中压直流断路器研究综述
高压直流断路器的研究简述
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。
断路器研究报告
断路器研究报告本研究报告主要探讨了断路器的原理、分类、结构、选型和维护等方面。
首先介绍了断路器的基本概念和作用，然后分析了不同类型的断路器的特点和应用场景。
接着详细讲解了断路器的结构和工作原理，并探讨了选型时需要注意的事项。
最后，对断路器的日常维护和故障排除进行了总结和分析。
关键词：断路器、原理、分类、结构、选型、维护一、引言断路器是电力系统中的重要保护设备，它能够在电路发生短路或过载时自动切断电源，防止电路损坏和事故发生。
随着电力系统的不断发展和完善，断路器的种类和应用场景也越来越多。
因此，对断路器的原理、分类、结构、选型和维护等方面进行深入研究和探讨，对于保障电力系统的安全稳定运行具有重要意义。
二、断路器的基本概念和作用断路器是一种电力保护设备，主要用于保护电路和电气设备不受短路、过载和地故障等影响。
当电路发生故障时，断路器能够在很短的时间内自动切断电源，避免电气设备受到损坏和人身安全受到威胁。
三、不同类型的断路器按照断路器的用途和结构，可以将其分为低压断路器、中压断路器、高压断路器和超高压断路器等不同类型。
低压断路器主要用于家庭、商业和工业电气设备中，中压断路器主要用于配电变电所和工矿企业中，高压断路器主要用于电网和大型工矿企业中，超高压断路器主要用于电网的输电线路和变电站中。
四、断路器的结构和工作原理断路器的结构主要由断路器本体、操作机构、弹簧机构、电磁铁和电器控制系统等几部分组成。
断路器的工作原理是利用电磁力和机械弹性力作用于操作机构，使得断路器本体的开闭动作实现。
当电路发生短路或过载时，电器控制系统会发出信号，使得电磁铁产生磁场，吸引操作机构，使得断路器本体迅速切断电路。
五、选型时需要注意的事项在选型时，需要考虑断路器的额定电压、额定电流、额定短路容量和使用环境等因素。
对于不同类型的断路器，还需要考虑其特殊的应用场景和功能要求。
此外，还需要根据具体的使用情况和经济条件，综合考虑断路器的性价比和可靠性等方面的因素。
直流断路器的基本原理和实现方法研究
直流断路器的基本原理和实现方法研究摘要：本文试图从直流电网的基本特性出发，研究直流断路器的直流故障电流开断原理，从而提出实现直流断路器的技术路线。
关键词：直流断路器；断流原理；串入无穷大电阻；串入电容引言直流断路器是直流电网的核心元件，为此，深入研究了直流断路器的基本原理和实现方法。
首先从理论上论述了直流电流开断的2条基本途径；其次介绍了基于故障通路串入无穷大电阻断流法的直流断路器实现方案；接着针对基于故障通路串入电容改变直流故障电流性质法提出了原理上可行的技术方案[1]。
1开断直流故障电流的2条基本途径直流电网有2种基本接线方式：其一是伪双极接线，如附录A中的图A1(a)所示；其二是与传统直流输电系统类似的双极接线，如附录A中的图A1(b)所示。
不失一般性，本文采用的电路模型来分析直流断路器开断直流故障电流的原理。
图1中：换流器是基于半桥子模块构成的MMC。
若直流线路某点发生接地短路，MMC可以有2种工作模式：其一是不闭锁模式，此时从直流侧看，MMC可以等效为一个直流电压源；其二是闭锁模式，此时MMC的行为表现为一个二极管整流器，从直流侧看，MMC可以等效为以直流电压为主但具有谐波的电压源。
不管MMC是处于闭锁模式还是处于不闭锁模式，从MMC流到故障点的电流都是单极性的，要使此单极性的电流下降到零，只有2条途径：第1条途径是在直流故障电流通路中串入1个无穷大电阻，此时不管MMC等效电压源数值的大小，直流故障电流都会下降到零；第2条途径是在直流故障电流通路中串入1个电容，使得故障通路转变为1个L−C振荡电路，从而使单极性的直流故障电流转变为交流电流，并在此交流电流第1次过零点时截断直流故障电流。
下面将对上述直流断路器开断直流故障电流的2条基本途径作进一步的分析[2]。
2快速直流断路器研究现状2.1空气式直流断路器空气式直流断路器是以交流断路器灭弧技术为基础变革而来，主要包括脱扣系统、触头系统、操作机构和灭弧罩四大部分。
直流断路器的基本原理和实现方法研究
