高压直流断路器的发展现状_电子/电路_工程科技_专业资料。发输变 电 ? 高 压 直 流 断路 器 的发 展 现状 陈志彬 杜 文娟 霍 鹏 （ 西安 西电电气研 究院有限责任公 司， ７ １ ０ ０ ７ ５ ， 陕 西西安 ） 随着传 统化
发输变 电 ? 高 压 直 流 断路 器 的发 展 现状 陈志彬 杜 文娟 霍 鹏 （ 西安 西电电气研 究院有限责任公 司， ７ １ ０ ０ ７ ５ ， 陕 西西安 ） 随着传 统化 石能 源 的短缺 、人 们对 环境 保 护要 正式 实现 工业 应用 。由于汞 弧 阀制造 技术 复杂 、价 求的提高 ，风能 、电能、光伏等可再生清洁能源得 到 了广泛 研究 ¨ Ｊ ，将新 能源 连接 到 电 网最有 效 的 方法是利用高压直流来传输电能。高压直流输电技 术具 有远 距 离大 功率 输 电 、非 同步 电 网互联 、降低 格 昂贵、逆弧故障率高 、可靠性低 、运行维护不便 等 因素，截止到 １ ９ ７ ７年最后一个采 用汞 弧阀换流 的直流工程 （ 加拿大纳尔逊 Ｉ 期工程 ）的建成 ，世 界 上共 有 １ ２项 采 用 汞 弧 阀换 流 的 直 流 工 程 投 入 运行。 能耗 、节约输 电走廊、实现快速控制等优势 ，并且 可 以为新 能 源 并 网与 消 纳 问题 提 供 有 效 的解 决 方 １ ． ３ 晶 闸管换 流 时期 案 ，已成 为 当前研 究 热点Ｊ 。 高压 直 流断路 器 能够 隔离 系统 故障 ，使直 流 电 网在 一条 线路 发 生故 障时无 需 闭锁所 有换 流 站 ，不 影 响其他 线路 的正 常运 行 ，是构 建直 流 电 网的关 键 ２ ０世 纪 ７ ０年代 以后 ，随 着 电力 电子 技术 和微 电子技 术 的迅速 发展 ，特别是 晶闸管 和微 机控 制技 术 在直 流输 电工 程 中 的应用 ，有 效地 改善 了直 流输 电的运 行性 能 和可靠 性 ，促进 了直流输 电技 术 的发 展。１ ９ ７ ２年 ，加 拿 大 魁 北 克 和新 布 伦 兹 维 克 非 同 步 连接 的伊 尔河 背靠 背直 流输 电工 程首 次全 部采 用 晶闸管换 流 阀 。２ ０世 纪 ７ ０年 代 以后 ，汞 弧 阀被 淘 汰 ，开 始 了晶 闸管换 流 时期 。 设备 。然 而 ， 目前 高压 直 流断路 器是 制 约直 流 电网 发展的瓶颈 ，使高压直 流电 网的发展 面临着 巨大 挑 战 。 下 面介绍 典 型的直 流 断路器 原理 及各 自的研究 发 展 现状 ，对 直流 断路 器需 要进 一步 加强 的研 究方 向提 出一些 建议 。 １ 直流 输 电技术 的发 展 基 于 电网换 相整 流器 的高 压 直流 输 电 （ Ｌ Ｃ Ｃ— Ｈ Ｖ Ｄ Ｃ）技术 在 远距 离大 容量 输 电和 电 网互 联 等 方 面 发挥 了重 大作 用 ，从 １ ９ ５ ４年 到 ２ ０ １ ６年 底 ，世 界 上 已投运 的直 流输 电工 程 已超 过 １ ８ ０项 。近 年来 ， 我 国在 高压 直流输 电方 面发展 迅猛 ，在 世界 范 围 内 率先 开展 了 ±８ ０ ０ ｋ Ｖ特高 压 直 流 输 电工 程 的建设 ， 首个 ±８ ０ ０ ｋ Ｖ直 流 输 电工程 （ 云 南 ～广 东 ） 已于 ２ ０ １ ０年 投运 。到 ２ ０ ２ ０年底 ，中 国将 建 成 ±８ ０ ０ ｋ Ｖ 特高 压直 流输 电工 程 １ ５项 ，包 括 特 高 压 直 流 换 流 站３ ０座 ，线万 ｋ ｍ，输送 容 量 达 ９ ４ ４ ０万 ｋ Ｗ ，还将 建 成输送 容 量 最大 （ １ ０ ０ ０ ０ ＭＷ） 、电压 等级 最高 （±１ １ ０ ０ ｋ Ｖ） 和 输送 距 离 最 长 （ ２ ６ ８ ７ ｋ ｍ） 的准东 一成 都直 流输 电工 程 。 １ ． ４ 新 型半 导体 换流 设备 的应 用 时期 人们对 电力 的认识和应用及电力科学的发展都 是 首先 从直 流 电开 始 的 。到 现在 ，直 流输 电技 术 已 经发展 了一百余年 ，根据其发展历程 ，可以划分为 以下 四个 阶段 。 １ ． １ 直流 输 电技术 的创 始 阶段 电力技 术 的发展 是从 直流 电开始 的 ，早 期 的直 流 输 电不 经 过 换 流 ，直 接 从 直 流 电源 送 往 直 流 负 荷 ，即 发 电 、输 电 、用 电 均 为 直 流 电 。 最 早 在 １ ８ ８ ２年 ，德 国建成 了额 定 电压 ２ ｋ Ｖ、额 定 输 送 功 率 １ ． ５ ｋ Ｗ 、输送 距 离 ５ ７ ｋ ｍ 的慕 尼 黑 国际展 览 会 的直流 送 电工程 ，完 成 了有史 以来 的第 一 次直 流输 电试验 。 １ ． ２ 汞弧 阀换 流 时期 ２ ０世纪 ９ ０年 代 以后 ， 以全 控 型 器 件 （ Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ 、 Ｉ Ｇ Ｃ Ｔ和 Ｉ Ｅ Ｇ Ｔ等 ） 为基 础 的 基 于 电 压 源 换 流 器 的 高压 直流 输 电 （ Ｖ Ｓ Ｃ—Ｈ Ｖ Ｄ Ｃ ） 技 术 由于 具 有 电 流 自关 断能 力 、可 向无 源 网络 供 电等优 势 而受 到人 们 的重 视并 得 到 快 速 发 展 。Ａ Ｂ Ｂ公 司 将 这 一 技 术 称 为 “ Ｈ Ｖ Ｄ Ｃ Ｌ ｉ ｇ ｈ ｔ ” ，Ｓ Ｉ Ｅ Ｍ Ｅ Ｎ Ｓ公 司 称 之 为 “ Ｈ Ｖ Ｄ Ｃ １ ９ ０ １年发 明 的汞 弧 整 流管 只 能 用 于 整 流 ，不 能 进行 逆 变 。直 到 １ ９ ２ ８年 ，具 有 栅 极 控 制 能 力 的 汞弧 阀研制 成 功 ，才解 决 了逆 变 问题 ，它 逐渐 应用 到 直 流输 电领 域 。１ ９ ５ ４年 ，由 Ａ Ｓ Ｅ Ａ 公 司 承 建 的 瑞典 哥特兰 岛 （ Ｇ ｏ ｔ ｌ ａ ｎ ｄ ） 直 流 工 程 （±１ ０ ０ ｋ Ｖ， Ｐ Ｌ Ｕ Ｓ ” ，中 国将 该 技 术 统 一 命 名 为 柔 性 直 流输 电 。 与传 统 高压 直流输 电相 比 ，它 具有 以下 优点 ：可 以 独 立地控 制 有功 功率 和无 功功 率 ，控制 方式 更加 灵 ２ ０ ＭＷ） 投入 商业 运行 ，标 志着 现代 直 流输 电技 术 需世 （ ２ ０ １ ７— １ ２ ） 匡卫 发翰变 电 ? 活 ；潮 流 反转 时 ，可 以实 现直流 电流 方 向反 转而 直 流输 电 系统 的发展 ，尤其是 多端 柔性 直流输 电 系统 流 电压极 性不 变 ；低 次谐 波很 少 ，滤波装 置容 量大 大减 小等 。 柔性 直流输 电技术是 大 电网柔 性互联 及大 规模 新 能源接 人 的 主要 方 法 之一 。截 至 ２ ０ １ ６年 底 ，世 界上 已投 运 的柔性 直 流输 电工 程 ２ ９项 ，中 国建 成 的发展 ，对快 速直 流断路 器 的需 求非 常迫 切 。 近年 来 ，利用直 流输 电 的快 速控 制特性 ，在 工 程上已可以解决多端直流输 电的故障处理等问题 ， 但其 控 制保护 技术 复杂 ，仍需要 在实 际工 程运行 中 进行 检 验 和 改 进 。２ ０ １ ６年底 ，电 网 公 司将 最 新 研 制的 ２ ０ ０ ｋ Ｖ混 合 式 直流 断 路器 应 用于 舟 山多 端 直 流输 电工 程 中并实 现 了带 电投运 ，可 以实现 换流 站 和线 路 的快速 带 电投 退 ，并在故 障清 除后快 速启 动 系统 。 投运 的有 ６项 ，其 中 ，南 澳 ±１ ６ ０ ｋ Ｖ多 端 柔 性 直 流输 电工 程为 世界 上 首个 多端 柔 性 直 流输 电工 程 。 ２ ０ １ ７年 ２月启 动建 设 的 张北 ±５ ０ ０ ｋ Ｖ 四端 柔 性 直 流输 电工 程为 世界 首个柔 性直 流环 网工程 ，汇集 了 大规 模风 电 、光 伏 、储能 、抽 蓄等 多种形 态能 源的 输 送 方 式 ，线 ｋ ｍ，输 送 容 量 达 Ｎ３ ０ ０ ０ ＭＷ ３ 高 压直流 断路 器的 开断原理 直 流 断 路 器 发 展 的难 点 主 要 体 现 在 两 方 面 ： 一 ２ 直 流断 路器 的应用 需求 、 直 流系统 电流 没有 自然零点 ，直 流 电弧不易 熄 直流断路器作为直流输电系统的保护设备 ，对 于直 流输 电系 统 的 稳定 性 、安 全 性 有着 重 要 意 义 。 由于直流 电流 没有 过零点 ，灭 弧 问题 难 以解 决 ，虽 然 国 内外 对直 流断 路 器 进行 了大 量 的研 究 和试 制 ， 灭 ；二 、直流系统短路电流上升率非常快 ，需要直 流断路 器在数 毫 秒 内抑 制 短 路 电流 上 升 。近 年来 ， 高 压直 流断路 器受 到 国内外广泛 关注 ，进行 了诸 多 理论 研 究 ，并 研 制 出了相 应 的 样机 与 产 品 。 目前 ， 已在运行 和正 在研发 的高压直 流断路 器从 技术角 度 可 以分 为全 固态式直 流断 路器 、混合式 直 流断路 器 和机械式 直流 断路 器 。 ３ ． １ 全 固态式 直流 断路器 但仍 没有 满意 的产 品投入 工程使 用 ，阻碍 了直 流 电 网的发展 。 在Ｌ Ｃ Ｃ—Ｈ Ｖ Ｄ Ｃ方面 ，已投 运 的直 流输 电工 程 绝 大多数 都是 只有 一个整 流站 和一个 逆变 站 的两端 直 流输 电系统 ，而 未形成 多端 直流 网络 。 