中压直流开断技术研究综述

摘要：中压直流配电系统在提高电网的可靠性、提升能源利用效率、改善电能质量方面具有突出的优势，已成为世界各国电力系统未来发展的重要方向。由于直流电流无自然过零点，直流系统的短路电流开断相比于交流开断更为困难，其开断技术也是制约直流配电系统发展和推广的瓶颈问题。综述了近年来大容量中压直流开断方案，介绍了相应的开断原理，主要包括电流注入式直流断路器和混合式直流断路器。此外，概述了中压直流开断的关键技术及其面临的挑战。最后，归纳并展望了中压直流开断技术未来发展的趋势。0引言中压直流系统具有输送功率密度大、线路损耗小、电能质量高的优点，目前已在城市配电无轨电车、地铁、冶炼、化工、新能源等领域获得了广泛应用，且在国防领域也倍受瞩目。中压直流断路器作为直流配电系统中至关重要的保护元件，是系统安全运行的保证，需要快速可靠开断直流故障电流。与交流相比，中压直流大容量开断技术领域的研究工作相对滞后，已有商用化的直流开断技术大都针对低压系统，无法满足中压直流电网短路故障快速切除的需求。中压大容量直流断路器的缺失使得电力系统无法选择性地切除故障线路，从而影响到整个配电系统的运行以及功率分配，严重时会导致整个电网难以恢复供电。同时，直流区域短路故障对与之相联的交流系统将带来较大冲击，采用直流断路器实现故障隔离是直流配电系统安全可靠运行的保证。探索合适有效的中压直流开断技术，解决直流配电系统快速选择性切除故障的难题，是未来直流电网建设的基础条件，也是充分发挥出直流电网这一新技术优势的前提，同时对未来直流电网的推广应用也将产生深远影响。目前，国内外多个科研单位和高校院所已经开展了中压直流开断技术的相关研究工作，本文总结了直流开断方面的最新研究成果，介绍分析了适用于中压直流电网的主流开断方案，并针对其关键技术及挑战进行了讨论。本文的总体结构如下：第一部分介绍了主要的直流开断原理；第二部分回顾了近年来中压直流断路器的主要研究进展；第三部分描述了发展直流断路器的关键技术和挑战；第四部分总结全文并讨论了中压直流开断技术的未来发展趋势。1直流开断原理由于直流系统电流没有自然过零点，电弧无法像交流断路器那样自然熄灭，因此与交流系统相比，直流系统的电流开断更加困难，需要直流断路器自行创造电流过零点。此外，在开断过程中直流断路器还需要快速耗散存储在系统电感中的大量能量，显著增大了直流故障电流的开断难度。通常，可以采用2种方案在直流系统中创建电流零点。一种是基于触头分闸产生的高电弧电压来抵制系统电压，强制系统电流过零完成开断，即传统的空气式直流断路器。这种断路器的特点是开断容量大，并且可靠性较高，主要应用于轨道交通系统以及大型船舶电力系统。但是，这种方案的应用电压等级往往较低，一般不超过5 kV，同时由于其机械响应速度较慢，开断时间较长，难以抑制直流系统故障电流的快速上升。因此，对于未来10 kV等级的中压直流配电系统，单纯依靠电弧电压实现短路电流的快速开断将非常困难。第二种方案是基于电流转移原理实现直流电流的快速开断，主要包括固态断路器、混合式断路器和电流注入式断路器，各种方案的具体特点如下：IGBT）、集成门极换流晶闸管（integratedgatecommutatedthyristors，IGCT）等。自20世纪70年代末被提出以来，随着半导体技术的长足发展，开断容量也在不断提高。此类断路器通过半导体器件在关断过程中快速建立电压而实现电流的最终开断。由于没有机械部件，开断过程小于1 ms，具有无电弧、无材料烧蚀、无声响等优点。同时，通过电力电子器件的串并联组合可以灵活地调整通流和开断能力。然而，当固态断路器向着大功率、高电压等级的方向发展时，往往需要采用大量器件进行串、并联来实现。由于半导体器件存在造价高、通态损耗大等固有缺点，纯固态断路器在直流系统的应用受到了严重制约。混合式断路器由固态式断路器演化而来，为了克服固态断路器造价高、通态损耗大的缺点，研究人员提出了一种改进的替代方案，即混合式断路器，将机械开关和电力电子器件相结合。一方面，机械开关弥补了电力电子器件通流能力不足的缺点；另一方面，半导体开关提高了机械开关的开断能力。由于引入了机械部件，混合式断路器的开断时间略高于固态断路器，约为几毫秒。固态断路器和混合式断路器的开断能力主要受电力电子器件本身的影响，同时需要解决控制信号同步、均压和均流的问题。电流注入式断路器通常包含机械开关、电容器、电感器等元件，开断过程中，机械开关首先分闸，电流在多条支路内相互转移，使得断口电流过零，并通过电容器建立开断电压，迫使系统电流下降为零，实现系统电流开断。这种断路器的特点是开断速度快并且容量大，同时成本相对较低。2直流断路器开断方案2.1混合式断路器由机械开关和电力电子器件构成的混合式直流断路器如图1所示，同样也包含3条并联支路。能量耗散支路1由MOV组成，用于限制开断过电压，并吸收存储在系统中的开断能量。主支路2由机械开关MS构成，以承载额定电流同时在开断时快速建立绝缘间隙。半导体支路3由多个串联的IGBT组成，主要用于快速关断转移电流。图1混合式直流断路器   如图2所示，北卡罗来纳大学利用SiC新型半导体器件研制了10 kV/200 A断路器样机，可在2 ms内完成电流开断。该断路器样机借鉴了ABB高压混合式断路器结子开关和MS串联连接，作为负载转移开关（loadcommutationswitch，LCS）。通过LCS的主动关断来实现MS的无弧打开，不仅提高了电流转移速度，保证了电流转移的可靠性，同时也避免了触头烧蚀等一系列问题。图2北卡罗来纳大学研制的混合式直流断路器

