近年來(lái)隨著直流微網(wǎng)、城市軌道交通直流牽引系統(tǒng)、艦船直流供電系統(tǒng)的發(fā)展，高性能大容量低壓直流斷路器需求日益迫切，基于機(jī)械開(kāi)關(guān)與電力電子開(kāi)關(guān)的混合式直流斷路器（Hybrid Circuit Breaker, HCB），綜合了機(jī)械開(kāi)關(guān)通流大、全控器件開(kāi)斷快的優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)中低壓領(lǐng)域直流斷路器的發(fā)展趨勢(shì)與方向。

低壓直流斷路器主要包括空氣斷路器、固態(tài)斷路器和混合式直流斷路器，空氣斷路器在軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)900V/1800V已得到較多的應(yīng)用。

• 美國(guó)GE公司的Gerapid直流快速斷路器額定電壓為1000~3600V、額定電流2600~6000A，預(yù)期分?jǐn)嚯娏?0~75kA。
• 瑞士SECHERON公司的UR系列直流斷路器額定電壓900~3600V，額定電流1500~8000A，預(yù)期分?jǐn)嚯娏?0~125kA。
• 另外韓國(guó)FKI、德國(guó)西門子、ABB和法國(guó)Saft Power Systems等公司都有低壓直流開(kāi)關(guān)設(shè)備。
• 國(guó)內(nèi)西安交通大學(xué)與大全集團(tuán)合作研制了4kV/70kA空氣介質(zhì)直流斷路器。
• 平高集團(tuán)研制PGDB-1800/D4000-80型直流斷路器，額定電流為4000A，額定短路開(kāi)斷電流達(dá)到80kA，峰值達(dá)114kA。
• 中船重工712自主研發(fā)的ZDS3國(guó)產(chǎn)直流快速斷路器，額定電壓900V/1800V，額定電流4000A，開(kāi)斷電流125/80kA。

《GBT25890.1—2010軌道交通地面裝置直流開(kāi)關(guān)設(shè)備第2部分直流斷路器》根據(jù)分?jǐn)嗵匦詫⒅绷鲾嗦菲鞣譃榭焖傧蘖鲾嗦菲鳌⒏咚傧蘖鲾嗦菲骱桶肟焖贁嗦菲鳌Ｆ渲懈咚傧蘖鲾嗦菲饕髷嗦菲魅謹(jǐn)鄷r(shí)間小于5ms。目前軌道交通直流斷路器產(chǎn)品額定電流達(dá)到8000A，預(yù)期短路分?jǐn)嚯娏?25kA，固有時(shí)間在3~6ms，全分?jǐn)鄷r(shí)間15~30ms。

隨著IGBT、IGCT、GTO等全控器件的發(fā)展，固態(tài)直流斷路器取得較大發(fā)展，美國(guó)電力電子系統(tǒng)研究中心（CPES）研制出2.5kV/1.5kA和4.5kV/4kA直流斷路器樣機(jī)。大連理工大學(xué)基于IGBTs，研制了750V/2kA車載直流斷路器。

近年來(lái)，基于機(jī)械開(kāi)關(guān)與全控器件并聯(lián)的混合式直流斷路器，綜合了機(jī)械開(kāi)關(guān)通流能力大、全控器件開(kāi)斷快的優(yōu)勢(shì)，在高、中、低直流領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注。

• 荷蘭Delft大學(xué)的Polman H.等基于IGBTs和快速斥力開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)了額定參數(shù)為600V/6kA，完全開(kāi)斷時(shí)間為1.2ms的艦船用零電壓關(guān)斷（Zero Voltage Switch, ZVS）型DC HCB。
• 瑞士工業(yè)電子實(shí)驗(yàn)室的J.Meyer等利用高速電磁斥力開(kāi)關(guān)和IGCT，研制出應(yīng)用于軌道交通領(lǐng)域的1.5kV/4kA DC HCB。
• 大連理工大學(xué)研制了400V/10kA混合式ZVS直流斷路器樣機(jī)，并對(duì)其電流轉(zhuǎn)移特性進(jìn)行了研究。
• 海軍工程大學(xué)莊勁武等提出了一種新型ZCS-DC HCB的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，旨在改善直流斷路器在短燃弧、小間隙下的開(kāi)斷性能。

