高压直流断路器关键技术研究分析

河南省高压电器研究所有限公司 李彦如 赵新阳 郭思远

1 引言

直流输电技术的发展可以作为高压直流断路器的基础，同时推动高压直流断路器的基础研究抬上了一个新的高度。在高压直流断路器的相关研究中仍然存在着一些困难和难点，如直流系统的电流没有超过自然过零点，那么电弧就很难被熄灭，这种开关时的灭弧问题容易引发一系列使用故障等安全隐患。通过建设端柔性直流输电系统能够促进我国高压直流断路技术的进一步推广和研究，我国通过“863”计划和国家自然科学基金项目等渠道和手段加强了对高压直流断路器相关基础的科学攻关工作，为问题的解决提供了帮助。本文围绕着高压直流断路器关键技术研究分析展开论述，希望能为有关人员提供一些参考。

2 高压直流断路器的技术要求分析

高压直流断路器大多数被运用在多端柔性直流输电系统中，也可以被运用在柔性直流电网中。高压直流断路器大多数充当故障保护的角色，对主设备进行维护发挥着重要的作用，从系统的角度来分析，直流断路器在具体运行的过程中有一些技术方面的难关需要攻克，无论是混合式断路器还是机械式断路器，这些问题都是不可逃避的。

2.1 快速保护

一般而言，柔性直流输电系统具有较小的抗阻性能，出现短路故障就需要通过断路器的电流快速上升来解决，一般来说断路器在5m/s之内要完成故障电流的断开，反之快速上升的电流有可能会大于直流断路器的开断能力，也会造成直流断路器出现故障和问题。除此之外，以换流阀为代表的一系列设备也需要更长的时间来承受电流的冲击，造成运营成本直线上升[1]。

2.2 重合阀的相关功能

比如，我国“张北工程”就是一个明显的例子，其采用的是架空线柔性直流电网，在断路器的启用过程之中还具备核查快速功能，能够切断线路故障，维护电网的整体运行。如果断路器具备重复找的功能，那么在设计的时候必须考虑故障的时间，特别是要考虑到永久性故障的有关问题，设计人员在设计保护换流阀等不同的设备时，需要考虑到断路器的自身能力情况，在运用断路器之后进行电流的分段，这一情况有反应速度和反应时间的相关要求，断路器第一次开断和第二次开断都要考虑到双重换流阀是否能够承受得住两次电流冲击，提高开断的速度。此外有关设计人员还要加强对重合闸能量吸收方面的顾虑，如果仅仅考虑单次开段有可能会造成危险性增加，这些问题会导致断路器在设计过程中存在一系列的问题和困难[2]。

2.3 故障检测与快速识别

对于常规的电流交流系统来说，开段时间也有一定的限制，但是柔直系统对开段时间的要求更为苛刻与严格，同时若要加强选择性故障保护，有关人员需要加强对不同分支线路的断路器时间设定。在这一理念的影响之下，交流断路器可以采用继电保护的集中式形式对动作参数发出命令，控制分合闸的具体操作和动作的顺序。站在直流系统的角度而言，故障检测也有快捷性的要求，也就是说如果使用交流系统控制方式，那么相关断流器的动作则需要利用故障检测来判断机电保护系统是否发出了动作指定，该命令传输情况如何，是否传至直流电路器，还要观察直流断路器动作，这一系列环节都需要加强把握[3]。

在气垫保护系统传输命令下达任务的过程之中仍然需要耗费一定量的时间，这一阶段的时间可能会造成断路器动作迟缓，时间延迟，因此研发人员要采用更加有效的直流电网进行设备的保护，还要确保快速切断断路器，整个过程都要节约时间，这样才能具备故障检测和识别功能的时效性。从这个视角上来看，直流断路器和常规的交流断路器是不同的，并不是一个较为单纯的开关断开装置，而是一种相互融合具有独立保护功能的完善系统。

