1.概述

从高压直流（HVDC）输电到中压直流（MVDC）和低压直流（LVDC）配电，故障保护仍然是在各种应用中广泛采用具有固有优势的直流电的主要障碍。直流故障保护对于这些直流电源系统的可靠运行至关重要，通常包括极对极（P-P）和极对地（P-G）类型短路故障的检测、定位、分断和隔离。极间故障出现在正极和负极线路间，通常表现出较低的短路阻抗。它是直流电网中最严重的故障类型，通常会在极短的时间内产生极大的故障电流。极对地故障发生在正极或负极电源线对地短路时，通常由雷击和元件故障引起。极对地故障的影响取决于直流电源系统使用的特定接地方案，也可能造成危害。其他直流故障类型，如高阻抗接地故障和电弧故障，虽然也很重要，但由于其故障电流水平与短路故障相比相对较低，因此不在本书中讨论。

尽管高压直流输电技术已越来越多地被公用事业行业采用，同时 MVDC 和 LVDC 也展现出了诸多优势，它们仍然仅限于少数特殊应用。与任何交流电网一样，直流电网的基本要求是能够分断故障电流并将故障部分与电网的其余部分隔离。为了最大限度地减少对电网运行的干扰，提供能够以高速、完全选择性地检测、区分和隔离直流故障的直流保护方案至关重要。此外，还需要制定全球直流保护标准和指南，以促进直流电力系统的广泛采用。

故障分断可以说是直流故障保护中最重要也是最具挑战性的方面。直流故障分断技术（如直流断路器）必须结合直流故障检测和定位技术，快速、有选择性地隔离短路故障。由于直流电网不存在自然过零点且具有低电抗特性，为直流系统开发经济可靠的故障分断解决方案要比传统交流系统困难得多。此外，现代直流电源系统通常由大量基于半导体的电力电子换流器组成，其故障穿越能力有限。例如，常用的 IGBT（绝缘栅双极晶体管）只能承受 3-4 倍额定值的短路电流，时间不超过 10 μs。相比之下，使用笨重的铜和铁元件的交流变压器和开关设备可以承受额定值 30-40 倍的短路电流，持续时间超过数百毫秒。这种巨大的电热能力差异要求新兴直流电网的故障分断速度要比传统交流电网快得多。

在过去二十年中，关于各种直流故障断路技术的技术论文和专利已经大量发表，真实反映了工业界和学术界对这一主题的高度关注。目前已有多篇报告论文对直流故障分断的不同方面进行了出色的评述，包括 MVDC 和 LVDC [1-6] 以及 HVDC [7-10] 电力系统中的故障保护、固态断路器 (SSCB) [11]、基于晶闸管的 SSCB[12-14]、混合断路器 (HCB) [15]、故障限流器 (FCL) [16] 以及基于换流阀的无断路器故障保护 [17]。不过，这些调查或综述论文往往涵盖特定类别下的技术出版物，并且/或者侧重于详细的技术特征或子系统。作者之间在使用技术术语、定义或分类方面存在相当大的不一致。因此，有必要对所有相关的直流故障分断技术进行高层次的综合比较概述和统一分类，这些概述和分类应基于基本的拓扑结构和工作原理，而不是次要的实施细节。除了原始出版物中的说法之外，还需要针对广泛的直流电源应用对主要故障分断技术的固有优缺点进行客观的比较和评估。

本章旨在弥合这一差距，在简要回顾直流故障电流分析之后，对文献中的大多数（如果不是全部）直流故障分断技术进行统一分类和比较。其目的是帮助读者快速了解直流故障保护这一令人兴奋但有时又令人困惑的研究领域，并了解在不同电压和电流额定值下，与其他竞争解决方案相比，每种方法在效率、速度、复杂性、使用寿命和成本方面的固有优缺点。虽然本章在参考文献列表中引用了一些有关故障保护概念的最重要和/或最有代表性的出版物，但我们鼓励读者在综述或调查论文[1-17]中找到更全面的参考文献列表。

2.直流故障电流分析

了解和分析短路故障电流是制定适当故障保护策略的第一步。直流故障电流通常由两部分组成：初始电容放电瞬态电流和随后由电源提供的稳态故障电流。图 2.1 显示了一个环形配置的直流系统。故障时，直流系统的故障电流来自交流源和直流源，即交流同步发电机、感应电动机、蓄电池和变流器电容器。来自不同交流源和直流源的故障电流共同决定了故障特征，如故障峰值和时间常数。最终，直流故障特征决定了直流保护设计对保护装置、故障检测和定位方法以及保护协调的要求。

不同类型的故障源及其相应的直流故障电流计算概述如下。

2.1 电容故障电流

直流系统中广泛使用换流器。换流器电容器不仅为从换流器流出的电能提供能量储备，还能稳定直流系统电压。在直流故障时，换流器电容器放电是不可控的，可能在几微秒内产生很高的故障电流。电容器放电会导致整个系统的设备欠压跳闸。高放电电流还可能因高电磁应力而对设备造成机械损坏。

