..摘要高壓直流〔HVDC電網(wǎng)是解決可再生能源大規(guī)模接入的重要途徑。發(fā)展高壓直流電網(wǎng)對(duì)大規(guī)模電能的遠(yuǎn)距離輸送、促進(jìn)新能源的并網(wǎng)及消納、提高區(qū)域交流互聯(lián)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性具有重要意義。而高壓直流斷路器是直流電網(wǎng)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。本文分析了高壓直流電網(wǎng)對(duì)高壓直流斷路器的需求；介紹了各種直流斷路器的主要性能、基本構(gòu)成、開斷原理等。關(guān)鍵詞：高壓直流輸電,直流斷路器,MRTB,ERTB,NBS,NBGS前言隨著傳統(tǒng)化石能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題的不斷加劇,以及風(fēng)電、太陽(yáng)能等可再生清潔能源的迅速發(fā)展,能夠?qū)崿F(xiàn)間歇式可再生能源大規(guī)模接入的多端高壓直流輸電系統(tǒng),及其向HVDC電網(wǎng)方向的發(fā)展,越來(lái)越受到世界各國(guó)的關(guān)注。2008年,歐洲提出超級(jí)智能電網(wǎng)<supergrid>規(guī)劃,旨在充分利用可再生能源的同時(shí),實(shí)現(xiàn)國(guó)家間電力交易和可再生能源的充分利用；2011年,美國(guó)提出了2030年電網(wǎng)構(gòu)想<Grid2030>,即美國(guó)未來(lái)電網(wǎng)將建立由東岸到西岸、北到加拿大、南到墨西哥,主要采用超導(dǎo)技術(shù)、電力儲(chǔ)能技術(shù)和更先進(jìn)的直流輸電技術(shù)的骨干網(wǎng)架。中國(guó)風(fēng)力資源豐富地區(qū)主要集中在東北、華北、西北等區(qū)域。但這些地區(qū)大多負(fù)荷水平較低、調(diào)峰能力有限,大規(guī)模風(fēng)電就地利用困難,需要遠(yuǎn)距離大容量輸送,并在大區(qū)以至全國(guó)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)電量消納。這對(duì)中國(guó)發(fā)展HVDC電網(wǎng)技術(shù)提出了迫切的需求。隨著HVDC輸電技術(shù)向HVDC電網(wǎng)的發(fā)展,對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定、安全運(yùn)行也提出了更高的要求。其中所面臨的巨大挑戰(zhàn)就是HVDC電網(wǎng)中短路電流的開斷問(wèn)題。與交流系統(tǒng)相比,HVDC電網(wǎng)中時(shí)間常數(shù)小,短路電流上升速度快,同時(shí)造成直流電壓的跌落,甚至引起換流器和短路電流的失控,而且直流電流由于缺乏自然過(guò)零點(diǎn)而難以開斷。能夠?qū)崿F(xiàn)快速切除或隔離短路故障的高壓直流斷路器已成為HVDC電網(wǎng)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。直流電網(wǎng)發(fā)展對(duì)高壓直流斷路器的需求隨著直流輸電技術(shù)向HVDC電網(wǎng)的發(fā)展,對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定、安全運(yùn)行也提出了更高的要求,其中所面臨的巨大挑戰(zhàn)就是HVDC電網(wǎng)中短路電流的開斷問(wèn)題,這對(duì)高壓直流斷路器的研究和開發(fā)提出了非常迫切的需求。在交流系統(tǒng)中,交流電流在每個(gè)周期內(nèi)有2個(gè)自然過(guò)零點(diǎn),同時(shí)系統(tǒng)中儲(chǔ)存的磁能也為零,這為交流電弧的熄滅和電路的開斷創(chuàng)造了很好的條件。絕大多數(shù)交流開關(guān)設(shè)備都利用這一原理實(shí)現(xiàn)短路電流的開斷。