宋述波，周登波，彭為，周勇，賈燕冰

(1.中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司廣州局，廣東 廣州 510405；2.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024)

將西部的清潔能源遠(yuǎn)距離輸送到沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，成為緩解我國能源分布不均、促進(jìn)低碳高效發(fā)展的重要手段。為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和以新能源為主的電力系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo)，清潔能源的裝機(jī)容量占比將會越來越重，大量分布式光伏、風(fēng)電機(jī)組要實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行。傳統(tǒng)“點(diǎn)對點(diǎn)”高壓直流輸電方式無法解決分布式能源的消納和換相失敗等問題[1]，而柔性直流輸電系統(tǒng)兼具直流系統(tǒng)傳輸容量大、輸電距離遠(yuǎn)、線路損耗低等優(yōu)點(diǎn)，且不存在換相失敗的問題，無需大量無功補(bǔ)償裝置，還可以很好地解決新能源對電網(wǎng)帶來的沖擊；所以柔性直流輸電技術(shù)是解決跨區(qū)域電能轉(zhuǎn)移和未來能源問題的關(guān)鍵[2-3]。隨著柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展，許多問題亟須解決，其中最重要的就是如何清除直流故障。

柔性直流系統(tǒng)阻尼小，故障發(fā)生后電流上升快，會導(dǎo)致IGBT換流器件迅速閉鎖。目前采用的故障清除方法有：依靠限流裝置和交流側(cè)的交流斷路器來清除故障電流，依靠限流裝置和直流側(cè)的直流斷路器來清除故障電流，依靠具有故障自清除能力的換流閥組來清除故障電流。采用全橋子模塊、電容鉗位雙子模塊或者新型子模塊的換流閥結(jié)構(gòu)，在發(fā)生直流故障后可通過閉鎖換流閥達(dá)到故障電流清除的目的[4-5]，例如昆柳龍混合三端直流工程就采用半橋與全橋子模塊混合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了故障自清除功能。

目前已投運(yùn)的柔性直流工程，如舟山五端柔性直流工程和張北四端柔性直流工程等，很多都采用半橋子模塊，無法通過閉鎖換流閥來清除故障電流[6]。當(dāng)遇到直流側(cè)故障時，就只有通過斷開交流斷路器來實(shí)現(xiàn)故障切除，例如廈門±320 kV柔性直流工程就是利用交流斷路器來開斷短路故障電流[7]，但該方法應(yīng)用在高壓大容量直流輸電系統(tǒng)中會造成整個直流電網(wǎng)的暫時性停電，不能滿足系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的要求。如果系統(tǒng)配備了直流斷路器，就可以迅速切斷故障電流并實(shí)現(xiàn)故障線路隔離，未發(fā)生故障的線路繼續(xù)保持功率輸送。因此直流斷路器作為高壓直流輸電系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要保障，越來越受到關(guān)注[8-9]。

近年來，國內(nèi)許多研究機(jī)構(gòu)針對斷路器結(jié)構(gòu)、開斷容量、開斷時間等開展了大量研究，并取得許多成果。2015年，全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院和中電普瑞科技公司共同研制的200 kV電壓等級的混合式直流斷路器，可以實(shí)現(xiàn)3 ms內(nèi)開斷15 kA直流電流；2016年，南瑞公司研制出了500 kV電壓等級的混合式直流斷路器，可以實(shí)現(xiàn)3 ms內(nèi)開斷25 kA直流電流；2017年，武漢電力推進(jìn)研究所研制出基于IGCT與晶閘管并聯(lián)的固態(tài)直流斷路器，電壓等級1.5 kV，可以實(shí)現(xiàn)0.05 ms內(nèi)開斷13 kA直流電流；2019年，由清華大學(xué)、南瑞公司、全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院等共同研制出了目前電壓等級最高的混合式直流斷路器，電壓等級達(dá)到535 kV，可以在3 ms內(nèi)開斷25 kA直流電流。

