本文是一篇电力论文，本文详细描述目前高压直流断路器的国内外研究现状，通过对机械式、全固态式和混合式高压直流断路器的工作原理和拓扑结构进行优缺点对比分析，总结得出将超导技术与直流开断技术结合得到的超导限流型高压直流断路器能够快速检测并响应，限制故障大电流和故障电流上升率，可靠性高，是未来发展的新方向。
1绪论
1.1论文的研究背景及意义
随着社会的不断进步发展，国民经济与生活也发生了翻天覆地的变化，人口爆发式增长、科技的快速发展进步导致能源的需求愈发增大，因而电力使用成为了国民生产生活必不可缺的一部分，同时也出现了一些不可避免的问题：一方面随着化石能源过度开发导致不可再生能源永久性减少，以及化石能源二次生产过程中产生的环境污染问题，全世界都在倡导可再生能源的开发与利用；另一方面国民生产生活对电能质量、用电安全以及用电功率等需求不断提高[1,2]。
由于新能源发电存在随机性，间歇性等特点，这使得生产的电能并网更加困难，传统高压交流输电网难以满足电网的波动性和电网快速性反应，区域用电量不平衡发展，社会对大容量、远距离的输电要求提高，同时对输电安全性以及功率稳定性也提出了更高的要求[3]。历史上，由于直流输电升压困难，绝缘性要求更高，这使得直流输电技术发展缓慢曾一度被交流输电技术替代。但是随着大功率换流器研发成功，绝缘技术的高速发展，使得高压直流输电技术重新获得了科研人员的青睐并进入高速发展时期[4]。相比于交流输电技术，输送相同的功率时，直流输电的输电线以及绝缘材料可以节省大约30%，同时在电缆输电过程中，由于不产生电容电流，因此输电损耗大大降低，不需要同步运行调整也使得直流输电技术不需要庞大复杂的补偿系统，大大降低了成本。在大容量和远距离输电领域，高压直流输电凭借其独有的优势变得愈发重要[5]。
综上，直流输电技术飞速发展，但同时也面临着可靠性、稳定性和安全性三方面的挑战。由于直流输电阻尼系数更低，传输电能更加快捷，因此一旦直流系统发生接地短路故障，直流电压快速跌落，故障电流快速上升，同时能在短时间内达到一个极高的幅值，甚至能达到稳态传输电流的数十倍[6,7]。相对于直流输电系统，交流电在工作时波形为周期性运行的正弦波，每个周期有两个电流自然过零点，交流系统可以利用这两个过零点进行机械开关灭弧切断故障电流，而直流系统不存在自然过零点，在切断故障电流的过程中灭弧非常困难，导致直流系统发生接地短路故障后难以快速切断故障电流[8,9]。
1.2高压直流断路器的研究现状
高压直流断路器作为高压直流系统最关键的电气设备之一，需要应对最为复杂的系统需求，最多种工况变化以及有着最为苛刻的应力装置。直流故障问题是限制直流输电技术的发展的根本所在。近年来，随着电力电子器件技术的发展，高压直流断路器进入了一个新的发展时期，为直流输电技术注入新的活力。截止目前为止，我国陆续投入运行了多条高压直流输电线路，直流电网的建设进入一个高速发展时期，如近年来最为著名的张北柔性直流工程，额定电压±500kV，线路长度666km，为北京冬奥保驾护航，提供100%绿色电力。目前急需一种能够广泛应用于高压直流输电工程的高压直流断路器。因此本文针对混合式高压直流断路器进行研究。
目前高压直流断路器根据开断部分和结构组成的不同，主要分为以下三种类型：机械式直流断路器、全固态式直流断路器以及混合式直流断路器。
1.2.1机械式高压直流断路器研究现状
目前常规使用的机械式高压直流断路器是在交流断路器的基础上改进而成，而交流系统中最常见的断路器有真空断路器，SF6断路器以及少油式断路器[22]。由于直流电流不存在自然过零点，因此机械开关难以灭弧，切除故障电流难度较大。在低电压领域中，一般会采用增大电弧电压或者分级串接限流电阻方式实现灭弧功能，但这种方式由于其自身局限性并不适用于高电压等级，这时则需要在上述机械式断路器上进行相应改造，增加一条由电感和电容组成的自激振荡支路，使故障电流强制过零，用以解决机械式断路器灭弧困难问题。常规机械式高压直流断路器主要分为两种：无外置电源预充电的无源振荡型和有外置电源预充电的有源振荡型高压直流断路器。这两种断路器的拓扑结构主要由机械开关所在的载流支路、电容电感所在的振荡回路以及避雷器所在的能量吸收支路组成。
上世纪70年代，第一台无源振荡型机械式高压直流断路器样机诞生于美国的一个热核聚变实验室，它是由美国GE公司设计制造，拓扑结构如图1.1(a)所示[23]，其中K为机械开关，L为电感线圈，C为电容器，MOA为氧化锌避雷器。无源振荡型断路器的工作原理为：当系统正常运行时，机械开关K闭合，承载正常的工作电流。当系统发生接地短路故障时，机械开关K开始分断拉弧，产生很高的弧压，使振荡回路导通并开始产生振荡电流，通过对电容C和电感L设计合适的参数，使其产生的振荡电流反向注入机械开关回路，并强迫机械开关回路电流下降为零，当机械开关过零时则完成灭弧分断。剩余故障电流进入振荡回路开始为电容C充电，当电容充电至避雷器MOA的启动电压时，避雷器开始导通并吸收断路器分断故障电流时产生的能量，直至故障电流下降为零，断路器成功分断故障电流。
