罗 琛
（国网陕西省电力有限公司咸阳供电公司，陕西 咸阳 712000）
引言直流断路器作为控制设备、保护设备的关键实施，是实现安全供电的基础。但就目前现状而言，直流断路器技术还未完全成熟，因此需要对技术进行研究，总结更为科学有效的技术方案，以便给系统运行奠定基础。
1 高压直流断路器的原理对于高压直流断路器而言，其结构组成包含了三条支路，分别为通流、转移以及吸能支路。其中通流支路的作用在于实现电流传导，由于通态损耗要求非常小，因此为达到电源断开电流转移的控制要求，通常在通流支路上会增加相关的液晶组件（IGBT）。系统动作时只要将通流支路的开关打开，电流就能按照设定的方案进行。且在断开以后，通过吸能系统将多余的能力吸收。针对混合式直流断路器来说，转移支路属于一系列的IGBT 或集成门极换流晶闸管控制组件，通过此类设备的应用能够让电流得到速的阻断，能够满足高压系统的控制要求。
在机械式直流断路器系统中，转移支路又被称之为辅助支路，其组成结构包含了触发间隙、电感以及电容等结构。一般情况下在机械开关口位置很容易出现大电流燃弧和灭弧现象，由此可认为开断支路就是通流支路。同时也可以认为开断是辅助支路实现的，这主要是由于主流通支路开关口电流为零时，系统断路器的电流不为零，开关过程还处于动作状态，并且停止，由此可判定断路器完成开关。因此，机械直流断路器的一系列动作均可以理解成电流向辅助支路转移的一个过程，而其中开断主要是通过辅助支路实现的。系统结构图见图1[1]。
2 高压直流断路器的技术要求1）保护速度非常快。因为柔性直流输电系统的阻抗参数是比较小的，只要是存在短路故障问题，经过断路器的电流也会随着时间的延长而不断增大。根据目前国家标准的要求，断路器在故障发生后，应在3～5 ms 内立即切断故障。如果不能达到这一要求，在故障发生后，其电流会不断升高，容易超出系统开断能力，无法达到开断的状态。此外，换流阀等设备受到系统存在的过大电流影响，导致损坏。
2）具备重合闸功能。以某大型电力项目为案例进行分析，其主要是应用架空线的柔性直流电网设计形式，断路器需要实现快速重合闸操作，以实现故障保护，系统运行更具安全性。只要是断路器有重合闸的功能，在设计断路器的环节，应综合分析重合到永久故障问题。此外，分析保护换流阀等设施的运行情况，并考虑到断路器开断能力，应进行重合闸的再分断应有快速操作的要求，即断路器应与第一次开断具备同样速度，同时还要分析换流阀受到二次电力冲击的作用，甚至存在加速开断的情况。同时，了解到重合闸的功能情况下，能量吸收也会有所升高。这种情况之下，断路器设计难度升高，运行质量无法保证[2]。
3）故障可被就地检测与识别。常规的交流系统对开断时间也会有较高的要求，但是要求不如柔直系统高。同时，要想使得故障保护功能得以实现，不同分支线路所采用的断路器动作时间应该有所差异，结合实际情况做出改进和调整。以该理念展开分析，选择交流断路器时，通过应用集中式继电保护系统按照要求发出系统指令，以做好分闸操作、动作时序的控制，还要通过应用滞留断路器动作以达到故障的准确性判断，继电保护功能可以稳定运行，并按照要求实现动作操控。短路保护系统的命令传输要经过一定的时间才能到达直流断路器上，该信号传输系统会产生延迟性反应，容易超出断路器运行动作的时间。因此，在没有明确规定的直流电网继电保护系统之下，为了确保断路器动作时间达到要求，尽量缩短动作时间，达到故障保护的效果，必须确保直流断路器应有故障诊断与识别的作用。
3 直流断路器关键技术3.1 拓扑优化1）桥式半导体组件拓扑。这是近年来多个高校共同研发的项目，如图2 所示。这一系统主要的运行形式是桥式结构，系统内的IGBT 数量比较少，所以总体来说系统成本比较低。
