高压直流断路器研究现状初探
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高压直流断路器研究现状初探
高压直流断路器研究现状初探
项目名称：高压直流断路器
项目编号：
许继柔性输电系统公司编制日期：2015 年6 月15 日
编制：日期: 校核：日期: 审核：日期:
修订记录
目录
1 应用背景 (5)
2 技术路线 (5)
3 研究现状 (6)
4 知识产权 (11)
1应用背景
随着柔直直流输电技术的成熟，构建多端直流输电及直流电网将是未来的技术发展方向。然而，由于直流系统的阻尼相对较低，相比于交流系统，直流系统的故障发展更快，控制保护难度更大。同时对基于IGBT的柔性直流输电系统来说，一旦直流侧发生故障，由于IGBT中反并联二极管的存在，通常无法采用闭锁换流器的方法来限制短路电流，必须采用断开交流侧断路器的方法来分断故障电流。因此为快速限制并切断故障电流，以维持直流电网安全稳定运行并保护电网中的关键设备，高压直流断路器成为有效甚至唯一技术手段。
《柔性直流输电网用新型高压直流断路器设计方案》，智研院，魏晓光。2技术路线
高压直流断路器的技术要求极高。由于此类线路的阻抗较低，因此开断电流所允许的时间比同等交流应用更短。短路故障通常必须在5毫秒内清除（根据舟山5端直流故障仿真所得）。
目前，高压直流断路器的研制主要有三条技术路线：
1、机械式高压直流断路器。此类断路器通过并联振荡回路，在直流分量上增加交流分量，人为制造电流过零点，借此断开线路。但是此类开关动作时间较长，通常为几十毫秒。难以满足直流输电和指令电网的需求。
2、纯电力电子固态开关。此方法在开断时间上完全满足要求（通常为百微秒级），但是通态损耗较大。经济性较差。
3、混合式高压直流断路器。该断路器采用机械开关和电力电子器件相结合
的方法。既能满足开断时间要求（5ms以内），通态损耗极低。
3研究现状
在高压直流断路器研究方面，国外公司和研究机构的研究工作开展较早。并且已经成功地实现了理论设计向工程实践的转化。在基于常规交流断路器的机械式直流断路器研制方面，日立公司和ABB公司分别研制了250kV/8kA（额定电压/额定开断电流）和500kV/4kA的产品并成功应用于常规直流工程。但开断用时约为35ms。无法满足基于VSC-HVDC的直流电网的需求。在基于纯电力电子器件的固态断路器研制方面，美国CPES已研制出 2.5kV/1.5kA和4.5kV/4kA样机，开断用时约为300us。但由于固态断路器的损耗较大，尚未在高压大容量领域得到工程化应用。在基于常规机械开关和电力电子器件的混合式断路器研制方面,ABB公司于2012年底成功完成了样机研制（80kV/5ms/9kA）,并通过了试验。Alstom公司也于2013年完成了样机研制（80kV/5ms/9kA）。但目前两台样机的分断能力较低。
ABB的混合式高压直流断路器原理如下：
开关开断后，电流转向避雷器并开始降低。避雷器组中的故障电流形成一个反向电压，通过消耗高压直流电抗器和故障电流路径中储存的能量，降低并最终消除故障电流。
[图2.1 高压直流断路器的结构]
[图2.2 高压直流断路器的原理]
ABB混合式高压直流断路器的技术原理及特点
[图3.1 ABB混合式高压直流断路器的基本结构]
ABB混合式高压直流断路器包含一个分支线路a，该线路包括一个基于半导体的负载转换开关 c，该转换开关与一个快速机械隔离开关 b 相串联。
在正常运行过程中，电流只流经旁路a；发生高压直流输电故障时，负载转换开关会立即将电流转换至主高压直流断路器 d。
随着分支线路a 不再流过电流，隔离开关b断开，从而保护负载转换开关 c，与主高压直流断路器中建立的一次电压隔离。与整个开关周期始终处于主电流通路中的组件相比，这一配置可以大幅降低负载转换开关所需的额定电压，其额定电压只须超过主高压直流断路器的通态电压。
负载阻断电压降低后，负载转换开关的通态电压通常能够控制在几伏之内，这样便可使混合式高压直流断路器的通态损耗率降低至与纯半导体断路器相同的水平，即传输功率的0.01%。
主半导体高压直流断路器 d 由避雷器组 f 分成多个部分，在开断过程中，各单元采用独立的避雷器组将其最大电压 e 限制在特定水平上。
故障排除后，隔离断路器 g将阻断残余电流并使故障线路与高压直流输电网相分离，从而防止避雷器组发生热过载。
[图3.2 80 kV 主高压直流断路器单元设计图]
国内方面，国网智研院、许继集团、平高集团、西安交通大学、南方电网公司、中国电力科学研究院等高校、企业和科研院所均在积极推进该项技术的发展。国网智研院于1月6日，自主研制的世界首台200kV高压直流断路器在北京市重点实验室“电力系统电力电子实验室”完成了型式试验。可以在3毫秒内断开一条200kV高压直流输电线路产生的高达15kA故障电流。
图3.3 智研院断路器阀塔
图3.4原理框图
图3.5断路器工作过程
4知识产权
论文：
《柔性直流输电网用新型高压直流断路器设计方案》智研院
《高压直流断路器及其关键技术》浙江大学
《高压直流断路器技术》许继集团
《直流断路器在特高压直流输电中的应用》陕西电科院
《±800kV特高压直流输电系统用直流断路器研究》西高所
《直流断路器的研发现状及展望》智研院
《高压直流分断技术在多端高压直流输电系统中的应用研究》北京交通大学
《高压直流SF_6断路器电弧特性研究》沈阳工学院
《柔性多端直流输电系统直流电压控制与直流断路器研究》华中科技大学《混合式高压直流断路器的控制策略与实验研究》浙江大学
专利：
《一种高压直流断路器的IGBT 驱动方法》智研院、中电普瑞、华北电网；
《一种串入电容式高压直流断路器及其控制方法》中电普瑞；
《一种高压直流断路器的自取能装置及其实现方法》智研院、中电普瑞、华北电网；
《一种自然换流型混合式高压直流断路器》清华大学
《一种高压直流断路器的快速隔离开关装置》智研院