2020年6月9日，在世界上首个超高压柔性直流电网工程人工短路试验中，清华大学与北京电力设备总厂联合研制的2台超高压535kv直流断路器圆满完成规定操作，在3ms内完成故障电流开断，之后成功实现重合闸，标志着技术指标国际最高的535kv/25ka/3ms直流断路器满足工程应用要求，为“张北可再生能源柔性直流电网试验示范工程”（以下简称“张北工程”）的正式投运奠定了扎实基础。该创新断路器技术由电机系曾嵘教授、余占清副教授、黄瑜珑副教授等师生和科研人员组成的直流技术研究团队攻关完成，具有完全知识产权。
“张北工程”是世界上首个超高压柔性直流电网工程，也是世界上电压等级最高、输送容量最大的柔性直流工程，作为2022年北京冬奥会重点配套工程，将支撑冬奥场馆100%清洁电力供应。国际大电网会议(cigre)曾指出：“大容量直流开断是一个世界性的难题”，如何在微秒~毫秒级时间内实现数万安培电流的开断和兆伏电压的耐受成为核心瓶颈。
面向高压直流电网中最后的装备“卡脖子问题”，以攻克世界性直流开断技术难题为目标，曾嵘教授领衔的直流技术研究团队，依托清华大学电机系、能源互联网创新研究院、清华四川能源互联网研究院组成的“一系两院”攻关平台，在国际上首创耦合负压混合式直流断路器拓扑结构、突破低损耗高可靠换流技术，解决电力电子开关双向可控通流及高效大容量开断问题等，研究成果完善了大容量直流超快速开断理论和技术体系，从拓扑结构、换流方式、产品研制、工程应用等方面实现创新突破。
研究团队首创低损耗高可靠的耦合负压混合式拓扑结构，创新提出耦合负压技术实现全电流范围内快速换流，突破了混合式断路器的冷却方式瓶颈，通态损耗低，无需水冷，节省空间，可靠性高，运行维护成本低。
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该技术解决了电力电子开关多单元串联均衡难题，创新性地提出了基于分立金属氧化物压敏电阻（mov）的钳位式模块化串联方法，彻底消除传统串联组件不均衡引起的器件击穿风险，可满足超高压甚至特高压数百级电力电子单元的直接串联需求；突破了直流断路器快瞬态条件下双向可控通流技术，提出基于常规恢复速度二极管和复合非线性阻抗的桥式电力电子单元拓扑，成功使用常规恢复速度二极管构建桥式双向结构，比传统断路器方案节省40%的成本。
目前，清华团队已成功研制375v/480v/10kv/40kv/80kv/535kv系列化直流断路器、目前世界上首套三端口直流断路器，以及世界上电压电流等级最高、开断能力最强的535kv直流断路器；已与北京电力设备总厂、泰开集团等企业完成成果产业化开发，在珠海唐家湾直流配电网、东莞交直流混合配电网、苏州吴江直流配电网、张北柔直电网等工程中得到规模化应用，保障了多个直流工程的安全可靠运行，具有重要的学术意义和工程应用价值。
图：清华和北电联合研制的535千伏耦合负压混合式直流断路器
此次535kv直流断路器成功在张北柔直工程中示范应用，不仅实现了科研服务国家重大战略需求的新突破，同时也对推动我国装备制造的自主创新能力、助力我国柔性直流电网技术持续进步具有重要意义。
（感谢冀北检修公司、北京电力设备总厂供图）
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