三种高压直流断路器开断短路电流的方法

高压直流断路器可以分为机械式高压直流断路器（mechanical HVDC circuit breaker）、固态高压直流断路器（solid-state HVDC circuit breaker）与混合式高压直流断路器（hybrid HVDC circuit breaker）。其开断短路电流的方法各有不同。

机械式高压直流断路器利用快速机械开关来开断短路电流。

优点：运行稳定、开断故障电流能力强、通态损耗小等。

缺点：由于自身结构的制约，断开时产生的电弧易损坏触头，故障电流切除时间较长，难以满足直流系统快速分断故障电流的要求。

固态高压直流断路器的基本框图如下图所示，包含一个主开关、一个辅助开关和一组无源组件。主开关承载正常操作期间的电流；当故障发生时，辅助开关和无源组件断开电路并耗散故障能量。

优点：开断时间短；体积较小且无电弧产生。

缺点：容易过压过流、通态损耗高等。

固态高压直流断路器开断短路电流的方式可以分为两种：（1） 电压换向；（2） 电流换向

2.1 电流换向

在电流换向方式中，将一个附加电路与电力电子开关电路并联以承载正常电流。在正常情况下，没有电流流过该并联路径。在故障状态下，该并联电路向主开关所在的主路径注入电流，以这样的方式限制流通在主路径中的故障电流，且随后将主开关关断。

2.2 电压换向

在电压换向方式中，施加一反向电压以关断主开关（主开关在正常情况下导通，并提供正常电流的路径），并限制故障电流在主回路中流通。

混合式直流断路器的基本框图如下图所示，其机械开关和固态开关并联。在正常情况下，机械开关承载主回路电流，固态开关支路没有电流流过。混合式直流断路器的接通和断开过程由功率半导体器件完成。当机械开关打开以提供电流隔离时，在下一个电流过零点关断功率半导体器件，电路能量被能量吸收装置吸收以抑制故障。

优点：通态损耗小、开断时间短、无需专用冷却设备等。

混合式高压直流断路器开断短路电流的方式可以分为三种：

(1) 电流注入;(2) 阻抗注入;(3) 电压注入。

3.1 阻抗注入

在正常情况下，主开关保持导通，以使电流从电源到负载流通。当检测到故障后，提供一跳闸指令信号给机械开关，机械开关的触点开始分离以分断故障电流。由于机械开关的触点分离，对于故障电流产生一个高阻抗路径。一般故障电流较大，在机械开关的触点之间会拉弧。当检测到触点之间的电弧电压后，待其达到预定的阈值限制时，给半导体开关装置发送导通指令。当半导体开关器件导通，故障电流被换向到该半导体开关器件所产生的低阻抗路径。当机械开关触点之间的距离达到其完全分断所需，在故障电流的下一个过零点将半导体开关器件关断。对于直流线路，需要额外的无源组件以强制制造电流过零点。然后，残留在电路中的能量通过能量吸收装置吸收，如变阻器，故障被最终清除。

3.2 电流注入

当发生故障时，根据当前电流的方向，半导体开关器件中的T1或T2导通。电容器Cc1和Cc2被预充电到一个足够的电压，一旦T1或T2导通，一个电流脉冲注入到主电流路径中。这迫使故障电流迅速降至零，其时间取决于依故障电流的大小和反向注入电流的大小。当电流为零时，机械开关的触点断开，故障被清除。电路中的剩余能量，将由并联连接的能量吸收设备吸收，如变阻器。

3.3 电压注入

发生故障时，打开机械开关触点。同时，根据当前电流的方向，半导体开关器件中的T1或T2导通。这将导致电流由主回路向由T1(或T2)和CC构建的并联支路换向。CC两端的电压开始缓慢增加。因此，机械开关触点间产生的电弧可以被熄灭。由于避免了气隙击穿的风险，该电路可以安全地断开。该非线性电阻被设计为阻断电压大于电网电压，因此，它会吸收存储在电路中的剩余能量。