除了供电中断和机械损坏外，快速增加的电容器放电电流还可能损坏换流器半导体。图 2.2 展示了两电平交/直流换流器直流故障电流发展的两个阶段及其相应的故障电流路径。在第一阶段，直流故障电流作为电容器放电电流出现在故障路径 (2.1) 中的故障位置。一旦电容器电压为零，换流器二极管就会导通。在第二阶段，直流故障电流流经变流器的续流二极管，如故障路径 (2.2) 所示。图 2.3 显示了失压换流器的故障电流路径。同样，在直流故障时，电容器首先根据故障电流路径 (2.1) 放电；然后，故障电流在故障电流路径 (2.2) 中流经升压换流器的续流二极管。在图 2.2 和图 2.3 中，如果变流器与故障位置之间的距离较短，则电容器电压会迅速降至零，同时，当故障电流开始流经变流器时，直流故障电流已增至很高的值。因此，高故障电流可能会破坏续流二极管，使其超出热极限。如果预见到这种热失控现象，换流器应避免这种损坏，这通常要求换流器的尺寸足够大，从而导致投资成本增加。传统的降压换流器也存在类似的故障路径。不过，通过二极管的故障电流受到降压换流器输出滤波器的限制，因此二极管受热损坏的风险大大降低。

根据放电电阻 R、电感 L 和电容 C 之间的关系，电容器放电电流 $i_{cap}$ 既可以是由 (2.1) 计算得出的直流电流，也可以是由 (2.2) 计算得出的衰减交流振荡电流。电容器电压 $v_{cap}$ 可根据 (2.3) 和 (2.4) 计算得出。为避免欠压跳闸，应在电容器电压降至欠压阈值以下之前分断直流故障。如果允许电容器电压降至零，为避免对变流器续流二极管造成损害，应在二极管达到热极限之前分断故障电流。对于振荡电容放电电流，根据（2.4），直流电压在 $\frac{\pi -\beta}{\omega}$ 时降至零。此时续流二极管开始导通，根据（2.5）可估算出直流故障电流$i_f$。它的初始值等于 $\frac{\pi -\beta}{\omega}$ 时由 (2.2) 得出的电容器放电电流值，并以时间常数$\tau$衰减，时间常数$\tau$是故障路径上总电感与电阻之比(2.2)。假设续流二极管完全相同，则总电阻包括每个二极管导通电阻的三分之二，每个相位的二极管占总直流故障电流的三分之一。在实际系统中，如果允许电容器电压为负值，换流过程就会变得复杂，准确的二极管电流波形可通过详细的时域仿真获得。

2.2 电池故障电流

电池可以不受限制地通过传统 DC/DC 升压换流器或直接向故障位置输出直流故障电流。图 2.4 展示了电池通过传统升压换流器的续流二极管产生故障电流的路径。电池直流故障电流可在几毫秒内上升到很高的值，从而对路径上的功率器件和设备造成损坏。

电池直流故障电流$i_{Batt}$在经过 (2.6) 所示的暂态过程后上升至峰值和稳态。稳态故障幅值由电池电压$V_{Batt}$及其故障电阻 R 决定。故障电流上升时间常数$\tau$是故障电感 L 与 R 的比值。传统上，在其上升时间常数的三倍处，故障电流被认为上升到接近其峰值的 ~95% 的值。

2.3 交流源的故障电流

根据换流器拓扑结构的不同，开关器件可能会也可能不会出现在直流故障路径上。如果故障路径上有 IGBT（绝缘栅控双极晶体管），则应迅速关闭，以避免因其热限低而造成损坏。如果使用热极限较高的半导体，如 IGCT（集成门控晶闸管），则可对其进行控制，将直流故障电流限制在较高水平，从而实现可靠的故障检测和保护协调。不过，这些在故障路径上带有开关器件的换流器通常成本相对较高。对于许多低成本换流器，如两电平交/直流换流器，其故障路径上没有用于分断或限制直流故障电流的开关器件。

交流源通过传统两电平换流器的续流二极管产生故障电流。稳态时，从交流侧到直流侧的故障路径如图 2.5 所示。因此，直流故障电流波形是交流源三相故障电流的包络线。直流故障峰值由三相故障电流的第一个峰值决定，该峰值出现在 60 Hz/50 Hz 系统的半个周期或 ~8 ms/~10 ms 左右。交流源的高故障电流会损坏其相关交直流整流器的续流二极管以及故障路径上的其他设备。

考虑到最坏的故障情况，即故障发生在电压峰值，发电机交流故障电流$i_{gen}$及其导数可通过 (2.7) 计算得出。在正交（dq）参考系中，$Eq_0$为发电机 q 轴内部电压。$L_{ad}$和$L_{δs}$是定子绕组在 d 轴上的电枢电感和漏感。$L_D$为发电机阻尼绕组电感。$L_d^{\prime \prime}$和$Lq^{\prime \prime}$是发电机定子绕组在 d 轴和 q 轴上的次暂态电感。需要注意的是，发电机频率$f_s$在运行过程中会发生变化。由（2.12）可知，如果发电机频率较低，则故障电流峰值较高，但达到故障峰值的时间较长。

在电机剩余磁通消失之前，交流电机也会通过其直/交流逆变器接口的续流二极管产生直流故障电流。与交流发电机故障电流类似，交流电机在最坏故障情况下的故障电流$i_m$可由 (2.8) 得出。$L_s$、$L_m$和$L_r$为电机电感。$R_r$和$R_s$是电机电阻。

更一般地，直流系统连接的是交流电网而非交流发电机。交流电网可以用三相电压源阻抗来表示；其交流故障电流$i_{AC}$可按 (2.9) 式估算。总源电阻$R_s$和电感$L_s$包括交流变压器电阻和电感。$V_s$和$L_s$分别为交流源内部电压和总电感。如果直流故障位置远离交流源及其整流器，则还应将总直流线路电阻$R_{line}$计算在内。

