1.前言

高壓直流斷路器的研制難點有三：一是直流電流不像交流電流那樣有過零點，所以滅弧比較困難;二是直流回路的電感較大，所以需由直流斷路器吸收的能量 比較大;三是過電壓高。

高壓直流斷路器可以分為機械式高壓直流斷路器(mechanical HVDC circuit breaker)、固態(tài)高壓直流斷路器(solid-state HVDC circuitbreaker)與混合式高壓直流斷路器(hybrid HVDC circuit breaker)。

機械式直流斷路器可以關(guān)斷非常大的電流，并具有成本低、損耗小等優(yōu)點，但其開斷速度較慢。

固態(tài)直流斷路器開斷速度迅速，但其相關(guān)損耗較高，且價格昂貴。

為克服兩者的缺點，通過將機械式直流斷路器和固態(tài)直流斷路器集成在一個裝置上，從而形成混合式斷路器。 混合式直流斷路器結(jié)合了機械開關(guān)良好的靜態(tài)特性與電力電子器件良好的動態(tài)性能，用快速機械開關(guān)來導通正常運行電流，用固態(tài)電力電子器件來分斷短路電流，具有通態(tài)損耗小、開斷時間短、無需專用冷卻設(shè)備等優(yōu)點，是目前高壓直流斷路器研發(fā)的新方向，有著廣闊的應(yīng)用前景。

下面將著重介紹混合式高壓直流斷路器的研究概況。

2 混合式高壓直流斷路器的研究概況

2.1 ABB--混合式高壓直流斷路器

2012年，ABB 的混合式高壓直流斷路器技術(shù)被《麻省理工科技創(chuàng)業(yè)》評為 2012 年度最重要的十大科技里程碑之一。該混合式高壓直流斷路器的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示，主要包括機械式開關(guān)支路a(快速機械隔離開關(guān)b+負載轉(zhuǎn)換開關(guān)c)和半導體開關(guān)支路d(半導體斷路器e+避雷器組f)。

·當直流線路正常運行時，半導體開關(guān)支路處于斷開狀態(tài)，快速機械隔離開關(guān)和負載轉(zhuǎn)換開關(guān)導通并流過直流電流。

·當檢測到直流線路發(fā)生短路時，首先導通半導體斷路器，關(guān)斷負載轉(zhuǎn)換開關(guān)，線路上的電流轉(zhuǎn)移到半導體開關(guān)支路上，負載轉(zhuǎn)換開關(guān)承受半導體短路器的導通電壓。

·由于快速機械隔離開關(guān)此時流過的電流為零，快速機械隔離開關(guān)迅速打開。

·當快速機械隔離開關(guān)打開后，半導體斷路器開關(guān)斷開，直流線路上的能量通過與半導體斷路器并聯(lián)的氧化鋅避雷器吸收，短路電流下降。

ABB 所設(shè)計的半導體斷路器單元設(shè)計圖如下圖所示，采用IGBT作為半導體開關(guān)，并進行閥組串聯(lián)。

該混合式高壓直流斷路器通過開斷短路電流8.5kA的短路試驗，其開斷時間為5毫秒。

2.2 ALSTOM--混合式高壓直流斷路器

2014年阿爾斯通完成其混合式高壓直流斷路器原型產(chǎn)品的測試工作。該混合式高壓直流斷路器的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示，主要包括旁路開關(guān)(UFD + PES)、半導體開關(guān)支路1(晶閘管+避雷器)、半導體開關(guān)支路2(晶閘管+電容器)和避雷器組。

阿爾斯通所設(shè)計的半導體斷路器單元設(shè)計圖如下圖所示。

在測試過程中，該混合式高壓直流斷路器所切斷的電流超過了5.2kA，開斷時間為5.5毫秒。

2.3 國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院--混合式高壓直流斷路器

2015年，國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院研制的混合式高壓直流斷路器順利通過中國電機工程學會技術(shù)成果鑒定。該混合式高壓直流斷路器的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示，主要包括主開關(guān)支路(快速機械隔離開關(guān)+H橋負載轉(zhuǎn)換開關(guān))、電流轉(zhuǎn)移開關(guān)支路(H橋半導體斷路器)和吸收回路(避雷器組)。

國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院所設(shè)計的半導體斷路器單元設(shè)計圖如下圖所示，，采用IGBT作為半導體開關(guān)。

在測試過程中，該混合式高壓直流斷路器所切斷的電流超過了15kA，開斷時間為3毫秒。

將上述三種混合式高壓直流短路器的性能參數(shù)比較如下。