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【摘 要】 在高压直流输电工程中，直流断路器是重要的设备之一。基于半导体的高压直流短路器能够在很短的时间内将电路断开，因此逐渐得到运用。文章通过对盖亚直流断路器和关键技术进行分析。
【关键词】 高压直流断路器；关键技术；应用
1.直流断路器的工作原理与组成结构
按组成结构，可将直流断路器分为无源型和有源型2种，其组成结构如图1所示。无源型直流断路器适用于转换中等幅值的直流电流，而有源型直流断路器适用于转换较大幅值的直流电流。无源辅助电路直流断路器一般由1台SF6断路器（断口）B，1台电容器C，1台避雷器R，以及1台电抗器L组成；有源型直流断路器在无源型直流断路器的基础上增加了1台隔离开关S，及1台直流充电装置Udc。
对于无源辅助电路直流断路器来说，断路器触头分开之后，SF6断路器与L-C支路构成的环路中的谐振电流是靠电弧激发产生的二有源辅助电路直流断路器中，电容器开始时并没有和断路器连接，只是由充电器将其预充电到一定的直流电压。在断路器触头分离之后的适当时刻，合上隔离开关S，，预充过电的电容器跨接到断路器上，激发起振荡电流，实现断路器断口电流过零，断口间电弧熄灭。对于无源及有源辅助电路直流断路器来说，当断口间电弧熄灭之后两者的工作原理完全一样。对于无源型和有源型直流断路器，在SF6断路器的电弧熄灭前，振荡电流频率很高，可达数千赫兹，电流峰值的时间很短。
2.直流断路器的主要性能
2.1绝缘性能
（1）额定运行电压
额定运行电压是指直流断路器在规定的正常使用和性能条件下，能够连续运行的电压。选取值为：（直流，kV）10、12.5、16、20、25、31.5、40、50、63、80、100。
（2）绝缘水平及绝缘强度
直流断路器绝缘水平及绝缘强度的考核指标除了额定短时工频耐受电压以外，还有额定冲击耐受电压。选取值见表1。2.2电流转换性能
用于改变运行方式的断路器，如MRTB和ERTB，在无冷却的情况下具有连续转换两次的能力，即分闸后，如果电弧不能熄灭则应使断路器再重合闸，然后再分闸。对用于保护的断路器，如NBS和NBGS，则应满足转换一次的能力。这种电流转换性能是不同于交流断路器的性能要求的。这些断路器转移额定电流次数的能力即电寿命，则由具体直流输电工程的运行要求来确定，一般不低于1000次。
直流断路器需转换的电流由下列之中选取（直流，A）：800、1000、1250、1600、2000、2500、3150、4000、4500、5000。
设直流断路器额定连续过负荷直流电流为Id，直流极线路最小电阻为Rρmin，直流极线路最大电阻为Rρmax，整流站接地极线路最小电阻为Rer，逆变站接地极线路最小电阻为Rei，整流站接地极线路最大电阻为R′er，逆变站接地极线路最大电阻为R′ei，两端接地极电阻均假设为0，则MRTB的转换电流为IMB=IdRρmax/（Rρmax+Rer+Rei）；ERTB的转换电流为IGS=Id（R′er+R′ei）/（Rρmin+R′er+R′ei）。
2.3环境耐受性能
（1）海拔高度
由于高海拔地区大气压力低，耐压水平随之降低，要求安装在1000m以上地区的直流断路器外绝缘应进行修正。
（2）环境温度
环境温度过低会使断路器的润滑油粘度增加，影响断路器的分、合闸速度，还会使SF6气体液化，降低开断性能。环境温度过高，会导致断路器导电回路温度升高，断路器内部SF6气体压力随之增高。
（3）污秽等级
