高壓直流斷路器及其關(guān)鍵技術(shù)

高壓直流斷路器及其關(guān)鍵技術(shù)一、本文概述隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，高壓直流（HVDC）輸電技術(shù)以其遠(yuǎn)距離、大容量、低損耗等優(yōu)勢，在跨海、跨大區(qū)域聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，作為HVDC系統(tǒng)中的重要設(shè)備，高壓直流斷路器在保障電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行中扮演著至關(guān)重要的角色。因此，研究高壓直流斷路器及其關(guān)鍵技術(shù)對于提升我國電力系統(tǒng)的整體性能和安全水平具有重要意義。本文旨在深入探討高壓直流斷路器的原理、結(jié)構(gòu)、控制策略及其關(guān)鍵技術(shù)，分析當(dāng)前國內(nèi)外在該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。文章首先概述了高壓直流斷路器的基本概念和分類，接著詳細(xì)介紹了不同類型的高壓直流斷路器的原理和特點(diǎn)，包括基于換流器的斷路器、基于超導(dǎo)技術(shù)的斷路器等。在此基礎(chǔ)上，文章重點(diǎn)分析了高壓直流斷路器的關(guān)鍵技術(shù)，包括快速開斷技術(shù)、電流檢測技術(shù)、控制系統(tǒng)設(shè)計等，并探討了這些技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的挑戰(zhàn)和解決方案。通過本文的闡述，讀者可以全面了解高壓直流斷路器的工作原理、技術(shù)特點(diǎn)和發(fā)展趨勢，為相關(guān)領(lǐng)域的研究和工程應(yīng)用提供有益的參考和借鑒。本文也為高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展和電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了有益的技術(shù)支撐和理論支持。二、高壓直流斷路器的基本原理高壓直流斷路器是保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備，其基本原理是在直流電網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)故障電流的快速隔離與清除。與傳統(tǒng)的交流斷路器不同，直流斷路器需要處理的是恒定方向的直流電流，因此在滅弧和電流中斷方面存在特殊的挑戰(zhàn)。高壓直流斷路器的基本結(jié)構(gòu)通常包括快速開關(guān)、電流轉(zhuǎn)移支路和能量吸收支路。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，快速開關(guān)處于閉合狀態(tài)，允許直流電流通過。當(dāng)檢測到系統(tǒng)故障時，快速開關(guān)會迅速打開，切斷直流電流。此時，電流轉(zhuǎn)移支路會接管故障電流，通過特定的轉(zhuǎn)移過程將電流從快速開關(guān)轉(zhuǎn)移到能量吸收支路。能量吸收支路是直流斷路器的核心部分，其主要作用是吸收和消耗故障電流的能量，以防止斷路器在中斷過程中受到損壞。這一過程中，可能涉及到電阻、電感、電容等元件的組合使用，以及特殊的滅弧技術(shù)，如真空滅弧、SF6氣體滅弧等。除了上述基本結(jié)構(gòu)和工作原理外，高壓直流斷路器還需要考慮諸如保護(hù)控制策略、動作時序優(yōu)化、熱工特性分析等多方面的問題。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，高壓直流斷路器在結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇、制造工藝等方面也在不斷優(yōu)化和創(chuàng)新，以滿足日益增長的電力系統(tǒng)安全和可靠性需求。三、高壓直流斷路器的關(guān)鍵技術(shù)高壓直流斷路器是電力系統(tǒng)中的重要組成部分，其設(shè)計與實(shí)現(xiàn)涉及一系列關(guān)鍵技術(shù)。這些技術(shù)涵蓋了從斷路器的基本結(jié)構(gòu)到其控制策略，從材料的選取到斷路器的散熱設(shè)計，從斷路器的智能化到其在復(fù)雜電網(wǎng)中的應(yīng)用。高壓直流斷路器的基本結(jié)構(gòu)是其功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。