混合式高压直流断路器

混合式高压直流断路器把低损耗的主电流通道、可控的电流转移通道和吸收能量的支路组合起来，用于切断直流短路电流。与只依赖机械触头拉开电弧的方案不同，混合式结构先用功率半导体改变电流路径，再让机械开关形成隔离间隙；电流转移后产生的暂态电压则由金属氧化物避雷器（MOV）支路钳位并吸收能量。支路名称描述功能，具体器件和动作顺序会随设计改变。

主支路在正常运行时承载线路电流，设计目标是限制导通损耗。转移支路在故障动作时接管主支路电流，并在需要时再次阻断电流、建立暂态中断电压。吸能支路通常由MOV模块构成：当支路电压升至动作水平，MOV导通，把故障电流引入吸能通道，并把直流系统电感和换流器侧馈入的能量转化为热量。电流降至零后，整个中断过程才算完成。

2022年一项面向张北柔性直流工程的±535 kV设计展示了这种组合方式：主支路由全桥型绝缘栅双极晶体管（IGBT）模块和10个快速机械开关组成；转移支路由多个电力电子模块串联构成；MOV支路由多组避雷器模块构成。论文称该样机的转移支路有320级IGBT模块，其中包括30级冗余。这些数量和拓扑属于这项样机设计，不能直接套用于其他产品。

1. 正常导通。在上述±535 kV样机中，主支路IGBT处于导通状态，快速机械开关闭合，线路电流通过主支路。
2. 主支路受控关断。故障电流上升到控制系统设定的过流动作值后，主支路IGBT被封锁，转移支路投入，电流从主支路转入转移支路。该论文模型采用13.5 kA过流保护值；它是样机研究的参数，不是通用整定值。
3. 机械隔离。主支路电流降至零后，快速机械开关的触头分离。等触头间隙达到设计要求的绝缘距离，转移支路IGBT再被封锁。
4. 建立暂态电压。转移支路封锁后，电流给支路电容充电，电压上升。电压超过MOV动作水平时，MOV支路导通，电流由转移支路转入吸能支路。
5. 吸收能量并熄流。MOV承受暂态中断电压并吸收线路储能；支路电流继续衰减至零，完成这次中断。

这套动作可理解为两个连续的电流换流阶段：先由主支路换到转移支路，再由转移支路换到MOV支路。因而评价设备时，不能只看最终开断电流；触头绝缘间隙形成的时序、半导体承受的电压和电流、暂态中断电压，以及MOV需要吸收的能量都彼此关联。

±535 kV论文报告，样机在GEIRI国家电网输变电设备技术研究中心的试验中通过了10 A低电流开断，内部电流换流时间约2.8 ms；高电流测试示例达到25.2 kA，产生约786 kV暂态电压，约2.84 ms完成内部换流。作者还列出正、负方向±25 kA试验记录：表中峰值电流约为24.98至25.21 kA，MOV支路峰值电压约为785.10至786.21 kV；论文称这些记录的换流时间均为2.84 ms，且峰值低于该研究采用的800 kV要求。仿真得到的主支路IGBT最高电压3305 V、转移支路IGBT最高电压3327 V，是模型计算结果，不是试验直接测得的器件额定能力。

另一篇试验方法研究指出，中断试验至少要分别关注故障电流的上升率和峰值、暂态中断电压的峰值与持续时间，以及暂态电压结束后的直流电压耐受。为了降低极高电压设备的试验能量需求，作者提出把电流开断、电压耐受和MOV吸能能力分项验证的合成试验方法。该方法经仿真和约1.7 kV、700 A级的低压实验验证；论文的验证表列出716 A峰值电流和约2.51 kV峰值暂态电压。论文说明该验证对象是主动电流注入式机械断路器，并称方法原则上可用于混合式设备。因此，这组低压结果验证的是试验方法，不是±535 kV样机的高压开断能力。

脉冲变压器耦合机械式直流开关采用另一种电流换流思路：低压侧预充电电容经脉冲变压器向高压侧换流支路传递能量，由晶闸管触发振荡电流，在机械触头上生成多个可能的电流过零点。2019年的160 kV样机论文把这种方案称为耦合机械式；它没有采用前述±535 kV设计中的IGBT主支路和转移支路，不能将两项设计称为同一种混合拓扑。

这项160 kV研究的试验回路使用50 Hz交流发生器，并取交流电流的第一个四分之一周期模拟待切断的直流故障电流；外接电容支路还用于调节暂态中断电压的上升率。论文报告的高电流试验分别为−9.19 kA和+9.20 kA，对应峰值暂态电压−262 kV和+272 kV，开断时间小于5 ms。该结果说明特定脉冲变压器和试验回路下的双向开断表现，不能当作直流系统直接开断试验或其他设备的通用指标。

混合式方案的关键在于让机械开关、功率半导体和吸能元件按设定顺序接力，而不是某一支路单独完成全部工作。额定电压、允许的故障电流、动作时间和吸能要求都需要对应到具体设计与试验。上述样机数据是各自论文的研究结果；没有给出的试验电源参数、端电压或其他工况不应从额定值反推，也不能据此推导所有高压直流断路器的统一性能。

Jia 等，Current interruption tests of HVDC circuit-breakers: Requirements, methods and a testing case，IET Generation, Transmission & Distribution，16(14)，2939–2946（2022）。原始论文：https://ietresearch.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1049/gtd2.12511

Liu 等，Design of ± 535 kV hybrid high voltage direct current (HVDC) circuit breaker，IET Generation, Transmission & Distribution，16(19)，4017–4026（2022）。原始论文：https://ietresearch.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1049/gtd2.12568

Liu 等，Design and test of a new kind of coupling mechanical HVDC circuit breaker，IET Generation, Transmission & Distribution，13(9)，1555–1562（2019）。原始论文：https://ietresearch.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1049/iet-gtd.2018.5658