由于直流输电的“静电吸尘效应”，绝缘子的积污和污闪特性与交流的有很大不同，由此引起的污秽放电比交流的更为严重，合理选择直流断路器绝缘件的爬电比距对于提高运行水平非常重要。如：呼辽直流输电工程伊敏站要求爬电比距离为54mm/kV，德宝直流联网工程宝鸡站要求爬电比距为55mm/kV。
3.直流断路器关键技术
3.1电弧模型理论
在断路器开断电路的瞬间，在击穿效应的作用下触头间隙中会产生一团温度极高的发光导电气体，这就是电弧。电弧的生成和熄灭过程是一个包含热效应、气体特性与电磁作用的物理综合过程包含的条件约束较为复杂，针对其建立合适的数学模型进行研究对高压直流断路器的理论分析，运行仿真以及研发工作都有极其重要的意义，因此电弧模型的研究一直备受关注，成为直流断路器的研发关键技术之一。
目前，常用的黑盒电弧模型有：Mayr模型、Cassie模型、Hochraieri模型、Modifiedmayre模型、Schwarz模型以及KEMA模型等等。它们均只考虑电弧电压与电弧电流的相关关系。通过对断路器仿真模型的研究，可以降低试验成本，减少实验的盲目性，为直流断路器的设计提供依据，从而大大缩短研发周期。
3.2电力电子器件串、并联的均压、均流策略
对于全固态高压直流断路器与混合式高压直流断路器而言，由于应用SCR、GTO、IGBT、GCT等电力电子器件来实现直流电路的通断動作，相对于直流系统的电压，电流而言，电力电子功率器件的容量非常有限，因此对于较大功率、较高电压的应用场合，仅仅采用单个电力电器件不可能满足要求，需要采取将多个电力电子器件串、并联，以实现在实际系统中的应用。下面以IGBT的均压均流为例，说明电力电子器件串联电压不均与并联电流不均的原因，以及串联均压，并联均流的主要措施。
（1）电力电子器件的串联均压策略
电力电子器件均压的前提为在器件选择上需要尽量选择特征参数较为一致的器件，同时对电路拓扑进行优化设计，使得电路结构尽量对称，驱动电路尽量保持一致性，并保证合理布局。 串联IGBT的静态均压常使用的方法为在毎一个串联器件的集电极与发射极之间并联均压缓冲电阻的方式来实现静态均压。并联电阻的选择遵循如下公式：
RP与P分别表示并联电阻的电阻值与功率值，n为IGBT串联数量；U为漏电流最小的IGBT额定电压；Udc则为主电路电源电压；ICmax为IGBT漏电流最大值。
（2）电力电子器件的并联均流措施
动态均流策略最通用的方法为采用均流变压器实现均流，采用此类强制动态均流装置可实现动态均流。另外，动态均流策略的研究也有很多集中于采用门极控制策略的均流方案与门极驱动电路改进来实现IGBT并联均流方案。
3.3直流断路器中相关辅助回路的设计
（1）缓冲回路
由于直流线路不同于传统的交流线路，在线路中存在大量的感性与容性储能元件，在直流断路器切断电路的瞬间，将可能产生过高的dU/dt，从而带来瞬时高压。针对采用电力电子技术的全固态高压直流断路器与混合式高压直流断路器而言，会造成电力电子器件的击穿或损坏，需对电力电子器件的电压上升率进行合理的限制。因此，需在电力电子器件组成的固态开关部分并联缓冲电路，其主要核心部件是无感电容，常采用的结构为电容电阻缓冲电路的模式。缓冲电路可以吸收线路电感上的能量，达到降低被保护器件两端的电压上升率的目的，同时可以减小器件关断时刻电流与电压的重合情况，从而保证固态开关工作在软关断状态，进而减少电力电子器件的开关损耗。
（2）吸收回路
