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摘要：高压直流断路器的使用对于直流电网系统特别是柔性直流电网的发展有着重要意义。高压直流断路器使得柔性直流输电可以成网运行，有效提高了柔性直流的输电容量和可靠性，产生了更多的运行方式。但在实际运用过程中，由于高压直流断路器的结构和开断原理不同于交流断路器，再加上直流电的特性不同于交流电，两侧隔离开关在合上的过程中会产生较大的电弧，对于运行安全产生了一定的影响。鉴于此，分析了现有高压直流断路器两侧刀闸合上时产生电弧的原因，并进行了仿真模拟，对于高压直流断路器的设计、应用和安全运行具有良好的借鉴意义。
关键词：高压直流断路器;柔性直流电网;电弧;运行安全
0 引言
采用全控型器件作为换流模块的柔性直流输电技术，由于其换流阀的高度可控性，可以方便地实现功率潮流反转、四象限运行、提供无功支撑等。相比于传统直流输电技术，不会换相失败的特性使得柔性直流输电技术能够在孤岛方式下进行远距离、大功率的能源传输，而不需要送端与受端都有可靠交流电网的支撑。
柔性直流电网可以进一步提高柔性直流输电技术的可靠性，但远距离输电线路瞬时故障则可能引起两端换流阀全部闭锁，进而大大影响输电可靠性。因此，具备重合闸功能的高压直流断路器对于柔性直流电网尤为重要。
世界上首个柔性直流电网工程是中国的“±500 kV张北可再生能源柔性直流电网示范工程”，该工程使用了多种不同拓扑结构的混合式直流断路器，本文称其为高压直流断路器。
1 高压直流断路器简介
直流断路器可以分为三类：机械式直流断路器、固态式直流断路器、混合式直流断路器。其中，混合式直流断路器，即高压直流断路器无分断死区，高度可控，具备重合闸能力，基本可以满足柔性直流电网的要求，是目前主流的发展路线。
高压直流断路器的基本拓扑结构如图1所示。
高压直流断路器主支路主要发挥两个作用：一是高压直流断路器在合位状态时采用主支路通流，以实现较小的通态损耗;二是在需要高压直流断路器切断电流时，主支路形成机械断口，实现该支路的有效隔离。
转移支路是高压直流断路器实现其功能的主要手段，原理是利用多层级联的IGBT器件，叠加电流关断和反向承压能力，在主支路形成断口之后，将直流电流关断，并通过耗能支路消耗残余的电能。
耗能支路也是高压直流断路器必不可少的组成部分。耗能支路是由MOV非线性电阻组合而成，利用其高阻态的特性，吸收开断电流后的残余能量，将电流迅速下降到可接受的范围。MOV每次吸收能量以后，需要一定的时间才能恢复绝缘强度，在此期间高压直流断路器的开断能力会受到影响。
高压直流断路器工作时，先将转移支路导通，然后断开主支路形成断口，接着断开转移支路的电力电子开关，通过耗能支路消耗能量。可见，无论是通态还是断态，转移支路和耗能支路始终并联在直流线路中。
在高压直流断路器基本拓扑结构的基础上，还有多种改进的高压直流断路器，如：（1）主支路电力电子式，通过在主支路增加电力电子开关以提高主支路的开断能力。（2）耦合负压装置式，通过在转移支路增加耦合负压装置，在开断瞬间利用耦合装置产生的反向感应电流，在转移支路形成人工过零点，减轻IGBT在关断过程中的负担，将能量更多地消耗在耗能支路上。
2 高压直流断路器的运行特点
高压直流断路器利用级联的IGBT来进行直流电流的关断。其主支路包含机械断口，而与主支路并联的转移支路和耗能支路并没有真正断口，即使在高压直流断路器分位的情况下，依然串联在线路之中。
2.1 IGBT开断直流电流的特点
2012年，ABB公司提出基于IGBT直接串联的混合式直流断路器方案，开发出额定电压80 kV、分断电流9 kA、分断时间3 ms的样机。
IGBT相较于带有灭弧装置的断路器，其分断能力较小，通态损耗较大，通过级联的方式实现开断大电流的功能。
因为每个IGBT收到触发信号的状态不完全同步，自身关断的速度也不完全相同，所以工程上无法实现多个串联的IGBT同时导通和关断。如果不采取一定的措施来削弱级联IGBT不同步的影响，将会严重影响开断功能。
2.2 IGBT通断状态不同步的影响
