该文受国家重点研发计划（2017YFB0902402）、国家自然科学基金（51477089）和国家电网公司科技项目（SGZJ0000BGJS1600326）资助，原文发表在《全球能源互联网》2018年第1卷第4期，欢迎品读。

作者：张翔宇1，余占清1,2，黄瑜珑1,2，陈政宇1，屈  鲁1,2，曾  嵘1,2*，杨悦民3，肖风良4

单位：1.电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室(清华大学电机工程与应用电子技术系)；2.清华大学能源互联网研究院先进直流技术研究中心；3.北京电力设备总厂有限公司；4.山东泰开高压开关有限公司

在直流电网中，需要应用数毫秒内开断大电流的直流断路器来快速切除故障设备或线路，以保证直流系统非故障部分的稳定运行，提高系统可靠性。基于此，本文提出了一种基于快速开关-电力电子直串阀的低损耗混合式直流断路器拓扑结构（耦合负压型混合式断路器），其通态损耗近零，支持重合闸，可控性强，支持电流差异化配置；给出了500 kV耦合负压型混合式直流断路器的设计方案，研制了100 kV断路器模块，通过实验验证了其方案可行性和技术性能。

2015年，清华大学提出了一种基于耦合负压电路的低损耗强制换流型混合式直流断路器，如图1所示。其工作原理是：正常运行时，耦合负压电路原边回路中晶闸管SCR处于关断状态，电容器C1预充一定电压，线路电流由快速真空开关导通；线路短路故障时，同时导通主电力电子开关，并给快速真空开关发送分闸命令，待触头分开时，控制SCR导通，C1与L1振荡，通过L2在电力电子支路耦合一个负压，使电力电子支路整体导通压降低于快速真空开关弧压，从而强制电流由快速真空开关支路转移至主电力电子开关支路，机械开关支路电流过零熄弧，完成电流转移。

⬆ 图1 耦合负压型混合式直流断路器拓扑及操作时序

2.1 快速分断及恢复的机械开关支路设计

适用于500kV耦合负压型混合式直流断路器的快速机械开关样机如图2所示。耦合负压型断路器中的机械开关为满足快速分断的要求，选取电磁斥力型操动机构；为了使机械开关具有快速绝缘恢复的能力，选取真空灭弧室。

⬆ 图2 快速机械开关样机

2.2 大容量高冗余的电力电子开关支路设计

适用于500kV耦合负压型混合式直流断路器的电力电子开关支路如图3所示。耦合负压型断路器中的电力电子开关支路整体设计方案使用交叉桥式单元作为电力电子开关串联子模块，具有双向关断、成本低、关断可靠、可控性强等优点。支路串联模块数量为320个，为满足最大关断电流25kA的要求，每个子模块选用2个4.5kV/3kA IEGT并联构成电力电子开关，选用4个普通整流二极管导通双向电流，并使用加速电流衰减的缓冲支路和避雷器实现动态均压和过压保护，使用静态均压电阻实现静态直流均压。电力电子开关子模块具有失效短路模式，可以保证在全部串联冗余损坏的情况下转移支路电力电子开关端对端仍满足技术规范的耐压要求，仍具备正常通流和分闸能力，仍能够承受转移支路闭锁时产生的端间过电压。

⬆ 图3 转移支路电力电子开关实物图

2.3 可靠换流的耦合负压装置设计

适用于500kV耦合负压型混合式直流断路器的耦合负压装置如图4所示。基于耦合负压装置的机械开关至电力电子开关支路的换流技术，换流可靠性高，且断路器几乎无通态损耗，克服了已有辅助换流开关方案通态损耗高、需水冷散热的缺点。正常运行时，耦合负压装置原边回路中晶闸管SCR处于关断状态，线路电流由快速机械开关导通；断路器关断时，耦合负压装置需要产生高速的振荡电压促使断路器在双向情况下可靠换流，是保证断路器正常开断的关键技术。

⬆ 图4 耦合负压装置样机

2.4 整体结构设计

500kV耦合负压型混合式直流断路器整体结构如图5所示，主要由快速机械开关模块、阀模块、耦合负压模块、屏蔽罩、支撑结构、避雷器、隔离供电系统、行线槽等元部件组装而成。

⬆ 图5 500kV耦合负压型混合式直流断路器整体结构

截止目前，已经研制生产了500kV断路器中的100kV模块，包括1个100kV快速机械开关、1个耦合负压装置和64个电力电子串联模块。对断路器中的快速机械开关、耦合负压装置以及串联电力电子开关模块进行整体联合测试，其在25kA下的正反向电流开断波形如图6所示。

 ⬆ 图6 100kV模块实验测试波形

当断路器收到分断指令后，机械开关动作，1.5ms后触发耦合负压电路，电流在600μs内全部转移至电力电子开关，同时机械开关熄弧，电力电子开关持续导通直至机械开关的绝缘恢复，随后电力电子开关关断，关断产生的过电压被MOV钳位在160kV。由于实验平台能量较低，电流在约0.2ms时间内下降至0，关断过程结束。

本文围绕500kV耦合负压型混合式直流断路器的基本原理与样机研制展开，提出了基于耦合负压换流的混合式高压直流断路器拓扑方案；设计了500kV耦合负压型混合式直流断路器；研制了100kV断路器模块，经实验验证，100kV直流断路器模块可在2.8ms时间内可靠关断25kA短路电流。

编辑：张宇

审核：白恺