高壓直流斷路器目前的研究概況

1.前言

高壓直流斷路器的研制難點(diǎn)有三：一是直流電流不像交流電流那樣有過(guò)零點(diǎn)，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(guò)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(diǎn)，但其開(kāi)斷速度較慢。

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

為克服兩者的缺點(diǎn)，通過(guò)將機械式直流斷路器和固態(tài)直流斷路器集成在一個(gè)裝置上，從而形成混合式斷路器。 混合式直流斷路器結合了機械開(kāi)關(guān)良好的靜態(tài)特性與電力電子器件良好的動(dòng)態(tài)性能，用快速機械開(kāi)關(guān)來(lái)導通正常運行電流，用固態(tài)電力電子器件來(lái)分斷短路電流，具有通態(tài)損耗小、開(kāi)斷時(shí)間短、無(wú)需專(zhuān)用冷卻設備等優(yōu)點(diǎn)，是目前高壓直流斷路器研發(fā)的新方向，有著(zhù)廣闊的應用前景。

下面將著(zhù)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構如下圖所示，主要包括機械式開(kāi)關(guān)支路a(快速機械隔離開(kāi)關(guān)b+負載轉換開(kāi)關(guān)c)和半導體開(kāi)關(guān)支路d(半導體斷路器e+避雷器組f)。

·當直流線(xiàn)路正常運行時(shí)，半導體開(kāi)關(guān)支路處于斷開(kāi)狀態(tài)，快速機械隔離開(kāi)關(guān)和負載轉換開(kāi)關(guān)導通并流過(guò)直流電流。

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

·由于快速機械隔離開(kāi)關(guān)此時(shí)流過(guò)的電流為零，快速機械隔離開(kāi)關(guān)迅速打開(kāi)。

·當快速機械隔離開(kāi)關(guān)打開(kāi)后，半導體斷路器開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，直流線(xiàn)路上的能量通過(guò)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 所設計的半導體斷路器單元設計圖如下圖所示，采用IGBT作為半導體開(kāi)關(guān)，并進(jìn)行閥組串聯(lián)。

該混合式高壓直流斷路器通過(guò)開(kāi)斷短路電流8.5kA的短路試驗，其開(kāi)斷時(shí)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構如下圖所示，主要包括旁路開(kāi)關(guān)(UFD + PES)、半導體開(kāi)關(guān)支路1(晶閘管+避雷器)、半導體開(kāi)關(guān)支路2(晶閘管+電容器)和避雷器組。

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