转移支路是IGBT级联规模较大的支路，也是电力电子器件发挥作用的主要支路。
在高压直流断路器分位，一侧的线路达到额定电压500 kV的状态下，需要合上高压直流断路器时，先合上机械开关，再合主支路的电力电子开关。此时由于本身电流较小，通断不同步问题产生的影响可以忽略不计。
在高压直流断路器合位，一侧电压为500 kV，另一侧发生接地，电压为零，电流为额定电流3 kA的状态下，需要拉开高压直流断路器时，先导通转移支路的电力电子开关，这个过程由于主支路的分流作用，通断不同步问题的影响较小。在转移支路导通后，关断主支路的IGBT，之后拉开主支路的机械开关，由于转移支路的分流作用，通断不同步问题的影响也较小。之后，通过关断转移支路的IBGT实现直流电流的切断，此时通断不同步的问题将产生很大影响。
以320个IGBT模块串联为例，每个IGBT模块的导通时刻都不一致。首先导通的IGBT模块称为T1，第二个称为T2，依次类推。在T1开断而T2尚未开断的时刻，相当于T1承受了将近500 kV的电压，如果T2未及时开断，T1将被击穿损坏，而后若T3未及时开断，T2也会损坏。如果已损坏的IGBT被击穿成为短路狀态，当剩下的IBGT个数不足以耐受500 kV电压时，所有的IBGT都将被击穿，造成严重后果。
2.3 阻容分压的作用
增加IGBT的冗余个数可以降低高压直流断路器被全部击穿的风险。 尽量缩短IGBT之间的导通或关断时间间隔，可以避免IGBT被击穿的情况，需要考虑的有光信号的控制、产生和传输以及每个IGBT的关断速度。
在每个IGBT模块上并联电容，利用电容电压不可突变的特性实现IGBT模块之间的均压，是可行性较高的方案。
2.4 并联电容对断路器功能的影响
由于高压直流断路器应用在直流输电领域，电容的使用对稳定运行时的系统几乎没有影响，但对开关本身带电的暂态过程、开断直流电流的暂态过程影响较大。
开断直流电流的暂态过程由于电容的使用，电压变化更加平缓，有利于功能的实现。而高压直流断路器本身从冷备用到热备用的操作，由于电容的加入，其实相当于设备带电、给电容充电的过程。
正是由于这样的拓扑结构，即使在分位，高压直流断路器仍然没有真正断口，并不能实现电气隔离的功能。
3 高压直流断路器带电的仿真分析
下面以张北柔直工程中一台高压直流断路器的状态为例，分析孤岛状态下进行极连接操作后高压直流断路器的状态变化。
在孤岛状态下，正极所有设备为冷备用状态，金属回线及接地极投入运行，此时线路为+500 kV带电状态，进行极连接操作后，高压直流断路器仍处于分位，其他开关刀闸均处于合位。
以正极的一个高压直流断路器为例，高压直流断路器通过二极管与上桥臂的换流阀子模块中的电容串联，再经由下桥臂的二极管与换流阀子模块中的电容串联，然后通过金属回线连通到接地极，从而形成由多电容、二极管、充电电阻、桥臂电抗器、平波电抗器、线路构成的一个带二极管的RLC振荡回路。需要注意的是，由于二极管的存在，电流第一次出现反向时振荡过程就截止了，开始缓慢放电。
高压直流断路器带电的过程，可以简化为二阶电路对阶跃电压的零状态响应。
3.1 电气量
若限流电抗器的电感为L1，桥臂电抗器的电感为L2，单个桥臂电容的等效值为C1，高压直流断路器的转移支路的总电容为C2，均压电容本身串联的总电阻为R1，直流启动电阻为R0。由于线路及连接处电阻不到R1和R0的千分之一，计算中忽略不计。
3.2 电流未过零阶段的等量关系
根据基尔霍夫定律，可以列写下式：
US=UC+UL+UR+UD
式中：US为阶跃的电压输入;UC为等效电容两端的电压;UL为等效电感两端的电压;UR为等效电阻两端的电压;UD为线路中所有二极管串联的总电压，在电流正向流过时，UD视为0。
充电结束后电容的电压保持相对稳定的状态，电流为零。由于二极管的作用，电流第一次过零时，充电过程就结束，因此重点关注电流的变化情况。
3.3 欠阻尼振荡充电
此时，线路的衰减常数T1=2.607×10-4 s，T2=6.394×10-4 s，在t=1 s时刻加电压，自由充电过程如图4所示。
考虑二极管的截止作用，电流的变化情况如图5所示。
