直流斷路器結(jié)合了電力電子器件，是用于開斷直流回路的斷路器，實(shí)現(xiàn)直流開斷的時(shí)刻是電流過零點(diǎn)。直流斷路器一般可分為機(jī)械式直流斷路器、固態(tài)直流斷路器以及混合式直流斷路器。其中電力電子器件的控制和直流滅弧是直流斷路器的關(guān)鍵技術(shù)。
背景及意義
在輸電領(lǐng)域，為適應(yīng)新的能源格局，基于常規(guī)直流和柔性直流的多端直流輸電系統(tǒng)和直流電網(wǎng)技術(shù)成為未來的發(fā)展趨勢，多端直流輸電實(shí)現(xiàn)了多電源供電、多落點(diǎn)受電，是一種更靈活、快捷的輸電方式，在此基礎(chǔ)上如果將直流輸電線路在直流側(cè)互聯(lián)形成直流電網(wǎng)，可以有效解決新能源并網(wǎng)帶來的有功波動(dòng)等問題，在未來城市智能配電網(wǎng)、微網(wǎng)等領(lǐng)域也具有較大優(yōu)勢，對我國未來電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展具有重大意義。
直流側(cè)故障是直流輸電系統(tǒng)必須考慮的一種故障類型，影響到設(shè)備參數(shù)的計(jì)算和控制保護(hù)策略的設(shè)計(jì)。與交流系統(tǒng)相比，直流系統(tǒng)阻尼相對較低，故障滲透速度更快，滲透程度更深，控制保護(hù)難度也更大。隨著多端柔性直流輸電系統(tǒng)的發(fā)展，如何處理直流故障成為工程實(shí)踐中需要考慮的關(guān)鍵問題 [1] 。
在配電領(lǐng)域，在現(xiàn)代電力電子技術(shù)和分布式電源的推動(dòng)下，直流配電網(wǎng)具有巨大的發(fā)展前景。一方面，常見的分布式電源均可發(fā)出直流電或經(jīng)整流后變?yōu)橹绷麟姡魧⑦@些電源接入直流配網(wǎng)將大大節(jié)省換流環(huán)節(jié)；另一方面，目前很多負(fù)荷本身采用直流供電，在直流配電網(wǎng)中無需經(jīng)過整流環(huán)節(jié)即可直接給這些負(fù)荷供電，從而減小成本并降低損耗。直流配電網(wǎng)線路成本低、輸電損耗小、供電可靠性高，相比交流配電網(wǎng)取得諸多技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。直流斷路器作為直流保護(hù)設(shè)備對保證直流配電網(wǎng)安全運(yùn)行有著重大意義。
綜上所述，為有效抑制故障電流擴(kuò)散，保證直流輸、配電網(wǎng)安全運(yùn)行和設(shè)備正常工作，直流斷路器將成為有效甚至唯一的技術(shù)手段。
國內(nèi)外發(fā)展
機(jī)械式直流斷路器
機(jī)械式直流斷路器通常是由交流斷路器改造之后得到的，根據(jù)滅弧原理的不同，可分為真空斷路器、六氟化硫斷路器、多油(少油)斷路器、壓縮空氣斷路器、磁吹斷路器和產(chǎn)氣斷路器。目前真空斷路器和六氟化硫斷路器已經(jīng)大范圍替代其他斷路器并在電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。真空斷路器利用真空作為觸頭間的絕緣與滅弧介質(zhì)，觸頭間隙絕緣強(qiáng)度高，具有安全可靠、壽命長等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用在10kV,35kV配電系統(tǒng)中，關(guān)斷電流水平可達(dá)20-63kA；SF6斷路器使用SF6氣體作為絕緣和滅弧的介質(zhì)，由于SF6氣體特性優(yōu)異，使斷口處的電壓和電流參數(shù)優(yōu)于少油斷路器和壓縮空氣斷路器，并且不需要較高氣壓和較多串聯(lián)斷口數(shù)，在252kV電壓等級應(yīng)用中開斷電流能力可達(dá)40kA [2] 。
固態(tài)直流斷路器