但在直流系統(tǒng)中,直流電流缺乏自然過(guò)零點(diǎn),因此直流電流比交流電流難以開斷,而這一問(wèn)題在HVDC電網(wǎng)中更加嚴(yán)峻?，F(xiàn)有兩種傳統(tǒng)的方式可以開斷直流電流：一是靠拉長(zhǎng)電弧的長(zhǎng)度直至其在一定的電弧電壓下不能持續(xù),從而實(shí)現(xiàn)滅弧。顯而易見此方式不適用于高壓直流系統(tǒng)；另一方法是人為創(chuàng)造電流零點(diǎn),即由電感、電容組成輔助振蕩電路,通過(guò)使電容放電引入高頻交流電流造成電流零點(diǎn),再利用傳統(tǒng)的交流斷路器切斷電弧。到目前為止,所有商業(yè)化的直流斷路器均基于此原理達(dá)到開斷直流電流的目的,它們一般用于負(fù)荷電流的關(guān)合與開斷,而短路故障電流的開斷能力很低。所以,如何提高直流斷路器的開斷容量成為了一道復(fù)雜的難題,這也是高壓直流斷路器所面臨的一大挑戰(zhàn)。HVDC電網(wǎng)中短路電流的幅值和上升速度與很多因素有關(guān),主要包括以下幾個(gè)方面：1>直流網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；2>所采用的換流器技術(shù)<LCC或VSC>；3>直流側(cè)電容、電感<包括分布參數(shù)>；4>短路點(diǎn)的位置；高壓直流斷路器概述高壓直流斷路器大體可分為3種類型：基于機(jī)械開關(guān)〔機(jī)械式常規(guī)斷路器的機(jī)械式直流斷路器、基于電力電子器件的全固態(tài)直流斷路器,以及整合前兩者優(yōu)點(diǎn)的混合式直流斷路器。2.1機(jī)械式直流斷路器直流電不存在電流自然過(guò)零點(diǎn),滅弧困難。在低壓小電流應(yīng)用場(chǎng)合,可以通過(guò)增大電弧電壓、分段串接限流電阻或控制磁場(chǎng)氣體放電斷流等方法實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫直流開斷熄弧。但在高壓大電流應(yīng)用場(chǎng)合,上述方法不可行,一般是通過(guò)適當(dāng)改造常規(guī)機(jī)械式交流斷路器結(jié)構(gòu),并增加能夠在開斷直流電流過(guò)程中自動(dòng)形成高頻振蕩電流過(guò)零點(diǎn)的振蕩換流回路,以解決機(jī)械開關(guān)切斷高壓大直流電流時(shí)的滅弧問(wèn)題。早在１９世紀(jì)７０年代初,美國(guó)ＧＥ公司的專家就提出了采用振蕩換流熄弧的機(jī)械式直流斷路器,其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖１所示,主要由機(jī)械開關(guān)、振蕩換流回路,以及吸收、放電回路等部分構(gòu)成。2.2固態(tài)直流斷路器２０世紀(jì)７０年代末,出現(xiàn)了以晶閘管〔ＳＣＲ作為開關(guān)元件的直流斷路器,因其采用電力電子器件實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的通、斷控制,故被稱為固態(tài)直流斷路器。固態(tài)直流斷路器根據(jù)其所采用電力電子器件類型的不同,可劃分為如下２類。半控型固態(tài)直流斷路器,其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖３所示。半控型器件主要以ＳＣＲ為代表,具有容量大、通態(tài)壓降小、損耗低、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn),是最早用于研發(fā)全固態(tài)斷路器的器件之一。這種固態(tài)直流斷路器理論研究已較成熟,其工作原理、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,且控制策略容易實(shí)現(xiàn),具有較高的可靠性,工業(yè)應(yīng)用廣泛。但ＳＣＲ為半控型器件,實(shí)現(xiàn)直流關(guān)斷需增加振蕩換流回路產(chǎn)生電流過(guò)零點(diǎn),電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,體積較大；同時(shí)ＳＣＲ工作頻率相對(duì)較低,基于其構(gòu)成的固態(tài)直流斷路器開斷速度也受到了一定的限制。