2）耦合负压原理的拓扑。形式可见图3，系统应用负压耦合功能的实现，满足开断功能的运行要求，系统电流会经过支路直接转移到支路上。根据系统运行的功能，尽量的简化支路的组成形式，提升电流通行效率，但是在转移中，可能是有弧的，这样就会导致系统内的通流支路机械开关的开断压力升高。
3）限流能力的拓扑。该结构可见图4 所示，系统的柔直系统阻抗系数相对较小，这种情况下，使得故障电流会不断的增大。经过一些专业技术人员的研究分析，得出直流断路器与故障限流器组合的系统形式。通过故障限流器的应用，在系统发生故障后，电流不会超出规定的范围，也能够预防发生系统电流增长速度加快的情况。如果限流器设计方案得以优化，则能够降低运行成本，操作与维护也会更加的方便，那么将直流断路器与限流器的联合应用，成为目前人们的首选方案[3]。
4）耦合型机械式高压直流断路器。机械直流拓扑器最初应用于20 世纪中叶，直流系统设计应用的MRTB 开关，动作时间并没有过高的要求，这种情况下，拓扑结构可以发挥出应有的作用。将上述应用时间较长的拓扑结构延伸到高电压等级、快速动作的断路器中，会存在较多的困难，比如动作快速、触发球隙稳定、电容器高电位充电等，所以应用这一拓扑方案受到较大的阻力，很多企业都不会选择这种方式。华中科技大学经过多年的研究，于2016 年提出了耦合性机械直流断路器拓扑，见图5。在系统运行之下，利用耦合变压器得以功能的运行，并且将这一结构应用到某柔直系统内，为160 kV 机械直流断路器，由此可见，这种结构具备一定的可行性，能够达到运行的标准压强。
5）组合式直流断路器。除了上述各种方式外，很多研究人员经过多年的研究，研发出组合式直流断路器，这是一种融合多种结构而成的功能形式，对系统运行能力提高有重要的意义。直流电网结构形式的组成，是通过多台直流断路器所形成的开断支路与吸能支路联合之下应用的，快速的完成故障分断、重合应用，有效地促进直流电网运行能力的提高，所以实际运行效果良好，经济性高。此外，该系统形式并不是实现独立设备运行，并且已经通过利用直流电网深度耦合的零散部件几何。虽然拓扑结构优化已经提高，但是当前的不同拓扑方案都有一定的优点与缺陷，还要加强拓扑结构的分析与验证，从而达到系统优化和改进的效果[4]。
3.2 高比能ZnO目前我国的吸能支路主要是以ZnO 阀片并联的方式，实现合理能量消耗，功能性得到提升，系统体积也会增大。虽然在中性转移电路开关已经被应用到多种场合之下，多柱ZnO 并联使用取得了较大的进展。但是在运行中，由于系统的吸能要求较高，而在运行中环境较为恶劣，同时目前的并联ZnO 工作中，故障发生率较高，极易诱发爆炸的事故。因此，要想提升系统运行效果，应切实提高ZnO 的阀片性能，保证单位能量吸收效果合格，且还要简化支路组成结构，是目前高压直流断路器领域的重点研究对象。但是当前的研究水平还比较低，无法实现合理有效的应用[5]。
3.3 隔离供能从前文分析可以发现，高压直流断路器不仅具备开断功能，还能够进行一/二次融合，功能性非常的完善，包含信号测量、运算分析、机构操作、器件驱动、部件监测等各项功能，每一项组成部分都能够满足供电/供能的效果。比如，混合式高压直流断路器大量IGBT 驱动都要使用多种外部力量才能实现。同时，为了提高动作的速度和效率，通流直流开关还要在系统内安装涡流斥力机构，满足系统运行标准。由于系统需要使用大量的部件才能实现运行，运行负荷较高，所以对于系统各个部件的功能要求较高。同时，各个供能部件在不同平台以及工位上，表现的性能不同，所以应满足电压隔离性的要求。如果系统运行电压较高，供能变压器绝缘和功率会存在冲突的问题，以工频供能还是高频供能、不同点位隔离方法，都已经全面的展开研究。
