直流断路器技术发展综述

直流断路器技术发展综述
摘要：直流输配电与交流输配电相比，采用直流输配电网络不仅可将可再生
能源与传统能源广域互联，充分提高可再生能源的利用率，而且可降低线路损耗，增加传输容量与传输距离，同时解决系统同步运行的稳定性。

高压直流断路器技
术是近年来解决直流输配电的热点技术之一。

本文主要分析直流断路器技术发展，以及其应用防护体系，以供参考。

关键词：高压直流断路器；机械本体；机械电子
1高压直流断路器技术概述
从高压直流断路器发展史来看，高压直流断路器大体可分为3大类型：基于
机械开关（常规机械断路器）的高压直流断路器，基于电力电子器件的全固态高
压直流断路器，以及混合式高压直流断路器。

直流断路器通常是由交流断路器改
造之后得到的，具有运行稳定、带载能为强、开断容量大、通态损耗小等优点。

2高压直流断路器专利发展分析
直流断路器由于分为机械本体和机械电子部分两大类，其中机械本体的发展
历史比较久远，从20世纪60年代开始，直流断路器的发展大致经历了以下3个
主要发展阶段：第1阶段（1966—1991年）为萌芽期。

该阶段属于全球直流断路
器的萌芽阶段，其年原创申请量均处于200件以下，且各年申请量呈现波动状态，发展速度持续维持在较低水平，未形成规模效应。

第2阶段（1992—2005年）为
发展期。

全球直流断路器得以被具有前瞻性的研究机构与企业所逐步重视，其原
创专利申请量也随之呈现整体上升的趋势，基本进入一个良性稳定发展阶段。

第
3阶段（2006年至今）为增长期。

全球能量管理技术越来越受到业界关注，随着
全球各大公司和研究所的加大投入，该领域的专利申请量也出现明显快速增长，
每年全球范围内的原创申请量以几百的速度递增，且年均增长率基本保持稳定。

ABB、三菱、东芝、日立、西门子、国家电网、伊顿、通用电气、平高、阿尔斯通。

其中排在前三名的ABB、三菱、东芝3家企业申请量相差不大，均在800件
上下，尤其ABB申请量快接近900件；在排名前十的申请人中，日本的3家企业
三菱、东芝、日立分别占据第二至第四名，尤其三菱、东芝两家企业申请量与第
一名ABB相差不大，其次欧美企业占据5个席位，进一步说明欧美以及日本发达
国家在高压直流断路器起步早，申请量大；相对而言，中国企业只有国家电网和
平高集团，而且排名相对靠后，反映出中国企业高压直流断路器发展起步晚，同
时也反映出对高压直流断路器的研发投入不如国外企业，难以形成技术优势。

请
重点技术近52年申请量趋势变化情况。

其中，机械本体技术申请量明显高于机
械电子技术申请量，这是因为2000年之前研究背景都是基于交流电网，限制了
高压直流断路器的发展，即对高压直流断路器的要求不高，不需要机械电子电路
的配合，随着直流电网的发展，直流断路器的机械电子部分的研究也得到了重视。

