中壓直流開斷技術研究綜述

中壓直流系統具有輸送功率密度大、線路損耗小、電能質量高的優點，目前已在城市配電無軌電車、地鐵、冶煉、化工、新能源等領域獲得了廣泛應用，且在國防領域也倍受矚目。中壓直流斷路器作為直流配電系統中至關重要的保護元件，是系統安全運行的保證，需要快速可靠開斷直流故障電流。與交流相比，中壓直流大容量開斷技術領域的研究工作相對滯后，已有商用化的直流開斷技術大都針對低壓系統，無法滿足中壓直流電網短路故障快速切除的需求。

中壓大容量直流斷路器的缺失使得電力系統無法選擇性地切除故障線路，從而影響到整個配電系統的運行以及功率分配，嚴重時會導致整個電網難以恢復供電。同時，直流區域短路故障對與之相聯的交流系統將帶來較大沖擊，采用直流斷路器實現故障隔離是直流配電系統安全可靠運行的保證。探索合適有效的中壓直流開斷技術，解決直流配電系統快速選擇性切除故障的難題，是未來直流電網建設的基礎條件，也是充分發揮出直流電網這一新技術優勢的前提，同時對未來直流電網的推廣應用也將產生深遠影響。

目前，國內外多個科研單位和高校院所已經開展了中壓直流開斷技術的相關研究工作，本文總結了直流開斷方面的最新研究成果，介紹分析了適用于中壓直流電網的主流開斷方案，并針對其關鍵技術及挑戰進行了討論。本文的總體結構如下：第一部分介紹了主要的直流開斷原理；第二部分回顧了近年來中壓直流斷路器的主要研究進展；第三部分描述了發展直流斷路器的關鍵技術和挑戰；第四部分總結全文并討論了中壓直流開斷技術的未來發展趨勢。

由于直流系統電流沒有自然過零點，電弧無法像交流斷路器那樣自然熄滅，因此與交流系統相比，直流系統的電流開斷更加困難，需要直流斷路器自行創造電流過零點。此外，在開斷過程中直流斷路器還需要快速耗散存儲在系統電感中的大量能量，顯著增大了直流故障電流的開斷難度。通常，可以采用2種方案在直流系統中創建電流零點。一種是基于觸頭分閘產生的高電弧電壓來抵制系統電壓，強制系統電流過零完成開斷，即傳統的空氣式直流斷路器。這種斷路器的特點是開斷容量大，并且可靠性較高，主要應用于軌道交通系統以及大型船舶電力系統。但是，這種方案的應用電壓等級往往較低，一般不超過5?kV，同時由于其機械響應速度較慢，開斷時間較長，難以抑制直流系統故障電流的快速上升。因此，對于未來10?kV等級的中壓直流配電系統，單純依靠電弧電壓實現短路電流的快速開斷將非常困難。第二種方案是基于電流轉移原理實現直流電流的快速開斷，主要包括固態斷路器、混合式斷路器和電流注入式斷路器，各種方案的具體特點如下：

固態式斷路器完全由全控型電力電子器件構成，如絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）、集成門極換流晶閘管（integrated gate commutated thyristors，IGCT）等。自20世紀70年代末被提出以來，隨著半導體技術的長足發展，開斷容量也在不斷提高。此類斷路器通過半導體器件在關斷過程中快速建立電壓而實現電流的最終開斷。由于沒有機械部件，開斷過程小于1?ms，具有無電弧、無材料燒蝕、無聲響等優點。同時，通過電力電子器件的串并聯組合可以靈活地調整通流和開斷能力。然而，當固態斷路器向著大功率、高電壓等級的方向發展時，往往需要采用大量器件進行串、并聯來實現。由于半導體器件存在造價高、通態損耗大等固有缺點，純固態斷路器在直流系統的應用受到了嚴重制約。

混合式斷路器由固態式斷路器演化而來，為了克服固態斷路器造價高、通態損耗大的缺點，研究人員提出了一種改進的替代方案，即混合式斷路器，將機械開關和電力電子器件相結合。一方面，機械開關彌補了電力電子器件通流能力不足的缺點；另一方面，半導體開關提高了機械開關的開斷能力。由于引入了機械部件，混合式斷路器的開斷時間略高于固態斷路器，約為幾毫秒。固態斷路器和混合式斷路器的開斷能力主要受電力電子器件本身的影響，同時需要解決控制信號同步、均壓和均流的問題。

電流注入式斷路器通常包含機械開關、電容器、電感器等元件，開斷過程中，機械開關首先分閘，電流在多條支路內相互轉移，使得斷口電流過零，并通過電容器建立開斷電壓，迫使系統電流下降為零，實現系統電流開斷。這種斷路器的特點是開斷速度快并且容量大，同時成本相對較低。