如果忽略三相交流故障电流引起的谐波，根据 IEC 61660[18]，直流故障电流也可由 (2.10) 和 (2.11) 估算得出。交/直流整流器后的直流故障电流在 $t_{peak}$ 时先上升到峰值 $i_{peak}$，然后最终稳定在稳态值 $i_k$，可由（2.9）得出。时间常数 $\tau _1$ 和 $\tau _2$ 分别为上升和衰减时间常数。$i_{peak}$、$t_{peak}$、$i_k$ 可由 (2.1)、(2.2)、(2.3)、(2.4)、(2.5)、(2.6)、(2.7)、(2.8) 和 (2.9) 得出。IEC61660 提供了 $\tau _1$ 和 $\tau _2$ 的计算公式。

2.4 直流故障电流的显著特点

图 2.6 和图 2.7 分别显示了交流和直流系统中的一些故障电流示例。图 2.6 和图 2.7 给出了使用 (2.10) 得出的电池直流故障电流近似值。在 IEC 61660 中，(2.10) 和 (2.11) 也用于近似蓄电池直流故障电流波形，表现为上升到峰值，然后下降到稳态值。根据 (2.6)，电池故障电流会在短时间内上升到接近其峰值和最终稳态值的高值。两条曲线的折中可能是更精确的电池直流故障电流，这还需要进一步的实验验证。与交流故障电流相比，直流故障电流有两个显著特点：

1. 直流故障电流中没有一致的 50 赫兹/60 赫兹过零点；
2. 直流电容器和电池的故障电流上升速度比交流故障电流快得多。

这两个显著特点对直流保护装置和方法提出了与交流完全不同的设计要求。

1. 由于直流故障电流没有自然过零点，传统的电磁交流断路器不能直接用作直流断路器。
2. 直流故障检测、识别和隔离所需的速度远远快于交流故障检测、识别和隔离所需的速度。

电流上升率 $di/dt$ 和故障峰值时间 $t_{peak}$ 对于确定直流断路器的速度要求和其他保护要求以及保护方法至关重要。根据 (2.1)、(2.2)、(2.3)、(2.4)、(2.5)、(2.6)、(2.7)、(2.8)、(2.9)、(2.10) 和 (2.11)，可通过 (2.12)、(2.13)、(2.14)、(2.15)、(2.16) 和 (2.17) 计算出不同种类电源的直流故障电流上升率。在电流上升率为零时，故障电流达到最大值。因此，电容器故障电流到达故障峰值的时间可按 (2.18) 和 (2.19) 计算。而故障峰值则可由 (2.20) 和 (2.21) 计算得出。

特别是对于超高速固态断路器而言，初始故障电流、故障峰值时间和初始电流上升率是制定直流断路器技术要求以及直流故障检测、定位和保护协调方法的重要变量。表 2.1 总结了由 (2.12)、(2.13)、(2.14)、(2.15)、(2.16)、(2.17)、(2.18) 和 (2.19) 得出的这些初始变量。使用这些变量设计固态断路器和各种直流保护方法的示例可参见 [19, 20]。

在故障发生后的很短时间内，初始电流上升率可近似为恒定值，初始故障电流被认为随时间呈线性增长。直流故障电流行为的这种线性近似值有助于估算固态断路器的设计参数。它们的峰值时间截然不同，分析如下：

1. 考虑到故障位置靠近故障源，如果电阻很低，则电容器放电呈振荡波形。故障峰值出现在 $\pi /2$ 处，电容器的峰值时间为 $\pi /2$ 除以角速度 $\omega$。因此，电容器放电的峰值时间可以低至几微秒。
2. 由于电池直流故障电流上升率在时间常数的三倍时降至其初始值的 ~5%，因此电池的峰值时间约等于上升时间常数的三倍。峰值时间与故障路径上的总电感和电阻（包括电池内阻）之间的比率有关。电池的峰值时间可达几毫秒。
3. 对于交流电源，由于故障电流是以三相故障电流的包络形式发展的，因此它们大约在交流系统时间常数的半个周期时达到故障峰值。交流源的峰值时间与系统频率有关，对于 60 Hz/50 Hz 系统，峰值时间约为 8 ms/~10 ms。

2.5 高阻抗故障的直流故障电流分析

在第 2.1、2.2 和 2.3 节中，故障电流分析是在低故障阻抗下进行的。故障阻抗对直流故障特征有很大影响，如降低故障峰值、增加故障时间常数等。如果直流故障由某个电源馈流，则可将故障电阻作为故障路径上总电阻的一部分来计算直流故障电压和电流。第 2.1 节、第 2.2 节和第 2.3 节中的公式 2.1、2.2 和 2.3 节中的公式需要根据故障电阻进行相应更新。

图 2.8 显示了两个等效直流源 VDC1 和 VDC2 在高阻抗故障时的故障电路。$R_{eq}$ 和 $L_{eq}$ 是直流源到故障位置的等效电阻和电感。$R_f$ 是故障电阻。下标 1 和 2 分别表示与 VDC1 和 VDC2 相关的变量。公式 (2.20) 和 (2.21) 描述了来自两个源的故障电流 $i_{f1}$ 和 $i_{f2}$。由于故障电阻较高，来自一个源的故障电流会受到来自其他源的故障电流的影响。如果已知另一故障源的故障电流和故障电阻，则可根据这两个等式推导出故障源的故障电流。在实际系统中，VDC1 和 VDC2 可能是保护装置测量到的直流电压。公式 (2.22) 和 (2.23) 表明，要准确估算高阻抗故障的故障电流，可能需要进行遥感和测量。如果给定电路参数和$R_f$，式 (2.24) 可用来计算故障电流$i_{f1}$。

