浅析高压直流断路器关键技术

浅析高压直流断路器关键技术

摘要：随着可再生能源发电的发展及用户对电能要求的不断提高，传统交流电

网已难以满足可再生能源发电和负荷随机波动性对电网快速反应的要求。随着电

压源型高压变流器和高压柔性直流输电技术的迅速发展，国内外对直流输电网的

研究正日益深入。在输电领域，为适应新的能源格局，基于常规直流和柔性直流

的多端直流输电系统和直流电网技术成为未来的发展趋势，多端直流输电实现了

多电源供电、多落点受电，是一种更灵活、快捷的输电方式以，在此基础上如果

将直流输电线路在直流侧互联形成直流电网，可以有效解决新能源并网带来的有

功波动等问题，在未来城市智能配电网、微网等领域也具有较大优势，对我国未

来电网的建设和发展具有重大意义。

1引言

直流侧故障是直流输电系统必须考虑的一种故障类型，影响到设备参数的计

算和控制保护策略的设计。与交流系统相比，直流系统阻抗相对较低，故障渗透

速度更快，渗透程度更深，控制保护难度也更大。随着多端柔性直流输电系统的

发展，如何处理直流故障成为王程实践中需要考虑的关键问题。从原理上讲，直

流侧故障处理方法主要有3类：一是通过换流器闭锁实现故障的自清除；二是通

过交流断路器的动作使故障点与交流系统隔离；＝是通过直流断路器的动作使故

障点与交流系统隔离。采用晶闸管的常规两端直流输电系统即采用第一类方法，

在直流侧故障发生时，通过强制移相使两侧换流器进入逆变方式，使弧道电压、

电流迅速降低为零，实现直流侧故障快速消除，可用于易发化闪络等暂时性故障

的架空线路，而对于柔性直流输电系统，目前采用的两电平、电平换流器和模块

化多电平换流器均不具备闭锁能力，换流器新型拓扑尚未成熟，实际工程中仍采

用断开交流侧断路器来清除直流侧故障，但这样往往需要短时停运整个系统，导

致交流侧特别是弱交流系统收到较大冲击，增加了系统失稳的风险，同时降低了

柔性直流输电系统的可利用率。

2高压直流断路器的技术发展趋势

2.1机械式高压直流断路器的发展现状

机械式高压断路器通常采用将交流断路器（少油式断路器，真空式断路器等）改造之后用于直流系统之中以实现电路的开断。直流电不存在电流自然过零点，

灭弧困难。在低压小电流应用场合，可以通过增大电弧电压、分段串接限流电阻

或控制磁场气体发电断流等方法实现强迫直流开断熄弧。但在高压大电流应用场合，上述方法不可行，一般是对常规机械式交流断路器结构做适当改造，并增加

能够在开断直流电流过程中自动形成高频振荡电流过零点的振荡换流回路，以解

决机械开关切断高压大直流电流时的灭弧问题。在20世纪年70代初，美国公司

的专家就提出了采用振荡换流熄弧的机械式直流断路器基本结构其一般化拓扑结

构如图所示，主要由机械开关、振荡换流回路，以及能量吸收与过压放电回路等

部分构成。

图1 机械式直流断路器的基本拓扑结构

根据是否存在预先向振荡回路中的电容进行充电，机械式直流断路器的灭弧

方式一般分为自然振荡灭弧与强制振荡灭弧：

（1）自然振荡灭弧

自然振荡灭弧直接利用电弧电压随电流增大而下降的非线性负电阻效应，利

用结构中的振荡回路以及线路电感来产生振荡电流，从而产生人工过零点，当电

流过零点时，可实现电弧熄灭。其控制方式简单可靠，但对电路参数依赖性大，

原件选择要求高，且开断电流能力较弱，不适用于高压大容量系统。

（2）强制振荡灭弧

强制振荡灭弧则是通过采用外部电源，动作前预先对振荡回路中的电容进行

充电，开断时通过控制接入振荡回路，使其产生的高频振荡电流迫使电弧电流强

制过零，从而实现断路器的开断。强制震荡灭弧相对自然振荡灭弧，可产生幅值

较大的振荡电流，开断容量较大且成功率高；但每次开断后均需要重新对电容充电，且需增加振荡回路电容预充电与开断时控制产生强制振荡电流等环节，装置

控制实现复杂，成本高。

2.2全固态高压直流断路器的发展现状

全固断路器是指断路器中没有机械运动部件，完全由半导体器件作为断路器

的开关器件。之后，随着电力电子器件的出现与发展，20世纪90年代末，逐渐

出现了以晶闸管作为开关元件的断路器。80年代到90年代，全控器件的诞生，

固态断路器得到了迅速的发展。随着直流断路器研究的发展，全固态断路器也被

运用于直流的场合，相对机械式直流断路器，固态直流断路器具有无触头、投切

快速、无孤无声响、开关时剣准确可控、工作可靠性高、寿命长等优点，特别适

用于直流输（配）电网等速动性要求高的场合，其结构如图2所示。虽然目前全

固态直流断路器相对于机械式直流断路器的成本较高，但由于其优良的工作性能，以及电力电子技术的不断发展，全固态断路器在直流系统中的应用开始受到关注。

图2 全固态直流断路器的基本拓扑结构

根据全固态直流断路器中所电力电子器件类型的不同可主要把全固态直流断

路器划分为两类：

（1）半控型全固态直流断路器

半控型器件主要以功率晶闹管为代表，其原理拓扑结构如图所示。半控型器

件主要以功率晶闸管为代表，具有通断容量大、通态损耗低、通态压降小、成本

低廉等优点，是最早用于研发全固态断路器的电力电子器件之一。这种固态直流

断路器理论研究已较比较成熟，其工作原理简单、拓扑结构易于实现，且控制策

略容易实现，具有较高的可靠性，工业应用广泛。但晶间管为半控型器件，实现

直流关断需增加振荡换流回路产生电流过零点，电路结构复杂，体积较大；同时

晶闸管工作频率相对较低，基于其构成的固态直流断路器开断速度也受到了一定

的限制。

图3 半控型全固态直流断路器原理拓扑

（2）全控型全固态直流断路器

全控型全固态直流断路器属于电流驱动型器件，静态特性好，基于其构成的

直流断路器具有通态容量大的特点；但全控型全固态直流断路器通态压降与损耗大、开关时间长、动作速度慢，尤其是门极驱动功率大（特别是关断时）、驱动

电路复杂等缺点大大限制了其在直流断路器领域的使用。全控型全固态直流断路

器原理拓扑如下图4所示：

图4 全控型全固态直流断路器原理拓扑

由于良好的性能优势，全固态断路器在交流领域的某些场合已经得到了商业

化应用，同时在直流领域，全固态断路器的应用研究也在不断增多。