斷路器需要能夠在極短的時間內(nèi)切斷高電流，因此其結(jié)構(gòu)必須能夠承受巨大的熱應(yīng)力和電應(yīng)力。同時，斷路器的動作速度要快，以確保在故障發(fā)生時能夠迅速切斷電流，避免對電力系統(tǒng)造成更大的損害。高壓直流斷路器的控制策略和保護(hù)技術(shù)是其穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。斷路器需要能夠準(zhǔn)確地檢測到電網(wǎng)中的故障，并在最短時間內(nèi)切斷電流。這需要先進(jìn)的控制系統(tǒng)和保護(hù)策略，以確保斷路器能夠在各種復(fù)雜的電網(wǎng)條件下穩(wěn)定運(yùn)行。高壓直流斷路器需要承受極高的電壓和電流，因此其材料的選取至關(guān)重要。材料需要具有高的導(dǎo)電性、高的機(jī)械強(qiáng)度、良好的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性。同時，材料的加工技術(shù)也需要滿足斷路器的設(shè)計要求，確保斷路器的性能和可靠性。由于高壓直流斷路器在動作過程中會產(chǎn)生大量的熱量，因此其散熱設(shè)計是防止設(shè)備損壞和提高設(shè)備壽命的關(guān)鍵。散熱設(shè)計需要考慮到設(shè)備的結(jié)構(gòu)、材料、工作環(huán)境以及故障電流的大小和持續(xù)時間等因素。隨著電網(wǎng)的日益復(fù)雜，高壓直流斷路器的智能化技術(shù)成為提高其性能和可靠性的重要手段。通過引入傳感器、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)斷路器的狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷和自動控制等功能，提高電網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性。高壓直流斷路器在復(fù)雜電網(wǎng)中的應(yīng)用技術(shù)也是其關(guān)鍵技術(shù)之一。這包括斷路器與電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制技術(shù)、斷路器與其他電力設(shè)備的配合技術(shù)等。這些技術(shù)的應(yīng)用可以確保斷路器在電網(wǎng)中發(fā)揮最大的作用，提高電網(wǎng)的整體性能。高壓直流斷路器的關(guān)鍵技術(shù)涉及多個方面，包括基本結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制策略與保護(hù)技術(shù)、材料的選取與加工技術(shù)、散熱設(shè)計、智能化技術(shù)以及應(yīng)用技術(shù)。這些技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新將推動高壓直流斷路器在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，提高電網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性。四、高壓直流斷路器的應(yīng)用與發(fā)展趨勢隨著全球能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，高壓直流輸電技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，而高壓直流斷路器作為保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備，其應(yīng)用與發(fā)展趨勢也日益受到關(guān)注。目前，高壓直流斷路器已在多個領(lǐng)域得到應(yīng)用，如新能源接入、多端直流電網(wǎng)、城市電網(wǎng)等。在新能源接入方面，隨著風(fēng)電、光伏等可再生能源的大規(guī)模開發(fā)和利用，電網(wǎng)的波動性、隨機(jī)性增加，高壓直流斷路器的快速隔離故障能力能夠顯著提高電網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性。在多端直流電網(wǎng)中，高壓直流斷路器能夠?qū)崿F(xiàn)不同電壓等級、不同方向電流的靈活控制，為電網(wǎng)的智能化、靈活化運(yùn)行提供了有力支撐。在城市電網(wǎng)中，高壓直流斷路器能夠有效解決城市電網(wǎng)中的短路電流、諧波污染等問題，提高城市電網(wǎng)的供電質(zhì)量和可靠性。