直流斷路器的實(shí)際應(yīng)用場景非常豐富，除了關(guān)注度比較高的超高壓直流輸電系統(tǒng)領(lǐng)域，還有直流配電網(wǎng)領(lǐng)域、船舶航天軌道交通等一些中低壓領(lǐng)域，不同場景對斷路器的體積大小、開斷能力、能耗經(jīng)濟(jì)、控制穩(wěn)定等都有不同程度的要求，需要根據(jù)實(shí)際需求來對比分析以選擇更適合的直流斷路器類型。

對此，本文首先分析當(dāng)前直流斷路器在柔性直流輸電中的基本任務(wù)及功能需求，介紹不同類型直流斷路器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和開斷原理，并對比分析各類直流斷路器的特性和發(fā)展現(xiàn)狀，提出柔性直流工程斷路器選型建議。

1 直流斷路器性能要求

1.1 架空線路柔性直流電網(wǎng)的發(fā)展

多端直流輸電系統(tǒng)作為直流電網(wǎng)的初級形式，目前已有諸多應(yīng)用，但有關(guān)直流電網(wǎng)的定義還未統(tǒng)一，例如：直流電網(wǎng)是由多個換流站的直流端連接成的網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)電網(wǎng)，并且換流站彼此備用[10-11]；直流電網(wǎng)是大量直流端以直流形式互聯(lián)組成的能量傳輸系統(tǒng)[12]；直流電網(wǎng)是一個具有“網(wǎng)孔”結(jié)構(gòu)的輸電系統(tǒng)，每個換流站間都由多條輸電線路連接[13]。

直流電網(wǎng)是換流站在直流側(cè)相連的系統(tǒng)，形成“一點(diǎn)對多點(diǎn)”和“多點(diǎn)對一點(diǎn)”網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。每個交流系統(tǒng)都通過一個換流站與直流電網(wǎng)連接，換流站之間有多條直流線路通過直流斷路器連接，當(dāng)發(fā)生故障時可通過直流斷路器選擇性切除線路或者換流站，即使一條線路停運(yùn)，仍然可以利用其他線路保證供電。同時靈活可控的直流電網(wǎng)既可以滿足新能源間歇出力的特點(diǎn)，也可滿足電動汽車、工業(yè)機(jī)器人等負(fù)荷隨機(jī)波動的輸電需求，契合未來電力系統(tǒng)的發(fā)展需求，具備長足的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖1 直流電網(wǎng)拓?fù)?/p>

現(xiàn)階段的直流電網(wǎng)面臨許多問題，其中最迫切需要解決且嚴(yán)重限制直流電網(wǎng)發(fā)展的是直流側(cè)故障電流的清除問題。如果不能像交流系統(tǒng)那樣及時有效地清除故障，就很難保證系統(tǒng)的可靠性和可用率[14-15]。如果直流故障采用交流斷路器，就會大幅降低了直流電網(wǎng)冗余設(shè)計的意義，同時使得其規(guī)模難以擴(kuò)大。如果采用帶故障清除能力的換流閥，又會增加通態(tài)損耗以及投資成本，所以高壓直流斷路器的研究急切且意義重大。

1.2 高壓直流斷路器的性能要求

隨著柔性直流輸電系統(tǒng)電壓等級越來越高，輸送功率越來越大，輸電走廊越來越長，其對高壓直流斷路器快速性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性的要求越來越高。

相較于高壓交流斷路器，高壓直流斷路器在故障線路中要產(chǎn)生電流過零點(diǎn)，并吸收在開斷過程中儲存于線路電抗器中以及從交流系統(tǒng)注入短路點(diǎn)的能量；同時能夠耐受電流分?jǐn)嗪螽a(chǎn)生的過電壓，并抑制該過電壓不得超過直流系統(tǒng)的絕緣水平。適用于中低壓、小電流領(lǐng)域的通過耗散電弧能量來開斷直流電流的方法不能滿足這樣的需求。

