高压直流断路器开断直流电流的方式

有关高压直流断路器开断直流电流的方式，主要有二种，一种是叠加振荡电流法，一种是电流转移法。

高压直流断路器开断直流电流的方式

1、叠加振荡电流法

该方法利用电弧的负阻特性，在直流电流上叠加一个振幅逐渐增大的振荡电流来制造“人工电流零点”，完成直流电流开断。

然而，当电弧电流大至一定程度时，其负阻特性将变得不明显，不能保证振荡电流稳定振荡到可产生零点的幅值，因此该类断路器开断电流的能力有一定的限制，由于结构简单，容易控制等优点，已成为目前实际工程中应用最多的一类直流断路器。

太平洋联络线直流工程应用了该类型断路器，1985年在成功进行现场测试后，包括开断线路、开断负载、切除故障和多端系统转换4种工况，该类型断路器已用于太平洋直流联络线的开断;

此外，20世纪90年代末，日本东芝公司制造的士500kV/3500A直流断路器也属于该类断路器，作为金属回路转换断路器被用于口本的本洲一四国的直流输电工程中。

2、电流转移法

该方法通过预充电电容放电来产生一个与系统电流方向相反的电流来制造“人工电流零点”。

采用该原理的断路器可以开断较大的直流电流，几开断时问较短，但该类型断路器的控制较为复杂，可靠性稍弱。

研发、制造、完善高压直流输电工程中实用的直流断路器，是目前中国发展多端直流输电技术UT4须解决的关键问题。

二、高压直流断路器开断短路电流的方式

高压直流断路器可以分为机械式高压直流断路器(mechanical HVDC circuit breaker)、固态高压直流断路器(solid-state HVDC circuit breaker)与混合式高压直流断路器(hybrid HVDC circuit breaker)。其开断短路电流的方法各有不同。

1. 机械式高压直流断路器

机械式高压直流断路器利用快速机械开关来开断短路电流。

优点：运行稳定、开断故障电流能力强、通态损耗小等。

缺点：由于自身结构的制约，断开时产生的电弧易损坏触头，故障电流切除时间较长，难以满足直流系统快速分断故障电流的要求。

2. 固态高压直流断路器

固态高压直流断路器的基本框图如下图所示，包含一个主开关、一个辅助开关和一组无源组件。主开关承载正常操作期间的电流；当故障发生时，辅助开关和无源组件断开电路并耗散故障能量。

优点：开断时间短；体积较小且无电弧产生。

缺点：容易过压过流、通态损耗高等。

固态高压直流断路器开断短路电流的方式可以分为两种：(1) 电压换向；(2) 电流换向

2.1 电流换向

在电流换向方式中，将一个附加电路与电力电子开关电路并联以承载正常电流。

正常情况下，没有电流流过该并联路径。在故障状态下，该并联电路向主开关所在的主路径注入电流，以这样的方式限制流通在主路径中的故障电流，且随后将主开关关断。

2.2 电压换向

在电压换向方式中，施加一反向电压以关断主开关（主开关在正常情况下导通，并提供正常电流的路径），并限制故障电流在主回路中流通。

3. 混合式高压直流断路器

混合式直流断路器的基本框图如下图，其机械开关和固态开关并联。在正常情况下，机械开关承载主回路电流，固态开关支路没有电流流过。

混合式直流断路器的接通和断开过程由功率半导体器件完成。当机械开关打开以提供电流隔离时，在下一个电流过零点关断功率半导体器件，电路能量被能量吸收装置吸收以抑制故障。

优点：通态损耗小、开断时间短、无需专用冷却设备等。

混合式高压直流断路器开断短路电流的方式可以分为三种：(1) 电流注入；(2) 阻抗注入；(3) 电压注入。

3.1 阻抗注入

在正常情况下，主开关保持导通，以使电流从电源到负载流通。当检测到故障后，提供一跳闸指令信号给机械开关，机械开关的触点开始分离以分断故障电流。由于机械开关的触点分离，对于故障电流产生一个高阻抗路径。

一般故障电流较大，在机械开关的触点之间会拉弧。

当检测到触点之间的电弧电压后，待其达到预定的阈值限制时，给半导体开关装置发送导通指令。

当半导体开关器件导通，故障电流被换向到该半导体开关器件所产生的低阻抗路径。当机械开关触点之间的距离达到其完全分断所需，在故障电流的下一个过零点将半导体开关器件关断。

对于直流线路，需要额外的无源组件以强制制造电流过零点。然后，残留在电路中的能量通过能量吸收装置吸收，如变阻器，故障被最终清除。

3.2 电流注入

当发生故障时，根据当前电流的方向，半导体开关器件中的T1或T2导通。电容器Cc1和Cc2被预充电到一个足够的电压，一旦T1或T2导通，一个电流脉冲注入到主电流路径中。

这迫使故障电流迅速降至零，其时间取决于依故障电流的大小和反向注入电流的大小。当电流为零时，机械开关的触点断开，故障被清除。电路中的剩余能量，将由并联连接的能量吸收设备吸收，如变阻器。

3.3 电压注入

发生故障时，打开机械开关触点。同时，根据当前电流的方向，半导体开关器件中的T1或T2导通。这将导致电流由主回路向由T1（或T2）和CC构建的并联支路换向。

CC两端的电压开始缓慢增加。因此，机械开关触点间产生的电弧可以被熄灭。由于避免了气隙击穿的风险，该电路可以安全地断开。该非线性电阻被设计为阻断电压大于电网电压，因此，它会吸收存储在电路中的剩余能量。