3.2 高壓直流斷路器的發(fā)展現(xiàn)狀

高壓直流斷路器按照開斷方式通常分為機械式直流斷路器（包括無源型和有源型直流斷路器）、全固態(tài)式直流斷路器、混合式直流斷路器和限流式直流斷路器。雖然固態(tài)式直流斷路器也屬于限流式直流斷路器的一種，但由于目前固態(tài)式直流斷路器較為普遍，且受關(guān)注程度高，因此單獨劃分。

3.2.1 機械式直流斷路器的發(fā)展現(xiàn)狀

自20世紀80年代以來，高壓直流斷路器的研究就已經(jīng)進入了鼎盛時期，B.Bachmann等研制了基于無源直流開斷原理的500kV壓縮空氣高壓直流斷路器，如圖3-2所示^[11]。該斷路器由四個相同的開斷模塊串聯(lián)組成，分別在開斷過程中承受高電壓。500kV壓縮空氣高壓直流斷路器包含空氣斷路器、轉(zhuǎn)移支路電容器C、轉(zhuǎn)移支路電抗器L、能量吸收裝置的氧化鋅避雷器ZnO和合閘電阻R。該斷路器在太平洋線路的Celilo試驗站試驗成功，如圖3-3所示。該直流斷路器能在400kV額定電壓下開斷2.2kA直流電流^[11]。同一時期A. Lee等研制的500kV氣吹式SF₆高壓直流斷路器如圖3-4所示。SF₆高壓直流斷路器能成功開斷2.2kA直流電流^[12]。S. Tokuyama等在1985年研制的無源型SF₆高壓直流斷路器能在交換電壓400kV、恢復(fù)電壓250kV條件下成功開斷8kA，吸收能量75MJ^[13]。S.Yanabu等在2001年研制了開斷能力為3500 A的無源型直流斷路器^[14]。

無源型高壓直流斷路器具有成本低、損耗低、可靠性和穩(wěn)定性高等優(yōu)勢，為20世紀80年代直流開斷領(lǐng)域的主要研究對象。然而無源型直流斷路器的開斷能力較低，開斷時間長，無法滿足柔性多端直流系統(tǒng)快速開斷短路電流的要求。

有源型直流斷路器的并聯(lián)輔助回路與無源型相似，不同的是回路中的電容C_s有一個預(yù)充電過程，通過電容放電強迫電流過零。日本三菱公司在2014年通過仿真分析了額定電壓為320kV、額定電流為500A、開斷電流為16kA、10ms開斷的有源型高壓直流斷路器，拓撲結(jié)構(gòu)如圖3-5所示。日本三菱公司通過仿真研究了該高壓直流真空斷路器在開斷不同電流（500A～16kA）時的特性，K.Tahata等對該直流真空斷路器的直流開斷特性進行了進一步研究^[15]。

我國近幾年在高壓直流斷路器研究領(lǐng)域取得了飛速的發(fā)展。2014年11月，由南方電網(wǎng)科學(xué)研究院、西安交通大學(xué)和西安高壓電器研究院共同研制的55kV基于人工過零技術(shù)的高壓直流斷路器單元樣機如圖3-6所示，在中國高壓電器質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心通過試驗，成功開斷16kA電流，開斷時間小于5ms^[16]。L.Wang等通過仿真研究分析了剩余縱向磁場對有源型直流真空斷路器開斷過程及開斷特性的影響，為研究直流真空斷路器的開斷特性提供了理論依據(jù)^[17]。

有源型直流斷路器開斷電流值較大，開斷時間短，但控制回路和充電回路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格高于無源型直流斷路器。有源型直流斷路器受單個真空滅弧室絕緣水平的限制難以在高壓直流系統(tǒng)中使用。隨著高壓直流多端系統(tǒng)和柔性直流輸電系統(tǒng)的快速發(fā)展及直流電網(wǎng)的建成，直流系統(tǒng)短路故障電流幅值、上升率和直流開斷功率總體呈上升趨勢，對高壓直流斷路器在大功率直流快速開斷方面提出了更高的要求。上述機械式高壓直流斷路器由于開斷能力有限、開斷時間長和額定電壓較低等原因不能直接應(yīng)用于柔性多端高壓直流輸電系統(tǒng)。

