基于強(qiáng)迫換流原理的混合型直流真空斷路器(hybrid direct current vacuum circuit breaker，HDCVCB)是直流開斷技術(shù)的有效方式之一，其參數(shù)設(shè)計(jì)及開斷能力決定于真空滅弧室的特性。介紹了混合型直流真空斷路器的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其工作原理，對(duì)真空電弧理論和真空滅弧室觸頭結(jié)構(gòu)的研究概況進(jìn)行了闡述。分析了直流分?jǐn)嘀须娏鞑ㄐ闻c交流中的正弦波不同、電流下降率大、燃弧時(shí)間可控等特點(diǎn)，得到了其分?jǐn)嗄芰εc換流電流投入時(shí)電弧形態(tài)和電極狀態(tài)密切相關(guān)的結(jié)論。對(duì)不同觸頭結(jié)構(gòu)下的真空電弧形態(tài)演化規(guī)律，不同條件下的真空滅弧室的強(qiáng)迫換流分?jǐn)嗵匦耘c介質(zhì)恢復(fù)規(guī)律等實(shí)驗(yàn)研究工作進(jìn)行了綜述，最后對(duì)直流真空滅弧室的研發(fā)進(jìn)行了展望。

　　引言

　　直流電力系統(tǒng)主要應(yīng)用于艦船直流電力系統(tǒng)、電信設(shè)備配電系統(tǒng)、地鐵等軌道交通牽引配電系統(tǒng)、遠(yuǎn)距離直流高壓輸電系統(tǒng)和可再生能源構(gòu)成的直流微電網(wǎng)等領(lǐng)域。直流斷路器是直流電網(wǎng)安全運(yùn)行和保護(hù)的關(guān)鍵設(shè)備，其性能對(duì)系統(tǒng)保護(hù)策略的制定和工程實(shí)現(xiàn)都非常關(guān)鍵。由于直流系統(tǒng)不存在電流的自然過零點(diǎn)，給研制大容量直流斷路器帶來了巨大困難。基于強(qiáng)迫換流原理的混合型直流真空斷路器(hybrid direct current vacuum circuit breaker，HDCVCB)通流能力強(qiáng)、分?jǐn)嗄芰Ω撸�成為了直流開斷技術(shù)的重要發(fā)展方向。

　　很多研究者和機(jī)構(gòu)針對(duì)直流斷路器提出了不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電路方案，但基本原理大致相同。強(qiáng)迫換流型直流真空斷路器一般由分?jǐn)嚅_關(guān)與

　　隔離開關(guān)兩部分串聯(lián)組成，電流分?jǐn)喙δ苡煞謹(jǐn)嚅_關(guān)完成，隔離開關(guān)起到電流分?jǐn)嗪蟮母綦x作用。分?jǐn)嚅_關(guān)通常包括3 條并聯(lián)支路：由真空開關(guān)S1 形成的正常通流支路、由脈沖功率元件C-L-S2 組成的強(qiáng)迫換流關(guān)斷支路，以及以金屬氧化物非線性電阻(metal oxide varistor，MOV)作為基本元件組成的限圧吸能支路，如圖1 所示。

圖1 HDCVCB 原理圖

　　正常通流時(shí)，額定電流 ie 從真空開關(guān)上流過，觸頭電阻低，通態(tài)壓降小，功耗較低。分?jǐn)鄷r(shí)，當(dāng)傳感器檢測到故障電流經(jīng)控制器邏輯判斷發(fā)出分閘指令，立即觸發(fā)驅(qū)動(dòng)真空開關(guān)S1 分離(t1)，當(dāng)開關(guān)打開達(dá)到額定開距或延遲一定的時(shí)間后(t2)，S2快速觸發(fā)閉合，預(yù)儲(chǔ)能的換流電容C 放電，主回路電流ig 從觸頭支路轉(zhuǎn)移到C-L-S2，觸頭電流is 逐漸減小直至過零電弧熄滅(t3)，觸頭兩端開始出現(xiàn)恢復(fù)過電壓，關(guān)斷電容被電流ic 反充電。當(dāng)電容電壓上升至MOV 動(dòng)作電壓時(shí)(t4)，電流從關(guān)斷支路向限壓吸能支路轉(zhuǎn)移，MOV 開始吸收存儲(chǔ)在系統(tǒng)電感中的能量，同時(shí)關(guān)斷支路電流逐漸減小至S2 截止(t5)。隨著系統(tǒng)能量被MOV 耗散掉(t4—t6)，最終主回路電流減小到0(t6)。最后隔離開關(guān)打開將系統(tǒng)隔離，整個(gè)分?jǐn)噙^程結(jié)束，如圖2 所示。

圖2 HDCVCB 分?jǐn)噙^程示意圖

　　混合型直流真空斷路器的參數(shù)設(shè)計(jì)及其開斷能力某種程度上決定于真空滅弧室的特性。以往大量的研究工作專注于斷路器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其應(yīng)用情況，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其工作原理，在大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對(duì)斷路器分?jǐn)嗵匦缘囊?guī)律進(jìn)行總結(jié)[15-18]，還未見系統(tǒng)地論述強(qiáng)迫換流型直流真空斷路器觸頭技術(shù)及關(guān)于直流斷路器用真空滅弧室研制情況的相關(guān)報(bào)道。

　　本文首先介紹了真空電弧與真空滅弧室的研究和發(fā)展概況。通過與交流工況對(duì)比，分析了直流真空滅弧室的應(yīng)用特殊性，然后著重對(duì)不同觸頭結(jié)構(gòu)下的真空電弧形態(tài)演化規(guī)律及真空開關(guān)在強(qiáng)迫換流分?jǐn)噙^程中介質(zhì)恢復(fù)特性及分?jǐn)嗄芰Φ难芯砍晒�進(jìn)行了詳細(xì)敘述，最后指出了直流真空滅弧室研發(fā)過程中，真空電弧形態(tài)調(diào)控方法和高頻電流開斷極限等尚需深入研究的問題。

　　4、結(jié)論

　　研究真空電弧燃弧時(shí)的形態(tài)演化與弧后介質(zhì)恢復(fù)兩個(gè)階段的特性可以更好地指導(dǎo)直流真空斷路器的設(shè)計(jì)開發(fā)。本文對(duì)于相關(guān)工作展望如下：

　　1)燃弧初期電弧擴(kuò)散機(jī)理及電弧對(duì)電極表面的影響是深入研究電弧形態(tài)演化規(guī)律的關(guān)鍵。在研制直流斷路器的過程中，人們需要更加關(guān)注典型直流電流下電弧形態(tài)演化規(guī)律及其調(diào)控手段。

　　2)掌握高頻熄弧時(shí)的介質(zhì)恢復(fù)特性是判斷直流真空斷路器分?jǐn)嗄芊癯晒Φ那疤幔�也是換流支路參數(shù)設(shè)計(jì)的決定因素。因此，需要研究不同電弧形態(tài)、不同換流參數(shù)下，真空滅弧室的分?jǐn)嗵匦浴?/p>

　　3)研發(fā)性能優(yōu)異的直流真空滅弧室需將各種影響因素綜合考慮，對(duì)觸頭結(jié)構(gòu)、觸頭材料、觸頭開距、屏蔽罩和內(nèi)部均壓環(huán)等進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)。