高压直流断路器技术发展与工程实践-第5页-北极星输配电网

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该拓扑由 ABB 公司提出，并于 2011 年完成了额定电压 80kV、额定电流 2kA、分断时间 5ms、分断电流 8.5kA 的样机研制，如图 14 所示。

文献[11]提出了一种采用全桥模块级联的混合式直流断路器拓扑，如图 15 所示。正常运行时，全桥模块处于导通状态，负荷电流经上下桥臂流通;系统发生故障时，通过 2 次换流实现电流分断。第 1 次换流发生于主支路与转移支路之间，主支路全桥模块闭锁，而转移支路处于导通状态，换流完成后快速机械开关分断;第 2 次换流发生于转移支路与避雷器支路之间，快速开关完全分断后，由大量全桥模块级联构成的转移支路闭锁，短路电流对模块电容充电直至避雷器保护动作，完成换流，并实现系统所存储感性能量耗散。

基于 IGBT 直接串联和全桥模块级联的混合式直流断路器在原理上相似，但也存在技术差异。全桥模块级联方案能够显著降低 IGBT 关断过程中电热应力以及关断时所耐受的电压变化率，有利于提高单个器件的分断电流能力，并易于实现各级IGBT 之间动态均压，提高了应用可靠性。虽然相同电压等级下，全桥模块级联型混合式直流断路器IGBT 器件是直接串联拓扑的 2 倍，但分断电流能力也提高了 2 倍。

采用图 16 所示二极管桥式换流模块代替转移支路的全桥模块，可将转移支路的 IGBT 数量减少1/2[11]。全球能源互联网研究院采用该方案研制了额定电压 535kV，分断时间 2.5ms，分断电流 25kA 的直流断路器样机。

文献[22]采用由 4 串二极管构成的全桥和 1 串单向串联 IGBT 替换 IGBT 直接串联拓扑中的 1 串双向串联 IGBT，同样将转移支路的 IGBT 数量减少 1/2。南瑞集团采用该拓扑研制了额定电压35kV、分断时间 3ms、分断电流 25kA 的直流断路器样机。

针对多端直流和直流电网应用，当单个换流站连接多条直流线路时，需要装配多套直流断路器，文献[23]将多套基于 IGBT 的混合式直流断路器的主支路和转移支路重新组合，减少了功率器件的数量，同时提高了断路器的容错能力。文献[24]通过在换流器旁边并联辅助放电开关，并在分断故障电流过程中导通并联辅助开关，将故障电流转移，再分断超高速机械开关。一个换流站只需要配置一套并联辅助开关，减少了半导体器件的数量，但由于分断过程中相当于将整个换流站旁路，造成了直流电网供电的中断。

3 高压直流断路器关键技术挑战

面对多端直流和直流电网对高压直流断路器的高通流能力、快速分断、高可靠性等方面的要求，需要针对高压直流断路器的电气拓扑和试验方法开展深入研究。

1)换流方式。

各种类型的高压直流断路器均需要将故障电流在不同特性的回路中进行一次甚至多次换流，以实现电流的分断。换流方式的可靠性从根本上决定着断路器分断的可靠性，而换流时间也是影响分断时间的重要因素。利用全控型器件快速阻断回路是目前比较理想的换流方式，但全控型器件成本较高，并且目前针对 500kV/3000kA 柔性直流输电系统的直流断路器应用，已达到了全控型器件的承受极限。如果全控型器件参数没有大的提升，更高分断容量的直流断路器将不得不采用其他器件(或设备)及相应的换流方式。比较典型的换流方式还有弧压自然换流、反向注入电流强迫换流等。此外，在分断过程中通过逐级换流串入避雷器来限制电流上升率，可在分断时间不变的情况下，降低电流峰值[25-26]。开展直流电流分断和换流机理研究，提出更为快速、可靠、易于实现的换流方式，发现具备更优综合性能的拓扑形式，对直流断路器技术发展具有重要意义。

2)杂散参数优化技术。

直流断路器依靠避雷器限制设备的过电压水平，当设备电压达到避雷器保护水平时，避雷器阻抗迅速下降，电流从其他支路快速向避雷器支路中转移，产生了极高的电流变化率，并在回路杂散电感上产生了较高的暂态电压，该电压与避雷器电压相叠加，增大了断路器设备的暂态过电压水平。随着电压等级的提高，混合式直流断路器中器件串联级数在增加，断路器的体积也在增大，杂散电感的作用更加明显。此外，杂散电感还延长了断路器各支路间的换流时间，对断路器的整体分断时间造成影响。因此，在对断路器电压等级进行提升时，需要优化结构布置，减少换流回路的杂散电感。

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

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