高压直流断路器技术发展与工程实践

3)断路器与系统协调配合。

目前直流断路器研究主要集中于断路器设备自身技术研究上，直流断路器的功能需求也来自于假定的直流系统。实际上，从系统设计的角度，综合考虑系统与直流断路器协调配合设计，不仅有利于直流断路器的研制，同时也有利于提高系统整体运行技术经济性。

直流系统中短路电流发展快，一方面对断路器分断速度和分断能力提出了要求，另一方面对换流阀也造成了极大冲击，发生离换流站出口距离较近的短路故障，换流阀将几乎瞬时闭锁退出运行。因此，可以考虑在不显著影响系统暂态调节性能的前提下，在直流线路中配置限流电抗器或者限流装置，既能提高系统运行的可靠性，也能降低断路器的设计难度。

参照交流系统，断路器动作应以选择性分断命令为基础，因此直流系统中快速故障选线技术的突破对于直流断路器在系统中的应用性能至关重要。直流断路器是作为一个开关装置，等待系统分断命令而动作，还是能够依靠自身信号检测而选择性动作，需要结合系统方案、故障定位技术以及系统与断路器协同控制策略等因素综合设计。

4)直流断路器试验技术。

直流断路器作为新型电力装备，目前国际上尚无相关的试验标准，其等效分断试验、绝缘试验和现场分断试验方法都有待深入研究，以建立直流断路器试验等效评价体系与试验考核标准，检验所设计直流断路器是否满足实际应用的能力。

①等效分断试验。交流断路器分断过程中电流过零后再产生暂态过电压，分断过程中断路器能量损耗较小，分断试验中可通过大电流源和高电压源进行合成试验来等效实际的分断应力。而直流断路器分断过程中先建立起暂态分断过电压并维持数毫秒直到电流过零，存在高电压与大电流叠加过程，并在断路器的避雷器中消耗大量热量[27-28]。等效试验中，如果对断路器消耗的热量进行直接等效，需要采用非常庞大的高压电容器组或者发电机才能提供。对于转移支路由多个阀段串联构成的混合式直流断路器，由于每个阀段由避雷器限制电压，彼此间相互独立，可对单个阀段开展等效分断试验，降低试验容量要求。然而未采用模块化设计的机械式断路器无法通过该方法来降低分断容量。

可见，直流断路器等效分断试验对试验方法和试验容量提出了苛刻的要求。如何设计经济有效的试验方案需要继续研究。

②操作冲击试验。在进行等效分断试验前，断路器需要进行操作冲击试验，单独考核断路器的绝缘性能。然而，基于 IGBT 的混合式直流断路器为便于器件或模块均压，并降低分断过程中的过冲，在器件或模块中都并联着容值较大的电容。由于常规的操作冲击装置容量有限，很难将冲击波形施加到断路器上。针对不同的断路器设备，如何测试设备的绝缘性能需要进行研究。

③现场分断试验。现场进行的直流线路故障电流分断试验是对直流断路器分断能力的最终考核。由于采用半桥 MMC 拓扑的柔性直流输电系统在发生直流线路短路故障时，电流上升快、峰值高，且不能通过闭锁换流阀阻断电流，如果直流断路器分断失败，将对换流阀及直流断路器本身都将造成很大冲击。此外，由于国内外尚未针对柔性直流输电系统开展过人工短路试验，目前的保护策略主要基于理论计算和仿真分析，并未得到实践验证。直流断路器的现场分断试验方法及后备保护措施仍需要开展研究和实践。

4 高压直流断路器的工程应用

2016 年 12 月 29 日，采用全桥模块级联的混合式直流断路器在舟山五端柔性直流输电工程中完成 168h 试运行后，正式投入商业运行，标志着高压直流断路器首次实现了工程应用。

舟山±200kV 5 端柔性直流输电工程自 2014 年投入运行以来，增强了舟山电网对风电的接纳能力，提高了各岛屿的供电可靠性。但也存在着直流故障无法快速清除，换流站无法单站投退等技术问题，单个换流站的故障会导致整个 5端柔直系统的停运。

2016 年在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，现场设备如图 17 所示，设备额定电压 200kV，分断时间 3ms，分断电流15kA。现场开展了带电合闸、单站投入、电流分断等调试试验项目，并完成了 168h 带电运行试验。加装直流断路器后，实现了舟定站的带电单站投退和直流侧故障快速隔离功能，提高柔直系统的供电可靠性和灵活性。

此外，国家电网公司规划了张北可再生能源并网柔性直流电网示范工程，如图 18 所示。该工程选择在河北的康保、张北、丰宁建设 3 个±500kV送端柔性直流换流站，在北京建设一个±500kV 受端柔性直流换流站，通过架空输电线路，构建汇集和输送大规模风电、光伏、储能、抽蓄等多种形态能源的 4 端柔性直流电网，计划于 2019 年建成，将成为世界首个±500kV 柔性直流电网[29-31]。该工程中每个换流站将配置 4 台直流断路器，目前已经完成成套设计，要求直流断路器在 3ms 内分断峰值25kA 的故障电流。该工程将对高压直流断路器技术提出新的挑战，也将极大促进直流分断技术的推广应用和直流电网技术的发展。

5 结论

当直流传输线路在直流侧互连起来形成直流电网，将为新能源接入提供更灵活、更可靠的解决方案，但首先需要解决直流故障隔离问题。本文对直流电网的故障隔离技术进行分析和对比，其中应用直流断路器的直流故障隔离技术在保障换流设备安全的同时，有效减少了供电系统的中断，保障了系统供电的持续性，能够满足直流电网的故障隔离需求。

本文分析了机械式以及分别基于晶闸管和IGBT 的混合式直流断路器的技术特点和发展现状，机械式直流断路器在成本上有很大优势，并且通过电流强迫注入的方式提高了分断性能，缩小了与实际工程需求的差距。基于晶闸管的混合式直流断路器成本也较低，分断容量提升空间较大，研究重点是换流原理的优化和结构集成度的提高。基于IGBT 的混合式直流断路器换流原理简单，易于实现，并首先实现了工程应用，但成本仍较高。高压直流断路器技术的发展和推广，需要进一步对断路器支路间换流方式，杂散参数优化技术，断路器与系统协调配合以及断路器试验技术等方面开展研究。

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作者简介：

魏晓光(1976)，男，博士，教授级高级工程师，研究方向为直流输电工程技术和直流电网

杨兵建(1984)，男，通信作者，硕士，研究方向为直流电网及其关键设备

汤广福(1966)，男，博士，教授级高级工程师，研究方向为直流输电技术