直流断路器的基本原理和实现方法研究摘要：近年来，随着储能技术的不断进步，分布式电源的快速发展，直流负荷的日益增加，以及由于具有传输容量大、线损低、可靠性高等优势，直流电网受到了人们的关注。
建立直流电网，可以充分实现多种能源形式、多时间尺度、大空间跨度、多用户类型之间的互补，是未来电网的重要发展方向。
关键词：直流断路器；断流原理；实现方法引言：直流断路器技术是直流电网发展的技术瓶颈。
现有的混合型高压直流断路器存在成本高的缺陷，现有的机械式直流断路器开断速度慢、可靠性低。
1直流断路器的基本原理和未来发展直流电网有2种基本的构网方式：第1种构网方式采用基于半桥子模块的MMC加直流断路器方案，这种构网方式适用于端数任意多的直流电网；采用半桥子模块MMC加直流断路器的构网方式时，直流线路故障期间通常要求换流站继续运行，不能闭锁，故障线路由直流断路器快速切除，其故障处理原则与交流电网类似。
第2种构网方式采用具有直流故障自清除能力的MMC，例如采用基于全桥子模块的MMC，但无需直流断路器，这种构网方式适用于端数小于10的小规模直流电网；采用无直流断路器的构网方式时，直流线路故障期间网内相关换流器闭锁，闭锁后约10ms时间内直流故障电流到零并稳定于零值，再通过隔离开关来隔离故障线路，然后相关换流器解锁重新恢复送电，从故障开始到恢复送电的时间一般约为20ms，通常对交流电网的冲击在可以承受的范围之内。
开发直流断路器的根本难点主要在2个方面：（1）直流电网的直流故障电流是单极性的，没有过零点，无法套用交流断路器的开断原理；（2）直流电网中的直流故障电流发展速度大大高于交流电网中的故障电流，直流断路器必须在直流故障电流达到稳态值前开断直流故障电流，因此对直流断路器的开断速度要求很高。
直流断路器由其结构特点和工作原理可知，正常工作时，电流流过机械断路器，所以其通态损耗低，与机械断路器相当；发生短路故障时，流过机械开关的电流到固态断路器，固态断路器分断速度迅速，整个直流断路器分断时间小于10ms（有些拓扑结构小于6ms），能够满足目前直流输电的要求，并且可扩充容量，可重复操作，但是技术难度相对较大。
中压断路器产品常见问题及解决方案研究
中压断路器产品常见问题及解决方案研究摘要：随着我国经济的不断发展，我国各行各业的发展水平都得到显著提升，并对高压电器设备的运行质量与运行能力提出了更高要求，给高压电器设备的生产厂家施加了大量的压力。
其中，中压断路器产品是高压电器设备设计中的重要组成部分，并发挥着至关重要的作用。
现阶段，如何提升中压断路器产品的使用质量与使用效果已经成为社会广泛关注的课题，并受到人们的普遍重视。
本文主要就中压断路器产品常见的问题进行分析，并对存在问题的解决方案与解决措施展开探讨，希望对日后的相关研究有所帮助。
关键词：中压断路器产品；常见问题；解决方案；电力系统在我国社会和经济持续发展的推动下，我国人们的生活质量得到显著提升，并对电力系统运行的稳定性与安全性提出较高要求。
电力系统的运行能力不仅关系着人们的正常生产生活，还影响着我国社会与企业的发展进程，对我国经济的发展起到至关重要的作用。
中压断路器产品是高压电器设备的重要组成部分，不仅关系着电力系统的运行效果与运行质量，还影响着社会生产与人们的日常生活。
因此，中压断路器相关生产厂家应重视产品的使用性能与应用质量的研究，针对中压断路器产品在使用过程中常见的问题，设计有效的解决方案与解决措施，从而在提升中压断路器产品运行质量与使用效果的同时，提升电力系统运行的稳定性与可靠性，促进我国经济的快速发展。
1、中压断路器产品常见的问题及解决方案1.1、产品本体漏气问题中压断路器产品出现漏气问题是使用过程中常见的问题，据笔者对40台中压断路器产品漏气情况进行统计，调查结果显示在40台中压断路器产品中有9台存在漏气现象，漏气率高达22.5%，产品的漏气率远远超于允许范围之内。
同时，对585台中压真空断路器产品的漏气情况进行统计，调查结果显示在585台中压真空断路器产品中有62台产品存在漏气现象，漏气率10.6%。
中压断路器产品的使用质量不仅关系着高压电器设备的运行能力，还影响着电力系统的运行质量与运行效果，对社会以及人们的生产生活具有至关重要的影响。
简析混合型中压直流真空断路器的研究
