直流断路器与HVDC
前言：虽然直流输电技术发展已经比较成熟, 但是相对于交流输电系统灵活、多样的联结方式, 目前世界上已运行的直流系统绝大多数仍采用两端系统, 其主要原因就是缺乏实用的高压直流断路器。随着直流输电技术的进一步发展, 多端系统必然成为新的发展方向。而作为系统中起着控制和保护双重作用的开关电器, 直流断路器的研制具有十分重要的意义。另一方面, 对于近年来兴起的柔性直流输电系统, 虽然有电力电子技术可直接控制和保护系统, 但作为最后的保护单元, 直流断路器也是必不可少的。
1 直流断路器的构成与工作原理
1.1直流断路器的基本构成
直流断路器构成有3部分：
1）由交流断路器改造而成的 QB 开断装置，有少油型、SF6型；
2）以形成电流过零点为目的的振荡回路，通常采用 LC 振荡回路；
3）以吸收直流回路中储存的能量为目的的耗能元件，一般采用金属氧化物避雷器（MOA）。
1.2直流断路器的开断过程
直流断路器的开断可以分为 3个阶段：
①强迫电流过零阶段。直流电流的开断不像交流电流那样可以利用交流电流的过零点，因此开断直流电流必须创造过零点，换流回路至少应产生一个电流过零点；
②介质恢复阶段。 要求断路器有较快的灭弧介质恢复速度，并且要高于灭弧触头间恢复电压的上升速度。 即触头间的耐压要快于恢复电压，达到 MOA 的持续最大运行电压。 而当恢复电压达到 MOA 的持续最大运行电压时，MOA 导通；
③能量吸收阶段。 要求耗能装置 MOA 的放电负荷能力应大于直流系统中残存的能量，并且要考虑至少有二次灭弧耗能的要求[2]。
1.3直流开断方法：
(1)增大电弧电压法
电弧熄灭需要满足 di/dt<0, 物理意义是随着时间的推移, 电弧电流不断减小, 直到熄灭。把它带入式(1), 可得电弧熄灭条件:ua>U- Ri (5)提高电弧电压可用拉长电弧的方法解决。比如利用液体灭弧介质或磁吹的方式, 把电弧压入或引入栅片达到拉长电弧的目的。应用这种原理的直流断路器, 额定电压一般不高(<3 000 V), 主要应用在地铁、船电等领域。
(2)分段串接入限流电阻法[8]其原理见图 2(a), 有多对串联的触头, 除了最后一对触头并联 R, C 元件外, 其他各对都与电阻并联。当要断开直流电流时, 各对触头 M1～M4依次断开, 串入的电阻逐步增大, 相应得使直流电流逐步减小, 见图 2(b)。最后, 电流小到可以用最后一对触头断开。由于电流是逐步减小的, 所以这种断路器在切断直流电路时, 基本不会引起过电压。
(3)磁场控制气体放电管断流法
该断路器利用的原理是巴申定律, 见图 3(a)。其主要元件是磁场控制的低气压放电管。放电管外部控制磁场和它的两极之间的电场正交。当有磁场作用时, 放电管中电子和离子从一个电极移动到另一个电极的实际距离 d 增大; 当乘积 P×d 超过一定值时, 则放电电压下降到曲线的底部, 放电管两极之间放电而导通。当要断开电流时, 除去外部磁场, 使乘积 P×d 减小, 提高了放电管的放电电压, 从而断开。
(4)迭加振荡电流法
迭加振荡电流法就是通过在直流电流上迭加一个振幅逐渐增大的振荡电流来制造一个 “人工电流零点”, 直流断路器利用此时机熄灭电弧, 完成电路开断。振荡电流的产生是利用了电弧的负阻特性。但是当电弧电流大到一定程度后,电弧负阻特性就变得不很明显, 不能保证振荡电流稳定振荡
(5)电流转移法
电流转移法是用一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”, 为熄灭电弧提供机会。采用电流转移原理的直流断路器, 可以开断很大的电流, 而且开断时间较短。但是, 该类断路器组件较多, 控制复杂, 可靠性受到一定影响。
2 直流断路器的典型应用
