直流断路器技术发展综述_何俊佳
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2015 年 第 9 卷 第 2 期 2015 Vol. 9 No. 2
Leabharlann Baidu
南方电网技术 SOUTHEＲN POWEＲ SYSTEM TECHNOLOGY
文章编号： 1674-0629（ 2015） 02-0009-07 DOI： 10. 13648 / j. cnki. issn1674-0629. 2015. 02. 002
根据反向电流产生的不同原理，可以将“人工 电流零点法”分为自激振荡法、预充电振荡法以及 其他人工零点型式。 2. 1. 1. 1 自激振荡法［3 － 4，10 － 12］
自激振荡式“人工电流零点”法拓扑原理如图 2 所示。反向电流产生支路由电容 C 和电感 L 串联组 成。吸能支路由非线性电阻 ZnO 避雷器构成。
因此，直流断路器的研制方向为： 1） 开断电流，熄灭电弧； 2） 抑制开断感性电流引起的过电压，吸收感性 电路内储存的能量。 本文分析了高压直流输电系统的发展对直流断 路器提出的挑战； 介绍了直流断路器在国内外的研
10
南方电网技术
第9 卷
制情况； 分析了不同的开断原理在新的系统要求下 的适用性； 最后，给出了两种断路器拓扑的研制关 键及发展建议。
路器的快速弧后介质恢复速率和 SF6 断路器的大容 量开断能力的优点，利用预充电振荡过零原理成功 开发 250 kV /1. 2 kA 的商用断路器［16］； 1985 年日立 公司利用预充电振荡过零原理成功研制了 250 kV /8 kA 的直流断路器，并进行了实验室测试［17］。 2. 1. 1. 3 其他人工零点型式［18］
0 引言
近年来，高压直流输电以其独特的优势得到了 广泛的重视和应用［1］。与交流输电相比，高压直流 输电具 有 输 电 线 路 建 设 费 用 低、 功 率 调 节 简 单 易 行、无 稳 定 性 问 题 等 优 点， 适 用 于 超 高 压、 大 容 量、远距离输电［2 － 5］。1954 年，世界上第一个高压 直流输电（ HVDC） 工程 （ Gotland 直流工程） 在瑞典 投入商业运行［2］； 1989 年，我国第一 条 ± 500 kV 葛洲坝—上海的超高压直流输电线路建成并投入运 行［3］。目前世界上已投入运行的 HVDC 工程有 90 多个，总容量超过 70 000 MW［6］。
1 直流断路器日益增长的需求
随着柔 性 直 流 输 电 及 高 压 多 端 直 流 电 网 的 发 展，对直流断路器的性能提出了新的需求。 1. 1 高电压、大电流
直流系统向多端、高电压、大电流方向发展， 部分适用于中低压、小电流领域的直流开断方法不 能满足直流断路器的发展需求。 1. 2 高速开断
直流断路器的开断速度不仅决定了直流系统其 他关键器件承受的冲击电流水平，同时也决定断路 器本身的开断电流值。新型多端直流输电系统特别 是柔性直流电网的发展造成直流故障电流峰值大、 上升速度快，要求研制超高速直流断路器。 1. 3 高可靠性和经济性
不同于交流断路器，直流断路器若不能及时开 断将显著增加故障电流峰值。因此，直流系统对断 路器开断可靠性的要求比交流系统更高。
其他人工零点的方式主要包括利用耦合电感引 入反向电流的几种具体形式［11］。如图 4 所示，反 向电流产生支路由一个耦合电感 L2 和电容 C 共同 组成。直流故障发生时，快速上升的故障电流流经 电感 L1 使得耦合电感 L2 中感应出变化电流，此变 化电流方向与 L1 中的故障电流方向相反。故障电 流和变化电流叠加，在机械开关主回路上制造过零 点从而熄灭电弧。
多端直流系统的规模发展需要使用大量的直流 断路器，这个数量因素以及直流断路器固态器件的 价格因素对直流断路器在高压、大容量系统中的应 用造成了限制。因此，直流断路器的研制还要在经 济性上加以考虑。
2 直流断路器分类与特点
直流断路器拓扑原理复杂多样，根据直流断路 器中关键开断器件的不同，可以将直流断路器分为 三类： 机械式直流断路器、全固态式直流断路器、 机械开关与固态开关相结合的混合式直流断路器。 各类直流 断 路 器 又 具 有 不 同 的 实 现 形 式 和 拓 扑 结 构。 2. 1 机械式直流断路器
图 2 自激振荡原理图
Fig. 2 Schematic of self-excited oscillation
开断直流电流时，电流断路器 CB 打开并燃弧， 由 C、L 回路自动激发出幅值不断增大的振荡电流； 振荡电流幅值超过系统电流时，将在 CB 中形成振 荡过零点，CB 断口电弧熄灭； 最后由 ZnO 避雷器