未來，高壓直流斷路器的發(fā)展趨勢將主要體現(xiàn)在以下幾個方面：一是技術(shù)創(chuàng)新，通過不斷研發(fā)新技術(shù)、新材料、新工藝，提高高壓直流斷路器的性能指標(biāo)，降低制造成本，推動其廣泛應(yīng)用；二是智能化發(fā)展，利用、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高壓直流斷路器的智能監(jiān)測、故障診斷、自動控制等功能，提高其運(yùn)行效率和可靠性；三是綠色環(huán)保，通過采用環(huán)保材料、降低能耗、減少排放等措施，實(shí)現(xiàn)高壓直流斷路器的綠色制造和綠色運(yùn)行；四是多元化應(yīng)用，高壓直流斷路器將在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用，如柔性直流電網(wǎng)、分布式能源接入、電動汽車充電等，為構(gòu)建清潔、高效、智能的能源互聯(lián)網(wǎng)提供有力支撐。高壓直流斷路器作為保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備，其應(yīng)用與發(fā)展趨勢日益受到關(guān)注。未來，隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，高壓直流斷路器將在全球能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中發(fā)揮更加重要的作用。五、結(jié)論隨著可再生能源的大規(guī)模接入和電網(wǎng)互聯(lián)的不斷發(fā)展，高壓直流輸電系統(tǒng)因其傳輸容量大、線路走廊占地少、無同步問題等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。然而，高壓直流輸電系統(tǒng)也面臨著一些技術(shù)挑戰(zhàn)，其中最為突出的是直流故障的處理。高壓直流斷路器作為處理直流故障的關(guān)鍵設(shè)備，其研發(fā)和應(yīng)用對于確保高壓直流輸電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行具有重要意義。本文綜述了高壓直流斷路器的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，重點(diǎn)分析了基于晶閘管、基于換流器和基于超導(dǎo)技術(shù)的直流斷路器的工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)。同時，本文還深入探討了高壓直流斷路器在快速開斷、高電壓耐受、小型化等方面的關(guān)鍵技術(shù)，以及這些技術(shù)在工程應(yīng)用中所面臨的挑戰(zhàn)。通過對比分析，我們發(fā)現(xiàn)基于晶閘管的直流斷路器在快速開斷方面表現(xiàn)優(yōu)秀，但受限于晶閘管本身的電壓和電流容量；基于換流器的直流斷路器則具有更高的電壓耐受能力，但開斷速度相對較慢；而基于超導(dǎo)技術(shù)的直流斷路器在理論上具有更高的開斷速度和電壓耐受能力，但實(shí)際應(yīng)用中仍面臨超導(dǎo)材料成本、穩(wěn)定性和可靠性等方面的問題。高壓直流斷路器及其關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用仍處于不斷探索和完善的過程中。未來，隨著新材料、新工藝和新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，我們有理由相信高壓直流斷路器將在高壓直流輸電系統(tǒng)中發(fā)揮更加重要的作用，為保障電力系統(tǒng)的安全、可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行做出更大的貢獻(xiàn)。參考資料：隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，高壓直流斷路器在保護(hù)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行方面發(fā)揮著越來越重要的作用。本文將詳細(xì)介紹高壓直流斷路器的背景、概述、關(guān)鍵技術(shù)以及應(yīng)用領(lǐng)域，幫助讀者更好地了解這一重要技術(shù)。高壓直流斷路器是直流輸電系統(tǒng)中不可或缺的一部分，主要作用是在系統(tǒng)發(fā)生故障時迅速切斷電流，保護(hù)電力系統(tǒng)免受損壞。隨著直流輸電技術(shù)的廣泛應(yīng)用，高壓直流斷路器的性能和可靠性成為了影響整個電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素。