高壓直流斷路器目前的研究概況如何？

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1.前言

高壓直流斷路器的研製難點有三：一是直流電流不像交流電流那樣有過零點，所以滅弧比較困難；二是直流迴路的電感較大，所以需由直流斷路器吸收的能量比較大；三是過電壓高[1,2]。

高壓直流斷路器可以分為機械式高壓直流斷路器(mechanical HVDC circuit breaker)、固態高壓直流斷路器(solid-state HVDC circuit
breaker)與混合式高壓直流斷路器(hybrid HVDC circuit breaker)。

機械式直流斷路器可以關斷非常大的電流，並具有成本低、損耗小等優點，但其開斷速度較慢[3-4]。

固態直流斷路器開斷速度迅速，但其相關損耗較高，且價格昂貴[3,5]。

為克服兩者的缺點，通過將機械式直流斷路器和固態直流斷路器集成在一個裝置上，從而形成混合式斷路器。混合式直流斷路器結合了機械開關良好的靜態特性與電力電子器件良好的動態性能，用快速機械開關來導通正常運行電流，用固態電力電子器件來分斷短路電流，具有通態損耗小、開斷時間短、無需專用冷卻設備等優點，是目前高壓直流斷路器研發的新方向，有著廣闊的應用前景[6-7]。

下面將著重介紹混合式高壓直流斷路器的研究概況。

2 混合式高壓直流斷路器的研究概況

2.1 ABB——混合式高壓直流斷路器

2012年，ABB 的混合式高壓直流斷路器技術被《麻省理工科技創業》評為 2012 年度最重要的十大科技里程碑之一。該混合式高壓直流斷路器的基本結構如下圖所示，主要包括機械式開關支路a（快速機械隔離開關b+負載轉換開關c）和半導體開關支路d（半導體斷路器e+避雷器組f）。

當直流線路正常運行時，半導體開關支路處於斷開狀態，快速機械隔離開關和負載轉換開關導通併流過直流電流。
當檢測到直流線路發生短路時，首先導通半導體斷路器，關斷負載轉換開關，線路上的電流轉移到半導體開關支路上，負載轉換開關承受半導體短路器的導通電壓。
由於快速機械隔離開關此時流過的電流為零，快速機械隔離開關迅速打開。
當快速機械隔離開關打開後，半導體斷路器開關斷開，直流線路上的能量通過與半導體斷路器並聯的氧化鋅避雷器吸收，短路電流下降。

ABB 所設計的半導體斷路器單元設計圖如下圖所示，採用IGBT作為半導體開關，並進行閥組串聯。

該混合式高壓直流斷路器通過開斷短路電流8.5kA的短路試驗，其開斷時間為5毫秒[8]。

2.2 ALSTOM——混合式高壓直流斷路器

2014年阿爾斯通完成其混合式高壓直流斷路器原型產品的測試工作。該混合式高壓直流斷路器的基本結構如下圖所示，主要包括旁路開關（UFD + PES）、半導體開關支路1（晶閘管+避雷器）、半導體開關支路2（晶閘管+電容器）和避雷器組。

阿爾斯通所設計的半導體斷路器單元設計圖如下圖所示。

在測試過程中，該混合式高壓直流斷路器所切斷的電流超過了5.2kA，開斷時間為5.5毫秒[9]。

2.3 國網智能電網研究院——混合式高壓直流斷路器

2015年，國網智能電網研究院研製的混合式高壓直流斷路器順利通過中國電機工程學會技術成果鑒定。該混合式高壓直流斷路器的基本結構如下圖所示，主要包括主開關支路（快速機械隔離開關+H橋負載轉換開關）、電流轉移開關支路（H橋半導體斷路器）和吸收迴路（避雷器組）。

國網智能電網研究院所設計的半導體斷路器單元設計圖如下圖所示，，採用IGBT作為半導體開關。

在測試過程中，該混合式高壓直流斷路器所切斷的電流超過了15kA，開斷時間為3毫秒。

將上述三種混合式高壓直流短路器的性能參數比較如下。

參考：

[1] Flourentzou
N, Agelidis V G, Demetriades G D. VSC-based HVDC power transmission systems: An
overview[J]. Power Electronics, IEEE Transactions on, 2009, 24(3): 592-602

[2] 鮑敏鋒. 高壓直流斷路器的研製[J]. 高壓電器, 1990, 1: 007

[3] Franck C M. HVDC circuit breakers: A review
identifying future research needs [J]. Power Delivery, IEEE Transactions on,
2011, 26(2): 998-1007

[4] Bachmann B, Mauthe G, Ruoss E, et al.
Development of a 500kV airblast HVDC circuit breaker[J]. Power Apparatus and
Systems, IEEE Transactions on, 1985 (9): 2460-2466.

[5] Meyer C, Schroder S, De Doncker R W.
Solid-state circuit breakers and current limiters for medium-voltage systems
having distributed power systems [J]. Power Electronics, IEEE Transactions on,
2004, 19(5): 1333-1340

[6] Meyer J M, Rufer A. A DC hybrid circuit breaker
with ul-tra-fast contact opening and integrated gate-commutated thy-ristors
(IGCTs) [J]. Power Delivery, IEEE Transactions on, 2006, 21(2): 646-651.

[7] 江道灼, 張弛, 鄭歡等. 一種限流式混合直流斷路器方案[J]. 電力系統自動化, 2014, 38(4): 65-71.

[8] J. H?fner, B. Jacobson, 「Proactive Hybrid
HVDC Breakers – A key innovation for
reliable HVDC grids,」 (Cigré Bologna,
Paper 0264, 2011)

稍微補充一下，點對點的基於晶閘管換流的直流輸電工程（也就是國網所說的特高壓直流，或者LCC-HVDC）是不需要直流斷路器的，直接閉鎖換流閥就好了。直流斷路器解決的是多端直流網路的保護問題，畢竟不能因為一點故障把整個網路停了。多端直流網路在國內應該叫柔性直流輸電，也就是國際上說的VSC-HVDC。

看不懂，感覺好高大上

若為交流系統，拉閘後，交流電流過零後，及熄弧，這時機械開關隔離電壓已經建立，電弧不再產生，系統被隔離。直流系統，故障時電流不存在過零點，所以即便機械開關拉閘，仍會有電弧，切不會消失，及故障電流仍然存在。

補充一下吧，目前ABB GE（以前是Alstom，近期被GE收購），還有智研院都開發出了直流斷路器，採用的結構電氣小混混已經給出，原理應該已經闡明。目前來說，打斷時間應該是指故障檢測到以後，快速機械開關斷開以後，主斷路器斷開的時間。ABB為2.25 ms GE 為2.5 ms，智研院為3 ms。這三種斷路器的結構都已經發表，文獻在網上可以搜到。目前中國的高壓直流發展很快，直流斷路器已經應用於舟山5端系統。國外的斷路器目前沒有正式投運的。

有人知道阿爾斯通對自己斷路器介紹的論文嗎？

我有ABB的

關於ABB和Alstom的斷路器斷路時間應該小於2ms吧。

±800kv的直流換流站，也是亞洲最大的直流站，泰州站馬上就要投運了，裡面會有高壓直流開關。

目前我用的是真空斷路器，滅弧快，加個防電涌