全控型固態(tài)直流斷路器,由于ＧＴＯ,ＩＧＢＴ,ＩＧＣＴ,ＥＴＯ等全控型電力電子器件通、斷均可控。因此,基于其的固態(tài)直流斷路器無(wú)需附加振蕩換流回路,從而可實(shí)現(xiàn)快速關(guān)斷,減少關(guān)斷時(shí)間,降低切斷故障電流值。１９８７年,美國(guó)德克薩斯州大學(xué)研制出基于ＧＴＯ的２００Ｖ／１５Ａ固態(tài)直流斷路器,其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖４所示。2.3混合式直流斷路器20世紀(jì)90年代,T.Genji等人提出一種基于真空斷路器和固態(tài)開關(guān)構(gòu)成的混合式直流斷路器,綜合了機(jī)械開關(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?；旌鲜街绷鲾嗦菲鞲鶕?jù)換流關(guān)斷原理的不同,可分為自然換流關(guān)斷型與強(qiáng)制換流關(guān)斷型２種。自然換流關(guān)斷型混合式直流斷路器的固態(tài)開關(guān)部分一般由ＧＴＯ,ＩＧＢＴ,ＩＧＣＴ等全控型電力電子器件構(gòu)成〔拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖５,其分?jǐn)嗷驹砣缦拢豪脵C(jī)械開關(guān)分?jǐn)鄷r(shí)產(chǎn)生的電弧電壓,為固態(tài)開關(guān)〔已施加觸發(fā)脈沖建立陽(yáng)極正向電壓,使其順利導(dǎo)通；固態(tài)開關(guān)導(dǎo)通后,由于開關(guān)觸點(diǎn)間電弧電阻大于固態(tài)開關(guān)導(dǎo)通電阻,使得電流能夠自然地從機(jī)械開關(guān)換流至固態(tài)開關(guān),從而保證機(jī)械開關(guān)在低壓小電流下順利分?jǐn)?；機(jī)械開關(guān)分?jǐn)嗪罅⒓搓P(guān)斷固態(tài)開關(guān),從而切斷電流通路。強(qiáng)制換流關(guān)斷型混合式直流斷路器的換流關(guān)斷原理類似于機(jī)械式直流斷路器,即也采用電感、電容串聯(lián)諧振回路產(chǎn)生諧振電流,從而制造電流過(guò)零點(diǎn)實(shí)現(xiàn)快速開斷與滅弧。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖６所示。該方案中固態(tài)開關(guān)部分由ＳＣＲ、功率二極管及ＬＣ諧振電路等構(gòu)成,是一種可強(qiáng)制關(guān)斷的半控型雙向橋式開關(guān)電路。這種強(qiáng)制換流關(guān)斷型混合式直流斷路器可適用于容量較大的場(chǎng)合,但因固態(tài)開關(guān)采用半控型器件,且須借助諧振回路才能實(shí)現(xiàn)換流關(guān)斷,故其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大,可控性與關(guān)斷速度也要差些〔與圖５相比混合式直流斷路器綜合了機(jī)械式斷路器與固態(tài)斷路器的優(yōu)點(diǎn),具有通態(tài)損耗小、開斷快速可控、無(wú)弧〔微弧無(wú)響聲、開關(guān)壽命長(zhǎng)、可靠性高、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)的主要方向。

