直流电流没有自然过零点，因此开断直流短路电流比开断交流短路电流更为困难。西安西电高压开关有限责任公司的侯彦杰、贺小瑞、刘伟、孙玉晨、陶斐在2024年第5期《电气技术》撰文介绍一种基于磁耦合电流转移原理的中压10kV直流断路器拓扑方案，该断路器可实现对15kA直流电流的快速开断。首先，对直流断路器原理和控制逻辑进行介绍；然后，根据拓扑方案提出快速机械开关、电力电子开关、磁耦合装置等核心部件的设计思路；最后，搭建仿真模型对该方案进行仿真分析，模拟不同工况下的开断情况，仿真结果验证了该方案的有效性。
近年来，传统能源向可再生能源过渡逐渐成为全球范围内能源领域变革的重要趋势。柔性直流输电技术因其可独立控制有功功率和无功功率、可向无源网络和弱电网供电、无换相失败问题、不需要无功补偿等优点，已成为解决新能源并网、落实“双碳”目标实现的重要途径之一。
直流断路器作为构建直流配电网必不可少的关键设备，起着关合、承载和开断直流系统中运行电流的作用，并能在规定的时间内关合、承载和开断直流系统故障电流，是直流系统的重要设备之一，对防止故障范围扩大有重要意义。由于直流电流没有自然过零点，无法采用交流断路器成熟的灭弧技术，同时直流系统中感性元件等储存着巨大的能量，使直流故障电流的开断难度很大，因此直流开断技术被公认为近百年来学术界和工业界的技术难题。
按照开断原理的不同，直流断路器可分为基于常规开关的机械式直流断路器、基于电力电子器件的固态直流断路器及两者结合的混合式直流断路器。机械式断路器的工作原理为通过创造人工电流过零点来完成直流开断，开断容量大，但其开断时间较长。
固态断路器的接通与开断均由作为主开关元件的全控型功率半导体器件来实现，具有开断速度快（ms级）、开断时不产生电弧的特点，缺点在于通态损耗很高，结构和控制复杂，造价昂贵，需解决均压、均流和冷却等问题。混合式直流断路器由快速机械开关和电力电子开关组件并联组成，结合了机械式直流断路器优良的静态特性和全固态直流断路器快速开断的动态特性，缺点在于需配置电流转移装置，同样存在控制繁琐、造价较高的问题。
混合式直流断路器因能兼顾快速开断和低通态损耗、可控性强、可快速重合闸等优势，成为直流断路器技术研究的主要方向。本文提出一种基于磁耦合转移原理的10kV直流断路器，可开断15kA短路电流。
1 基于磁耦合转移原理的10kV直流断路器
1.1 拓扑结构
10kV直流断路器采用磁耦合转移的换流技术，保证电流转移过程的快速性和可靠性，且通态损耗几乎为零，其拓扑结构如图1所示，包括主支路、转移支路和耗能支路。图1中，K为快速机械开关，G为真空接触器，VD为桥二极管，VT为绝缘栅双极晶体管（insulated gate bipolar transistor, IGBT）器件，MOV为避雷器，MICCM为磁耦合装置。
图1 磁耦合转移原理10kV直流断路器拓扑结构
主支路由快速机械开关组成，用于导通直流系统负荷电流。转移支路由电力电子开关和磁耦合装置串联组成，电力电子开关由多组电力电子单元串联组成，用于承担短路电流，并开断短路电流。转移支路具有自关断能力，并能承受系统直流电压及关断直流电流后产生的电压冲击。耗能支路MOV用于限制电力电子模块在关断电流时产生的过电压和吸收开断直流电流后回路电抗所存储的能量。当短路电流下降到残余电流动作阈值时，真空接触器断开，直流故障被彻底清除、隔离，断路器的整个动作过程结束。
1.2 工作原理与时序
1）开断原理
