高压直流断路器

高压直流断路器的研究

摘要本文详述了高压直流断路器在直流系统中的功能要求以及直流断路器的功能作用，介绍了高压直流断路器的工作原理及组成结构。分析了现阶段应用于

高压直流断路器的开断电流、熄灭电弧的各种方法，并阐述了各种方法的原理，通

过对原理的分析阐述了各种方法的优缺点，并得出有源叠加振荡方式与无源叠加振

荡方式是现阶段实现高压直流断路器的最佳方式。

关键词：直流断路器开断电流无源叠加振荡有源叠加振荡

0 前言

直流断路器是直流换流站的主要电气设备之一。它不仅在系统正常运行时能切断和接通高压线路及各种空载和负荷电流，而且当系统发生故障时，通过继电保护装置的作用能自动、迅速、可靠地切除各种过负荷和短路电流，防止事故范围的扩大。在高压直流输电系统中，某些运行方式的转换或者故障的切除要采用直流开关。直流断路器同样因为直流电流难以熄弧、直流断路器吸收的能量大以及过电压高而制约其发展。

1 直流断路器在直流系统中的功能要求[1]

直流系统中的断路器主要包括中性母线断路器、高速接地断路器、金属回路转换断路器和大地回线转换断路器。

1.1 中性母线断路器

两端换流站的每一极都有一台中性母线断路器。当直流闭锁时，在换流站没有投旁路的情况下，极控系统将使直流电流降为零，中性母线断路器在无电流的情况下合闸

1.2 高速接地断路器

每个换流站都有一台高速接地断路器，当接地极退出运行时，两端换流站的高速接地断路器应自动将中性母线接到换流站接地网，不要求具备大电流转换能

力，但必须能在双极运行时打开。

1.3 金属回路转换断路器

金属回路转换断路器功能是将直流运行电流从较低阻抗的大地回路向具有较高阻抗的金属回路转移。直流电流从大地回路向金属回路的转移不应降低运行极的直流输送功率。

1.4 大地回线转换断路器

大地回线转换断路器用于将直流运行电流从具有较高阻抗的金属回路转移至具有较低阻抗的大地回路。直流电流从金属回路向大地回路的转移不应引起直流功率的降低。

2 直流断路器的基本构成与工作原理

直流断路器的组成与交流断路器的构成结构基本相同，只在交流断路器的基础上增加了振荡装置和耗能元件。直流断路器的本体部分由通断单元、中间传动机构、液压操作机构、绝缘支撑件和基座组成[1]。按原理可由以下三部分组成：由交流断路器改造而成的直流断路器、以形成电流过零点为目的的振荡电路以及以吸收直流回路中储存的能量为目的的耗能元件。

直流电流的开断不像交流电流那样可以利用交流电流的过零点，因此开断直流电流必须创造过零点。但是，当直流断路器开断时，由于直流系统储存着巨大的能量要释放出来，而释放出的能量又会在回路上产生过电压，引起断路器断口间的电弧重燃，以致造成开断失败。所以吸收这些能量就成为断路器开断的关键因素[2]。

高压直流断路器开断原理有叠加电流法和分段串联电阻耗能限流方式。下面介绍直流断路器开断原理。

2.1 叠加电流法

这种直流断路器利用电感和电容所引起的自激振荡来产生一个交流电流，通过交流电流与直流电流叠加起来，产生电流过零点，从而使电弧熄灭。叠加电流法又可分为有源型与无源型两种[10]。

2.1.1 无源叠加振荡方式

无源型直流断路器利用电弧电压随电流增大而下降的非线性负电阻效应，在与电弧间隙并联的LC回路中产生自激振荡，使电弧电流叠加上增幅振荡电流，当总电流过零时实现遮断。此后，直流电流依然存在，转移到电容器电抗器支路中，电流流经电容器，对其充电到一定电压，当电容器电压达到避雷器的动作电压后，LC回路中的电流又被转移到避雷器中，随后流过避雷器的电流渐渐减小，直至为零。这样，流过该直流断路器的直流电流就被渐渐地转移到与之并联的其他回路中去。在转化过程中避雷器会吸收能量[3,8]。原理图如图1所示。

C L

图1 无源型直流断路器原理图

这种方式是根据断弧间隙电弧的不稳定性，利用电弧电压波动使电弧与LC 回路之间存在一个充放电过程，电弧的负阻特性使得在开断装置QB断口之间产生一个幅值不断增加的高频谐波电流，当谐波电流幅值达到要转换的直流电流值时，实现总电流强迫过零。

2.1.2 有源型叠加振荡方式

有源型直流断路器由外部电源先向振荡回路的电容C充电，然后电容C通过电感L向开断装置QB的电弧间隙放电，产生振荡电流叠加在原电弧电流之上，并强迫电流过零。这种方式完成一次开断需要完成：外部电源充电开关QD1合闸向C充电，稍后QD1断开，直流断路器的开断装置QB开断产生电弧，同时合上振荡回路开关QD2产生振荡电流，形成电流过零点[4,7]。原理图如图2所示。此方式易产生足够幅值的振荡电流，开断的成功率也较高，但可靠性较低。

图2 有源型直流断路器原理图

电弧电流过零以后，断路器触头之间的灭弧介质性能开始恢复，由于直流系统储存着巨大能量，并将使断口间的恢复电压上升。恢复电压的上升速度正比于I0/C，I0为开端电流，当断路器的介质恢复速度高于断口间的恢复电压上升速度时，就不会产生电弧重燃现象，当恢复电压上升至耗能装置金属氧化物避雷器MO的持续运行电压时，MO进入到同状态，吸收这部分能量，使断路器完成开端过程[2]。

直流断路器的开断可以分为三个阶段，一：强迫电流过零阶段。换流回路至少应产生一个电流过零点。二：介质恢复阶段。要求断路器有较快的灭弧介质恢复速度，并且要高于灭弧触头间恢复电压的上升速度。三：能量吸收阶段。要求耗能装置MO的放电负荷能力应大于直流系统中残存的能量，并且要考虑至少有二次灭弧耗能的要求[2]。

2.2耗能限流方式

2.2.1 分段串入电阻型

分段串入电阻是指当要切断直流线路电流时，电阻分级接入，使的电路中的阻抗值逐渐增大，从而导致短路电流逐渐减小，分段串入电阻原理示意图如图3所示[5，9]。