通过交流电（AC）输送电力的历史悠久而丰富多彩[1]。这种每秒多次来回交替输送电力的方法在一个多世纪以来一直主导着全球的输配电系统。与直流电 (DC) 相比，交流电的普及是因为其相对简单且廉价电压转换手段。然而，相比于交流电，直流电也存在自身的优势：由于导线电阻的降低从而减少了系统功率损耗；减少了电力导体的使用数量，功率承载能力更高（如表 1.1 所示）[2, 3]。此外，由于不需要同步频率和相位，直流电的并网和控制也相对容易。

a:每100公里
b:相同导体和绝缘结构

世界各地都有一些高压直流输电项目工程，这些工程通过避免使用额外的电力转换设备，在支持更高传输效率的同时，降低了成本，减少了物理占用空间。在低压领域（即 <1 kV），更简单的控制和更少的转换过程使直流微电网成为数据中心、工业设施和办公大楼的有吸引力的选择 [4]。这是因为许多通常与微电网相关的服务，例如储能、可再生能源、电动汽车充电和消费设备，都在直流平台上运行。

当来到中压 (MV) 领域（即 3.3-100 kV），如同 HVDC 对高压输电的作用一样，直流系统还有着进一步的优势。由于没有无功功率损耗、趋肤效应和电晕损耗，直流电的效率有所提高。与交流相比，直流电还表现出更大的功率输送能力。交流电流和电压的有效值具有均方根 (RMS) 关系，约为峰值的 70%。由于交流配电电缆仍需要根据峰值电压电流进行整定，因此这通过相同尺寸的直流电缆或线路提供更大的功率输送创造了固有的优势。MVDC配电的扩展将使连接日益增多的直流能源消费者和生产者变得不再复杂，因为配电系统正在连接到一个日益直流的世界：如今50%的电力都是通过直流设备运行的[5]。目前，直流网络通常是点对点互连，多端直流网络将允许发电、频率响应和能源交换更加多样化，并提高电网弹性。随着 MVDC 市场的成熟，在系统更高效率和灵活运行的需求推动下，网状直流配电和可再生能源与储能的大规模电网整合预计将会增长。

然而，在进行 MVDC 系统保护所需的安全策略方面仍然存在重大技术问题。断路器、电流限制器和故障检测机制对于电网至关重要，其作用有多种：在故障期间对电网进行分区；防止损坏线路、电力电子设备和其他重要资产；以及在故障清除后恢复电网供电。由于与交流电不同，直流电不表现出自然电流过零（电流来回交替流动的结果），因此必须开发新的故障隔离方法，以安全地将故障电流降至零 [6]。

此外，为了减轻直流系统故障的破坏范围，需要快速分断系统电流 (di/dt)，导致系统中产生较大的过电压 (V)，尤其是在负载电感 (L) 较大的情况下 [7]。交流系统基本可以避免这种风险，因为变压器和发电机可以在更长的时间内 (>100 毫秒) 耐受高故障电流 (20×–40× 标称电流)，从而最大限度地降低过电压产生。LVDC 和 HVDC 市场主要使用三种类型的断路器：机械断路器 (MCB)、固态断路器 (SSCB) 和混合断路器 (HCB)。所有断路器都配有并联浪涌抑制器，通常是金属氧化物压敏电阻 (MOV)，用于在故障后传导和吸收存储在线路电感中的任何残余能量（如果需要）[8, 9]。