在上述公式中，故障电阻 $R_f$ 被视为已知量，而实际上，$R_f$ 通常是一个未知变量，需要通过推导才能进行准确的故障检测和定位。在实际应用中，可以使用多个电压和电流测量值来估算故障电阻。公式 (2.25)、(2.26) 和 (2.27) 描述了 VDC1 在三个不同时间时刻 $t_1$、$t_2$ 和 $t_3$ 的故障电路。如前所述，需要在多个时间时刻测量 $i_{f1}$ 和 $i_{f2}$ 的电流。电流上升率可通过电路直接测量或电流测量间接计算得出。方程 (2.28) 是 (2.25)、(2.26) 和 (2.27) 的矩阵格式。如果有更多的测量数据，则可以使用最小二乘法回归来优化估算并提高估算精度。

3.直流故障检测和识别

为了防止对电网造成损害，直流故障必须及时可靠地识别和定位。由于直流故障电流上升快，同时半导体热极限水平低，对故障检测和识别的可靠性和快速性提出了巨大的技术挑战。直流系统中任何位置的总故障电流都是直流网络内不同位置不同电源的故障电流加权和。也即：最终故障电流是所有电源电流的叠加。直流故障电流波形及其特征与直流网络拓扑结构和线路参数密切相关。IEC 61660 [18] 中介绍了分布式直流电网的故障电流估算方法，并提出了一种改进方法，将直流故障计算推广到网状直流系统，提高了估算精度 [21]。

直流故障电流可以通过不同的方法和技术进行检测和识别。根据测量位置的不同，可采用基于本地测量的方法和基于通信的方法。根据直流故障检测中使用的参量，可将基于本地测量和通信的方法进一步分类。典型的基于本地测量的方法包括过流、电流变化率、欠压和距离。这些故障保护方法属于非单元保护，在达到保护阈值时可同时响应区内和区外故障。最常见的基于通信的故障检测方法是差动保护。这是一种单元保护，仅对区内故障启动。

上述大多数故障检测方法都是从交流系统的传统故障检测方法扩展到直流的。交流故障电流以正弦波形式产生，系统固有频率为 50/60 Hz。第 2 节表 2.1 给出了估算不同来源直流电流的公式。由于直流电感通常较低，电容器和电池的直流故障电流会迅速增加。从原理上讲，为了适应直流故障检测对保护速度的快速要求，需要对传统的交流故障检测方法进行修改，以防止电力中断或损坏元件。基于电流变化率的保护很少用作交流电的主要故障检测方法。但在直流电中，由于电感较低，直流故障时的电流上升率很高，因此可以将其用作主要保护方法。使用基于电流上升率的直流故障检测法进行准确可靠的故障检测，严格的同步和高采样率至关重要。

每种故障检测技术在可靠性、速度、灵敏度、选择性和实施复杂性方面都各有优缺点[1, 19, 20,22]。需要注意的是，前面提到的非单元直流故障检测方法通常可以有效处理故障阻抗较低的直流故障。如果故障路径中存在高故障阻抗，则应按照第 2 节所述将故障电阻纳入故障电流计算，并相应调整非单元故障检测方法的检测阈值，以纳入高故障阻抗的影响。如第 2.5 节所述，高阻抗故障的故障电流来自多个电源，本地测量保护无法发现故障阻抗，因此无法准确检测直流故障。估计故障阻抗和位置需要遥感和通信。单元保护的优势在于对故障阻抗的依赖性更低。高故障阻抗会降低直流故障电流的增长速度，增加达到故障峰值的时间。因此，可以放宽对高阻抗直流故障检测速度的要求，这有利于基于通信的差动保护。随着可靠通信方案成本的合理增加，高速差动保护可用作直流微电网的主保护。由于通信延迟会降低保护响应速度，因此应尽量减少通信延迟。可靠的高带宽通信和严格的同步是基于采样的差动保护的必备条件。根据需要保护的直流系统的具体需求，最终选择合适的直流故障检测方法可能是一种结合多种直流故障检测技术的混合方法。

4.直流故障分断技术

直流故障分断技术的目标是快速、安全地将直流网络的故障部分与健康部分隔离，同时防止对系统造成损害。它是任何直流电源系统的重要组成部分，在过去几十年中已成为深入研究和开发的主题。

交流电源系统通常使用机械断路器来产生电弧，并利用交流电流的自然过零点来熄灭电弧。这些机械断路器的分断能力和速度足以满足大多数交流应用的需要。与交流相比，直流故障电流分断的第一个挑战是直流电源系统本身不存在电流过零点，这使得任何机械断路器都难以熄灭电弧。第二个挑战是，直流电源系统通常比交流电源系统的电抗小得多，导致故障电流上升快得多，因此需要几毫秒或更短的响应时间，而交流断路器则需要几十毫秒。第三个挑战是，直流电源系统的残余电磁能与环路电感和分断时故障电流的平方成正比，必须在分断过程中耗散。在某些高压直流系统中，这种能量可高达数十兆焦耳。

直流断路迫使故障电流下降到零，并将故障与系统完全隔离。它必须具备低导通损耗、快速响应、电隔离、高可靠性、长寿命和低成本等主要特点。图 2.9 提供了根据基本拓扑结构和工作原理而非技术特征对各种直流故障分断技术的新的统一分类。它分为五类：机械断路器 (MCB)、固态断路器 (SSCB)、混合断路器 (HCB)、基于换流器的保护（无断路器）和故障电流限制器 (FCL)。每个类别将根据二阶特征进一步细分为若干小类。本节将讨论每种直流故障分断技术的工作原理、优缺点和实际应用。本章最后还将对各种额定电压和电流进行比较。