电流峰值为150 A，在0.659 ms时过零。过零时刻，非电容器件承压276.94 V。
3.5 分析总结
在过阻尼的情况下，电流峰值较欠阻尼的峰值下降了25%，峰值到达时间延迟约0.01 ms，过零时刻延迟约0.07 ms，电容以外器件承压略有降低。
4 高压直流断路器的应用问题
4.1 电弧的产生
由于在刀闸合闸的过程中，断口电压近似500 kV，当断口间距小于0.167 m时，断口间的场强达到3×106 V/m，空气将被击穿。在充电过程中，电弧能够稳定燃烧，直至刀闸合上或者电流达到過零时刻。
由于刀闸合闸的机械运动时间较长，触头断口从15 cm到合上仍需5 s左右的时间，因此主要燃弧时间即为电流首次过零所需时间。
电弧的产生对于阀厅内设备的安全造成了一定影响，一般电力电子设备阀厅需配备紫外或红外的火焰探测器，电弧也会对消防设施造成干扰。
4.2 电弧问题的解决思路
虽然通过串联阻值更大的充电电阻可以降低电流，但会使电流过零更慢到达过零时刻，延长了电弧持续的时间。
高压直流断路器的工作特性使得电弧的产生不可避免，可以考虑在高压直流断路器两侧加装灭弧装置。
在高压直流断路器的两侧加装SF6气体填充的交流断路器，虽然不具备直流电流的开断能力，但可以进行带电时的最后一步合闸，为较小的直流电弧提供熄灭场所。
5 结语
混合式高压直流断路器由于结构特点，在冷备用状态转向热备用，即从无电到带电的过程中可能产生电弧，可采用带有灭弧室的机械端口辅助配合带电过程。
高压直流断路器、SF6断路器、直流刀闸互相配合，断开时有真正的断口，可以实现热备用、冷备用、检修状态的简单切换，正常运行产生较小的通态损耗，具备开断故障电流和实现重合闸的能力，实现转换系统运行方式、构建直流电网的功能。
[参考文献]
[1] 张翔宇，余占清，黄瑜珑，等.500 kV耦合负压换流型混合式直流断路器原理与研制[J].全球能源互联网，2018，1（4）：413-422.
[2] DERAKHSHANFAR R，JONSSON T U，STEIGER U，et al.Hybrid HVDC Breaker-A Solution for Future HVDC System[C]//CIGRE 2014 session， Paris： B4-304.
收稿日期：2021-03-25
作者简介：卫宇辰（1996—），男，山西阳城人，助理工程师，研究方向：柔性直流输电技术。
关键词：高压直流断路器;柔性直流电网;电弧;运行安全
0 引言
采用全控型器件作为换流模块的柔性直流输电技术，由于其换流阀的高度可控性，可以方便地实现功率潮流反转、四象限运行、提供无功支撑等。相比于传统直流输电技术，不会换相失败的特性使得柔性直流输电技术能够在孤岛方式下进行远距离、大功率的能源传输，而不需要送端与受端都有可靠交流电网的支撑。
柔性直流电网可以进一步提高柔性直流输电技术的可靠性，但远距离输电线路瞬时故障则可能引起两端换流阀全部闭锁，进而大大影响输电可靠性。因此，具备重合闸功能的高压直流断路器对于柔性直流电网尤为重要。
世界上首个柔性直流电网工程是中国的“±500 kV张北可再生能源柔性直流电网示范工程”，该工程使用了多种不同拓扑结构的混合式直流断路器，本文称其为高压直流断路器。
1 高压直流断路器简介
直流断路器可以分为三类：机械式直流断路器、固态式直流断路器、混合式直流断路器。其中，混合式直流断路器，即高压直流断路器无分断死区，高度可控，具备重合闸能力，基本可以满足柔性直流电网的要求，是目前主流的发展路线。
高压直流断路器的基本拓扑结构如图1所示。
高压直流断路器主支路主要发挥两个作用：一是高压直流断路器在合位状态时采用主支路通流，以实现较小的通态损耗;二是在需要高压直流断路器切断电流时，主支路形成机械断口，实现该支路的有效隔离。
转移支路是高压直流断路器实现其功能的主要手段，原理是利用多层级联的IGBT器件，叠加电流关断和反向承压能力，在主支路形成断口之后，将直流电流关断，并通过耗能支路消耗残余的电能。