MCB 使用机械开关与介质电弧（例如真空、SF6、油）相结合来清除故障。MCB 具有低通态电阻和功率损耗（<0.01% 损耗）的特点，但由于电弧烧蚀和（至少从历史上看）较慢的开关速度，MCB 存在烧蚀寿命的问题。此外，由于在无过零的情况下熄弧困难，MCB 仅限于 3 kV 以下的应用。由于开关速度和电弧消除对交流系统的风险较低，因此 MCB 方案也常见于交流断路器 [8, 9]。SSCB 使用半导体器件（包括集成门极换流晶闸管 (IGCT) 和集成绝缘栅双极晶体管 (IGBT)）作为开关介质。SSCB 不会产生电弧，并且开关速度更快（<100 μs），从而降低了最大故障电流 [8]。这使得它们非常适合断路器位于受保护设备附近的应用，例如电动汽车电池组 [10]。然而，高导通状态传导损耗（>0.3% 传导损耗，高达电压源换流站损耗的 30% [11]）和高成本是该技术的主要缺点。传导损耗是由于导通状态设备电阻造成的。这些损耗会导致大量热量的产生，通常需要冷却系统（液体或空气）来防止过热并确保半导体稳定性 [12]。HCB 能够提供快速的开关速度（响应时间 <2 毫秒），同时仍保持较低的功率损耗（<0.01% 损耗）。HCB 通常有三个并联支路：一个正常的、低导通电阻操作支路，其中包含一个转移开关和机械开关；一个由堆叠多个半导体开关形成的主断路器支路；以及通常由浪涌放电器组成的能量耗散支路。当发生故障时，开关将电流转移到主断路器。一旦电流转移完成，机械开关将在零电流下打开，从而避免产生电弧。然后主断路器将关闭，剩余的故障电流将由浪涌放电器耗散。表 1.2 根据五个关键性能指标对所有三种类型的直流断路器进行了比较总结。由于没有明显的优势选项，需要根据应用权衡。通常对于低压应用，通常采用 MCB，而在高压应用中，常用 SSCB 和 HCB 。有趣的是，对于 MV 应用，所有五个关键指标都足够关键，以至于断路器类型的选择变得更加具有挑战性。

利用 HVDC 断路器或 LVDC 断路器实现 MVDC 断路器的挑战如下。现有 HVDC 断路器 (HCB 或 SSCB) 的由大量半导体器件和相关冷却设施构成，因此很难在不大幅降低运行效率和成本的情况下将其缩小到 MVDC 级别。相反，由于电弧问题，从 LVDC (传统 MCB) 扩展到 MVDC 也很困难：在更高的电压水平下，电弧会成为重大危险。因此，MVDC 断路器技术 (和 MVDC 配电应用) 的开发一直极具挑战性。目前，MVDC 断路器仅适用于较低电压 (<3 kV)、低功率 (<3 MW) 应用，并且主要限于铁路领域 [13–16]。

虽然交流系统中的电路保护协议非常成熟，并且许多电网、船舶和铁路系统都实施了 IEEE 标准，但市面上可用的直流产品很少，而且用于定义 MVDC 断路器性能要求的标准也有限。为了弥补这一差距，ARPA-E 建立了 Building Reliable Electronics to Achieve Kilovolt Effective Ratings Safely (BREAKERS) 计划 [17] ，如表 1.3 所示。

a:瞬时值
b:测量断路器效率时，必须考虑冷却系统所消耗的功率

为了在可再生能源收集、海上石油和天然气分配、交通电气化、高能物理、核聚变和其他应用中实现 MVDC 应用的电路保护，BREAKERS 计划中的指标针对额定电压在 1 至 100 kV 之间、瞬时功率水平在 1 至 200 MW 之间的中压断路器。通过低传导损耗，断路器效率目前在 LVDC 和 HVDC 级别的 HCB 中实现高于 99.97%，但尚未在 MVDC 应用中实现。响应时间定义为从断路器收到跳闸命令到电流降至大约零的瞬间，为了限制最大故障电流以保护直流电源转换和设备，并实现快速电力恢复。将低损耗与激进的快速响应相结合使断路器能够适用于现有的 LVDC 和 HVDC 系统。为提高断路器的可靠性和使用寿命，我们设定了误动作指标。误动作是断路器无故障跳闸，跳闸原因要么是电气原因，要么是断路器认为存在故障，但实际上并不存在故障。更快的故障检测机制可能会导致误动作率增加，从而导致不必要和可避免的停电。最后，随着中压在运输领域和海上应用中越来越受欢迎，断路器的尺寸和体积将成为设计中的重要因素。因此，应最大化功率密度，为这些应用提供紧凑和模块化的产品。使用被动或强制风冷散热的要求是因为在安装 MVDC 断路器的地方通常没有冷却水。此外，它推动了热管理和封装方面的创新，与液冷系统相比，可以降低运输和固定应用中的系统级重量、复杂性和成本。

