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混合式高压直流断路器专利技术综述作者：钱玉萍来源：《中国科技纵横》2019年第12期摘要：基于中国专利全文数据库和德温特世界专利索引数据库对混合式高压直流断路器的相关专利申请文献进行检索统计，并对其进行技术分解，然后对该领域的专利申请量的年度分布、国内外重要申请申请人进行了统计，以了解该领域的专利申请和专利布局情况。
关键词：高压;直流;断路器;混合式中图分类号：TM561 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）12-0166-021 混合式高压直流断路器概述20世纪80年代末，随着半导体技术的发展，为了提高机械式断路器的分断速度，开始提出半导体器件与机械开关相结合的混合式直流断路器拓扑[1]。
混合式直流断路器充分利用机械开关通态压降小和电力电子器件关断速度快的优势，成为当前研究热点[2]。
混合式直流断路器可通过机械开关和电力电子器件的合理组合得到，常见的拓扑主要有机械开关与电力电子器件直接并联、机械开关与电力电子器件先串联再并联及由此衍生出的其他拓扑[3]。
2 专利申请状况分析2.1 专利申请年度趋势变化情况本次检索是在CNTXT和DWPI数据库中进行检索，截止到检索日期（2018年1月31日），中国范围内混合式高压直流断路器方面已公开的专利申请总量为694件。
图1所示，混合式高压直流断路器技术在我国申请的专利总量、国内申请量以及国外来华申请量自1987年以来随时间变化的趋势。
可以看出，专利申请量总体呈上升趋势，国内与国外来华申请量趋势基本保持一致。
总体来看，混合式高压直流断路器技术在中国总共经历了以下三个发展阶段：第一阶段（1987-2000年）为萌芽期。
混合式高压直流断路器技术研发还处于起步阶段，中国专利申请总量、国内和国外来华申请量均较小。
第二阶段（2001-2007年）为稳定发展期。
专利申请保持稳定增长，此阶段国内和国外来华专利每年申请量差别不大。
第三阶段（2008年至2016）为快速发展期。
Telecom Power Technology设计应用技术 2023年5月25日第40卷第10期· 35 ·Telecom Power TechnologyMay 25, 2023, Vol.40 No.10祝友成：混合式高压直流断路器关键技术研究路器中几个关键参数之间的关联，如电压与电流间的关系。
由能量守恒定律可知，电弧现象模型可表示为loss d d qe i P t=⋅− （1）式中：d q /d t 为单位长度时，电弧中能量变化率；e ·i为电弧单位长度时所输入的功率；P loss 为电弧单位长度时所释放能量。
电弧模型可表示为22c 2c d ln 1d u u g t u τ−=（2）式中：g 为电弧的电导；τ为时间常数；u 为电弧电压；u c 为电弧电压常量。
通过式（1）与式（2）可知，电弧电压、电弧电导、电弧电压常数与时间常数之间的关系。
对于高压直流输配电系统，此模型可准确描述电弧的外部特性，对于研制机械式高压DCCB 具有指导意义。
2 固态高压DCCB 关键技术固态高压DCCB 主要由电力电子器件构成。
然而高压直流输配电系统的容量较大，单个电力电子器件的额定电压、额定电流不能满足要求。
因此，需采用电力电子器件串并联实现增加固态高压DCCB 的额定电压与额定电流。
由于电力电子器件制造时存在参数差异以及性质差异，其串并联时，将导致分压不均与分流不均问题。
2.1 串联分压不均原因以绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor ，IGBT ）为例，共有2种工作过程，分别为静态过程与动态过程。