高壓直流斷路器是一種能夠在大氣壓或更高電壓下切斷直流電流的開關(guān)設(shè)備。其基本原理是通過強(qiáng)制換流或機(jī)械開關(guān)的斷開來實(shí)現(xiàn)電流的切斷。高壓直流斷路器可以根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分。根據(jù)操作性質(zhì)，可分為電磁操作斷路器和機(jī)械操作斷路器；根據(jù)斷口數(shù)量，可分為單斷口斷路器和多斷口斷路器。每種類型的斷路器都有其獨(dú)特的特點(diǎn)和適用場合。高壓直流斷路器廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的各個領(lǐng)域，如工業(yè)、商業(yè)和家用電器等。在這些領(lǐng)域中，它扮演著保護(hù)電路和防止故障擴(kuò)散的重要角色。開關(guān)技術(shù)是高壓直流斷路器的核心，其性能直接影響到斷路器的切斷能力和可靠性。目前，常用的開關(guān)技術(shù)包括真空開關(guān)、六氟化硫開關(guān)和金屬氧化物電阻器等。保護(hù)技術(shù)是高壓直流斷路器的另一個重要方面。在系統(tǒng)發(fā)生故障時，保護(hù)技術(shù)可以迅速切斷電流，防止故障擴(kuò)大。常用的保護(hù)技術(shù)包括電流保護(hù)、電壓保護(hù)和功率保護(hù)等。測量技術(shù)是高壓直流斷路器的重要組成部分，能夠準(zhǔn)確檢測電路中的電流、電壓和功率等參數(shù)。常用的測量技術(shù)包括電流互感器、電壓互感器和功率因數(shù)表等?？刂萍夹g(shù)是高壓直流斷路器的關(guān)鍵之一，它能夠控制斷路器的操作和保護(hù)動作。常用的控制技術(shù)包括繼電器、接觸器和微處理器等。在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中，高壓直流斷路器主要用于保護(hù)各種工業(yè)設(shè)備，如電機(jī)、變壓器和電路等。它還可以保護(hù)工業(yè)生產(chǎn)過程中的各種自動化設(shè)備和流水線。在商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中，高壓直流斷路器主要用于保護(hù)各種商業(yè)設(shè)施的電路和設(shè)備，如寫字樓、商場和酒店等。它還可以保護(hù)商業(yè)生產(chǎn)過程中的各種設(shè)備和系統(tǒng)。在家用電器領(lǐng)域中，高壓直流斷路器主要用于保護(hù)各種家用電器，如電視、冰箱和空調(diào)等。它還可以保護(hù)家庭電路和家庭自動化系統(tǒng)。本文詳細(xì)介紹了高壓直流斷路器的背景、概述、關(guān)鍵技術(shù)以及應(yīng)用領(lǐng)域。可以看出，高壓直流斷路器在保護(hù)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行方面具有重要的作用，并且在工業(yè)、商業(yè)和家用電器等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，高壓直流斷路器的性能和可靠性將會得到進(jìn)一步提升，為電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供更加強(qiáng)有力的保障。直流斷路器結(jié)合了電力電子器件，是用于開斷直流回路的斷路器，實(shí)現(xiàn)直流開斷的時刻是電流過零點(diǎn)。直流斷路器一般可分為機(jī)械式直流斷路器、固態(tài)直流斷路器以及混合式直流斷路器。其中電力電子器件的控制和直流滅弧是直流斷路器的關(guān)鍵技術(shù)。在輸電領(lǐng)域，為適應(yīng)新的能源格局，基于常規(guī)直流和柔性直流的多端直流輸電系統(tǒng)和直流電網(wǎng)技術(shù)成為未來的發(fā)展趨勢，多端直流輸電實(shí)現(xiàn)了多電源供電、多落點(diǎn)受電，是一種更靈活、快捷的輸電方式，在此基礎(chǔ)上如果將直流輸電線路在直流側(cè)互聯(lián)形成直流電網(wǎng)，可以有效解決新能源并網(wǎng)帶來的有功波動等問題，在未來城市智能配電網(wǎng)、微網(wǎng)等領(lǐng)域也具有較大優(yōu)勢，對我國未來電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展具有重大意義。直流側(cè)故障是直流輸電系統(tǒng)必須考慮的一種故障類型，影響到設(shè)備參數(shù)的計算和控制保護(hù)策略的設(shè)計。與交流系統(tǒng)相比，直流系統(tǒng)阻尼相對較低，故障滲透速度更快，滲透程度更深，控制保護(hù)難度也更大。