三、各種直流斷路器在直流系統(tǒng)中的功能要求3.1中性母線斷路器NBS對(duì)于兩端換流站的每一極都有一臺(tái)中性母線斷路器NBS,這種斷路器應(yīng)滿足開斷在換流站極內(nèi)和直流輸電線上所發(fā)生的任何故障的直流電流。NBS中的開斷裝置必須實(shí)現(xiàn)合-分-合操作循環(huán)。換言之,開斷裝置實(shí)現(xiàn)此操作循環(huán)而無(wú)需對(duì)操作機(jī)構(gòu)充電。在轉(zhuǎn)換失敗或電動(dòng)機(jī)掉電情況下,此功能可以保證開斷裝置到達(dá)閉合位置。3.2中性母線接地?cái)嗦菲鱊BGS每個(gè)換流站都有一臺(tái)NBGS。當(dāng)接地極退出運(yùn)行時(shí)兩端換流站的NBGS應(yīng)自動(dòng)將中性母線轉(zhuǎn)接到換流站地網(wǎng)。NBGS不要求具備大電流的轉(zhuǎn)換能力,但必須能在雙極運(yùn)行時(shí)打開,以及將雙極不平衡電流轉(zhuǎn)換至接地極。NBGS應(yīng)具有下述控制和聯(lián)鎖裝置：1接地極退出運(yùn)行時(shí),NBGS應(yīng)自動(dòng)合上。NBGS只能手動(dòng)打開,并配備聯(lián)鎖裝置,當(dāng)電流超過(guò)NBGS的轉(zhuǎn)換能力時(shí),NBGS不能打開。當(dāng)NBGS在單極運(yùn)行時(shí)閉合或在NBGS閉合時(shí)換流站高壓直流一極閉鎖,控制和保護(hù)裝置應(yīng)能自動(dòng)減小直流電流,并將該極切除。2NBGS〔包括金屬回路轉(zhuǎn)換斷路器MRTB、大地回路轉(zhuǎn)換斷路器ERTB中的開斷裝置必須實(shí)現(xiàn)分-合操作循環(huán),即開斷裝置實(shí)現(xiàn)此操作循環(huán)而無(wú)需對(duì)操作機(jī)構(gòu)充電。在轉(zhuǎn)換失敗或電動(dòng)機(jī)掉電情況下,此功能可以保證開斷裝置到達(dá)閉合位置。3.3金屬回路轉(zhuǎn)換斷路器MRTB其功能是將直流運(yùn)行電流從較低阻抗的大地回路向具有較高阻抗的金屬回路轉(zhuǎn)移。直流電流從大地回路向金屬回路的轉(zhuǎn)移不應(yīng)降低運(yùn)行極的直流輸送功率,當(dāng)運(yùn)行極運(yùn)行在2h過(guò)負(fù)荷的功率水平上也應(yīng)能成功地進(jìn)行這種轉(zhuǎn)換。3.4大地回路轉(zhuǎn)換斷路器ERTBERTB用以將直流運(yùn)行電流從具有較高阻抗的金屬回路轉(zhuǎn)移至具有較低阻抗的大地回路。直流電流從金屬回路通道向大地回路通道的轉(zhuǎn)移不應(yīng)引起直流功率的任何降低,對(duì)于2h過(guò)負(fù)荷功率的直流運(yùn)行電流,這種轉(zhuǎn)移也應(yīng)能進(jìn)行。為了滿足在直流系統(tǒng)中的以上功能要求,直流斷路器主要性能、基本結(jié)構(gòu)、開斷原理和試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)與交流斷路器都有較大區(qū)別。四、直流斷路器的主要性能4.1絕緣性能4.1.1額定運(yùn)行電壓額定運(yùn)行電壓是指直流斷路器在規(guī)定的正常使用和性能條件下,能夠連續(xù)運(yùn)行的電壓。選取值為：〔直流,kV10、12.5、16、20、25、31.5、40、50、63、80、100。4.1.2絕緣水平及絕緣強(qiáng)度直流斷路器絕緣水平及絕緣強(qiáng)度的考核指標(biāo)除了額定短時(shí)工頻耐受電壓以外,還有額定沖擊耐受電壓。選取值見表1。4.2電流轉(zhuǎn)換性能用于改變運(yùn)行方式的斷路器,如MRTB和ERTB,在無(wú)冷卻的情況下具有連續(xù)轉(zhuǎn)換兩次的能力,即分閘后,如果電弧不能熄滅則應(yīng)使斷路器再重合閘,然后再分閘。對(duì)用于保護(hù)的斷路器,如NBS和NBGS,則應(yīng)滿足轉(zhuǎn)換一次的能力。這種電流轉(zhuǎn)換性能是不同于交流斷路器的性能要求的。這些斷路器轉(zhuǎn)移額定電流次數(shù)的能力即電壽命,則由具體直流輸電工程的運(yùn)行要求來(lái)確定,一般不低于1000次。而對(duì)于MRTB及ERTB每年在無(wú)冷卻的情況下,只允許進(jìn)行兩次連續(xù)轉(zhuǎn)換。允許的轉(zhuǎn)換電流應(yīng)根據(jù)直流系統(tǒng)的額定連續(xù)過(guò)負(fù)荷條件來(lái)確定。直流斷路器需轉(zhuǎn)換的電流由下列之中選取〔直流,A：800、1000、1250、1600、2000、2500、3150、4000、4500、5000。