高压直流断路器目前的研究概况

1.前言

高压直流断路器的研制难点有三：一是直流电流不像交流电流那样有过零点，所以灭弧比较困难;二是直流回路的电感较大，所以需由直流断路器吸收的能量 比较大;三是过电压高。

 

高压直流断路器可以分为机械式高压直流断路器(mechanical HVDC circuit breaker)、固态高压直流断路器(solid-state HVDC circuitbreaker)与混合式高压直流断路器(hybrid HVDC circuit breaker)。

机械式直流断路器可以关断非常大的电流，并具有成本低、损耗小等优点，但其开断速度较慢。

固态直流断路器开断速度迅速，但其相关损耗较高，且价格昂贵。

为克服两者的缺点，通过将机械式直流断路器和固态直流断路器集成在一个装置上，从而形成混合式断路器。 混合式直流断路器结合了机械开关良好的静态特性与电力电子器件良好的动态性能，用快速机械开关来导通正常运行电流，用固态电力电子器件来分断短路电流，具有通态损耗小、开断时间短、无需专用冷却设备等优点，是目前高压直流断路器研发的新方向，有着广阔的应用前景。

下面将着重介绍混合式高压直流断路器的研究概况。

2 混合式高压直流断路器的研究概况

2.1 ABB--混合式高压直流断路器

2012年，ABB 的混合式高压直流断路器技术被《麻省理工科技创业》评为 2012 年度最重要的十大科技里程碑之一。该混合式高压直流断路器的基本结构如下图所示，主要包括机械式开关支路a(快速机械隔离开关b+负载转换开关c)和半导体开关支路d(半导体断路器e+避雷器组f)。

·当直流线路正常运行时，半导体开关支路处于断开状态，快速机械隔离开关和负载转换开关导通并流过直流电流。

·当检测到直流线路发生短路时，首先导通半导体断路器，关断负载转换开关，线路上的电流转移到半导体开关支路上，负载转换开关承受半导体短路器的导通电压。

·由于快速机械隔离开关此时流过的电流为零，快速机械隔离开关迅速打开。

·当快速机械隔离开关打开后，半导体断路器开关断开，直流线路上的能量通过与半导体断路器并联的氧化锌避雷器吸收，短路电流下降。

ABB 所设计的半导体断路器单元设计图如下图所示，采用IGBT作为半导体开关，并进行阀组串联。

该混合式高压直流断路器通过开断短路电流8.5kA的短路试验，其开断时间为5毫秒。

2.2 ALSTOM--混合式高压直流断路器

2014年阿尔斯通完成其混合式高压直流断路器原型产品的测试工作。该混合式高压直流断路器的基本结构如下图所示，主要包括旁路开关(UFD + PES)、半导体开关支路1(晶闸管+避雷器)、半导体开关支路2(晶闸管+电容器)和避雷器组。

阿尔斯通所设计的半导体断路器单元设计图如下图所示。

在测试过程中，该混合式高压直流断路器所切断的电流超过了5.2kA，开断时间为5.5毫秒。

2.3 国网智能电网研究院--混合式高压直流断路器

2015年，国网智能电网研究院研制的混合式高压直流断路器顺利通过中国电机工程学会技术成果鉴定。该混合式高压直流断路器的基本结构如下图所示，主要包括主开关支路(快速机械隔离开关+H桥负载转换开关)、电流转移开关支路(H桥半导体断路器)和吸收回路(避雷器组)。

 

国网智能电网研究院所设计的半导体断路器单元设计图如下图所示，，采用IGBT作为半导体开关。

在测试过程中，该混合式高压直流断路器所切断的电流超过了15kA，开断时间为3毫秒。

将上述三种混合式高压直流短路器的性能参数比较如下。