高压直流断路器的研究简述
浅析高压直流断路器关键技术
浅析高压直流断路器关键技术摘要：随着可再生能源发电的发展及用户对电能要求的不断提高，传统交流电网已难以满足可再生能源发电和负荷随机波动性对电网快速反应的要求。
随着电压源型高压变流器和高压柔性直流输电技术的迅速发展，国内外对直流输电网的研究正日益深入。
在输电领域，为适应新的能源格局，基于常规直流和柔性直流的多端直流输电系统和直流电网技术成为未来的发展趋势，多端直流输电实现了多电源供电、多落点受电，是一种更灵活、快捷的输电方式以，在此基础上如果将直流输电线路在直流侧互联形成直流电网，可以有效解决新能源并网带来的有功波动等问题，在未来城市智能配电网、微网等领域也具有较大优势，对我国未来电网的建设和发展具有重大意义。
1引言直流侧故障是直流输电系统必须考虑的一种故障类型，影响到设备参数的计算和控制保护策略的设计。
与交流系统相比，直流系统阻抗相对较低，故障渗透速度更快，渗透程度更深，控制保护难度也更大。
随着多端柔性直流输电系统的发展，如何处理直流故障成为王程实践中需要考虑的关键问题。
从原理上讲，直流侧故障处理方法主要有3类：一是通过换流器闭锁实现故障的自清除；二是通过交流断路器的动作使故障点与交流系统隔离；＝是通过直流断路器的动作使故障点与交流系统隔离。
采用晶闸管的常规两端直流输电系统即采用第一类方法，在直流侧故障发生时，通过强制移相使两侧换流器进入逆变方式，使弧道电压、电流迅速降低为零，实现直流侧故障快速消除，可用于易发化闪络等暂时性故障的架空线路，而对于柔性直流输电系统，目前采用的两电平、电平换流器和模块化多电平换流器均不具备闭锁能力，换流器新型拓扑尚未成熟，实际工程中仍采用断开交流侧断路器来清除直流侧故障，但这样往往需要短时停运整个系统，导致交流侧特别是弱交流系统收到较大冲击，增加了系统失稳的风险，同时降低了柔性直流输电系统的可利用率。
2高压直流断路器的技术发展趋势2.1机械式高压直流断路器的发展现状机械式高压断路器通常采用将交流断路器（少油式断路器，真空式断路器等）改造之后用于直流系统之中以实现电路的开断。
混合式高压直流断路器关键技术研究
Telecom Power Technology设计应用技术 2023年5月25日第40卷第10期· 35 ·Telecom Power TechnologyMay 25, 2023, Vol.40 No.10祝友成：混合式高压直流断路器关键技术研究路器中几个关键参数之间的关联，如电压与电流间的关系。
由能量守恒定律可知，电弧现象模型可表示为loss d d qe i P t=⋅− （1）式中：d q /d t 为单位长度时，电弧中能量变化率；e ·i为电弧单位长度时所输入的功率；P loss 为电弧单位长度时所释放能量。
电弧模型可表示为22c 2c d ln 1d u u g t u τ−=（2）式中：g 为电弧的电导；τ为时间常数；u 为电弧电压；u c 为电弧电压常量。
通过式（1）与式（2）可知，电弧电压、电弧电导、电弧电压常数与时间常数之间的关系。
对于高压直流输配电系统，此模型可准确描述电弧的外部特性，对于研制机械式高压DCCB 具有指导意义。
2 固态高压DCCB 关键技术固态高压DCCB 主要由电力电子器件构成。
然而高压直流输配电系统的容量较大，单个电力电子器件的额定电压、额定电流不能满足要求。
因此，需采用电力电子器件串并联实现增加固态高压DCCB 的额定电压与额定电流。
由于电力电子器件制造时存在参数差异以及性质差异，其串并联时，将导致分压不均与分流不均问题。
2.1 串联分压不均原因以绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor ，IGBT ）为例，共有2种工作过程，分别为静态过程与动态过程。
