高壓直流斷路器的研究簡述

盧瀚順

摘 要：文章綜述了高壓直流斷路器的研究背景和應用現狀，簡要介紹了高壓直流斷路器在高壓直流輸電中的作用；高壓直流斷路器的主要性能指標以及高壓直流斷路器的種類及其原理結構；高壓直流斷路器滅弧方式的物理設計，重點說明了高壓直流斷路器的開斷原理；對高壓直流斷路器進行了分類，并介紹了世界先進水平的高壓直流斷路器；總結了現今高壓直流斷路器研究的技術難題和未來的發展方向。

關鍵詞：高壓直流輸電；高壓直流斷路器；開斷原理

1 概述

高壓直流（HVDC）輸電系統是由整流器、高壓直流輸電線路以及逆變器組成，其中整流器和逆變器統稱為換流器。從結構上看，高壓直流輸電是交流-直流-交流形式的電力電子換流電路[1]。自從1954年瑞典哥特蘭的世界上第一項高壓直流輸電工程投運以來，高壓直流輸電技術已經隨著電力電子技術的突飛猛進而飛速發展[2]。高壓直流輸電系統主要有兩個作用[3，4，5]：一是將頻率不同或頻率控制策略不同的交流系統聯接起來；二是增長輸電距離以及增大輸電容量。我國現有的特高壓直流示范工程有三個，分別是南方電網公司的云廣±800kV特高壓直流輸電示范工程，國家電網公司的向上±800kV特高壓直流輸電示范工程和錦蘇±800kV特高壓直流輸電示范工程。與交流輸電比較，直流輸電主要有以下優點：輸電損耗小、線路造價低；電壓壓降小；直流輸電不要求與電網同步；可分期建設，提高投資效益[7]。高壓直流輸電工程的結構中，直流斷路器是至關重要的設備之一。研制高壓直流斷路器主要需要突破三個難點[8，9]：一是直流輸電電流沒有過零點，增加斷路器的滅弧的難度；二是直流輸電回路的電感很大，而需要開斷的電流往往也很大，導致直流斷路器需承受巨大的能量；三是直流輸電的過電壓高。

2 高壓直流斷路器的基本構成和開斷原理

2.1 高壓直流斷路器的基本構成

開斷直流電流一直是高壓直流輸電系統中的重大難題之一。主要原因是直流電流沒有自然過零點，必須強迫電流過零才能熄弧。另外在開斷電流過零，電弧熄滅時，直流系統中仍存儲著巨大的能量需要釋放，這部分能量在斷路器兩端可能產生很高的過電壓從而造成開斷失敗。

高壓直流斷路器的基本構成如圖1所示[9]。

高壓直流斷路器是由：QB裝置，振蕩回路，耗能元件組成。QB裝置通常采用傳統的真空斷路器和SF6斷路器改造而成，QB裝置為了獲取較低的電弧電壓，需要加裝輔助回路，包括有源輔助回路和無源輔助回路兩種。振蕩回路用于強迫直流電流過零點，最常用的是LC振蕩回路。耗能元件用于吸收回路中存儲的能量，通常采用金屬氧化物避雷器（MOA）。

2.2 高壓直流斷路器的開斷原理

2.2.1 高壓直流的開斷方式

目前可行的開斷方法主要有以下幾種[10]：（1）限流式開斷法。主要原理是利用裝置把電弧拉長致使系統電壓無法維持燃弧而熄滅。（2）振蕩式開斷法。其基本構成如圖1所示，基本原理如2.1所述：首先利用振蕩電路強迫電流過零點，接著利用交流斷路器開斷電流，最后利用金屬氧化物避雷器吸收直流回路的能量，確保滅弧不重新燃弧。這是最常用的開斷方法。（3）其他的開斷方法。例如用可關斷晶閘管GTO串聯構成的直流斷路器，但造價高且可靠性差[11]。