由于固态器件关断速度一般都较快，晶阐管的动作通常在us级别就能完成，而全控型器件如IGBT动作时间将更快，在ns级别即可完成关断动作。此时线路电感中存储的能量将在固态器件两端产生较大的过电压，容易造成器件的损坏。完全利用缓冲回路来进行能量的限制与吸收，对缓冲回路的参数设计有较高要求。因此经常需要设计相应的由压敏电阻，或金属氧化物避雷器等构成的吸收回路。压敏电阻在电压较小时具有较大的阻抗值，在断路器两端不存在过压情况时流过的电流极小，此时可视其为断路，在发生短路时，将在断路器两端产生瞬时过电压，压敏电阻阻值随电压上升迅速下降，从而限制直流断路器两端的电压值，保护固态设备不受过电压损坏。压敏电阻选型主要满足：
根据最大切断短路电流的要求可能需要多个压敏电阻并联实现，对于应用场合为高压，且开断容量较大时，也有使用氧化锌避雷器替代压敏电阻实现对过电压的限制。
（3）其他辅助电路
其他辅助电路包括缓冲电容的放电复位回路，对短路电流的限流回路，以及为线路中存在的电感，电容等储能元件提供放电回路的辅助电路等。
在混合式直流断路器动作后，因主开关与固态开关时序差异在缓冲电容器上积累了电荷，这些电荷对断路器正确动作存在影响，可能对软关断特性造成干扰。因此需要相应的放电回路，实现对缓冲电路中电容的放电作用，保证断路器的正常工作。
在直流断路器的研发过程中，需针对直流电路中短路电流增大极快，且短路电流较大的现象进行处理，需要结合限流技术设计限流结抅对短路电流加以限制，保证直流断路器正常工作。
对于线路结构中存在储能元件，需要在断开时考虑其能量释放问题，需要设计合理的能量释放通道，为储能元件提供放能回路。
结束语
在直流输电系统中，运用高压直流断路器能够实现直流输电系统的互联，具有灵活性和可靠性。因此，加强高压直流断路器的應用，从而有效提高电力系统的平稳运行。
参考文献：
[1]王刘拴.±800kV特高压直流输电谐波特性的研究[D].广东工业大学，2014.
[2]陆峰峰.高压断路器系统建模与仿真研究[D].南京理工大学，2014.
[3]陈盟.牵引变电所真空断路器在线监测管理系统的研究[D].北京交通大学，2014.
【关键词】 高压直流断路器；关键技术；应用
1.直流断路器的工作原理与组成结构
按组成结构，可将直流断路器分为无源型和有源型2种，其组成结构如图1所示。无源型直流断路器适用于转换中等幅值的直流电流，而有源型直流断路器适用于转换较大幅值的直流电流。无源辅助电路直流断路器一般由1台SF6断路器（断口）B，1台电容器C，1台避雷器R，以及1台电抗器L组成；有源型直流断路器在无源型直流断路器的基础上增加了1台隔离开关S，及1台直流充电装置Udc。
对于无源辅助电路直流断路器来说，断路器触头分开之后，SF6断路器与L-C支路构成的环路中的谐振电流是靠电弧激发产生的二有源辅助电路直流断路器中，电容器开始时并没有和断路器连接，只是由充电器将其预充电到一定的直流电压。在断路器触头分离之后的适当时刻，合上隔离开关S，，预充过电的电容器跨接到断路器上，激发起振荡电流，实现断路器断口电流过零，断口间电弧熄灭。对于无源及有源辅助电路直流断路器来说，当断口间电弧熄灭之后两者的工作原理完全一样。对于无源型和有源型直流断路器，在SF6断路器的电弧熄灭前，振荡电流频率很高，可达数千赫兹，电流峰值的时间很短。
2.直流断路器的主要性能
2.1绝缘性能
（1）额定运行电压
额定运行电压是指直流断路器在规定的正常使用和性能条件下，能够连续运行的电压。选取值为：（直流，kV）10、12.5、16、20、25、31.5、40、50、63、80、100。
（2）绝缘水平及绝缘强度
直流断路器绝缘水平及绝缘强度的考核指标除了额定短时工频耐受电压以外，还有额定冲击耐受电压。选取值见表1。2.2电流转换性能