磁耦合转移原理10kV直流断路器开断原理如图2所示，具体开断过程如下：
（1）当直流断路器在正常运行状态时，快速机械开关处于合闸状态，电力电子开关处于关断状态，磁耦合装置中的电容预充至设定电压，真空接触器处于合闸状态，如图2（a）所示。
（2）当直流断路器接收到开断指令时，直流断路器控制器即刻向快速机械开关、电力电子开关和磁耦合装置发出动作命令，快速机械开关、电力电子开关和磁耦合装置接收到动作命令后同时动作。快速机械开关接收到动作命令后，触发斥力机构进行分闸操作；电力电子开关接收到动作命令后，触发导通；磁耦合装置接收到动作命令后，触发晶闸管导通，预充电电容放电在耦合线圈的一次侧产生电流，此时在耦合线圈的二次侧感应出电压；在磁耦合装置的电压作用下，电流由主支路转移至转移支路，如图2（b）所示。
（3）电流转移完成后，快速机械开关断开，电流全部通过转移支路流通，转移支路维持导通直至快速机械开关断口建立可靠绝缘，如图2（c）所示。
（4）当快速机械开关断口介质绝缘恢复后，直流断路器控制器向电力电子开关发出关断命令，电力电子器件关断后产生的过电压使MOV导通，系统能量通过MOV耗散，如图2（d）所示。
（5）上述过程完成后，直流系统还存在微量残余电流，控制真空接触器分闸，直流故障被彻底清除、隔离，断路器的整个分闸过程结束。
图2 开断原理
2）关合原理
直流断路器未投入运行时，快速机械开关处于分闸状态，电力电子组件处于关断状态，磁耦合装置中的电容预充至设定电压，真空接触器处于分闸状态，直流断路器两端为系统电压。直流断路器的具体关合过程如下：
（1）当直流断路器接收到关合指令时，直流断路器控制器向真空接触器发出合闸命令，真空接触器合闸。
（2）待真空接触器合闸完成后，直流断路器控制器向电力电子开关发出合闸命令，触发导通，系统电流流经转移支路。
（3）转移支路流通系统电流的时间达到直流断路器控制器设定时间，确认系统无短路故障后，直流断路器控制器向快速机械开关发出合闸命令，快速机械开关合闸。
（4）快速机械开关合闸完成后，系统电流从转移支路转移到主支路，转移完成后直流断路器控制器向电力电子开关发出关断命令，整个关合过程完成。
3）分合闸操作执行逻辑
直流断路器正常运行状态下，电流从主支路的快速机械开关流过，磁耦合装置中的一次侧电容保持预充电状态，转移支路无电流流过。
当直流系统发生短路故障或停电检修时，直流断路器接收到控保装置的分闸命令后，开始执行如下分闸操作：
（1）判断快速机械开关的位置状态，若处于分闸位置则直接跳入步骤（6），否则进入步骤（2）。
（2）控制快速机械开关执行分闸操作，进入步骤（3）。
（3）延时t1，等待快速机械开关断口打开产生电弧后，进入步骤（4）。
（4）控制电力电子开关导通，同时控制磁耦合装置中的晶闸管导通，进入步骤（5）。
（5）延时t2，等待快速机械开关的触头间介质绝缘恢复到足够耐受系统过电压后，进入步骤（6）。
（6）控制电力电子开关关断，进入步骤（7）。
（7）延时t3，期间判断是否接收到重合命令，若延时完成则进入步骤（8），期间若收到重合命令则直接跳入直流断路器的合闸步骤执行合闸操作。
（8）控制真空接触器进行分闸操作，直流断路器分闸操作执行结束。
当直流系统需要进行带电运行或保护分闸后进行重合操作时，直流断路器接收到控保装置的合闸命令后，开始执行如下合闸操作：
（1）判断真空接触器的位置状态，若处于合闸位置则直接跳入步骤（4），否则进入步骤（2）。