IGBT 共有4种工作状态，分别为关断过程、开通过程、导通过程以及阻断过程。
IGBT 的静态过程-导通过程中，其压降较低，各器件的压降不同时也可正常工作。
而阻断过程中，IGBT 的漏电流、阻断阻抗分布不均，IGBT 器件的分压不均，将导致部分IGBT 两端的电压超过额定电压，进而损害器件，因此在阻断过程中需采用均压策略。
摘要高压直流（HVDC）电网是解决可再生能源大规模接入的重要途径。
发展高压直流电网对大规模电能的远距离输送、促进新能源的并网及消纳、提高区域交流互联电网的安全稳定性具有重要意义。
而高压直流断路器是直流电网发展的瓶颈问题。
本文分析了高压直流电网对高压直流断路器的需求；介绍了各种直流断路器的主要性能、基本构成、开断原理等。
关键词：高压直流输电，直流断路器，MRTB，ERTB，NBS，NBGS前言随着传统化石能源短缺和环境污染问题的不断加剧，以及风电、太阳能等可再生清洁能源的迅速发展，能够实现间歇式可再生能源大规模接入的多端高压直流输电系统，及其向HVDC电网方向的发展，越来越受到世界各国的关注。
2008 年，欧洲提出超级智能电网(super grid)规划，旨在充分利用可再生能源的同时，实现国家间电力交易和可再生能源的充分利用；2011 年，美国提出了2030 年电网构想(Grid 2030)，即美国未来电网将建立由东岸到西岸、北到加拿大、南到墨西哥，主要采用超导技术、电力储能技术和更先进的直流输电技术的骨干网架。
中国风力资源丰富地区主要集中在东北、华北、西北等区域。
但这些地区大多负荷水平较低、调峰能力有限，大规模风电就地利用困难，需要远距离大容量输送，并在大区以至全国范围内实现电量消纳。
这对中国发展HVDC电网技术提出了迫切的需求。
随着HVDC 输电技术向HVDC 电网的发展，对整个系统的可靠性和稳定、安全运行也提出了更高的要求。
其中所面临的巨大挑战就是HVDC 电网中短路电流的开断问题。
与交流系统相比，HVDC 电网中时间常数小，短路电流上升速度快，同时造成直流电压的跌落，甚至引起换流器和短路电流的失控，而且直流电流由于缺乏自然过零点而难以开断。
能够实现快速切除或隔离短路故障的高压直流断路器已成为HVDC 电网发展的瓶颈问题。
一、直流电网发展对高压直流断路器的需求随着直流输电技术向HVDC电网的发展，对整个系统的可靠性和稳定、安全运行也提出了更高的要求，其中所面临的巨大挑战就是HVDC 电网中短路电流的开断问题，这对高压直流断路器的研究和开发提出了非常迫切的需求。
混合式直流断路器快速机械开关特性研究及应用发布时间：2022-11-30T14:19:47.089Z 来源：《工程建设标准化》2022年15期作者：杨月涛[导读] 国家“十四五”发展规划确定了大力发展杨月涛山东丽能电力技术股份有限公司摘要：国家“十四五”发展规划确定了大力发展“绿色、低碳”新能源的指导方针。
大型风电、新型光伏发电行业迅猛发展壮大，并网消纳此类新能源迫切需要开发研究柔性直流输电新技术及新设备。
关键词：混合式直流断路器；快速机械开关；特性；引言直作为直流电网的关键组成部分，直流断路器起到关合、承载和开断正常回路条件下的电流、转换系统运行方式以及切断故障电流对系统实行保护等重要作用，是建设直流电网的重要设备之一。
其中，混合式高压直流断路器主要由通态支路和转移支路并联组成，通态支路包含高速机械开关和与其串联的通态阀组，通态阀组以及转移支路由多个电力电子开关构成。
因此，混合式高压直流断路器具有多种形式的负载，加上稳定运行和开断过程中各部件的电位关系各不相同，比较复杂，这些都给混合式高压直流断路器的供能提出了难题。