两者都在2013年前后申请量达到最高点，分别超过700件、300件。

由此可以看出，高压直流断路器技术中，机械本体结构研究时间比较久远，而机械电子部分
是新兴研究热点。

3应用防护方式
真空断路器在操作感性负载过程中产生的操作过电压直接威胁着设备安全，
造成设备绝缘击穿，甚至导致设备短路事故。

因此对真空断路器的操作过电压应
采取有效的抑制措施，保护用电设备的安全。

常用的保护装置如下。

（１）氧化锌避雷器。

即在设备相地之间安装氧化锌避雷器。

因氧化锌阀片有优良的非线性伏安特性，因此氧化锌避雷器具有响应速度快、续流小、动作稳定等优点。

但相地安装
的氧化锌避雷器只能防护相地过电压，而相间有２倍相地的残压，因此其不能有
效保护变压器、电抗器、电动机等感性负载的相间绝缘。

（２）三相四柱式过电压保护器。

这种过电压保护器在理论上可以解决相地、相间过电压的防护问题，分无间
隙和有间隙两种类型，曾在企业电网中大量使用。

但近２０年来的运行结果表明，这类产品由于事故率高，自身的安全问题无法解决而逐渐被淘汰。

（３）阻容吸收装置。

接入ＲＣ阻容吸收装置，可吸收真空断路器操作时感性负载释放的能量，抑
制高频过电压幅值及陡度，降低过电压的水平及频率，对重燃过电压也能起到很
好的抑制作用。

但是ＲＣ阻容吸收装置在正常运行时会受到系统高次谐波的影响，可能出现电容发热、击穿，甚至发生爆炸事故。

另外，体积大，无法实现柜内安装，限制了ＲＣ阻容装置的推广应用。

（４）六柱避雷器。

上述三种防护措施都有缺点，均难以满足性能及使用的要求。

而六柱避雷器
采用了相间和相地相同、独立的氧化锌避雷器，使相间、相地具有相同的过电压
防护水平，能够有效抑制相地、相间过电压，保护设备的相间、相地绝缘。

通过
紧凑化结构设计，配合真空浇注工艺可使得装置免受内外环境的影响。

其具有体
积小、安装方便的优点，可广泛应用于各种用电场合，并可以实现在线检测，是
一种理想的过电压防护装置。

六柱避雷器结构如图所示。

图1六柱避雷器
真空断路器操作三相电抗器，发生三相电流同时截流时产生的过电压水平最高。

相间过电压大于相地过电压。

真空断路器操作时会造成系统零序电压低频波动，低频零序电压会激发系统母线ＰＴ铁磁谐振，造成熔丝熔断等事故。

真空断
路器操作感性负载引起的操作过电压的危害越来越受到关注，六柱避雷器可有效
防护真空断路器操作时产生的相间及相对过电压，保证变压器、电感、电动机等
设备的安全运行。

统计资料表明，电力系统运行的可靠性在很大程度上取决于系
统中各种电气设备的绝缘水平及工作状况，而电力系统中经常出现的过电压是影
响设备绝缘状态并引起绝缘故障的主要原因。

真空断路器操作感性负载，如变压
器、电抗器、电动机时，操作过程中因截流、重燃、弹跳等会产生很高的操作过
电压，不仅发生在相地间，也发生在相间，会对系统母线及负载的绝缘造成很大
的威胁，严重时导致负载绝缘击穿。

另外，操作真空断路器过程可能造成母线电
压扰动，激发铁磁谐振，导致母线ＰＴ熔丝熔断，甚至烧毁的事故。

本文设计一
套试验装置，通过测试、分析真空断路器操作１０ｋＶ电抗器时产生的过电压及
母线电压扰动，为现场故障问题分析及解决提供数据支撑、技术支持。

结语
当前全球原创专利申请整体上均呈现高速增长态势。

从全球范围来看，该领
域的专利申请量自1968年开始进入逐年增长阶段，2007年后更是步入一个快速
增长期，表明该技术经过此前几十年的积累与沉淀，目前已具备突破发展的实力。

全球范围内重点申请人集中持有较大份额专利申请；国内申请人过于分散，优势
申请人正在形成过程中。

在高压直流断路器领域全球申请量排名前十的申请人中，只有2位申请人申请量排名进入前十，分别是第六名国家电网，第九名平高，显
然作为具有国企背景的企业，其申请量进入前十与背后政府的相应政策支持具有
很大的关系。

然而在申请量排名的前十中有3家日本企业，分别是日本的三菱、
东芝以及日立，位居第二、第三、第五。

可见，日本申请人在该领域已形成集团
优势。

而除去中国和日本的申请人，剩余申请人也是整个开关领域的领军人物，
例如ABB、西门子、通用电气等，依旧保持着高申请率。

参考文献
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大学，２００８．。