真空技术在直流断路器领域应用的探讨

HighVoltageApparatus

Vol.55，No.6：0237-0241

Jun.16，2019

DOI:10.13296/j.1001-1609.hva.2019.06.035真空技术在直流断路器领域应用的探讨

赵力楠

（西安西电电气研究院有限责任公司，西安

710075）

摘要：文中通过对真空技术分析和真空断路器在交流系统中典型应用实践的阐述，结合直流系统开断需求特性，分析了真空技术应用在直流开断领域的可能方案路径，提出了研制高压直流真空断路器的可能性。关键词：高压；直流；真空；断路器

DiscussionofApplicationofVacuumTechnologyinDCCircuitBreaker

（Xi’anXDElectricResearchInstituteCo.，Ltd.，Xi’an710075，China）

ZHAOLinan

Abstract:ThroughvacuumtechnicalanalysisandvacuumcircuitbreakerinthetypicalpracticalapplicationinAC

powersystem，basedonthedemandcharacteristicsofDCsysteminterruption，thepossiblesolutionsofvacuumtech⁃nologyapplicationinDCinterruptionfieldareanalyzed，andthepossibilityofdevelopmentofHVDCvacuumcircuitbreakerispresented.

Keywords:highvoltage；vacuum；DC；circuitbreaker

0引言

直流断路器作为柔性直流系统或者多端直流

的研制具有十分重要的意义[7]。高压直流断路器，不仅能够建立直流多站系统，还可以建立直流系统之间的联络，使直流系统具有灵活的运行方式和可靠的调节手段[8]。所以，直流断路器是解决系统联网、提高可靠性和可控性的重要途径。

目前，直流断路器的研发处于起步阶段，直流断路器主要形式包括机械式直流断路器、电力电子式直流断路器和混合式直流断路器[9]。主要的设计思想都是通过各种方式使得短路电流强制过零点后完成故障电流开断。文中提出两种真空技术应用在直流断路器的方案，希望能够为直流开断领域技术发展开阔思路。

系统控制和保护的关键器件，必将在现在以及未来很长一段时间成为高压开关领域的技术热点[1]。电力系统作为电能传输、分配的载体，分为交流系统和直流系统。从18年美国第一条33kV高压交流输电线路建成至今[2]，交流系统经过100年以上的发展历史，在系统层面已经形成了系统完善的输配电网络，并且具备非常成熟的高压交流控制、保护用断路器。当前，在高压交流系统中使用两种断路器，一种是SF6断路器，一种是真空断路器。目前，SF6断路器主要使用在高压交流220kV及以上电压等级电力系统中，真空断路器主要大量使用在高

[3]

1直流系统的特点与工程概述

19年，世界上第一个高压直流输电(HVDC)工

压交流10、35、110kV电压等级电力系统中[4]。随着直流输电技术的快速发展，柔性直流输电和多端系统成为新的发展方向，而高压直流断路器的使用可以

[5-6]

改变现有的高压直流输电线路的“点对点模式”，

程(Gotland直流工程)在瑞典投入商业运行[10]。50多年来，高压直流输电以其交流输电不可替代的优点，在远距离大功率输电、电缆输电和交流系统的非同步联络等方面得到广泛的应用。近年来，柔性直流输电(HVDCFlexible)技术的出现，更使直流

形成高压直流输电系统组网的模式。因此，作为系统中起着控制和保护作用的电力装备，直流断路器

______________________________

收稿日期：2019⁃01⁃20；修回日期：2019⁃03⁃24

·238·

2019年6月输电延伸到了近距离小容量的输电场合。目前，世界上投入运行的HVDC工程有90多个，总容量超过70000MW，越来越多的高压直流输电将投入运行[11]。

直流输电相对于交流输电具有以下优势[12]：1)线路上没有无功损耗，2)输送相同功率时，线路有功损耗小：线路的造价低。直流架空线路的电晕损耗小。

直流线路没用感抗和容抗，

3)4)适合于海下输电。

5)不受系统稳定极限的。直流联网对电网间干扰小。路电流容量。

6)直流输电的接入不会增加原有电力系统的短节，运行可靠。

7)输送功率的大小和方向可以快速控制和调

高压交流和高压直流输电走廊对比[13]见图1。图1形象的说明了直流输电相对于交流输电在传送相同能量时，占地面积减少。图1从上到下分别显示了传统交流架空线路，柔性交流架空线路，高压直流架空线路，柔性高压直流电缆和交流电缆在传输相同功率时的占地情况对比。从图1中可以看出，柔性高压直流系统的输电效率比传统交流架空线路高50%以上。