IGBT 共有4种工作状态，分别为关断过程、开通过程、导通过程以及阻断过程。
IGBT 的静态过程-导通过程中，其压降较低，各器件的压降不同时也可正常工作。
而阻断过程中，IGBT 的漏电流、阻断阻抗分布不均，IGBT 器件的分压不均，将导致部分IGBT 两端的电压超过额定电压，进而损害器件，因此在阻断过程中需采用均压策略。
高压直流断路器目前的研究概况
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。
直流断路器技术发展综述
直流断路器技术发展综述摘要：直流输配电与交流输配电相比，采用直流输配电网络不仅可将可再生能源与传统能源广域互联，充分提高可再生能源的利用率，而且可降低线路损耗，增加传输容量与传输距离，同时解决系统同步运行的稳定性。
高压直流断路器技术是近年来解决直流输配电的热点技术之一。
本文主要分析直流断路器技术发展，以及其应用防护体系，以供参考。
关键词：高压直流断路器；机械本体；机械电子1高压直流断路器技术概述从高压直流断路器发展史来看，高压直流断路器大体可分为3大类型：基于机械开关（常规机械断路器）的高压直流断路器，基于电力电子器件的全固态高压直流断路器，以及混合式高压直流断路器。
直流断路器通常是由交流断路器改造之后得到的，具有运行稳定、带载能为强、开断容量大、通态损耗小等优点。
2高压直流断路器专利发展分析直流断路器由于分为机械本体和机械电子部分两大类，其中机械本体的发展历史比较久远，从20世纪60年代开始，直流断路器的发展大致经历了以下3个主要发展阶段：第1阶段（1966—1991年）为萌芽期。
该阶段属于全球直流断路器的萌芽阶段，其年原创申请量均处于200件以下，且各年申请量呈现波动状态，发展速度持续维持在较低水平，未形成规模效应。
第2阶段（1992—2005年）为发展期。
全球直流断路器得以被具有前瞻性的研究机构与企业所逐步重视，其原创专利申请量也随之呈现整体上升的趋势，基本进入一个良性稳定发展阶段。
第3阶段（2006年至今）为增长期。
全球能量管理技术越来越受到业界关注，随着全球各大公司和研究所的加大投入，该领域的专利申请量也出现明显快速增长，每年全球范围内的原创申请量以几百的速度递增，且年均增长率基本保持稳定。
ABB、三菱、东芝、日立、西门子、国家电网、伊顿、通用电气、平高、阿尔斯通。
其中排在前三名的ABB、三菱、东芝3家企业申请量相差不大，均在800件上下，尤其ABB申请量快接近900件；在排名前十的申请人中，日本的3家企业三菱、东芝、日立分别占据第二至第四名，尤其三菱、东芝两家企业申请量与第一名ABB相差不大，其次欧美企业占据5个席位，进一步说明欧美以及日本发达国家在高压直流断路器起步早，申请量大；相对而言，中国企业只有国家电网和平高集团，而且排名相对靠后，反映出中国企业高压直流断路器发展起步晚，同时也反映出对高压直流断路器的研发投入不如国外企业，难以形成技术优势。
高压直流断路器及其关键技术
高压直流断路器及其关键技术随着电力系统的不断发展，高压直流断路器在保护电力系统安全运行方面发挥着越来越重要的作用。
本文将详细介绍高压直流断路器的背景、概述、关键技术以及应用领域，帮助读者更好地了解这一重要技术。
高压直流断路器是直流输电系统中不可或缺的一部分，主要作用是在系统发生故障时迅速切断电流，保护电力系统免受损坏。
随着直流输电技术的广泛应用，高压直流断路器的性能和可靠性成为了影响整个电力系统安全运行的关键因素。
高压直流断路器是一种能够在大气压或更高电压下切断直流电流的开关设备。
其基本原理是通过强制换流或机械开关的断开来实现电流的切断。