图 4 串入耦合电感原理图
Fig. 4 Schematic of coupling inductance in series
图 3 预充电振荡原理图
Fig. 3 Schematic of pre-charge oscillation
中图分类号： TM721. 1
特约专稿 Featured Articles
文献标志码： A
直流断路器技术发展综述
何俊佳，袁召，赵文婷，方帅，喻新林，潘垣
（ 华中科技大学 强电磁工程与新技术国家重点实验室，武汉 430074）
摘要： 柔性直流输电和多端直流电网对能够快速开断大电流、可靠性和经济性好的高压直流断路器有日益迫切的需 求。综述了直流断路器的拓扑形式，分析了机械、全固态及混合式等直流开断方式的特点及适用场合，指出混合式强 制换流方案、机械式预充电人工过零方案更易满足高压大容量直流系统的高速开断要求。提出混合式直流断路器的研 制重点在于提高机械开关的操动速度，减少元件数，提高可靠性与经济性； 机械式直流断路器应重点关注详细拓扑、 机械开关灭弧单元在人工零点下的极限开断能力、振荡回路参数优化和快速机构的研制。 关键词： 多端直流输电； 高压直流断路器； 人工过零点； 混合型断路器
“人工电流零点”法的基本拓扑结构如图 1 所 示。该类型直流断路器主要由机械开关、反向电流 产生支路，以及吸能支路三部分构成。
图 1 “人工电流零点”法原理图
Fig. 1 Schematic of artificial current zero point
正常运行时，直流电流通过机械开关，运行损 耗小。短路故障时，机械开关触头分断并燃弧； 触 头打开至一定开距后，反向电流产生支路导通并产 生高频反向电流叠加在机械开关上，形成“人工电 流零点”，断路器利用此时机熄灭电弧； 随后，当 机械开关两端恢复电压上升至一定值，吸能支路导 通吸收直流系统能量，完成直流故障开断。
自激振荡法结构简单、易于控制、成本低，但 开断时间与回路参数密切相关，一般几十毫秒后才 能形成人工零点； 该类型断路器一般需要采用具有 较高弧压的 SF6 等类型的高气压电弧机械开关，现 有操动机构往往难以满足其超快速驱动的要求。 2. 1. 1. 2 预充电振荡法［3 － 4，10 － 11］
预充电式“人工电流零点”法拓扑原理如图 3 所 示。反向电流产生支路由预充反向电压的电容 C、 电感 L、预充电装置 U 和触发开关 K 共同构成。
国内外专家认为，以高压直流电网为风电的汇 集平台，可以避免交流电网的电压、频率、功角等
稳定性问题，能为随机性较强的风电并网提供解决 方案，但 需 要 解 决 直 流 短 路 故 障 的 隔 离 和 切 除 问 题，因而有赖于直流断路器等新技术的发展。
直流断路器发展的难点表现在两个方面： 首 先，直流系统电流没有自然过零点，无法应用交流 断路器中成熟的灭弧技术； 其次，直流系统中感性 元件等储存着巨大的能量，显著增大了直流故障电 流的开断难度［7 － 9］。
Abstract： HVDC circuit breakers whth ability to interrupt large DC fault current in a very short period of time and high reliability and economics are urgently needed for flexible DC power transmission and multiterminal DC grid. In this paper，DC circuit breakers including the mechanical，all-solid-state and hybrid ones are reviewed，their advantages and disadvantages，as well as application scopes are analyzed. It is concluded that hybrid constraint circuit breakers and mechanical pre-charged artificial current zero point circuit breakers are more likely to meet the requirements. For the former，it should be in focus to increase the operation speed，optimize the structure，enhance the reliability and economic effectiveness； and for