3.3 高压直流断路器的分类和开断原理

直流断路器按照开断方式通常分为机械式直流断路器（包括无源型和有源型直流断路器）、全固态式直流断路器、混合式直流断路器和限流式直流断路器。虽然固态式直流断路器也属于限流式直流断路器的一种，但由于目前固态式直流断路器较为普遍，且受关注程度大，因此单独划分。

3.3.1 机械式直流断路器开断原理

1.无源型高压直流断路器

无源型高压直流断路器的开断是利用气体电弧的负电阻特性和不稳定性，开断电弧与并联交换回路中的电容器、电抗器相互作用，产生递增的自激振荡电流，当电流振荡与开断电流幅值相同、方向相反时，流过气体断路器的电流过零，气体断路器在电流零点开断电流。无源型高压直流断路器通常包括气体断路器、转移支路的电容器、电抗器及能量吸收支路的吸能元件。其原理图如图3-12所示，图中，I为被开断的直流电流；I_p为振荡支路电流；L、C分别表示转移支路的电抗器、电容器；ZnO为吸能元件。

无源型直流断路器的工作原理为：气体断路器与转移支路电容C和转移支路电感L并联。当气体断路器接到分闸命令、触头分开后，气体电弧电压向转移支路电容充电。气体电弧具有不稳定性和负电阻特性，开断过程中电弧电压波动，在转移支路电容器C和气体电弧之间产生充放电电流I_p。气体电弧的负电阻特性使I_p的振荡幅度不断增加，形成自激振荡，当I_p的振幅达到开断电流I时，在电弧间隙产生电流过零点，气体断路器开断电流。电弧电流过零后，进入介质恢复阶段，这时直流系统仍储存着巨大的能量，这部分能量转变为电容器C上的恢复电压，当恢复电压上升到避雷器的限定电压时，避雷器导通，吸收这部分能量，至此完成直流开断。

无源型高压直流断路器的开断过程可划分为三个阶段：第一阶段是强迫电流过零阶段；第二阶段是介质恢复阶段；第三阶段是能量吸收阶段。与交流断路器不同的是，断路器的介质恢复特性是高频介质恢复特性。无源型高压直流断路器不包含有源元器件，无须辅助设备和控制系统，可靠性高，通态损耗低。

2016年Angquist等提出了一种新型的无源型高压直流断路器，如图3-13所示，该直流断路器将一个低压电力电子换流器与自激振荡回路相结合，电力电子换流器用于产生一个负阻性的电阻R，使电流具有负阻尼振荡特性^[54]。将此电流叠加在流过主支路真空断路器的电流上，形成电流过零点。采用真空断路器作为主支路开断开关的原因为真空断路器触头间隙小，并能更快地产生电流过零点，减少开断时间。该直流断路器在1.3kV下开断直流电流1.6kA，并且适用于具有快速自动重合闸要求的直流系统。

目前典型的无源型高压直流断路器如表3-4所示。日本Kii水道高压直流系统用MRTS实现直流断路器的功能，能在120kV额定电压下开断电流5.3kA^[55]。

2.有源型高压直流断路器

有源型高压直流断路器的开断原理与无源型相似，不同之处为开断装置为真空断路器，真空电弧具有正电阻特性，在开断过程中无法形成幅值逐渐增加的自激振荡电流，因此需要对其转移支路的电容器C进行预充电。在开断故障电流前，需要先用充电装置将转移支路电容器C预充电到一定的电压。有源型高压直流断路器的工作原理如图3-14所示^[56,57]。当断路器得到分闸命令、触头分开到一定开距后，晶闸管开关或触发间隙导通，转移支路放电产生电流，转移支路的振荡电流与流过断路器的正向故障电流叠加，产生人工电流零点，在电流零点熄灭电弧开断电路^[58]。

Wang等提出一种新型的有源型高压直流断路器的拓扑结构，如图3-15所示^[59]。该高压直流断路器由两个混合型开断模块HB（二极管和真空断路器）、一个脉冲发生单元PG和能量吸收单元DB组成。HB中的真空断路器（VI）具有极快的分闸速度、耐受高电压的能力，VI可以多个串联提高工作电压。该高压直流断路器的工作原理与有源型真空开断方式相似，不同之处为反向放电电流由电容器C_PG和晶闸管VT_PG控制，在真空开断过程中，可以实现零电压开断。在正常通流时该直流断路器通态损耗极低。通过仿真得到该直流断路器在450kV额定电压下开断电流15kA，开断时间3.5ms^[59]。

表3-5为有源型高压直流断路器总结^[204]。

机械式直流断路器具有可靠性高、通态损耗小和价格低廉等优点。但由于自身结构的限制，无源型直流断路器具有开断电流小、开断时间长的缺点，过长的燃弧时间易烧损触头，无法实现快速开断。无源型直流断路器需要改进电弧控制技术，加快电弧振荡过程，减少燃弧时间，提高开断电流幅值^[60]。有源型高压直流开关的缺点主要在于转移支路的电容器C_p需要一直充电，而充电系统的可靠性较低，另外对辅助开关的配合时间要求很高，控制系统也较为复杂。但相比无源型直流断路器，有源型高压直流开关能产生更大幅值的振荡电流，开断能力更强，且开断时间较短。有源型高压直流开关一般选取真空断路器，由于受真空灭弧室的绝缘水平限制，有源型直流断路器不方便在超高压下使用，附加的控制和充电设备也使有源型高压直流断路器结构更加复杂，价格高于无源型高压直流断路器。