当直 流侧 发 生故 障时 ，保护 方式通 常 为通过 对换 流阀 晶闸管 触发 角 的控制 或开 断交 流侧 断路器来 切 除故 障。 在Ｖ Ｓ Ｃ—Ｈ Ｖ Ｄ Ｃ方 面 ，由于 Ｖ Ｓ Ｃ—Ｈ Ｖ Ｄ Ｃ系统 ２ ０世 纪 ７ ０年 代末 ， 出现 了 以 晶 闸 管 （ Ｓ Ｃ Ｒ） 为开关 元件 的直 流断路 器 。由于其 没有机 械运 动部 分 ，采 用 电力 电子 器件 实 现 对 电流 的通 、断 控 制 ， 故 被称 为全 固态式 直流 断路器 。从 ２ ０世纪 ８ ０年 代 到２ １世 纪 初 ，随着 门极 可 关 断 晶 闸 管 （ Ｇ Ｔ Ｏ） 、 中换 流 站 的 平 波 电抗 器 比 Ｌ Ｃ Ｃ—Ｈ Ｖ Ｄ Ｃ 中 的小 得 多 ，所 以 当直 流侧 发生短 路 时 ，其短 路 电流 的上升 速度 比 Ｌ Ｃ Ｃ —Ｈ Ｖ Ｄ Ｃ 系 统 的 快 得 多 ， 可 达 Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ、Ｉ Ｇ Ｃ Ｔ及发 射 极关 断 晶 闸管 （ Ｅ Ｔ Ｏ） 等 全 控 器件 的出现 ，全 固态 直流 断路器 得到 了迅速 发展 。 根 据所采 用 的电力 电子器件 的类 型不 同 ，直 流 １ ０ ｋ Ａ ／ ｍ ｓ ， 系统 直流 电压 可 在 几毫 秒 内跌 落 至额 定 电压的 ８ ０ ％ ，导 致 Ｖ Ｓ Ｃ不 能 正 常 运行 。 目前 ，柔 断路 器 可分为 以下 两类 。 性 直流输 电系统在 发生 直流侧 短路 故 障时 ，通 常有 （ １ ）半控型固态直流断路器 ，主要开关元件为 半控型器件 （ 以Ｓ Ｃ Ｒ为代表 ） ，主要由三条支路构 成 ，其基 本 结 构 如 图 １ （ ａ ） 所 示 。工 作 原 理 为 ： 正 常运行 时 ，电流 流过 电力 电子 固态 开关 支路 。当 故 障发 生时 ，电力 电子 固态开关 支路 上短路 电流 迅 速上 升 ，振荡 换流支 路产 生振荡 电流 与之叠 加 ，产 两种 保护 方式 ：其 一 ，利 用全 控型 器件 的可关 断特 性 ，闭锁 换流 阀 ；其二 ，断开 交流侧 断路 器使 换流 器退 出运 行 ，保 护 动 作 时 间约 为 ４ ０～ ６ ０ ｍ ｓ 。但 这 两种保 护 方式无 法 实现直 流侧故 障 的快速 隔离 ，单 个换 流站 的投入 和退 出均 需要将 运行 中的换 流 站全 生半 控 型器件 直流关 断所 需 的电流零点 ，半 控型 器 件关 断 电流后 ，其两端 电压 升高 至能量 吸 收支路 动 部停 运 ，待故 障解 除后才 可重新 启动 恢复运 行 ，严 重影 响系统 稳定 性和供 电可靠性 。如果 在柔 性直 流 输 电系统 中引入 快速 直流 断路器 ，系统直 流侧发 生 短 路故 障 时 ，可 迅 速将 故 障 点 与其 他 换 流 站 隔离 ， 而 不会 影 响其他 换流站 的 正常运行 。因此 ，柔性直 作阈值 ，能量吸收支路动作并吸收系统能量 ，最终 完成 直流 电流 开断 。 由于通 态损耗 大 、电路结 构 复 杂 、体积较 大 ， 同时 Ｓ Ｃ Ｒ工 作 频 率 相 对 较 低 ，基 于其构成的固态直流断路器开断速度也受到了一定 需 世 （ ２ ０ １ ７—１ ２ ） Ｅ 发 输 变 电 的 限制 。 正 常运行 时 ，电流流 过机 械开 关支 路 ；当故 障发 生 时 ，利用 机 械开关 分 断 时产生 的 电弧 电压 ，为 已施 加触 发脉 冲 的 固态 开 关 建 立 正 向电 压 ，使 其 导 通 ； 固态 开关 导 通后 ，由于机 械开 关断 口间 的电弧 电阻 大 于 固态 开关 导通 电阻 ，使 得 电流 能够 自然地 从 机 械开 关换 流 至 固态 开关 ；机 械 开关分 闸到额定 开 距 后立 即关 断 固态 开关 ，从 而切 断 电流通 路 ；随着 开 关 两 端恢 复 电压急 速上 升 ，直 到超过 能量 吸 收支 路 （ ２ ）全 控 型 固态直 流断路 器 ，主 要开关 元 件 为 全 控 型器件 ，由于 全控 型器 件通 、断 均可 控 ，此类 直 流 断路 器无需 额 外 的振 荡 换流 支路 来产 生 电流零 点 。它 主要 由两 条支 路构 成 ，基本 结构 如 图 １ （ ｂ ） 所 示 。工作 原理 为 ：正 常运行 时 ，电流流过 电力 电 子 固态 开关 支路 。当故 障发 生时 ，电力 电子器 件迅 速关 断 ，随后其 两端 电压 升高 至能 量 吸收支 路 动作 阈值 ，能量 吸收 支路 动作 并 吸收 系统 能量 ，最 终完 阈值 ，能 量 吸收支 路 动作并 吸 收系统 能量 ，最 终 完 成直 流 电流开 断 。