由機械開關和電力電子器件構成的混合式直流斷路器如圖1所示，同樣也包含3條并聯支路。能量耗散支路1由MOV組成，用于限制開斷過電壓，并吸收存儲在系統中的開斷能量。主支路2由機械開關MS構成，以承載額定電流同時在開斷時快速建立絕緣間隙。半導體支路3由多個串聯的IGBT組成，主要用于快速關斷轉移電流。

圖1 混合式直流斷路器

正常通流情況下，電流僅由MS承擔。執行電流開斷操作時，IGBT導通，MS打開。在電弧電壓的作用下，電流將從MS轉移到半導體支路，電流完全轉移后，電弧熄滅。隨后，IGBT關斷并將電流強制轉移至MOV中，實現耗能和系統電流開斷?；诨旌鲜介_斷原理，ABB研制了中壓直流斷路器樣機，額定參數12?kV/2?kA，最大開斷電流15?kA。

如圖2所示，北卡羅來納大學利用SiC新型半導體器件研制了10?kV/200?A斷路器樣機，可在2?ms內完成電流開斷。該斷路器樣機借鑒了ABB高壓混合式斷路器結構，為了確保電流從機械開關到電子開關的可靠轉移，一部分電子開關和MS串聯連接，作為負載轉移開關（load commutation switch，LCS）。通過LCS的主動關斷來實現MS的無弧打開，不僅提高了電流轉移速度，保證了電流轉移的可靠性，同時也避免了觸頭燒蝕等一系列問題。

圖2 北卡羅來納大學研制的混合式直流斷路器

在圖2所示的斷路器中，主支路LCS的存在會導致較高的額定通流損耗，但仍是目前直流開斷領域的重要發展方向：一方面由于LCS采用的半導體器件相對較少，主回路通流的損耗較??；另一方面為機械開關創造了零電流的開斷環境，大大提高了斷路器的可靠性，使其具有向更高電壓等級發展的潛力。近年來，研究者也不斷地提出改進的措施，如ABB提出在主支路和半導體支路加裝耦合電抗器的輔助轉移方案，以及使用脈沖變壓器、超導材料、非線性電阻、液態金屬限流器等來替代LCS的方案。但這些新方案僅僅停留在理論研究階段，離實際應用還需更進一步探索。

典型的電流注入式斷路器如圖3所示，由3條并聯支路所構成，分別是由金屬氧化物避雷器（MOV）構成的能量耗散支路1、主支路2和轉移支路3。正常通流時，主支路的機械開關MS保持閉合狀態并承擔所有電流，因此斷路器額定通流的損耗非常小。同時，電容器C預充有一定電壓，球隙S處于關斷狀態。

圖3 電流注入式斷路器原理圖

當斷路器需要進行分閘操作時，MS打開并燃弧。然后控制間隙S導通，利用預充電電容器C產生的反向脈沖電流來抵制MS中的電流，形成人工電流過零點，在實現熄弧的同時系統電流被轉移至轉移支路。隨著電流的不斷注入，電容電壓逐漸升高，最終超過MOV的導通閾值，迫使系統電流進一步轉移至能量耗散支路。最終系統的能量在MOV中被耗散，實現電流開斷。

由于其低成本和高開斷能力的特點，電流注入式斷路器在工程應用方面具有很大的優勢?；谠撻_斷原理，西安交通大學研制了額定10?kV/2?kA直流斷路器樣機，采用橋式轉移電路結構實現雙向開斷和斷口續流，并成功實現25?kA短路電流開斷，開斷時間小于5?ms。

為了解決傳統基于預充電電容器實現電流轉移方案中存在的電容輔助電路需要耐受開斷過電壓、轉移電容器長期帶電電壓高等難點問題，西安交通大學提出了基于磁感應轉移原理的新型電流注入式直流斷路器樣機，如圖4所示。其中，線圈L1和L2構成磁感應轉移模塊，利用原邊電容在線圈L2放電使得線圈L1上感應出負電壓，進而實現電流快速轉移。這種方案的優勢是，磁感應轉移模塊使得斷路器一次側高壓回路和二次側輔助電源回路完全電氣隔離，顯著提高開斷的可靠性；同時，原邊電容長期充電電壓較低，可以顯著提高電容壽命和長期運行的穩定性?；谠?/span>原理，西安交通大學開發了額定10?kV/2?kA，短路開斷20?kA以上的直流斷路器樣機，并且成功通過試驗測試。樣機的成本、體積較傳統的電流注入式方案有明顯的優勢。

