吴 杰，薛太林，靳贰伟

（山西大学 电力工程系，太原 030013）

随着直流输电的发展，尤其是基于VSC（电压源型换流器）技术的HVDC电网发展[1]，直流输电系统的稳定性、可靠性和安全性受到了巨大挑战。其中，HVDC电网的短路开断问题非常严峻。与交流电网不同，直流电网没有自然过零点，并且直流电网稳态时系统电感会储存能量，这对于高压直流断路器（HVDC CB）提出了很高的要求[2-3]。从1950年起，在世界范围内就已经开始了对高压断路器的研究。1980年，ABB公司和西屋公司研制出了可以开断2200 A故障电流的直流断路器[4]。2014年，日本研究的直流断路器可以在10 ms内开断16 kA的故障电流[5]。但是在直流输电工程中，故障电流可达20 kA以上，随着电力系统容量以及电压等级的提升，传统的直流断路器无法很好地切断如220 kV及以上电压等级的直流故障电流。所以，很有必要对更大短路电流级别的高压直流断路器进行研究。

在直流电网中安装限流器可以很好地限制故障电流，但是过高阻抗的变压器和电抗器会分得相应的电压，不仅降低了电网电压调节能力，还会增加相应的经济成本。随着超导技术的发展，超导限流器（SFCL）可以很好地解决电网故障电流过大这一难题[6]。文章将直流开断技术和超导限流技术结合，对基于超导限流器的直流断路器进行了应用研究。在Matlab搭建含有基于超导限流器的直流断路器（SDCCB）的VSC-HVDC电网模型，证明该直流断路器可以有效开断HVDC故障电流。

1 基于超导限流器的直流断路器的原理介绍

1.1 直流开断技术

直流电流没有自然过零点，所以直流开断技术首要条件是创造电流过零点，从而实现直流开断。不同的直流开断方法均基于这一首要条件。主要的直流开断技术有限流开断、人工过零、自激振荡和混合开断4种。根据具体关断器件不同，高压直流断路器又分为机械式、全固态式和混合式。基于自激振荡原理的直流开断技术电路简单可靠且经济性好，与超导限流器结合后可以弥补开断电流小的缺点，便于关断短路电流，故文章采用其作为直流开断技术。其原理见图1。

图1 基于自激振荡原理的直流开断原理Fig.1 DC breaking schematic diagram based on self-excited oscillation principle

基于自激振荡原理的直流开断电路包含有直流电源E、线路电阻R、线路电感L以及电流转移支路、载流支路和能量吸收支路。电流转移支路由换流电容Cc和换流电感Lc串联而成，载流支路包含换流开关K，能量吸收支路包含吸能元件MOV。直流开断时，打开开关K并产生电弧，电弧的不稳定性以及负的伏安特性使得电流转移支路和载流支路产生振幅不断增大的振荡电流。振荡电流幅值大于开断电流时产生电流过零点，开关K电弧熄灭并把电流转移至能量吸收支路，随后吸能元件MOV动作并全部吸能后完成开断[7]。

根据Mary方程，电弧的数学模型为

式中：N为弧隙耗散功率。与电路方程联立可得自激振荡临界条件：

式中：θc为临界时间常数；R 为回路电阻；Ra＝u/i；β为电弧特性参数，且β＝ui/N≤1。式（2）表明断路器电弧时间常数小于临界时间常数时，才能形成自激振荡。

1.2 超导限流技术

超导材料的零电阻性和完全抗磁性使得超导限流技术成为可能。电力系统中使用超导限流器是解决增大容量电网短路电流的良好方案。

超导限流器（SFCL）本质上是一个可变阻抗，按照阻抗性质不同分为电阻型超导限流器（R-SFCL）和电感型超导限流器（SI-SFCL）。R-SFCL的原理是利用超导材料经历超导状态和失超状态的转变进行相应的通流和限流。SI-SFCL的原理是利用超导元件和电感元件组合后的阻抗特性进行通流和限流，超导元件有一些经历失超过程。

R-SFCL受电流、温度、磁场强度三者影响，当系统正常运行时，流过R-SFCL的电流为正常电流，RSFCL的温度和临界电流密度为初始值且小于临界值，电阻为零，其E-J关系为

式中：EC为临界电压；J为电流密度；JCT为临界电流密度；α为常数。

温度变化与临界电流密度的关系为

式中：JCT（77）为 77 K 温度下的电流密度（77 K 为初始环境温度）。

当系统故障时，流过R-SFCL的电流为故障电

式中：ρ为系统正常时的电阻率，失超进行2 ms左右后，R-SFCL的电阻值会稳定在一个常数附近。

1.3 基于超导限流器的直流断路器原理

SDCCB（基于超导限流器的直流断路器）的原理如图2所示，由直流电源E、线路电阻R、线路电感L、超导限流器和直流断路器组成。超导限流模块包含超导带材及其并联阻抗RS和RL，用于降低HVDC的故障电流；直流开断模块基于自激振荡原理的直流开断技术，包含换流开关K、换流电容CC、换流电感LC和吸能元件MOV，用于关断HVDC电网中经超导限流模块限制后的故障电流。流，超导带材超过临界温度TC后，其E-J关系为