（2）控制真空接触器执行合闸操作，进入步骤（3）。
（3）延时t4，等待真空接触器合闸完成后，进入步骤（4）。
（4）控制电力电子开关导通，进入步骤（5）。
（5）延时t5，期间判断是否接收到分闸命令，若延时完成则进入步骤（6），期间若收到分闸命令则直接跳入断路器的分闸步骤执行分闸操作。
（6）控制快速机械开关执行合闸操作，直流断路器合闸操作执行结束。
磁耦合转移原理10kV直流断路器分合闸操作执行逻辑如图3所示。
2 产品设计
磁耦合转移原理10kV直流断路器主支路采用快速机械开关承受额定电流，正常工作损耗小，短时耐受能力强，具有优良的静态工作特性；转移支路电力电子开关模块采用具有开断电流大、结构紧凑、导通损耗低等特点的电力电子器件，具有优良的动态工作特性。
2.1 快速机械开关
快速机械开关结构如图4所示，主要由固封极柱、电磁斥力机构及控制回路组成。
电磁斥力机构是利用涡流原理制作的一种快速操作机构，二次控制回路中的分闸、合闸电容会预充一定电压，当直流断路器收到分闸指令时，控制回路中分闸开关导通，分闸电容向斥力机构中分闸线圈放电，分闸线圈中会产生脉冲电流，在脉冲电流的作用下，金属盘中感应出涡流并产生电磁斥力，带动传动杆和机械触头运动，从而实现直流快速机械开关的快速分闸。
图3 分合闸操作执行逻辑
图4 快速机械开关结构
2.2 电力电子开关
为了实现对15kA短路电流的双向关断，采用二极管桥式电路结构组成基本模块，并且每级使用两只器件并联，以保证可靠的短路电流关断能力，单级电力电子模块结构如图5所示。由于转移完成后，电力电子开关需要耐受开断过电压，单个电力电子器件无法承担，因此需要多个器件串联。根据系统额定电压和过电压水平要求，并考虑器件使用效率和裕度，采用6级模块串联构成电力电子开关。
图5 单级电力电子模块结构
2.3 磁耦合装置
磁耦合装置是实现电流快速转移的核心模块，其特性对于开断过程至关重要。磁耦合装置设计的难点体现在三个方面：①需要可靠耐受过电压；②需要体积紧凑、电流转移效率高；③可持续产生反向电压。
感应耦合电能传输的基本原理与普通变压器类似，但又有根本的区别，磁耦合装置本质上是一种容量小、体积小、电压比大的变压器，上、下两个线圈分别为其一、二次侧，一次电感和二次电感没有直接的电联系，通过磁耦合完成能量传输。一、二次线圈分别嵌套在铁心不同侧，在一次线圈外接预充电电容器，当模块接收到转移指令时，触发电容器对线圈放电，二次线圈通过感应出反向电流强迫短路电流向磁耦合装置转移，完成短路开断。
磁耦合装置耦合线圈采用平板脉冲变压器结构进行设计，上层线圈作为高压侧接入混合式直流断路器的转移支路，下层线圈作为低压侧与预充电电容和晶闸管等连接成回路。磁耦合装置耦合线圈结构示意图如图6所示，磁耦合线圈参数见表1。
图6 磁耦合装置耦合线圈结构示意图
表1 磁耦合线圈参数
为了实现电流快速转移，需要确保耦合线圈低压侧导通放电时，高压侧耦合产生的感应电流峰值大于预期短路电流，并且电流频率不能过高，避免电流截止时发生断口过电压击穿。根据对磁耦合装置的分析，提高线圈间的耦合系数和低压侧电容的充电电压，有利于提升电流转移能力。不同充电电压下电流的转移能力见表2，电流转移能力波形如图7所示。
表2 不同充电电压下电流的转移能力
3 电路仿真
混合式直流断路器在正常运行状态时，快速机械开关处于合闸状态，电力电子组件处于关断状态，磁耦合装置电容通过隔离供能变压器预先充有初始电压。分断15kA短路电流的具体过程如下：
