直流固态断路器现状及应用前景.pdf

1、第37 卷 第19 期 电力系统保护与控制 Vol.37 No.19 2009 年 10 月 1 日 Power System Protection and Control Oct.1,2009 直流固态断路器现状及应用前景 胡 杰，王 莉，穆建国（南京航空航天大学，江苏 南京 210016）摘要：在介绍固态断路器发展的基础上，总结了目前直流固态断路器的分类、结构和特点，介绍了国内外有关直流固态断路器的研究和应用动态，指出了直流固态断路器大功率化、兼具限流功能的两大发展趋势，分析了其所使用功率器件存在的均压、均流、同步控制和故障检测等技术难点和目前限流技术的种类、特点及其适用范围，并对固态断路

2、器在直流领域的应用前景做了展望。关键词:固态断路器；功率器件；故障限流;直流输电 Present status of DC solid-state circuit breaker and its potential application HU Jie，WANG Li，MU Jian-guo (Nanjing University of Aeronautics&Astronautics,Nanjing 210016,China)Abstract:Based on the development of solid state circuit breaker(SSCB),this paper su

3、mmarizes the sort,configuration and characteristics of DC SSCB at the present and introduces the dynamic research and application at home and broad.It points out two trends in development,which are high power and current limiting and analyzes the technological difficulties about power devices,includ

4、ing voltage-sharing,current-sharing,synchronization control and fault detection,which exist in application,and the type,specialty and application range of current-limiting technology.The applying prospect in DC field for SSCB is indicated.This work is supported by the Special Funds for Major State B

5、asic Research Projects of China(No.2007GB210303).Key words:solid state circuit breaker;power device;fault current limiting;transmission 中图分类号：TM561 文献标识码：A 文章编号：1674-3415(2009)19-0145-060 引言 随着国民经济的发展，当今社会对电力系统及输电技术提出了更高的要求,如何进一步提高电网的稳定性、向用户提供高质量电能成为电力行业的发展方向。断路器作为输电线路中一个重要的环节,它的性能直接影响着电网的正常运行。在目前的输

6、电系统中大量采用机械式断路器，尽管它有导通稳定、带负载能力强等优点，但随着用户对电力质量要求的提高，它的缺点也越来越突出。因不能实时、灵活、连续和快速地动作,易使事故扩大,破坏系统稳定性；在断开负载时往往有电弧产生,触头易烧损,开断时间长,难以满足一些电力用户对故障电流开断的速动性要求,在运行过程中有噪声,机械、电气寿命受到限制13。近年来,随着电力电子器件尤其是功率半导体器件的飞速发展，采用功率半导体器 基 金 项 目：973 国 家 基 础 研 究 发 展 规 划 基 金 项 目（2007GB210303）件 作 为 主 开 关 的 固 态 断 路 器 SSCB(Solide-state

7、Circuit Breaker)因其动作的快速性而受到了市场和科研人员的广泛关注。1 固态断路器发展 固态断路器是随着电力电子器件的发展而发展起来的。在20世纪70年代末，出现了以晶闸管(SCR)器件作开关元件的固态断路器，由于该类型的断路器中没有机械运动部件，在当时被称为静态断路器(Static Breaker)。80 年代后，随着门极关断晶闸管GTO、绝缘栅双极晶体管 IGBT、控制晶闸管 MCT等全控器件的诞生，固态断路器又有了新的发展。特别是在 90 年代，随着 ABB 和日本三菱的集成栅极换流可控硅 IGCT、美国硅功率公司的 MOS 关断可控硅及美国 CPES 黄勤教授提出的发射极

8、关断可控硅 ETO 的问世，这三种具有硬关断能力的新型大功率器件为固态断路器提供了更多的选择余地，目前常用器件的容量如表 1 所示。-146-电力系统保护与控制 表1 常用功率器件容量 Tab.1 Capacitor of power device 器件 性能 器件 性能 SCR 8 kA/12 kV IGCT 4.2 kA/6.5 kV GTO 10 kA/8 kV ETO 5 kA/4.5 kV IGBT 1 kA/6.5 kV 根据固态断路器的发展历程,又可分为混合型断路器和全固态断路器(也称静止型断路器)，其结构如图 1 所示。其中混合型断路器是由电力电子器件作为无触点开关与机械式开关

9、并联构成，虽然其工作时几乎没有损耗，但是其对故障电流的开断时间仍然受到机械式断路器动作时间的限制。固态断路器具有开断时间短、无弧、无光、无声响等优点，但其也存在造价昂贵、器件的通态损耗高、单管容量有限等缺点，适用于速动性要求高的场合。随着电力电子技术尤其是功率半导体器件技术的不断发展，功率器件的通态损耗不断降低，容量不断提高（如表 1 所示），这些都为固态断路器的发展提供了坚实的物质基础。D1ZnOT1T2D2CBCT2RT1检测电路(a)混合式断路器拓扑结构混合式断路器拓扑结构(b)固态断路器拓扑结构固态断路器拓扑结构 图1 断路器结构 Fig.1 Topology of circuit b

10、reaker 2 直流固态断路器的发展及现状 2.1 直流固态断路器的分类 根据使用电力电子器件的不同主要有以下两类：2.1.1 半控型断路器 由于半控型器件(以SCR最具代表性)出现的比较早，容量大、通态压降小、损耗低、价格便宜等优点使其成为研发最早的固态断路器之一，其理论研究亦已比较成熟，工作原理比较简单，工业应用也较为广泛。但是与在交流领域的应用相比，当它被用于直流时仍然存在一些问题，比如当关断电路时，需要增加辅助回路产生电流过零点，以保证电路快速稳定地关断。但是由于容量大、价格便宜，SCR仍然是工程化的首选。2.1.2 全控型断路器 全控型断路器具有可关断性、可以减少关断时间、降低故障

