武汉大学科研团队发布新型快速响应直流限流器的研究成果

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配合限流器使用的限流式直流断路器将成为直流断路器往高遮断容量发展的新趋势，然而原先提出的永磁饱和型故障限流器存在延长故障电流下降时间的问题。对此，武汉大学电气与自动化学院的研究人员袁佳歆、陈鹤冲、陈凡、张哲维，在2021年第8期《电工技术学报》上撰文，在原先提出的永磁饱和型故障限流器的基础上进行拓扑优化，提出一种新型快速响应直流限流器。该新型限流器能全程自适应动作，无需触发控制装置，响应直接迅速，且二极管处于低压侧，降低了对地绝缘成本。

我国高压多端直流系统仍在起步阶段，随着电能需求的不断增加，多端直流输电逐渐成为未来发展趋势。近年来，基于半桥型模块化多电平变换器（Modular Multilevel Converter, MMC）结构的换流器广泛应用于柔性直流输电中。受制于其结构，直流短路故障电流峰值较高、上升速度快，因此对直流断路器的遮断容量以及开断速度提出了较高的要求。

现阶段直流断路器（DC Circuit Breaker, DCB）可分为机械式、固态式、混合式。其中，机械式断路器通态损耗小、成本低，但其遮断容量较低、开断时间较长，适合低电压等级、小故障电流的直流系统；固态断路器利用大量全控型器件串联，遮断容量高、开断速度快，适用于高压等级系统，然而其通态损耗较大，且成本过高；混合式直流断路器综合了前两者的优势，采用机械与固态支路混合的方式，具备遮断容量高、通态损耗小的优势，是当今研究的热点。

迄今各科研机构已提出多种混合式直流断路器方案，实际直流工程中亦有少量应用，验证了方案的可行性。但随着多端直流电压等级的升高，故障电流升高，直流断路器存在电流峰值、过电压峰值、泄放能量等分断应力较大的问题，过电压较高会导致串联的大量IGBT的耐压成本提升，且增大了其损坏的风险；过大的泄放能量将对避雷器组的吸能要求更高，这些均将增加DCB的制造成本及技术要求。

为减小DCB分断应力，采取故障限流器配合直流断路器完成直流开断的限流式直流断路器（Current Limiting DC Breaker, CLDCB）是未来发展的趋势。对此，武汉大学的研究人员提出了一种用于限流式直流断路器的新型快速响应故障限流器（New type of fast response Fault Current Limiter, NFCL）。

该限流器利用磁耦合的方式，引入一条辅助支路，能在系统正常时处于小电感值，替代平波电抗器使用。故障发生时能快速退饱和，变成大电感有效限流；在故障电流下降时，辅助支路通过磁耦合并联进NFCL主支路，消除大电感限流器延长故障电流下降时间的负面影响，提升电流下降速度。

图1 实验现场及接线原理

研究人员表示其全过程自适应动作，无需外部检测触发装置，响应速度快；同时能有效降低DCB上的电流峰值、过电压峰值、避雷器泄放能量等各项分断应力，从而降低直流断路器制造成本及技术要求。且NFCL不存在二极管位于高压侧承受高压的问题，降低了对地绝缘制造成本。

图2 四种限流器下的故障电流波形

研究人员指出，在500kV的直流系统中，NFCL较传统FCL有明显的性能优势：能够明显降低DCB的吸能应力，并且能一定程度上降低DCB的过电压峰值；减小电流下降时间71.6%；降低DCB的过电压峰值24.9%，降低了DCB吸能99.1%。

以上研究成果发表在2021年第8期《电工技术学报》，论文标题为“一种快速响应直流限流器拓扑结构与参数设计”，作者为袁佳歆、陈鹤冲、陈凡、张哲维。