1）系统发生故障，短路电流上升，断路器检测到控保装置发出关断信号时，直流断路器控制器即刻向快速机械开关发出分闸命令。
图7 电流转移能力波形
2）快速机械开关、转移支路和磁耦合装置接收到动作信号后同时动作。快速机械开关接收到触发信号时，触发高速机构动作拉开；磁耦合装置接收到信号时，磁耦合转移回路中晶闸管导通，预充电电容放电，在回路中产生电流，互感器一次侧感应出电压；转移支路接收到信号时，触发电力电子组件导通，在磁耦合转移模块的电压作用下，电流由快速机械开关转移至转移支路。
3）电流转移完成后，快速机械开关断开，电流全部通过转移支路流通，转移支路维持导通等待断口建立可靠绝缘。
4）当断口介质绝缘恢复后，控制电力电子组件关断，过电压使MOV导通，系统能量通过MOV耗散，完成整个开断过程。
短路电流分断仿真模型示意图如图8所示，采用直流电源的方式。分断15kA系统短路电流与开断过电压的仿真波形如图9所示，此时分断时间＜5ms，全电流开断时间＜10ms，直流断路器端间暂态恢复电压峰值为18.1kV，直流断路器端间避雷器动作并吸收能量296kJ。
图8 短路电流分断仿真模型示意图
4 实验验证
搭建适用于断路器样机测试的测试平台，其结构原理如图10所示。图10中，Cs=20mF为母线电容，L1=500mH为负载电感，GP为间隙，AB1为辅助开关，V表示电压测量，I表示电流测量，To为试品主支路开关，CCB为转移支路电力电子开关与磁耦合装置，MOV为耗能支路。利用母线电容和负载电感模拟直流系统中的故障短路电流。
图9 分断15kA系统短路电流与开断过电压仿真波形
图10 短路电流开断试验平台结构原理
试验前，间隙GP未触发，辅助开关AB1、试品主支路开关To为分闸状态。当进行短路电流开断试验时，辅助开关AB1合闸，试品主支路开关To合闸，电容Cs预充至指定电压；触发间隙GP使其导通，按照设置好的时序，电容Cs向试品放电，试品开断电流；试验完成后，释放试验系统残余能量，辅助开关AB1、试品主支路开关To分闸，准备下次开断试验。
不同工况下的分断试验波形如图11所示，包含短路电流分断、额定电流分断、500A小电流分断和200A小电流分断。参考相关试验标准，定义直流断路器截流时间为分闸开始时刻与电流开始下降时刻之间的时间间隔，分断电流为开关电器进行分断过程中的最高电流。试验结果见表3。
图11 不同工况下的分断试验波形
表3 试验结果
从试验结果可以看出：不同开断电流下，所开发的10kV直流断路器样机均能成功完成电流分断，全分断时间小于3ms，样机动作稳定可靠。
5 结论
本文介绍了一种基于磁耦合电流转移原理的直流断路器，其结构特点有：主回路采用快速机械开关承受额定直流，正常工作时损耗很小，短时耐受能力强，断路器静态工作特性好，避免了传统的混合式直流断路器额定通流损耗高、水冷装置复杂的问题；利用磁耦合转移装置来转移主回路机械断口电流，转移速度快，电流转移能力强，避免了传统预充电电容需要长期带高电压导致的运行可靠性较低、成本高、体积大的问题。
本文所提基于磁耦合转移原理的10kV直流断路器具有损耗低、可靠性高的特点，为实现柔性直流配电网故障的快速隔离和清除提供了一种新的解决方案。
本工作成果发表在2023年第11期《电气技术》，论文标题为“一种基于磁耦合转移原理的10kV直流断路器”，作者为侯彦杰, 贺小瑞, 刘伟, 孙玉晨, 陶斐。