2超导技术和直流开断技术
2.1超导理论与特性
2.1.1超导体基本特性
超导体有两个基本特性，零电阻特性和迈斯纳效应，两者相互依存，相互联系。零电阻特性是保证迈斯纳效应存在的必要条件，但单纯的零电阻特性又不能保证迈斯纳效应的存在[47]。所以，在判断一种材料是否为超导材料时，既要看其在超导态是否具备零电阻特性，同时还要看它是否具有迈斯纳效应。
零电阻特性：又称为完全电抗性，如图2.1所示。当导体中自由电荷做定向移动时，会受到阻碍。金属导体内部既存在原子和带正电的离子，也存在着大量无规则运动的自由电子。当金属在外界电场的作用下，大量的自由电子做定向移动形成电流，而导体内部的原子和带正电的离子规则排列，受到自由电子的冲击后，互相碰撞阻碍自由电子的定向运动，从而导体产生电阻。当金属导体收到外界低温影响后，导体的电阻率会减小，从而导致电阻减小。当导体的温度下降到某一临界值后，金属导体内部的分子运动几乎完全消失，此时导体对外呈现的电阻无限接近于零，在传输电能的时候几乎不产生损耗，金属导体处于超导状态，这个现象被称为零电阻特性。一般情况下当超导体对外呈现的电阻值为10-25Ω及以下时，便可认为超导体电阻值为零。
迈斯纳效应：又称为完全抗磁性，如图2.2所示。1833年，德国科学家迈斯纳和奥森菲尔德发现了超导体的这一特殊效应。当金属导体从正常态转变为超导态时，外界施加的电磁场不能穿过超导体内部，也就是超导体内部不存在磁感线，内部磁场表现为零，即E=0。其原理是，当超导体表面流过感应电流时，此时超导体内部由电流感应产生与外界大小相等、方向相反的电磁场，因此相互抵消，超导体内部磁场为零。超导体有别于理想导体的是，无论是超导体先施加外界磁场再将温度下降到临界温度以下，或者先将温度下降到临界温度以下再施加外界磁场，只要低于临界温度，金属导体都将呈现超导状态，超导体内部磁场强度都为零。而理想导体从始至终内部的磁感应强度都不会因为外界磁场的大小而改变，在理想导体中，也就不存在磁感应强度随时间、温度变化的现象。
2.2超导限流器的种类和原理
超导限流器是利用高温超导材料设计而成，能够自动监测，快速触发，并且使用后可自动恢复，比起常规的阻抗式限流器，是目前科研以及工程应用中最理想的限流器。超导限流器在实际工程中使用需要满足以下几个条件：
(1)在系统正常运行时，线阻要小，功率损耗低，基本不影响系统的稳态运行；
(2)在发生短路故障时，能够快速检测故障并且快速反应进入失超状态；
(3)在故障切除后，能快速恢复超导电性，为下次故障分断做好准备；
(4)使用寿命长，操作简单，成本低廉。
高温超导限流器根据运行原理和结构组成可分为两种类型，失超型超导限流器和非失超型超导限流器，失超型超导限流器主要包括变压器型、磁屏蔽型和电阻型超导限流器等，而非失超型超导限流器主要有饱和铁芯型、桥路型和有源补偿型超导限流器等[54]。超导限流器具体分类如图2.5所示。
3基于电阻型超导限流器的高压直流断路器模型及工作原理....................27
3.1 RSFCL的数学模型以及仿真分析.....................27
3.1.1 RSFCL的数学模型.........................27
3.1.2 RSFCL建模流程............................29
4基于电阻型超导限流器的高压直流断路器理论分析与参数选取......................46
4.1断路器故障分断过程理论分析..............................46
4.2断路器相关器件参数设计.....................................50
5基于电阻型超导限流器的高压直流断路器仿真分析..........................53
5.1断路器动作过程仿真分析..........................53
5.2改进型断路器动作过程仿真分析...........................55
5基于电阻型超导限流器的高压直流断路器仿真分析
5.1断路器动作过程仿真分析
3.3节所提断路器分断短路故障电流过程：
文中3.3节提出的基于电阻型超导限流器的高压直流断路器仿真结果如图5.1所示，相关参数如表5.1所示，断路器正常工作阶段只有RSFCL、机械开关K0、K1和辅助开关GT1串联接入回路，其余电子器件均处于断开状态。
由图5.1可知，0.2s之前系统正常运行，额
