高压直流断路器技术发展与工程实践

摘要：发展直流电网技术需要能够快速分断电流、经济可靠的高压直流断路器解决直流故障隔离问题。

通过对比直流系统故障隔离的几种技术方案，表明应用直流断路器隔离直流故障可在保障换流设备安全的同时，有效维持系统中健全部分的供电持续性，是直流故障隔离较为有效的解决方案。

在分析直流电网对高压直流断路器技术性能要求的基础上，对机械式直流断路器和分别基于晶闸管和绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)的2 种混合式直流断路器的电流分断特点和发展现状进行了阐述。

提出换流技术、杂散参数优化技术、与系统的协调配合技术和试验技术是高压直流断路器技术发展面临的主要技术挑战。

最后，对高压直流断路器在舟山五端柔性直流输电工程中的应用情况和即将开展的张北直流电网工程进行了介绍。

0 引言柔性直流输电技术的发展日趋成熟，其独立功率调节和灵活运行能力，为间歇性可再生能源并网与消纳提供了安全高效的解决方案。

目前，世界范围内投入商业运行的大部分柔性直流输电工程均采用点对点输送方式;相较于多条点对点的电能输送方式，多个柔直换流站连接成网状形成直流电网，在高压大容量领域中具备更好的可靠性、经济性和灵活性。

随着风电、光电等可再生能源不断开发，大规模清洁能源并网与跨区域电能传输对柔性直流电网的构建与发展提出了迫切需求[1-2]。

目前已投运的柔性直流输电工程大多采用模块化多电平技术(modular multi-level converter，MMC)和脉宽调制两电平技术，这些工程均无法通过闭锁换流阀清除直流故障，只能通过分断交流侧断路器来实现故障隔离。

研究中采用全桥模块或电容钳位双模块[3-6]的换流阀带有直流侧故障清除能力，可以通过换流阀闭锁清除直流故障。

在没有直流断路器的情况下，点对点柔性直流输电工程依靠分断交流断路器或闭锁带直流侧故障清除能力的换流阀可实现直流故障清除;但以上2 种方式在高压大容量直流电网中的应用将造成整个系统短时停电，难以满足系统运行要求。

当系统配置直流断路器后，通过选择性分断直流断路器可以实现故障线路的快速隔离并维持系统其他部分的持续运行。

直流故障保护是柔性直流电网构建所面临的技术瓶颈，研制适用于柔性直流电网应用的直流断路器，保证直流电网运行的可靠性，是直流电网建设必须突破的技术难题[7]。

与交流系统相比，直流故障电流缺乏自然零点，要实现其可靠开断，需要人工创造电流零点，同时还需要吸收储存于直流系统感性元件中的巨大能量，因此直流断路器的设计较交流断路器难度大为增加。

此外，柔性直流电网故障扩展快、电流上升快，对换流站等设备冲击大，为保障设备安全一般在数毫秒全网换流站将会闭锁退出运行，为实现直流电网健全区域持续运行，直流断路器需要在数毫秒内完成分断[8]。

在直流断路器的多种技术路线中，综合采用机械开关和电力电子开关的混合式直流断路器以其显著的技术优势成为高压直流断路器研制的主流[9-10]。

ABB 公司于2011 年研制了80kV 3ms 分断8.5kA 基于绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)直接串联的混合式直流断路器样机[8]。

全球能源互联网研究院于2014年完成了200kV 3ms分断15kA 的级联全桥型混合式直流断路器样机研制[11]，并于2016 年实现高压直流断路器首个工程示范。

本文首先分析直流电网特点和故障隔离的需求，并对各种直流故障隔离实现方案进行分析和比较。

基于直流电网对直流断路器的技术要求，对各种技术路线直流断路器的特性和发展现状进行了阐述，提出了高压直流断路器所面临的主要技术挑战。

最后，对高压直流断路器在舟山的工程应用情况和即将开展的张北直流电网工程进行了介绍。

1 直流电网故障隔离技术当直流输电系统从端对端发展到多端，并将直流传输线路在直流侧互连起来，形成独立的直流网络，便构成了直流电网，而交流系统通过换流站与直流电网连接[2]。