4.1 机械断路器

机械断路器（MCB）是一项非常成熟的技术，在交流电网中广泛应用已有近一个世纪。在 MCB 中，两个金属触点通过电磁、热磁、弹簧作用等机械力来闭合或断开电路。MCB 的工作损耗由金属触点的接触电阻决定，根据额定电流的不同，损耗范围从几$\mu \Omega$到几十$\mu \Omega$不等。在所有故障断路技术中，MCB 的功率损耗最低。其额定电压由触头之间的物理间隙和介质决定，从微断断路器（MCCB）的数百伏到真空灭弧室的数十千伏，或六氟化硫（SF6）高压断路器的数百千伏不等。断开时两个触头之间的弧电压与电源电压相抵消，有助于降低故障电流。宽额定电压和电流、超低传导损耗和成本效益使 MCB 成为大多数交流应用的理想选择，因为断弧可在自然出现的电流零交叉点处熄灭。不过，MCB 需要较长的时间（几十到几百毫秒）来分断故障，因此不适用于需要较快响应时间的直流应用。此外，MCB 通过产生和熄灭电弧来ff'dr故障电流，随着时间的推移会降低其使用寿命和可靠性。

传统的交流 MCB 经过显著的电压和/或电流降额后，可适用于某些直流应用。采用特殊熄弧技术的专用直流 MCB 还可设计用于高达 kV/kA 额定值的直流应用，如直流铁路和牵引系统。不过，考虑到 MCB 有限的熄弧能力、使用寿命和响应时间，对于大多数直流电源系统而言，MCB 通常并不可行，也不符合成本效益。需要注意的是，带有并联LC 谐振电路的 MCB 可以通过金属触头产生人工电流过零，从而大大提高其直流故障分断能力。与许多其他出版物不同的是，在图 2.9 的分类中，这种解决方案被列为 HCB 类别，并将在本节稍后部分进行讨论。

熔断器是另一种广泛使用的故障分断技术，成本相对较低，因此本节将简要讨论。熔断器通常由熔断体组成，周围有吸热材料，以便在故障电流分断时熄灭电弧。它既可用于交流系统，也可用于直流系统。不过，在交流电网中，电流的自然过零点能够帮助熔断器熄灭电弧，而在直流系统中，由于没有过零点，熔断器需要能够完全自行吸收电弧能量。因此，直流熔断器的故障分断能力明显低于类似的交流熔断器。熔断器通常用于直流牵引、电池保护、采矿和其他工作电压高达 4000 V 的直流应用中。此外，它们的分断时间与 MCB 相似，因此不适用于故障电流快速上升的直流应用。在直流系统中，它们通常用作主要保护措施无法分断故障电流时的后备保护。

4.2 固态断路器

固态断路器（SSCB）主要使用 MOSFET、IGBT、IGCT 或晶闸管等功率半导体器件来闭合和断开电路回路。图 2.10 显示了通用 SSCB 的概念框图和开关波形。SSCB 工作时需要额外的栅极驱动器、冷却系统、电压箝位电路、故障检测电路和辅助电源。在正常工作期间，功率半导体器件保持导通状态。栅极驱动器单元向功率半导体栅极端子施加适当的偏置电压或电流，使其保持低电阻导通状态。故障检测电路以模拟模式或高采样率数字模式持续监控负载电流。如果检测到过流情况，控制电子元件会通过栅极驱动器关闭功率半导体器件。一旦 MOV 吸收了所有残余的系统能量，系统电流被驱动为零，功率半导体和 MOV 都将处于高阻抗状态，断路器两端的电压将达到系统母线电压。本书第 3 章介绍了一个使用反向闭锁 IGCT 作为静态开关的 1 kV/1.5 kA 额定 SSCB 示例。它的功率损耗低于 3 kW，响应时间为几百微秒（与线路电感有关）。本书第 4、5、6、7、8 和 9 章介绍了其他几个 SSCB 示例，每个示例都具有不同的设计特点。

SSCB 具有几个明显的优势。首先，它们的响应时间比传统 MCB 快几个数量级。请注意，SSCB 的响应时间（通常为几十到几百微秒）主要由 MOV 能量吸收时间决定，因为半导体器件可以在几微秒内完成开关动作。其次，与依靠触点分离实现电流分断的 MCB 不同，半导体器件可以在不产生强迫的情况下分断故障电流。这就大大延长了运行寿命。最后，由于具有极快的电流分断能力，SSCB 可以将故障电流和泄漏能量限制在相对较低的水平，从而可以缩小电力电缆和其他系统组件的尺寸。

SSCB 的主要缺点是导通状态功率损耗大，而且需要主动冷却，这大大增加了电源系统的尺寸、重量、成本和复杂性。与 MCB 的微欧接触电阻相比，功率半导体器件的导通电阻通常要高出几个数量级，具体取决于器件类型和额定电压。硅 IGBT 的电压额定值为 600-6500 V，单个分立器件或功率模块的电流额定值高达 1 kA。ICGT 的额定电压为 2500-6500 V，额定电流高达 2 kA，导通电阻大约比 IGBT 小 20-50%。晶闸管（也称为硅控整流器或可控硅）的额定电压高达 12 kV，额定电流高达 6 kA，等效导通电阻甚至低于 IGCT。硅功率 MOSFET 的导通电阻在毫欧范围内，额定电压低于 100 V，因此成为一种可行的 LVDC 器件选择。不过，硅功率 MOSFET 的导通电阻会随着额定电压的增加而急剧增大，因此不适合额定电压超过 300 V 的情况。值得注意的是，在 SSCB 设计中，如果功率损耗超过几十瓦，通常需要采用主动冷却技术，如强制空气冷却或液体冷却，从而导致重量、尺寸、复杂性和可靠性方面的损失。高功率 SSCB 通常需要主动冷却装置，而低功率 SSCB 则可能采用被动冷却。这只是因为 SSCB 的开关往往不是经常发生的事件，总的故障分断时间主要由更长的 MOV 能量吸收时间决定。

