中壓直流開斷技術(shù)研究綜述

摘要：中壓直流配電系統(tǒng)在提高電網(wǎng)的可靠性、提升能源利用效率、改善電能質(zhì)量方面具有突出的優(yōu)勢(shì)，已成為世界各國電力系統(tǒng)未來發(fā)展的重要方向。由于直流電流無自然過零點(diǎn)，直流系統(tǒng)的短路電流開斷相比于交流開斷更為困難，其開斷技術(shù)也是制約直流配電系統(tǒng)發(fā)展和推廣的瓶頸問題。綜述了近年來大容量中壓直流開斷方案，介紹了相應(yīng)的開斷原理，主要包括電流注入式直流斷路器和混合式直流斷路器。此外，概述了中壓直流開斷的關(guān)鍵技術(shù)及其面臨的挑戰(zhàn)。最后，歸納并展望了中壓直流開斷技術(shù)未來發(fā)展的趨勢(shì)。0引言中壓直流系統(tǒng)具有輸送功率密度大、線路損耗小、電能質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn)，目前已在城市配電無軌電車、地鐵、冶煉、化工、新能源等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，且在國防領(lǐng)域也倍受矚目。中壓直流斷路器作為直流配電系統(tǒng)中至關(guān)重要的保護(hù)元件，是系統(tǒng)安全運(yùn)行的保證，需要快速可靠開斷直流故障電流。與交流相比，中壓直流大容量開斷技術(shù)領(lǐng)域的研究工作相對(duì)滯后，已有商用化的直流開斷技術(shù)大都針對(duì)低壓系統(tǒng)，無法滿足中壓直流電網(wǎng)短路故障快速切除的需求。中壓大容量直流斷路器的缺失使得電力系統(tǒng)無法選擇性地切除故障線路，從而影響到整個(gè)配電系統(tǒng)的運(yùn)行以及功率分配，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電網(wǎng)難以恢復(fù)供電。同時(shí)，直流區(qū)域短路故障對(duì)與之相聯(lián)的交流系統(tǒng)將帶來較大沖擊，采用直流斷路器實(shí)現(xiàn)故障隔離是直流配電系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的保證。探索合適有效的中壓直流開斷技術(shù)，解決直流配電系統(tǒng)快速選擇性切除故障的難題，是未來直流電網(wǎng)建設(shè)的基礎(chǔ)條件，也是充分發(fā)揮出直流電網(wǎng)這一新技術(shù)優(yōu)勢(shì)的前提，同時(shí)對(duì)未來直流電網(wǎng)的推廣應(yīng)用也將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。目前，國內(nèi)外多個(gè)科研單位和高校院所已經(jīng)開展了中壓直流開斷技術(shù)的相關(guān)研究工作，本文總結(jié)了直流開斷方面的最新研究成果，介紹分析了適用于中壓直流電網(wǎng)的主流開斷方案，并針對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)及挑戰(zhàn)進(jìn)行了討論。本文的總體結(jié)構(gòu)如下：第一部分介紹了主要的直流開斷原理；第二部分回顧了近年來中壓直流斷路器的主要研究進(jìn)展；第三部分描述了發(fā)展直流斷路器的關(guān)鍵技術(shù)和挑戰(zhàn)；第四部分總結(jié)全文并討論了中壓直流開斷技術(shù)的未來發(fā)展趨勢(shì)。1直流開斷原理由于直流系統(tǒng)電流沒有自然過零點(diǎn)，電弧無法像交流斷路器那樣自然熄滅，因此與交流系統(tǒng)相比，直流系統(tǒng)的電流開斷更加困難，需要直流斷路器自行創(chuàng)造電流過零點(diǎn)。此外，在開斷過程中直流斷路器還需要快速耗散存儲(chǔ)在系統(tǒng)電感中的大量能量，顯著增大了直流故障電流的開斷難度。通常，可以采用2種方案在直流系統(tǒng)中創(chuàng)建電流零點(diǎn)。