3.4 快速机械开关为了使得高压直流断路器的动作速度满足运行的要求，通流支路系统内安装的开关部分应采用涡流斥力机构驱动快速开关，同时还应该在2～5 ms 内分闸。如果电压较高，多台同时串联运行。电磁斥力机构工作时，应在最佳条件下完成开距动作。如果开距不断增大，电磁斥力机构驱动效率会减小。但是如果开距很小，就说明串联系统内安装的装置数量较多，内部组成变得更加的复杂，开关系统配合度需要达到更高的要求。如何才能协调各个开关装置的电压，进行开关串联数与驱动效率的可靠性运行，是目前快速机械开关应重点解决的问题。从快速开关结构方面进行分析，因为动作速度高、过载大，会产生较大的冲击和影响。通过测量分析，传动杆与分闸缓冲器接触时，传动杆会瞬间受到千兆级别的冲击力作用，这是材料损坏的极限状态。这样的情况下，对材料的强度、传动系统设计方案、调试等方面都有较高的要求。此外，也会要求合闸缓冲部件达到较高的要求。
3.5 电磁兼容设计因为高压直流断路器主要是采用一/二次融合性的结构部件，其内部包含的结构部分比较多，要经过大量的检测、处理、计算等功能运行，所以对于电磁兼容性有着较高的要求。在电网的运行中，已经存在的由于电磁兼容设计不当而出现的误动作情况，但是当前的研究还有很大的局限性，无法全面推广应用。
3.6 等效试验断路器正式开启前，技术人员根据实际运行需要开展等效校核，满足工作能力和各项参数标准。但是当前的高压直流断路器试验方法还比较落后，世界上也没有提出准确的标准。组建高水平的国际化组织，以高压直流断路器展开进行研究，考虑到核心内容的要求，并对系统进行试验分析，但是目前在学术界并未有统一的认识。从20 世纪90 年代开始，我国的社会各界对研究重视度不断提高，尤其是高压断路器方面的研究，以期提升研究水平。目前在研究中，主攻方向就是机械式高压直流断路器。随着技术的研发和应用，这一方面的研究不断的深入，并且与混合式直流断路器试验考核同时应用。有研究学者在文献中指出了参考值试验方法，经过研究发现，对于电压等级较高的直流断路器系统，对开断功能的直接试验容量要求是比较高的，应对多种方案进行对比分析。
3.7 故障快速检测方法直流电网故障能够立即检测确定，掌握故障发生的情况，分析故障保护方面的效果。以某直流电网进行分析，了解到直流过电压、断路器的运行情况，总结出故障发生之下的电流、电压信号的特点，并在故障发生之后能够快速的获取相关的信息，快速的分析判定各项干扰性因素，然后利用信号采集系统、运算方式以确定相应的保护方案，提出保护性的措施，进而确定了保护出口时间为1.2 ms，系统有雷击保护功能以及故障确定功能，同时还能够耐受最大300 Ω 的故障过渡电阻与20 dB 干扰信号。经过试验分析发现，对不同直流电网结构可以应用，提高系统运行效率与质量。
3.8 高压直流电路器设计运行分析了解目前的电网组成结构方面，直流断路器在设计时，应遵循某些规定和要求，从而有效地隔离故障问题，提高系统运行的稳定性。但是因为直流电网较之交流电网来说，经验不足、运行效果差，尤其是故障特征、故障表现了解不够深入，目前还是停留在数据仿真方面，所以认识度比较差，应考虑到具体情况，进行深入研究与分析。
4 结论1）从技术角度出发，应合理使用相关工具。这里所说的工具主要是指基础性的配件，同时也包含算法、检测等，以满足在实际工作的需要。
2）对直流断路器最初的需求是在20 世纪60 年代提出的，但是并没有广泛的应用到电网系统内，实际应用效果较差。形成这一局面的主要原因是单元技术（工具）方面的限制，造成其无法有效的应用。从这些单元技术发展的实际情况分析，技术水平的不断发展，可以有效的促进直流断路器系统的发展，符合目前应用的需要。
3）由于受到需求方面的影响，我国在百千伏级直流电路器研究方面取得了一定的成绩，目前是世界上的引领者。电网需求牵引设备的发展，系统水平日益提高，高压直流断路器的作用也日益显现。
