机械式直流断路器

机械式直流断路器通常是由交流断路器改造之后得到的，根据灭弧原理的不同，可分为真空断路器、六氟化硫断路器、多油(少油)断路器、压缩空气断路器、磁吹断路器和产气断路器。目前真空断路器和六氟化硫断路器已经大范围替代其他断路器并在电力系统中得到广泛应用。真空断路器利用真空作为触头间的绝缘与灭弧介质，触头间隙绝缘强度高，具有安全可靠、寿命长等优势，广泛应用在10kV,35kV配电系统中，关断电流水平可达20-63kA；SF6断路器使用SF6气体作为绝缘和灭弧的介质，由于SF6气体特性优异，使断口处的电压和电流参数优于少油断路器和压缩空气断路器，并且不需要较高气压和较多串联断口数，在252kV电压等级应用中开断电流能力可达40kA。

固态直流断路器

随着电力电子技术不断进步，固态直流断路器也逐渐兴起，基本拓扑如图1所示。20世纪70年代出现了采用晶闸管关断的固态直流断路器；80年代随着门极可关断晶闸管(GTO)、绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)等全控器件的诞生，使固态直流断路器所用器件有了新的选择。90年代，随着ABB和日本三菱的集成栅极晶闸管等新型大功率器件的问世，为固态直流断路器拓扑提供了更多的选择余地。

国外在固态直流断路器研究方面起步较早。1987年，美国研制的200 V/15 A固态直流断路器以门极可关断晶闸管作为主开关器件；1999年，Dr. Jefffrey A.Casey等人详细阐述和列举了固态直流断路器在配电网的分布、成本和工程应用；Houston大学随后研发出电压等级为500V的固态直流断路器样机；2005年，美国电力电子系统研究中心(CPES)研制出2.5 kV/1.5kA和4.5 kV/4kA直流断路器样机并通过测试。

国内主要集于直流断路器电路拓扑的研究，试验样机容量较小且集中在航空航天和舰船系统等特殊领域。国内的海军工程大学开展的应用于舰艇系统的固态断路器研究侧重于低压、大电流下的开断和限流等，应用场合受到限制。中国工程物理研究所研制的20 kV晶闸管固态开关侧重于晶闸管串联技术的研究，电流等级较低。

混合型直流断路器

为充分利用机械开关通态压降小和电力电子器件关断速度快的优势，混合型直流断路器成为当前研究热点。混合型直流断路器可通过机械开关和电力电子器件的合理组合得到，常见的拓扑主要有机械开关与电力电子器件直接并联、机械开关与电力电子器件先串联再并联以及由此衍生出的其他拓扑。

2012年底，ABB公司研发的混合型直流断路器通过样机试验，采用高速机械开关与IGBT先串联再并联的拓扑，用于320kV直流输电系统中，5ms之内断流能力达9kA。在该拓扑下用新型大功率器件代替IGBT已实现16kA左右关断能力。

2013年，Alstam公司研发出可在2.5ms内关断超过3kA电流的混合型直流断路器，采用机械开关与电感、电容和电力电子器件构成的振荡电路串联再与电力电子器件并联的拓扑。

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阻，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，此外还可以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、栅极内阻和杂散电感等，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。

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扑，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。

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，其控制系统应准确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迅速响应。

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闸，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，对保护校验的要求较高，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，当其高于保护阈值时，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。

电流增量保护和电流上升率保护在同一时刻启动，继电器以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闭值，则保护动作。在电流增量计算过程中，允许电流上升率在短时间内回落到整定值之下，如果这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。

分、合闸时序控制策略

随着直流断路器拓扑不断发展，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拓扑，合理的分、合闸时序应满足以下基本要求：

(1)动作时刻按电流闭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。

在多端柔性直流输电系统中的应用

直流侧故障影响到设备参数的计算和控制保护策略的设计，是直流输电系统必须考虑的一种故障类型。虽然处理直流侧故障有三类方法，但由于技术方面的制约，目前实际工程中仍采用交流侧断路器隔离故障。在这种处理方式下，系统检测到故障后闭锁换流站以防止桥臂过流，然后跳开各换流站交流侧断路器，切断交流侧电流馈入，直流电流随着桥臂电抗能量释放逐渐减小至零，最后跳开故障线路两端的快速直流开关。而其他换流站需要再次闭合交流断路器重新启动。这种处理策略在每次故障时都需要跳开交流断路器，使直流系统与外界交流系统解开，计及故障检测、识别、交流断路器动作和快速直流开关动作，整个故障清除过程长达数百毫秒，这将降低直流输电系统的可利用率。