高压直流断路器可以根据不同的分类标准进行划分。
根据操作性质，可分为电磁操作断路器和机械操作断路器；根据断口数量，可分为单断口断路器和多断口断路器。
每种类型的断路器都有其独特的特点和适用场合。
高压直流断路器广泛应用于电力系统的各个领域，如工业、商业和家用电器等。
在这些领域中，它扮演着保护电路和防止故障扩散的重要角色。
开关技术是高压直流断路器的核心，其性能直接影响到断路器的切断能力和可靠性。
目前，常用的开关技术包括真空开关、六氟化硫开关和金属氧化物电阻器等。
保护技术是高压直流断路器的另一个重要方面。
在系统发生故障时，保护技术可以迅速切断电流，防止故障扩大。
常用的保护技术包括电流保护、电压保护和功率保护等。
测量技术是高压直流断路器的重要组成部分，能够准确检测电路中的电流、电压和功率等参数。
常用的测量技术包括电流互感器、电压互感器和功率因数表等。
控制技术是高压直流断路器的关键之一，它能够控制断路器的操作和保护动作。
常用的控制技术包括继电器、接触器和微处理器等。
在工业应用领域中，高压直流断路器主要用于保护各种工业设备，如电机、变压器和电路等。
它还可以保护工业生产过程中的各种自动化设备和流水线。
在商业应用领域中，高压直流断路器主要用于保护各种商业设施的电路和设备，如写字楼、商场和酒店等。
探究高压直流断路器开断试验方法
探究高压直流断路器开断试验方法高压直流断路器是电力系统中的重要设备，用于保护电网安全稳定运行。
其主要功能是在电网故障时迅速断开故障环路，防止故障扩大，从而保护电网和设备的安全运行。
为了确保高压直流断路器在实际运行中能够可靠地进行开断操作，需要对其进行开断试验。
本文将探究高压直流断路器开断试验的方法。
一、开断试验概述开断试验主要包括电流开断试验、容性电流开断试验和短路电流开断试验。
电流开断试验是指在额定电压下，对高压直流断路器进行定时开断试验，以验证其在额定电流条件下的可靠性；容性电流开断试验是指在额定电压下，对高压直流断路器进行定时开断试验，以验证其在容性负载条件下的可靠性；短路电流开断试验是指对高压直流断路器进行短路电流开断试验，以验证其在故障状态下的可靠性。
1. 电流开断试验方法电流开断试验是验证高压直流断路器在额定电流条件下进行开断的可靠性。
试验方法主要包括以下几个步骤：（1）接线：首先将高压直流断路器与试验设备、电源及负载等设备进行正确接线，并进行必要的安全措施。
（2）设定参数：根据试验要求，设定试验参数，包括额定电压、额定电流、开断时间和试验次数等。
（3）试验操作：打开电源，使高压直流断路器通电，在规定的试验参数下进行定时开断试验。
（2）设定参数：同电流开断试验方法。
（5）分析结果：根据试验数据对试验结果进行分析，验证高压直流断路器在容性负载条件下的开断可靠性。
（4）记录数据：及时记录试验数据，包括短路电流值、短路时间、试验次数及试验结果等。
三、开断试验注意事项在进行高压直流断路器开断试验时，需注意以下几个事项：1. 安全防护：在进行试验前，需对试验设备和电源进行检查，确保安全可靠。
需对试验人员进行必要的安全培训和防护措施，确保人员安全。
3. 数据记录：在试验过程中，需及时记录试验数据，包括试验参数、试验结果和试验过程中的异常情况等，以便后续分析和归纳。
4. 分析结果：在试验结束后，需对试验数据进行分析，验证高压直流断路器的开断性能，对试验结果进行总结和归纳，为后续的设备运行和维护提供参考依据。
高压直流断路器研究简述
高压直流断路器研究简述摘要：高压配电技术在近年来得到飞速地发展，直流输电与高压交流输电相比，具有费用低，线损较小，可靠性较高等特点。
高压直流输电也因它独特的优点受到国内外业界的高度重视。
高压直流断路器的研发也成为人们关注的焦点之一。