直流輸電系統(tǒng)的阻尼相對較小，系統(tǒng)響應(yīng)常數(shù)小，如果不能快速切除故障，將造成多個換流站停運(yùn)，而且短路電流攀升迅速，必須在極短時間內(nèi)開斷短路電流，在高壓領(lǐng)域快速分?jǐn)喑蔀橹绷麟娋W(wǎng)對直流斷路器最核心的要求。此外，一般斷路器都配置于室外，在各種天氣、環(huán)境下能否可靠運(yùn)行，以及對于多端直流系統(tǒng)來說，如何靈活配置大量的直流斷路器以節(jié)省投資成本，這些都是實(shí)際工程需要解決的問題。

1.3 柔性直流工程應(yīng)用實(shí)例

目前比較有代表的柔性直流示范工程包括南澳三端、廈門柔性直流工程、珠海三端、舟山五端、昆柳龍混合三端、張北四端等。2013年建成運(yùn)行的±160 kV南澳多端柔性直流輸電工程加裝了2臺基于有源振蕩的機(jī)械式直流斷路器；2016年舟山五端柔性直流系統(tǒng)在原有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上加裝了2臺±200 kV基于電阻過零的混合式直流斷路器；2018年投運(yùn)的珠海唐家灣三端柔性直流配電網(wǎng)工程配置了1臺基于耦合負(fù)壓原理的±10 kV混合式直流斷路器；2020年烏東德三端混合直流工程配置多臺機(jī)械式高壓直流斷路器用于多種運(yùn)行方式的轉(zhuǎn)換；2020年張北四端柔性直流系統(tǒng)安裝了±535 kV、基于電阻過零和電壓過零的混合式直流斷路器，這是目前世界上電壓等級最高、開斷容量最大的直流斷路器。

2 高壓直流斷路器分類與特點(diǎn)

目前直流斷路器主要分為3大類：早期的機(jī)械式直流斷路器、全固態(tài)式直流斷路器以及目前多端柔性直流工程普遍采用的混合式直流斷路器。這3種直流斷路器具有不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和開斷原理，在實(shí)際應(yīng)用中各有優(yōu)劣。

2.1 機(jī)械式直流斷路器

機(jī)械直流斷路器的本質(zhì)是通過串入電容，使單極性的直流電流變?yōu)榻涣麟娏鱗16]，然后利用傳統(tǒng)交流斷路器開斷單元(如SF6或真空交流斷路器)來分閘直流電流。根據(jù)不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以將機(jī)械式直流斷路器分為無源振蕩型和有源振蕩型2種。文獻(xiàn)[17]基于不同的直流開斷原理對機(jī)械式斷路器進(jìn)行介紹；文獻(xiàn)[18]針對在±160 kV南澳多端柔性直流輸電工程加裝的機(jī)械式高壓直流斷路器進(jìn)行建模研究，并給出了斷路器參數(shù)選型建議；文獻(xiàn)[19]對無源型機(jī)械式直流斷路器樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明樣機(jī)能在20 ms內(nèi)開斷5.3 kA的直流電流；文獻(xiàn)[20]提出一種新型機(jī)械式直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，無須預(yù)充電，且開斷時間小于4 ms；文獻(xiàn)[21]提出一種基于耦合電抗器的新型機(jī)械式直流斷路器，并通過了1.8～2.3 kA小電流的開斷試驗(yàn)。

2.1.1 無源振蕩型機(jī)械式直流斷路器

無源振蕩型拓?fù)湓砣鐖D2所示，圖中Lre為諧振電感器(其值為Lre)，Cre為諧振電容器(其值為Cre)。其3條支路分別為交流分?jǐn)嘌b置所在的穩(wěn)態(tài)通流支路、用于產(chǎn)生振蕩電流的電流轉(zhuǎn)移支路以及避雷器(MOV)所在的能量吸收支路。其中穩(wěn)態(tài)支路用以在正常工況下導(dǎo)通直流電流；電流轉(zhuǎn)移支路用以和穩(wěn)態(tài)通流支路配合來實(shí)現(xiàn)不同工況下直流電流的分?jǐn)?；能量吸收支路用以解決開斷過程中產(chǎn)生的過電壓耐受和系統(tǒng)能量吸收問題。