但其 换 流受 电弧 电压 的 限制 ，只 有 当电弧 电压 大于 固态 开关 导通 电压 时 ，才可 以实 现换 流 ，从而 导致 故 障 电流 切 除时 间较 长 ，不 能 实 时 、灵活 、快 速动 作 。 （ ２ ）强制换 流 关断 型与 自然 换流 关 断型混 合式 直 流 断路 器 的主要 区别 在于 通过 固态 开关 而不 是 电 弧 电压 来 实现换 流 ，其 基本 结构 如 图 ２ （ ｂ ）所 示 。 成 直流 电流 开断 。 １ ９ ８ ７年 ，美 国 Ｔ ｅ ｘ ａ ｓ 大 学研 制 出 一 台采用 Ｇ Ｔ Ｏ作 为 主开关 的 ２ ０ ０ Ｖ ／ １ ５ Ａ 固态 直 流 断路 器 。１ ９ ９ ９年 ，美 国 Ｈ ｏ ｕ ｓ ｔ ｏ ｎ大 学 研 制 出一 台 ５ ０ ０ Ｖ 固态 直 流 断路 器 样 机 。２ ０ ０ ５年 ，美 国 Ｃ Ｐ Ｅ Ｓ 研制 出了 ２ ． ５ ｋ Ｖ ／ １ ． ５ ｋ Ａ和 ４ ． ５ ｋ Ｖ ／ ４ ｋ Ａ基 于 Ｅ Ｔ Ｏ 的固态 直 流 断 路 器 样 机 。其 中 ，Ｇ Ｔ Ｏ型断路 器 由 于具 有通 态 压降较 大 、通态 损 耗和 热量 大 、门极 关 断增 益 小 等 缺 点 ， 限制 了 它 在 直 流 领 域 的 应 用 。 Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ型 断路器 动 作 速 度 更 快 ，但 是 同样 存 在 通 态 压 降 和 损 耗 大 的 缺 点 ，适 用 于 中 等 功 率 的 场 合 。 Ｉ Ｇ Ｃ Ｔ和 Ｅ Ｔ Ｏ型断路 器 具 有 大容 量 、通 态 损 耗 低 和 强大 的硬 关 断能力 等优 点 ，但是 价格 昂贵 ，离 商业 化 和工程 化还 有一 定 的距离 。 工 作原 理 为 ：正 常 运行 时 ，电流 流过 机械 开关 和负 载换流 固态 开 关 构 成 的主 通 流 支 路 ；当 故 障 发 生 时 ，固态 开关 支路 导通 ，同时分 断负 载换 流 固态 开 关 ，并使机械开关无弧开断 ，使电流强制换流至固 态 开关 支 路 ；当机 械 开 关 分 闸 到 额 定 开 距 时 ，关 断 固态 开关 支路 ；随着 开 关 两 端 恢 复 电压 急 速 上 升 ，直到超过能量吸收支 路 阈值 ，能量 吸收支路 动 作 并 吸 收 系 统 能 量 ，最 终 完 成 直 流 电 流 开 断 。 强 制 换 流关 断型 混 合 式 直 流 断 路 器 具 有 通 态 损 耗 小 、开 断快 速 可 控 、机 械 开 关 无 弧 开 断 等 优 点 ， 备 受 研 究 人 员 的 关 注 。 但 为 实 现 电 流 双 向 流 动 （ ａ ） 半控型 固态直流断路器 （ ｂ ） 全控 型固态 直流断路器 时 ，往 往 需 要 两 组 反 向 连 接 的 负 载 换 流 固 态 开 图１ 全 固 态 式 直流 断 路器 的 基本 结构 关 ，这 样需 要 投 入 大 量 的 全 控 型 电力 电 子 器 件 ， 费 用 相对 较 高 。 ２ ０ １ １年 ，意 大 利 Ｌ ｕ ｃ ａ Ｎ ｏ ｖ ｅ ｌ ｌ ｏ ，Ｆ ａ ｂ ｉ ｏ Ｂ ａ ｌ ｄ ｏ等 人将 Ｉ Ｇ Ｃ Ｔ与 直 流 机 械 开关 相 结 合 ，利 用 Ｉ Ｇ Ｃ Ｔ的 串并联 技 术 研 制 出 了 １ ． ５ ｋ Ｖ ／ ４ ０ ｋ Ａ混合 式 直 流 断 路 器 的原 型样机 ，获得 了 良好 的试 验 结果 。 ３ ． ２ 混合 式直 流 断路器 ２ ０世纪 ９ Ｏ年 代 ，Ｔ ．Ｇ ｅ ｎ ｊ ｉ 等 人 提 出了 一 种基 于真 空断 路 器 和 固态 开 关 构 成 的混 合 式 直 流 断 路 器 ，它综 合 了 机 械 开 关 良好 的 静 态 特 性 （ 载流 、 绝缘 特性 ） 和 电力 电子 器 件 良好 的动 态 特 性 （ 快 速关 断特 性 ） 。混合 式直 流 断路 器根 据 关 断 原 理 的 不 同 ，可 分 为 自然 换 流 关 断 型 和 强 制 换 流 关 断 型 两种 。 ２ ０ １ ２年 １ １月 ，Ａ Ｂ Ｂ公 司开 发 出 了第 一 台 混合 式 高压 直流 断路 器 。其拓 扑结 构如 图 ３所示 。