1高压直流断路器的原理对于高压直流断路器而言，其结构组成包含了三条支路，分别为通流、转移以及吸能支路。
其中通流支路的作用在于实现电流传导，由于通态损耗要求非常小，因此为达到电源断开电流转移的控制要求，通常在通流支路上会增加相关的液晶组件（IGBT）。
系统动作时只要将通流支路的开关打开，电流就能按照设定的方案进行。
且在断开以后，通过吸能系统将多余的能力吸收。
针对混合式直流断路器来说，转移支路属于一系列的IGBT或集成门极换流晶闸管控制组件，通过此类设备的应用能够让电流得到速的阻断，能够满足高压系统的控制要求。
在机械式直流断路器系统中，转移支路又被称之为辅助支路，其组成结构包含了触发间隙、电感以及电容等结构。
一般情况下在机械开关口位置很容易出现大电流燃弧和灭弧现象，由此可认为开断支路就是通流支路。
真空断路器调研报告真空断路器调研报告一、引言真空断路器是电力系统中常见的一种断路器，用于保护电路免受过流和短路等故障的影响。
在这份调研报告中，我们将对真空断路器进行详细调研，从其原理、分类到应用领域等方面进行分析和总结。
二、真空断路器原理真空断路器是利用真空质量很好的绝缘性能和真空中电子缺乏的特性，通过打开和关闭真空开关来实现对电路的开闭。
当电流通过断路器时，瞬间产生的电弧会在真空中被扑灭，从而保证电路的可靠性和安全性。
三、真空断路器分类根据功能和性能，真空断路器可分为高压真空断路器和中压真空断路器两种。
高压真空断路器适用于额定电压大于1000V的电路，而中压真空断路器适用于额定电压在1000V以下的电路。
四、真空断路器的优势1. 安全可靠：真空断路器在断电时能迅速切断电流，防止短路和过电流的发生，保护电路的安全性。
2. 质量轻、体积小：由于采用真空绝缘技术，真空断路器具有体积小、重量轻的特点，便于安装和维护。
3. 寿命长：真空断路器没有电弧与触头的接触，因而其寿命长，能满足电力系统的长期使用需求。
4. 对环境友好：真空断路器不会产生有害气体和杂质，对环境无污染。
5. 可靠性高：真空断路器在运行过程中，由于真空的优异性能，其动作速度快，运行稳定可靠。
五、真空断路器应用领域真空断路器广泛应用于电力系统的各个环节，如发电厂、变电站、输电线路等。
在发电厂中，真空断路器可用于电缆、发电机、变压器等设备的保护；在变电站中，真空断路器可用于电力系统的开关控制；在输电线路中，真空断路器可用于保护线路的安全运行。
六、真空断路器发展趋势随着电力系统的发展和对电力设备需求的增加，真空断路器的需求也在不断增加。
为了满足各种电力需求，真空断路器正在朝着高压、大容量、小尺寸、智能化等方面进行研究和改进。
七、结论真空断路器是电力系统中不可或缺的重要设备，具有安全可靠、质量轻、体积小、寿命长、环境友好和可靠性高等优势，广泛应用于发电厂、变电站和输电线路等领域。
目录1.中压真空断路器概述 (1)1.1 中压真空断路器的特点及应用现状 (1)1.2中压真空断路器的结构 (1)2.中压真空断路器关键部件及技术 (3)2.1 操动机构 (3)2.2 真空灭弧室 (5)2.3 固封极柱技术 (7)2.4 触头结构设计 (8)3.国内外中压真空断路器典型产品 (10)3.1 国外产品 (10)3.2 国内产品 (11)4.中压真空断路器的发展方向 (11)1.中压真空断路器概述1.1 中压真空断路器的特点及应用现状真空断路器是以真空为绝缘与灭弧介质，其特点主要体现在以下几方面：安全性——采用高真空，用于绝缘与灭弧，无火灾和爆炸危险；环保性——在密闭的灭弧室内熄弧，电弧和炽热气体无泄露，操作噪音小，体积小，重量轻，成本低；节能性——触头间隙小，操作功率小；免维护性——在使用年限内，灭弧室不需要维修检查；可靠性——灭弧室完全封闭，不会因受外界环境的影响而降低其性能，工作可靠；寿命长——熄弧时间短，弧压低，电弧能量小，触头损耗小，可用于多次开断。