在图2所示的断路器中，主支路LCS的存在会导致较高的额定通流损耗，但仍是目前直流开断领域的重要发展方向：一方面由于LCS采用的半导体器件相对较少，主回路通流的损耗较小；另一方面为机械开关创造了零电流的开断环境，大大提高了断路器的可靠性，使其具有向更高电压等级发展的潜力。近年来，研究者也不断地提出改进的措施，如ABB提出在主支路和半导体支路加装耦合电抗器的辅助转移方案，以及使用脉冲变压器、超导材料、非线性电阻、液态金属限流器等来替代LCS的方案。但这些新方案仅仅停留在理论研究阶段，离实际应用还需更进一步探索。2.2电流注入式断路器典型的电流注入式断路器如图3所示，由3条并联支路所构成，分别是由金属氧化物避雷器（MOV）构成的能量耗散支路1、主支路2和转移支路3。正常通流时，主支路的机械开关MS保持闭合状态并承担所有电流，因此断路器额定通流的损耗非常小。同时，电容器C预充有一定电压，球隙S处于关断状态。图3电流注入式断路器原理图当断路器需要进行分闸操作时，MS打开并燃弧。然后控制间隙S导通，利用预充电电容器C产生的反向脉冲电流来抵制MS中的电流，形成人工电流过零点，在实现熄弧的同时系统电流被转移至转移支路。随着电流的不断注入，电容电压逐渐升高，最终超过MOV的导通阈值，迫使系统电流进一步转移至能量耗散支路。最终系统的能量在MOV中被耗散，实现电流开断。由于其低成本和高开断能力的特点，电流注入式断路器在工程应用方面具有很大的优势。基于该开断原理，西安交通大学研制了额定10 kV/2 kA直流断路器样机，采用桥式转移电路结构实现双向开断和断口续流，并成功实现25 kA短路电流开断，开断时间小于5 ms。案中存在的电容辅助电路需要耐受开断过电压、转移电容器长期带电电压高等难点问题，西安交通大学提出了基于磁感应转移原理的新型电流注入式直流断路器样机这种方案的优势是，磁感应转移模块原理，西安交通大学开发了额定10 kV/2 kA，短路开断20 kA机的成本、体积较传统的电流注入式方案有明显的优势。图4基于脉冲变压器的电流注入式直流断路器2.3其他断路器方案Z源断路器作为一种特殊的断路器，它可以在系统发生短路故障后自动地断开系统回路。如图5所示，Z源断路器通常包含晶闸管T、交叉LC支路以及二极管和电阻。正常工作时T导通，并且电容器C1和C2被充电至系统电压。当Z源断路器的负载端发生短路故障时，C1和C2变为串联结构，并通过短路点开始放电，一旦C1电流大于L1电流，T将被自然关断。T关断之后，Z源断路器与负载形成谐振电路，输出电压最终振荡至零。图5Z源断路器Z源断路器的缺点在于在额定通流能力受到晶闸管、电感等器件的制约。而且，这种断路器不能关断额定电流，在常规开断时无法使用。相比其他开断方案，其低成本、控制简单、自动应对故障、组成元件不易损坏等优点使它具有工程应用的潜力。3直流开断关键技术及挑战直流系统的短路电流具有上升速度快、电流幅值高等特点，同时短路故障条件下，直流系统中储存着巨大能量。为了避免系统及相关设备受到短路电流的电–热–机械冲击而发生破坏，要求直流断路器在数毫秒内完成短路电流的开断和电能耗散，实现短路故障的可靠切除。直流开断技术的难点主要体现在以下3个方面。3.1直流开断的物理过程复杂直流短路电流开断的难点之一在于电流无过零点，为此通常利用机械开关并联辅助支路或者利用电力电子器件的全控特性实现电流的过零和转移，最终由电能耗散装置消耗系统剩余的能量实现短路故障的切除。无论是采用电流注入式开断方法，还是采用大功率电力电子器件的混合式开断方法，均是利用电流转移和电能耗散的方式来实现短路电流的过零开断，涉及电流转移、断口介质恢复、电能耗散等多个物理过程的配合，开断过程复杂。其中包含高电压与绝缘技术、放电物理、电磁场理论、电介质物理、电力电子技术等多个学科领域的交叉。3.2直流短路电流开断机理尚不清晰目前，虽然针对不同的开断工况提出了多种电流转移原理，但是不同电流转移过程涉及的断口绝缘恢复、组件参数匹配、耗能特性等关键物理过程的机理尚未揭示，相关的微观物理机制及其调控手段也没有深入开展研究，难以满足未来直流配电系统对断路器的应用需求。特别的，直流开断过程中电流转移速度非常快，断口瞬变电弧特性与传统交流断口的电弧特性差异巨大，电弧熄灭瞬间的电流下降率可达传统交流开断情况下的数十倍，并且断口间隙短，高频恢复电压作用下的断口绝缘恢复及击穿特性尚未揭示。因此，需要围绕直流开断中断口瞬变电弧的微观机理及其弧后恢复特性复杂等难题开展技术攻关，以进一步提高开断容量和可靠性。3.3直流断路器的工程化研究尚处于起步阶段直流配电系统对断路器技术性能和经济成本的双重要求。4结语我国对中压直流电网的应用需求广泛，城市直流配电网络、舰船综合电力系统、分布式清洁能源经济接入以及未来基于中压直