它采 ： 三： 二 兰 ＝ 竺厂 （ １ ） 自然 换流 关 断型混 合式直流断路器的固态开关 部分 一般 由 Ｇ Ｔ Ｏ、 Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ 、 Ｉ Ｇ Ｃ Ｔ等 全 控 型 电力 电子 器 机 械 开 关Ｈ负 载 换 流 固 态 开 关 卜 ＿ ＝＝ ａ ） 自然换流关断型混合式直流 断路器 （ ｂ ） 强制换流关 断型混合式直流 断路器 件构成 ，其基本机构如 图 ２ （ 图 ２ 混合式直流断路器 的基本结构 （ ａ ）所 示。工 作 原 理 为： 雩世冢 （ ２ ０ １ ７— １ ２ ） ， 匡卫 发 输 变 电 用Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ与快 速机 械 开关 结合 的强 制 换 流关 断 型混 合式 直 流断路 器原理 ，主通流 支路 由高速 机械 开关 和少 量 Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ串联 构成 ， 固态 开关 支路 由若 干 模 块 闸产生 电弧 ，利用 电弧 的不稳定 性及 负阻特 性 ，在 主通流支 路 与 由电容和 电感构成 的换 流支路 之 间产 生 幅值不 断增 大 的 自激振 荡 的电流 ；振荡 电流 幅值 超 过 系统 电 流 时 ，将 在 主通 流 支 路 形 成 振 荡 过 零 点 ，机 械开关 断 口电弧熄 灭 ；最 后 由能量 吸收 支路 吸收系统 能量 ，完 成直 流 电流 开断 。２ ０世 纪 ８ ０年 串联构 成 ，每 个 模 块 额 定 电 压 为 ８ ０ ｋ Ｖ。Ａ Ｂ Ｂ 的 ８ ０ ｋ Ｖ 混合 式直 流 断 路 器模 块 的试 验结 果 为 ：额 定 电流 ２ ０ ０ ０ Ａ，开断 电流 ９ ｋ Ａ，开 断时 间 ５ ｍ ｓ 。 同 时 也针 对 ３ ２ ０ ｋ Ｖ混 合式 高 压 直流 断 路器 进 行 了设 代 ，欧 洲 Ｂ Ｂ Ｃ公 司成 功 研 制 了 ５ ０ ０ ｋ Ｖ ／ ２ ｋ Ａ的 自 激振荡 型直 流断路 器样机 。 目前 ，国 内平 高集 团有 计 ，需要 ４ 个模块的串联 。 ２ ０ １ ３年 ，阿 尔斯通 公 司研 发 出 可在 ２ ． ５ ｍ ｓ内 关 断超 过 ３ ｋ Ａ 电流 的混合 型 直 流 断路 器 。２ ０ １ ４年 １月 ，阿 尔斯通 电 网宣布 已完 成混 合 式直 流 断 路器 限公 司 、中国西 电集 团公 司 和中 国电科 院等单位 均 研制成 功 了此类产 品。 由于 自激振 荡法 的开断 时 间 与 回路 参数 密切相 关 ，一 般几 十毫 秒后才 能形成 电 流零点 ，同时开 断 电流能力 较弱 ，所 以无 法满 足高 压直 流系统 短路 开断要 求 。它通常 在直 流系统 中作 原 型样 机 的 测 试 工 作 。其 额 定 电压 １ ２ ０ ｋ Ｖ，额定 电流 ２ ０ ０ ０ Ａ，所 切断 的短路 开 断 电流 超过５ ． ２ ｋ Ａ， 开 断 电压峰值 超过 １ ６ ０ ｋ Ｖ，开断 时 间小 于 ５ ． ５ Ｉ ｌ ｌ Ｓ 。 ２ ０ １ ５年 １月 ， 国 网智 能 电 网研 究 院成 功 研 制 为转换 直 流系统运 行方 式 的对 开断 时 间要 求不 高和 开断 电流不 大 的直流转 换开 关使用 。 （ ２ ）人 工过零 型直 流断路 器换 流支路 的 电容预 先充有 反 向 电压 ，并且 由触 发开关 保持 与主通 流支 路 隔离 ，如 图 ４ （ ｂ ） 所 示 。工 作原 理 为 ：正 常运 行 时 ，电流流过 由机械 开关 构成 的主通 流支路 ；当 了２ ０ ０ ｋ Ｖ混 合 式直 流 断 路 器 。主 要参 数 为 ：额定 电压 ２ ０ ０ ｋ Ｖ，额 定 电流 ２ ０ ０ ０ Ａ，开断 电流 １ ５ ｋ Ａ， 开 断 时间 ３ ｍｓ 。 ２ ０ １ ６年 １ ２ 月 ，南 瑞 继 保 研 制 的 世 界 首 台 ５ ０ ０ ｋ Ｖ 混 合式 高 压 直 流 断 路 器 通 过 Ｋ Ｅ ＭＡ 的 见证 试 验 ，其 额定 电压 ５ ０ ０ ｋ Ｖ，分 断电流 ２ ５ ｋ Ａ，开 断 时 间小 于 ３ Ｉ ｌ ｌ Ｓ 。 ３ ． ３ 机 械式 直流 断路 器 故 障发生 时 ，主通 流 支路 机 械 开关 分 闸 产 生 电弧 ； 当机 械开关 分 闸到足够 开距 时 ，导 通触 发开关 ，换 流支路 的电容和 电感产 生反 向电流 叠加 至主通 流支 路 ，形成 电流零 点 ，机械开 关 电弧熄灭 ；最后 由能 量 吸收支路 吸收 系统 能量 ，完成直 流 电流开 断 。早 在１ ９ ７ ２年 ，Ｇ Ｅ公 司基 于人工 过零 原理 ，利用 线年代 ，美 国 Ｇ Ｅ公 司就 提 出 了 采 用振荡 换 流熄弧 的机 械式直 流 断路器 。