高壓直流斷路器目前的研究概況

1.前言

高壓直流斷路器的研制難點(diǎn)有三：一是直流電流不像交流電流那樣有過(guò)零點(diǎn)，所以滅弧比較困難;二是直流回路的電感較大，所以需由直流斷路器吸收的能量 比較大;三是過(guò)電壓高。

高壓直流斷路器可以分為機(jī)械式高壓直流斷路器(mechanical HVDC circuit breaker)、固態(tài)高壓直流斷路器(solid-state HVDC circuitbreaker)與混合式高壓直流斷路器(hybrid HVDC circuit breaker)。

機(jī)械式直流斷路器可以關(guān)斷非常大的電流，并具有成本低、損耗小等優(yōu)點(diǎn)，但其開(kāi)斷速度較慢。

固態(tài)直流斷路器開(kāi)斷速度迅速，但其相關(guān)損耗較高，且價(jià)格昂貴。

為克服兩者的缺點(diǎn)，通過(guò)將機(jī)械式直流斷路器和固態(tài)直流斷路器集成在一個(gè)裝置上，從而形成混合式斷路器。 混合式直流斷路器結(jié)合了機(jī)械開(kāi)關(guān)良好的靜態(tài)特性與電力電子器件良好的動(dòng)態(tài)性能，用快速機(jī)械開(kāi)關(guān)來(lái)導(dǎo)通正常運(yùn)行電流，用固態(tài)電力電子器件來(lái)分?jǐn)喽搪冯娏?，具有通態(tài)損耗小、開(kāi)斷時(shí)間短、無(wú)需專用冷卻設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)，是目前高壓直流斷路器研發(fā)的新方向，有著廣闊的應(yīng)用前景。

下面將著重介紹混合式高壓直流斷路器的研究概況。

2 混合式高壓直流斷路器的研究概況

2.1 ABB--混合式高壓直流斷路器

2012年，ABB 的混合式高壓直流斷路器技術(shù)被《麻省理工科技創(chuàng)業(yè)》評(píng)為 2012 年度最重要的十大科技里程碑之一。該混合式高壓直流斷路器的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示，主要包括機(jī)械式開(kāi)關(guān)支路a(快速機(jī)械隔離開(kāi)關(guān)b+負(fù)載轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)c)和半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)支路d(半導(dǎo)體斷路器e+避雷器組f)。

·當(dāng)直流線路正常運(yùn)行時(shí)，半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)支路處于斷開(kāi)狀態(tài)，快速機(jī)械隔離開(kāi)關(guān)和負(fù)載轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)導(dǎo)通并流過(guò)直流電流。

·當(dāng)檢測(cè)到直流線路發(fā)生短路時(shí)，首先導(dǎo)通半導(dǎo)體斷路器，關(guān)斷負(fù)載轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，線路上的電流轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)支路上，負(fù)載轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)承受半導(dǎo)體短路器的導(dǎo)通電壓。

·由于快速機(jī)械隔離開(kāi)關(guān)此時(shí)流過(guò)的電流為零，快速機(jī)械隔離開(kāi)關(guān)迅速打開(kāi)。

·當(dāng)快速機(jī)械隔離開(kāi)關(guān)打開(kāi)后，半導(dǎo)體斷路器開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，直流線路上的能量通過(guò)與半導(dǎo)體斷路器并聯(lián)的氧化鋅避雷器吸收，短路電流下降。

ABB 所設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體斷路器單元設(shè)計(jì)圖如下圖所示，采用IGBT作為半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，并進(jìn)行閥組串聯(lián)。

該混合式高壓直流斷路器通過(guò)開(kāi)斷短路電流8.5kA的短路試驗(yàn)，其開(kāi)斷時(shí)間為5毫秒。

2.2 ALSTOM--混合式高壓直流斷路器

2014年阿爾斯通完成其混合式高壓直流斷路器原型產(chǎn)品的測(cè)試工作。該混合式高壓直流斷路器的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示，主要包括旁路開(kāi)關(guān)(UFD + PES)、半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)支路1(晶閘管+避雷器)、半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)支路2(晶閘管+電容器)和避雷器組。

阿爾斯通所設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體斷路器單元設(shè)計(jì)圖如下圖所示。

在測(cè)試過(guò)程中，該混合式高壓直流斷路器所切斷的電流超過(guò)了5.2kA，開(kāi)斷時(shí)間為5.5毫秒。

2.3 國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院--混合式高壓直流斷路器

2015年，國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院研制的混合式高壓直流斷路器順利通過(guò)中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)技術(shù)成果鑒定。該混合式高壓直流斷路器的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示，主要包括主開(kāi)關(guān)支路(快速機(jī)械隔離開(kāi)關(guān)+H橋負(fù)載轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān))、電流轉(zhuǎn)移開(kāi)關(guān)支路(H橋半導(dǎo)體斷路器)和吸收回路(避雷器組)。

國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院所設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體斷路器單元設(shè)計(jì)圖如下圖所示，，采用IGBT作為半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)。

在測(cè)試過(guò)程中，該混合式高壓直流斷路器所切斷的電流超過(guò)了15kA，開(kāi)斷時(shí)間為3毫秒。

將上述三種混合式高壓直流短路器的性能參數(shù)比較如下。