一種是基于觸頭分閘產(chǎn)生的高電弧電壓來抵制系統(tǒng)電壓，強(qiáng)制系統(tǒng)電流過零完成開斷，即傳統(tǒng)的空氣式直流斷路器。這種斷路器的特點(diǎn)是開斷容量大，并且可靠性較高，主要應(yīng)用于軌道交通系統(tǒng)以及大型船舶電力系統(tǒng)。但是，這種方案的應(yīng)用電壓等級(jí)往往較低，一般不超過5?kV，同時(shí)由于其機(jī)械響應(yīng)速度較慢，開斷時(shí)間較長，難以抑制直流系統(tǒng)故障電流的快速上升。因此，對(duì)于未來10?kV等級(jí)的中壓直流配電系統(tǒng)，單純依靠電弧電壓實(shí)現(xiàn)短路電流的快速開斷將非常困難。第二種方案是基于電流轉(zhuǎn)移原理實(shí)現(xiàn)直流電流的快速開斷，主要包括固態(tài)斷路器、混合式斷路器和電流注入式斷路器，各種方案的具體特點(diǎn)如下：IGBT）、集成門極換流晶閘管（integratedgatecommutatedthyristors，IGCT）等。自20世紀(jì)70年代末被提出以來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的長足發(fā)展，開斷容量也在不斷提高。此類斷路器通過半導(dǎo)體器件在關(guān)斷過程中快速建立電壓而實(shí)現(xiàn)電流的最終開斷。由于沒有機(jī)械部件，開斷過程小于1?ms，具有無電弧、無材料燒蝕、無聲響等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，通過電力電子器件的串并聯(lián)組合可以靈活地調(diào)整通流和開斷能力。然而，當(dāng)固態(tài)斷路器向著大功率、高電壓等級(jí)的方向發(fā)展時(shí)，往往需要采用大量器件進(jìn)行串、并聯(lián)來實(shí)現(xiàn)。由于半導(dǎo)體器件存在造價(jià)高、通態(tài)損耗大等固有缺點(diǎn)，純固態(tài)斷路器在直流系統(tǒng)的應(yīng)用受到了嚴(yán)重制約?；旌鲜綌嗦菲饔晒虘B(tài)式斷路器演化而來，為了克服固態(tài)斷路器造價(jià)高、通態(tài)損耗大的缺點(diǎn)，研究人員提出了一種改進(jìn)的替代方案，即混合式斷路器，將機(jī)械開關(guān)和電力電子器件相結(jié)合。一方面，機(jī)械開關(guān)彌補(bǔ)了電力電子器件通流能力不足的缺點(diǎn)；另一方面，半導(dǎo)體開關(guān)提高了機(jī)械開關(guān)的開斷能力。由于引入了機(jī)械部件，混合式斷路器的開斷時(shí)間略高于固態(tài)斷路器，約為幾毫秒。固態(tài)斷路器和混合式斷路器的開斷能力主要受電力電子器件本身的影響，同時(shí)需要解決控制信號(hào)同步、均壓和均流的問題。電流注入式斷路器通常包含機(jī)械開關(guān)、電容器、電感器等元件，開斷過程中，機(jī)械開關(guān)首先分閘，電流在多條支路內(nèi)相互轉(zhuǎn)移，使得斷口電流過零，并通過電容器建立開斷電壓，迫使系統(tǒng)電流下降為零，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電流開斷。這種斷路器的特點(diǎn)是開斷速度快并且容量大，同時(shí)成本相對(duì)較低。2直流斷路器開斷方案2.1混合式斷路器由機(jī)械開關(guān)和電力電子器件構(gòu)成的混合式直流斷路器如圖1所示，同樣也包含3條并聯(lián)支路。能量耗散支路1由MOV組成，用于限制開斷過電壓，并吸收存儲(chǔ)在系統(tǒng)中的開斷能量。主支路2由機(jī)械開關(guān)MS構(gòu)成，以承載額定電流同時(shí)在開斷時(shí)快速建立絕緣間隙。半導(dǎo)體支路3由多個(gè)串聯(lián)的IGBT組成，主要用于快速關(guān)斷轉(zhuǎn)移電流。圖1混合式直流斷路器???