高压直流断路器的研究(结课大作业)

摘要

高压直流（HVDC）电网是解决可再生能源大规模接入的重要途径。发展高压直流电网对大规模电能的远距离输送、促进新能源的并网及消纳、提高区域交流互联电网的安全稳定性具有重要意义。而高压直流断路器是直流电网发展的瓶颈问题。本文分析了高压直流电网对高压直流断路器的需求；介绍了各种直流断路器的主要性能、基本构成、开断原理等。

关键词：高压直流输电，直流断路器，MRTB，ERTB，NBS，NBGS

前言

随着传统化石能源短缺和环境污染问题的不断加剧，以及风电、太阳能等可再生清洁能源的迅速发展，能够实现间歇式可再生能源大规模接入的多端高压直流输电系统，及其向HVDC电网方向的发展，越来越受到世界各国的关注。2008 年，欧洲提出超级智能电网(super grid)规划，旨在充分利用可再生能源的同时，实现国家间电力交易和可再生能源的充分利用；2011 年，美国提出了2030 年电网构想(Grid 2030)，即美国未来电网将建立由东岸到西岸、北到加拿大、南到墨西哥，主要采用超导技术、电力储能技术和更先进的直流输电技术的骨干网架。

中国风力资源丰富地区主要集中在东北、华北、西北等区域。但这些地区大多负荷水平较低、调峰能力有限，大规模风电就地利用困难，需要远距离大容量输送，并在大区以至全国范围内实现电量消纳。这对中国发展HVDC电网技术提出了迫切的需求。随着HVDC 输电技术向HVDC 电网的发展，对整个系统的可靠性和稳定、安全运行也提出了更高的要求。其中所面临的巨大挑战就是HVDC 电网中短路电流的开断问题。与交流系统相比，HVDC 电网中时间常数小，短路电流上升速度快，同时造成直流电压的跌落，甚至引起换流器和短路电流的失控，而且直流电流由于缺乏自然过零点而难以开断。能够实现快速切除或隔离短路故障的高压直流断路器已成为HVDC 电网发展的瓶颈问题。

一、直流电网发展对高压直流断路器的

需求

随着直流输电技术向HVDC电网的发展，对整个系统的可靠性和稳定、安全运行也提出了更高的要求，其中所面临的巨大挑战就是HVDC 电网中短路电流的开断问题，这对高压直流断路器的研究和开发提出了非常迫切的需求。在交流系统中，交流电流在每个周期内有 2 个自然过零点，同时系统中储存的磁能也为零，这为交流电弧的熄灭和电路的开断创造了很好的条件。绝大多数交流开关设备都利用这一原理实现短路电流的开断。但在直流系统中，直流电流缺乏自然过零点，因此直流电流比交流电流难以开断，而这一问题在HVDC电网中更加严峻。现有两种传统的方式可以开断直流电流：一是靠拉长电弧的长度直至其在一定的电弧电压下不能持续，从而实现灭弧。显而易见此方式不适用于高压直流系统；另一方法是人为创造电流零点，即由电感、电容组成辅助振荡电路，通过使电容放电引入高频交流电流造成电流零点，再利用传统的交流断路器切断电弧。到目前为止，所有商业化的直流断路器均基于此原理达到开断直流电流的目的，它们一般用于负荷电流的关合与开断，而短路故障电流的开断能力很低。所以，如何提高直流断路器的开断容量成为了一道复杂的难题，这也是高压直流断路器所面临的一大挑战。

HVDC电网中短路电流的幅值和上升速度与很多因素有关，主要包括以下几个方面：

1)直流网络的拓扑结构；

2)所采用的换流器技术(LCC或VSC)；

3)直流侧电容、电感(包括分布参数)；

4)短路点的位置；

二、高压直流断路器概述

高压直流断路器大体可分为3种类型：基于机械开关（机械式常规断路器）的机械式直流断路器、基于电力电子器件的全固态直流断路器，以及整合前两者优点的混合式直流断路器。

2.1机械式直流断路器

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放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，一般是通过适当改造常规机械式交流断路器结构，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。早在１９世纪７０年代初，美国ＧＥ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，其拓扑结构如图１所示，主要由机械开关、振荡换流回路，以及吸收、放电回路等部分构成。

2.2固态直流断路器

２０世纪７０年代末，出现了以晶闸管（ＳＣＲ）作为开关元件的直流断路器，因其采用电力电子器件实现对电流的通、断控制，故被称为固态直流断路器。固态直流断路器根据其所采用电力电子器件类型的不同，可划分为如下２类。

1)半控型固态直流断路器，其拓扑结构如图３所示。半控型器件主要以ＳＣＲ

为代表，具有容量大、通态压降小、损耗低、价格低等优点，是最早用于研发全固态断路器的器件之一。这种固态直流断路器理论研究已较成熟，其工作原理、拓扑结构简单，且控制策略容易实现，具有较高的可靠性，工业应用广泛。但ＳＣＲ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ＳＣＲ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。

2)全控型固态直流断路器，由于ＧＴＯ，ＩＧＢＴ，ＩＧＣＴ，ＥＴＯ等全控

型电力电子器件通、断均可控。因此，基于其的固态直流断路器无需附加振荡换流回路，从而可实现快速关断，减少关断时间，降低切断故障电流值。

１９８７年，美国德克萨斯州大学研制出基于ＧＴＯ的２００Ｖ／１５Ａ固态直流断路器，其拓扑结构如图４所示。

2.3混合式直流断路器

20世纪90年代，T.Genji等人提出一种基于真空断路器和固态开关构成的混合式直流断路器，综合了机械开关良好的静态特性与电力电子器件良好的动态性能。混合式直流断路器根据换流关断原理的不同，可分为自然换流关断型与强制换流关断型２种。

1．自然换流关断型混合式直流断路器的固态开关部分一般由ＧＴＯ，ＩＧＢＴ，ＩＧＣＴ等全控型电力电子器件构成（拓扑结构见图５），其分断基本原