3.2.2 全固態(tài)式直流斷路器的發(fā)展現(xiàn)狀

全固態(tài)高壓直流斷路器是指斷路器的開關(guān)器件為半導(dǎo)體器件，斷路器中無機械運動部件。20世紀70年代，全固態(tài)式直流斷路器以晶閘管（SCR）作為開關(guān)器件。20世紀80～90年代，固態(tài)斷路器的開關(guān)器件以全控器件為主。相對機械式直流斷路器，固態(tài)式直流斷路器具有無觸頭、投切快速、無弧無噪聲和投切時刻準(zhǔn)確可控等優(yōu)點，適用于直流輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)等速動性要求高的場合。但全固態(tài)式直流斷路器的成本和通流損耗均遠高于機械式直流斷路器。全固態(tài)式直流斷路器的主要研究內(nèi)容為斷路器中電力電子器件的關(guān)斷特性、額定電流通流特性、電壓耐受特性和動態(tài)均壓均流特性等。

1983年日本東芝公司開發(fā)了基于晶閘管器件的固態(tài)直流斷路器，額定電流3kA，額定電壓1.5kV，開斷能力50kA^[18]。2005年美國電力電子系統(tǒng)研究中心研制出電壓電流為2.5kV/1.5kA和4.5kV/4kA的直流全固態(tài)斷路器樣機。2011年J.Hafner和B.Jacobson提出由IGBT器件和并聯(lián)的能量吸收回路組成的高壓直流斷路器。該直流斷路器由3個串聯(lián)的4.5kV的IGBT模塊和并聯(lián)的能量吸收裝置組成。圖3-7為該全固態(tài)式高壓直流斷路器的測試回路。測試結(jié)果顯示IGBT模塊能在微秒級內(nèi)開斷電流，將電流轉(zhuǎn)移到能量吸收支路^[19]。圖3-7中第四個IGBT模塊以相反的主電流方向連接，用來驗證IGBT模塊中反并聯(lián)二極管的功能。M.Rahimo等在2014年研究出利用電力電子器件IGBT強迫換流的全固態(tài)直流斷路器^[20]。該直流斷路器用IGBT關(guān)斷直流故障電流后，將電流轉(zhuǎn)移到并聯(lián)的氧化鋅避雷器吸能元件，完成直流短路電流的開斷。隨后，M.Rahimo等研究出比IGBT電力電子器件具有更高開斷能力的BIGT（Bimode Insulated Gate Transistor）器件^[21]。BIGT將P+引入IGBT陽極再與RC-IGBT結(jié)合形成，BIGT的電壓電流耐受能力均高于IGBT器件^[39]。用BIGT器件通過3串6并組成的全固態(tài)式直流斷路器可以實現(xiàn)在13.5kV額定電壓下開斷19.1kA，其開斷能力優(yōu)于IGBT，約為IGBT的2倍^[22]。該全固態(tài)式直流斷路器的開斷時間極短，僅為0.4ms，但由于該斷路器在高電壓大電流下需要大量電力電子器件串并聯(lián)，成本太高，且在高電壓下運行時損耗極大，因此不適合在高壓直流系統(tǒng)使用。

在高電壓大電流系統(tǒng)，全固態(tài)式直流斷路器需要大量器件串聯(lián)，極大地增加了斷路器的通態(tài)損耗。在高壓直流系統(tǒng)，通常全固態(tài)式高壓直流斷路器的通態(tài)損耗高達電壓源型換流器損耗的30%，極大的通態(tài)損耗和昂貴的造價限制了全固態(tài)式直流斷路器在高壓直流系統(tǒng)的應(yīng)用。