总之，在直流系统的安全和保护机制方面仍存在巨大的技术差距。电气故障时（例如短路和过载）挥之不去的高分断风险仍然是阻碍直流市场增长的主要障碍。相比在交流网络中，电流存在自然过零点，这使得电气故障很容易被消除。另一方面，直流网络在没有过零点的情况下输送电力，导致故障燃弧难以自然熄灭，使得直流断路器在故障情况下完全失效。MVDC安全和保护技术的提高将为直流系统在电网中创造更多的使用机会，从而提高系统运行效率。这将改变整个电网发、输、配电的管理方式，从而提高容量和电网弹性。此外，其他 MVDC 应用，如海底石油和天然气生产、海上风电和核聚变，也将受益于安全可靠的电力直流电网。

参考文献

1. U.S. Department of Energy, The War of the Currents: AC vs. DC Power (U.S. Department of
   Energy, 2014). https://www.energy.gov/articles/war-currents-ac-vs-dc-power
2. Siemens, High-Voltage Direct Current Transmission (HVDC) Fact Sheet (2012). https://
   www.siemens.com/press/pool/de/events/2012/energy/2012-07-wismar/factsheet-hvdc-e.pdf
3. A. Shekhar, Grid capacity and efficiency enhancement by operating medium voltage AC cables
   as DC links with modular multilevel converters. Int. J. Electr. Power Energy Syst. 93, 479–493
   (2017)
4. X. Yao, Study on DC arc faults in ring-bus DC microgrids with constant power loads, in 2016
   IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE) (2016)
5. S. Frank et al., Energy Design and Scoping Tool for DC Distribution Systems (U.S. Department
   of Energy, Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, 2017). Retrieved from https://
   www.energy.gov/sites/prod/files/2018/01/f47/8g_BERD_NREL.pdf
6. G. Li et al., Frontiers of DC circuit breakers in HVDC and MVDC systems, in 2017 IEEE
   Conference on Energy Internet and Energy System Integration (EI2) (2017)
7. G. Reed et al., Advancements in medium voltage DC architecture development with applications for powering electric vehicle charging stations, in 2012 IEEE Energytech (Cleveland,
   2012)
8. X. Pei et al., A review of technologies for MVDC circuit breakers, in IECON 2016 – 42nd
   Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (Florence, 2016), pp. 3799–
   3805
9. Recent advances have brought switching times from >100ms to <10ms. See: C. Gu et al.,
   Semiconductor devices in solid-state/hybrid circuit breakers: Current status and future trends.
   Energies 10 (2017)
10. G. Walker, A DC Circuit Breaker for an Electric Vehicle Battery Pack (University of
    Queensland, 1999)
11. M. Callavik et al., The Hybrid Circuit Breaker: An Innovation Breakthrough Enabling
    Reliable HVDC Grids (2012). Retrieved from https://new.abb.com/docs/default-source/
    default-document-library/hybrid-hvdc-breaker%2D%2D-an-innovation-breakthrough-forreliable-hvdc-gridsnov2012finmc20121210_clean.pdf
12. A. Hassanpoor et al., Technical assessment of load commutation switch in hybrid HVDC
    breaker. IEEE Trans. Power Electron. 30(10), 5393–5400 (2015)
13. Z. Shen, Solid State Circuit Breakers for Microgrids (ARPA-E, U.S. Dept. of Energy).
    Retrieved from https://arpa-e.energy.gov/?q=slick-sheet-project/solid-state-circuit-breakersmicrogrids
14. High Power Solid State Circuit Protection for Power Distribution and Energy Storage (Office
    of Naval Research, 2013)
15. C. Davidson et al., Hybrid DC Circuit Breakers Using Gas-Discharge Tubes for High-Voltage
    Switching (CIGRÉ Winnipeg Colloquium, 2017)
16. SCiBreak. VSC Assisted Resonant Current – Concept. Retrieved from http://
    www.scibreak.com/technology/vsc-assisted-resonant-current-varc-circuit-breaker/vscassisted-resonant-current-cb/
17. U.S. Department of Energy, Building Reliable Electronics to Achieve Kilovolt Effective Ratings
    Safely. https://arpa-e.energy.gov/technologies/programs/breakers