机 械式直 流 断路 器 以交流 断路 器灭弧 技术 为基础 ，不 采用 电 断路 器 串并联结 构 ，研 制 了 ８ ０ ｋ Ｖ ／ ３ ０ ｋ Ａ的直 流断 路器样 机 ；１ ９ ８ ４年 ，日本东 芝公 司开发 了 ２ ５ ０ ｋ Ｖ ／ １ ． ２ ｋ Ａ商 用 直 流 断路 器 ；１ ９ ８ ５年 ， 日本 日立公 司 研制 了 ２ ５ ０ ｋ Ｖ ／ ８ ｋ Ａ直 流断路 器样 机 。人 工过 零 型 直流 断路器 的换 流 支路 可 以产 生较 大 的振 荡 电流 ， 主通 流支路 的 电流零点 可控 ，所 以开 断容量较 大且 力电子器件。按结构可以分为 自 激振荡型直流断路 器 和人 工过零 型 直流 断路器 。 （ １ ）自激振 荡型 直流 断路 器 ，基本 结 构 如 图 ４ （ ａ ） 所 示 。工作 原 理 为 ：正 常 运 行 时 ，电流 流 过 由机械 开关 （ ｓ Ｆ 断路 器 ） 构 成 的低 通 态 电阻 的 主 通 流支路 ；当故 障发生 时 ，主通 流支路 机械 开关 分 混合 式直流 断路器 厂 成功率 高 。 由于受 常用 机械 开关分 闸 时问 的限制 ， 、 、 主 断 路 器 厂 ＿ ＿ ｌ ｝ ＼ 、 ＿ １ Ｎ ｔ ￣ ＮＮＮｌ ＇ ＿ １ 负荷换流ｊ … ］ ｆ １ ／ ｌ ｆ ｌ ｌ 图３ ＡＢ Ｂ混合式高压 直流 断路器拓扑结构 旺匦 需 世 （ ２ ０ １ ７—１ ２ ） 电流 开断 时问 也住 ｉ Ｌ ｌ 毫秒 为 了 解 决 机 械 式 直 流 断路 器 开 断 时 『 日 Ｊ 慢 的『 口 Ｊ 器样 机 尢 ．许 家 岛 【 乜器质 ｉ ｌ ｌ ｉ （ 峪惜伶 验 ｆ ｌ ｜ 通 过 了 试验 验证 ，最人 断 电 流 ｌ ６ ｋ Ａ，川 １ ， Ｊ ‘ 小于 ５ ｌ ｉ ｂ； ＿ ｊ 二 ２ ０ １ ５ 研 制 成功 Ｊ １ １ ０ ｋ Ｖ人 Ｉ 过 冬 直流 断路 器 样 ｆ Ｊ ｌ 并通 成 ＿ ｒ试验 验 ，战 火 断 ｝ Ｉ ｚ 流 １ ２ ｋ Ａ，＂断时 １ Ｊ ／ Ｊ 、 于５ Ｉ ｌ ｌ ｓ 题 ，以满 足直 流 系统 短路 电 流开 断 求 ，近 年 来 ， 使 用高 速机 械 开关 的人 工过零 型 直 流断路 器 得到 ｒ 广 泛 研 究 Ａ Ｂ Ｂ公 司 ２ ０ Ｉ ４年公 １ Ｉ ， ８ ０ ｋ Ｖ 人： 【 过 零 犁 直 ５ ５ ｋ Ｖ币 １ ｌ ｌ ｌ ０ ｋ Ｖ 流 路 器 样 饥 Ｊ ｝ ： 断 试ｇ 【 ｉ Ｊ ’ 的． ｝ ！ ｆ ｛ 片 及 型 试验 波肜 分刖 殳 ｌ ５ １ 、｝ 冬 Ｊ ６所， ， Ｊ 流 断路 器样 机 的试验 结 果 ，最 大 断短 路 流 １ ０ ． ５ ｋ Ａ，开断 时 间小 于 ５ Ｉ １ １ Ｓ ． 他 们还 在持 续研 究 离参数 、． 适应 ＿ ｒ ｆ ｆ ￣ ８ ｆ Ｊ ２ ， Ｊ Ｌ ｇ 用 的 基 于 尚 述 机 械 天 的 人 １ 过岑 ， 路器 根据 Ｊ ＷＣ Ａ ３ ／ Ｉ ｊ ４ ． ３ ４ 的研 究 ， ¨ Ｊ ‘ 以 ｔ ｌ １ ｌ ｌ ｆ Ｉ Ｒ ２ ０ １ ４年 ，南 网利． 研 院 、西 安 高 压 电 器研 究 院 、 西安 电 电气 研 究 院及西 安 交通 大学联 合 研制成 功 了５ ５ ｋ Ｖ使用 高速 机械 开父 的人 ｌ ： 过零 直 流 断路 能量Ｉ 吸 — — — — — 流 断 ｒ — —— 南 换 流 支 — — — Ｌ ， ｉ 【 Ｌ —— — —— ＇ —— — Ｊ 一 ｌ Ｌ 一 — 上 ＿ ｛ 卜 ＋ ＿ 二 ：寸 ——［二） 一 — ＿ — ‘ 土 通 流 吏路 ｆ Ｉ Ｉ Ｂ ｉ １ ｛ 通 流 史 路 ～ — Ｂ 。 —— ， ／ — 一 ， Ｂ ｄ （ １ ） ｌ ｛ 激 振 荡 氚断路 搽 （ ｂ ） 人Ｊ ． 过零Ｊ 流 ｌ 器 图４ 机 械 式 直 流 断 路 器 基 本 结 构 ｔ ／ （ ２ ． ０ Ｉ ｌ ｌ ｓ－ｄ 图５ ５ ５ ｋ Ｖ 机 械 式 直 流 断 路 器 样 机 试 验 照 片 及 试 验 波 形 … ｌ Ｉ ｌ 一 一 一 一 一 一 一 一 图６ １ １ ０ ｋ Ｖ机 械 式 直 流 断路 器 样 机 试 验 照 片 及试 验 波 形 雩世 雾 （ ２ ０ １ ７—１ ２ ） ６２７ 发 输 变 电 如 何 对 ＶＳ Ｉ断路 器 分 合 闸控制 回路 进 行 监视 顾建华’ 陆ｔ ￣１ ５ １ ［ １ ． 国网上 海天灵 开关厂有 限公 司 ２ ０ １ ８ ０ ８ ，上海 ； ２ ．上 海 中发 电气 （ 集团）股份有 限公 司，２ ０ １ ３ １ ８ ，上海 ］ 断 路器在 运行 时 ，其分合 闸回路是 否完好 ，是 保 证设 备能 否正 常运行 的首要 条件 ，通 常采用 串接 简单 ，只需将合 闸指示灯接在分 闸信号输 入端即 可 。