隨著電力電子技術(shù)不斷進(jìn)步，固態(tài)直流斷路器也逐漸興起，基本拓?fù)淙鐖D1所示。20世紀(jì)70年代出現(xiàn)了采用晶閘管關(guān)斷的固態(tài)直流斷路器；80年代隨著門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)、絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)等全控器件的誕生，使固態(tài)直流斷路器所用器件有了新的選擇。90年代，隨著ABB和日本三菱的集成柵極晶閘管等新型大功率器件的問世，為固態(tài)直流斷路器拓?fù)涮峁┝烁嗟倪x擇余地。
國外在固態(tài)直流斷路器研究方面起步較早。1987年，美國研制的200 V/15 A固態(tài)直流斷路器以門極可關(guān)斷晶閘管作為主開關(guān)器件；1999年，Dr. Jefffrey A.Casey等人詳細(xì)闡述和列舉了固態(tài)直流斷路器在配電網(wǎng)的分布、成本和工程應(yīng)用；Houston大學(xué)隨后研發(fā)出電壓等級為500V的固態(tài)直流斷路器樣機(jī)；2005年，美國電力電子系統(tǒng)研究中心(CPES)研制出2.5 kV/1.5kA和4.5 kV/4kA直流斷路器樣機(jī)并通過測試 [3] 。
國內(nèi)主要集于直流斷路器電路拓?fù)涞难芯浚囼?yàn)樣機(jī)容量較小且集中在航空航天和艦船系統(tǒng)等特殊領(lǐng)域。國內(nèi)的海軍工程大學(xué)開展的應(yīng)用于艦艇系統(tǒng)的固態(tài)斷路器研究側(cè)重于低壓、大電流下的開斷和限流等，應(yīng)用場合受到限制。中國工程物理研究所研制的20 kV晶閘管固態(tài)開關(guān)側(cè)重于晶閘管串聯(lián)技術(shù)的研究，電流等級較低。
混合型直流斷路器
為充分利用機(jī)械開關(guān)通態(tài)壓降小和電力電子器件關(guān)斷速度快的優(yōu)勢，混合型直流斷路器成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。混合型直流斷路器可通過機(jī)械開關(guān)和電力電子器件的合理組合得到，常見的拓?fù)渲饕袡C(jī)械開關(guān)與電力電子器件直接并聯(lián)、機(jī)械開關(guān)與電力電子器件先串聯(lián)再并聯(lián)以及由此衍生出的其他拓?fù)洹?/p>
2012年底，ABB公司研發(fā)的混合型直流斷路器通過樣機(jī)試驗(yàn)，采用高速機(jī)械開關(guān)與IGBT先串聯(lián)再并聯(lián)的拓?fù)洌糜?20kV直流輸電系統(tǒng)中，5ms之內(nèi)斷流能力達(dá)9kA。在該拓?fù)湎掠眯滦痛蠊β势骷鍵GBT已實(shí)現(xiàn)16kA左右關(guān)斷能力 [4] 。
2013年，Alstam公司研發(fā)出可在2.5ms內(nèi)關(guān)斷超過3kA電流的混合型直流斷路器，采用機(jī)械開關(guān)與電感、電容和電力電子器件構(gòu)成的振蕩電路串聯(lián)再與電力電子器件并聯(lián)的拓?fù)洹?/p>
關(guān)鍵技術(shù)
電力電子器件串、并聯(lián)技術(shù)
在高電壓、大電流的應(yīng)用場合，需要電力電子器件串聯(lián)提高耐壓能力和并聯(lián)提高通流能力，由于器件自身參數(shù)差異和外圍電路影響導(dǎo)致的動(dòng)、靜態(tài)均壓、均流問題尤為突出。當(dāng)電力電子器件作為直流斷路器斷流主支路時(shí)，一般不需要并聯(lián)即可滿足關(guān)斷電流要求，而為了承受較高的開斷過電壓，往往需要大量器件串聯(lián)使用，本節(jié)將重點(diǎn)分析串聯(lián)均壓問題。
電力電子器件串聯(lián)電壓不均一般分為兩種情況：靜態(tài)電壓不均和動(dòng)態(tài)電壓不均。器件運(yùn)行過程中會(huì)經(jīng)歷開通瞬態(tài)、開通穩(wěn)態(tài)、關(guān)斷瞬態(tài)和關(guān)斷穩(wěn)態(tài)四個(gè)工作狀態(tài)。在開通穩(wěn)態(tài)和關(guān)斷穩(wěn)態(tài)下，串聯(lián)各器件電壓基本保持穩(wěn)定，屬靜態(tài)均壓問題;在開通瞬態(tài)和關(guān)斷瞬態(tài)下，串聯(lián)各器件電壓動(dòng)態(tài)變化，屬動(dòng)態(tài)均壓問題。由于影響串聯(lián)均壓的因素較為復(fù)雜，不同工作狀態(tài)下應(yīng)采用不同的均壓策略 [5] 。