隨著多端柔性直流輸電系統(tǒng)的發(fā)展，如何處理直流故障成為工程實(shí)踐中需要考慮的關(guān)鍵問題。在配電領(lǐng)域，在現(xiàn)代電力電子技術(shù)和分布式電源的推動下，直流配電網(wǎng)具有巨大的發(fā)展前景。一方面，常見的分布式電源均可發(fā)出直流電或經(jīng)整流后變?yōu)橹绷麟姡魧⑦@些電源接入直流配網(wǎng)將大大節(jié)省換流環(huán)節(jié)；另一方面，目前很多負(fù)荷本身采用直流供電，在直流配電網(wǎng)中無需經(jīng)過整流環(huán)節(jié)即可直接給這些負(fù)荷供電，從而減小成本并降低損耗。直流配電網(wǎng)線路成本低、輸電損耗小、供電可靠性高，相比交流配電網(wǎng)取得諸多技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。直流斷路器作為直流保護(hù)設(shè)備對保證直流配電網(wǎng)安全運(yùn)行有著重大意義。為有效抑制故障電流擴(kuò)散，保證直流輸、配電網(wǎng)安全運(yùn)行和設(shè)備正常工作，直流斷路器將成為有效甚至唯一的技術(shù)手段。機(jī)械式直流斷路器通常是由交流斷路器改造之后得到的，根據(jù)滅弧原理的不同，可分為真空斷路器、六氟化硫斷路器、多油(少油)斷路器、壓縮空氣斷路器、磁吹斷路器和產(chǎn)氣斷路器。目前真空斷路器和六氟化硫斷路器已經(jīng)大范圍替代其他斷路器并在電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。真空斷路器利用真空作為觸頭間的絕緣與滅弧介質(zhì)，觸頭間隙絕緣強(qiáng)度高，具有安全可靠、壽命長等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用在10kV,35kV配電系統(tǒng)中，關(guān)斷電流水平可達(dá)20-63kA；SF6斷路器使用SF6氣體作為絕緣和滅弧的介質(zhì)，由于SF6氣體特性優(yōu)異，使斷口處的電壓和電流參數(shù)優(yōu)于少油斷路器和壓縮空氣斷路器，并且不需要較高氣壓和較多串聯(lián)斷口數(shù)，在252kV電壓等級應(yīng)用中開斷電流能力可達(dá)40kA。隨著電力電子技術(shù)不斷進(jìn)步，固態(tài)直流斷路器也逐漸興起，基本拓?fù)淙鐖D1所示。20世紀(jì)70年代出現(xiàn)了采用晶閘管關(guān)斷的固態(tài)直流斷路器；80年代隨著門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)、絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)等全控器件的誕生，使固態(tài)直流斷路器所用器件有了新的選擇。90年代，隨著ABB和日本三菱的集成柵極晶閘管等新型大功率器件的問世，為固態(tài)直流斷路器拓?fù)涮峁┝烁嗟倪x擇余地。國外在固態(tài)直流斷路器研究方面起步較早。1987年，美國研制的200V/15A固態(tài)直流斷路器以門極可關(guān)斷晶閘管作為主開關(guān)器件；1999年，Dr.JefffreyA.Casey等人詳細(xì)闡述和列舉了固態(tài)直流斷路器在配電網(wǎng)的分布、成本和工程應(yīng)用；Houston大學(xué)隨后研發(fā)出電壓等級為500V的固態(tài)直流斷路器樣機(jī)；2005年，美國電力電子系統(tǒng)研究中心(CPES)研制出5kV/5kA和5kV/4kA直流斷路器樣機(jī)并通過測試。國內(nèi)主要集于直流斷路器電路拓?fù)涞难芯?，試?yàn)樣機(jī)容量較小且集中在航空航天和艦船系統(tǒng)等特殊領(lǐng)域。國內(nèi)的海軍工程大學(xué)開展的應(yīng)用于艦艇系統(tǒng)的固態(tài)斷路器研究側(cè)重于低壓、大電流下的開斷和限流等，應(yīng)用場合受到限制。中國工程物理研究所研制的20kV晶閘管固態(tài)開關(guān)側(cè)重于晶閘管串聯(lián)技術(shù)的研究，電流等級較低。為充分利用機(jī)械開關(guān)通態(tài)壓降小和電力電子器件關(guān)斷速度快的優(yōu)勢，混合型直流斷路器成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)?；旌闲椭绷鲾嗦菲骺赏ㄟ^機(jī)械開關(guān)和電力電子器件的合理組合得到，常見的拓?fù)渲饕袡C(jī)械開關(guān)與電力電子器件直接并聯(lián)、機(jī)械開關(guān)與電力電子器件先串聯(lián)再并聯(lián)以及由此衍生出的其他拓?fù)洹?012年底，ABB公司研發(fā)的混合型直流斷路器通過樣機(jī)試驗(yàn)，采用高速機(jī)械開關(guān)與IGBT先串聯(lián)再并聯(lián)的拓?fù)?