信 号灯 工 作 电流 仅 １ ０ ｍ Ａ左 右 ，不会 引起 跳 闸线 圈的误 动作 ，运行 时只要 合 闸指 示灯 亮 ，即可 证 明分 闸 回路完好 。 在分合 闸回路 中的信号 灯对 回路进 行监视 。对 于分 闸 回路 来说 ，它 是事故 跳 闸的最后 执行 环节 ，如果 运行时，分闸回路有故障 ，当继电保护动作命令分 闸过程 中 ，产生 拒分故 障 ，将造 成事故 扩大 的严重 后 果 。对 于合 闸 回路来 说 ，问题 性质虽 没分 闸 回路 对 于备 用状态 下断路 器 的合 闸回路是 否在 完好 状 态 ，同样 需要进 行监 视 。为 了使合 闸 回路保 持在 良好 的热备 用工作 状态 ，首先 要始终 保持 合 闸弹簧 储 能 到位 ，使 ｓ １接 点 接 通 ，并 满 足 闭 锁条 件 后 使 ｓ ２接点 接通 。监 视 的具 体 实 施 ，不 能 像 监 视 分 闸 回路那 样将 分 闸指示灯 经 电源直接 接在合 闸信 号输 入端 ，这会 造成 合 闸 回路 不 正 常工 作 状态 的产 生 。 那 样严 重 ，但 如果 某分 闸状 态 的断路器 ，要求 作热 备 用设 备 时 ，若 其 合 闸 回路 有 故 障 ，一 旦 需 要 合 闸 ，就 会产 生拒 合故 障 ，影 响到 备用设 备工 作 的可 靠 性 。 因此 ，对 于热备 用状 态下 的断路 器 ，运行 时 必 须对 合 闸 回路进 行监 视 ，使 其 始终保 持合 闸 回路 在完好 状 态 ，以保证 断路器 备用 投入 时工作 可靠 。 １ 存 在 的 问题 以往 ，曾采 用分 闸指示灯 Ｈ Ｇ串接断 路 器 的常 闭辅 助接 点 Ｑ Ｆ，再接 人 其 合 闸 回路 的 方 式 （ 见图 １ ） 。 在正 常情 况 下 ，该 方 式 是 能 对合 闸 回路 进 行 监 视 的 ；但 当发 生下列 情况 时 ，还 是会造 成不 正常 工作 状 态 的产生 。例 如 ，当备 用 断路器接 到合 闸脉 冲信 Ｖ Ｓ １ 断 路器 是吸 取 Ａ Ｂ Ｂ公 司 Ｖ Ｄ ４真空 断 路器 先 进技 术后 ，在 国 内开发 生 产 的 高压 真 空 断路 器 。 该 产 品设计 合理 ，运行 可靠 ， 目前在 国 内供 配 电系 统 中 已 得 到 广 泛 应 用 ，并 由 多 家 生 产 单 位 生 产 号后 ，正好遇 到该线路 上有 故障 ，于是 “ 继保 ” 动作 ，断路 器立 即分 闸 。此 时 ，由于合 闸信号 电源 尚未解 除 ，防跳继 电器 Ｋ Ｏ仍在 通 电 吸合状 态 ，当 合 闸信号 电源解 除后 ，Ｋ Ｏ线 圈通 过分 闸指示 灯 得 到 了 自保 持 电压 ，在 Ｋ Ｏ线 Ｖ左 右 的 （ 产 品型号有 所不 同） 。Ｖ Ｓ １控制 回路 和 Ｖ Ｄ ４相仿 ， 在 合 闸 回路 中 ，同样 串联 了 ４对不 同功 能 的接 点 ， 仅 排列 位置 有所 不 同。 电压降，大于其返 回电压 ，足以使 Ｋ Ｏ长期保持在 吸合状 态 ， 从 而造 成下 次合 闸时 的拒合 现象 。 这 流断路 器需 求越来 越迫 切 。 Ｖ Ｓ １断路器 合 闸运 行 时 ，对 分 闸回路 监视 较 为 各 类直 流断路 器 性能及 成本 的 比较 ，它 们均 有各 自 适 用 的场 合 。各 种 直 流 断 路 器 的适 用 场 合 如 图 ７ 所示。 表１ 各 类 直流 断 路器 性 能 及 成 本 比 较 白激 振 荡 型 人 工 过 零 型 直 仝 固态 式 直 混 合 式 直 育流断路器 流断路 器（ 快 流断路器 流断路器 速机械开关） 慢 低 可 忽 略 快 局 可 忽 略 非 常 快 中 一 向 快 中 低 项目 开 断 时 间 开 断 容 量 通 态 损耗 造价成本 中 中 非常高 非常高 图 ７ 各 种 直 流 断 路 器适 用 场 合 ４ 几点 建议 近 年 来 ，针 对 快 速 （ 通 常 为５ ｍｓ 以 内 ） 开 断 随着高 压 直流输 电技 术 的不 断发 展 ，对快速 直 直 流系统故 障电流 的这一关 键要求 ，国 内外众 多 机 雩 世 （ ２ ０ １ ７—１ ２ ） 丘 输 变 电 时， 必 须 先 将 控制 电 源断 开 ， 让 Ｋ Ｏ返 回后 ， 再 合 上 ⑥ 再 接通 。可 见 ，将 分 闸指示 灯 Ｈ Ｇ串接 入 合 闸 回 路 ，就 可避 免 将 Ｋ Ｏ始终 保 持在 吸合状 态 的不正 常 现 象 ，继 而能 可靠地 对合 闸 回路 进行监 视 。