由于多端柔性直流输电系统存在多种短路类型和短路点，短路电流变化复杂，为使本文提出的直流断路器拓扑用于多端柔性直流输电系统时能够更加可靠的处理直流侧故障，需要对直流侧故障机理和各种故障类型下的电流变化规律进行研究，同时应结合系统原有的直流侧故障保护方法和直流断路器控制策略，合理整定直流断路器动作时序，确保整个系统安全可靠运行。

不同类型直流侧故障机理

采用双极对称传输方式的模块化多电平多端柔性直流输电系统，其直流侧故障一般分为三类：单极短路故障、双极短路故障和断线故障。单极短路故障时，由于直流侧经大电阻接地，近似开路，子模块电容没有放电通路，电容电压基本维持稳定；双极短路故障时，在换流器闭锁前，子模块电容通过上部全控器件形成放电回路，如图2a所示，同时交流系统通过子模块下部二极管构成能量馈流回路，相当于三相短路，如图2b所示，此时子模块电流由两者叠加构成，换流器闭锁后，全控器件关断，交流系统继续通过图2b所示电路馈入电流，直到交流侧断路器动作切断馈流回路。

直流断路器需求分析与参数配置

在直流断路器应用环境下，多端柔性直流输电系统主要故障类型可分为平抗内短路，平抗外短路和架空线路短路，每种短路又分为单极短路和双极短路。在各种类型短路故障中，换流站近端平抗内、外侧双极短路是较为严重的故障类型，其中又以平抗内双极短路故障最严重。2ms之内故障电流可达7kA，峰值电流17kA。

直流断路器应满足上述最严重故障下的动作要求。日前多端柔性直流系统直流侧故障保护方式主要有桥臂过流保护和阀直流过流保护，两者原有保护方案均取最高值为2p.u.，动作延时0.2ms，故障电流达到阈值时换流器启动闭锁保护，同时交流侧断路器动作切断交流电流的馈入。为最大限度抑制故障发展，使系统在故障恢复后能够快速地重新建立直流电压，直流断路器应在换流器闭锁之前动作，即使不能满足也应保证在换流器闭锁之后、交流侧断路器动作之前动作。在较低阈值的保护水平下，换流器将在1ms内闭锁，因此直流断路器也应在1ms内动作，在系统其他参数不变时直流断路器难以满足该要求。

为保证直流断路器可靠动作，对于故障电流水平较低的故障类型，提高原保护电流整定阈值即可满足要求；对于大容量换流站近端较严重的故障类型，除提高电流阈值之外，还应为直流断路器配置限流电感以限制电流上升率。

直流断路器作为迅速有效处理直流故障的关键设备，将在未来多端直流输电和直流电网技术的发展中起到关键作用。直流断路器理论和拓扑的研究己经开展很长时间，但直流灭弧、电力电子器件串联均压和能量吸收等一系列问题仍有待解决。高压直流输电电网的迅速发展对高压直流断路器也提出了越来越迫切的需求。从各种直流断路器的技术特征和目前的研究水平来看，混合式直流开断技术和基于人工过零的直流开断技术是最具工程应用潜力的方案。

高压直流断路器理论研究和样机研制尚未成熟，在实际工程中还未得到广泛应用，对其关键技术的研究仍存在诸多不足之处：

（1）对直流网络的建模是基于简化的单向潮流模型，实际的直流输、配电网结构复杂，潮流方向也具有不确定性。如何建立更为详细的系统模型并在此基础上对故障电流特性进行更准确的描述，为直流断路器设计提供更为可靠的依据是后续研究的重点。

（2）在电力电子器件串联均压问题的研究中，重点考察关断过程动态均压问题和负载侧吸收电路，其他状态下的均压问题和栅极主动均压策略仍有待研究。

（3）未对直流断路器能量吸收支路避雷器进行详细研究，仿真中采用通用模型，而实际中避雷器参数设置对直流断路器可靠运行起着关键作用；此外本文的研究仍处于理论分析和仿真模拟阶段，下一步将开展样机设计和试验验证。