简析混合型中压直流真空断路器的研究随着舰船综合电力系统的提出，电力推进方式和高能武器的出现，舰船电力系统发生革命性的变化，其地位从辅助系统变成主动力系统，容量急剧增大。
直流区域配电以其高效、灵活的优点成为系统网络的首选，舰船电力迈向中压直流系统。
舰船直流母线额定电压可达5kV,额定电流可达6kA,故障时最大短路电流上升率将达到20A∕μs以上，预期短路电流峰值时间2~5ms,峰值电流高达∏0kAo现有的舰船直流保护设备均为低压电器，不适用于中压系统，无法为舰船的中压直流电力系统提供有效保护，中压直流断路器的缺乏成为制约舰船直流电力系统进入工程应用的一个主要因素。
基于强迫换流原理的混合型直流真空断路器(HDCVB)是直流中高压开断的有效方式。
俄罗斯全俄电力技术研究所研制了额定3.3kV/3000A直流真空限流断路器，并进行了180A小电流、1.9kA近额定电流和10kA短路电流3种不同工况下的开断实验。
西安交通大学研制的人工过零真空断路器进行了4.1kA和29kA的分断实验，但停留在实验室阶段。
上述成果难于满足舰船中压直流电力系统的参数要求。
海军工程大学提出了一种基于强迫过零原理的改进拓扑结构，并在低压参数下对断路器的设计、小开距下介质恢复特性进行了实验研究，为研究混合型中压直流真空断路器奠定了基础。
笔者首先介绍基于强迫换流原理的混合型中压直流真空断路器方案，并对其关键部件斥力真空触头机构、脉冲功率组件及避雷器和换流过程进行了分析设计，最后给出了典型分断实验。
混合型直流真空断路器工作原理混合型直流真空断路器典型结构，它由斥力真空触头机构(VI)、换流电路(C-F-1-D)和避雷器(MOA)并联组成。
正常情况下，斥力真空触头机构处于合闸状态，换流晶闸管组件处于关断状态，换流电容预充电。
当传感器检测到故障电流或控制器接到分闸指令后，立即触发斥力机构驱动触头分离(t1),真空灭弧室触头分离形成真空电弧，触头间产生弧压。
中压直流配电系统保护技术研究综述
中压直流配电系统保护技术研究综述摘要：近些年，我国的科学技术水平不断进步，其中，电力电子技术的应用与发展，配电网的源荷储直流特征逐步明显，中压直流配电系统的经济技术优势显著。
直流配电保护是保障系统稳定安全运行的关键，但仍未形成成熟的技术体系。
本文试图对国内外直流配电系统保护技术的研究状况做一个系统的介绍。
文章首先概述了与保护方法制定相关的直流配电系统拓扑结构、换流设备、接地方式以及暂态故障特性等内容。
其次，对目前普遍研究和应用的直流配电系统保护方法进行了归纳总结，分析了各种保护方法的适用性和局限性，并对工程实践中应用的直流配电系统控制保护一体化技术进行了归纳和分析；最后，对直流配电系统的保护技术进行了展望和总结。
关键词：中压直流配电系统；故障分析；保护方法；控制保护一体化引言随着以IGBT、IGCT构成的新型全控电力电子器件的发展，直流输电技术在工程中得到了广泛的应用；与此同时，分布式电源和储能装置接入交流配电系统需要使用大量的换流装置；城市用电负荷的快速增长、电动汽车产业的迅速发展以及用户对电能质量的不断提高等，都使得配电网的需求越来越复杂。
与交流配电系统相比，直流配电系统在便于分布式电源与储能装置的接入、电能质量、无需无功补偿等方面具有优势，成为了国内外研究的焦点。
1浅析直流配电系统故障的发生特征1.1故障电流急剧上升在直流配电系统线路出现接地故障的情况下，并联在VSC直流侧的滤波电容，往往会在发生故障的短时间内，迅速向故障点位置进行放线，加速电流数值在线故障线路的上升速度，这一点特性非常不利于检测装置与故障隔离装置迅速发挥作用。
同时，VSC通常会在直流配电线路发生故障后，迅速锁定绝缘闸双极型晶体管，导致系统电路里的续流二极管开始向故障点放出不控整流电流，导致故障线路的电流长时间保持为急速上升的状态。
1.2故障波及范围广泛直流配电系统里面交织着极多的交往单元，主要通过换流器装置进行接入，这种线路的连接特征，使得直流配电系统在出现接地故障之后，临近的换流器出口电容就容易失控，持续向故障点位置做出放电行为。
高压直流断路器关键技术研究分析