在高壓混合式直流斷路器領(lǐng)域，2012年ABB研制了基于高速隔離開(kāi)關(guān)與IGBTs并聯(lián)的HVDC斷路器，其額定電壓為80kV，額定電流為2kA，開(kāi)斷電流為9kA，開(kāi)斷時(shí)間為5ms，同時(shí)基于模塊串聯(lián)，提出了320kV混合式高壓直流斷路器方案。2014年，Alstom公司研制出了120kV/5ms/7.5kA混合式高壓直流斷路器樣機(jī)。2015年，國(guó)家電網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院研制出了200kV/3ms/12kA混合式高壓直流斷路器樣機(jī)。

通過(guò)上述分析可知，ZVS型混合式直流斷路器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、開(kāi)斷能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，在高壓領(lǐng)域由于串并聯(lián)全控器件、通流能力等因素影響，高壓混合式直流斷路器成本高、控制復(fù)雜，而中、低壓領(lǐng)域，全控器件不需要串聯(lián)，只需要并聯(lián)，且轉(zhuǎn)移過(guò)程無(wú)需輔助開(kāi)關(guān)。混合式直流斷路器第一階段的電流轉(zhuǎn)移過(guò)程對(duì)其開(kāi)斷起到關(guān)鍵作用，目前對(duì)真空電弧電流轉(zhuǎn)移特性，尤其是其電流轉(zhuǎn)移判據(jù)尚無(wú)深入細(xì)致的研究。

前期已對(duì)混合式ZVS直流斷路器的小電流轉(zhuǎn)移特性進(jìn)行了理論與實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)低壓混合式直流斷路器模型和參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步研究。本文旨在研究大電流情況下混合式直流斷路器的電流轉(zhuǎn)移特性，通過(guò)研究電流大小、IGBTs導(dǎo)通電阻和橫向磁吹等對(duì)電流轉(zhuǎn)移特性的影響，得到真空電弧電流轉(zhuǎn)移特性和判據(jù)，為混合式直流斷路器的高速分?jǐn)嗵峁├碚撘罁?jù)。

圖1 低壓混合式直流斷路器樣機(jī)結(jié)構(gòu)

圖2 低壓混合式直流斷路器原理

圖6 真空電弧電流轉(zhuǎn)移過(guò)程試驗(yàn)平臺(tái)

結(jié)論

• 1）通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)研究得到，低壓混合式直流斷路器的真空電弧電流轉(zhuǎn)移過(guò)程主要分為固有電流轉(zhuǎn)移過(guò)程與拖尾電流轉(zhuǎn)移過(guò)程。固有電流轉(zhuǎn)移過(guò)程一般在幾百微秒之內(nèi)，而拖尾電流轉(zhuǎn)移過(guò)程持續(xù)2~10ms。為了確保轉(zhuǎn)移成功，降低轉(zhuǎn)移時(shí)間，必須保證真空電弧電流轉(zhuǎn)移過(guò)程處于固有電流轉(zhuǎn)移過(guò)程。
• 2）研究了電流大小、轉(zhuǎn)移電阻大小等對(duì)真空電弧電流轉(zhuǎn)移過(guò)程的影響，得到了其電流轉(zhuǎn)移特性與判據(jù)，并進(jìn)行改進(jìn)，得到適用于混合式直流斷路器的真空電弧電流轉(zhuǎn)移判據(jù)。
• 3）橫向磁吹加入真空電弧電流轉(zhuǎn)移過(guò)程的本質(zhì)是增加電弧長(zhǎng)度以便增加電弧電壓，進(jìn)而加速電流轉(zhuǎn)移。在固有轉(zhuǎn)移過(guò)程中，外加橫向磁吹對(duì)轉(zhuǎn)移時(shí)間幾乎無(wú)影響，而在拖尾電流轉(zhuǎn)移過(guò)程中，橫向磁場(chǎng)能夠有效加速電流轉(zhuǎn)移過(guò)程。