3.2.3 混合式直流斷路器的發(fā)展現(xiàn)狀

混合式直流斷路器多指將機械開關(guān)與電力電子器件相結(jié)合的直流斷路器。混合式直流斷路器結(jié)合了機械式斷路器與固態(tài)式斷路器的優(yōu)點，克服了二者缺點，具有通態(tài)損耗小、開斷時間短、無關(guān)斷死區(qū)、開斷快速可控、無弧（微弧）、無噪聲、壽命長和無需特定的冷卻設(shè)備等優(yōu)點，能滿足柔性多端直流輸電系統(tǒng)快速開斷的要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。

自2012年起，具有大功率快速開斷能力的混合式高壓直流斷路器應(yīng)運而生。ABB公司率先研制出混合式高壓直流斷路器，如圖3-8所示。其額定電壓320kV，額定電流2kA，開斷故障電流16kA，開斷時間僅需5ms^[23]。該混合式直流斷路器的工作原理為：在穩(wěn)態(tài)運行時，由快速隔離開關(guān)及少量IGBT器件來導(dǎo)通負荷電流；發(fā)生短路故障時，主支路的IGBT器件閉鎖，電流全部轉(zhuǎn)至主直流斷路器后打開快速隔離開關(guān)，確保主支路處于斷開狀態(tài)；然后閉鎖轉(zhuǎn)移支路關(guān)斷故障電流；最后由耗能支路吸收故障能量，并抑制分斷過電壓。

阿爾斯通公司在2014年研制了額定電壓為120kV的超快速機電一體化混合式直流斷路器，額定電流1.5kA，開斷短路電流值為7.5kA，短時耐受電流大于3000A，沖擊耐受電壓大于650kV，開斷時間5ms^[24]。圖3-9為阿爾斯通公司研制的超快速機械電子式直流斷路器的原理圖，原理圖從上到下依次為：兩相隔離開關(guān)；由電力電子器件（PE1）和超快速隔離開關(guān)組成的低電阻分支；由電力電子器件（PE2）組成的輔助分支；由氧化鋅避雷器吸收裝置構(gòu)成的吸收能量分支。

2016年全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院（聯(lián)研院）直流輸電技術(shù)研究所自主研發(fā)并授權(quán)生產(chǎn)了世界首套200kV高壓直流斷路器，該斷路器拓撲結(jié)構(gòu)如圖3-10所示。該高壓直流斷路器包含主支路、轉(zhuǎn)移支路和耗能支路：主支路由超高速機械開關(guān)S和少量IGBT全橋模塊（圖中1，2，3，4）串聯(lián)構(gòu)成，用于導(dǎo)通直流系統(tǒng)負荷電流；轉(zhuǎn)移支路由多級IGBT全橋模塊串聯(lián)構(gòu)成，用于短時承載直流系統(tǒng)故障電流，并通過換流將電容串入故障回路，電容器C建立暫態(tài)分斷電壓；耗能支路由多個避雷器組并聯(lián)構(gòu)成，用于抑制分斷過電壓、吸收線路及平波電抗器儲存能量。該高壓直流斷路器采用超高速機械隔離開關(guān)與大功率IGBT全橋級聯(lián)組件相結(jié)合的技術(shù)路線，解決了固態(tài)直流斷路器高損耗的缺陷，突破了機械斷路器開關(guān)速度的局限，實現(xiàn)了雙向故障電流的快速斷開。該高壓直流斷路器已成功應(yīng)用于舟山五端柔性直流輸電工程，可在3ms內(nèi)開斷20kA的短路故障電流^[25]。