直流系统中的短路故障的短路利用高压直流断路器来开断电流，具有安全，方便的特点。
高压直流断路器因此被人们大量所使用。
关键字：电弧；电流过零点；开断电流；振荡电路高压直流断路器的研究中仍存在几大难点：由于直流系统电流没有自然的过零点，因此产生的电弧就不容易被熄灭，开断电流时的灭弧问题就成了高压直流断路器的一个研究难点。
1.直流断路器的开断原理高压直流输电系统的重大难题是开断电流。
由于直流电流无自然地过零点，如果采用强制开断电流的方法，由于从机械开关动作的开始到回复耐压能力需要几十毫秒的时间，因此达不到速动。
而且强制开断电流会产生电弧，而且所产生的电弧能量非常大，因此会严重的威胁设备的安全。
2.直流断路器的开断方法2.1振荡式开断法。
其原理是利用交流断路器来进行电流的开断。
这个过程需要强迫电流产生过零点，此处需要用到振荡电路。
为了保证电弧完全熄灭，不再发生燃弧，直流回路的能量需要被吸收，这里可以用金属氧化避雷器进行吸收。
振荡强迫电流过零有两种方式。
一种为自能振荡产生电流振荡利用电弧的负阻特性和自身的不稳定性。
另一种是他能振荡方法，需要对电容进行充电，然后电容会在电感的作用下向电弧的间隙进行放电，因此就会有振荡电流产生。
2.2增大电弧电压。
这种形式的直流断路器方便实现。
主要应用在一些电压等级较低的场合，如地铁等区域。
对于特别高的直流电压并不适用，所以额定电压要求不超过3KV。
当断路器开断形成断口后，可通过磁吹方式把电弧引进栅片，通过拉长电弧来对电弧电压提高。
各个小电弧会产生多对电极，没段电弧都有接近电极的电压，通过这种方法增大了电弧的电压。
这应用了电弧的电压的的升高，可以使直流断路器的开断性能提升。
高压直流断路器及其关键技术研究
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高压直流 断路器 及其关Байду номын сангаас 技术研 究
郭跃 男 ’ 佟 利 民 。 柳 贡强 ， 高 颖 ， 张 健 ’ １ ５ ０ ０ ３ ０ ２ 、 国 网 大 庆供 电公 司， 黑龙 江 大 庆 １ ６ ３ ４ ５ ８ ） （ １ 、 黑龙江省 电力科学研 究院 ， 黑龙江 哈 尔滨 摘 要： 在 高速发展 的经济的推动之 下， 我 国的高压 柔性 直流输 、 配 电技术得到较快 的发展 ， 为 了确保直流输 、 配电技 术的稳定运行 ， 研 究人 员研 发 了高压直流断路 器来确保上 述技 术的正常使 用。然而 由于研究阶段存在技 术瓶颈 ， 使得 高压直流断路 器存在的缺陷难以快 速得到解决 ， 因而电路 的短路故 障难 以快速 消除， 所以， 着重介绍 了高压直流断路 器及 其关键技 术的基本 内容 ， 旨在 帮助技 术人 员找 到合
适的方法来充分发挥直流断路器的作用。 关键词 ： 高压 直 流 断路 器 ； 关键 技 术 ； 发 展 趋 势
为 了提高高压直流 断路 器的运行效果 国家有关部 门必须要 加 虽然 与国外发达 国家相 比， 我 国的技 术水平相 对落后 ， 但我 国 术 ， 的高压直流断路器技术仍然取得 了较 大的进 步。研 究人员指 出， 我 大物理数学模型和黑盒模型电弧的研究力度 ， 从 而提高技术人 员对 进 而充分发挥直流断路器的作用 。 国新研 制而成 的高压直流断路器 的功能更加 多样化 ，具 体表现如 电弧 的认识程度 ， ２ ． ２电力电子器件 串、 并联的均压 、 均流策略简介 下： ａ ． 新型的高压直流断路器 的开断速度将得到大幅度提高 ． ｂ ． 该 断 为了提高 高压 直流断路器的运行效率 ， 研究 人员必须要正确选 路器 的寿命将会长于传统的断路器 ． ｃ ＿ 其可靠性将高于传 统断路器 然后 采取 正确 的方 案和策略来 完成电 的水 平 ； ｄ ． 