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1、.摘 要高压直流HVDC电网是解决可再生能源大规模接入的重要途径。发展高压直流电网对大规模电能的远距离输送、促进新能源的并网及消纳、提高区域交流互联电网的安全稳定性具有重要意义。而高压直流断路器是直流电网发展的瓶颈问题。本文分析了高压直流电网对高压直流断路器的需求；介绍了各种直流断路器的主要性能、基本构成、开断原理等。关键词：高压直流输电,直流断路器,MRTB,ERTB,NBS,NBGS前言随着传统化石能源短缺和环境污染问题的不断加剧,以及风电、太阳能等可再生清洁能源的迅速发展,能够实现间歇式可再生能源大规模接入的多端高压直流输电系统,及其向HVDC电网方向的发展,越来越受到世界各国的关注。2
2、008 年,欧洲提出超级智能电网规划,旨在充分利用可再生能源的同时,实现国家间电力交易和可再生能源的充分利用；2011 年,美国提出了2030 年电网构想,即美国未来电网将建立由东岸到西岸、北到加拿大、南到墨西哥,主要采用超导技术、电力储能技术和更先进的直流输电技术的骨干网架。中国风力资源丰富地区主要集中在东北、华北、西北等区域。但这些地区大多负荷水平较低、调峰能力有限,大规模风电就地利用困难,需要远距离大容量输送,并在大区以至全国范围内实现电量消纳。这对中国发展HVDC电网技术提出了迫切的需求。随着HVDC 输电技术向HVDC 电网的发展,对整个系统的可靠性和稳定、安全运行也提出了更高的要求
3、。其中所面临的巨大挑战就是HVDC 电网中短路电流的开断问题。与交流系统相比,HVDC 电网中时间常数小,短路电流上升速度快,同时造成直流电压的跌落,甚至引起换流器和短路电流的失控,而且直流电流由于缺乏自然过零点而难以开断。能够实现快速切除或隔离短路故障的高压直流断路器已成为HVDC 电网发展的瓶颈问题。一、 直流电网发展对高压直流断路器的需求随着直流输电技术向HVDC电网的发展,对整个系统的可靠性和稳定、安全运行也提出了更高的要求,其中所面临的巨大挑战就是HVDC 电网中短路电流的开断问题,这对高压直流断路器的研究和开发提出了非常迫切的需求。在交流系统中,交流电流在每个周期内有2 个自然过零
4、点,同时系统中储存的磁能也为零,这为交流电弧的熄灭和电路的开断创造了很好的条件。绝大多数交流开关设备都利用这一原理实现短路电流的开断。但在直流系统中,直流电流缺乏自然过零点,因此直流电流比交流电流难以开断,而这一问题在HVDC电网中更加严峻。现有两种传统的方式可以开断直流电流：一是靠拉长电弧的长度直至其在一定的电弧电压下不能持续,从而实现灭弧。显而易见此方式不适用于高压直流系统；另一方法是人为创造电流零点,即由电感、电容组成辅助振荡电路,通过使电容放电引入高频交流电流造成电流零点,再利用传统的交流断路器切断电弧。到目前为止,所有商业化的直流断路器均基于此原理达到开断直流电流的目的,它们一般用于
5、负荷电流的关合与开断,而短路故障电流的开断能力很低。所以,如何提高直流断路器的开断容量成为了一道复杂的难题,这也是高压直流断路器所面临的一大挑战。HVDC电网中短路电流的幅值和上升速度与很多因素有关,主要包括以下几个方面：1直流网络的拓扑结构；2所采用的换流器技术；3直流侧电容、电感；4短路点的位置；二、 高压直流断路器概述高压直流断路器大体可分为3种类型：基于机械开关机械式常规断路器的机械式直流断路器、基于电力电子器件的全固态直流断路器,以及整合前两者优点的混合式直流断路器。2.1机械式直流断路器直流电不存在电流自然过零点,灭弧困难。在低压小电流应用场合,可以通过增大电弧电压、分段串接限流电
