高压直流断路器
直流断路器结合了电力电子器件，是用于开断直流回路的断路器，实现直流开断的时刻是电流过零点。直流断路器一般可分为机械式直流断路器、固态直流断路器以及混合式直流断路器。其中电力电子器件的控制和直流灭弧是直流断路器的关键技术。
目录
简介
电力电子器件串、并联技术 在高电压、大电流的应用场合，需要电力电子器件串联提高耐压能力和并联提高通流能力，由于器件自身参数差异和外围电路影响导致的动、静态均压、均流问题尤为突出。当电力电子器件作为直流断路器断流主支路时，一般不需要并联即可满足关断电流要求，而为了承受较高的开断过电压，往往需要大量器件串联使用，本节将重点分析串联均压问题。 电力电子器件串联电压不均一般分为两种情况：静态电压不均和动态电压不均。器件运行过程中会经历开通瞬态、开通稳态、关断瞬态和关断稳态四个工作状态。在开通稳态和关断稳态下，串联各器件电压基本保持稳定，属静态均压问题;在开通瞬态和关断瞬态下，串联各器件电压动态变化，属动态均压问题。由于影响串联均压的因素较为复杂，不同工作状态下应采用不同的均压策略 [1] 。 (1)静态电压不均原因分析与均压措施 当串联各器件处于开通稳态时，只承受很低的通态压降，由器件参数差异引起的电压不均对其安全运行影响较小，一般可以忽略不计；当串联器件处于关断稳态时，各器件可等效为一个阻值较大的电阻，其上只有很小的漏电流通过，此时器件两端电压一般较高，必须采取措施解决电压不均问题。 为实现静态均压，首先应尽量选用参数和特性均一致的器件，此外还可以在串联各器件集射极之间并联均压电阻，当该电阻远小于器件漏电阻时，电压分配主要取决于均压电阻值，该阻值通常应远低于器件断态等效电阻，并尽可能的大， (2)动态电压不均原因分析与均压措施 影响串联器件动态电压不均的因素主要分为两类：器件自身参数和外围电路参数。其中器件自身参数主要包括极间寄生电容、拖尾电流、栅极内阻和杂散电感等，外围电路主要包括栅极驱动电阻、驱动回路寄生电感、驱动信号延迟和吸收电路等。 直流灭弧技术 与交流电流相比，直流电流没有自然过零点，在高电压等级和高故障电流等级下，如果用机械开关强制断开直流电流，一方面将产生巨大能量的电弧，对设备安全造成严重威胁，另一方面从机械开关动作到其恢复可靠的耐压能力往往需要数十毫秒，难以满足速动性的要求。目前为应对灭弧问题多采用以下几种策略： (1)研究直流电弧特性并建立准确的电弧模型，研制灭弧能力更强、速度更快的机械开关。 (2)借鉴交流断路器工作原理，采用振荡电路等方式人为制造电流过零点。 (3)采用包含机械开关和电力电子器件的混合型拓扑，通过合理的开断时序控制策略，使机械开关实现在极小的电流甚至零电流下开断。 (4)采用只包含电力电子器件的全固态拓扑，避免电弧。 以上策略各有利弊，如何选择合理的灭弧方法是直流断路器面临的重要问题。
评价
在多端柔性直流输电系统中的应用 直流侧故障影响到设备参数的计算和控制保护策略的设计，是直流输电系统必须考虑的一种故障类型。虽然处理直流侧故障有三类方法，但由于技术方面的制约，目前实际工程中仍采用交流侧断路器隔离故障。在这种处理方式下，系统检测到故障后闭锁换流站以防止桥臂过流，然后跳开各换流站交流侧断路器，切断交流侧电流馈入，直流电流随着桥臂电抗能量释放逐渐减小至零，最后跳开故障线路两端的快速直流开关。而其他换流站需要再次闭合交流断路器重新启动。这种处理策略在每次故障时都需要跳开交流断路器，使直流系统与外界交流系统解开，计及故障检测、识别、交流断路器动作和快速直流开关动作，整个故障清除过程长达数百毫秒，这将降低直流输电系统的可利用率 [2] 。 由于多端柔性直流输电系统存在多种短路类型和短路点，短路电流变化复杂，为使本文提出的直流断路器拓扑用于多端柔性直流输电系统时能够更加可靠的处理直流侧故障，需要对直流侧故障机理和各种故障类型下的电流变化规律进行研究，同时应结合系统原有的直流侧故障保护方法和直流断路器控制策略，合理整定直流断路器动作时序，确保整个系统安全可靠运行。 不同类型直流侧故障机理： 采用双极对称传输方式的模块化多电平多端柔性直流输电系统，其直流侧故障一般分为三类：单极短路故障、双极短路故障和断线故障。单极短路故障时，由于直流侧经大电阻接地，近似开路，子模块电容没有放电通路，电容电压基本维持稳定；双极短路故障时，在换流器闭锁前，子模块电容通过上部全控器件形成放电回路，如图所示，同时交流系统通过子模块下部二极管构成能量馈流回路，相当于三相短路，如图所示，此时子模块电流由两者叠加构成，换流器闭锁后，全控器件关断，交流系统继续通过图所示电路馈入电流，直到交流侧断路器动作切断馈流回路。 直流断路器需求分析与参数配置： 在直流断路器应用环境下，多端柔性直流输电系统主要故障类型可分为平抗内短路，平抗外短路和架空线路短路，每种短路又分为单极短路和双极短路。在各种类型短路故障中，换流站近端平抗内、外侧双极短路是较为严重的故障类型，其中又以平抗内双极短路故障最严重。2ms之内故障电流可达7kA，峰值电流17kA。 直流断路器应满足上述最严重故障下的动作要求。日前多端柔性直流系统直流侧故障保护方式主要有桥臂过流保护和阀直流过流保护，两者原有保护方案均取最高值为2p.u.，动作延时0.2ms，故障电流达到阈值时换流器启动闭锁保护，同时交流侧断路器动作切断交流电流的馈入。为最大限度抑制故障发展，使系统在故障恢复后能够快速地重新建立直流电压，直流断路器应在换流器闭锁之前动作，即使不能满足也应保证在换流器闭锁之后、交流侧断路器动作之前动作。在较低阈值的保护水平下，换流器将在1ms内闭锁，因此直流断路器也应在1ms内动作，在系统其他参数不变时直流断路器难以满足该要求。 为保证直流断路器可靠动作，对于故障电流水平较低的故障类型，提高原保护电流整定阈值即可满足要求；对于大容量换流站近端较严重的故障类型，除提高电流阈值之外，还应为直流断路器配置限流电感以限制电流上升率。
视频
高压断路器:高压电路中的重要电器元件之一