用于改变运行方式的断路器，如MRTB和ERTB，在无冷却的情况下具有连续转换两次的能力，即分闸后，如果电弧不能熄灭则应使断路器再重合闸，然后再分闸。对用于保护的断路器，如NBS和NBGS，则应满足转换一次的能力。这种电流转换性能是不同于交流断路器的性能要求的。这些断路器转移额定电流次数的能力即电寿命，则由具体直流输电工程的运行要求来确定，一般不低于1000次。
直流断路器需转换的电流由下列之中选取（直流，A）：800、1000、1250、1600、2000、2500、3150、4000、4500、5000。
设直流断路器额定连续过负荷直流电流为Id，直流极线路最小电阻为Rρmin，直流极线路最大电阻为Rρmax，整流站接地极线路最小电阻为Rer，逆变站接地极线路最小电阻为Rei，整流站接地极线路最大电阻为R′er，逆变站接地极线路最大电阻为R′ei，两端接地极电阻均假设为0，则MRTB的转换电流为IMB=IdRρmax/（Rρmax+Rer+Rei）；ERTB的转换电流为IGS=Id（R′er+R′ei）/（Rρmin+R′er+R′ei）。
2.3环境耐受性能
（1）海拔高度
由于高海拔地区大气压力低，耐压水平随之降低，要求安装在1000m以上地区的直流断路器外绝缘应进行修正。
（2）环境温度
环境温度过低会使断路器的润滑油粘度增加，影响断路器的分、合闸速度，还会使SF6气体液化，降低开断性能。环境温度过高，会导致断路器导电回路温度升高，断路器内部SF6气体压力随之增高。
（3）污秽等级
由于直流输电的“静电吸尘效应”，绝缘子的积污和污闪特性与交流的有很大不同，由此引起的污秽放电比交流的更为严重，合理选择直流断路器绝缘件的爬电比距对于提高运行水平非常重要。如：呼辽直流输电工程伊敏站要求爬电比距离为54mm/kV，德宝直流联网工程宝鸡站要求爬电比距为55mm/kV。
3.直流断路器关键技术
3.1电弧模型理论
在断路器开断电路的瞬间，在击穿效应的作用下触头间隙中会产生一团温度极高的发光导电气体，这就是电弧。电弧的生成和熄灭过程是一个包含热效应、气体特性与电磁作用的物理综合过程包含的条件约束较为复杂，针对其建立合适的数学模型进行研究对高压直流断路器的理论分析，运行仿真以及研发工作都有极其重要的意义，因此电弧模型的研究一直备受关注，成为直流断路器的研发关键技术之一。
目前，常用的黑盒电弧模型有：Mayr模型、Cassie模型、Hochraieri模型、Modifiedmayre模型、Schwarz模型以及KEMA模型等等。它们均只考虑电弧电压与电弧电流的相关关系。通过对断路器仿真模型的研究，可以降低试验成本，减少实验的盲目性，为直流断路器的设计提供依据，从而大大缩短研发周期。
3.2电力电子器件串、并联的均压、均流策略
对于全固态高压直流断路器与混合式高压直流断路器而言，由于应用SCR、GTO、IGBT、GCT等电力电子器件来实现直流电路的通断動作，相对于直流系统的电压，电流而言，电力电子功率器件的容量非常有限，因此对于较大功率、较高电压的应用场合，仅仅采用单个电力电器件不可能满足要求，需要采取将多个电力电子器件串、并联，以实现在实际系统中的应用。下面以IGBT的均压均流为例，说明电力电子器件串联电压不均与并联电流不均的原因，以及串联均压，并联均流的主要措施。
（1）电力电子器件的串联均压策略
电力电子器件均压的前提为在器件选择上需要尽量选择特征参数较为一致的器件，同时对电路拓扑进行优化设计，使得电路结构尽量对称，驱动电路尽量保持一致性，并保证合理布局。 串联IGBT的静态均压常使用的方法为在毎一个串联器件的集电极与发射极之间并联均压缓冲电阻的方式来实现静态均压。并联电阻的选择遵循如下公式：