圖2 無源振蕩型直流斷路器拓?fù)?/p>

發(fā)生振蕩時，振蕩電流被限制在換流支路，電弧電壓與電弧電流iarc(t)為非線性關(guān)系，表示如下：

(1)

(2)

電感太小將無法產(chǎn)生振蕩電流，且電容越大振蕩現(xiàn)象越容易發(fā)生，所開斷容量也越大。

2.1.2 有源振蕩型機(jī)械式直流斷路器

有源振蕩型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，其與無源振蕩型結(jié)構(gòu)類似，也包括避雷器、諧振電容和諧振電感。分?jǐn)嚯娏髟硪嘞嗤?，不同的是其多了輔助電源，可以通過開關(guān)S對電容器進(jìn)行預(yù)充電，使其能具備更高的逆向電流幅值，從而減少斷路器分?jǐn)鄷r間。

圖3 有源振蕩型直流斷路器拓?fù)?/p>

在換流支路接入主回路時電容電壓已被充電至額定電壓Uc(0)，其他推導(dǎo)過程與無源振蕩型相同，其電弧電壓和電流的關(guān)系為：

(3)

(4)

由結(jié)果可以看出，故障發(fā)生后電弧電流能更快過零。

2.1.3 機(jī)械式直流斷路器對比

對比上述2種斷路器可以發(fā)現(xiàn)：

a)有源型高壓斷路器通過反向注入電流的方式創(chuàng)造電流過零點(diǎn)熄弧，這在技術(shù)上易于實(shí)現(xiàn)，且可以控制注入電流的幅值，開斷能力強(qiáng)，能夠縮短熄弧時間，提高斷路器分?jǐn)嗨俣龋坏捎谛枰鋫漭o助電源設(shè)備，増加了有源型斷路器的體積和成本，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，運(yùn)行可靠性也相對降低。

b)無源型斷路器利用機(jī)械開關(guān)電弧負(fù)阻抗特性，與并聯(lián)的電感-電容電路諧振創(chuàng)造電流過零點(diǎn)熄弧，控制簡單，回路可靠性高。但問題在于，在產(chǎn)生過零點(diǎn)的同時疊加電流的正向幅值增加至少1倍，增加了直流斷路器開斷電流的難度，可能會使得直流斷路器分?jǐn)鄷r產(chǎn)生的電弧更大，直接影響直流斷路器的壽命[22]。此外，當(dāng)電弧電流大到一定程度后，電弧負(fù)阻特性就變得不很明顯，不能保證振蕩電流穩(wěn)定振蕩到可以產(chǎn)生零點(diǎn)的幅值。

2.2 全固態(tài)式直流斷路器

大功率電力電子器件所具有的通流能力、快速開斷能力和耐壓能力，能夠很好地契合直流開斷的需求。線路正常運(yùn)行時，電流流過電力電子開關(guān)所在的主回路發(fā)生故障時，電力電子開關(guān)迅速斷開。線路感性元件中存儲的磁場能量轉(zhuǎn)化為電場能量，使得斷路器兩端電壓升高至避雷器的動作閾值，通過避雷器吸收系統(tǒng)能量，完成電流開斷。所以，全固態(tài)直流斷路器主要由電力電子開關(guān)和吸能支路2部分組成。根據(jù)所采用的電力電子開關(guān)類型，可以將全固態(tài)直流斷路器分為半控型和全控型2種固態(tài)直流斷路器。文獻(xiàn)[23]提出將碳化硅器件用于直流固態(tài)斷路器，可以大大降低其通態(tài)損耗，并減輕散熱壓力；文獻(xiàn)[24]為解決串聯(lián)IGBT電壓不均衡的問題，提出一種門極均壓控制方法；文獻(xiàn)[25]在半控型直流固態(tài)斷路器的基礎(chǔ)上提出利用IGCT和晶閘管并聯(lián)的新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以顯著減少開斷時間，并完成了50 μs內(nèi)開斷13 kA短路電流的試驗(yàn)。