the latter，more attentions should be paid in detailed topoloty，maximum breaking current of the mechanical switch at the artificial current zero point，parameter optimization of tank circuit，and high speed mechanism． Key words： multiterminal DC transmission； HVDC circuit breaker； artificial current zero point； hybrid DC circuit breaker
第2 期
何俊佳，等： 直流断路器技术发展综述
11
吸收系统能量并最终完成开断。 20 世纪 80 年代，欧洲 BBC 公司选用自己生产
的 DLF 型 550 kV 四断口压气式交流断路器，成功 研制了 500 kV /2 kA 的自激振荡型高压直流断路器 样机，于 1985 年 2 月安装在美国太平洋直流联络 工程的 CELILO 换 流 站 中 进 行 了 现 场 测 试［13］； 同 期，美国西屋公司利用改造后的 SF6 断路器，成功 研制了 500 kV /2. 2 kA 的自激振荡型高压直流断路 器样机，并通过了 CELILO 换流站的现场试验［14］。
Ｒeview of DC Circuit Breaker Technology Development
HE Junjia，YUAN Zhao，ZHAO Wenting，FANG Shuai，YU Xinlin，PAN Yuan
（ State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China）
机械式直流断路器将传统交流机械开断单元应 用于不同直流开断拓扑结构中，完成直流开断。
交流机械开关只具有电流过零开断的能力，而 直流系统电流不存在自然过零点，利用交流机械开 关形成的直流断路器，或者利用人工电流过零点完 成直流开断，或者限制电流到足够小以实现电流的 可靠分断。
机械式直流断路器的关键是为机械开断单元制 造类似 交 流 零 点 的 开 断 环 境。 根 据 开 断 原 理 的 不 同，该类型断路器分为人工电流零点型、限流开断 型以及其他开断方式。 2. 1. 1 “人工电流零点”法
Leabharlann Baidu
南方电网技术 SOUTHEＲN POWEＲ SYSTEM TECHNOLOGY
文章编号： 1674-0629（ 2015） 02-0009-07 DOI： 10. 13648 / j. cnki. issn1674-0629. 2015. 02. 002
根据反向电流产生的不同原理，可以将“人工 电流零点法”分为自激振荡法、预充电振荡法以及 其他人工零点型式。 2. 1. 1. 1 自激振荡法［3 － 4，10 － 12］
自激振荡式“人工电流零点”法拓扑原理如图 2 所示。反向电流产生支路由电容 C 和电感 L 串联组 成。吸能支路由非线性电阻 ZnO 避雷器构成。
因此，直流断路器的研制方向为： 1） 开断电流，熄灭电弧； 2） 抑制开断感性电流引起的过电压，吸收感性 电路内储存的能量。 本文分析了高压直流输电系统的发展对直流断 路器提出的挑战； 介绍了直流断路器在国内外的研
10
南方电网技术
第9 卷
制情况； 分析了不同的开断原理在新的系统要求下 的适用性； 最后，给出了两种断路器拓扑的研制关 键及发展建议。
路器的快速弧后介质恢复速率和 SF6 断路器的大容 量开断能力的优点，利用预充电振荡过零原理成功 开发 250 kV /1. 2 kA 的商用断路器［16］； 1985 年日立 公司利用预充电振荡过零原理成功研制了 250 kV /8 kA 的直流断路器，并进行了实验室测试［17］。 2. 1. 1. 3 其他人工零点型式［18］
0 引言
近年来，高压直流输电以其独特的优势得到了 广泛的重视和应用［1］。与交流输电相比，高压直流 输电具 有 输 电 线 路 建 设 费 用 低、 功 率 调 节 简 单 易 行、无 稳 定 性 问 题 等 优 点， 适 用 于 超 高 压、 大 容 量、远距离输电［2 － 5］。1954 年，世界上第一个高压 直流输电（ HVDC） 工程 （ Gotland 直流工程） 在瑞典 投入商业运行［2］； 1989 年，我国第一 条 ± 500 kV 葛洲坝—上海的超高压直流输电线路建成并投入运 行［3］。目前世界上已投入运行的 HVDC 工程有 90 多个，总容量超过 70 000 MW［6］。
