高壓直流斷路器目前的研究概況

1.前言

高壓直流斷路器的研制難點有三：一是直流電流不像交流電流那樣有過零點，所以滅弧比較困難;二是直流回路的電感較大，所以需由直流斷路器吸收的能量 比較大;三是過電壓高。

高壓直流斷路器可以分為機械式高壓直流斷路器(mechanical HVDC circuit breaker)、固態高壓直流斷路器(solid-state HVDC circuitbreaker)與混合式高壓直流斷路器(hybrid HVDC circuit breaker)。

機械式直流斷路器可以關斷非常大的電流，并具有成本低、損耗小等優點，但其開斷速度較慢。

固態直流斷路器開斷速度迅速，但其相關損耗較高，且價格昂貴。

為克服兩者的缺點，通過將機械式直流斷路器和固態直流斷路器集成在一個裝置上，從而形成混合式斷路器。 混合式直流斷路器結合了機械開關良好的靜態特性與電力電子器件良好的動態性能，用快速機械開關來導通正常運行電流，用固態電力電子器件來分斷短路電流，具有通態損耗小、開斷時間短、無需專用冷卻設備等優點，是目前高壓直流斷路器研發的新方向，有著廣闊的應用前景。

下面將著重介紹混合式高壓直流斷路器的研究概況。

2 混合式高壓直流斷路器的研究概況

2.1 ABB--混合式高壓直流斷路器

2012年，ABB 的混合式高壓直流斷路器技術被《麻省理工科技創業》評為 2012 年度最重要的十大科技里程碑之一。該混合式高壓直流斷路器的基本結構如下圖所示，主要包括機械式開關支路a(快速機械隔離開關b+負載轉換開關c)和半導體開關支路d(半導體斷路器e+避雷器組f)。

·當直流線路正常運行時，半導體開關支路處于斷開狀態，快速機械隔離開關和負載轉換開關導通并流過直流電流。

·當檢測到直流線路發生短路時，首先導通半導體斷路器，關斷負載轉換開關，線路上的電流轉移到半導體開關支路上，負載轉換開關承受半導體短路器的導通電壓。

·由于快速機械隔離開關此時流過的電流為零，快速機械隔離開關迅速打開。

·當快速機械隔離開關打開后，半導體斷路器開關斷開，直流線路上的能量通過與半導體斷路器并聯的氧化鋅避雷器吸收，短路電流下降。

ABB 所設計的半導體斷路器單元設計圖如下圖所示，采用IGBT作為半導體開關，并進行閥組串聯。

該混合式高壓直流斷路器通過開斷短路電流8.5kA的短路試驗，其開斷時間為5毫秒。

2.2 ALSTOM--混合式高壓直流斷路器

2014年阿爾斯通完成其混合式高壓直流斷路器原型產品的測試工作。該混合式高壓直流斷路器的基本結構如下圖所示，主要包括旁路開關(UFD + PES)、半導體開關支路1(晶閘管+避雷器)、半導體開關支路2(晶閘管+電容器)和避雷器組。

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