2.2.2 高壓直流斷路器的開斷原理。這里主要介紹振蕩式開斷法的開斷原理。振蕩式開斷法強迫電流過零的方法有兩種[12]：一是他能振蕩方法（無源型[13]），如圖2所示；一是自能振蕩方法（有源型），如圖3所示。他能振蕩方法的原理是：先向電容器C充電，然后電容器C通過電感L向電弧間隙放電，產生振蕩電流，強迫電流過零。他能振蕩方法對電路的操作過程如下：閉合Kch向儲能電容器C充電；Kch斷開，斷路器CB開斷；CB中會有電弧出現，這時閉合Kcon，產生振蕩電流，形成電流過零點。可見，他能振蕩方法步驟較為復雜且可靠性較差，對重合閘操作不利。

自能振蕩方法的原理是利用電弧自身的不穩定性和負阻特性產生電流振蕩。當斷路器CB觸頭斷開后，產生的電弧電壓向儲能電容器C充電。由于電弧的不穩定性，電弧電壓產生波動，使電容器C與CB間的電弧有一個充放電過程，產生充放電電流，電弧的負阻特性使充放電流的振幅不斷增加。電弧的負阻特性如圖4所示。其電路方程為：

LC■+C■+i=0 （1）

LC■+rC■+i=0 （2）

電弧電阻r=■<0（i是增幅振蕩），當電流的振幅等于所開斷的電流時，在斷路器觸頭之間產生電流過零點。自能振蕩方法避免了他能振蕩方法所必須的許多設備，簡化了換流電路，且即使電流過零后重燃，也不影響電流過零點的形成，這樣省去了過零點形成時間與觸頭開距之間的配合問題。

圖3 自能振蕩方法

3 高壓直流斷路器的分類和主要性能

從安裝環境角度劃分：如圖5所示為雙極送電端（左）、受電端（右）換流站直流斷路器配置圖。按照安裝環境劃分，可分為以下四種斷路器[4]。（1）中性母線斷路器NBS。對于兩端換流站的每一極都應設有一臺中性母線斷路器NBS，NBS應滿足能開斷任何故障類型的直流電流。NBS的開斷必須實現合-分-合操作循環。換言之，開斷裝置實現此操作循環而無需對操作機構充電。在轉換失敗或電動機掉電情況下，此功能能確保開斷裝置返回閉合狀態。（2）中性母線接地斷路器NBGS。每個換流站都要有一臺NBGS。當接地極退出運行時兩端換流站的NGBS應自動將中性母線轉移到換流站地網。NGBS不要求具備大電流轉換的能力，但必須能在雙極運行時打開，以及將雙極不平衡電流轉換至接地極。（3）金屬回路轉換斷路器MRTB。MRTB的主要作用是將直流運行電流從較低阻抗的大地回路轉向較高阻抗的金屬回路，并且所轉移的直流輸送功率不應下降，應滿足即使在長時間的過負荷功率水平下也能進行轉換。（4）大地回路轉換斷路器ERTB。ERTB的作用與MRTB相反，是將直流運行電流從較高阻抗的金屬回路轉向較低阻抗的大地回路。同樣ERTB所轉移的直流輸送功率不應下降，應滿足即使在長時間的過負荷功率水平下也能進行轉換。

從技術角度劃分[14]。（1）機械式斷路器，這是以傳統的交流斷路器滅弧技術為基礎改造而成的直流斷路器。（2）真空/等離子斷路器，使用高壓真空系統/等離子管的斷路器。（3）電力電子直流斷路器，例如有基于高電壓、高電流晶閘管換流器，基于IGBT換流器等。（4）超導斷路器，利用在超導和常溫狀態下電阻快速變化的超導材料制造而成。以上前兩種均是基于前面所提到的借助于輔助振蕩電路實現滅弧的斷路器，區別是所采用滅弧方式和介質不同。后兩種是目前世界上最先進的、處在研發階段的具有高開端容量的直流斷路器。值得一提的是，ABB在2012年11月宣稱開發了世界上第一臺混合式高壓直流斷路器。這一研究成果將機械動力學與電力電子設備相結合，可在5ms之內開斷一所大型發電站的直流輸出電流，設計參數：額定直流電壓320kV，額定直流電流為2kA，電流開斷能力為9kA。阿爾斯通電網在2013年2月宣稱已研制出最佳性能的高壓直流斷路器樣機，并通過了開斷電流超過3kA、開斷時間小于2.5ms的實驗。