1 直流断路器日益增长的需求
随着柔 性 直 流 输 电 及 高 压 多 端 直 流 电 网 的 发 展，对直流断路器的性能提出了新的需求。 1. 1 高电压、大电流
直流系统向多端、高电压、大电流方向发展， 部分适用于中低压、小电流领域的直流开断方法不 能满足直流断路器的发展需求。 1. 2 高速开断
直流断路器的开断速度不仅决定了直流系统其 他关键器件承受的冲击电流水平，同时也决定断路 器本身的开断电流值。新型多端直流输电系统特别 是柔性直流电网的发展造成直流故障电流峰值大、 上升速度快，要求研制超高速直流断路器。 1. 3 高可靠性和经济性
不同于交流断路器，直流断路器若不能及时开 断将显著增加故障电流峰值。因此，直流系统对断 路器开断可靠性的要求比交流系统更高。
其他人工零点的方式主要包括利用耦合电感引 入反向电流的几种具体形式［11］。如图 4 所示，反 向电流产生支路由一个耦合电感 L2 和电容 C 共同 组成。直流故障发生时，快速上升的故障电流流经 电感 L1 使得耦合电感 L2 中感应出变化电流，此变 化电流方向与 L1 中的故障电流方向相反。故障电 流和变化电流叠加，在机械开关主回路上制造过零 点从而熄灭电弧。
多端直流系统的规模发展需要使用大量的直流 断路器，这个数量因素以及直流断路器固态器件的 价格因素对直流断路器在高压、大容量系统中的应 用造成了限制。因此，直流断路器的研制还要在经 济性上加以考虑。
2 直流断路器分类与特点
直流断路器拓扑原理复杂多样，根据直流断路 器中关键开断器件的不同，可以将直流断路器分为 三类： 机械式直流断路器、全固态式直流断路器、 机械开关与固态开关相结合的混合式直流断路器。 各类直流 断 路 器 又 具 有 不 同 的 实 现 形 式 和 拓 扑 结 构。 2. 1 机械式直流断路器
图 2 自激振荡原理图
Fig. 2 Schematic of self-excited oscillation
开断直流电流时，电流断路器 CB 打开并燃弧， 由 C、L 回路自动激发出幅值不断增大的振荡电流； 振荡电流幅值超过系统电流时，将在 CB 中形成振 荡过零点，CB 断口电弧熄灭； 最后由 ZnO 避雷器
图 4 串入耦合电感原理图
Fig. 4 Schematic of coupling inductance in series
图 3 预充电振荡原理图
Fig. 3 Schematic of pre-charge oscillation
中图分类号： TM721. 1
特约专稿 Featured Articles
文献标志码： A
直流断路器技术发展综述
何俊佳，袁召，赵文婷，方帅，喻新林，潘垣
（ 华中科技大学 强电磁工程与新技术国家重点实验室，武汉 430074）
摘要： 柔性直流输电和多端直流电网对能够快速开断大电流、可靠性和经济性好的高压直流断路器有日益迫切的需 求。综述了直流断路器的拓扑形式，分析了机械、全固态及混合式等直流开断方式的特点及适用场合，指出混合式强 制换流方案、机械式预充电人工过零方案更易满足高压大容量直流系统的高速开断要求。提出混合式直流断路器的研 制重点在于提高机械开关的操动速度，减少元件数，提高可靠性与经济性； 机械式直流断路器应重点关注详细拓扑、 机械开关灭弧单元在人工零点下的极限开断能力、振荡回路参数优化和快速机构的研制。 关键词： 多端直流输电； 高压直流断路器； 人工过零点； 混合型断路器
“人工电流零点”法的基本拓扑结构如图 1 所 示。该类型直流断路器主要由机械开关、反向电流 产生支路，以及吸能支路三部分构成。
图 1 “人工电流零点”法原理图
Fig. 1 Schematic of artificial current zero point
正常运行时，直流电流通过机械开关，运行损 耗小。短路故障时，机械开关触头分断并燃弧； 触 头打开至一定开距后，反向电流产生支路导通并产 生高频反向电流叠加在机械开关上，形成“人工电 流零点”，断路器利用此时机熄灭电弧； 随后，当 机械开关两端恢复电压上升至一定值，吸能支路导 通吸收直流系统能量，完成直流故障开断。
自激振荡法结构简单、易于控制、成本低，但 开断时间与回路参数密切相关，一般几十毫秒后才 能形成人工零点； 该类型断路器一般需要采用具有 较高弧压的 SF6 等类型的高气压电弧机械开关，现 有操动机构往往难以满足其超快速驱动的要求。 2. 1. 1. 2 预充电振荡法［3 － 4，10 － 11］
预充电式“人工电流零点”法拓扑原理如图 3 所 示。反向电流产生支路由预充反向电压的电容 C、 电感 L、预充电装置 U 和触发开关 K 共同构成。