6、阻或控制磁场气体放电断流等方法实现强迫直流开断熄弧。但在高压大电流应用场合,上述方法不可行,一般是通过适当改造常规机械式交流断路器结构,并增加能够在开断直流电流过程中自动形成高频振荡电流过零点的振荡换流回路,以解决机械开关切断高压大直流电流时的灭弧问题。早在世纪年代初,美国公司的专家就提出了采用振荡换流熄弧的机械式直流断路器,其拓扑结构如图所示,主要由机械开关、振荡换流回路,以及吸收、放电回路等部分构成。2.2固态直流断路器世纪年代末,出现了以晶闸管作为开关元件的直流断路器,因其采用电力电子器件实现对电流的通、断控制,故被称为固态直流断路器。固态直流断路器根据其所采用电力电子器件类型的不同,可
7、划分为如下类。1) 半控型固态直流断路器,其拓扑结构如图所示。半控型器件主要以 为代表,具有容量大、通态压降小、损耗低、价格低等优点,是最早用于研发全固态断路器的器件之一。这种固态直流断路器理论研究已较成熟,其工作原理、拓扑结构简单,且控制策略容易实现,具有较高的可靠性,工业应用广泛。但为半控型器件,实现直流关断需增加振荡换流回路产生电流过零点,电路结构复杂,体积较大；同时工作频率相对较低,基于其构成的固态直流断路器开断速度也受到了一定的限制。2) 全控型固态直流断路器,由于,等全控型电力电子器件通、断均可控。因此,基于其的固态直流断路器无需附加振荡换流回路,从而可实现快速关断,减少关断时间,
8、降低切断故障电流值。年,美国德克萨斯州大学研制出基于的固态直流断路器,其拓扑结构如图所示。2.3混合式直流断路器20世纪90年代,T.Genji等人提出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,综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。混合式直流断路器根据换流关断原理的不同,可分为自然换流关断型与强制换流关断型种。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,等全控型电力电子器件构成拓扑结构见图,其分断基本原理如下：利用机械开关分断时产生的电弧电压,为固态开关已施加触发脉冲建立阳极正向电压,使其顺利导通；固态开关导通后,由于开关触点间电弧电阻大于固态开关导通
9、电阻,使得电流能够自然地从机械开关换流至固态开关,从而保证机械开关在低压小电流下顺利分断；机械开关分断后立即关断固态开关,从而切断电流通路。2 强制换流关断型混合式直流断路器的换流关断原理类似于机械式直流断路器,即也采用电感、电容串联谐振回路产生谐振电流,从而制造电流过零点实现快速开断与灭弧。其拓扑结构如图所示。该方案中固态开关部分由、功率二极管及谐振电路等构成,是一种可强制关断的半控型双向桥式开关电路。这种强制换流关断型混合式直流断路器可适用于容量较大的场合,但因固态开关采用半控型器件,且须借助谐振回路才能实现换流关断,故其结构复杂、体积较大,可控性与关断速度也要差些与图相比混合式直流断路器
10、综合了机械式断路器与固态断路器的优点,具有通态损耗小、开断快速可控、无弧微弧无响声、开关寿命长、可靠性高、无需专用冷却设备等优点,是目前高压直流断路器研发的主要方向。三、各种直流断路器在直流系统中的功能要求3.1中性母线断路器NBS对于两端换流站的每一极都有一台中性母线断路器NBS,这种断路器应满足开断在换流站极内和直流输电线上所发生的任何故障的直流电流。NBS 中的开断装置必须实现合-分-合操作循环。换言之,开断装置实现此操作循环而无需对操作机构充电。在转换失败或电动机掉电情况下,此功能可以保证开断装置到达闭合位置。3.2中性母线接地断路器NBGS每个换流站都有一台NBGS。当接地极退出运行