如圖2所示，北卡羅來納大學(xué)利用SiC新型半導(dǎo)體器件研制了10?kV/200?A斷路器樣機(jī)，可在2?ms內(nèi)完成電流開斷。該斷路器樣機(jī)借鑒了ABB高壓混合式斷路器結(jié)子開關(guān)和MS串聯(lián)連接，作為負(fù)載轉(zhuǎn)移開關(guān)（loadcommutationswitch，LCS）。通過LCS的主動(dòng)關(guān)斷來實(shí)現(xiàn)MS的無弧打開，不僅提高了電流轉(zhuǎn)移速度，保證了電流轉(zhuǎn)移的可靠性，同時(shí)也避免了觸頭燒蝕等一系列問題。圖2北卡羅來納大學(xué)研制的混合式直流斷路器

在圖2所示的斷路器中，主支路LCS的存在會(huì)導(dǎo)致較高的額定通流損耗，但仍是目前直流開斷領(lǐng)域的重要發(fā)展方向：一方面由于LCS采用的半導(dǎo)體器件相對(duì)較少，主回路通流的損耗較??；另一方面為機(jī)械開關(guān)創(chuàng)造了零電流的開斷環(huán)境，大大提高了斷路器的可靠性，使其具有向更高電壓等級(jí)發(fā)展的潛力。近年來，研究者也不斷地提出改進(jìn)的措施，如ABB提出在主支路和半導(dǎo)體支路加裝耦合電抗器的輔助轉(zhuǎn)移方案，以及使用脈沖變壓器、超導(dǎo)材料、非線性電阻、液態(tài)金屬限流器等來替代LCS的方案。但這些新方案僅僅停留在理論研究階段，離實(shí)際應(yīng)用還需更進(jìn)一步探索。2.2電流注入式斷路器典型的電流注入式斷路器如圖3所示，由3條并聯(lián)支路所構(gòu)成，分別是由金屬氧化物避雷器（MOV）構(gòu)成的能量耗散支路1、主支路2和轉(zhuǎn)移支路3。正常通流時(shí)，主支路的機(jī)械開關(guān)MS保持閉合狀態(tài)并承擔(dān)所有電流，因此斷路器額定通流的損耗非常小。同時(shí)，電容器C預(yù)充有一定電壓，球隙S處于關(guān)斷狀態(tài)。圖3電流注入式斷路器原理圖當(dāng)斷路器需要進(jìn)行分閘操作時(shí)，MS打開并燃弧。然后控制間隙S導(dǎo)通，利用預(yù)充電電容器C產(chǎn)生的反向脈沖電流來抵制MS中的電流，形成人工電流過零點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)熄弧的同時(shí)系統(tǒng)電流被轉(zhuǎn)移至轉(zhuǎn)移支路。隨著電流的不斷注入，電容電壓逐漸升高，最終超過MOV的導(dǎo)通閾值，迫使系統(tǒng)電流進(jìn)一步轉(zhuǎn)移至能量耗散支路。最終系統(tǒng)的能量在MOV中被耗散，實(shí)現(xiàn)電流開斷。由于其低成本和高開斷能力的特點(diǎn)，電流注入式斷路器在工程應(yīng)用方面具有很大的優(yōu)勢(shì)?；谠撻_斷原理，西安交通大學(xué)研制了額定10?kV/2?kA直流斷路器樣機(jī)，采用橋式轉(zhuǎn)移電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)雙向開斷和斷口續(xù)流，并成功實(shí)現(xiàn)25?kA短路電流開斷，開斷時(shí)間小于5?ms。案中存在的電容輔助電路需要耐受開斷過電壓、轉(zhuǎn)移電容器長期帶電電壓高等難點(diǎn)問題，西安交通大學(xué)提出了基于磁感應(yīng)轉(zhuǎn)移原理的新型電流注入式直流斷路器樣機(jī)這種方案的優(yōu)勢(shì)是，磁感應(yīng)轉(zhuǎn)移模塊原理，西安交通大學(xué)開發(fā)了額定10?kV/2?kA，短路開斷20?kA機(jī)的成本、體積較傳統(tǒng)的電流注入式方案有明顯的優(yōu)勢(shì)。圖4基于脈沖變壓器的電流注入式直流斷路器2.3其他斷路器方案Z源斷路器作為一種特殊的斷路器，它可以在系統(tǒng)發(fā)生短路故障后自動(dòng)地?cái)嚅_系統(tǒng)回路。如圖5所示，Z源斷路器通常包含晶閘管T、交叉LC支路以及二極管和電阻。