(1)靜態(tài)電壓不均原因分析與均壓措施
當(dāng)串聯(lián)各器件處于開通穩(wěn)態(tài)時(shí)，只承受很低的通態(tài)壓降，由器件參數(shù)差異引起的電壓不均對其安全運(yùn)行影響較小，一般可以忽略不計(jì)；當(dāng)串聯(lián)器件處于關(guān)斷穩(wěn)態(tài)時(shí)，各器件可等效為一個(gè)阻值較大的電阻，其上只有很小的漏電流通過，此時(shí)器件兩端電壓一般較高，必須采取措施解決電壓不均問題。
為實(shí)現(xiàn)靜態(tài)均壓，首先應(yīng)盡量選用參數(shù)和特性均一致的器件，此外還可以在串聯(lián)各器件集射極之間并聯(lián)均壓電阻，當(dāng)該電阻遠(yuǎn)小于器件漏電阻時(shí)，電壓分配主要取決于均壓電阻值，該阻值通常應(yīng)遠(yuǎn)低于器件斷態(tài)等效電阻，并盡可能的大，
(2)動(dòng)態(tài)電壓不均原因分析與均壓措施
影響串聯(lián)器件動(dòng)態(tài)電壓不均的因素主要分為兩類：器件自身參數(shù)和外圍電路參數(shù)。其中器件自身參數(shù)主要包括極間寄生電容、拖尾電流、柵極內(nèi)阻和雜散電感等，外圍電路主要包括柵極驅(qū)動(dòng)電阻、驅(qū)動(dòng)回路寄生電感、驅(qū)動(dòng)信號延遲和吸收電路等。
直流滅弧技術(shù)
與交流電流相比，直流電流沒有自然過零點(diǎn)，在高電壓等級和高故障電流等級下，如果用機(jī)械開關(guān)強(qiáng)制斷開直流電流，一方面將產(chǎn)生巨大能量的電弧，對設(shè)備安全造成嚴(yán)重威脅，另一方面從機(jī)械開關(guān)動(dòng)作到其恢復(fù)可靠的耐壓能力往往需要數(shù)十毫秒，難以滿足速動(dòng)性的要求。目前為應(yīng)對滅弧問題多采用以下幾種策略：
(1)研究直流電弧特性并建立準(zhǔn)確的電弧模型，研制滅弧能力更強(qiáng)、速度更快的機(jī)械開關(guān)。
(2)借鑒交流斷路器工作原理，采用振蕩電路等方式人為制造電流過零點(diǎn)。
(3)采用包含機(jī)械開關(guān)和電力電子器件的混合型拓?fù)洌ㄟ^合理的開斷時(shí)序控制策略，使機(jī)械開關(guān)實(shí)現(xiàn)在極小的電流甚至零電流下開斷。
(4)采用只包含電力電子器件的全固態(tài)拓?fù)洌苊怆娀 ?/p>
以上策略各有利弊，如何選擇合理的滅弧方法是直流斷路器面臨的重要問題。
控制與保護(hù)
故障電流檢測與判斷
直流斷路器作為開斷故障電流的關(guān)鍵設(shè)備，其控制系統(tǒng)應(yīng)準(zhǔn)確檢測回路電流動(dòng)態(tài)變化，可靠識別短路故障、電流暫升和電流波動(dòng)等各類工況并迅速響應(yīng)。
電流類保護(hù)策略主要有過流速斷保護(hù)、電流增量保護(hù)和電流變化率保護(hù)等。過流速斷保護(hù)檢測到電流超過整定值后立即跳閘，一般用于快速切除故障場合，準(zhǔn)確性和可靠性較差;電流上升率和電流增量保護(hù)根據(jù)穩(wěn)態(tài)電流和故障電流上升率之間的差異實(shí)現(xiàn)保護(hù)，對保護(hù)校驗(yàn)的要求較高，實(shí)際中兩種保護(hù)以同一個(gè)電流上升率整定值作為啟動(dòng)條件，啟動(dòng)后進(jìn)入各自的延時(shí)階段，相互配合完成保護(hù)功能。兩種保護(hù)的動(dòng)作過程如下：
電流上升率保護(hù)通過不斷檢測電流上升率，當(dāng)其高于保護(hù)閾值時(shí)，保護(hù)啟動(dòng)并進(jìn)入延時(shí)階段。在延時(shí)階段內(nèi)，若電流上升率一直高于整定值則保護(hù)動(dòng)作，反之則保護(hù)返回。