11、关断电流等优点，其中以 GTO、IGBT以及 IGCT(ETO)最具代表性，它们代表了全控器件发展的三个阶段。GTO 型断路器通过给 GTO 管门极加正向或负向脉冲电流来实现器件的通、断，但由于通态压降较大、通态损耗和热量大、门极关断增益小等缺点限制了它在直流领域的应用。IGBT型断路器与 GTO 型相比，动作速度更快、硬关断较GTO容易，但是在通态压降和损耗方面与GTO大致相同，单管容量则比 GTO 小，适用于中功率场合。IGCT(ETO)型断路器则因 IGCT 的大容量、低导通损耗和强大的硬关断能力等优点，受到广大研究人员的青睐，但是 IGCT(ETO)也是目前同等级的大功率器件中最贵的，

12、离商业化和工程化还有一定的距离。可以看出 GTO、IGBT 适用于中小功率场合，在大功率场合则因硬关断能力较小、通态损耗和硬关断损耗非常大等缺点受到限制，而 IGCT、ETO等新型大功率器件则因造价过于昂贵而无法普及。2.2 目前国内外的研究现状 无论是在国内还是国外，固态断路器凭借其卓越的性能得到了广泛的关注，并且在交流领域某些场合已经得到了商业化应用7,8:1993 年在美国新泽西州Mort Monmouth的Army Power Center的4.6 kV 6.6 MW 的固态断路器；英国也研制出 13 kV 的配电用 SSCB。在以往交流输电占据着主导地位的格局下，断路器在直流领域的应

13、用就显得非常有限。近年来，随着直流输电技术尤其是轻型直流输电技术(HVDC Light)、大功率半导体器件和新能源发电技术的发展，固态断路器在直流电力系统中的应用开始受到更多研究人员和电力工程人员的关注，并且开始应用于特定场合。国外对直流固态断路器的研究比较早，在 1987年美国 Texas大学的 William Kernaghan就研制出一台采用 GTO 作为主开关的 200 V/15 A 的直流固态断路器。在 1999 年时 Dr.Jefffrey A.Casey 等人对直流固态开关在配电系统中的分布、应用和成本等多方面做了详细的阐述并列举了 DTI 的工程应用9。随后 Houston 大

14、学研制出一台 500 V 电压等级的直流固态断路器样机；2003 年时美国 CPES 的研究人员就申请了采用硬关断器件 ETO 做直流固态断路器的发明专利10,11，并在 2005 年成功研制出了1.5 kA/2.5 kV 和 4 kA/4.5 kV 的样机，并通过了测胡杰，等 直流固态断路器现状及应用前景 -147-试。国内对直流固态断路器的研究则起步比较晚，对直流固态断路器的研究集中在一些特殊的领域而且电压等级都比较低，如在航天领域电压等级为120 V，在航空领域最高为 270 V，舰船上是 1500 V，国内的海军工程大学正在对固态断路器在舰艇上的应用进行研究，其研究的是低压、大电流，侧

15、重于限流研究，采用 IGBT 为开关器件和自关断技术，应用场合受到限制。虽然国内中国工程物理研究所曾经研制出 20 kV 可控硅固态开关，但是其侧重于研究 SCR 的串联技术，未做过断路器方面的测试而且电流在 1 A 以下。从目前的研究情况来看，国内主要集中于拓扑结构的研究，基本处于样机试制和验证阶段，样机的容量较小而且集中在一些特殊的领域；国外对功率器件自身和拓扑结构都有研究，军事、民用并举，而且应用到了具体的工程实践之中。与国外相比，国内还有一定的差距亟需追赶。3 直流固态断路器发展方向和技术难点 从固态断路器的发展历程和功率器件的发展方向来看，固态断路器在直流领域的发展：一方面兼具机械式

16、断路器所具有的功能，使其满足工业上实用化、商业化和大功率化的需求；另一方面，将研究工作放在检测、控制方法和限流功能的研究上，使其将多种功能集于一身。3.1 大功率化 目前，固态断路器所使用的功率器件的额定电压和额定电流较低，而电力系统的容量却不断增加，为了得到大容量的断路器，往往需要采用多个功率器件进行串(并)联，为了得到静态和动态的平衡，除了尽量采用特性一致或同一批次的元器件进行串并联外,还有一些问题需待解决：(1)驱动脉冲信号的同步控制问题：因为驱动信号的不同步会造成器件的开通、关断时间不同步，从而导致器件不均压或不均流，使其中某个管子烧坏，最恶劣的情况可能会使整个模块烧坏。(2)均压和均流：由于器件开关特性的分散性、驱动电路的信号传递延迟所造成时间的不同步等因素,在各功率器件开通与关断时电压或电流分配不均匀,导致器件或装置的损坏。因此,设计合理的静态与动态平衡变得极其重要。静态平衡可通过简单地并联大电阻而获得,动态平衡则相对要复杂些。3.2 限流功能 限流技术之所以受到关注，主要有以下两个原因：第一，电网容量不断增加，短路电流水平也随之增加，限制短路电流可以提高电力系统的安全稳定