换流站直流断路器主要包括中性母线断路器（NBS）、中性母线接地断路器 （NBGS）、金属回路转换断路器（MRTB）、大地回路转换断路器（ERTB）。
2.1中性母线断路器NBS
对于两端换流站的每一极都有一台中性母线断路器 NBS，这种断路器应满足开断在换流站极内和直流输电线上所发生的任何故障的直流电流。NBS 中的开断装置必须实现合-分-合操作循环。 换言之，开断装置实现此操作循环而无需对操作机构充电。 在转换失败或电动机掉电情况下，此功能可以保证开断装置到达闭合位置。
2.2中性母线接地断路器NBGS
每个换流站都有一台 NBGS。 当接地极退出运行时两端换流站的 NBGS 应自动将中性母线转接到换流站地网。 NBGS 不要求具备大电流的转换能力，但必须能在双极运行时打开，以及将双极不平衡电流转换至接地极。
2.3金属回路转换断路器MRTB
其功能是将直流运行电流从较低阻抗的大地回路向具有较高阻抗的金属回路转移。 直流电流从大地回路向金属回路的转移不应降低运行极的直流输送功率， 当运行极运行在 2 h 过负荷的功率水平上也应能成功地进行这种转换。
2.4大地回路转换断路器ERTBERTB
用以将直流运行电流从具有较高阻抗的金属回路转移至具有较低阻抗的大地回路。 直流电流从金属回路通道向大地回路通道的转移不应引起直流功率的任何降低， 对于 2 h 过负荷功率的直流运行电流，这种转移也应能进行。
直流电力系统中清除故障线、开断并行线、隔离故障换流器等保证系统其它部分的正常运行是直流断路器的基本职责。直流断路器还可被用来组成串联型、并联型、网孔型和辐射型等多端直流输电系统。此外, 在两端系统中, 直流断路器还有一些特殊应用, 如金属回路保护断路器 MRPB 和金属回路转换断路器 MRTB 等。
3 直流断路器的研制难点及其对HVDC发展的影响
在直流系统中，其主要技术性能体现在绝缘强度、开断转换电流能力、环境耐受能力等方面。直流断路器的研制难点有 3 个方面：一是直流电流不像交流电流那样有过零点，所以灭弧甚为困难;二是直流回路的电感很大，所采用的平波电抗器为 300 mH 左右，而交流回路的电感仅为几十毫亨，加上开断时的直流电流大，所以需由直流断路器吸收的能量很大;三是过电压高[1]。 目前国内开发的产品在工程中尚未得到运用。
机械式断路器存在的缺点:目前,在电力系统普遍使用的磁场断路器大都是机械式的。这种断路器在断开回路时,会产生电弧,烧蚀触头。断路器传动部分的机械磨损又常会使动作失灵、失控、拒合、拒分,可靠性降低,保护作用不是很理想。十几年来,虽对断路器进行了不断改进,增加了对断路器的各种辅助措施,以此来减少断路器的吸能、电弧烧蚀等作用。但终究摆脱不了机械式断路器的可靠性问题,而这恰恰是人们最关心的问题。
正是由于这些因素特别是直流断路器的可靠性问题，使得直流系统无法像交流输电系统那样有灵活、多样的联结方式,目前世界上已运行的直流系统绝大多数仍采用两端系统。
这在极大程度上了具有极大优点的直流输电的发展。
4 直流断路器展望
1)真空开关智能化。
其重要内容是执行功能的智能化,电子操动可满足行之有效的执行功能.带永磁机构的真空开关配以先进的检测手段以及计算机控制,是智能化真空开关的发展方向.
(2)在电子操动的控制方面,有针对性地解决各部分的变化因素后,完全有可能达到微秒级的操动精度.在电子操动的可靠性方面,电容器需控制电源纹波电压以控制其工作温升;永磁材料需进行工艺处理和冗余设计以克服磁性能劣化;控制部分则应解决电磁兼容的问题.
(3)采用新型控制理念及新型结构相结合的直流断路器,在合成回路中模拟直流故障,通过电流转移原理,成功地实现故障电流的分断,并加快分闸速度.
5 总结
高压直流输电（HVDC）具有与交流输电相比具有极大的优点和广阔的发展前景，而缺乏可靠实用的直流断路器极大了HVDC的发展，直流断路器尚需进一步创新研制，为HVDC的发展展开更加广阔的蓝图。