圖4 基于脈沖變壓器的電流注入式直流斷路器

Z源斷路器作為一種特殊的斷路器，它可以在系統發生短路故障后自動地斷開系統回路。如圖5所示，Z源斷路器通常包含晶閘管T、交叉LC支路以及二極管和電阻。正常工作時T導通，并且電容器C1和C2被充電至系統電壓。當Z源斷路器的負載端發生短路故障時，C1和C2變為串聯結構，并通過短路點開始放電，一旦C1電流大于L1電流，T將被自然關斷。T關斷之后，Z源斷路器與負載形成諧振電路，輸出電壓最終振蕩至零。

圖5 Z源斷路器

Z源斷路器的缺點在于在額定通流能力受到晶閘管、電感等器件的制約。而且，這種斷路器不能關斷額定電流，在常規開斷時無法使用。相比其他開斷方案，其低成本、控制簡單、自動應對故障、組成元件不易損壞等優點使它具有工程應用的潛力。

直流系統的短路電流具有上升速度快、電流幅值高等特點，同時短路故障條件下，直流系統中儲存著巨大能量。為了避免系統及相關設備受到短路電流的電–熱–機械沖擊而發生破壞，要求直流斷路器在數毫秒內完成短路電流的開斷和電能耗散，實現短路故障的可靠切除。直流開斷技術的難點主要體現在以下3個方面。

直流短路電流開斷的難點之一在于電流無過零點，為此通常利用機械開關并聯輔助支路或者利用電力電子器件的全控特性實現電流的過零和轉移，最終由電能耗散裝置消耗系統剩余的能量實現短路故障的切除。無論是采用電流注入式開斷方法，還是采用大功率電力電子器件的混合式開斷方法，均是利用電流轉移和電能耗散的方式來實現短路電流的過零開斷，涉及電流轉移、斷口介質恢復、電能耗散等多個物理過程的配合，開斷過程復雜。其中包含高電壓與絕緣技術、放電物理、電磁場理論、電介質物理、電力電子技術等多個學科領域的交叉。

目前，雖然針對不同的開斷工況提出了多種電流轉移原理，但是不同電流轉移過程涉及的斷口絕緣恢復、組件參數匹配、耗能特性等關鍵物理過程的機理尚未揭示，相關的微觀物理機制及其調控手段也沒有深入開展研究，難以滿足未來直流配電系統對斷路器的應用需求。特別的，直流開斷過程中電流轉移速度非?？?，斷口瞬變電弧特性與傳統交流斷口的電弧特性差異巨大，電弧熄滅瞬間的電流下降率可達傳統交流開斷情況下的數十倍，并且斷口間隙短，高頻恢復電壓作用下的斷口絕緣恢復及擊穿特性尚未揭示。因此，需要圍繞直流開斷中斷口瞬變電弧的微觀機理及其弧后恢復特性復雜等難題開展技術攻關，以進一步提高開斷容量和可靠性。

直流斷路器是直流電網安全運行和保護的關鍵設備，具有不可替代的作用。目前，雖然國內外學者提出了相關的直流開斷方案，并取得了一定的研究進展，但是總體而言，直流斷路器樣機的開發和工程應用仍處于起步階段，相關的空間布局、結構優化以及工藝等沒有系統開展研究，斷路器的可靠性、穩定性以及服役壽命仍有待進一步驗證。此外，現有直流斷路器樣機的成本和體積較高，迫切需要開展新原理、新方法以及新器件在直流開斷中的應用研究，滿足直流配電系統對斷路器技術性能和經濟成本的雙重要求。

我國對中壓直流電網的應用需求廣泛，城市直流配電網絡、艦船綜合電力系統、分布式清潔能源經濟接入以及未來基于中壓直流的能源互聯網的需求也逐漸顯現。本文介紹了中壓直流開斷技術的相關研究，總結如下：

電流注入式直流斷路器結合機械開關和轉移電路，利用儲能元件的反向電流注入創造電流過零點，具有開斷容量大、成本低等優勢。電流開斷過程通過多個組件的緊密配合來實現，涉及燃弧、電流轉移、介質恢復、能量耗散等多個物理過程。轉移電路組件與機械斷口的參數選擇和匹配策略直接決定了斷路器的生產成本和開斷能力，但在直流條件下的相關系統研究卻鮮有報道。降低轉移電路電容、電感參數有利于減少斷路器體積和成本，提升工程應用優勢，但這將不可避免地引起機械斷口絕緣強度恢復不良，甚至導致開斷失敗。因此，在直流開斷條件下的斷口恢復特性研究將成為電流注入式斷路器未來發展的一個重要方向。

基于可關斷器件的混合式直流斷路器，其具有開斷速度快、限流能力強、開斷電流無電弧、維護較少等優點。但這類斷路器的性能主要受制于半導體器件，存在諸如損耗大、電力電子器件耐受過載能力低、成本高昂等缺點。隨著人們對新材料、新工藝的不斷探索，電力電子器件的關斷容量不斷提升，未來混合式斷路器將會展示出越來越大的應用潛力。         

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