新 型高 压直流 断路器具 有无 （ 微） 弧无 响声的优点 等等 。 取 电力 电子元件 的连接模式 ， 均流处理 。在 对串联 的电力电子器件 进行 均压 为了充分挖掘高压直流 断路器 的功能 ， 技术人员必须要 加大高压直 力电子器件 的均压 、 流断路器及其关键技术 的研究力度 。 处理的时候 ， 若 电力 电子器件处 于稳定 阻断的工作状态 ， 那么 串联 的电力 电子器件就会 出现分压不均 的现象 ， 严重的话 可能会毁 坏电 １高压直流断路器简介 力电子器件 。在对并联 的器件进行均流处理 的时候 ， 饱 和压 降小 的 １ ． １ 高压直流断路器所处的环境 当今 时代 ，国家有关部 门正在大力倡导经济 的可持续发展 ， 然 器件毁坏的几率较大 。 而经济 的飞速发展却使得人们不得不 利用更多的 电力资源 ， 因此传 ２ ． ３ 直流断路器中相关 辅助回路 的设计过程简介 统 的交流 电网已经不能满足经济 的发展 要求 ， 对此 国内外 大力 开展 除了开断部分拓扑结构 ， 直 流断路器还 必须要在辅助 电路 的支 了直流输 （ 配） 电 网的研究 工作 ， 并在近距离 、 小容 量的输 电场 合 中 持下才能发挥作用 。 一般情况下 ， 辅 助电路主要 由缓冲电路 、 吸收回 实现 了直流输 电的有效应用 ， 在一定程度上 降低 了电力资源在传输 路和其他辅 助电路组成 。以缓 冲回路为例 ， 技术人员必须要将缓 冲 过程 中的损耗 ， 为电力资源使 用者提供更加优 质的 电力 资源 ， 因而 电路并联接 人拥有 固态开关部分的 电路之中。 在一定程度上提高 了我 国经济 的发展 速度 ， 为经济 的可持续发展做 ３高压直流断路器关键 技术 的未来发展趋势 出 了较 大 的贡 献 。 ３ ． １ 机械式高压直流断路器 技术 的未来发展趋 势 １ ． ２直流配网技术的发展情 况简介 对于机械式高压直流断路器来说 ， 它是交流断路器改造 之后的 目前 ， 国内外为 了实现经济的可持续发展 ， 正加大新能源 、 新 材 成 果 ， 此断路器可应用 于直流电 网系统 中 ， 主要 的工作 任务是 完成 料、 新技术 的研究力 度 ， 并 且将上述 内容应用于 日常的经济活 动之 电路的开断。目前 ， 此断路器在使用 过程 中容易 出现电弧 ， 为了提高 中， 在此 背景下 ， 电力需求 者需要更加稳定 和优质 的电力资源来 开 直流 电网的稳定性 ，技术人员将对 该断路器进行进 一步 的改 造工 展Ｅ ｌ 常经 营活动 ， 为了降低电力资源的成本 以满足 电力需求 者的需 作 ， 旨在通过振荡换流回路来 防止 电力 电子器件出现烧毁 的现象 。 求， 技术人 员将传统 的交流配 电网更 改为直流 的配 电网 ， 此举 大大 ３ ． ２全 固态高压直流断路器技术 的未来发展趋势 提高 了电 网的供 电容量 ， 而且消 除了交流 电网存在 的缺陷 ， 为储 能 直流 电网越来 越为人们所 接受 ，随着技术人 员研究 的不 断深 电站 的接入提供 了较好 的条件 。由于直流 配电网出现的时间较短 ， 人 ， 全 固态断路器也逐渐 出现在直流 电网之中 ， 该 断路器具有 如下 并且直 流配 电网技 术的研究还处 于起步 阶段 ，随着研究 时间 的延 几项优点 ： 该 断路器不需要触头 ， 能快速完成投切工作 ， 具 有较 长的 长， 直流电网的性能将得到大幅度 提高。 寿命 ， 随着电力 电子技术 的高速发展 ， 全控型和半控 型固态直 流断 １ ． ３ 研 究高压直流断路器过程中存在 的问题 路器 的开断速度将进一步得到提升。 