗問題，但是目前寬禁帶器件成本相對較高，不能大規(guī)模應用[17]。

2.3　混合斷路器

混合斷路器電路由機械斷路器、固態(tài)斷路器以及避雷器組成。該種斷路器繼承了機械斷路器與固態(tài)斷路器的優(yōu)點以及缺點[18]。

混合斷路器按照換流方式的不同可以分為自然換流型混合直流斷路器以及強制換流型混合直流斷路器。

2.3.1自然換流型混合直流斷路器

自然換流型混合直流斷路器結構如圖5所示[19]，由固態(tài)斷路器，機械斷路器以及能量吸收電路并聯(lián)組成。正常工作時，電流流過機械斷路器，發(fā)生短路故障時，閉合固態(tài)斷路器，同時分斷機械斷路器，依靠機械斷路器燃弧實現(xiàn)電流由機械斷路器向固態(tài)斷路器換流。當機械斷路器達到有效開距分斷固態(tài)斷路器，線路中的能量依靠能量吸收電路吸收。

圖5　自然換流型混合直流斷路器Fig.5　Nature current commutation hybrid DC circuit breaker

由于機械開關燃弧影響機械開關重復使用壽命，而且換流過程依靠燃弧電壓，所以此類斷路器開斷速度以及可控性相對較差，目前多用于電壓等級相對較低的場合。

2.3.2強制換流型混合直流斷路器

強制換流型混合直流斷路器按照其固態(tài)斷路器電力電子器件組成的不同又可分為基于半控型電力電子器件以及基于全控型電力電子器件的強制換流型混合直流斷路器[20]。

基于半控型電力電子器件的強制換流型混合直流斷路器，具體電路如圖6(a)所示，電路結構與有源型機械斷路器結構類似，都是依靠LC振蕩實現(xiàn)換流過程[21]。發(fā)生短路故障時，閉合固態(tài)斷路器，依靠固態(tài)斷路器中LC振蕩電路實現(xiàn)電流強制從機械斷路器換流到固態(tài)斷路器。該斷路器分斷過程仍伴隨著機械斷路器的燃弧過程，但是依靠LC振蕩，機械斷路器燃弧迅速被熄滅[22]。此類斷路器雖然在分斷速度以及機械斷路器使用壽命上有所提高，但是接入大電容、電感，斷路器尺寸相對較大，而且需要外接預充電電源，費用相對較高，控制相對復雜。此類斷路器可用于高電壓等級。

基于全控型電力電子器件的強制換流混合直流斷路器，具體電路如圖6(b)所示。在機械開關所在支路串聯(lián)輔助換流電路，發(fā)生短路故障時，輔助換流電路分斷，強制電流向固態(tài)斷路器轉換，機械開關在零電流下分斷，無燃弧現(xiàn)象[23]。所以此類斷路器使用壽命較長，體積較小，而且模塊化便于擴展容量，全控型器件的使用，控制靈活方便。但是，輔助換流電路的加入，斷路器通態(tài)損耗有所增加，同時全控型器件投入量巨大，投入費用相對較高。此類斷路器也可用于高壓直流輸電。