图1

高压交流和高压直流输电走廊对比Fig.1

ContrastofHVACandHVDCtransmissioncorridor

直流系统和交流系统在线路长度不同时成本不同，高压交流和高压直流系统线路长度成本对比

[14]

见图2。图2说明了直流输电更加适合于远

距离输电，在输送相同功率时，直流输电的线路造价低，在远距离输电时，直流系统的成本低于交流系统。

到2020年，中国预计将建设的直流输电工程达50项左右[15]，其中包括30多个特高压工程，见图3。

第55卷第6期图2

高压交流和高压直流系统线路长度成本对比

Fig.2

CostcontrastofHVACandHVDC

transmissionline

图3

到2020年中国的直流输电系统

Fig.3

HVDCpowertransmissionsysteminChinain2020

2真空开断技术特点及应用实践

ε=1真空作为一种绝缘介质具有较高的介电常数

[16]。利用真空作为触头间绝缘建立与灭弧介质

的断路器称为真空断路器。目前，真空断路器已经广泛应用在10、35kV配电系统中，并向大容量高压交流发电机断路器领域和高电压110kV电压等级领域拓展。作者在以往的工作中负责研发了两款真空断路器就比较典型。

2.1

西高院研制的15kV/80kA真空发电机断路器

ZN-15/T6300-80型高压交流真

空发电机断路器[17]首家按照最新修订的国家标准

技术讨论赵力楠.真空技术在直流断路器领域应用的探讨

·239·

表1

主要技术参数

Table1

Maintechnicalparameters

参数数值额定电压/kV额定频率/Hz15额定电流/A

6额定短路交流分量有效值

开断电流

8030050

T100a时直流分量百分数/%

77额定短时耐受电流（热稳定电流)/kA额定短路关合电流（峰值)/kA80额定峰值耐受电流（动稳定电流)/kA220额定失步交流分量有效值/kA

开断电流

OP2时直流分量百分数/%40675

额定负荷开断电流/A

机械寿命/次

5300000GB/T通过全部型式试验14824—2008《高压交流发电机断路器》[18]完成并器采用卧式三相布置结构，ZN-15/T6300-80。产品主要技术参数见表型高压交流真空发电机断路

1。

整机包括采用杯状纵磁触头真空灭弧室，弹簧操动机构，传动系统，整体支撑系统，散热、导流系统组成，见图4。采用一台弹簧操动机构同时驱动三相同时动作；采用真空发电机断路器专用传动系统结构简单，传动效率高；三(T100a)相动作的一致性小于1ms。同时满足T100s(断波形见图非对称对称)失步短路电流故障的开断。其部分典型开(非对称)短路电流开断和OP1(OP2)对称5[19]。具有可靠承载额定电流的能力等

等。满足最新国家标准GB14824—2008《高压交流发电机断路器》的技术要求。所有技术指标均通过国家高压电器质量监督检验中心的试验检测，并达到技术要求。

图4ZN-15/T6300-80型高压交流真空发电机断路

Fig.4

ZN-15/T6300-80HVACvacuumGCB

该产品采用真空灭弧空气绝缘原理，属于环境

图5

T100s，T100a，OP1波形

Fig.5WaveformofT100s，T100a，OP1

图6ZW-126/5000-80型高压交流真空断路器Fig.6

ZW-126/5000-80HVACvacuumcircuitbreaker

友好型产品，是国家产业鼓励的“绿色制造”技术范畴。西高院自主研发的真空灭弧室采用纵磁场灭弧原理，产品水平布置，配用电动弹簧操动机构，结构合理；载流能力好，机械性能稳定。技术指标处于同类产品国际领先水平。

2.2

模块化光控真空断路器

ZW-126/5000-80型高压交流智能型限流同步

模块ZW-126/5000-80化光控真空断路型高压交流智能型限流同步

器[20]，见图6。以额定电压40.5配用光纤控制永磁操动机构的真空断路器为模块，

kV额定电流2500A额定短路开断电流40kA·240·

2019年6月表2主要技术参数

Table2

Maintechnicalparameters

参数数值额定电压/kV126雷电冲击耐压对地、相间1min(峰)/kV

550断口550对地、相间耐压工频/kV230断口

5230

额定电流/A额定短路开断电流/kA80000额定短路关合电流(峰)/kA200额定短时耐受时间/s

2

运行环境

户外，Ⅲ级污秽

通过模块集成三串、.两并联技术；使用的均压电容器均流和限流电抗器，以及选相控制技术；光纤控制技术形成额定电压126kV额定电流5000A额定短路开断电流80kA的ZN-126/5000-80型高压交流智能型限流同步模块化光控真空断路器。新一代高电压大容量真空断路器主要技术参数见表2。