高压直流断路器关键技术研究分析发布时间：2023-03-17T02:08:22.289Z 来源：《中国科技信息》2022年10月第20期作者：俞正存(一作) 赵文豪吴艳[导读]俞正存(一作) 赵文豪吴艳浙江德菱科技股份有限公司；325600摘要：高压直流电路相比于传统的交流电，有着巨大优越性。
从能源视角上来讲，高压直流电路更符合如今全球能源的发展方向和趋势，特别对以燃煤发电为主要发电方式的国家来说有着至关重要的意义。
正基于此，以下对高压直流断路器试验技术研究情况进行了讨论，以供参考。
关键词：高压直流断路器；试验技术；直流输电；研究分析随着高压输电技术的迅速发展，使得高压直流输电设备在电源行业中实现了应用。
相比于传统高压交流输电技术而言，直流输电技术表现出功率因数调节简便、输电损失较低、安全性高等优点，在大规模、长距离输电的条件下也具有良好适应性。
要发挥高压直流输电技术的优势，就必须加强对其试验与关键技术的研发，使该技术能够合理地运用于整个输电体系中，并在断路器作用下，完成对多端直流输配电网络的完善构建。
一、高压直流断路器的技术原理高压直流断路器是为解决直流电流故障扩散问题应运而生的产品。
高压直流断路器的主要功能就是实现对高压电网的有效开断，特别是在当高压电网发生故障时会有效截断故障电压，其功能主要通过交流断路器进行适当的改装而形成，类似于中国目前最常使用的交流断路器空气开关。
高压直流断路器大致包括了三个种类——机械式、拓扑式和混合型，而随着高压直流技术的进展，对它的研发与改进也日益引起了有关领域专家们的关注。
目前高压直流断路器大多使用在高压直流输电系统，依据的主要原则为迭加振荡电流法。
目前，已开发的较为成熟的产品有真空断路器、六氟化硫断路器和产气断路器等，但由于产气断路器是实验内的重要产品，因此目前还不宜进行大面积普及，而真空断路器和六氟化硫断路器则是目前使用最普遍、工艺最完善的产品，几乎可以垄断全世界的断路器领域[1] 。
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中压直流断路器研究综述
摘要：随着分布式新能源的大规模发展，以新能源为主体的新型电力系统逐
步形成，为保证直流系统安全稳定运行，需要能在几毫秒内完成故障电流开断的
中压直流断路器。
本文通过分析直流电网对直流断路器的性能要求，介绍了机械式、固态式与混合式三种典型直流断路器开断机理，概括近年来直流断路器的工
程应用，归纳并展望中压直流开断技术未来发展趋势。
0引言
构建以新能源为主体的新型电力系统，是“双碳”背景下我国能源电力转型
发展的方向。
现代化直流配电系统在电能质量、可控性、新能源并网等方面具有
的明显优势使其成为新型电力系统的重要组成，因而得到了广泛关注和飞速发展[1-3]。
直流电网是一个低阻抗、低惯量系统，直流侧发生故障后，系统内储能元件
向故障点快速放电，几毫秒内便可达到额定电流的几十倍，严重危及直流电网安全。
目前，国内外多个科研院所均开展有关中压直流开断技术的研究工作，本文
根据直流断路器的开断方式将现有中压直流开断技术进行分类，针对不同开断技
术对拓扑结构和工作原理进行深入分析，系统性介绍了直流断路器的工程应用案例，并对中压直流开断技术的发展趋势进行展望，为未来发展提供参考。
1直流开断挑战
直流电网以其独特优势成为新能源并网的主要发展方向。
然而，直流电网建
设仍存在许多问题，其中最迫切需要解决且严重限制直流电网发展的是直流侧故
障电流的清除问题。
直流系统中由于故障电流上升速度快，峰值电流高，且没有
自然过零点，与交流断路器相比，直流断路器往往需要在几毫秒内切断故障电流。
因此，研究故障切除速度快、可靠性高的直流断路器一直是研究热点，国内外研
究机构对直流断路器也开展了大量研究，并提出了极高的要求：
（１）能够快速清除电网直流侧的故障；
（２）能够迅速消耗直流线路中存储的能量；
（３）在切断直流电流时，能够承受较高的过电压和过电流；
（４）具有高开断能力；
（５）具有重复开断能力。
2直流断路器关键技术
2.1 机械式直流断路器
机械式直流断路器一般是由交流断路器改造而来, 其原理是在机械开关两端
并联振荡换流支路产生振荡电流，人造电流过零点以解决灭弧困难的问题，具有
微损耗、低成本、小体积和便于维护的优点。
但由于其动作时间长，切断电流能