4.3環(huán)境耐受性能直流斷路器在周圍環(huán)境條件作用下,都應(yīng)能可靠工作。這些條件主要有4.3.1海拔高度由于高海拔地區(qū)大氣壓力低,耐壓水平隨之降低,要求安裝在1000m以上地區(qū)的直流斷路器外絕緣應(yīng)進(jìn)行修正。4.3.2環(huán)境溫度環(huán)境溫度過(guò)低會(huì)使斷路器的潤(rùn)滑油粘度增加,影響斷路器的分、合閘速度,還會(huì)使SF6氣體液化,降低開斷性能。環(huán)境溫度過(guò)高,會(huì)導(dǎo)致斷路器導(dǎo)電回路溫度升高,斷路器內(nèi)部SF6氣體壓力隨之增高。4.3.3污穢等級(jí)由于直流輸電的"靜電吸塵效應(yīng)",絕緣子的積污和污閃特性與交流的有很大不同,由此引起的污穢放電比交流的更為嚴(yán)重,合理選擇直流斷路器絕緣件的爬電比距對(duì)于提高運(yùn)行水平非常重要。五、直流斷路器的開斷原理實(shí)現(xiàn)直流開斷的首要條件是使電流過(guò)零,不同的直流開斷方法均基于這一基本思想。以下簡(jiǎn)要介紹幾種最主要的直流開斷方法的基本原理。5.1限流開斷法限流開斷法的基本原理是利用直流斷路器開斷時(shí)產(chǎn)生足夠高的電壓,由于此電壓與電源電壓相反,當(dāng)其與電源電壓相當(dāng)時(shí),可限制短路電流,使其過(guò)零開斷。為提高斷路器開斷時(shí)產(chǎn)生的電壓,一種方式是利用電弧電壓,另一種方式是采用分段串入電阻的方式,見圖2。圖2<a>中,一般采用拉長(zhǎng)電弧、利用金屬柵片將電弧分割為串聯(lián)短弧、加強(qiáng)電弧的冷卻和去游離等方式提高電弧電壓。圖2<b>中,通過(guò)將開關(guān)S1-S3依次打開,使電阻R1-R3逐段串入電路來(lái)提高電壓。此外,采用圖2<b>的開斷方式時(shí),只需要每個(gè)斷口產(chǎn)生的電弧電壓能夠使電流轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的并聯(lián)電阻支路,而不需要使電弧電壓與電源電壓相當(dāng)。5.2人工過(guò)零法基于人工過(guò)零的直流開斷方法的基本原理見圖3,由載流支路、電流轉(zhuǎn)移支路、能量吸收支路構(gòu)成。載流開關(guān)<SL>采用機(jī)械式開關(guān),電流轉(zhuǎn)移支路由預(yù)充電的換流電容<Cc>、換流電感<Lc>和換流開關(guān)<Sc>串聯(lián)構(gòu)成。開斷時(shí),載流開關(guān)首先打開并在其電極間形成電弧,當(dāng)電極達(dá)到一定開距時(shí),閉合換流開關(guān),則換流電容通過(guò)換流電感和載流支路形成震蕩回路,產(chǎn)生與載流支路中電流iL反向的高頻震蕩電流ic,使載流開關(guān)中的電弧在其電流被強(qiáng)迫過(guò)零時(shí)熄滅,并使電流轉(zhuǎn)移至電流轉(zhuǎn)移支路。隨后換流電容被反向充電,當(dāng)其電壓超過(guò)避雷器<MOV>動(dòng)作電壓時(shí),電流逐漸轉(zhuǎn)移至能量吸收支路,直至避雷器電流過(guò)零,完成開斷。5.3自激振蕩法基于自激震蕩的直流開斷方法的基本原理見圖4,與基于人工過(guò)零的直流開斷的結(jié)構(gòu)類似,也由載流支路、電流轉(zhuǎn)移支路、能量吸收支路構(gòu)成,但電流轉(zhuǎn)移支路僅由換流電容和換流電感串聯(lián)構(gòu)成,無(wú)換流開關(guān)。開斷時(shí),載流開關(guān)打開形成電弧,利用電弧的不穩(wěn)定性和負(fù)的伏安特性使載流支路與電流轉(zhuǎn)移支路間產(chǎn)生振幅逐漸增大的高頻震蕩,當(dāng)震蕩電流的幅值大于開斷電流時(shí)形成過(guò)零點(diǎn),使載流開關(guān)中的電弧熄滅,并使電流轉(zhuǎn)移至電流轉(zhuǎn)移支路。其后的開斷過(guò)程與上述的人工過(guò)零法相同。5.4混合開斷法所謂混合直流開斷,是指有觸點(diǎn)機(jī)械開關(guān)與無(wú)觸點(diǎn)的電力電子器件相結(jié)合而構(gòu)成的