在过去的十年中，宽带隙（WBG）半导体器件，如碳化硅（SiC）MOSFET和氮化镓（GaN）晶体管，已经可以在市场上买到，并在潜在的SSCB应用中吸引了人们的注意。WBG晶体管的比导通电阻明显低于硅器件，为低损耗和被动冷却的SSCB设计提供了可能。本书第 4 章介绍了一种基于氮化镓的 380 V/20 A SSCB 设计，其总导通电阻为 10 $m\Omega$，总功率损耗为 4 W，无需任何主动冷却装置。本书第 5 章和第 6 章介绍了几种基于 SiC 的 SSCB 拓扑，第 9 章还介绍了几种基于 WBG 的 SSCB 方案。不过，需要指出的是，目前 WBG 器件的价格是硅器件的 3-5 倍，而且其更快的开关特性通常不利于 SSCB 应用。此外，虽然 20 kV SiC IGBT 等高压 WBG 器件早有报道，但尚未实现商业化。在不久的将来，基于 WBG 的 SSCB 极有可能局限于相对较低的功率系统（例如，低于 1000 V 和/或 100 A）。

传统的 SSCB 通常有两种工作状态（因此在图 2.9 中称为双模 SSCB）： 导通正常电流的 ON 状态和分断故障电流的 OFF 状态。双模 SSCB 在处理浪涌电流等复杂工作情况时，灵活性非常有限。浪涌电流通常是电力负载在启动过程中对大型输入电容器的初始充电电流，可能是额定电流的数倍，很难与真正的短路故障电流区分开来。浪涌电流可能会导致断路器跳闸。除了传统的 ON/OFF SSCB 配置外，还需要开发创新的解决方案，以最小的成本代价集成智能功能。

本书第 4 章介绍了一种新型智能 SSCB，可在三种状态下工作（因此在图 2.9 中称为多模式 SSCB）。除了 ON 和 OFF 状态外，这种所谓的三模式 SSCB 还能在短时间内工作在具有适度过流的独特 PWMC 电流限制（PWM-CL）状态，以促进软启动、故障验证、故障定位和选择性协调等智能功能的实现。如果三模式 SSCB 在短时间内认为过流条件是真正的短路故障，而不是启动情况，则会从 PWM-CL 状态切换到关断状态。采用开关模式降压拓扑和变频 PWM 控制方法来取代简单的双模式 SSCB ON/OFF 开关配置，以优化软启动和其他故障保护功能。其他多模式 SSCB 设计实例包括以饱和模式运行 SSCB 的功率 MOSFET，以限制浪涌电流或使用不同的换流器拓扑结构。第 5 章中介绍的 T 型断路器概念也提供了多种工作模式。

对于双模 SSCB，有两种不同类型的功率半导体器件可用作主静态开关：全控晶体管（如 MOSFET、IGBT 和 IGCT）和半控晶闸管（SCR）。晶体管可通过栅极控制信号实现导通和关断，在 SSCB 设计中很容易采用。虽然 IGCT 本质上是一种特殊类型的晶闸管，但由于其具有完全的栅极可控性，因此在此将其归入晶体管类别。

与 IGBT 相比，晶闸管具有更高的额定功率（高达 12 kV 或 6 kA）、更低的传导损耗和更强的浪涌电流能力（高达 100 kA），因为它们是在整个硅晶片（直径达 150 mm）上制造的，并夹在压力触点封装中。因此，晶闸管是大功率 SSCB 设计的理想选择。不过，晶闸管可以通过栅极控制信号开启，但必须通过自然换流或强制换流才能关闭，因此在直流应用中较难使用。由于没有电流过零点，在直流电源网络中需要特殊的辅助换流电路来关闭晶闸管。文献 [12] 综述了各种基于可控硅的 SSCB 拓扑。基于可控硅的 SSCB 的主要缺点包括相对较长的电流分断时间和使用笨重的电容器。近年来，一种特殊的基于可控硅的 SSCB 被称为 Z 源 SSCB，它具有自主快速电流分断的优点。Z 源 SSCB 具有一个LC 阻抗网络（Z 源网络）。当发生严重短路故障时，电感电流会在短时间内保持相对恒定，而电容器则会提供一个瞬态电流路径，从而在可控硅中产生一个电流过零点。电流过零后，可控硅断电，短路故障与电源隔离。可控硅的换流不需要来自控制电路的关断指令，因此故障分断速度很快。本书第 7 章介绍了 Z 源 SSCB 的基本概念和几种设计变体。第 7 章介绍了 Z 源 SSCB 的基本概念和几种设计变体。Z 源 SSCB 的局限性包括难以保护过载或低 di/dt 的高阻抗短路故障，以及实现双向功能的复杂性。