，用?20kV直流輸電系統(tǒng)中，5ms之內(nèi)斷流能力達(dá)9kA。在該拓?fù)湎掠眯滦痛蠊β势骷鍵GBT已實(shí)現(xiàn)16kA左右關(guān)斷能力。2013年，Alstam公司研發(fā)出可在5ms內(nèi)關(guān)斷超過3kA電流的混合型直流斷路器，采用機(jī)械開關(guān)與電感、電容和電力電子器件構(gòu)成的振蕩電路串聯(lián)再與電力電子器件并聯(lián)的拓?fù)?。在高電壓、大電流的?yīng)用場合，需要電力電子器件串聯(lián)提高耐壓能力和并聯(lián)提高通流能力，由于器件自身參數(shù)差異和外圍電路影響導(dǎo)致的動、靜態(tài)均壓、均流問題尤為突出。當(dāng)電力電子器件作為直流斷路器斷流主支路時，一般不需要并聯(lián)即可滿足關(guān)斷電流要求，而為了承受較高的開斷過電壓，往往需要大量器件串聯(lián)使用，本節(jié)將重點(diǎn)分析串聯(lián)均壓問題。電力電子器件串聯(lián)電壓不均一般分為兩種情況：靜態(tài)電壓不均和動態(tài)電壓不均。器件運(yùn)行過程中會經(jīng)歷開通瞬態(tài)、開通穩(wěn)態(tài)、關(guān)斷瞬態(tài)和關(guān)斷穩(wěn)態(tài)四個工作狀態(tài)。在開通穩(wěn)態(tài)和關(guān)斷穩(wěn)態(tài)下，串聯(lián)各器件電壓基本保持穩(wěn)定，屬靜態(tài)均壓問題;在開通瞬態(tài)和關(guān)斷瞬態(tài)下，串聯(lián)各器件電壓動態(tài)變化，屬動態(tài)均壓問題。由于影響串聯(lián)均壓的因素較為復(fù)雜，不同工作狀態(tài)下應(yīng)采用不同的均壓策略。當(dāng)串聯(lián)各器件處于開通穩(wěn)態(tài)時，只承受很低的通態(tài)壓降，由器件參數(shù)差異引起的電壓不均對其安全運(yùn)行影響較小，一般可以忽略不計；當(dāng)串聯(lián)器件處于關(guān)斷穩(wěn)態(tài)時，各器件可等效為一個阻值較大的電阻，其上只有很小的漏電流通過，此時器件兩端電壓一般較高，必須采取措施解決電壓不均問題。為實(shí)現(xiàn)靜態(tài)均壓，首先應(yīng)盡量選用參數(shù)和特性均一致的器件，此外還可以在串聯(lián)各器件集射極之間并聯(lián)均壓電阻，當(dāng)該電阻遠(yuǎn)小于器件漏電阻時，電壓分配主要取決于均壓電阻值，該阻值通常應(yīng)遠(yuǎn)低于器件斷態(tài)等效電阻，并盡可能的大，影響串聯(lián)器件動態(tài)電壓不均的因素主要分為兩類：器件自身參數(shù)和外圍電路參數(shù)。其中器件自身參數(shù)主要包括極間寄生電容、拖尾電流、柵極內(nèi)阻和雜散電感等，外圍電路主要包括柵極驅(qū)動電阻、驅(qū)動回路寄生電感、驅(qū)動信號延遲和吸收電路等。與交流電流相比，直流電流沒有自然過零點(diǎn)，在高電壓等級和高故障電流等級下，如果用機(jī)械開關(guān)強(qiáng)制斷開直流電流，一方面將產(chǎn)生巨大能量的電弧，對設(shè)備安全造成嚴(yán)重威脅，另一方面從機(jī)械開關(guān)動作到其恢復(fù)可靠的耐壓能力往往需要數(shù)十毫秒，難以滿足速動性的要求。目前為應(yīng)對滅弧問題多采用以下幾種策略：(1)研究直流電弧特性并建立準(zhǔn)確的電弧模型，研制滅弧能力更強(qiáng)、速度更快的機(jī)械開關(guān)。(2)借鑒交流斷路器工作原理，采用振蕩電路等方式人為制造電流過零點(diǎn)。(3)采用包含機(jī)械開關(guān)和電力電子器件的混合型拓?fù)?，通過合理的開斷時序控制策略，使機(jī)械開關(guān)實(shí)現(xiàn)在極小的電流甚至零電流下開斷。以上策略各有利弊，如何選擇合理的滅弧方法是直流斷路器面臨的重要問題。直流斷路器作為開斷故障電流的關(guān)鍵設(shè)備，其控制系統(tǒng)應(yīng)準(zhǔn)確檢測回路電流動態(tài)變化，可靠識別短路故障、電流暫升和電流波動等各類工況并迅速響應(yīng)。電流類保護(hù)策略主要有過流速斷保護(hù)、電流增量保護(hù)和電流變化率保護(hù)等。過流速斷保護(hù)檢測到電流超過整定值后立即跳閘，一般用于快速切除故障場合，準(zhǔn)確性和可靠性較差;電流上升率和電流增量保護(hù)根據(jù)穩(wěn)態(tài)電流和故障電流上升率之間的差異實(shí)現(xiàn)保護(hù)，對保護(hù)校驗(yàn)的要求較高，實(shí)際中兩種保護(hù)以同一個電流上升率整定值作為啟動條件，啟動后進(jìn)入各自的延時階段，相互配合完成保護(hù)功能。