上述优点推动了真空断路器在中压电压等级电力系统中的大力发展，使真空开关在中压领域占主导地位。
在国外市场，中压真空断路器在20世纪70年代初仅占比百分之几，1980年约为20%，1990年约为55%，2000年已达70%。
在我国，2004年的统计数据显示，12kV真空断路器占同级断路器产量的98.85%，40.5kV真空断路器占同类产品的61.49%。
1.2中压真空断路器的结构中压真空断路器一般由导电及灭弧系统、本体、传动系统及操动机构组成。
其中真空灭弧室为真空断路器的心脏，操动机构为其神经中枢，两者对真空断路器至为重要。
中压真空断路器的结构框图见图1-1。
图1-1真空断路器结构框图中压真空断路器从结构演变看，大致可分为 3 种类型：（1）分体式通常采用悬挂布置或综合布置。
断路器的灭弧室部分和操动机构部分为分体式，典型产品如ZN28A 系列，操动机构配用CD17- CD19 等，见图1-2。
中压直流断路器研究综述摘要：随着分布式新能源的大规模发展，以新能源为主体的新型电力系统逐步形成，为保证直流系统安全稳定运行，需要能在几毫秒内完成故障电流开断的中压直流断路器。
本文通过分析直流电网对直流断路器的性能要求，介绍了机械式、固态式与混合式三种典型直流断路器开断机理，概括近年来直流断路器的工程应用，归纳并展望中压直流开断技术未来发展趋势。
0引言构建以新能源为主体的新型电力系统，是“双碳”背景下我国能源电力转型发展的方向。
现代化直流配电系统在电能质量、可控性、新能源并网等方面具有的明显优势使其成为新型电力系统的重要组成，因而得到了广泛关注和飞速发展[1-3]。
直流电网是一个低阻抗、低惯量系统，直流侧发生故障后，系统内储能元件向故障点快速放电，几毫秒内便可达到额定电流的几十倍，严重危及直流电网安全。
目前，国内外多个科研院所均开展有关中压直流开断技术的研究工作，本文根据直流断路器的开断方式将现有中压直流开断技术进行分类，针对不同开断技术对拓扑结构和工作原理进行深入分析，系统性介绍了直流断路器的工程应用案例，并对中压直流开断技术的发展趋势进行展望，为未来发展提供参考。
1直流开断挑战直流电网以其独特优势成为新能源并网的主要发展方向。
然而，直流电网建设仍存在许多问题，其中最迫切需要解决且严重限制直流电网发展的是直流侧故障电流的清除问题。
直流系统中由于故障电流上升速度快，峰值电流高，且没有自然过零点，与交流断路器相比，直流断路器往往需要在几毫秒内切断故障电流。
因此，研究故障切除速度快、可靠性高的直流断路器一直是研究热点，国内外研究机构对直流断路器也开展了大量研究，并提出了极高的要求：（１）能够快速清除电网直流侧的故障；（２）能够迅速消耗直流线路中存储的能量；（３）在切断直流电流时，能够承受较高的过电压和过电流；（４）具有高开断能力；（５）具有重复开断能力。
2直流断路器关键技术2.1 机械式直流断路器机械式直流断路器一般是由交流断路器改造而来, 其原理是在机械开关两端并联振荡换流支路产生振荡电流，人造电流过零点以解决灭弧困难的问题，具有微损耗、低成本、小体积和便于维护的优点。
混合式直流断路器直流断路器国内外研究现状⼀、⼀、直流断路器国内外研究现状直流断路器研宄所⾯临的主要问题即如何提升其开断速度与开断容量，针对传统低压开关设备难以满⾜快速开断和⼤容量开断需求，电⼒电⼦开关则存在通态损耗⼤、系统成本⾼等问题。
对综合了机械开关与电⼒电⼦开关优点的混合式直流断路器开展了⼀系列研宄。
直流输电系统的故障开断过程与交流输电不同，直流系统本⾝不存在电流过零点，因此断路器直接开断时难以⾃⾏熄灭电弧；由于直流系统的电感远⼤于交流系统，输电回路中存储⼤量能量难以快速释放；断路器开断过程中，断⼝两端电流迅速下降，使断路器承受极为陡峭的暂态恢复电压（TVR）。