圖6　強制換流型混合直流斷路器Fig.6　Forced current commutation hybrid DC circuit breaker

2.3.3混合斷路器研究現(xiàn)狀

混合斷路器最早出現(xiàn)在20世紀90年代。2006年，瑞典科學家Jean-Marc Meyer和Alfred Rufer等人基于IGCT研制出了1.5 kV/4.5 kA自然換流型混合直流斷路器方案[24]，該方案采用并聯(lián)IGCT結構，提高其分斷電流的能力，但是電壓等級相對較低；2011年意大利科學家LucaNovello，F(xiàn)abio Baldo等人利用IGCT串并聯(lián)技術，研制出10 kA自然換流型混合直流斷路器樣機[25]，在保證分斷電流能力的基礎上，提高分斷電壓等級；2012年ABB公司基于IGBT，制出了320 kV/9 kA基于全控型器件的強制換流型混合直流斷路器[23]，該方案真正實現(xiàn)了機械斷路器無弧分斷；2015年北卡大學基于碳化硅(SiC)器件，研制出了15 kV/45 A基于全控型器件的強制換流型混合直流斷路器，新器件的應用使得該斷路器在通態(tài)損耗以及分斷時間上存在一定的優(yōu)勢，這也是首次將新器件應用到直流斷路器領域[26]。國內混合直流斷路器研究起步相對較晚，2013年，西安交通大學基于ABB公司拓撲結構，提出用液態(tài)金屬故障限制器代替輔助換流電路，以降低通態(tài)損耗[27]。同年，國網智能電網研究院基于ABB混合直流斷路器方案，改進IGBT單元，將斷路器開斷電流能力提高至15 kA，但是增加了電容的投入量，費用及技術難度有所提高[28]。同年，海軍工程大學研制出了基于半控型電力電子器件的雙向非一致型混合直流斷路器，該斷路器采用兩種工作模式，可分別實現(xiàn)自然換流和強制換流，主要應用在艦船領域[29]。2014年，國網智能電網研究院設計了基于晶閘管的機械斷路器無弧分斷混合直流斷路器方案[30]，該方案首次用半控型器件實現(xiàn)機械開關無弧分斷。同年浙江大學設計出基于全控型器件與半控型器件混合連接的強制換流斷路器，降低了全控型器件串聯(lián)困難并減少了全控型電力電子器件投入費用[31]。2015年國網智能電網研究院提出一種斷路器結構，能夠在減少全控型電力電子器件投入的同時，消除與IGBT并聯(lián)二極管的限制[32]，但是技術難度有所加大，而且增加了機械開關的投入量。2017年河北工業(yè)大學提出一種混合直流斷路器拓撲結構，在減少全控型電力電子器件投入的同時，降低對避雷器的要求，同時減少斷路器分斷時間[33]，該斷路器同樣增加了機械開關的投入數(shù)量。

3　直流斷路器的技術問題及未來發(fā)展

隨著直流輸電的不斷發(fā)展，特別是基于電壓源換流器(VSC)多端口直流輸電的發(fā)展，傳統(tǒng)機械斷路器基本上不能滿足其要求，因此迫切需要一種能夠快速隔離故障電路，而且開斷能力強，能夠重復使用的直流斷路器。隨著對直流斷路器的不斷研究，直流斷路器也遇到了很多技術難題，如：

(1) 機械開關燃弧以及分斷速度問題；

(2) 固態(tài)開關串聯(lián)技術、并聯(lián)技術；

(3) 迅速消耗吸收線路存儲能量，使得線路電流盡快下降到零；

(4) 提高斷路器可靠性；

(5) 降低直流斷路器的投入費用；

(6) 快速檢測故障技術及快速可靠的控制技術等。

對于直流輸電，特別是基于電壓源換流器的多端直流輸電，斷路器的分斷速度是直流斷路器考慮的一個重要因素。如一個直流電纜輸電線路，發(fā)生短路故障時，5 ms后將會對距離200 km的換流站產生影響。3種斷路器由于其結構以及構成器件的不同，各有特點。其特點對比如表1所示。

表1　3種斷路器對比Tab. 1　Comparison of three DC circuit breaker

機械斷路器雖然開斷能力強，通態(tài)損耗低，但分斷緩慢，分斷過程伴隨著機械開關燃弧，所以重復操作能力較差，而且基本上沒有可擴展(擴容)能力。固態(tài)斷路器分斷速度快，可重復操作使用，可擴展性良好，但是通態(tài)損耗巨大，技術難度大，且目前多用于低壓場合，不能滿足直流輸電對其的能耗要求?；旌现绷鲾嗦菲饔善浣Y構特點和工作原理可知，正常工作時，電流流過機械斷路器，所以其通態(tài)損耗低，與機械斷路器相當；發(fā)生短路故障時，流過機械開關的電流到固態(tài)斷路器，固態(tài)斷路器分斷速度迅速，整個混合直流斷路器分斷時間小于10 ms(有些拓撲結構小于6 ms)，能夠滿足目前直流輸電的要求，并且可擴充容量，可重復操作，但是技術難度相對較大。近年來混合直流斷路器成為主要研究方向，被認為是在直流輸電領域最有發(fā)展?jié)摿Φ臄嗦菲鳌?/p>

4　結語

直流輸電工程不斷增加，直流輸電技術不斷成熟，直流斷路器作為直流輸電的重要保障技術，日益受到人們的關注。本文聚焦直流輸電的關鍵技術——直流斷路器，通過分析直流輸電特點，總結了目前直流輸電對于直流斷路器的基本要求；同時總結了目前直流斷路器種類，電路組成，工作原理，研究現(xiàn)狀以及相應的性能特點；分析了目前直流斷路器研究存在的主要技術問題，并指出混合直流斷路器是未來直流斷路器的主要研究方向，為直流斷路器的研究提供技術參考。

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