国内外专家认为，以高压直流电网为风电的汇 集平台，可以避免交流电网的电压、频率、功角等
稳定性问题，能为随机性较强的风电并网提供解决 方案，但 需 要 解 决 直 流 短 路 故 障 的 隔 离 和 切 除 问 题，因而有赖于直流断路器等新技术的发展。
直流断路器发展的难点表现在两个方面： 首 先，直流系统电流没有自然过零点，无法应用交流 断路器中成熟的灭弧技术； 其次，直流系统中感性 元件等储存着巨大的能量，显著增大了直流故障电 流的开断难度［7 － 9］。
Abstract： HVDC circuit breakers whth ability to interrupt large DC fault current in a very short period of time and high reliability and economics are urgently needed for flexible DC power transmission and multiterminal DC grid. In this paper，DC circuit breakers including the mechanical，all-solid-state and hybrid ones are reviewed，their advantages and disadvantages，as well as application scopes are analyzed. It is concluded that hybrid constraint circuit breakers and mechanical pre-charged artificial current zero point circuit breakers are more likely to meet the requirements. For the former，it should be in focus to increase the operation speed，optimize the structure，enhance the reliability and economic effectiveness； and for the latter，more attentions should be paid in detailed topoloty，maximum breaking current of the mechanical switch at the artificial current zero point，parameter optimization of tank circuit，and high speed mechanism． Key words： multiterminal DC transmission； HVDC circuit breaker； artificial current zero point； hybrid DC circuit breaker
第2 期
何俊佳，等： 直流断路器技术发展综述
11
吸收系统能量并最终完成开断。 20 世纪 80 年代，欧洲 BBC 公司选用自己生产
的 DLF 型 550 kV 四断口压气式交流断路器，成功 研制了 500 kV /2 kA 的自激振荡型高压直流断路器 样机，于 1985 年 2 月安装在美国太平洋直流联络 工程的 CELILO 换 流 站 中 进 行 了 现 场 测 试［13］； 同 期，美国西屋公司利用改造后的 SF6 断路器，成功 研制了 500 kV /2. 2 kA 的自激振荡型高压直流断路 器样机，并通过了 CELILO 换流站的现场试验［14］。
Ｒeview of DC Circuit Breaker Technology Development
HE Junjia，YUAN Zhao，ZHAO Wenting，FANG Shuai，YU Xinlin，PAN Yuan
（ State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China）
机械式直流断路器将传统交流机械开断单元应 用于不同直流开断拓扑结构中，完成直流开断。
交流机械开关只具有电流过零开断的能力，而 直流系统电流不存在自然过零点，利用交流机械开 关形成的直流断路器，或者利用人工电流过零点完 成直流开断，或者限制电流到足够小以实现电流的 可靠分断。
机械式直流断路器的关键是为机械开断单元制 造类似 交 流 零 点 的 开 断 环 境。 根 据 开 断 原 理 的 不 同，该类型断路器分为人工电流零点型、限流开断 型以及其他开断方式。 2. 1. 1 “人工电流零点”法