图2 SDCCB（基于超导限流器的直流断路器）原理图Fig.2 Schematic diagram of SDCCB（DC circuit breaker based on superconducting current limiter）

系统故障时，故障电流从直流电源E流过线路电阻R和线路电感L，超导限流阻抗RS和RL，经由载流支路回到电源负极形成回路。可得到短路电流为 I=E/（R+Rs），时间常数为 τ＝（L+Ls）/（R+Rs）；随着开关K的打开和关闭，电流转移支路和载流支路进行了振荡和过零开断，剩余能量由能量吸收支路吸收。

2 建模及仿真分析

2.1 基于超导限流器的直流断路器原理

根据图2在Matlab中搭建SDCCB模块并接入SVC-HVDC中，其电路原理如图3所示。SVC-HVDC中包括交流系统（交流电源、变压器）、线路阻抗（R1和 L1）、线路电容 C1、滤波器（Rf和 Lf）、电压源型整流器、基于超导限流器的直流断路器、负载开关K和负载（R2和L2）。SDCCB接入SVC-HVDC的仿真模型图如图4所示。

图3 SDCCB接入SVC-HVDC的电路原理图Fig.3 Schematic circuit diagram of SVC-HVDC after SDCCB is connected to the system

图4 SDCCB接入SVC-HVDC的仿真模型图Fig.4 Simulation model diagram of SVC-HVDC after SDCCB is connected to the system

直流电源电压220kV，线路电阻R为10Ω，电路电感为0.5 H，正常负载电流为2 kA，功率200 MW；传输线路长度为200 km，距离整流器50 km处发生故障；R-SFCL稳态阻抗为0.1 Ω，限流态阻抗为20 Ω，其响应时间2 ms，触发电流密度2.5 kA。超导限流器的阻抗特性如图5所示。

2.2 基于超导限流器的直流断路器仿真分析

分别将传统高压直流断路器和SDCCB接入到SVC-HVDC中，在故障情况下，得到相应的电流波形如图6和图7所示。

由图6可得，t=0 ms时发生直流故障，额定220 kV电压下故障电流达到30 kA，电弧时间常数小于临界时间常数，传统高压直流断路器形成自激振荡，断路器电流在30 ms内逐渐振荡减小为0，交换回路电路在30 ms内逐渐振荡至短路电流峰值30 kA后，又经过30 ms衰减至0，吸能过程在35～60 ms进行。由于故障电流大，所以传统高压直流断路器开断时间达到60 ms，且在开断过程中承受了近50 kA的高强电流。

图5 SFCL的阻抗特性Fig.5 Impedance characteristics of SFCL

图6 传统高压直流断路器的电流波形Fig.6 Current waveform of traditional HVDC circuit breaker

图7 SDCCB的电流波形Fig.7 Current waveform of SDCCB

图7中由于采用了SDCCB，可以看到故障电流被限制在了6 kA左右，流过断路器、吸能元件以及交换回路的电流也相应降低5倍以上，说明超导限流单元起到了非常好的限流作用，对电气设备起到了很好的保护作用。在25 ms时断路器产生并满足自激条件，交换回路充电并形成自激振荡。在5 ms内交换回路电流值振荡到与断路器电流值相同完成电流开断，又经过2 ms左右吸能回路吸收完剩余能量。开断和吸能过程共计7 ms左右，比不适用超导限流器配合的传统限流器时间上快了7倍左右，大大减少了开断故障电流的时间。

保证超导限流模块总阻抗不变的情况下，探究直流开断模块的电容电感对开断时间的影响，得到不同电容值和电感值下的直流开断时间如图8、图9所示。

图8 不同电容值对开断时间的影响Fig.8 Effects of different capacitance values on switching time

图9 不同电感值对开断时间的影响Fig.9 Effects of different inductance values on switching time

由图8可得，直流开断时间整体上随电容的增大而减少，这是由于电容增大引起振荡频率降低，振荡幅值增大。当电容值大于38 μF时，会有局部开断时间增大的情况。由图9可得，直流开断时间整体上随电感的增大而增加，这是由于电感增大引起振荡频率降低，振荡幅值降低。当电感值在1.7 mH附近时，开断时间变化不大。

3 结语

文章在自激振荡原理的直流开断技术基础之上加入了超导限流器，将直流开断技术和超导限流技术相结合，对基于超导限流器的直流断路器进行了应用研究。在Matlab中搭建SDCCB模块并接入SVC-HVDC中，对比得到了SDCCB的超导限流特性和直流开断能力，可以将30 kA以上的故障电流限制在几千安培，大大降低了故障电流对电力设备的损害，快速关断电流的能力使得故障电流可以在短时间内关断。证明了该SDCCB的可行性和可靠性。此外还在对自激振荡回路的电容和电感参数进行了仿真，得到了其对于关断时间的影响，便于进行下一步的对超导限流模块与直流开断模块的阻抗匹配的研究。文章研究表明基于超导限流器的直流断路器可以广泛应用在高压直流电网中，更好地解决直流电网故障问题。