3 高压直流断路器故障解决分析

3.1 拒分闸的故障

高压直流断路器在正常运行的过程中有可能会发生驱动故障的现象，造成越级跳闸导致扩大停电范围，也会给电力系统造成严重的破坏和威胁，引发大面积的工厂、民居停电事故，损伤电力系统运行的可靠性和安全性。由此可见，在拒分闸故障发生的时候，首先有关工作人员要对跳闸回路进行仔细查看，检查跳闸回路之中是否存在损坏的部分，之后还要检查电压是否过低，如果电压值正常，铁芯却无法正常的跳动，那么可以断定是电气系统在运行过程中出现了一系列故障，又比如跳闸铁芯运行状况良好但是断路器拒动，那就有可能是机械组成部分发生的问题。

如果是铁芯卡顿又或者是线圈出现问题，电源的部位却没有损坏，那么就可以判断机械和电气设备二者同时出现问题，在具体的处理过程中，面对电气方面的故障，工作人员可以集中检查跳闸回路的元件接触性，同时判断回路部位的熔断器是否能正常工作，是否出现老化短路现象，如果是机械方面的故障，工作人员可以判断分闸阀是否出现卡顿的问题，弹簧是否失灵，找到相应的部位进行维修和点对点的机器更新[4]。

3.2 拒合闸发生的故障

发生拒合闸的故障也是由多方面因素导致的，大体上可以分为电气故障和机械发生的故障，这一点和拒分闸故障产生的类型有一些相似，有关工作人员要加强对合闸电源和控制电路的检测，确保电气回路没有问题，与此同时，工作人员还要对铁芯的异常响动情况进行判断，检查机械有无发生问题。一般来说在电气故障解决的过程之中需要对控制电源的元件进行查看，判断电源的控制回路是否存在异常，如果发生了机械故障，可能是由于合闸铁芯出现了卡顿导致整体动力下降，还有可能是由于分闸机构归位不及时导致的。除此之外还有一些原因是由于合闸弹簧没有能够及时储能，行程不合适。

4 高压直流断路器关键技术分析

为解决上述问题，迎合较为苛刻的使用要求，有关研发人员要加强对直流断路器在设计方面和研制方面的深入探究，目前我国已经开发出了多个电压等级系统，能满足直流断路器的要求，但必须加强设计的优化以及性能的完善，给予相关问题以关注。

4.1 拓扑优化技术

ABB公司首先提出了基本拓扑形式的混合式直流断路器，并在较大范围得到了认可与推广。在拓扑结构的基础之上，我国提出了具有中国特色的新型拓扑研究方案，联合研究院已经设计了全桥子拓扑模块，研制出了200kW的混合式高压直流断路器，并且取得了成功的运用效果，尤其是在柔直系统中的运用取得了不错的成绩。

以上实践的成功证明了拓扑优化的技术具有光明的发展前景与可行性，拓扑结构需要较多的串联，目前IGBT高参数售价较高，容易提高混合式直流断路器的使用成本。除此之外，在通流之路中的IGBT在工作中需要长期耗损电流，虽然数量不多也会造成通态损耗。因此，需要通过水冷设计来维持其正常运行，相对手续比较烦琐，且断路器内部的结构和构架也较为复杂，为了降低拓扑结构的优化成本，简化运用手续，研发人员又提出了一系列具有优化性质的拓扑方案，下面予以介绍：

第一种是乔氏半导体组件拓扑。这种拓扑方案是在重点研发计划支持之下的新尝试，联合研究院研制出了新型桥式半导体组件拓扑，通过桥式结构的利用能够减少IGBT的使用成本[5]。

第二种是耦合性，负压原理拓扑这种技术是由清华大学参与和西安交通大学技术支持共同研制出的直流断路器拓扑，其可以利用负压耦合技术，让开断时的电流从通路向开断支路转换。这种设计能够对通流之路的运行步骤进行简化，全面提升了电流转移的成功效率，但是转移的过程可能存在一定的弧度，也会在某种程度上加大通流之路的开断压力。