2.2.1 半控型固態(tài)式直流斷路器

半控型固態(tài)直流斷路器的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由晶閘管T1、換流晶閘管T2、換流電感器Lcon、換流電容器Ccon、避雷器組成，如圖4所示。

圖4 半控型固態(tài)直流斷路器拓?fù)?/p>

由于采用的晶閘管是半控型器件，為了使主回路的晶閘管關(guān)斷，必須使流過其電流降為0；所以采用振蕩回路強(qiáng)迫換流，使得T1的電流降為0后關(guān)斷。正常運(yùn)行時，電容由輔助電源充電至U0，可得：

(5)

uCcon(t)=U0cosωt，

(6)

i1(t)=i(t)-iLcon(t).

(7)

由此可知，主回路晶閘管的電流以正弦形式下降到0，實(shí)現(xiàn)零電壓軟關(guān)斷；之后諧振電流流入吸能支路，電容器上的電壓降為0，完成分?jǐn)噙^程。

半控型固態(tài)直流斷路器具有耐壓高、分?jǐn)嗄芰?qiáng)、技術(shù)門檻低、成本優(yōu)勢等特點(diǎn)，但是高壓大電容和輔助電源設(shè)備增加了斷路器整體的復(fù)雜度和占地面積，而且電容器充電回路中輔助電源的絕緣問題也難以解決。

2.2.2 全控型固態(tài)式直流斷路器

GTO、IGBT、IGCT和ETO等全控型開關(guān)元件可自關(guān)斷，所以采用全控型器件的直流斷路器不會產(chǎn)生振蕩電流，可以省去換流支路。但目前單個器件的耐壓等級遠(yuǎn)達(dá)不到系統(tǒng)的電壓等級，所以需要將多個全控型器件進(jìn)行串聯(lián)分壓。

圖5所示為全控型直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括限流電抗器、多個IGBT開關(guān)管以及并聯(lián)在斷路器兩端的避雷器；其工作波形如圖6所示，其中：Idc為直流線路穩(wěn)態(tài)電流；Udc為直流線路穩(wěn)態(tài)電壓；Iswicth為IGBT開關(guān)管所在換流支路電流；Imov為避雷器支路電流；Ibreaker=Iswicth+Imov，為流過斷路器的電流；Ubreaker為斷路器兩端的電壓。

圖5 全控型固態(tài)直流斷路器拓?fù)?/p>

圖6 全控型固態(tài)直流斷路器工作波形

如圖6所示：t1時刻系統(tǒng)發(fā)生短路，隨后短路電流迅速上升，在限流電抗器的作用下，短路電流上升率被限制在一個定值；t2時刻斷路器動作，由于IGBT開關(guān)管的關(guān)斷速度非常快，短路電流迅速從IGBT支路轉(zhuǎn)移到避雷器支路，電路電流在避雷器支路產(chǎn)生一個大于直流側(cè)電壓的反電動勢，從而將短路電流降到0；t3時刻斷路器完全關(guān)斷。

全控型固態(tài)直流斷路器能可控關(guān)斷，動作迅速，體積小，其模塊化便于拓展；但是全控型器件耐壓能力、開斷電流能力比晶閘管差，相同電壓等級下需要更多的器件。同時全控型器件的串聯(lián)均壓、并聯(lián)均流問題需要進(jìn)一步研究解決。