4.3 混合式断路器

混合断路器（HCB）结合了 MCB（低损耗）和 SSCB（无弧分断）的优点，为直流故障分断提供了可行的解决方案。

图 2.11 显示了几种 HCB 的概念电路图。经典的 HCB 通常包括一个传导正常负载电流的机械通路、一个在故障条件下传导电流的并联电气或电子换流通路，以及一个并联电压箝位电路（如 MOV）。机械通路主要由机械开关或断路器组成，在正常运行时具有与 MCB 相当的低导通电阻。并联换流路径由无源或有源电路元件组成，在短路故障情况下，可在机械路径上产生人为的电流过零点或迫使电流完全到零，从而帮助机械开关断开，同时显著抑制电弧或完全不产生电弧。机械开关完全断开后，并联电压箝位电路会吸收电路中的残余电磁能。

HCB 可分为三个子类别。第一种 HCB 子类别在本章中被称为谐振过零 HCB。在这一子类中，并联换流电路本质上是一个 LC 谐振电路。检测到故障状态时，机械断路器断开并产生一个开关电弧。随后，在换流 LC 电路和开关电弧之间产生电流振荡，人为地通过机械断路器产生电流过零点。这些电流过零点有助于熄灭电弧，并最终将故障电流换流进入谐振电路。谐振电路中的电容器最终将被充电。谐振电路可以是无源的，也可以是有源的。无源谐振电路（图 2.11a）仅使用 L 和 C 分量，利用电弧的负电阻，与 LC 电路相互作用，激发出与故障电流叠加的发散电流振荡。振荡不断扩大，直至最终超过故障电流，形成过零点。就直流故障分断的元件数量而言，无源谐振换流电路是最简单的方案。有源谐振概念（图 2.11b）与无源方法类似，但 LC 支路中的电容器是预充电的，通常使用半导体开关（如可控硅）来启动电容器放电电流的注入。与被动方案相比，主动方案的运行速度更快，分断能力更强，因为它缩短了电流振荡增长的时间。另一方面，主动谐振方案需要更多的有源元件和更复杂的控制。无源谐振过零 HCB 通常可在 10-20 毫秒内分断高达几千安培的故障电流，而有源谐振过零 HCB 则可在几毫秒内分断高达几十千安培的故障电流。本书第 10 章介绍了一种低压有源谐振过零 HCB，该 HCB 在直流电压为 1650 V 时的电流分断能力为 2000 A，分断时间约为 4 ms。本书第 13 章介绍了一种大功率有源谐振过零 HCB，该 HCB 在 535 kV 直流电压下的电流分断能力为 25 kA，分断时间小于 3 ms [23]。本书第 14 章介绍了另一种中压直流有源谐振过零 HCB 方案。

第二个 HCB 子类别称为自然换流 HCB。在这一子类中，换流电路只是一个与机械路径并联的半导体开关（图 2.11c）。一旦检测到故障情况，机械断路器就会断开并产生电弧。电弧电压随后迫使故障电流换流至并联的半导体开关，因为半导体开关提供了一个电阻较小的路径，从而导致电弧本身熄灭。半导体开关将故障电流导通一段时间（通常为 10-20 毫秒），直到机械断路器完全断开并恢复其电压闭锁能力。然后半导体开关关闭，迫使 MOV 钳位瞬态电压浪涌。本书第 10 章介绍了一种自然互感器 HCB，该 HCB 在 5 kV 直流电压下的断流能力超过 11 kA，分断时间小于 2 ms。自然换流 HCB 方案为扩展普通机械断路器的直流故障分断能力提供了一个非常简单的解决方案。然而，该方案也存在一些局限性。首先，机械式断路器触头上产生的电弧会促进电流换流，从而导致触头磨损和使用寿命降低。其次，机械触点上的电弧电压范围有限，因此该方案仅限于低压或中压应用。第三，在分断过程中，这些半导体开关器件必须在相对较长的时间内（通常为几毫秒）传导过大的故障电流，从而导致成本和尺寸的优势显著降低。

第三类 HCB 被称为零电流开关（ZCS）强制换流 HCB。发生故障时，通过关闭一个较低电压串联半导体开关（也称为负载换流开关或 LCS，如图 2.11d 所示）或注入一个控制良好的反向电流（图 2.11e），可将通过机械路径的电流简单地强制为零。一旦故障电流从机械路径完全换流到并联路径，机械开关就可以在零电流条件下完全断开。在分断过程中，电子通路需要承载故障电流，直到机械开关完全断开并恢复其全部电压锁定能力。此时，电子通路关闭，迫使 MOV 钳位瞬态电压浪涌。ABB 报告了一种 LCS 型 ZCS HCB，该 HCB 在直流电压超过 80 kV 时的电流分断能力为 9 kA，分断时间小于 2 ms [24]。本书第 11 章介绍了一种逆流注入型 ZCS 换流 HCB，该 HCB 在 6 kV 直流电压下的电流分断能力为 1 kA，分断时间为 0.5 ms。本书第 12 章介绍了类似的 ZCS 换流概念，但额定功率和机械开关的选择有所不同。ZCS 强制换流 HCB 方案具有快速、无弧故障分断、使用寿命长、传导损耗低（尤其是逆流注入型）等优点，可用于中高压直流电源系统。