为 了给 电力需求者提供更加优质 的电力 资源 ， 技术人员必须要 ３ ． ３混合 式高压直 流断路器技术 的未来发展趋 势 尽量提高高压直流断路器 的容量 ， 从而加快直流配 网工程 的发展速 混合式断路器是 由机械开关和电力电子器件并联而成。该断路 度， 提高 我国电力 系统运行 的稳 定性 。然而在技术人员研究高压直 器拥有 机械式和 固态 断路器的优点 ， 具体体现 在通 态损耗小 ， 无需 流断路器 的过 程中仍然存在如 下几点问题 ： ａ ． 直流 故障电流难 以迅 专用冷却设备和寿命长等方面。 混合式直流断路器成为技术人 员主 速开断 ， 所 以一 旦直流 电网出现故 障 ， 短路部位 的 电流将会 快速上 要研究 内容 。 升， 因 而容 易使 该部位 的机械设备 出现烧毁 的现象 ； ｂ ． 高压 直流 系 结束 语 统 中电力 电子器件 串并联的数量 问题难 以得 到解决 ，通常情况下 ， 近几年来 ， 高压直流断路器逐渐成 为直 流电 网中的重要组 成部 要想实现 电力 电子器件的安全运行 ， 技术人员主要采用 串联 的方式 分 ， 为 了确保 直流电 网的安全运 行 ， 技术人员必须要加 大高压直 流 来实现 电力 电子器件 的连接 ， 然而在高 压的环境下 ， 串联 的电力 电 断路器及其关键技术的研究力度 ， 以期为 电力资 源需求者 提供所需 子器件无 法实现安全 运行 ， 因此 ， 技 术人员要采用 并联或者 混联 的 的电力资源 ， 确保经济 的持续增长 。 方式来实现电力电子器件的连接 ， 这就意味着增加直流断路器 的体 参 考文献 积， 这将 给均 压工作带来 巨大的麻烦 。 【 １ １ 江道灼， 张弛， 郑欢， 叶 李心， 严玉婷 ． 一种限流式混合 直流 断路 器方 案［ Ｊ ］ ． 电力系统 自动化 ， ２ ０ １ ４ ． ２ （ １ ４ ） ： １ １ １ — １ １ ２ ． ２ 高压直流断路器关键 技术简 介 ｆ ２ １ 魏 晓光 ， 高冲， 罗湘， 周万迪， 吴亚楠． 柔性直流输 电网用新 型高压直 ２ ． １ 电弧模型理论的简介 Ｊ ］ ． 电力 系统 自动 化 ， ２ ０ １ ３ ． １ ０ （ ３ ７ ） ： １ ２ ０ － １ ２ １ ． 通常情况下 ， 电弧是 在断路器 开断电路 的瞬间产生 的 ， 它 实质 流 断路 器设 计 方 案 『 ３ ］ Ｊ Ｏ ￣ 广平。 王振 刚＇ 董琦， 温 家良， 王秀环， 王郁峰． 一 种高压直流断路 器 上是一团温度极高的发光导电气体 ，该气体 出现在触头 间缝 中 ， 是 ｆ Ｊ 】 ． 水 电能 源科 学 ， ２ ０ １ １ ． １ ２ （ ２ ９ ） ： １ ３ ５ — １ ３ ６ ． 在击穿效应的作用下产生的。 从电弧的生成到熄灭分别要经过一个 的 电路 构 成 及 其 试 验 方 法 ［
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高压直流断路器的研究简述文章综述了高压直流断路器的研究背景和应用现状，简要介绍了高压直流断路器在高压直流输电中的作用；高压直流断路器的主要性能指标以及高压直流断路器的种类及其原理结构；高压直流断路器灭弧方式的物理设计，重点说明了高压直流断路器的开断原理；对高压直流断路器进行了分类，并介绍了世界先进水平的高压直流断路器；总结了现今高压直流断路器研究的技术难题和未来的发展方向。
标签：高压直流输电；高压直流断路器；开断原理1 概述高压直流（HVDC）输电系统是由整流器、高压直流输电线路以及逆变器组成，其中整流器和逆变器统称为换流器。
从结构上看，高压直流输电是交流-直流-交流形式的电力电子换流电路[1]。