耗能支路也是高压直流断路器必不可少的组成部分。耗能支路是由MOV非线性电阻组合而成，利用其高阻态的特性，吸收开断电流后的残余能量，将电流迅速下降到可接受的范围。MOV每次吸收能量以后，需要一定的时间才能恢复绝缘强度，在此期间高压直流断路器的开断能力会受到影响。
高压直流断路器工作时，先将转移支路导通，然后断开主支路形成断口，接着断开转移支路的电力电子开关，通过耗能支路消耗能量。可见，无论是通态还是断态，转移支路和耗能支路始终并联在直流线路中。
在高压直流断路器基本拓扑结构的基础上，还有多种改进的高压直流断路器，如：（1）主支路电力电子式，通过在主支路增加电力电子开关以提高主支路的开断能力。（2）耦合负压装置式，通过在转移支路增加耦合负压装置，在开断瞬间利用耦合装置产生的反向感应电流，在转移支路形成人工过零点，减轻IGBT在关断过程中的负担，将能量更多地消耗在耗能支路上。
2 高压直流断路器的运行特点
高压直流断路器利用级联的IGBT来进行直流电流的关断。其主支路包含机械断口，而与主支路并联的转移支路和耗能支路并没有真正断口，即使在高压直流断路器分位的情况下，依然串联在线路之中。
2.1 IGBT开断直流电流的特点
2012年，ABB公司提出基于IGBT直接串联的混合式直流断路器方案，开发出额定电压80 kV、分断电流9 kA、分断时间3 ms的样机。
IGBT相较于带有灭弧装置的断路器，其分断能力较小，通态损耗较大，通过级联的方式实现开断大电流的功能。
因为每个IGBT收到触发信号的状态不完全同步，自身关断的速度也不完全相同，所以工程上无法实现多个串联的IGBT同时导通和关断。如果不采取一定的措施来削弱级联IGBT不同步的影响，将会严重影响开断功能。
2.2 IGBT通断状态不同步的影响
转移支路是IGBT级联规模较大的支路，也是电力电子器件发挥作用的主要支路。
在高压直流断路器分位，一侧的线路达到额定电压500 kV的状态下，需要合上高压直流断路器时，先合上机械开关，再合主支路的电力电子开关。此时由于本身电流较小，通断不同步问题产生的影响可以忽略不计。
在高压直流断路器合位，一侧电压为500 kV，另一侧发生接地，电压为零，电流为额定电流3 kA的状态下，需要拉开高压直流断路器时，先导通转移支路的电力电子开关，这个过程由于主支路的分流作用，通断不同步问题的影响较小。在转移支路导通后，关断主支路的IGBT，之后拉开主支路的机械开关，由于转移支路的分流作用，通断不同步问题的影响也较小。之后，通过关断转移支路的IBGT实现直流电流的切断，此时通断不同步的问题将产生很大影响。
以320个IGBT模块串联为例，每个IGBT模块的导通时刻都不一致。首先导通的IGBT模块称为T1，第二个称为T2，依次类推。在T1开断而T2尚未开断的时刻，相当于T1承受了将近500 kV的电压，如果T2未及时开断，T1将被击穿损坏，而后若T3未及时开断，T2也会损坏。如果已损坏的IGBT被击穿成为短路狀态，当剩下的IBGT个数不足以耐受500 kV电压时，所有的IBGT都将被击穿，造成严重后果。
2.3 阻容分压的作用
增加IGBT的冗余个数可以降低高压直流断路器被全部击穿的风险。 尽量缩短IGBT之间的导通或关断时间间隔，可以避免IGBT被击穿的情况，需要考虑的有光信号的控制、产生和传输以及每个IGBT的关断速度。
在每个IGBT模块上并联电容，利用电容电压不可突变的特性实现IGBT模块之间的均压，是可行性较高的方案。
2.4 并联电容对断路器功能的影响
由于高压直流断路器应用在直流输电领域，电容的使用对稳定运行时的系统几乎没有影响，但对开关本身带电的暂态过程、开断直流电流的暂态过程影响较大。
开断直流电流的暂态过程由于电容的使用，电压变化更加平缓，有利于功能的实现。而高压直流断路器本身从冷备用到热备用的操作，由于电容的加入，其实相当于设备带电、给电容充电的过程。
正是由于这样的拓扑结构，即使在分位，高压直流断路器仍然没有真正断口，并不能实现电气隔离的功能。
3 高压直流断路器带电的仿真分析
下面以张北柔直工程中一台高压直流断路器的状态为例，分析孤岛状态下进行极连接操作后高压直流断路器的状态变化。