正常工作時(shí)T導(dǎo)通，并且電容器C1和C2被充電至系統(tǒng)電壓。當(dāng)Z源斷路器的負(fù)載端發(fā)生短路故障時(shí)，C1和C2變?yōu)榇?lián)結(jié)構(gòu)，并通過短路點(diǎn)開始放電，一旦C1電流大于L1電流，T將被自然關(guān)斷。T關(guān)斷之后，Z源斷路器與負(fù)載形成諧振電路，輸出電壓最終振蕩至零。圖5Z源斷路器Z源斷路器的缺點(diǎn)在于在額定通流能力受到晶閘管、電感等器件的制約。而且，這種斷路器不能關(guān)斷額定電流，在常規(guī)開斷時(shí)無法使用。相比其他開斷方案，其低成本、控制簡(jiǎn)單、自動(dòng)應(yīng)對(duì)故障、組成元件不易損壞等優(yōu)點(diǎn)使它具有工程應(yīng)用的潛力。3直流開斷關(guān)鍵技術(shù)及挑戰(zhàn)直流系統(tǒng)的短路電流具有上升速度快、電流幅值高等特點(diǎn)，同時(shí)短路故障條件下，直流系統(tǒng)中儲(chǔ)存著巨大能量。為了避免系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備受到短路電流的電–熱–機(jī)械沖擊而發(fā)生破壞，要求直流斷路器在數(shù)毫秒內(nèi)完成短路電流的開斷和電能耗散，實(shí)現(xiàn)短路故障的可靠切除。直流開斷技術(shù)的難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面。3.1直流開斷的物理過程復(fù)雜直流短路電流開斷的難點(diǎn)之一在于電流無過零點(diǎn)，為此通常利用機(jī)械開關(guān)并聯(lián)輔助支路或者利用電力電子器件的全控特性實(shí)現(xiàn)電流的過零和轉(zhuǎn)移，最終由電能耗散裝置消耗系統(tǒng)剩余的能量實(shí)現(xiàn)短路故障的切除。無論是采用電流注入式開斷方法，還是采用大功率電力電子器件的混合式開斷方法，均是利用電流轉(zhuǎn)移和電能耗散的方式來實(shí)現(xiàn)短路電流的過零開斷，涉及電流轉(zhuǎn)移、斷口介質(zhì)恢復(fù)、電能耗散等多個(gè)物理過程的配合，開斷過程復(fù)雜。其中包含高電壓與絕緣技術(shù)、放電物理、電磁場(chǎng)理論、電介質(zhì)物理、電力電子技術(shù)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的交叉。3.2直流短路電流開斷機(jī)理尚不清晰目前，雖然針對(duì)不同的開斷工況提出了多種電流轉(zhuǎn)移原理，但是不同電流轉(zhuǎn)移過程涉及的斷口絕緣恢復(fù)、組件參數(shù)匹配、耗能特性等關(guān)鍵物理過程的機(jī)理尚未揭示，相關(guān)的微觀物理機(jī)制及其調(diào)控手段也沒有深入開展研究，難以滿足未來直流配電系統(tǒng)對(duì)斷路器的應(yīng)用需求。特別的，直流開斷過程中電流轉(zhuǎn)移速度非?？?，斷口瞬變電弧特性與傳統(tǒng)交流斷口的電弧特性差異巨大，電弧熄滅瞬間的電流下降率可達(dá)傳統(tǒng)交流開斷情況下的數(shù)十倍，并且斷口間隙短，高頻恢復(fù)電壓作用下的斷口絕緣恢復(fù)及擊穿特性尚未揭示。因此，需要圍繞直流開斷中斷口瞬變電弧的微觀機(jī)理及其弧后恢復(fù)特性復(fù)雜等難題開展技術(shù)攻關(guān)，以進(jìn)一步提高開斷容量和可靠性。3.3直流斷路器的工程化研究尚處于起步階段直流配電系統(tǒng)對(duì)斷路器技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)成本的雙重要求。4結(jié)語我國對(duì)中壓直流電網(wǎng)的應(yīng)用需求廣泛，城市直流配電網(wǎng)絡(luò)、艦船綜合電力系統(tǒng)、分布式清潔能源經(jīng)濟(jì)接入以及未來基于中壓直