ABB 最近研製成功的高壓直流斷路器，有什麼技術特點，到底解決了哪些百年技術難題？

12-31

ABB 解決百年電力難題——新技術成就未來直流電網
http://www.abb.com.cn/cawp/seitp202/8b1efdf62eedb0c648257ab0001f0979.aspx
在我國之前投運的特高壓直流輸電線路中，已經使用了高壓直流斷路器，採用的方法大致是人為製造一個電流過零點來切斷電流。應該說直流斷路器並不是剛剛才發明出來，為什麼ABB搞得像是從前根本沒有直流斷路器這種東西一樣

1. 前言

2012年ABB 憑藉「混合式高壓直流斷路器」解決了直流電中斷操作的難題——之所以稱之為「混合」斷路器，是因為其同時採用了傳統的開關技術和半導體器件，既解決了純機械高壓直流斷路器開關速度慢的缺點，又解決了基於半導體高壓直流斷路器傳導損耗較大的缺點。該技術被《麻省理工科技創業》評為 2012 年度最重要的十大科技里程碑之一。

2.高壓直流斷路器的難點及其原理

難點：

高壓直流斷路器的技術要求極高。由於此類線路的阻抗較低，因此開斷電流所允許的時間比同等交流應用更短。短路故障通常必須在 5 毫秒內清除。

純機械高壓直流斷路器斷開一條線路只需要幾十毫秒，但這對於可靠的高壓直流輸電網來說是遠遠不夠的。
基於半導體的高壓直流斷路器能夠輕而易舉地攻克開斷速度的限制，但由於半導體始終位於電流路徑中，因此
會產生傳導損耗，通常占換流站損耗的 30% 左右。

原理：

開關開斷後，電流轉向避雷器並開始降低。避雷器組中的故障電流形成一個反向電壓，通過消耗高壓直流電抗器和故障電流路徑中儲存的能量，降低並最終消除故障電流。

[圖2.1 高壓直流斷路器的結構]

[圖2.2 高壓直流斷路器的原理]3.ABB混合式高壓直流斷路器的技術原理及特點

[圖3.1 ABB混合式高壓直流斷路器的基本結構]

ABB混合式高壓直流斷路器包含一個分支線路a，該線路包括一個基於半導體的負載轉換開關 c，該轉換開關與一個快速機械隔離開關 b 相串聯。
在正常運行過程中，電流只流經旁路a；發生高壓直流輸電故障時，負載轉換開關會立即將電流轉換至主高壓直流斷路器 d。
隨著分支線路a 不再流過電流，隔離開關b斷開，從而保護負載轉換開關 c，與主高壓直流斷路器中建立的一次電壓隔離。與整個開關周期始終處於主電流通路中的組件相比，這一配置可以大幅降低負載轉換開關所需的額定電壓，其額定電壓只須超過主高壓直流斷路器的通態電壓。
負載阻斷電壓降低後，負載轉換開關的通態電壓通常能夠控制在幾伏之內，這樣便可使混合式高壓直流斷路器的通態損耗率降低至與純半導體斷路器相同的水平，即傳輸功率的0.01%。
主半導體高壓直流斷路器 d 由避雷器組 f 分成多個部分，
在開斷過程中，各單元採用獨立的避雷器組將其最大電壓 e 限制在特定水平上。
故障排除後，隔離斷路器 g將阻斷殘餘電流並使故障線路與高壓直流輸電網相分離，從而防止避雷器組發生熱過載。

[圖3.2 80 kV 主高壓直流斷路器單元設計圖]

基於混合式高壓直流斷路器概念的高壓直流斷路器和限流器具有快速、可靠和幾乎零損耗的優勢，目前已經在高壓直流電壓高達 320 kV 且額定電流為 2 kA 的組件級和系統級測試中得到驗證，為高壓直流輸電網的實現掃除了一個巨大的障礙。

參考資料

[1] ?. Ekstr?m, H. H?rtel, H.P. Lips, W.Schultz,D. Kind 「Design and testing of an HVDC

circuit breaker,」 Cigré session 1976,paper 13–06

[2]
E. Koldby, M. Hyttinen 「Challenges on the Road to an Offshore HVDC Grid,」 Nordic Wind Power Conference, Bornholm, Sept. 2009
[3]
C.M. Franck 「HVDC Circuit Breakers: A Review Identifying Future Research Needs,」 IEEE Trans. on Power Delivery, vol. 26, pp. 998–1007, April 2011
[4]
J. Magnusson, O. Hammar, G. Engdahl 「Modelling and Experimental Assessment of Thomson Coil Actuator System for Ultra Fast Mechanical Switches for Commutation of Load Currents,」 International Conference on New Actuators and Drive Systems, Bremen, 14–16 Juni 2010

[5] G. Asplund 「HVDC switch for current limitation in a HVDC transmission with voltage source converters,」 European Patent EP0867998B1

[6] ABB website

近年來大規模投運和建設中的特高壓直流輸電項目確實已經成熟使用了「高壓直流斷路器」，但是請注意這些工程使用的斷路器被慣稱為「高壓直流斷路器」並不是很確切，其實特高壓工程換流站中使用的斷路器詳細可分為：MRTB,GRTS,NBGS和NBS四類。如對其運行原理和其在工程中的作用稍有了解，你會發現這些「斷路器」的作用並不是用來開斷故障電流的。

斷路器（英文名稱：circuit-breaker，circuit breaker）是指能夠關合、承載和開斷正常迴路條件下的電流，並能關合、在規定的時間內承載和開斷異常迴路條件（包括短路條件）下的電流的開關裝置。