RP与P分别表示并联电阻的电阻值与功率值，n为IGBT串联数量；U为漏电流最小的IGBT额定电压；Udc则为主电路电源电压；ICmax为IGBT漏电流最大值。
（2）电力电子器件的并联均流措施
动态均流策略最通用的方法为采用均流变压器实现均流，采用此类强制动态均流装置可实现动态均流。另外，动态均流策略的研究也有很多集中于采用门极控制策略的均流方案与门极驱动电路改进来实现IGBT并联均流方案。
3.3直流断路器中相关辅助回路的设计
（1）缓冲回路
由于直流线路不同于传统的交流线路，在线路中存在大量的感性与容性储能元件，在直流断路器切断电路的瞬间，将可能产生过高的dU/dt，从而带来瞬时高压。针对采用电力电子技术的全固态高压直流断路器与混合式高压直流断路器而言，会造成电力电子器件的击穿或损坏，需对电力电子器件的电压上升率进行合理的限制。因此，需在电力电子器件组成的固态开关部分并联缓冲电路，其主要核心部件是无感电容，常采用的结构为电容电阻缓冲电路的模式。缓冲电路可以吸收线路电感上的能量，达到降低被保护器件两端的电压上升率的目的，同时可以减小器件关断时刻电流与电压的重合情况，从而保证固态开关工作在软关断状态，进而减少电力电子器件的开关损耗。
（2）吸收回路
由于固态器件关断速度一般都较快，晶阐管的动作通常在us级别就能完成，而全控型器件如IGBT动作时间将更快，在ns级别即可完成关断动作。此时线路电感中存储的能量将在固态器件两端产生较大的过电压，容易造成器件的损坏。完全利用缓冲回路来进行能量的限制与吸收，对缓冲回路的参数设计有较高要求。因此经常需要设计相应的由压敏电阻，或金属氧化物避雷器等构成的吸收回路。压敏电阻在电压较小时具有较大的阻抗值，在断路器两端不存在过压情况时流过的电流极小，此时可视其为断路，在发生短路时，将在断路器两端产生瞬时过电压，压敏电阻阻值随电压上升迅速下降，从而限制直流断路器两端的电压值，保护固态设备不受过电压损坏。压敏电阻选型主要满足：
根据最大切断短路电流的要求可能需要多个压敏电阻并联实现，对于应用场合为高压，且开断容量较大时，也有使用氧化锌避雷器替代压敏电阻实现对过电压的限制。
（3）其他辅助电路
其他辅助电路包括缓冲电容的放电复位回路，对短路电流的限流回路，以及为线路中存在的电感，电容等储能元件提供放电回路的辅助电路等。
在混合式直流断路器动作后，因主开关与固态开关时序差异在缓冲电容器上积累了电荷，这些电荷对断路器正确动作存在影响，可能对软关断特性造成干扰。因此需要相应的放电回路，实现对缓冲电路中电容的放电作用，保证断路器的正常工作。
在直流断路器的研发过程中，需针对直流电路中短路电流增大极快，且短路电流较大的现象进行处理，需要结合限流技术设计限流结抅对短路电流加以限制，保证直流断路器正常工作。
对于线路结构中存在储能元件，需要在断开时考虑其能量释放问题，需要设计合理的能量释放通道，为储能元件提供放能回路。
结束语
在直流输电系统中，运用高压直流断路器能够实现直流输电系统的互联，具有灵活性和可靠性。因此，加强高压直流断路器的應用，从而有效提高电力系统的平稳运行。
参考文献：
[1]王刘拴.±800kV特高压直流输电谐波特性的研究[D].广东工业大学，2014.
[2]陆峰峰.高压断路器系统建模与仿真研究[D].南京理工大学，2014.
[3]陈盟.牵引变电所真空断路器在线监测管理系统的研究[D].北京交通大学，2014.