一种典型的四端直流电网拓扑如图1 所示。

直流电网的优势在于同样数量的线路，换流站数量大大减少，且直流系统拥有更多冗余，即使一条线路停运，仍然可以利用其他线路保证供电。

然而要发挥这一优势，需首先解决直流系统故障隔离问题。

即当直流线路发生故障，在导致整个系统停运前，能够将电网中的故障点快速隔离，是发展直流电网的重要前提和关键技术难点[7]。

如果不能像交流电网那样及时有效地清除故障点，将很难保证系统的可靠性和可用率。

同时，由于直流系统为弱阻尼系统，惯量小，故障发展速度快，故障隔离的难度相对交流系统要高很多。

目前主要的故障隔离方法有依靠交流断路器隔离，依靠闭锁带故障清除能力的换流阀隔离和分断直流断路器隔离。

1.1 交流断路器隔离故障已经投运的柔性直流输电工程主要采用基于全控器件IGBT的两电平或半桥MMC换流阀技术。

如图2 所示，当直流侧发生短路故障换流阀闭锁后，交流电流将通过换流阀中IGBT 反并联二极管续流，从而导致柔性直流系统无法依靠换流阀自身来清除直流侧故障。

目前柔性直流输电工程普遍通过分断交流断路器来隔离直流故障。

当直流侧发生故障后，直接分断系统中所有的交流断路器，待直流侧电流衰减到零后，分断故障线路两侧隔离开关隔离故障线路，再重新合交流断路器重启系统[12]。

该方法在没有直流故障电流分断设备的情况下实现了换流设备的保护，舟山五端和南澳三端柔性直流工程初期均采用该故障隔离方法。

然而采用该方法会使得直流系统局部故障导致整个系统停运，造成区域供电的中断，降低了系统的运行可靠性和经济性。

文献[13]提出在换流器桥臂中增加阻尼模块，加速故障电流的衰减，以提高该方法的系统恢复时间，但仍无法彻底避免供电的中断。

1.2 带故障清除能力的换流阀在柔性直流输电系统中，采用带故障清除能力的模块来代替半桥模块，可以实现直流侧故障的清除和隔离。

如采用全桥模块或图3 所示的电容钳位双子模块等形式[3-6]。

发生直流侧故障时，通过主动闭锁换流阀，利用二极管的单向导电性，使子模块储能电容对故障回路提供反向电动势并吸收故障回路的能量，无论故障电流是哪个方向都将对子模块电容充电并迅速衰减，从而实现故障回路的阻断。

当直流侧电流下降到零后，再将故障线路两侧的隔离开关分断，将故障线路隔离，最后将换流站重新解锁，恢复运行。

采用该方式虽然实现了故障线路的隔离，但需要闭锁直流网络中的所有换流阀，会造成整个系统功率短暂缺失。

闭锁的时间主要取决于直流侧隔离开关的分断时间。

对于图 1 所示的直流电网来说，换流站是整个电网系统的功率来源和负载接口，当任意一条直流线路故障时，图中所有换流阀都需要闭锁，相当于切除了所有电源和负荷。

这样将不能发挥直流电网线路冗余带来的可靠性优势。

1.3 直流断路器隔离故障实现直流电网故障隔离的另一种方式是借鉴交流电网的思路，先由继电保护系统判断出故障地点，然后由高压直流断路器隔离故障线路。

通过在换流站出口以及直流线路两侧配置直流断路器，如图4 所示，可在数毫秒内完成直流故障的隔离，保障直流系统中换流阀的持续运行。

当直流电网中单条线路被隔离时，该线路输送的功率可由其他直流线路代传，避免了电能输送的中断。

该技术方式能够从根本上解决柔性直流系统直流故障清除和隔离的问题。

综上分析可以得到，依靠交流断路器分断后隔离线路的方案实际已经造成整个系统的停运，并未实现直流线路的故障隔离，通过配置带故障隔离能力的换流阀来切除“电源”的方式实现直流系统故障清除和隔离，会造成直流系统功率全部缺失，这对于高压大容量直流输电网络而言将是难以接受的。