2016年底南瑞繼保公司提出采用整流型H橋拓撲結(jié)構(gòu)的混合式高壓直流斷路器，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖3-11所示。該斷路器由快速隔離開關(guān)（SC）、輔助斷路器（Q₁）、整流型H橋拓撲結(jié)構(gòu)中的主斷路器（Q₂）、二極管（VD₁～VD₄）和能量吸收裝置（E₁和E₂）組成。該斷路器的額定電壓為500kV，開斷電流為20kA，開斷時間不超過3ms。該直流斷路器采用整流型H橋拓撲結(jié)構(gòu)，具備雙向分斷能力，設(shè)備成本比采用級聯(lián)全橋式斷路器低，且具備重合閘功能。目前我國積極開展國家重點研究直流斷路器項目計劃，研究內(nèi)容主要集中在機械式直流斷路器和混合式直流斷路器方面。

混合式直流斷路器兼具開斷速度快、正常工作時損耗較低的優(yōu)勢，目前被認為是較為有效的直流開斷方式。但在高壓直流輸電網(wǎng)絡(luò)，混合式直流斷路器需要大量的電力電子器件串并聯(lián)，電力電子器件的動態(tài)均壓均流特性較差、可靠性較低及成本高的問題仍然是亟待解決的難題。在高電壓大電流直流系統(tǒng)，為了提高開斷電流值必須對電力電子器件進行并聯(lián)，為了承受高電壓又必須進行串聯(lián)，并聯(lián)的動態(tài)均流和串聯(lián)的動態(tài)均壓問題使器件易損壞，可靠性降低。大功率電力電子器件的故障損壞率高、電流耐受能力弱，而且混合式直流斷路器的成本和通態(tài)損耗均高于機械式直流斷路器。

3.2.4 限流式直流斷路器的發(fā)展現(xiàn)狀

目前直流電網(wǎng)容量不斷增加，短路電流水平也隨之增加。對于柔性多端直流輸電系統(tǒng)，由于線路的平波電抗器較小，短路故障電流上升速度快，可在幾毫秒內(nèi)達到幾十千安培。使用限流式直流斷路器可以迅速限制短路電流的幅值和上升率，提高電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性和電網(wǎng)的運行靈活性^[26,27]。柔性直流輸電系統(tǒng)換流站中的功率器件過載能力低，能承受的di/dt、du/dt有限，使用限流式直流斷路器能降低系統(tǒng)短路電流幅值，有效防止短路故障對功率器件造成損壞。短路直流限流器根據(jù)其構(gòu)成原理通常分為PTC（Positive Temperature Coefficient）非線性電阻限流器^[28]、磁元件限流器^[29,30]、固態(tài)限流器、液態(tài)金屬限流器^[31]、限流熔斷器、超導(dǎo)限流器以及各種混合式限流器^[28]。PTC非線性電阻限流器利用自身電阻隨溫度變化的特性限流，但由于恢復(fù)時間過長，無法在具有快速重合閘要求的系統(tǒng)使用^[28],［32]。磁元件限流器用于交流系統(tǒng)。液態(tài)金屬限流器的飽和蒸氣壓力低，無毒，但在限流過程中產(chǎn)生電弧。目前較為常用的直流限流器有固態(tài)限流器和超導(dǎo)限流器，由于固態(tài)限流器較為普遍，且受關(guān)注程度大，因此單獨劃分為全固態(tài)式直流斷路器。超導(dǎo)限流器具有通態(tài)損耗低、限流能力強及反應(yīng)速度快的特點，為目前限流器的研究熱點。

新型高溫超導(dǎo)材料的快速發(fā)展促進了直流超導(dǎo)限流技術(shù)的發(fā)展。超導(dǎo)限流器在直流輸電系統(tǒng)能限制交流電壓的下降和直流電流的激增^[33]。在柔性直流輸電系統(tǒng)，直流超導(dǎo)限流器可以快速限制短路電流幅值，遏制系統(tǒng)電壓的下降，為直流斷路器提供充足的開斷時間，降低對直流斷路器快速機構(gòu)的要求，同時降低直流斷路器的成本、體積和開斷難度^[34-36]。柔性多端直流系統(tǒng)中換流閥的抗過熱、抗沖擊和抗干擾能力較弱^[37]，直流超導(dǎo)限流器能限制短路故障電流幅值，減少短路電流對系統(tǒng)功率器件的沖擊，起到保護系統(tǒng)設(shè)備的目的。