真空断路器技术在高压交流领域已经具备很好应用，是否能够应用在直流系统的控制和保护中呢？结合上述真空断路器技术应用，提出真空在直流断路器领域可能性应用方案路径。

3

真空技术在直流断路器领域的应用探讨

3.1

机械式直流断路器开断点核心点是人在系统

在直流断路器中的应用探讨

中制造“人工过零点”，并完成开断过程。“人工过零点”法见图7。在正常情况下，直流电流通过机械式开关，在故障状态下，机械式开关开断，形成电弧，反向电流支路产生高频反向电流叠加在机械开关

上，形成“人工过零点”[21]。

图7“人工过零点”法

Fig.7

Schematicsofartificialzeropoint

在该模型中点机械式开关可以采用真空开关。当单个真空开关额定电压不能满足系统要求的情况下，可以采用多个真空开关串联点模式，并在真空断口间并联均压电阻，比如三串两并技术。

第55卷第6期3.2将真空电弧点截流特性应用在直流断路器中

的探讨

真空电流具有截流特性[22]，在交流系统中，由于截流会产生对系统有害的过电压，因此，在设计真空灭弧室，特别是选择触头材料时，尽量要求减小截流特性[23]。而在直流系统中可以反向思维，增大截流值，最终形成对直流系统的有效开断。当然，这里还需要开展大量的仿真研究工作，并获取大量的实验数据做支撑。

4结语

不管是交流系统开断还是直流系统开断，关键

因素还在电弧。无论是直流还是交流真空断路器，当前的建模仿真、实验技术以及电弧特性的控制对于提高开断性能十分关键，应该进一步加大对直流电弧特性的研究，将成熟的真空开断技术应用到直流断路器中，有效利用成熟的真空灭弧室降低直流断路器的成本，形成低成本、高可靠、系列化的真空直流断路器产品体系。

参考文献：

[1]

李兴源，究综述[J].曾

高电压技术，琦，王渝红，2016等.，42(10)柔性直流输电系统控制研

：3025⁃3026.

strategiesLIXingyuanofvoltage，ZENGsourceQi，WANGconverterYuhongbased，directetal.currentControl

(10)transmission：3025⁃3026.

system[J].HighVoltageEngineering，2016，42[2]

张哲鑫线路技术交流研讨会论文集.输电线路历史与展望[C]//.中国，第四届全国架空输电济南：[s.n.]，2013：403⁃405.

ZHANG[C]//JinanZhexin.HistorysiumonTechnicalPapersCollectionandprospectoftransmissionlines

ExchangeoftheofFourthOverheadNationalTransmissionSympo⁃[3]

Lines.黎

斌Jinan.SF，China:[s.n.]，2013：403⁃405.2003.6高压电器设计[M].北京：机械工业出版社，

LIMachineryBin.DesignIndustryofSFPress6high，2003.

voltageapparatus[M].Beijing:[4]

熊昌泰出版社，.真空开关电器2002.

[M].第二版.北京：中国水利电力XIONG[5]

Beijing:Changtai.Vacuum刘振亚China特高压直流输电线路WaterConservancyswitching[M].andappliances[M].北京：Power中国电力出版Press，2nd2002.ed.社，2009.

.LIUPowerZhenya.PublishingUHVDCHousetransmission，2009.

line[M].Beijing:China技术讨论赵力楠.真空技术在直流断路器领域应用的探讨

·241·

[6][7]

Anonymous.FutureofUHVtransmissionlines[J].IEEESpec⁃饶

trum，1969，6(9)：44⁃51

宏，张东辉，赵晓斌，等.特高压直流输电的实践和

[16]方荣生，方德寿.科技人员常用公式与数表手册[M].北

京：机械工业出版社，1991.

FANGRongsheng，FANGDeshou.Handbookofformulas

分析[J].高电压技术，2015，41(8)：2483⁃2484.