可见，采用高压直流断路器实现故障隔离将是未来直流电网的发展趋势。

3 种故障隔离方式技术对比分析，如表1 所示。

2 高压直流断路器的技术发展2.1 直流电网对直流断路器的技术要求高压直流断路器实现直流系统故障隔离，应能够在出现故障的直流线路中产生电流过零点，并在直流电流分断过程中，吸收直流系统感性元件储存以及交流系统注入的能量，同时抑制暂态分断过电压，降低系统设备的绝缘耐受水平。

快速分断是直流电网对直流断路器的最核心要求。

直流电网的设计理念中，当单条直流线路出现故障时，应由线路两端的直流断路器快速分断隔离故障线路，而故障线路两侧的换流站持续运行。

由于柔性直流系统阻尼低，所产生的直流侧短路电流上升率和幅值很高，直流断路器分断速度越慢，换流阀因过电流闭锁的可能性越大，直流断路器分断所耐受的电热应力也将越苛刻，断路器的设计难度和成本也越高。

此外，换流阀还会因故障过程中直流电压的快速跌落而闭锁，该时间受直流断路器分断暂态电压的影响。

在保障直流断路器能够快速可靠地实现直流故障清除的前提下，直流断路器还应从工程实际需求出发，考虑经济性、灵活性和扩展性等问题。

直流断路器长时运行于直流系统中，且其在大容量直流输电网络中的数量将超出换流阀，其运行损耗必须设计在较低的水平，保证系统运行的经济性;直流断路器应还具备双向导通和分断电流能力，以满足系统灵活潮流调节需求;目前直流输电网络的电压等级序列尚未明确，直流断路器还应具备模块化设计，降低自身体积，保障良好的扩展性和兼容性，以满足不同电压等级序列的直流系统应用需求。

2.2 机械式直流断路器20 世纪80 年代，欧洲BBC 公司制造了用于太平洋联络线的500kV/2kA 自激振荡型机械式直流断路器[14]。

该技术利用传统交流断路器电弧弧压与并联电容、电感谐振的方式创造零点，拓扑方案如图5 所示，CB 为交流断路器，谐振电感L 和谐振电容C 构成谐振电路，MOV 为金属氧化物避雷器。

其结构简单，运行损耗低;但交流断路器长达数十毫秒的分断速度以及断路器自身回路谐振特性，使得该方案存在分断时间长、分断电流小等不足，由于其只能分断负载电流而无法开断短路电路，又将该类型直流断路器称为高压直流转换开关，现主要应用于常规直流输电系统正常负荷电流的转移。

随着快速开关技术的发展，将传统交流断路器配置电磁斥力驱动机构，同时采用有源注入的方式创造人工零点，能够大幅提升机械式断路器分断速度和分断能力，文献[15-16]提出了有源注入的机械式直流断路器，如图 6 所示。

该断路器分断前，需要由直流电源通过充电控制开关K1向谐振电容充电。

分断过程中先分断机械断路器CB，在其产生足够开距能够耐受分断过电压后，再通过闭合谐振回路开关K2 使谐振电容C经谐振电感L 向机械断路器CB 注入反向电流实现电流过零。

机械断路器电流过零后电弧熄灭，短路电流对电容C 充电直至避雷器动作，实现电流分断。

该断路器内部换流过程如图7 所示。

机械式直流断路器具备明显的成本优势，但其在系统应用方面也存在系列技术问题需要解决，包含断路器使用寿命，小电流下的可靠关断、辅助电源系统设计等。