根據斷路器的傳統定義，能夠開斷故障情況下的異常電流才是其重點所在。但是上面提到的四種斷路器我個人認為被稱做「運行方式轉換斷路器」更加貼切，MRTB — metallic return transfer breaker （金屬回線轉換斷路器）, GRTS — ground return transfer switch（大地回線轉換開關）,NBGS — neutral bus grounding switch（中性線接地開關）, NBS — nuetrual bus switch （中性線開關）。

由此可知，目前工程所應用的這些斷路器並沒有開斷故障電流的能力，只是起到了改變電流方向的作用，從而使其運行方式由雙極運行改變為單極金屬迴路或單極大地迴路運行，並且這些斷路器並沒有安裝到高壓極線上，而只安裝在了只有幾十kV電壓等級的換流站中性母線中，從這點可以看出研發出能夠安裝在幾百kV等級極線上的斷路器的難度可見一斑。話說回來，目前的高壓直流工程採用的斷路器確實如上面幾位所說的是基於AC斷路器的原理，通過疊加振蕩迴路產生電流過零點來達到熄滅電弧的目的。

這種傳統的高壓直流「斷路器」已經有30多年的應用歷史，是比較成熟的技術，也有比較成熟的設備，但是國內目前投運的幾個800kV特高壓直流工程所採用的設備仍是獨一家ABB的設備。

下面再來說說ABB公司最新研製的高壓直流斷路器。

其原名為「Hybrid DC Breaker」，即「混合型直流斷路器」（可稱為真正的斷路器），混合意為此斷路器結合了機械開關和電力電子開關的功能，我們知道機械開關的優點為有可見斷口、具備高度可靠性，缺點為開合時間較慢（這裡是相對而言，速度最快的機械開關可達到幾十毫秒，但是對於直流輸電工程還是過於慢了，高壓直流工程傳輸的功率在GW級別以上，要求故障後幾個毫秒內就要切斷故障電流）；電力電子開關的優點為開合速度極快，完全可滿足高壓直流工程對於故障電流的開合時間要求，缺點是電子開關頻率過高、損耗過大。因此，ABB將機械開關和電力電子開關的優點有效的結合了起來並規避了各自的缺點，於是「混合型直流斷路器」應運而生了。其理念並不複雜但是對器件的要求、控保的設計極其高端，畢竟幾十億美元的研發投入不是養閑人用的。詳細的工作原理不再敘述了，相信不久就會有此類斷路器的介紹說明文檔傳播開來。

ABB算是比較低調的公司了，可能與北歐的氛圍和北歐人的性格有關係。但是這次卻大張旗鼓的宣傳此混合型直流斷路器的研發成功可見其意義重大，同時此斷路器入選MIT Technology Review 2012年度最重要的十大科技里程碑之一也就不足為怪了。

到底解決了哪些百年技術難題？很簡單，就是成功研製出了可以真正開斷大電流的斷路器，這意味著傳統的點對點高壓直流輸電線路可以擴展為直流電網（個人認為，輕型直流輸電網是主要的發展方向），具備電網穩定可靠的諸多特性，同時也為分散式能源的大規模接入提供了便利。要知道沒有直流斷路器的話，多端系統中任一線路故障都會導致整個多端系統的停運，有了直流斷路器之後，情況就不一樣了，它可以迅速的隔離開故障線路，讓其他非故障端正常運行。單商業化的高壓直流輸電有近60年的歷史，目前的工程絕大多數為點對點傳輸，多端系統寥寥無幾，主要原因就是不能在直流線路故障時採取很好的應對措施，所以百年技術難題的解決並不是大話。此斷路器的器件級與系統級的試驗都已成功通過，一起期待其在實際工程中的運用效果吧。

這個有點了解，清華也做出了10kV等級的樣機，採用基於IGCT(4500V/4000A，多串，多並)的電力電子開關與機械開關並聯(或串聯)。異常時機械開關動作，電力電子開關開通轉移電流，然後及時關斷。想來ABB的技術方案應該不會有太大差距。

基於快速檢測和電力電子的快速響應，可以在電流上升早期就終止故障。

解決直流故障時必須停兩端換流閥和交流側斷路器，必須採用環換流站進行交流組網，直流只能一對一的問題。以後可以直流換流站直流側帶多路線路，一迴路故障時無故障側轉移負荷或調節出力即可。

交流電弧有自然過零點，直流沒有嘛，直流電弧是最難消滅的，學過高電壓都知道的！

不過應該注意樓主所說：直流斷路器並不是剛剛才發明出來

那為什麼說ABB解決了個百年難題呢？我猜是因為特高壓直流輸電技術也就近些年才漸漸成熟，以前的直流線路都是低電壓的。

應該是採用了新的結構，高壓直流開關在斷開電流時會有巨大的電弧產生，因為跟交流相比，直流電流沒有過零點，消弧存在困難。當前研製的高壓直流開關，通常在機械開關或電子開關兩端並聯電感和電容，用來人為製造過零點，達到滅弧的目的，不過現在做的還不成熟。

鄙人此時正在ABB工作，忍不住插一句。這個東西原理很簡單，大家都能看得懂，但為什麼只有ABB能做出來呢？器件，控制和保護系統才是核心競爭力啊，你看過他們的那個板子的集成化水平就知道國內還待十幾年追趕。

解決了直流高壓開關如何快速分斷的問題。

直流開關電弧現象嚴重，比交流嚴重很多。

有沒有可能將直流轉變為交流電，用交流斷路器切斷電流？

與交流電流相比，直流電流由於沒有「自然過零點」而難以開斷，特別是在高電壓、大電流條件下，這一問題更加嚴峻。此外，直流短路電流上升速度快，要求在短路發生後幾ms的時間內將其開斷。因此，高電壓、大電流條件下直流電流的快速開斷技術及相應的高壓直流斷路器已成為限制直流電網發展的主要瓶頸問題