为使直流直流输电系统能快速有效的分断故障电流，国内外学者设计了多种直流开断⽅式。
(1) 电弧耗能开断通过电弧燃烧耗散直流系统中存储的能量，待系统中能量不⾜以继续维持电弧燃烧，电弧熄灭，完成直流故障分断。
(2) 电流转移开断通过在机械开关上并联换流⽀路，将故障电流从机械开关转移⾄换流⽀路，为机械开关创造⼈⼯电流过零点，使电弧易于熄灭，直流系统存储的能量则由附加的能量耗散装置消耗。
① 空⽓直流断路器v 空⽓式直流断路器组成：分合闸机构、过流脱扣器、吹弧系统、栅⽚灭弧室；v 特点：开断容量⼤、控制相对简单；v 产品成熟：1、美国GE公司的Gerapid直流快速断路器（额定电压1-3.6kV，额定电流2.6-6kA，预期分断电流30-75kA）2、瑞⼠SECHERON公司的UR系列直流断路器（额定电压0.9-3.6kV，额定电流1.5-8kA，预期分断电流40-125kA）3、ABB公司在2016年推出轨道交通全新 1.8kV/1.5kA/30kA⾼速直流断路器DCBreak；4、韩国FKI、德国西门⼦、德国Balfour Beatty Rail、法国Saft Power Systems等公司都有已研发出低压直流开关设备5、国内平⾼集团2018年研制了1.8kV/80kA⼤容量直流快速断路器，中船重⼯712⾃主研发了ZDS3国产直流快速断路器（额定电压0.9kV/1.8kV，额定电流4kA，开端电流125/80kA）6、西安交⼤与⼤全集团研制了4kV/70kA空⽓介质直流断路器。
高压混合直流断路器及其关键技术摘要：针对目前混合直流断路器存在的成本高、占地面积大、控制复杂、通态损耗大、基于电弧电压关断的电压等级低的问题，提出了两种新的拓扑结构：基于低压电容器抑制起弧的高压混合直流断路器、二次换流式高压混合直流断路器，本文对所提的两种拓扑结构所涉及的关键技术进行了介绍，并对拓扑结构的优缺点进行了对比分析。
关键词：高压；混合直流断路器；关键技术1直流断路器关键技术1.1电弧模型国内外一直在对电弧模型进行着研究，主要把电弧模型分为两大类：物理数学模型以及黑盒模型。
物理数学模型反映的电弧整个过程更加详细准确，考虑的外界影响因素更多，且对湍流、热辐射等具有比较精确的计算，使整个数学模型变得更加繁琐，不易求解，在仿真中由于其求解复杂，使得整个仿真时间变长，影响了其在断路器电弧仿真研究中的应用。
黑盒模型则是采用了简单的等效方法，将电弧等效为一个可变电阻，仅仅考虑了，例如电弧电压、耗散功率、时间常数等几个关键参数的影响，省略了一些影响不大的外部因素，使得整个数学模型简单化，并能够比较准确的反映出电弧特性，因此在断路器起弧的仿真中黑盒模型比较常用。
目前，常用的黑盒电弧模型有：Mayr模型、Cassie模型、Hochrainer模型、ModifiedMayr模型、Schwarz模型以及KEMA模型、Cassie-Mayr混合模型等。
1.2电力电子器件的均压与均流电力电子器件串联电压不均分为两种情况：静态电压不均和动态电压不均。
器件运行过程中有四个工作状态会导致串联电压不均分别为：稳定正向关断状态、稳定导通状态、开通瞬态和关断瞬态错误！未找到引用源。
在导通稳态和正向关断稳态情况下，考虑的是静态均压；在开通瞬态和关断瞬态的瞬时动作情况下，串联各器件电压动态变化，考虑的是动态均压。
然而在导通稳态情况下，由于各模块的导通压降都很小，大约在1-3V之间，因此无需考虑均压。
当电力电子模块处于关断状态时，其等效电阻很大，相互之间存在差异，器器件的正向伏安特性不同，使得各模块所承受的压降会有很大差异，当电压超过模块的承受范围时将造成损坏。