2.3 混合式直流斷路器

混合式直流斷路器結(jié)合了機(jī)械式直流斷路器和固態(tài)式直流斷路器的優(yōu)勢，可以實(shí)現(xiàn)更快的關(guān)斷速度以及更小的通態(tài)損耗，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般由主回路、換流支路以及吸能支路組成。按照不同的換流方式，混合式直流斷路器分為自然換流型、電壓過零型和電阻過零型3種。文獻(xiàn)[26]提出一種強(qiáng)制換流型混合直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，換流支路采用子模塊級聯(lián)，并通過IGBT和隔離開關(guān)配合實(shí)現(xiàn)不帶電合閘。文獻(xiàn)[27]提出混合式直流斷路器的核心開斷參數(shù)，并結(jié)合直流電網(wǎng)具體運(yùn)行方式，對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行定性與定量分析。文獻(xiàn)[28]提出優(yōu)化的強(qiáng)迫換流混合式直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主支路不包含全控型電力電子器件，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械開關(guān)的無弧分?jǐn)?。文獻(xiàn)[29]基于電阻型超導(dǎo)和IGBT限流電阻，提出一種超導(dǎo)限流混合式直流斷路器拓?fù)?，在短路時抑制故障電流上升率，從而提高斷路器的開斷性能。

2.3.1 自然換流型混合式直流斷路器

自然換流型混合式直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示，包括避雷器、IGBT開關(guān)管以及快速機(jī)械開關(guān)(FMD)。正常情況下，電流通過快速機(jī)械開關(guān)所在的主回路；發(fā)生故障時，快速機(jī)械開關(guān)斷開并燃弧，當(dāng)機(jī)械觸頭達(dá)到一定的開距后，導(dǎo)通換流支路里的電力電子開關(guān)。由于主回路的電弧電壓大于換流支路導(dǎo)通壓降，故障電流轉(zhuǎn)移到換流支路，待機(jī)械開關(guān)觸頭能承受暫態(tài)恢復(fù)電壓并恢復(fù)絕緣后，關(guān)斷電力電子開關(guān)，故障電流轉(zhuǎn)移到吸能支路，由避雷器吸收。

圖7 自然換流型混合式直流斷路器拓?fù)?/p>

自然換流型受限于電弧電壓的大小，隨著直流斷路器電壓等級和開斷容量升高，換流支路中串聯(lián)的電力電子開關(guān)越來越多，通態(tài)壓降也越來越高，為了可靠換流，需要保證機(jī)械觸頭開距更大以產(chǎn)生更高的電弧電壓，因此對快速機(jī)械開關(guān)和電力電子開關(guān)二者的性能都提出提出了更高的要求。

2.3.2 電阻過零型混合式直流斷路器

電阻過零型混合式直流斷路器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖8所示，其中包括避雷器、快速機(jī)械開關(guān)、輔助電力電子開關(guān)模塊(AUX)和換流電力電子模塊。正常情況下，電流通過快速機(jī)械開關(guān)和輔助電力電子開關(guān)所在回路流通，當(dāng)發(fā)生故障時，關(guān)斷輔助電力電子開關(guān)，其所在支路阻抗迅速升高，電流強(qiáng)迫轉(zhuǎn)移到換流支路，主回路電流降為0，這時快速機(jī)械開關(guān)就可以實(shí)現(xiàn)無弧分?jǐn)?，之后關(guān)斷換流支路里電力電子開關(guān)，故障電流轉(zhuǎn)移到吸能支路由避雷器吸收。

圖8 電阻過零型混合式直流斷路器拓?fù)?/p>

2012年，由ABB公司研制生產(chǎn)的世界首臺混合型高壓直流斷路器就是采用電阻過零型換流原理，其開斷時間為5 ms，開斷電流能力為8.5 kA?；诖藫Q流原理，我國也相繼研制出了200 kV電壓等級的混合式直流斷路器和535 kV電壓等級混合式直流斷路器，二者分別應(yīng)用在舟山五端柔性直流工程和張北四端柔性直流工程[30-32]。

電阻過零型混合式直流斷路器中，由于輔助電力電子開關(guān)一直會流過數(shù)千安的穩(wěn)態(tài)電流，通態(tài)損耗會遠(yuǎn)大于自然換流型混合式直流斷路器，所以需要配備水冷散熱系統(tǒng)，這增加了整體斷路器的成本和復(fù)雜性。

