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我國高壓多端直流系統(tǒng)仍在起步階段，隨著電能需求的不斷增加，多端直流輸電逐漸成為未來發(fā)展趨勢。近年來，基于半橋型模塊化多電平變換器（Modular Multilevel Converter, MMC）結(jié)構(gòu)的換流器廣泛應用于柔性直流輸電中。受制于其結(jié)構(gòu)，直流短路故障電流峰值較高、上升速度快，因此對直流斷路器的遮斷容量以及開斷速度提出了較高的要求。

現(xiàn)階段直流斷路器（DC Circuit Breaker, DCB）可分為機械式、固態(tài)式、混合式。其中，機械式斷路器通態(tài)損耗小、成本低，但其遮斷容量較低、開斷時間較長，適合低電壓等級、小故障電流的直流系統(tǒng)；固態(tài)斷路器利用大量全控型器件串聯(lián)，遮斷容量高、開斷速度快，適用于高壓等級系統(tǒng)，然而其通態(tài)損耗較大，且成本過高；混合式直流斷路器綜合了前兩者的優(yōu)勢，采用機械與固態(tài)支路混合的方式，具備遮斷容量高、通態(tài)損耗小的優(yōu)勢，是當今研究的熱點。

迄今各科研機構(gòu)已提出多種混合式直流斷路器方案，實際直流工程中亦有少量應用，驗證了方案的可行性。但隨著多端直流電壓等級的升高，故障電流升高，直流斷路器存在電流峰值、過電壓峰值、泄放能量等分斷應力較大的問題，過電壓較高會導致串聯(lián)的大量IGBT的耐壓成本提升，且增大了其損壞的風險；過大的泄放能量將對避雷器組的吸能要求更高，這些均將增加DCB的制造成本及技術(shù)要求。

為減小DCB分斷應力，采取故障限流器配合直流斷路器完成直流開斷的限流式直流斷路器（Current Limiting DC Breaker, CLDCB）是未來發(fā)展的趨勢。對此，武漢大學的研究人員提出了一種用于限流式直流斷路器的新型快速響應故障限流器（New type of fast response Fault Current Limiter, NFCL）。

該限流器利用磁耦合的方式，引入一條輔助支路，能在系統(tǒng)正常時處于小電感值，替代平波電抗器使用。故障發(fā)生時能快速退飽和，變成大電感有效限流；在故障電流下降時，輔助支路通過磁耦合并聯(lián)進NFCL主支路，消除大電感限流器延長故障電流下降時間的負面影響，提升電流下降速度。

圖1 實驗現(xiàn)場及接線原理

研究人員表示其全過程自適應動作，無需外部檢測觸發(fā)裝置，響應速度快；同時能有效降低DCB上的電流峰值、過電壓峰值、避雷器泄放能量等各項分斷應力，從而降低直流斷路器制造成本及技術(shù)要求。且NFCL不存在二極管位于高壓側(cè)承受高壓的問題，降低了對地絕緣制造成本。

圖2 四種限流器下的故障電流波形

研究人員指出，在◆500kV的直流系統(tǒng)中，NFCL較傳統(tǒng)FCL有明顯的性能優(yōu)勢：能夠明顯降低DCB的吸能應力，并且能一定程度上降低DCB的過電壓峰值；減小電流下降時間71.6%；降低DCB的過電壓峰值24.9%，降低了DCB吸能99.1%。

以上研究成果發(fā)表在2021年第8期《電工技術(shù)學報》，論文標題為“一種快速響應直流限流器拓撲結(jié)構(gòu)與參數(shù)設計”，作者為袁佳歆、陳鶴沖、陳凡、張哲維。