在孤岛状态下，正极所有设备为冷备用状态，金属回线及接地极投入运行，此时线路为+500 kV带电状态，进行极连接操作后，高压直流断路器仍处于分位，其他开关刀闸均处于合位。
以正极的一个高压直流断路器为例，高压直流断路器通过二极管与上桥臂的换流阀子模块中的电容串联，再经由下桥臂的二极管与换流阀子模块中的电容串联，然后通过金属回线连通到接地极，从而形成由多电容、二极管、充电电阻、桥臂电抗器、平波电抗器、线路构成的一个带二极管的RLC振荡回路。需要注意的是，由于二极管的存在，电流第一次出现反向时振荡过程就截止了，开始缓慢放电。
高压直流断路器带电的过程，可以简化为二阶电路对阶跃电压的零状态响应。
3.1 电气量
若限流电抗器的电感为L1，桥臂电抗器的电感为L2，单个桥臂电容的等效值为C1，高压直流断路器的转移支路的总电容为C2，均压电容本身串联的总电阻为R1，直流启动电阻为R0。由于线路及连接处电阻不到R1和R0的千分之一，计算中忽略不计。
3.2 电流未过零阶段的等量关系
根据基尔霍夫定律，可以列写下式：
US=UC+UL+UR+UD
式中：US为阶跃的电压输入;UC为等效电容两端的电压;UL为等效电感两端的电压;UR为等效电阻两端的电压;UD为线路中所有二极管串联的总电压，在电流正向流过时，UD视为0。
充电结束后电容的电压保持相对稳定的状态，电流为零。由于二极管的作用，电流第一次过零时，充电过程就结束，因此重点关注电流的变化情况。
3.3 欠阻尼振荡充电
此时，线路的衰减常数T1=2.607×10-4 s，T2=6.394×10-4 s，在t=1 s时刻加电压，自由充电过程如图4所示。
考虑二极管的截止作用，电流的变化情况如图5所示。
电流峰值为150 A，在0.659 ms时过零。过零时刻，非电容器件承压276.94 V。
3.5 分析总结
在过阻尼的情况下，电流峰值较欠阻尼的峰值下降了25%，峰值到达时间延迟约0.01 ms，过零时刻延迟约0.07 ms，电容以外器件承压略有降低。
4 高压直流断路器的应用问题
4.1 电弧的产生
由于在刀闸合闸的过程中，断口电压近似500 kV，当断口间距小于0.167 m时，断口间的场强达到3×106 V/m，空气将被击穿。在充电过程中，电弧能够稳定燃烧，直至刀闸合上或者电流达到過零时刻。
由于刀闸合闸的机械运动时间较长，触头断口从15 cm到合上仍需5 s左右的时间，因此主要燃弧时间即为电流首次过零所需时间。
电弧的产生对于阀厅内设备的安全造成了一定影响，一般电力电子设备阀厅需配备紫外或红外的火焰探测器，电弧也会对消防设施造成干扰。
4.2 电弧问题的解决思路
虽然通过串联阻值更大的充电电阻可以降低电流，但会使电流过零更慢到达过零时刻，延长了电弧持续的时间。
高压直流断路器的工作特性使得电弧的产生不可避免，可以考虑在高压直流断路器两侧加装灭弧装置。
在高压直流断路器的两侧加装SF6气体填充的交流断路器，虽然不具备直流电流的开断能力，但可以进行带电时的最后一步合闸，为较小的直流电弧提供熄灭场所。
5 结语
混合式高压直流断路器由于结构特点，在冷备用状态转向热备用，即从无电到带电的过程中可能产生电弧，可采用带有灭弧室的机械端口辅助配合带电过程。
高压直流断路器、SF6断路器、直流刀闸互相配合，断开时有真正的断口，可以实现热备用、冷备用、检修状态的简单切换，正常运行产生较小的通态损耗，具备开断故障电流和实现重合闸的能力，实现转换系统运行方式、构建直流电网的功能。
[参考文献]
[1] 张翔宇，余占清，黄瑜珑，等.500 kV耦合负压换流型混合式直流断路器原理与研制[J].全球能源互联网，2018，1（4）：413-422.
[2] DERAKHSHANFAR R，JONSSON T U，STEIGER U，et al.Hybrid HVDC Breaker-A Solution for Future HVDC System[C]//CIGRE 2014 session， Paris： B4-304.
收稿日期：2021-03-25
作者简介：卫宇辰（1996—），男，山西阳城人，助理工程师，研究方向：柔性直流输电技术。