4 存在的問題和未來的研究展望

盡管直流斷路器利用了現有的交流斷路器的技術，但兩者之間還存在著一定的差異。也就是說，直流斷路器還有許多問題需待解決，才能得到不斷地完善。直流斷路器有待解決的問題可以歸納為如下幾個方面[4，15，16，17]：（1）優化直流斷路器電路的元件尺寸，包括電容器、電抗器、變阻器等元件的尺寸，以優化基本的高壓直流斷路器的結構。大的研究方向是縮小元件的尺寸，減小直流開斷時間以及降低造價；（2）研究各種情況下氣體絕緣或者真空開關的不同電弧特性，以優化開斷直流電弧的振蕩上升速度和斷路器的開斷能力；（3）研制動作更快的機械開關或者隔離開關，并且這些開關應該具有更高耐壓能力和更低的損耗；（4）研制純凈的半導體開關器件，這些開關器件應該具有非常小的導通損耗；（5）通過技術改進，將中壓直流斷路器的應用擴展到更高水平的電壓等級；（6）研制中高壓故障限流器；（7）完善高壓直流斷路器控制保護，提高高壓直流斷路器工作的安全性和可靠性；（8）不斷開發新的高壓直流斷路器（或者單個組件）的試驗方法；（9）不斷完善多端高壓直流輸電系統的標準和規范。

參考文獻

[1]韓明曉，文俊，徐永海.高壓直流輸電原理與運行[M].北京：機械工業出版社，2008.

[2]楊勇.高壓直流輸電技術發展與應用前景[J].電力自動化設備，2001，21（9）：59-60.

[3]曾南超.高壓直流輸電在我國電網發展中的作用[J].高電壓技術，2004，30（11）：43-46.

[4]Christian M.Franck，HVDC Circuit Breakers：A Review Identifying Future Reaserch Needs.

[5]J.Arrillaga，Y.H.Liu，and N.R.Watson，Flexible Power Transmission：The HVDC Option.Hoboken，NJ：Wiley，2007.

[6]M.Bahrman and B.Johnson."The ABCs of HVDC transmission technologies，"IEEE Power Energy Mag.，vol.5， no.2， pp.32-44，Mar./Apr. 2007.

[7]方進，鄧珂琳，溫家良.環網式三端直流輸電系統及直流斷路器應用的分析與仿真[J].電網技術，2012，36（6）：244-249.

[8]孫舒捷，邰能靈，薄志謙.高壓直流工程中的直流斷路器設計及應用仿真[J].華東電力，2009，37（3）：415-417.

[9]鮑敏鋒.高壓直流斷路器的研制[J].高壓電器[J]，1990，1：26-33.

[10]王幽林.高壓直流開斷技術[J].電工電能新技術，1986，2：13-19.

[11]王永榮，孫廣生，馮榮瓊，等.高壓直流斷路器滅弧物理方式設計[J].中國電機工程學報，1993，13：90-94.

[12]吉嘉琴.高壓直流斷路器的研究現狀[J].高壓電器，1989，6：54-58.

[13]張萬榮，茍銳鋒，趙伯楠，等.直流斷路器轉移直流電流過程的仿真計算研究[J].高壓電器，2002，38（2）：1-4.

[14]馬釗.直流斷路器的研發現狀及展望[J].智能電網，2013，1（1）：12-16.

[15]趙畹君.高壓直流輸電工程技術[M].北京，中國電力出版社，2004.

[16]王幫田.高壓直流斷路器技術[J].高壓電器，2010，46（9）：61-68.

[17]王俊，鄭衛紅，蔡超.有源式高壓直流開關原理及應用[J].科技創業月刊，2012，8：174-176.