電流增量保護(hù)和電流上升率保護(hù)在同一時(shí)刻啟動(dòng)，繼電器以啟動(dòng)時(shí)刻電流為基準(zhǔn)計(jì)算電流相對增量。當(dāng)電流上升率一直高于電流增量保護(hù)整定的斜率且在延時(shí)后值達(dá)到動(dòng)作閉值，則保護(hù)動(dòng)作。在電流增量計(jì)算過程中，允許電流上升率在短時(shí)間內(nèi)回落到整定值之下，如果這段時(shí)間不超過返回延時(shí)整定值，保護(hù)不返回；反之則保護(hù)返回。
分、合閘時(shí)序控制策略
隨著直流斷路器拓?fù)洳粩喟l(fā)展，其各部分往往包含不同類型的元件，如全控型器件、半控型器件、機(jī)械開關(guān)和無源、有源電路等。在直流斷路器動(dòng)作過程中，各元件之間可靠的時(shí)序配合控制策略決定了換流過程和關(guān)斷過程能否正常進(jìn)行，對電力電子器件運(yùn)行在安全工作區(qū)也具有重要意義。
一般而言，對于含有多條并聯(lián)支路的直流斷路器拓?fù)洌侠淼姆帧⒑祥l時(shí)序應(yīng)滿足以下基本要求：
(1)動(dòng)作時(shí)刻按電流閉值整定并考慮各元件動(dòng)作延時(shí)，動(dòng)作持續(xù)時(shí)間滿足熱設(shè)計(jì)要求。
(2)保證機(jī)械開關(guān)在零電弧或小電弧下分?jǐn)唷?/p>
(3)在某條支路開斷時(shí)，應(yīng)保證上一條通流支路已完全換流并可靠開斷。
(4)避免電力電子器件過壓、過流。
(5)防止能量吸收支路避雷器誤動(dòng)作。
應(yīng)用
在多端柔性直流輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用
直流側(cè)故障影響到設(shè)備參數(shù)的計(jì)算和控制保護(hù)策略的設(shè)計(jì)，是直流輸電系統(tǒng)必須考慮的一種故障類型。雖然處理直流側(cè)故障有三類方法，但由于技術(shù)方面的制約，目前實(shí)際工程中仍采用交流側(cè)斷路器隔離故障。在這種處理方式下，系統(tǒng)檢測到故障后閉鎖換流站以防止橋臂過流，然后跳開各換流站交流側(cè)斷路器，切斷交流側(cè)電流饋入，直流電流隨著橋臂電抗能量釋放逐漸減小至零，最后跳開故障線路兩端的快速直流開關(guān)。而其他換流站需要再次閉合交流斷路器重新啟動(dòng)。這種處理策略在每次故障時(shí)都需要跳開交流斷路器，使直流系統(tǒng)與外界交流系統(tǒng)解開，計(jì)及故障檢測、識別、交流斷路器動(dòng)作和快速直流開關(guān)動(dòng)作，整個(gè)故障清除過程長達(dá)數(shù)百毫秒，這將降低直流輸電系統(tǒng)的可利用率 [6] 。
由于多端柔性直流輸電系統(tǒng)存在多種短路類型和短路點(diǎn)，短路電流變化復(fù)雜，為使本文提出的直流斷路器拓?fù)溆糜诙喽巳嵝灾绷鬏旊娤到y(tǒng)時(shí)能夠更加可靠的處理直流側(cè)故障，需要對直流側(cè)故障機(jī)理和各種故障類型下的電流變化規(guī)律進(jìn)行研究，同時(shí)應(yīng)結(jié)合系統(tǒng)原有的直流側(cè)故障保護(hù)方法和直流斷路器控制策略，合理整定直流斷路器動(dòng)作時(shí)序，確保整個(gè)系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。
不同類型直流側(cè)故障機(jī)理
采用雙極對稱傳輸方式的模塊化多電平多端柔性直流輸電系統(tǒng)，其直流側(cè)故障一般分為三類：單極短路故障、雙極短路故障和斷線故障。單極短路故障時(shí)，由于直流側(cè)經(jīng)大電阻接地，近似開路，子模塊電容沒有放電通路，電容電壓基本維持穩(wěn)定；雙極短路故障時(shí)，在換流器閉鎖前，子模塊電容通過上部全控器件形成放電回路，如圖2a所示，同時(shí)交流系統(tǒng)通過子模塊下部二極管構(gòu)成能量饋流回路，相當(dāng)于三相短路，如圖2b所示，此時(shí)子模塊電流由兩者疊加構(gòu)成，換流器閉鎖后，全控器件關(guān)斷，交流系統(tǒng)繼續(xù)通過圖2b所示電路饋入電流，直到交流側(cè)斷路器動(dòng)作切斷饋流回路。
