混合型直流真空断路器触头技术——现状与发展

　　基于强迫换流原理的混合型直流真空断路器(hybrid direct current vacuum circuit breaker，HDCVCB)是直流开断技术的有效方式之一，其参数设计及开断能力决定于真空灭弧室的特性。介绍了混合型直流真空断路器的典型拓扑结构及其工作原理，对真空电弧理论和真空灭弧室触头结构的研究概况进行了阐述。分析了直流分断中电流波形与交流中的正弦波不同、电流下降率大、燃弧时间可控等特点，得到了其分断能力与换流电流投入时电弧形态和电极状态密切相关的结论。对不同触头结构下的真空电弧形态演化规律，不同条件下的真空灭弧室的强迫换流分断特性与介质恢复规律等实验研究工作进行了综述，最后对直流真空灭弧室的研发进行了展望。

　　引言

　　直流电力系统主要应用于舰船直流电力系统、电信设备配电系统、地铁等轨道交通牵引配电系统、远距离直流高压输电系统和可再生能源构成的直流微电网等领域。直流断路器是直流电网安全运行和保护的关键设备，其性能对系统保护策略的制定和工程实现都非常关键。由于直流系统不存在电流的自然过零点，给研制大容量直流断路器带来了巨大困难。基于强迫换流原理的混合型直流真空断路器(hybrid direct current vacuum circuit breaker，HDCVCB)通流能力强、分断能力高，成为了直流开断技术的重要发展方向。

　　很多研究者和机构针对直流断路器提出了不同的拓扑结构和电路方案，但基本原理大致相同。强迫换流型直流真空断路器一般由分断开关与

　　隔离开关两部分串联组成，电流分断功能由分断开关完成，隔离开关起到电流分断后的隔离作用。分断开关通常包括3 条并联支路：由真空开关S1 形成的正常通流支路、由脉冲功率元件C-L-S2 组成的强迫换流关断支路，以及以金属氧化物非线性电阻(metal oxide varistor，MOV)作为基本元件组成的限圧吸能支路，如图1 所示。

图1 HDCVCB 原理图

　　正常通流时，额定电流 ie 从真空开关上流过，触头电阻低，通态压降小，功耗较低。分断时，当传感器检测到故障电流经控制器逻辑判断发出分闸指令，立即触发驱动真空开关S1 分离(t1)，当开关打开达到额定开距或延迟一定的时间后(t2)，S2快速触发闭合，预储能的换流电容C 放电，主回路电流ig 从触头支路转移到C-L-S2，触头电流is 逐渐减小直至过零电弧熄灭(t3)，触头两端开始出现恢复过电压，关断电容被电流ic 反充电。当电容电压上升至MOV 动作电压时(t4)，电流从关断支路向限压吸能支路转移，MOV 开始吸收存储在系统电感中的能量，同时关断支路电流逐渐减小至S2 截止(t5)。随着系统能量被MOV 耗散掉(t4—t6)，最终主回路电流减小到0(t6)。最后隔离开关打开将系统隔离，整个分断过程结束，如图2 所示。

图2 HDCVCB 分断过程示意图

　　混合型直流真空断路器的参数设计及其开断能力某种程度上决定于真空灭弧室的特性。以往大量的研究工作专注于断路器的拓扑结构及其应用情况，通过实验验证其工作原理，在大量实验数据的基础上对断路器分断特性的规律进行总结[15-18]，还未见系统地论述强迫换流型直流真空断路器触头技术及关于直流断路器用真空灭弧室研制情况的相关报道。

　　本文首先介绍了真空电弧与真空灭弧室的研究和发展概况。通过与交流工况对比，分析了直流真空灭弧室的应用特殊性，然后着重对不同触头结构下的真空电弧形态演化规律及真空开关在强迫换流分断过程中介质恢复特性及分断能力的研究成果进行了详细叙述，最后指出了直流真空灭弧室研发过程中，真空电弧形态调控方法和高频电流开断极限等尚需深入研究的问题。

　　4、结论

　　研究真空电弧燃弧时的形态演化与弧后介质恢复两个阶段的特性可以更好地指导直流真空断路器的设计开发。本文对于相关工作展望如下：

　　1)燃弧初期电弧扩散机理及电弧对电极表面的影响是深入研究电弧形态演化规律的关键。在研制直流断路器的过程中，人们需要更加关注典型直流电流下电弧形态演化规律及其调控手段。

　　2)掌握高频熄弧时的介质恢复特性是判断直流真空断路器分断能否成功的前提，也是换流支路参数设计的决定因素。因此，需要研究不同电弧形态、不同换流参数下，真空灭弧室的分断特性。

　　3)研发性能优异的直流真空灭弧室需将各种影响因素综合考虑，对触头结构、触头材料、触头开距、屏蔽罩和内部均压环等进行匹配设计。