超導(dǎo)故障限流器有多種結(jié)構(gòu)，包括電阻型、電抗型、橋路型、飽和鐵心型和變壓器型等^[38]。根據(jù)限流方式的不同，直流超導(dǎo)限流器通常分為電阻型超導(dǎo)限流器和電抗型超導(dǎo)限流器。電阻型超導(dǎo)限流器通常由高溫超導(dǎo)帶材繞制的線圈組成，利用超導(dǎo)材料的失超電阻來限流^[39]。電阻型超導(dǎo)故障限流器在直流系統(tǒng)正常運行時，超導(dǎo)限流器處于超導(dǎo)態(tài)，不產(chǎn)生額外的功率損耗。當(dāng)直流故障發(fā)生后，故障電流超過超導(dǎo)材料的臨界電流，超導(dǎo)材料立即失超，變?yōu)榇箅娮璨牧希焖傧哪芰浚行Ы档椭绷骶€路過電流，遏制電壓下降。在兩極短路故障中，超導(dǎo)限流器的失超電阻還能改變故障回路的阻尼特性，避免直流電壓振蕩過零，防止交流側(cè)設(shè)備和續(xù)流二極管受到過電流的沖擊^[40]。當(dāng)直流系統(tǒng)安裝直流超導(dǎo)限流器后，系統(tǒng)中的功率設(shè)備無須承受短路電流的沖擊。在多端直流系統(tǒng)中，超導(dǎo)限流器能迅速限制系統(tǒng)的短路故障電流，在正常通流時幾乎無損耗，不影響直流系統(tǒng)的正常運行^[41,42]。

隨著直流系統(tǒng)的發(fā)展和系統(tǒng)短路電流值的升高，直流超導(dǎo)限流器的應(yīng)用越來越受重視。LANL和西屋電力公司在1983年生產(chǎn)了可交直流兩用的電抗型超導(dǎo)限流器^[43]。中科院電工研究所于2005年研制出一臺可用于直流系統(tǒng)的額定電壓為10.5kV、額定電流為1.5kA的橋路型樣機^[44]。U.A. Khan等提出了一種新型的混合式超導(dǎo)斷路器，將超導(dǎo)限流器和混合式直流斷路器相結(jié)合，通過仿真研究其原理和在直流系統(tǒng)的作用^[45]。Y.Matsuzaki提出通過飽和鐵心保護失超的超導(dǎo)線圈的方法^[46]。L. Chen等對比分析了電阻型和電抗型超導(dǎo)限流器在柔性直流輸電系統(tǒng)的限流特性^[34]。B.T. Li等通過仿真研究了飽和鐵心型超導(dǎo)限流器在柔性直流輸電系統(tǒng)的限流效果和作用^[35]。L. Chen等通過仿真研究了耦合型超導(dǎo)限流器在高壓直流系統(tǒng)的限流特性^[36]。Koyanagi等研究了4根YBCO高溫超導(dǎo)帶材在電流為10.4kA下的直流限流特性^[47]。Villard等研究了YBCO在500A/s電流上升率下的限流特性^[48]。目前直流超導(dǎo)限流器的研究尚處于起步階段，實驗研究多集中在低電壓、電流在10kA以下的情況。在中高電壓等級以仿真研究為主，對高溫超導(dǎo)帶材限流失超特性的研究并不系統(tǒng)和充分，因此亟需直流超導(dǎo)限流技術(shù)詳細系統(tǒng)的實驗和仿真研究。B. Li和P. Chang等認為電阻型超導(dǎo)限流器是高壓直流輸電系統(tǒng)和柔性直流輸電系統(tǒng)中最合適的選擇^[29,34]。相比于其他限流技術(shù)，電阻型直流超導(dǎo)限流技術(shù)具有以下優(yōu)勢：①集檢測、轉(zhuǎn)換和限流于一身，無須控制電路；②反應(yīng)迅速，百微秒級的響應(yīng)速度；③系統(tǒng)正常運行時對系統(tǒng)無影響，無損耗^[50]；④具有限制極大短路故障電流的能力^[41]；⑤限流阻抗大，限流程度深；⑥切斷故障后能自動恢復(fù)，多次使用，可應(yīng)用于具有自動重合閘要求的直流系統(tǒng)。

