基于抑制起弧原理的中压无弧直流断路器_向学位.pdf
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基于抑制起弧原理的中压无弧直流断路器
向学位
１
，
２
，
柴建云
１
，
２
，
孙旭东
１
，
２
（
１．
清华大学电机工程与应用电子技术系
，
北京市
１０００８４
；
２．
电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室
，
清华大学
，
北京市
１０００８４
）
摘要
：
直流断路器是多端直流输电和直流配电网的关键设备
。
机械式和混合式直流断路器面临的
困难是开断过程中触头间存在燃弧问题
。
文中讨论了产生电弧的电场强度和电压条件
，
并通过大
量实验统计分析
，
总结出了抑制起弧所需满足的电场强度和电压条件
。
设计了抑制起弧的辅助缓
冲电路
，
用以限制开断过程中触头间电压的上升
，
使其低于由机械开关速度决定的触头间介质绝缘
电压
，
从而实现了直流断路器的无弧开断
。
通过仿真和低压模拟实验验证了抑制起弧原理和缓冲
电路设计的正确性和有效性
，
并分析了中压无弧直流断路器的可行性
。
关键词
：
直流断路器
；
起弧条件
；
抑制起弧
；
机械开关
收稿日期
：
２０１６
－
１０
－
１２
；
修回日期
：
２０１７
－
０２
－
１３
。
上网日期
：
２０１７
－
０５
－
０９
。
０
引言
直流输
、
配电技术具有广泛的应用前景
，
然而受
限于换流阀过流能力
，
作为直流输
、
配电系统枢纽的
换流站
，
在故障电流大于额定电流一定值时即锁闭
，
导致直流系统短时停止运行
。
因此
，
多端直流输电
和直流配电网中需要直流断路器来开断故障电流
，
避免因单条线路故障导致全系统停止运行
。
为此
，
国内外大量专家学者致力于直流断路器的研究
。
目
前
，
直流断路器按结构可分为机械式
、
电力电子全固
态式和机械
、
电力电子结合的混合式
，
其中机械式和
混合式直流断路器面临的困难是开断过程中触头间
存在燃弧问题
。
所以直流断路器按解决电弧问题的
基本思路
，
又可分为熄灭电弧的有弧式和抑制起弧
的无弧式
。
机械式和自然换流型混合式是目前主要的两类
有弧直流断路器
。
其中
，
机械式直流断路器主要通
过增大电弧电压
［
１
］
、
自激振荡产生电流零点
［
２
］
和电
容预充电振荡产生电流零点
［
３
］
来熄灭电弧
；
自然换
流型混合直流断路器
［
４
－
６
］
利用电弧电压和转移支路
全控功率器件导通压降的压差来转移故障电流
，
从
而实现机械开关电流过零点并熄灭电弧
。
有弧直流
断路器着眼于电弧产生后如何熄灭
，
然而无自然电
流过零点这一特性使直流电弧的熄灭较交流电弧更
加困难
，
并且电弧对触头的侵蚀导致断路器需要频
繁维修
，
降低了系统可靠性
。
无弧直流断路器开断过程中不产生电弧
，
目前
主要有以下几类
。
１
）
全固态直流断路器
。
传统全固态直流断路器
直接利用全控功率器件开断电流
［
７
－
９
］
，
而后文献
［
１０
］
提出了一种基于
Ｚ
源网络和晶闸管的新型全固态
直流断路器
。
全固态直流断路器不需要机械开关
，
所以能实现无弧开断和合闸
，
但受限于功率器件容
量
，
其应用于高电压
、
大电流场合时需要大量器件串
并联
，
成本高昂
，
并且均压
、
均流实现难度大
，
导致直
流断路器结构和控制复杂
。
此外
，
由于直流系统正
常运行时的电流也从功率器件流过
，
所以全固态直
流断路器的导通损耗较大
。
２
）
强迫换流型混合直流断路器
。
强迫换流型混
合直流断路器通过主支路中辅助全控器件的关断来
快速转移电流
，
使与辅助全控器件串联的机械开关
实现了零电流开断
，
所以无电弧产生
。
ＡＢＢ
公司于
２０１２
年研制出了最大开断电流为
９ｋＡ
、
开断时间
为
５ｍｓ
的
３２０ｋＶ
／
２．６ｋＡ
强迫换流型混合直流断
路器
［
１１
］
。
由于辅助全控器件不需要承受全部电源
电压
，
串联个数较少
，
所以相 比 于 全固态 直 流 断路
器
，
强迫换流型混合直流断路器的导通损耗明显减
小
，
但其转移支路需要大量全控器件串并联
，
仍然存
在成本高昂
、
结构和控制复杂等缺点
。
３
）
其他新型无弧直流断路器
。
文献
［
１２
］
在自然
换流型混合直流断路器的主支路中串联一个基于液
态金属磁收缩效应的电弧发生器
，
通过调节发生器
中电弧电压来转移主支路电流
，
从而实现了机械开
８３２
第
４１
卷
第
１２
期
２０１７
年
６
月
２５
日
Ｖｏｌ．４１Ｎｏ．１２Ｊｕｎｅ
２５
，
２０１７
ＤＯＩ
：
１０．７５００
／
Ａ Ｅ ＰＳ２０１６１０１２００３
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