2.3.3 電壓過零型混合式直流斷路器

電壓過零型混合式直流斷路器結(jié)構(gòu)是由清華大學(xué)于2015年提出的，其拓?fù)淙鐖D9所示，其中包括1個耦合負(fù)壓電路、快速機(jī)械開關(guān)、避雷器和換流電力電子模塊。電壓過零型混合式直流斷路器通過控制耦合負(fù)壓產(chǎn)生一個負(fù)向電壓，從而減少換流支路整體的導(dǎo)通壓降，實(shí)現(xiàn)電流可靠轉(zhuǎn)移。相比于自然換流型運(yùn)行更可靠，并且適用于更高的電壓等級；相比于電阻過零型，其主回路只有快速機(jī)械開關(guān)，通態(tài)損耗更低，結(jié)構(gòu)更簡單。

圖9 電壓過零型混合式直流斷路器拓?fù)?/p>

由圖9可見：正常運(yùn)行時，開關(guān)T斷開，耦合負(fù)壓回路不接入電路，同時電容器C進(jìn)行預(yù)充電；發(fā)生故障時，先拉開快速機(jī)械開關(guān)，同時導(dǎo)通換流支路里電力電子開關(guān)，閉合開關(guān)T，耦合電感產(chǎn)生一個負(fù)向壓降加在換流支路上，從而強(qiáng)迫電流轉(zhuǎn)移到換流支路，再斷開電力電子開關(guān)，電流轉(zhuǎn)移到吸能支路，完成整個分?jǐn)噙^程。

3 高壓直流斷路器方案比較及應(yīng)用展望

3.1 斷路器性能對比分析

以上3大類7種直流斷路器各自都有不同的特點(diǎn)，以下就開斷時間、通態(tài)損耗、是否燃弧、電流過零方式等方面對這7種直流斷路器進(jìn)行對比分析，見表1。

由表1可以看出：

表1 斷路器不同特征指標(biāo)對比分析

a)傳統(tǒng)機(jī)械式斷路器具有通態(tài)阻抗低、損耗小、耐壓能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但也存在動作時間長和分?jǐn)嚯娏髂芰τ邢薜娜秉c(diǎn)。傳統(tǒng)機(jī)械斷路器的開斷時間一般需要幾十毫秒，很難滿足柔性直流輸電系統(tǒng)快速清除故障的需求，在實(shí)際工程中主要用于分?jǐn)喔邏褐绷飨到y(tǒng)中的正常運(yùn)行電流，又稱為高壓直流轉(zhuǎn)換開關(guān)，目前能分?jǐn)嗟碾娏鳛? kA左右。此外，每次分?jǐn)嚯娏鬟^程中都有電弧產(chǎn)生，降低了斷路器的使用壽命，維護(hù)成本也相應(yīng)提高。

b)全固態(tài)式直流斷路器中，半控型耐壓高，分?jǐn)嗄芰?qiáng)，技術(shù)門檻低，但復(fù)雜度和占地面積大，且輔助電源的絕緣問題也難以解決；全控型器件制造成本更高，投資更大，通態(tài)損耗很高，往往占到換流站傳輸功率的三分之一，這點(diǎn)限制了其應(yīng)用前景。

c)混合式直流斷路器結(jié)合了機(jī)械式直流斷路器和固態(tài)式直流斷路器的優(yōu)勢，可以實(shí)現(xiàn)更快的關(guān)斷速度以及更小的通態(tài)損耗。

