近年来,多端直流系统快速发展,并得到一定的实际应用,如珠海唐家湾三端直流输电示范工程和舟山五端柔性直流输电示范工程。相比于交流电网,以柔性直流系统为基础的直流电网,在较大容量电力传输、分布式能源接入、交流系统无功支撑等方面显示出明显的优势,是未来电网的重要发展方向^[1]。在有电网级别的直流断路器应用前,直流电网切除直流故障电流的保护措施主要是闭锁换流器或开断交流侧断路器,采用该方法会引起整个直流系统的短时停运,同时对并联运行的交流系统造成巨大冲击,严重降低系统供电的可靠性^[2]。如能在直流电网中应用数毫秒内开断大电流的直流断路器,快速切除故障设备或线路,就可以保证直流系统非故障部分的稳定运行,极大地提高系统可靠性^[3]。因此,直流断路器的研发是发展柔性配电网的关键技术之一。

直流断路器的研发存在以下技术难点。① 由于直流系统中电流不存在自然过零点,若采用传统的

交流断路器开断直流,灭弧十分困难;② 开断直流电流后,会产生很大的过电压,同时直流系统中存储的大量能量需要被吸收;③ 直流电网中故障电流将在几毫秒内迅速上升,故直流断路器需要在毫秒级迅速动作,在电流到达峰值前切断故障,以防止故障扩散、设备损坏甚至直流系统解列^[4]。另外,由于电力电子开关关断电流的时间为微秒级,直流断路器的开断时间主要取决于机械开关的动作时间。为提高开断速度,减小故障对直流系统的冲击,应尽可能将机械开关的分闸时间提高至毫秒级,因此需要有快速操动机构^[5]。

因此,一种基于耦合负压电路与电力电子开关串联的低损耗强制换流混合式直流断路器被提出,通过拓扑结构原理分析,能在毫秒级迅速动作,在电流到达峰值前切断故障,对故障扩散、设备损坏甚至直流系统解列起到了有效的防止作用,可作为未来直流电网内直流断路器的研究参考。

直流断路器的拓扑方案主要分为机械式直流断路器、全固态断路器、自然换流混合式断路器和强制换流混合式断路器四种,如图1所示^[6]。

基于四种结构的直流断路器已有充分的论证及工程应用,各自的特性总结对比如表1所示^[7]。

传统的机械式直流断路器,如图2所示,一般采用机械开关并联电感电容振荡电路和能量吸收电路的方法,利用预充电电容与电感谐振产生反向谐振电流,与机械开关上的电流相抵消,产生电流人工过零点,实现熄弧和开断直流电流的功能。在正常运行时,机械开关闭合,固态开关断开,电流流经机械开关。故障时,机械开关断开燃弧,导通固态开关,振荡电容C与振荡电感L产生的振荡电流被叠加到机械开关支路。分闸过程完成,断开固态开关。

振荡回路的谐振频率一般来说为1~5 kHz。由于预充电电容的电压方向为单向,而断路器要求的开断电流为双向,因此产生了关断分散性问题,如图3所示。当考虑到第一次过零失败时(即起振的第一个波与机械开关上的电流同向时),关断时间将会延迟到3/4个振荡周期^[8]。

选择机械式断路器运行稳定,通态损耗小,但随着电压电流等级的提高,并联电容电感的容量和体积呈平方倍增加,且断路器的开断时间不固定,会随着电流的变化而变化,不利于与系统控制保护相配合。另外,机械式断路器断开时产生的电弧燃弧时间长,极大地减小了触头的寿命。

机械式直流断路器在小电流开断时,电流过零点时刻更接近高频电流零点附近,此时电流上升率di/dt最大,恢复电压上升率也非常高,但由于开断电流小,对灭弧室触头的热效应较小,电流过零时刻等离子体密度低,有利于弧后介质强度恢复。

由于机械式直流断路器是电流注入型振荡,随着电压等级和开断容量的提升,谐振电容的容量也要随之提升,进而引起谐振电容大小与电压等级成平方关系增大,即其体积和成本也与电压等级成平方关系增大。并且电容的充电问题也越发突出^[9]。

机械式断路器合闸时,如果两端存在较大的电压差(短路故障未清除、或两端阀电压差异明显),则真空断口在合闸过程随着开距减小会发生预击穿;LC振荡电流叠加至断口过零熄弧后,断口介质强度依然小于恢复电压的情况下,会发生多次预击穿。在高压柔直输电应用中,机械式直流断路器的重合闸试验波形如图4所示。预击穿在真空灭弧室动静触头金属接触前发生导通,随后随着动触头运动,开关动静触头会实现金属接触,直至合闸成功。以160 kV机械式直流断路器重合闸特性进行说明,在预击穿过程中,一方面灭弧室触头的热效应会烧蚀动静触头,影响机械开关寿命;另一方面,预击穿产生的电流会导致二次系统误判。