直流斷路器需求分析與參數(shù)配置
在直流斷路器應(yīng)用環(huán)境下，多端柔性直流輸電系統(tǒng)主要故障類型可分為平抗內(nèi)短路，平抗外短路和架空線路短路，每種短路又分為單極短路和雙極短路。在各種類型短路故障中，換流站近端平抗內(nèi)、外側(cè)雙極短路是較為嚴(yán)重的故障類型，其中又以平抗內(nèi)雙極短路故障最嚴(yán)重。2ms之內(nèi)故障電流可達(dá)7kA，峰值電流17kA。
直流斷路器應(yīng)滿足上述最嚴(yán)重故障下的動(dòng)作要求。日前多端柔性直流系統(tǒng)直流側(cè)故障保護(hù)方式主要有橋臂過流保護(hù)和閥直流過流保護(hù)，兩者原有保護(hù)方案均取最高值為2p.u.，動(dòng)作延時(shí)0.2ms，故障電流達(dá)到閾值時(shí)換流器啟動(dòng)閉鎖保護(hù)，同時(shí)交流側(cè)斷路器動(dòng)作切斷交流電流的饋入。為最大限度抑制故障發(fā)展，使系統(tǒng)在故障恢復(fù)后能夠快速地重新建立直流電壓，直流斷路器應(yīng)在換流器閉鎖之前動(dòng)作，即使不能滿足也應(yīng)保證在換流器閉鎖之后、交流側(cè)斷路器動(dòng)作之前動(dòng)作。在較低閾值的保護(hù)水平下，換流器將在1ms內(nèi)閉鎖，因此直流斷路器也應(yīng)在1ms內(nèi)動(dòng)作，在系統(tǒng)其他參數(shù)不變時(shí)直流斷路器難以滿足該要求。
為保證直流斷路器可靠動(dòng)作，對于故障電流水平較低的故障類型，提高原保護(hù)電流整定閾值即可滿足要求；對于大容量換流站近端較嚴(yán)重的故障類型，除提高電流閾值之外，還應(yīng)為直流斷路器配置限流電感以限制電流上升率。
結(jié)論與展望
結(jié)論
直流斷路器作為迅速有效處理直流故障的關(guān)鍵設(shè)備，將在未來多端直流輸電和直流電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展中起到關(guān)鍵作用。直流斷路器理論和拓?fù)涞难芯考航?jīng)開展很長時(shí)間，但直流滅弧、電力電子器件串聯(lián)均壓和能量吸收等一系列問題仍有待解決。高壓直流輸電電網(wǎng)的迅速發(fā)展對高壓直流斷路器也提出了越來越迫切的需求。從各種直流斷路器的技術(shù)特征和目前的研究水平來看，混合式直流開斷技術(shù)和基于人工過零的直流開斷技術(shù)是最具工程應(yīng)用潛力的方案。
展望
高壓直流斷路器理論研究和樣機(jī)研制尚未成熟，在實(shí)際工程中還未得到廣泛應(yīng)用，對其關(guān)鍵技術(shù)的研究仍存在諸多不足之處：
（1）對直流網(wǎng)絡(luò)的建模是基于簡化的單向潮流模型，實(shí)際的直流輸、配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，潮流方向也具有不確定性。如何建立更為詳細(xì)的系統(tǒng)模型并在此基礎(chǔ)上對故障電流特性進(jìn)行更準(zhǔn)確的描述，為直流斷路器設(shè)計(jì)提供更為可靠的依據(jù)是后續(xù)研究的重點(diǎn)。
（2）在電力電子器件串聯(lián)均壓問題的研究中，重點(diǎn)考察關(guān)斷過程動(dòng)態(tài)均壓問題和負(fù)載側(cè)吸收電路，其他狀態(tài)下的均壓問題和柵極主動(dòng)均壓策略仍有待研究。
（3）未對直流斷路器能量吸收支路避雷器進(jìn)行詳細(xì)研究，仿真中采用通用模型，而實(shí)際中避雷器參數(shù)設(shè)置對直流斷路器可靠運(yùn)行起著關(guān)鍵作用；此外本文的研究仍處于理論分析和仿真模擬階段，下一步將開展樣機(jī)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證。