RAOHong，ZHANGDonghui，ZHAOXiaobin，etal.PracticeandanalysisofUHVDCtransmission[J].High[8]

VoltageTechnology，2015，41(8):2483⁃2484.

andtablesforscientificandtechnologicalpersonnel[M].Beijing:MachineryIndustryPress，991.器：ZL200910219512.6[P].2009.

[17]元复兴，赵力楠.一种高压交流发电机用卧式真空断路

YUANFuxing，ZHAOLinan.Ahorizontalvacuumcircuit[18]高压交流发电机断路器：GB/T14824—2008[S].2008.

2008[S].2008.

breakerforhighvoltage：ZL200910219512.6[P].2009.

BUCHERMK，WIGETR，ANDERSSONG，etal.Multiter⁃minalHVDCnetworks—whatisthepreferredtopology[J].IEEETransactionsonPowerDelivery，2014，29(1):406⁃413.plicationsofDCbreakersandconceptsforsuperconductingfault⁃currentlimiterforaDCdistributionnetwork[J].IEEE3658⁃36．

[9]MOＲISHITAY，ISHIKAWAT，YAMAGUCHI，etal.Ap⁃

HighvoltageACgeneratorcircuitbreaker：GB/T14824—

TransactionsonAppliedSuperconductivity，2009，19(4):[10]郑占锋，邹积岩，董恩源，等.直流开断与直流断路器[J].

高压电器，2006，42(6):445⁃446.

ZHENGZhanfeng，ZOUJiyan，DONGEnyuan，etal.DCinterruptionandDCcircuitbreaker[J].HighVoltageApparatus，2006，42(6):445⁃446.器，2015，51(11)：2⁃4.

[19]户内高压交流真空发电机断路器检验报告：ZN⁃15/

T6300⁃80[S].1980.

IndoorhighvoltageACvacuumgeneratorcircuitbreaker[20]高压交流智能型限流同步模块化光控真空断路器技术

规范：ZW⁃126/5000⁃80—2009[S].2009.

TechnicalspecificationofhighvoltageACintelligentvacuumcircuitbreakerZW⁃126/5000⁃80—2009[S].2009.[J].南方电网技术，2015，9(2)：10⁃12.testreport：ZN⁃15/T6300⁃80[S].1980.

[11]史宗谦，贾申利.高压直流断路器的研究综述[J].高压电

SHIZongqian，JIAShenli.ReviewofHVDCcircuitbreak⁃[12]张永军.高压直流输电原理与应用[M].北京：清华大学出

版社，2012.

ZHANGYongjun.PrincipleandapplicationofHVDC[13]HERTEMDV，GHANDHARIM.Multi⁃terminalVSCHVDC

tainableEnergyReviews，2006(14)：3156⁃3163.

transmission[M].Beijing:TsinghuaUniversityPress，2012.ers[J].HighVoltageApparatus，2015，51(11):2⁃4.

currentlimitingsynchronizedmodularopticallycontrolled[21]何俊佳，袁

召，赵文婷，等.直流断路器技术发展综述

HEJunjia，YUANZhao，ZHAOWenting，etal.OverviewofDCcircuitbreakertechnologydevelopment[J].SouthChinaPowerGridTechnology，2015，9(2):10⁃12.版社，1985.

[22]J.M拉弗蒂.真空电弧理论和应用[M].北京：机械工业出

LAFFERTYJM.Theoryandapplicationofvacuumarc[M].[23]徐国政，张节荣，钱家骊，等.高压断路器原理与应用[M].

北京：清华大学出版社，2000.10.

XUGuozheng，ZHANGJierong，QIANJiali，etal.Principleandapplicationofhighvoltagecircuitbreaker[M].Beijing:TsinghuaUniversityPress，2000.Beijing:MachineryIndustryPress，1985.

fortheeuroleansupergrid:Obstacles[J].RenewableandSus⁃

[14]FRANCKCM.HVDCcircuitbreakers:Areviewidentify⁃

ingfutureresearchneeds[J].IEEETransactionsonPowerDelivery，2011(26):998⁃1007.力设备，2007，8(3)：2⁃3.

[15]袁清云.我国特高压直流输电发展规划与研究成果[J].电

YUANQingyun.DevelopmentplanningandresearchachievementsofUHVDCtransmissioninChina[J].ElectricPowerEquipment，2007，8(3):2⁃3.

赵力楠(1978—)，男，硕士，高级工程师，主要从事真空断路器研发、产品技术经济研究分析等工作。