力有限的缺点，难以满足直流系统快速分断故障电流的要求，在实际工程中主要
用于分断直流系统的正常运行电流。
典型的机械式直流断路器由机械开关，振荡换流支路以及能量吸收支路构成，其拓扑如图1所示。
直流系统在正常运行时，负载电流从机械开关(MS)所在的通
流支路上流过；当直流侧故障发生时，机械开关断开并产生电弧，电弧、电感与
电容回路出现自激振荡电流，与机械开关电弧电流叠加，机械开关过零熄弧，故
障电流转移至换流支路上，不断对电容充电，直到MOV动作，故障电流转移至吸
能支路，系统剩余能量被MOV吸收。
图1 机械式直流断路器拓扑
2.2 固态式直流断路器
固态式直流断路器采用电力电子功率器件作为主要开关元件，其原理是通过
大量的全控型电力电子器件，如IGBT、IGCT等串并联，实现短路电流快速切断，避免了电弧产生的问题，具备无电弧、开断速度快、寿命长等优点，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。
但电压等级越高、
功率越大的固态断路器所需的电力电子器件越多，现阶段电力电子器件存在成本高，通态损耗大等固有缺点，制约了固态断路器的发展和应用。
固态式直流断路器的典型拓扑如图2所示，主通流支路由全控型电力电子器
件串并联组成，能量吸收支路由避雷器构成。
在正常运行时，电力电子开关导通
并承担负载电流；发生故障时，关断电力电子开关，电力电子开关两端产生瞬时
过电压，当过电压超过避雷器的参考电压值时，故障电流转移至避雷器支路并进
行能量耗散。
图2 固态式直流断路器拓扑
2.3 混合式直流断路器
混合式直流断路器将机械开关和固态开关相结合，兼顾了机械式断路器和固
态式断路器的优点，利用快速机械开关导通正常运行电流，固态电力电子开关分
断故障电流，通态损耗低且开断速度快。
但在额定电压和额定开断电流较高时，
需要串并联大量的电力电子器件，控制复杂，成本较高，在配网领域难以大规模
推广应用。
混合式直流断路器的典型拓扑如图3所示，主要通过机械开关燃弧产生的电
弧电压进行换流。
断路器需要进行分断时，首先向换流支路的电力电子开关施加
触发信号，之后机械开关触头分离并产生电弧燃烧，利用燃弧电压将机械开关支
路电流逐渐换流至电力电子开关支路。
当机械开关的触头分离至额定开距时，闭
锁全控型电力电子开关，直流侧储能元件存储的能量由缓冲吸能支路的避雷器消耗。
图3 混合式直流断路器拓扑
3直流断路器工程应用
2016年舟山柔性直流工程的舟定站正负极平波电抗器出口处各加装了一台直
流断路器，设备额定电压200kV，分断时间3ms，分断电流15kA。
2017年，南澳柔直工程在青澳站至金牛站汇流母排之间的极1和极2之间加
装了2台机械式直流高压断路器，采用的带预充电电容的机械式高压直流断路器。
2020年，张北四端柔性直流工程共应用了16台高压直流断路器，涉及3种
技术路线：机械式直流断路器2台、负压耦合式直流断路器2台和混合式直流断
路器12台。
2021年，平高集团研制的±10kV混合式直流断路器，主支路采用集成磁吹
弧模块的高弧压高速机械开关，无电力电子器件，具备集成化程度高、控制灵活、开断容量大、关断速度快等特点，2021年，应用于山西电科院“山西综改区科技
创新城北六堡中低压交直流柔性配电示范工程”。
4展望
中压直流开断技术在城市交直流混网、船舰与岸电电力系统、近远海风力发
电和分布式能源并网等领域均有极大的市场前景。
直流断路器工程化应用的最大
难点在于经济性，攻克机械式直流断路器电弧电压较低、难以实现大容量直流开
断的问题，将成为未来直流开断技术的发展趋势。
参考文献
[1]申艳红, 庞科伟, 黄浩然. 多端直流输电与直流电网技术[J]. 电子技术与软件工程, 2018(05) : 237.
[2]张弛. 高压直流断路器及其关键技术[D]. 杭州: 浙江大学，2014.
[3]Franck Christian M.. HVDC circuit breakers: A review identifying future research needs[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2011, 26(2) : 998-1007.。