3.2 斷路器選型及應(yīng)用前景分析

從開斷直流電流的理論方面來說，固態(tài)式和混合式直流斷路器具備更快的開斷速度以及更簡單的控制系統(tǒng)，以及后期維護(hù)成本更低。但從工程實(shí)際來說，機(jī)械式直流斷路器具有更好的經(jīng)濟(jì)性，能適應(yīng)更高的電壓等級。所以要根據(jù)不同的開斷場景，合理選擇不同類型的直流斷路器。

a)隨著柔性直流輸電網(wǎng)絡(luò)的電壓等級越來越高，直流電流越來越大，短路發(fā)生瞬間的故障電流能達(dá)到數(shù)萬安，機(jī)械式直流斷路器已不能滿足開斷要求，必須配備相應(yīng)電壓等級的混合式直流斷路器。這種情況下，系統(tǒng)對斷路器的開斷時間、換流可靠性等要求很高，而通態(tài)損耗、經(jīng)濟(jì)性不再是衡量標(biāo)準(zhǔn)。

b)對于采用真雙極接線方式的直流系統(tǒng)，往往需要進(jìn)行單極-大地回線運(yùn)行方式到單極-金屬回線運(yùn)行方式的轉(zhuǎn)換，此時斷路器開斷的是穩(wěn)態(tài)直流，且對開斷時間要求不是很高，此類轉(zhuǎn)換開關(guān)采用機(jī)械式直流斷路器；又因?yàn)檫@種轉(zhuǎn)換操作不是經(jīng)常需要，更多考慮的是斷路器的經(jīng)濟(jì)性。

c)對于城市直流配電網(wǎng)，由于涉及到不同的電壓等級，而且一些重要的工業(yè)、醫(yī)療負(fù)荷對供電穩(wěn)定性要求很高，所以要求換流站在故障后能快速重啟動，這就需要斷路器在換流閥閉鎖前就切除故障。而且城市換流站往往占地面積有限，所以不考慮需要大型電容器的機(jī)械式直流斷路器，而是安裝更靈活、控制更優(yōu)的低壓固態(tài)直流斷路器。

目前高壓直流斷路器應(yīng)用最廣泛的主要是機(jī)械式和混合式2種，其中混合式直流斷路器具有靈活的控制策略和成熟的開斷技術(shù)，因而成為更主流的直流斷路器方案，全世界70%商業(yè)運(yùn)行的高壓直流斷路器解決方案采用的都是混合式。

未來混合式高壓直流斷路器的發(fā)展主要為以下幾個方面：①采用更加合理的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而降低較高的電力電子器件使用率；②采用更可靠且高比能的氧化鋅器件，以減少吸能支路的體積以及因避雷器爆炸帶來的安全隱患；③混合式高壓直流斷路器是包含了信號采集、運(yùn)算控制、器件驅(qū)動、狀態(tài)檢測、機(jī)構(gòu)動作等功能的復(fù)雜裝置，需要對不同部件進(jìn)行控制和供電，合理的絕緣配合和高效的功能系統(tǒng)能大大提高斷路器的運(yùn)行可靠性；④采用更高強(qiáng)度的快速機(jī)械開關(guān)，隨著斷路器開斷電壓、短路容量不斷升高，機(jī)械斥力結(jié)構(gòu)所承受的電動力沖擊會非常大，需要提高材料的機(jī)械強(qiáng)度，來延長斷路器的使用壽命；⑤針對具體的直流工程來優(yōu)化斷路器配置，不能一味講究數(shù)量，而是應(yīng)考慮在切除系統(tǒng)所有故障工況產(chǎn)生的最大短路電流前提下如何配置更少的斷路器。

4 結(jié)束語

隨著柔性直流電網(wǎng)的發(fā)展，高壓直流斷路器在直流系統(tǒng)中的作用越來越重要，同時也對直流斷路器的速動性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等提出了更高的要求。本文分析了目前常用的幾種直流斷路器的結(jié)構(gòu)拓?fù)?、分?jǐn)嘣硪约案髯缘膬?yōu)缺點(diǎn)，并對當(dāng)前直流電網(wǎng)不同的應(yīng)用場景下，對斷路器選型給出建議，指出混合式直流斷路器換流原理簡單、運(yùn)行可靠，是目前最理想的高壓直流斷路器，將得到更為廣泛的應(yīng)用。