三種高壓直流斷路器開斷短路電流的方法

高壓直流斷路器可以分為機(jī)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 circuit breaker）與混合式高壓直流斷路器（hybrid HVDC circuit breaker）。其開斷短路電流的方法各有不同。

1. 機(jī)械式高壓直流斷路器

機(jī)械式高壓直流斷路器利用快速機(jī)械開關(guān)來開斷短路電流。

優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)行穩(wěn)定、開斷故障電流能力強(qiáng)、通態(tài)損耗小等。

缺點(diǎn)：由于自身結(jié)構(gòu)的制約，斷開時(shí)產(chǎn)生的電弧易損壞觸頭，故障電流切除時(shí)間較長，難以滿足直流系統(tǒng)快速分?jǐn)喙收想娏鞯囊蟆?/p>

2. 固態(tài)高壓直流斷路器

固態(tài)高壓直流斷路器的基本框圖如下圖所示，包含一個(gè)主開關(guān)、一個(gè)輔助開關(guān)和一組無源組件。主開關(guān)承載正常操作期間的電流；當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，輔助開關(guān)和無源組件斷開電路并耗散故障能量。

優(yōu)點(diǎn)：開斷時(shí)間短；體積較小且無電弧產(chǎn)生。

缺點(diǎn)：容易過壓過流、通態(tài)損耗高等。

固態(tài)高壓直流斷路器開斷短路電流的方式可以分為兩種：（1） 電壓換向；（2） 電流換向

2.1 電流換向

在電流換向方式中，將一個(gè)附加電路與電力電子開關(guān)電路并聯(lián)以承載正常電流。在正常情況下，沒有電流流過該并聯(lián)路徑。在故障狀態(tài)下，該并聯(lián)電路向主開關(guān)所在的主路徑注入電流，以這樣的方式限制流通在主路徑中的故障電流，且隨后將主開關(guān)關(guān)斷。

2.2 電壓換向

在電壓換向方式中，施加一反向電壓以關(guān)斷主開關(guān)（主開關(guān)在正常情況下導(dǎo)通，并提供正常電流的路徑），并限制故障電流在主回路中流通。

3. 混合式高壓直流斷路器

混合式直流斷路器的基本框圖如下圖所示，其機(jī)械開關(guān)和固態(tài)開關(guān)并聯(lián)。在正常情況下，機(jī)械開關(guān)承載主回路電流，固態(tài)開關(guān)支路沒有電流流過?；旌鲜街绷鲾嗦菲鞯慕油ê蛿嚅_過程由功率半導(dǎo)體器件完成。當(dāng)機(jī)械開關(guān)打開以提供電流隔離時(shí)，在下一個(gè)電流過零點(diǎn)關(guān)斷功率半導(dǎo)體器件，電路能量被能量吸收裝置吸收以抑制故障。

優(yōu)點(diǎn)：通態(tài)損耗小、開斷時(shí)間短、無需專用冷卻設(shè)備等。

混合式高壓直流斷路器開斷短路電流的方式可以分為三種：

(1) 電流注入;(2) 阻抗注入;(3) 電壓注入。

3.1 阻抗注入

在正常情況下，主開關(guān)保持導(dǎo)通，以使電流從電源到負(fù)載流通。當(dāng)檢測到故障后，提供一跳閘指令信號(hào)給機(jī)械開關(guān)，機(jī)械開關(guān)的觸點(diǎn)開始分離以分?jǐn)喙收想娏?。由于機(jī)械開關(guān)的觸點(diǎn)分離，對于故障電流產(chǎn)生一個(gè)高阻抗路徑。一般故障電流較大，在機(jī)械開關(guān)的觸點(diǎn)之間會(huì)拉弧。當(dāng)檢測到觸點(diǎn)之間的電弧電壓后，待其達(dá)到預(yù)定的閾值限制時(shí)，給半導(dǎo)體開關(guān)裝置發(fā)送導(dǎo)通指令。當(dāng)半導(dǎo)體開關(guān)器件導(dǎo)通，故障電流被換向到該半導(dǎo)體開關(guān)器件所產(chǎn)生的低阻抗路徑。當(dāng)機(jī)械開關(guān)觸點(diǎn)之間的距離達(dá)到其完全分?jǐn)嗨?，在故障電流的下一個(gè)過零點(diǎn)將半導(dǎo)體開關(guān)器件關(guān)斷。對于直流線路，需要額外的無源組件以強(qiáng)制制造電流過零點(diǎn)。然后，殘留在電路中的能量通過能量吸收裝置吸收，如變阻器，故障被最終清除。

3.2 電流注入

當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，根據(jù)當(dāng)前電流的方向，半導(dǎo)體開關(guān)器件中的T1或T2導(dǎo)通。電容器Cc1和Cc2被預(yù)充電到一個(gè)足夠的電壓，一旦T1或T2導(dǎo)通，一個(gè)電流脈沖注入到主電流路徑中。這迫使故障電流迅速降至零，其時(shí)間取決于依故障電流的大小和反向注入電流的大小。當(dāng)電流為零時(shí)，機(jī)械開關(guān)的觸點(diǎn)斷開，故障被清除。電路中的剩余能量，將由并聯(lián)連接的能量吸收設(shè)備吸收，如變阻器。

3.3 電壓注入

發(fā)生故障時(shí)，打開機(jī)械開關(guān)觸點(diǎn)。同時(shí)，根據(jù)當(dāng)前電流的方向，半導(dǎo)體開關(guān)器件中的T1或T2導(dǎo)通。這將導(dǎo)致電流由主回路向由T1(或T2)和CC構(gòu)建的并聯(lián)支路換向。CC兩端的電壓開始緩慢增加。因此，機(jī)械開關(guān)觸點(diǎn)間產(chǎn)生的電弧可以被熄滅。由于避免了氣隙擊穿的風(fēng)險(xiǎn)，該電路可以安全地?cái)嚅_。該非線性電阻被設(shè)計(jì)為阻斷電壓大于電網(wǎng)電壓，因此，它會(huì)吸收存儲(chǔ)在電路中的剩余能量。