11、时两端换流站的NBGS 应自动将中性母线转接到换流站地网。NBGS 不要求具备大电流的转换能力,但必须能在双极运行时打开,以及将双极不平衡电流转换至接地极。NBGS 应具有下述控制和联锁装置：1接地极退出运行时,NBGS 应自动合上。NBGS只能手动打开,并配备联锁装置,当电流超过NBGS的转换能力时,NBGS 不能打开。当NBGS 在单极运行时闭合或在NBGS 闭合时换流站高压直流一极闭锁,控制和保护装置应能自动减小直流电流,并将该极切除。2NBGS 包括金属回路转换断路器MRTB、大地回路转换断路器ERTB 中的开断装置必须实现分-合操作循环,即开断装置实现此操作循环而无需对操作机构充电。
12、在转换失败或电动机掉电情况下,此功能可以保证开断装置到达闭合位置。3.3金属回路转换断路器MRTB其功能是将直流运行电流从较低阻抗的大地回路向具有较高阻抗的金属回路转移。直流电流从大地回路向金属回路的转移不应降低运行极的直流输送功率, 当运行极运行在2 h 过负荷的功率水平上也应能成功地进行这种转换。3.4大地回路转换断路器ERTBERTB 用以将直流运行电流从具有较高阻抗的金属回路转移至具有较低阻抗的大地回路。直流电流从金属回路通道向大地回路通道的转移不应引起直流功率的任何降低,对于2 h 过负荷功率的直流运行电流,这种转移也应能进行。为了满足在直流系统中的以上功能要求,直流断路器主要性能、
13、基本结构、开断原理和试验验证技术与交流断路器都有较大区别。四、直流断路器的主要性能4.1绝缘性能4.1.1额定运行电压额定运行电压是指直流断路器在规定的正常使用和性能条件下,能够连续运行的电压。选取值为：直流,kV10、12.5、16、20、25、31.5、40、50、63、80、100。4.1.2 绝缘水平及绝缘强度直流断路器绝缘水平及绝缘强度的考核指标除了额定短时工频耐受电压以外,还有额定冲击耐受电压。选取值见表1。4.2电流转换性能用于改变运行方式的断路器,如MRTB 和ERTB,在无冷却的情况下具有连续转换两次的能力,即分闸后,如果电弧不能熄灭则应使断路器再重合闸,然后再分闸。对用于保
14、护的断路器,如NBS和NBGS,则应满足转换一次的能力。这种电流转换性能是不同于交流断路器的性能要求的。这些断路器转移额定电流次数的能力即电寿命,则由具体直流输电工程的运行要求来确定,一般不低于1 000 次。而对于MRTB 及ERTB 每年在无冷却的情况下,只允许进行两次连续转换。允许的转换电流应根据直流系统的额定连续过负荷条件来确定。直流断路器需转换的电流由下列之中选取直流,A：800、1 000、1 250、1 600、2 000、2 500、3 150、4 000、4 500、5 000。4.3环境耐受性能直流断路器在周围环境条件作用下,都应能可靠工作。这些条件主要有4.3.1 海拔高
15、度由于高海拔地区大气压力低,耐压水平随之降低, 要求安装在1 000 m 以上地区的直流断路器外绝缘应进行修正。4.3.2 环境温度环境温度过低会使断路器的润滑油粘度增加,影响断路器的分、合闸速度,还会使SF6气体液化,降低开断性能。环境温度过高,会导致断路器导电回路温度升高,断路器内部SF6气体压力随之增高。4.3.3 污秽等级由于直流输电的静电吸尘效应,绝缘子的积污和污闪特性与交流的有很大不同,由此引起的污秽放电比交流的更为严重,合理选择直流断路器绝缘件的爬电比距对于提高运行水平非常重要。五、直流断路器的开断原理实现直流开断的首要条件是使电流过零,不同的直流开断方法均基于这一基本思想。以下简要介绍几种最主要的直流开断方法的基本原理。5.1限流开断法限流开断法的基本原理是利用直流断路器开断时产生足够高的电压,由于此电压与电源电压相反,当其与电源电压相当时,可限制短路电流,使其过零开断。为提高断路器开断时产生的电压,一种方式是利用电弧电压, 另一种方式是采用分段串入电阻的方式,见图2。图2中,一般采用拉长电弧、利用金属栅片将电弧分割为串联短弧、加强电弧的冷却和去游离等方式提高电弧电压。图2中,通过将开关S1-S3依次打开,使电阻R1-R3逐段串入电路来提高电压。此外