兩種保護(hù)的動作過程如下：電流上升率保護(hù)通過不斷檢測電流上升率，當(dāng)其高于保護(hù)閾值時，保護(hù)啟動并進(jìn)入延時階段。在延時階段內(nèi)，若電流上升率一直高于整定值則保護(hù)動作，反之則保護(hù)返回。電流增量保護(hù)和電流上升率保護(hù)在同一時刻啟動，繼電器以啟動時刻電流為基準(zhǔn)計算電流相對增量。當(dāng)電流上升率一直高于電流增量保護(hù)整定的斜率且在延時后值達(dá)到動作閉值，則保護(hù)動作。在電流增量計算過程中，允許電流上升率在短時間內(nèi)回落到整定值之下，如果這段時間不超過返回延時整定值，保護(hù)不返回；反之則保護(hù)返回。隨著直流斷路器拓?fù)洳粩喟l(fā)展，其各部分往往包含不同類型的元件，如全控型器件、半控型器件、機(jī)械開關(guān)和無源、有源電路等。在直流斷路器動作過程中，各元件之間可靠的時序配合控制策略決定了換流過程和關(guān)斷過程能否正常進(jìn)行，對電力電子器件運(yùn)行在安全工作區(qū)也具有重要意義。一般而言，對于含有多條并聯(lián)支路的直流斷路器拓?fù)?，合理的分、合閘時序應(yīng)滿足以下基本要求：(1)動作時刻按電流閉值整定并考慮各元件動作延時，動作持續(xù)時間滿足熱設(shè)計要求。(3)在某條支路開斷時，應(yīng)保證上一條通流支路已完全換流并可靠開斷。直流側(cè)故障影響到設(shè)備參數(shù)的計算和控制保護(hù)策略的設(shè)計，是直流輸電系統(tǒng)必須考慮的一種故障類型。雖然處理直流側(cè)故障有三類方法，但由于技術(shù)方面的制約，目前實(shí)際工程中仍采用交流側(cè)斷路器隔離故障。在這種處理方式下，系統(tǒng)檢測到故障后閉鎖換流站以防止橋臂過流，然后跳開各換流站交流側(cè)斷路器，切斷交流側(cè)電流饋入，直流電流隨著橋臂電抗能量釋放逐漸減小至零，最后跳開故障線路兩端的快速直流開關(guān)。而其他換流站需要再次閉合交流斷路器重新啟動。這種處理策略在每次故障時都需要跳開交流斷路器，使直流系統(tǒng)與外界交流系統(tǒng)解開，計及故障檢測、識別、交流斷路器動作和快速直流開關(guān)動作，整個故障清除過程長達(dá)數(shù)百毫秒，這將降低直流輸電系統(tǒng)的可利用率。由于多端柔性直流輸電系統(tǒng)存在多種短路類型和短路點(diǎn)，短路電流變化復(fù)雜，為使本文提出的直流斷路器拓?fù)溆糜诙喽巳嵝灾绷鬏旊娤到y(tǒng)時能夠更加可靠的處理直流側(cè)故障，需要對直流側(cè)故障機(jī)理和各種故障類型下的電流變化規(guī)律進(jìn)行研究，同時應(yīng)結(jié)合系統(tǒng)原有的直流側(cè)故障保護(hù)方法和直流斷路器控制策略，合理整定直流斷路器動作時序，確保整個系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。采用雙極對稱傳輸方式的模塊化多電平多端柔性直流輸電系統(tǒng)，其直流側(cè)故障一般分為三類：單極短路故障、雙極短路故障和斷線故障。單極短路故障時，由于直流側(cè)經(jīng)大電阻接地，近似開路，子模塊電容沒有放電通路，電容電壓基本維持穩(wěn)定；雙極短路故障時，在換流器閉鎖前，子模塊電容通過上部全控器件形成放電回路，如圖2a所示，同時交流系統(tǒng)通過子模塊下部二極管構(gòu)成能量饋流回路，相當(dāng)于三相短路，如圖2b所示，此時子模塊電流由兩者疊加構(gòu)成，換流器閉鎖后，全控器件關(guān)斷，交流系統(tǒng)繼續(xù)通過圖2b所示電路饋入電流，直到交流側(cè)斷路器動作切斷饋流回路。在直流斷路器應(yīng)用環(huán)境下，多端柔性直流輸電系統(tǒng)主要故障類型可分為平抗內(nèi)短路，平抗外短路和架空線路短路，每種短路又分為單極短路和雙極短路。在各種類型短路故障中，換流站近端平抗內(nèi)、外側(cè)雙極短路是較為嚴(yán)重的故障類型，其中又以平抗內(nèi)雙極短路故障最嚴(yán)重。2ms之內(nèi)故障電流可達(dá)7kA，峰值電流17kA。直流斷路器應(yīng)滿足上述最嚴(yán)重故障下的動作要求。日前多端柔性直流系統(tǒng)直流側(cè)故障保護(hù)方式主要有橋臂過流保護(hù)和閥直流過流保護(hù)，兩者原有保護(hù)方案均取最高值為2p.u.，動作延時2ms，故障電流達(dá)到閾值時換流器啟動閉鎖保護(hù)，同時交流側(cè)斷路器動作切斷交流電流的饋入。