自从1954年瑞典哥特兰的世界上第一项高压直流输电工程投运以来，高压直流输电技术已经随着电力电子技术的突飞猛进而飞速发展[2]。
高压直流输电系统主要有两个作用[3，4，5]：一是将频率不同或频率控制策略不同的交流系统联接起来；二是增长输电距离以及增大输电容量。
我国现有的特高压直流示范工程有三个，分别是南方电网公司的云广±800kV 特高压直流输电示范工程，国家电网公司的向上±800kV特高压直流输电示范工程和锦苏±800kV特高压直流输电示范工程。
与交流输电比较，直流输电主要有以下优点：输电损耗小、线路造价低；电压压降小；直流输电不要求与电网同步；可分期建设，提高投资效益[7]。
高压直流输电工程的结构中，直流断路器是至关重要的设备之一。
研制高压直流断路器主要需要突破三个难点[8，9]：一是直流输电电流没有过零点，增加断路器的灭弧的难度；二是直流输电回路的电感很大，而需要开断的电流往往也很大，导致直流断路器需承受巨大的能量；三是直流输电的过电压高。
2 高压直流断路器的基本构成和开断原理2.1 高压直流断路器的基本构成开断直流电流一直是高压直流输电系统中的重大难题之一。
主要原因是直流电流没有自然过零点，必须强迫电流过零才能熄弧。
另外在开断电流过零，电弧熄灭时，直流系统中仍存储着巨大的能量需要释放，这部分能量在断路器两端可能产生很高的过电压从而造成开断失败。
高压直流断路器的基本构成如图1所示[9]。
高压直流断路器是由：QB装置，振荡回路，耗能元件组成。
QB装置通常采用传统的真空断路器和SF6断路器改造而成，QB装置为了获取较低的电弧电压，需要加装辅助回路，包括有源辅助回路和无源辅助回路两种。
振荡回路用于强迫直流电流过零点，最常用的是LC振荡回路。
耗能元件用于吸收回路中存储的能量，通常采用金属氧化物避雷器（MOA）。
2.2 高压直流断路器的开断原理2.2.1 高压直流的开断方式目前可行的开断方法主要有以下几种[10]：（1）限流式开断法。
主要原理是利用装置把电弧拉长致使系统电压无法维持燃弧而熄灭。
（2）振荡式开断法。
其基本构成如图1所示，基本原理如2.1所述：首先利用振荡电路强迫电流过零点，接着利用交流断路器开断电流，最后利用金属氧化物避雷器吸收直流回路的能量，确保灭弧不重新燃弧。
这是最常用的开断方法。
（3）其他的开断方法。
例如用可关断晶闸管GTO串联构成的直流断路器，但造价高且可靠性差[11]。
2.2.2 高压直流断路器的开断原理。
这里主要介绍振荡式开断法的开断原理。
振荡式开断法强迫电流过零的方法有两种[12]：一是他能振荡方法（无源型[13]），如图2所示；一是自能振荡方法（有源型），如图3所示。
他能振荡方法的原理是：先向电容器C充电，然后电容器C通过电感L向电弧间隙放电，产生振荡电流，强迫电流过零。
他能振荡方法对电路的操作过程如下：闭合Kch向储能电容器C充电；Kch断开，断路器CB开断；CB中会有电弧出现，这时闭合Kcon，产生振荡电流，形成电流过零点。
可见，他能振荡方法步骤较为复杂且可靠性较差，对重合闸操作不利。
自能振荡方法的原理是利用电弧自身的不稳定性和负阻特性产生电流振荡。
当断路器CB触头断开后，产生的电弧电压向储能电容器C充电。
由于电弧的不稳定性，电弧电压产生波动，使电容器C与CB间的电弧有一个充放电过程，产生充放电电流，电弧的负阻特性使充放电流的振幅不断增加。
电弧的负阻特性如图4所示。
其电路方程为：LC■+C■+i=0 （1）LC■+rC■+i=0 （2）电弧电阻r=■<0（i是增幅振荡），当电流的振幅等于所开断的电流时，在断路器触头之间产生电流过零点。
自能振荡方法避免了他能振荡方法所必须的许多设备，简化了换流电路，且即使电流过零后重燃，也不影响电流过零点的形成，这样省去了过零点形成时间与触头开距之间的配合问题。