第三种是限流能力拓扑。该系统抗阻能力比较小，故障电流上升速度也比较快，有些研究人员可以把直流断路器和故障限流器相互结合，这是一种全新的拓扑思路，利用故障限流器来对故障电流的移动速度进行限制，有效降低开断元件的能力要求，同时也能够降低对吸能回路的要求。在限流器的设计方面，这种限流能力的拓扑思想具有较强的经济运用价值，同时运营的成本比较低，也方便维护，可以采用限流器和直流断路器共同使用的方式作为主要的运行框架。

第四种类型属于耦合式高压直流断路器。这种以拓扑技术为基础的耦合型断路器在20世纪就已经在使用了，其运用空间和运用领域具有一定的特殊性。耦合式机械型高压断路器可以在突破方案的相互结合中降低电压的等级范围，使用中性线转移开关降低对动作时间的延长。该项突破技术在大范围之内得到了推广，如果把原始拓扑向高压等级拓扑转换，那么就必须解决一系列技术难点，拓宽快速动作断路器的应用范围和场合，同时还要解决电容器高电位充电等难题。这种耦合型的高压直流断路器拓扑方案由于技术上的难点，长时间没有得到普遍的推广和认可，直到2016年，我国华中科技大学借助拓扑耦合变压器把辅助电路转移到落地平台，这样就能在一定程度上减小研究的难度。这种拓扑方案在某些试点顺利的运行证明了耦合型机械高压直流断路器方案的可行性。

第五种类型是组合型直流断路器拓扑方案。组合型的直流断路器拓扑结构指的是根据直流电网的构成要素，把多种直流断路器的吸能支路和开关支路共同使用，把故障之间进行分隔，同时运用其重合能力让直流电网的运用更具有经济性，节省成本。在这一循环中，直流断路器不能表现为相对独立的电气设备，反而成为有所依托的直流电网深度耦合集合。虽然这种方案在拓扑的结构方面作出了大量的优化与探索，但是这种组合型的拓扑方案在实际运用的过程中仍然有一些特点和问题需要去适应并解决，因此有关研发人员要在进一步研究拓扑方案结构和条件的基础之上对断路器的实际工作流程展开进一步优化。

4.2 隔离供能技术

高压直流断路器不仅是简单的开断装置，还是一种相互融合，具有完善功能的系统设备，其内部组成框架包括信号检测、运算分析器件、驱动部件等不同的功能监测部件，所有的部件都有供电和功能的需求。以混合式高压直流断路器为例，驱动需要向外界索取能量，同时为了提高动作的速度和反应程度，在通流之路的开关设备中要采用涡流斥力机构加以辅助，同时也需要不断的外界能量供给这些能量，需要通过隔离装置来提供功能的部件数量比较多，同时电负荷和电需求量也较大，那么变压器要提高其自身效率。与此同时，功能部件要处在不同的电位和不同电压的工作平台之上，供能终端要提高电压隔离的要求。如果工作电压的等级不断提高，那么就会让功能变压器的绝缘和效率之间存在着矛盾。

4.3 快速机械开关技术

为提高高压直流断路器的快速动作效率，开关装置会采用涡流斥力系统，这种系统要具备5m/s的分闸能力，如果电压等级比较高，建议采用串联多台装置的方法加以适应。快速机械开关技术以电磁斥力机构工作原理为基础，确定开距操纵的幅度大小。如果开关装置的开具比较大，那么就会显著降低电磁斥力的效果，反之开关装置的开距比较小，就必须要用多数量、较为复杂的串联开关装置并行使用，相互配合才能协调开关装置的电压数值，让开关串联数和驱动效率之间能够相互配合，这也是当前快速机械开关技术在推广过程中需要加以解决的问题之一。

综上所述，高压直流断路器关键技术的相关研究要加强问题的解决和方案的优化，有关工作人员要提高相关技术的研发力度，注重高压直流断路器的故障问题解决，通过方案的优化来提高高压直流断路器的运行效率。