3.3 高壓直流斷路器的分類和開斷原理

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，但由于目前固態式直流斷路器較為普遍，且受關注程度大，因此單獨劃分。

3.3.1 機械式直流斷路器開斷原理

1.無源型高壓直流斷路器

無源型高壓直流斷路器的開斷是利用氣體電弧的負電阻特性和不穩定性，開斷電弧與并聯交換回路中的電容器、電抗器相互作用，產生遞增的自激振蕩電流，當電流振蕩與開斷電流幅值相同、方向相反時，流過氣體斷路器的電流過零，氣體斷路器在電流零點開斷電流。無源型高壓直流斷路器通常包括氣體斷路器、轉移支路的電容器、電抗器及能量吸收支路的吸能元件。其原理圖如圖3-12所示，圖中，I為被開斷的直流電流；I_p為振蕩支路電流；L、C分別表示轉移支路的電抗器、電容器；ZnO為吸能元件。

無源型直流斷路器的工作原理為：氣體斷路器與轉移支路電容C和轉移支路電感L并聯。當氣體斷路器接到分閘命令、觸頭分開后，氣體電弧電壓向轉移支路電容充電。氣體電弧具有不穩定性和負電阻特性，開斷過程中電弧電壓波動，在轉移支路電容器C和氣體電弧之間產生充放電電流I_p。氣體電弧的負電阻特性使I_p的振蕩幅度不斷增加，形成自激振蕩，當I_p的振幅達到開斷電流I時，在電弧間隙產生電流過零點，氣體斷路器開斷電流。電弧電流過零后，進入介質恢復階段，這時直流系統仍儲存著巨大的能量，這部分能量轉變為電容器C上的恢復電壓，當恢復電壓上升到避雷器的限定電壓時，避雷器導通，吸收這部分能量，至此完成直流開斷。

無源型高壓直流斷路器的開斷過程可劃分為三個階段：第一階段是強迫電流過零階段；第二階段是介質恢復階段；第三階段是能量吸收階段。與交流斷路器不同的是，斷路器的介質恢復特性是高頻介質恢復特性。無源型高壓直流斷路器不包含有源元器件，無須輔助設備和控制系統，可靠性高，通態損耗低。

2016年Angquist等提出了一種新型的無源型高壓直流斷路器，如圖3-13所示，該直流斷路器將一個低壓電力電子換流器與自激振蕩回路相結合，電力電子換流器用于產生一個負阻性的電阻R，使電流具有負阻尼振蕩特性^[54]。將此電流疊加在流過主支路真空斷路器的電流上，形成電流過零點。采用真空斷路器作為主支路開斷開關的原因為真空斷路器觸頭間隙小，并能更快地產生電流過零點，減少開斷時間。該直流斷路器在1.3kV下開斷直流電流1.6kA，并且適用于具有快速自動重合閘要求的直流系統。

目前典型的無源型高壓直流斷路器如表3-4所示。日本Kii水道高壓直流系統用MRTS實現直流斷路器的功能，能在120kV額定電壓下開斷電流5.3kA^[55]。

2.有源型高壓直流斷路器

有源型高壓直流斷路器的開斷原理與無源型相似，不同之處為開斷裝置為真空斷路器，真空電弧具有正電阻特性，在開斷過程中無法形成幅值逐漸增加的自激振蕩電流，因此需要對其轉移支路的電容器C進行預充電。在開斷故障電流前，需要先用充電裝置將轉移支路電容器C預充電到一定的電壓。有源型高壓直流斷路器的工作原理如圖3-14所示^[56,57]。當斷路器得到分閘命令、觸頭分開到一定開距后，晶閘管開關或觸發間隙導通，轉移支路放電產生電流，轉移支路的振蕩電流與流過斷路器的正向故障電流疊加，產生人工電流零點，在電流零點熄滅電弧開斷電路^[58]。

Wang等提出一種新型的有源型高壓直流斷路器的拓撲結構，如圖3-15所示^[59]。該高壓直流斷路器由兩個混合型開斷模塊HB（二極管和真空斷路器）、一個脈沖發生單元PG和能量吸收單元DB組成。HB中的真空斷路器（VI）具有極快的分閘速度、耐受高電壓的能力，VI可以多個串聯提高工作電壓。該高壓直流斷路器的工作原理與有源型真空開斷方式相似，不同之處為反向放電電流由電容器C_PG和晶閘管VT_PG控制，在真空開斷過程中，可以實現零電壓開斷。在正常通流時該直流斷路器通態損耗極低。通過仿真得到該直流斷路器在450kV額定電壓下開斷電流15kA，開斷時間3.5ms^[59]。

表3-5為有源型高壓直流斷路器總結^[204]。

機械式直流斷路器具有可靠性高、通態損耗小和價格低廉等優點。但由于自身結構的限制，無源型直流斷路器具有開斷電流小、開斷時間長的缺點，過長的燃弧時間易燒損觸頭，無法實現快速開斷。無源型直流斷路器需要改進電弧控制技術，加快電弧振蕩過程，減少燃弧時間，提高開斷電流幅值^[60]。有源型高壓直流開關的缺點主要在于轉移支路的電容器C_p需要一直充電，而充電系統的可靠性較低，另外對輔助開關的配合時間要求很高，控制系統也較為復雜。但相比無源型直流斷路器，有源型高壓直流開關能產生更大幅值的振蕩電流，開斷能力更強，且開斷時間較短。有源型高壓直流開關一般選取真空斷路器，由于受真空滅弧室的絕緣水平限制，有源型直流斷路器不方便在超高壓下使用，附加的控制和充電設備也使有源型高壓直流斷路器結構更加復雜，價格高于無源型高壓直流斷路器。