為最大限度抑制故障發(fā)展，使系統(tǒng)在故障恢復(fù)后能夠快速地重新建立直流電壓，直流斷路器應(yīng)在換流器閉鎖之前動作，即使不能滿足也應(yīng)保證在換流器閉鎖之后、交流側(cè)斷路器動作之前動作。在較低閾值的保護(hù)水平下，換流器將在1ms內(nèi)閉鎖，因此直流斷路器也應(yīng)在1ms內(nèi)動作，在系統(tǒng)其他參數(shù)不變時直流斷路器難以滿足該要求。為保證直流斷路器可靠動作，對于故障電流水平較低的故障類型，提高原保護(hù)電流整定閾值即可滿足要求；對于大容量換流站近端較嚴(yán)重的故障類型，除提高電流閾值之外，還應(yīng)為直流斷路器配置限流電感以限制電流上升率。直流斷路器作為迅速有效處理直流故障的關(guān)鍵設(shè)備，將在未來多端直流輸電和直流電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展中起到關(guān)鍵作用。直流斷路器理論和拓?fù)涞难芯考航?jīng)開展很長時間，但直流滅弧、電力電子器件串聯(lián)均壓和能量吸收等一系列問題仍有待解決。高壓直流輸電電網(wǎng)的迅速發(fā)展對高壓直流斷路器也提出了越來越迫切的需求。從各種直流斷路器的技術(shù)特征和目前的研究水平來看，混合式直流開斷技術(shù)和基于人工過零的直流開斷技術(shù)是最具工程應(yīng)用潛力的方案。高壓直流斷路器理論研究和樣機(jī)研制尚未成熟，在實(shí)際工程中還未得到廣泛應(yīng)用，對其關(guān)鍵技術(shù)的研究仍存在諸多不足之處：（1）對直流網(wǎng)絡(luò)的建模是基于簡化的單向潮流模型，實(shí)際的直流輸、配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，潮流方向也具有不確定性。如何建立更為詳細(xì)的系統(tǒng)模型并在此基礎(chǔ)上對故障電流特性進(jìn)行更準(zhǔn)確的描述，為直流斷路器設(shè)計提供更為可靠的依據(jù)是后續(xù)研究的重點(diǎn)。（2）在電力電子器件串聯(lián)均壓問題的研究中，重點(diǎn)考察關(guān)斷過程動態(tài)均壓問題和負(fù)載側(cè)吸收電路，其他狀態(tài)下的均壓問題和柵極主動均壓策略仍有待研究。（3）未對直流斷路器能量吸收支路避雷器進(jìn)行詳細(xì)研究，仿真中采用通用模型，而實(shí)際中避雷器參數(shù)設(shè)置對直流斷路器可靠運(yùn)行起著關(guān)鍵作用；此外本文的研究仍處于理論分析和仿真模擬階段，下一步將開展樣機(jī)設(shè)計和試驗(yàn)驗(yàn)證。隨著直流輸電技術(shù)的發(fā)展，高壓直流（HVDC）技術(shù)在電力傳輸和分配中發(fā)揮著越來越重要的作用。高壓直流斷路器作為高壓直流輸電系統(tǒng)中的重要設(shè)備，對于保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有至關(guān)重要的作用。因此，研制高壓直流斷路器是當(dāng)前電力設(shè)備制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。高壓直流斷路器作為高壓直流輸電系統(tǒng)中的開關(guān)設(shè)備，需要滿足一系列嚴(yán)格的技術(shù)要求。高壓直流斷路器需要能夠快速切斷直流電流，以減小電流對設(shè)備的熱效應(yīng)和電動力效應(yīng)。由于直流電流不存在自然過零點(diǎn)，高壓直流斷路器需要采用特殊的設(shè)計來強(qiáng)制電流過零，以便進(jìn)行開斷。高壓直流斷路器還需要具備較高的耐壓能力和較低的損耗特性，以保證其在高電壓、大電流條件下的穩(wěn)定運(yùn)行。為了滿足上述技術(shù)要求，研制高壓直流斷路器需要采用一系列先進(jìn)的理論和技術(shù)。在材料選擇方面，應(yīng)選用具有優(yōu)良電氣性能和機(jī)械性能的材料，如真空滅弧室、陶瓷絕緣材料等。在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，應(yīng)充分考慮電流的分布和應(yīng)力分布，優(yōu)化滅弧室和觸頭的結(jié)構(gòu)，以提高設(shè)備的開斷能力和耐壓能力。在控制策略方面，應(yīng)采用智能控制算法，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的快速分合閘和電流的強(qiáng)制過零。以某公司研制的高壓直流斷路器為例，該設(shè)備采用先進(jìn)的混合式結(jié)構(gòu)，結(jié)合了真空和空氣絕緣的優(yōu)點(diǎn)，具有較高的耐壓能力和較低的損耗特性。在研制過程中，