图3 自能振荡方法3 高压直流断路器的分类和主要性能从安装环境角度划分：如图5所示为双极送电端（左）、受电端（右）换流站直流断路器配置图。
按照安装环境划分，可分为以下四种断路器[4]。
（1）中性母线断路器NBS。
对于两端换流站的每一极都应设有一台中性母线断路器NBS，NBS应满足能开断任何故障类型的直流电流。
NBS的开断必须实现合-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，此功能能确保开断装置返回闭合状态。
（2）中性母线接地断路器NBGS。
每个换流站都要有一台NBGS。
当接地极退出运行时两端换流站的NGBS应自动将中性母线转移到换流站地网。
NGBS不要求具备大电流转换的能力，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。
（3）金属回路转换断路器MRTB。
MRTB的主要作用是将直流运行电流从较低阻抗的大地回路转向较高阻抗的金属回路，并且所转移的直流输送功率不应下降，应满足即使在长时间的过负荷功率水平下也能进行转换。
（4）大地回路转换断路器ERTB。
ERTB的作用与MRTB相反，是将直流运行电流从较高阻抗的金属回路转向较低阻抗的大地回路。
同样ERTB所转移的直流输送功率不应下降，应满足即使在长时间的过负荷功率水平下也能进行转换。
从技术角度划分[14]。
（1）机械式断路器，这是以传统的交流断路器灭弧技术为基础改造而成的直流断路器。
（2）真空/等离子断路器，使用高压真空系统/等离子管的断路器。
（3）电力电子直流断路器，例如有基于高电压、高电流晶闸管换流器，基于IGBT换流器等。
（4）超导断路器，利用在超导和常温状态下电阻快速变化的超导材料制造而成。
以上前两种均是基于前面所提到的借助于辅助振荡电路实现灭弧的断路器，区别是所采用灭弧方式和介质不同。
后两种是目前世界上最先进的、处在研发阶段的具有高开端容量的直流断路器。
值得一提的是，ABB在2012年11月宣称开发了世界上第一台混合式高压直流断路器。
这一研究成果将机械动力学与电力电子设备相结合，可在5ms之内开断一所大型发电站的直流输出电流，设计参数：额定直流电压320kV，额定直流电流为2kA，电流开断能力为9kA。
阿尔斯通电网在2013年2月宣称已研制出最佳性能的高压直流断路器样机，并通过了开断电流超过3kA、开断时间小于2.5ms的实验。
4 存在的问题和未来的研究展望尽管直流断路器利用了现有的交流断路器的技术，但两者之间还存在着一定的差异。
也就是说，直流断路器还有许多问题需待解决，才能得到不断地完善。
直流断路器有待解决的问题可以归纳为如下几个方面[4，15，16，17]：（1）优化直流断路器电路的元件尺寸，包括电容器、电抗器、变阻器等元件的尺寸，以优化基本的高压直流断路器的结构。
大的研究方向是缩小元件的尺寸，减小直流开断时间以及降低造价；（2）研究各种情况下气体绝缘或者真空开关的不同电弧特性，以优化开断直流电弧的振荡上升速度和断路器的开断能力；（3）研制动作更快的机械开关或者隔离开关，并且这些开关应该具有更高耐压能力和更低的损耗；（4）研制纯净的半导体开关器件，这些开关器件应该具有非常小的导通损耗；（5）通过技术改进，将中压直流断路器的应用扩展到更高水平的电压等级；（6）研制中高压故障限流器；（7）完善高压直流断路器控制保护，提高高压直流断路器工作的安全性和可靠性；（8）不断开发新的高压直流断路器（或者单个组件）的试验方法；（9）不断完善多端高压直流输电系统的标准和规范。
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