由于直流输电技术的稳定性和高效率，它将在未来的能源互联网中发挥重要作用。然而，直流中没有电流超过零点，短路后的故障电流难以通过传统方式切断，已成为制约直流技术发展的主要障碍。高压直流断路器可有效解决高压直流电网的故障清除问题，为直流电网项目的发展提供更广阔的空间。
本文摘自清华大学曾荣教授团队IEEE Industrial Electronics Magazine(IEEE其影响因素最高期刊)最新发表《A State-of-the-Art 500-kV Hybrid Circuit Breaker for a dc Grid The World's Largest Capacity High-Voltage dc Circuit Breaker》。
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多端柔性直流系统由于其在分布式能源和直流负荷接入、网络柔性互联、电能质量等方面具有显著优势，已成为未来电网的重要发展趋势。为了保证多端柔性直流系统的安全、稳定、可靠运行，需要使用能够在几毫秒内打开故障电流的直流断路器。本文面向张北±500kV柔性直流电网示范工程的应用需求已开展500kV研究直流断路器原理和设备开发。首先，给出其拓扑结构、工作原理和控制逻辑；然后，基于电磁斥力操作机构的设计、基于二极管和复合被动保护支路和基于等；最后对所研制混合式直流断路器进行了短路电流分断实验。实验结果表明，该，张北柔性直流工程具有损耗低、成本低、可靠性高等特点。
混合断路器(HCB)如图1和图2所示。耦合负压装置(CCDC)可视为可控电压源，与固态开关串联连接。正常通电时，负载电流只流过机械开关，不会造成过度损耗。当发生短路故障时，机械开关被触发断开，同时固态开关闭合。此时，耦合负压装置产生瞬态电压，可快速将电流从机械开关引导到固态开关。最后，固态开关断开，MOV吸收剩余能量。几百毫秒后，如果需要重新关闭，固态开关将再次关闭。如果短路故障消失，机械开关将再次关闭。
图1. HCB中断和关闭过程
图2. 500kV HCB方案。(a)拓扑 (b)操作过程 (c)结构布置 (d)固态开关 (e)电路 (f)超快速机械开关。
固态开关
固态开关是混合断路器最重要的组成部分，500kV断路器的固态开关部分由320个串联子模块组成。
图3.并联测试结果
对于模块串联，采用独立避雷器保护各级子模块设备，确保各级子模块的端间电压不超过设备在关闭耐压过程中的最大耐压值。图4显示了固态开关的物理图和8个串联模块的关闭过程。
(a) (b)
图4.串联固态开关模块试验。(a)固体开关硬件 (b)8个串联模块的过程
超快速机械开关
固态开关只有在机械开关能够承受恢复电压时才会断开。因此，活动的触点必须能够快速关闭和断开。为了满足快速分割的要求，选择电磁排斥操作机构，其原理是控制储能电容器放电，脉冲电流流流过分离线圈，感应与开关触点相反的涡流，产生排斥，驱动金属板驱动拉杆和触点运动，实现分离操作，动作速度最快，分离特性好，能量小，结构简单，可靠性的特点。如图2f中所示。
图5a中所示为 80 kV快速机械开关模块。行程曲线如图5所示b所示。500 kV 断路器机械开关支路由8个开关串联组成，动作一致性如图5所示c所示。
(a) (b)
(c)
图5.开发和测试超快速机械开关硬件。(a)机械开关 (b)开路试验结果 (c)机械开关的一致性
耦合负压装置
如图6所示，当晶闸管导通时，CD相应的电压将通过变压器的绕组线放电，从而在另一侧的绕组线上感应，从而在机械开关和固态开关之间产生振荡循环电流，实现电流的转移。
图6.换向过程中的等效电路。
图7a试验结果如图7所示为耦合负压装置的实物图b所示。
(a) (b)
图7. CCDC开发和测试设备。(a) CCDC硬件 (b) CCDC等效转向测试。
建立基础LC振荡的25 kA测试500个电流中断试验平台 kV 直流断路器的性能。图10是试验中断路器的操作过程。图11为500kV 整机直流断路器实物图。
对500kV HCB的25kA断开测试，如图12和图13所示。CDC1充电至115 kV，然后通过K21放电至测试电路。当HCB收到关闭命令后，MS首先断开。MS由于电弧的电压降很低，电流继续上升。1.35毫秒后，CCDC触发并在MS和SS之间产生振荡电流。在正电流断开过程中(图12)a)，IMS将直接降至零。在负电流分断过程中(图12)b)，IMS在第二个振荡峰值之前，先增加再减少，再降至零。电流过零时MS中间的电弧被熄灭。此后，SS将继续承载故障电流，直到MS建立绝缘能力。图14显示了重合闸功能的测试结果。HCB首先分断25 kA电流。K21断开，K22闭合，使CDC2连接到电路，模拟线路中的预伏故障。ms之后，HCB会通过其SS重新关闭，判断故障仍然存在后，无需MS与CCDC部分参与，SS可直接快速关闭。
图10. HCB实验电路及操作过程。
(a) (b)
图11.试验平台开发的500 kV HCB。(a) 实验平台 (b) 500 kV HCB整机实物图
(a) (b)
图12. 500 kV HCB的25 kA测试。(a) 正向 (b) 负向
图13. 500 kV HCB重合闸试验。
本文开发的混合直流断路器能有效解决高压直流电网的故障清除问题.7ms 内分断25kA在分断过程中，电流可以承受800kV 上述过电压。目前，混合直流断路器已交付500kV 使用张北直流电网工程。相信随着未来直流输电技术的进一步推广，混合直流断路器将在电网保护和降低远程输电成本方面发挥更重要的作用。
参考文献：
X. Zhang et al., A State-of-the-Art 500-kV Hybrid Circuit Breaker for a dc Grid The World's Largest Capacity High-Voltage dc Circuit Breaker, in IEEE Industrial Electronics Magazine, vol. 14, no. 2, pp. 15-27, June 2020
文稿|学术新秀 张翔宇
编辑|高松龄 周圣钧
审核｜赵 鑫 张可人
：清华大学电机系15级直博生，师从曾嵘教授，主要研究方向为：直流电网关键设备与大功率电力电子技术。他致力于解决电力系统中直流电流开断的世纪难题，成功研制出世界电压电流等级最高、开断能力最强的 500kV 直流断路器，并在世界首个 500kV 张北直流电网工程中得到应用，实现了我国高端电力装备领域的一项新突破。