3.3.2 全固態式直流斷路器開斷原理

隨著電力電子器件水平以及性價比的提高，全固態式直流斷路器便應運而生。全固態式高壓直流斷路器是指斷路器的開關器件為半導體器件，斷路器中無機械運動部件。全固態直流斷路器是利用電力電子器件構成轉換開關的導通和關斷，將故障電流切換到限制回路，實現限流功能。由于采用電子器件，所以該斷路器具有動作速度快、允許動作次數多、可以有效限制短路電流和動作時間短等優點。全固態式直流斷路器以功率半導體器件作為主開關管，發生短路故障時將預先充好電的電容能量通過諧振支路給釋放出來，使流過主開關的電流反向，達到限流和切斷短路故障的目的。ABB公司等提出了采用具有硬關斷能力IGCT器件作為開關器件，使其兼具限流器、斷路器的功能，不僅充分利用了IGCT高效的門極關斷技術，而且無須緩沖電路，同時美國CPES也對基于ETO的固態斷路器做了研究和測試。

全固態式直流斷路器的研究目前主要集中在具有關斷能力的功率電力電子器件上。全控型電力電子器件如GTO、IGBT、BIGT、IGCT和ETO等具有可關斷性，可以輕松控制斷路器的通斷，無須振蕩換流電路即可實現快速關斷。全控型電力電子器件的快速關斷特性可以在故障電流很小時切斷電路^[61]。全固態式直流斷路器雖然開斷時間極短^[5]，但存在過電壓過電流、器件通態損耗高、冷卻系統笨重和造價昂貴等缺點，難以直接在高壓直流系統使用^[25]。目前主要的全固態式直流斷路器有以下四種拓撲結構，如圖3-16所示。該四種拓撲結構均能實現雙向開斷。

表3-6為全固態式直流斷路器中全控型電力電子器件特性總結，參數值為到2017年生產達到的指標。IGBT的通態電壓最高，IGBT和IEGT的集電極允許流過的電流最大。

3.3.3 混合式直流斷路器開斷原理

混合式直流斷路器將機械開關和電力電子開關相結合，利用二者的優勢，消除二者的缺點，形成一種兼具開斷速度快、正常工作時損耗低的新型直流斷路器。目前混合式直流斷路器被認為是較為有效的直流開斷方式。混合式直流斷路器的拓撲結構如圖3-17所示，正常通流時，由機械開關1導通電流，因此通態損耗低。電力電子開關2用于開斷電流，并將電流轉移到能量吸收支路的避雷器3，避雷器3用于吸收系統的能量和限制開斷過程中的過電壓，機械隔離開關4用于開斷泄漏電流。

混合式直流斷路器的工作過程為：在正常通流時，電流流過機械開關1和4，當短路故障發生時，PE導通，機械開關1分閘，產生的電弧電壓使電流轉移到PE支路；當機械開關可以耐受的電壓達到避雷器的限制電壓時，PE分斷電流，電流轉移到避雷器3。避雷器支路電流逐漸下降到零，最后由機械開關4開斷幅值極低的泄漏電流。

3.3.4 限流式直流斷路器開斷原理

限流式直流斷路器為先用限流設備將短路故障電流限制到一個較低的幅值，再由斷路器開斷被限制后的電流。限流式直流斷路器能迅速限制短路電流的幅值和上升率，為斷路器提供充足的開斷時間，減少開斷時間和開斷難度，提高電力系統的安全穩定性，使電力系統設備免受過大短路電流的沖擊。直流限流器根據其構成原理通常分為PTC（Positive Temperature Coefficient）非線性電阻限流器^[28]、磁元件限流器^[29,30]、固態限流器、液態金屬限流器^[31]、限流熔斷器、超導限流器以及各種混合式限流器^[28]。目前較為常用的直流限流器有固態限流器和超導限流器，全固態式直流斷路器已經介紹，下面主要介紹超導限流式直流斷路器。

隨著超導電力技術和高溫超導材料的發展，研究超導限流的越來越多。超導型故障限流器有多種結構，包括電阻型、橋路型、飽和鐵心型和變壓器型等。以下主要介紹可以用于直流系統的超導限流器的原理。

1）電阻型。由低交流損耗的極細超導電纜繞制的高溫超導線圈及并聯的普通限流線圈組成^[65-67]。電阻型超導限流器主要利用超導體的超導態/正常態的轉變來限流。一旦電網發生短路，短路電流大于臨界電流時，超導體“失超”，由零阻抗表現為非線性高電阻，從而限制了短路電流。正常運行時，線路電流全部通過處于超導態的高溫超導線圈，幾乎無通態損耗。一旦發生短路故障，高溫超導線圈承受的電流超過其臨界電流而出現高阻態，限制故障短路電流，并聯的普通限流線圈還可限制電流上升率。國內外對電阻型超導限流器的研究主要集中在超導材料上，目前研究比較多的是采用YCBO（釔鋇銅氧化物）超導材料的電阻型超導限流器。

2）電抗型。其類型主要有電感型、橋路型等。限流時只含有電抗的超導限流器只能限制直流系統短路故障電路上升率，不能限制短路故障電流幅值。電抗型超導限流器的缺點為損耗較大。