3.3.2 全固态式直流断路器开断原理

随着电力电子器件水平以及性价比的提高，全固态式直流断路器便应运而生。全固态式高压直流断路器是指断路器的开关器件为半导体器件，断路器中无机械运动部件。全固态直流断路器是利用电力电子器件构成转换开关的导通和关断，将故障电流切换到限制回路，实现限流功能。由于采用电子器件，所以该断路器具有动作速度快、允许动作次数多、可以有效限制短路电流和动作时间短等优点。全固态式直流断路器以功率半导体器件作为主开关管，发生短路故障时将预先充好电的电容能量通过谐振支路给释放出来，使流过主开关的电流反向，达到限流和切断短路故障的目的。ABB公司等提出了采用具有硬关断能力IGCT器件作为开关器件，使其兼具限流器、断路器的功能，不仅充分利用了IGCT高效的门极关断技术，而且无须缓冲电路，同时美国CPES也对基于ETO的固态断路器做了研究和测试。

全固态式直流断路器的研究目前主要集中在具有关断能力的功率电力电子器件上。全控型电力电子器件如GTO、IGBT、BIGT、IGCT和ETO等具有可关断性，可以轻松控制断路器的通断，无须振荡换流电路即可实现快速关断。全控型电力电子器件的快速关断特性可以在故障电流很小时切断电路^[61]。全固态式直流断路器虽然开断时间极短^[5]，但存在过电压过电流、器件通态损耗高、冷却系统笨重和造价昂贵等缺点，难以直接在高压直流系统使用^[25]。目前主要的全固态式直流断路器有以下四种拓扑结构，如图3-16所示。该四种拓扑结构均能实现双向开断。

表3-6为全固态式直流断路器中全控型电力电子器件特性总结，参数值为到2017年生产达到的指标。IGBT的通态电压最高，IGBT和IEGT的集电极允许流过的电流最大。

3.3.3 混合式直流断路器开断原理

混合式直流断路器将机械开关和电力电子开关相结合，利用二者的优势，消除二者的缺点，形成一种兼具开断速度快、正常工作时损耗低的新型直流断路器。目前混合式直流断路器被认为是较为有效的直流开断方式。混合式直流断路器的拓扑结构如图3-17所示，正常通流时，由机械开关1导通电流，因此通态损耗低。电力电子开关2用于开断电流，并将电流转移到能量吸收支路的避雷器3，避雷器3用于吸收系统的能量和限制开断过程中的过电压，机械隔离开关4用于开断泄漏电流。

混合式直流断路器的工作过程为：在正常通流时，电流流过机械开关1和4，当短路故障发生时，PE导通，机械开关1分闸，产生的电弧电压使电流转移到PE支路；当机械开关可以耐受的电压达到避雷器的限制电压时，PE分断电流，电流转移到避雷器3。避雷器支路电流逐渐下降到零，最后由机械开关4开断幅值极低的泄漏电流。

3.3.4 限流式直流断路器开断原理

限流式直流断路器为先用限流设备将短路故障电流限制到一个较低的幅值，再由断路器开断被限制后的电流。限流式直流断路器能迅速限制短路电流的幅值和上升率，为断路器提供充足的开断时间，减少开断时间和开断难度，提高电力系统的安全稳定性，使电力系统设备免受过大短路电流的冲击。直流限流器根据其构成原理通常分为PTC（Positive Temperature Coefficient）非线性电阻限流器^[28]、磁元件限流器^[29,30]、固态限流器、液态金属限流器^[31]、限流熔断器、超导限流器以及各种混合式限流器^[28]。目前较为常用的直流限流器有固态限流器和超导限流器，全固态式直流断路器已经介绍，下面主要介绍超导限流式直流断路器。

随着超导电力技术和高温超导材料的发展，研究超导限流的越来越多。超导型故障限流器有多种结构，包括电阻型、桥路型、饱和铁心型和变压器型等。以下主要介绍可以用于直流系统的超导限流器的原理。

1）电阻型。由低交流损耗的极细超导电缆绕制的高温超导线圈及并联的普通限流线圈组成^[65-67]。电阻型超导限流器主要利用超导体的超导态/正常态的转变来限流。一旦电网发生短路，短路电流大于临界电流时，超导体“失超”，由零阻抗表现为非线性高电阻，从而限制了短路电流。正常运行时，线路电流全部通过处于超导态的高温超导线圈，几乎无通态损耗。一旦发生短路故障，高温超导线圈承受的电流超过其临界电流而出现高阻态，限制故障短路电流，并联的普通限流线圈还可限制电流上升率。国内外对电阻型超导限流器的研究主要集中在超导材料上，目前研究比较多的是采用YCBO（钇钡铜氧化物）超导材料的电阻型超导限流器。

2）电抗型。其类型主要有电感型、桥路型等。限流时只含有电抗的超导限流器只能限制直流系统短路故障电路上升率，不能限制短路故障电流幅值。电抗型超导限流器的缺点为损耗较大。