4.4 无断路器故障保护

上述各种直流断路器的成本、尺寸和重量因素严重限制了它们在直流电源系统中的应用。因此，无断路器或基于换流器的保护概念对于由电力电子接口换流器提供便利的直流电网（如舰船电力系统[17]）来说是一个极具吸引力的选择。这些直流电网已经拥有大量的电力换流器来控制和调节正常的电力流。使用相同的功率换流器提供故障保护将是非常有利的，而无需使用独立的断路器。某些电源换流器拓扑结构，如晶闸管整流器、双有源桥和全桥模块化多电平换流器（FB-MMC），本身就具有故障闭锁功能。例如，FB-MMC 拓扑可阻止直流终端电容对短路故障放电，并在保持子模块直流电容完全充电的同时，对直流故障电流完全控制。FB-MMC 拓扑可在交流侧和直流侧短路故障情况下提供双向电流控制，在故障保护方面具有显著优势。故障阻断或容错功能也可以添加到其他换流器拓扑中，包括常见的两电平逆变器，但需要额外的元件和功率损耗。然而相关的成本和效率损失可能只是直流断路器的一小部分，因为功率换流器的现有硬件资源（如传感和控制以及热管理）被共享用于额外的故障阻断功能。无断路器保护概念是点对点直流输电的理想选择，在输电线的两端都有一个故障阻断功率换流器。然而，这种经济高效的故障保护概念可能无法普遍适用于所有直流电源架构，因为并非所有电力电缆都由电力换流器直接控制。值得注意的是，直流断路器和故障闭锁电力换流器可以优化组合，以提供经济高效的保护解决方案。本书第 16 章全面介绍了无断路器保护概念。

4.5 故障限流器

直流电源系统中的故障电流往往超过现有断路器的分断能力。在电力系统升级或重新配置时尤其如此。故障电流限制器 (FCL) 的目的是通过插入额外阻抗将故障电流大小限制在可接受的水平，这样下游断路器只需分断较小的故障电流[12]。文献中有时使用故障电流限制器或故障电流限制一词来描述速动断路器，这给读者造成了混淆。在本书中，FCL 被严格定义为限制故障电流的保护装置，而不是像真正的断路器那样完全切断故障电流。

应用 FCL 是降低故障电流的可行方法。在正常工作条件下，FCL 的阻抗较低，因此功率流不会受到影响。但在发生故障时，FCL 的阻抗会迅速增加，因此故障电流会上升到一个较低的峰值（例如，三到五倍于额定负载电流），且 di/dt 率较低，现有的 CB 可以安全地分断故障电流。在直流电网中使用 FCL 可以大大放宽对各类直流断路器的电流分断要求。一般来说，FCL 可通过无源非线性元件、电感器件、真空开关以及半导体和超导技术来实现。超导和固态故障限流器是直流应用中两种主要的故障限流器类型。在超导 FCL 中 [25]，超导元件的电阻或电感可在故障电流过大时发生急剧变化。在固态 FCL 中，电阻或电感的增加是通过半导体开关电路实现的。本书第 17 章全面概述了 FCL 及其在直流电源系统中的应用。

5.结语

本章简要回顾了来自各类直流源的故障电流、不同的故障检测技术以及各种故障分断技术。表 2.2 从优缺点和最适合的应用角度对故障分断技术解决方案进行了比较。

机械断路器（MCB）是一种成熟的故障断路技术，具有损耗低、成本低的特点。它是传统交流电源系统全电压和全电流频谱的标准解决方案。随着电压/电流的大幅降低，MCB 也可用于某些直流电源系统。然而，MCB 响应速度慢（通常超过 20 毫秒）、直流分断能力有限、电弧侵蚀导致使用寿命较短、故障穿越电流较大等明显缺点限制了其在现代直流电网中的应用。

固态断路器（SSCB）具有极快的故障响应速度（通常为几百微秒）、无弧故障分断、使用寿命长、故障电流和能量释放低等特点。然而，它们最大的弱点是高导通状态功率损耗和对主动冷却（液体或强制空气）的相关要求，这导致了巨大的成本和复杂性。SSCB 最有可能为相对低功率的 LVDC 或 MVDC 系统（如低于 1 kV 或 100 A）提供可行的解决方案。值得一提的是，低损耗被动冷却 SSCB 是许多低压直流应用（如 380 V 和 50 A）的可行且具有竞争力的解决方案。SSCB 还可作为交流电源应用的故障保护解决方案，包括 600 V/100 A 快速智能交流断路器。

混合断路器（HCB）结合了 MCB 和 SSCB 的优点，具有低损耗、无弧或少弧故障分断、合理的使用寿命和适中的响应时间（1-3 毫秒）。它们的缺点是成本高、结构复杂，响应速度比 SSCB 慢。HCB 预计将为可接受中等故障响应的各种大功率 MVDC 到 HVDC 电网提供可行的解决方案。然而，现有的 HCB 方案很难处理某些低端直流电网中快速上升的故障电流。

故障电流限制器 (FCL) 可将故障电流大小限制在可控范围内，从而降低对下游断路器的分断要求。在某些大功率 MVDC 至 HVDC 电网中，特别是在系统升级或重新配置的情况下，FCL 和各种类型的断路器可共同提供最佳保护解决方案。请注意，仅靠 FCL 无法隔离故障。

与其他断路器相比，基于换流器的无断路器保护可为某些具有大量接口变流器的直流电网提供更具成本效益的解决方案。其中一个例子是点对点电力传输，电力线的两端各有一个电力换流器。然而，基于变流器的解决方案面临的一大挑战是如何确保保护选择性所要求的最小故障影响。

目前还没有一种故障分断技术是适用于所有使用场景的最佳技术。电网中很可能会同时使用两种或两种以上的技术。为特定的直流应用选择合适的故障分断技术是一项极其复杂的任务，其中涉及许多设计权衡因素，需要比本文过于简化的概述更严格的审议。

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