当断路器动作时,一方面由于电容一直处于充电状态,另一方面由于晶闸管无法可控关断,因此振荡回路产生谐振电流在叠加于机械开关支路的同时,还会不停向系统注入同样高频、高幅值的谐振电流与谐振电压,电流峰值大概为短路电流峰值的10%,持续时间20 ms。该高频谐振电流将影响系统的性能,如引起母线电压波动,从而引起控保系统误判。

在最近的研究中,为解决上述机械式直流断路器的缺点,以成本和控制复杂度为代价,引入了很多混合式直流断路器的技术,如耦合换流技术、双向开关技术等,但由于还未有标准的名词定义,改良后的机械式直流断路器,仍被称为机械式直流断路器。

混合式直流断路器的技术路线,在自然换流混合式断路器的研究基础上,逐渐形成了强制换流混合式断路器的方案,该方案增加了辅助换流的措施,如与机械开关串联辅助电力电子开关,或增加其他辅助换流电路等。故障发生时,利用辅助换流装置,强制将机械开关的电流完全转移至电力电子支路,再由电力电子支路实现电流关断。该方案同样开断速度快,寿命长,开断时间主要取决于机械开关的动作时间。但辅助换流装置也增加了系统的复杂程度,如果在机械开关支路上串联辅助的电力电子开关,可能会造成通态损耗增加等问题。

综合考虑各种断路器技术路线的优缺点,本文提出基于耦合负压电路与电力电子开关串联的低损耗强制换流混合式直流断路器,如图5所示,其中机械开关支路采用真空灭弧室、电磁操动机构和电磁缓冲机构,能够实现毫秒级快速分断并恢复足够的绝缘强度;电力电子开关支路采用注入增强栅极晶体管(Injection enhanced gate transistor, IEGT)串并联使用,同时串联耦合负压电路以保证换流过程的快速性和可靠性;电力电子串联开关并联有均压和限压电路;金屑氧化物可变电阻(Metal oxide varistor, MOV)用于限制断路器断口间过电压,并吸收剩余的线路能量。

其工作原理为：正常运行时,耦合负压电路原边回路中可控硅整流器晶闸管(Silicon controlled rectifier, SCR)处于关断状态,电容器C₁预充一定电压,线路电流由快速真空开关导通;线路短路故障时,同时导通主电力电子开关,并给快速真空开关发分闸命令,待触头开距达到2~3 mm时,控制SCR导通,C₁与L₁振荡,通过L₂在电力电子支路耦合一个负压,使电力电子支路整体导通压降低于快速真空开关弧压,从而强制电流由快速真空开关支路转移至主电力电子开关支路,机械开关支路电流过零熄弧,完成电流转移。待快速真空开关分闸运动到触头间隙能够承受相应的瞬态恢复电压时,主电力电子开关关断,线路能量由MOV吸收,故障电流下降至零。

直流断路器动作时序如图6所示。具体的故障判断和动作时序如下：发生短路故障以后,故障识别模块按照设定的动作阈值给直流断路器工作触发信号;首先导通主电力电子开关,再分闸快速真空开关,触头燃弧,待触头开距达到一定距离时,触发耦合负压电路原边回路控制开关,电容器和原边线圈放电谐振,通过副边线圈的耦合,使机械开关支路的电流转移至主电力电子开关,机械开关电流过零熄弧。快速真空开关触头继续分开,待分闸运动到触头间隙能够承受相应的瞬态恢复电压后,主电力电子开关关断,RC缓冲吸收支路和MOV限压支路开始工作,RC缓冲吸收支路电流很快下降,MOV支路电流缓慢下降;当MOV支路电流第一次下降到零时断路器两端隔离刀闸跳开断路器,整个开断过程结束。

该拓扑中,通过控制耦合负压电路原边电磁感应的方式实现电流转移过程,控制电路与主线路具有一定的隔离作用。通过调整耦合负压电路的参数,可以克服不同电压等级中电力电子器件串联组成的主电力电子开关导通压降,保证电流从机械开关支路快速可靠转移到主电力电子开关支路。另外,耦合负压电路可以保证双向电流的快速可靠转移,且不增加直流断路器的通态损耗。

本文针对如何在直流电网中,快速切除故障设备或线路,提出了一种基于耦合负压电路与电力电子开关串联的低损耗强制换流混合式直流断路器,通过拓扑结构原理分析,耦合负压电路可以保证各个电流等级下,电流转移过程的可靠性,同时该拓扑方案的断路器具有如下优势。

(1) 通态损耗近零。稳态通流回路为机械开关,无需特殊散热设备。

(2) 支持重合闸。可利用电力电子支路实现快速重合闸。

(3) 可靠性高。与机械式断路器相比燃弧时间短,断路器使用寿命增加,可靠性提高。

(4) 可控性强。换流过程简单,电力电子器件关断电流可靠性高,不同电流下关断时间确定,系统暂态能量控制能力强。

相比于其他方式,该拓扑结合了机械开关和固态开关的优点,通态损耗低,开断特性好,可以保证各个电流等级下,电流转移过程的可靠性,有适用于任何电压等级的优点,具有一定的应用前景。