对 于 以 上 一 点 改 进 建 议 ，同样 适 用 于其 他 与 Ｖ Ｓ １断 路 器 二 次合 闸控 制 回路相 仿 的其他 型 号断路 器 ，如 西 门 子 开关 有 限公 司 生 产 的 ３ Ａ Ｅ真 空 断 路 器 等 。经 现 场 多次 正常操 作 试验 和模 拟合 闸在 事故 线路 上 引起 保 护 动 作 跳 闸 的试 验 ，均 无 不 正 常 现 象 产 生 。此 控 制 电源 ， 须 进 行这样 一 套运行 恢 复工作 ， 才 能继 续 进行 合 闸操作 。对 于 上述 的不 正 常 现 象 ， 能 否 改 进 避 免 呢？ １ ＦＵ ＶＳ１ ２ Ｆ Ｕ ＿ ＜ Ｐ —厂 ｒ — Ｚ — ８ Ｑ Ｆ Ｉ Ｉ Ｉ Ｌ ＿ （ ＿卜— Ｊ 、 ＼ ＿ 、 卜 ： 一 外 ，还 要说 明 的是 ：对 于热备 用状 态 的断路 器 ，如 果 合 闸控制 功 能是 由远方 发 出合 闸指令 的 ，当断路 器合 闸后 ，合 闸指令信 号 应 自动解 除 ，图 ２所 示 的 分 闸信 号灯 回路 ，仍需 保 留 ，可作 为 日常运 行监 视 合 闸 回路完好 状 态 的信号 指示 ！以上改 进供 参考 。 ＋ ＫＭ — ＫＭ ： ＨＧ ｚ ８ 、 ￡ ， ｌ Ｊ 一 Ｌ Ｈ Ｒ —＿ ／／ ＿ —１ ＿ ——————＿ １广 — — 啊 Ｊ Ｉ Ｉ ｉ 一 Ｚ ３ １ ｝ ～ Ｑ Ｆ Ｚ ３ ａ — １ Ｆ Ｕ Ｔ Ｓ ＡＨ — （ ＶＳ １ ） ２ Ｆ Ｕ ！ ！ Ｕ｝ ＿ ＿ Ｔ Ｚ ｌ ４ ＜ Ｚ ８ Ｑ Ｆ — — — 翌、 Ｉ Ｑ Ｆ ｓ ２ Ｓ １ 图 １ Ｖ Ｓ ］断 路 器 基本 控 制 电 路 １ ８ ： ； ： ＨＧ Ｚ ； ＨＲ ， Ｊ— 厂 ＿ 『 ２ 改进 措施 经分 析 ，可采 取如 下改进 措 施 ：在 图 １的基 础 上 ，将 分 闸指示 灯 ＨＧ从 电源 端解 开 ，再 串接控 制 开关 Ｓ Ａ⑤ ⑥ 一 对 接 点 （ 见 图 ２） 。该 接 点 在 “ 合 闸” 位是 断 开 的 ，即使 合 闸在 故 障 线 路 上 ，断 路 器 因保 护装 置 动作 而 跳 闸 ，此 时 因 防跳 继 电器 Ｋ Ｏ 在 吸 合 状 态 ，可 防 止 断 路 器 的跳 跃 ，造 成 事 故 扩 大 。而 Ｓ Ａ由 “ 合”位恢复至 “ ０ ” 位 ，在 此 过 程 中Ｓ Ａ能保 证 ① ② 先 断 开 ，让 Ｋ Ｏ返 回后 ，接 着 ⑤ 构 在 全 固态 式 、混合 式 和机械 式 直流 断路 器方 面开 — Ｔ ｓ Ｈ — 广 广 Ｏ ０ Ｆ ｌ —－ 、 广 ＿ 一 ■ Ｊ ● 一 ； 一 Ｚ ３ １ Ｑ ／ Ｆ Ｉ Ｔ Ｑ Ｚ ３ ａ ｒ Ｕ ＿ ］ 图２ Ｖ Ｓ１断 路 器 控 制 电 路 的 改进 （ 编 辑 志 皓 ） 【 高压断路器 控制电路 技术改造 】 展 了大 量 的研究 工作 。从 各种 高压 直流 断路 器 的技 术 特点 和 目前 的研究 水平 来看 ，混 合式 直 流断路 器 技 术 和基 于高速 机械 开关 的人 工 过零 型直 流断路 器 技 术最 具工 程应 用潜 力 。但对 于 高压直 流 断路器 实 现 成熟 可靠 的工 程应 用 ，还应 该加 强 以下几 个方 面 的研究 ： 参 考 文 献 ［ １ ］ 史 宗谦 ， 贾申利．高压 直流断路 器研 究综述 ［ Ｊ ］ ． 高压 电器 ， ２ ０ １ ５ （ １ １ ） ： １ —９ ． ［ ２ ］ 马钊． 直流断路 器 的研 发 现状 及展 望 ［ Ｊ ］ ． 智 能 电网， ２ ０ １ ３ （ １ ） ： １ ２—１ ６ ． ［ ３ ］ 许烽， 江道 灼 ， 黄晓 明， 等．电流转 移型 高压 直流 断路 器［ Ｊ ］ ． 电 力 系统 自动 化 ， ２ ０ １ ６ （ ２ １ ） ： ９ ８—１ ０ ４ ． （ １ ）高 压直 流断 路器 中的关键 元件 —— 高速 机 ［ ４ ］ 王晓晨 ， 吴学光 ， 王婉 君 ， 等．高压 直流断路 器快速 限 流控 制 ［ Ｊ ］ ．中 国 电机 工程 学报 ，２ ０ １ ７（ ４） ：９ ９ ７— １ ００ ５． 械开关 （ 包 括 真 空 灭 弧 室 及 快 速 操 动 机 构 ） 的 研究 ； （ ２ ）与高压直流电网全工况等效的高压直流断 路 器试 验技 术 的研究 ； （ ３ ）直流 故 障电流 快速 检测 识别 技术 的研 究 。 需－ ｔ ｉ ｔ 幂 （ ２ ｏ １ ７—１ ２ ） ［ ５ ］ 赵畹君． 高压 直流输电 工程 技 术 ［ Ｍ］ ． ２版．北京 ： 中 国 电力 出版 社 ， ２ ０１ １ ． （ 编辑 叶 帆） 【 直流 高压断路器 发展 】 匡卫