電阻型超導(dǎo)限流器的研究主要在超導(dǎo)帶材上。卡爾·米勒和約翰內(nèi)斯·貝德諾爾茨首度發(fā)現(xiàn)銅氧化物超導(dǎo)體并獲得了1987年諾貝爾物理學(xué)獎，為高溫超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。1987年，美國華裔物理學(xué)家朱經(jīng)武、中國科學(xué)家吳茂昆和趙忠賢相繼發(fā)現(xiàn)釔鋇銅氧（YBa₂Cu₃O₇，即YBCO）系材料，將超導(dǎo)的臨界溫度提高到90K以上，突破了麥克米蘭極限，因此YBCO超導(dǎo)體也被稱為高溫超導(dǎo)體。1987年底，鉈鋇鈣銅氧系材料的發(fā)現(xiàn)將超導(dǎo)臨界溫度提高到125K。從1986～1987年的短短一年多的時間里，超導(dǎo)臨界溫度提高了近100K。2001年，發(fā)現(xiàn)了非銅氧化物二硼化鎂（MgB₂）超導(dǎo)體，其臨界溫度為39K^[30]。2008年日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了鐵基氮磷族氧化物（LaFeAsO_1-xF_x）其臨界溫度為26K，如果用稀土元素代替鑭（SmFeAs［O_0.9F_0.1］），其臨界溫度可提高到55K^[51]。2008年，吳茂昆發(fā)現(xiàn)鐵基化合物（FeSe）在10K具有超導(dǎo)性，為鐵基超導(dǎo)體的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。2015年，Edwin Cartlidge發(fā)現(xiàn)，硫化氫在極度高壓（不小于150GPa）的環(huán)境下，臨界溫度約為203K，硫化氫超導(dǎo)體是目前已知具有最高臨界溫度的超導(dǎo)體^[52]。表3-3為目前主要超導(dǎo)材料的種類和對應(yīng)的臨界溫度。

電抗型超導(dǎo)限流器主要利用其電感限流，在直流系統(tǒng)，僅含有限流電感的超導(dǎo)限流器只限制短路電流上升率，不能限制短路電流的幅值。目前國內(nèi)外對電阻型超導(dǎo)限流器的研究主要集中在高溫超導(dǎo)材料上，包括提高高溫超導(dǎo)帶材的臨界電流、失超電阻和耐受特性等。電阻型超導(dǎo)限流器具有結(jié)構(gòu)簡單、反應(yīng)迅速（響應(yīng)時間小于1ms）、失超電阻大、限流程度深、無交流損耗和受短路電流影響小等優(yōu)點，尤其適用于易受高幅值、高上升率的短路電流沖擊的直流系統(tǒng)。電阻型超導(dǎo)限流器受系統(tǒng)短路電流幅值影響較小，因此當(dāng)系統(tǒng)短路電流值升高時，系統(tǒng)中其他的電力設(shè)備無須更換^[41]。

目前高壓直流斷路器并沒有統(tǒng)一的原理或方案，多國積極研究不同高壓直流斷路器的開斷原理和拓撲結(jié)構(gòu)，研究提高短路電流開斷能力、減少直流斷路器成本的方法^[3]。高壓直流開斷技術(shù)的研究方興未艾，其技術(shù)成熟度遠低于交流開斷技術(shù)，多國的研究人員仍在積極研究具有高開斷能力、成本較低且能普遍應(yīng)用的直流斷路器。針對高壓直流斷路器開斷極大短路電流的難題，先限流再開斷的方式為解決該難題的關(guān)鍵手段之一，獲得了充分的重視和認可^[53]。