固態斷路器是在大功率電力電子元件的基礎上發展起來的，與傳統機械式斷路器相比，固態斷路器的主要元器件是大功率電力電子器件，結構上的顯著特點是無觸點，不需要滅弧等措施。

由于開關功能是通過控制電力電子器件的門極信號實現的，因而具備了動作速度比基于機械結構的傳統斷路器更快的優點，能夠適用于需要頻繁開斷的場合，如投切用于無功補償的電容器組；在線路發生短路故障的情況下，能夠在故障電流未顯著上升、電網電壓崩潰前將故障區域隔離，極大地降低短路故障對線路和設備的危害，從而提高了用戶供電的可靠性。

同時，固態斷路器的還具有使用壽命長，維護簡單，容易實現智能化等一系列優點。近年來，隨著智能微型電網提出與研究發展，固態斷路器以其快速動作，易于實現智能化等特性成為新的研究熱點。

固態斷路器的結構與特性

傳統斷路器通過金屬導體的接觸與脫離來實現電流的導通與關斷；固態斷路器是無觸點開關設備，與傳統斷路器所不同，其導通與關斷通過對半導體功率器件內部的載流子以及載流子的通道的控制來實現：在導通狀態，器件內部形成載流子通道，載流子被大量激發，器件導通電流的能力增強；在關斷狀態，器件內部的載流子通道消失，正負載流子相互湮滅，器件阻隔電流的流通。

功率半導體開關器件是固態斷路器實現線路導通與關斷的核心器件。以基于IGBT的固態斷路器為例，其基本單元結構如圖1所示，可通過基本單元的串并聯來提到固態斷路器的截止耐壓等級以及開斷容量。

圖1 固態斷路器的單元結構

固態斷路器可以在得到動作信號后1us左右迅速動作，遠快于傳統斷路器動作時間。固態斷路器能夠迅速截斷故障電流，由于沒有觸點，不會產生電弧以及發生電弧重燃等情況，從而提高電網的穩定性與可靠性，但同時也會產生截流過電壓嚴重隱患；電力系統對三相固態斷路器的三相同期動作的需求也不可避免地使得三相固態斷路器對某些相電流進行截流，同樣會產生截流過電壓。

由于固態斷路器是基于電力電子元件的電器，對過電壓的敏感程度較傳統的機械結構的斷路器要高，如果過電壓高于固態斷路器的耐壓值，固態斷路器內部的電力電子元件將會被擊穿，固態斷路器將會損毀。本文對固態斷路器截流過電壓的集中參數等效模型進行分析，推導出該模型下的暫態過電壓的數學表示，并通過分布式參數模型的仿真結果進行驗證。

圖6 分布式參數仿真框圖

過電壓防范措施及總結

當截斷正常負荷以及短路情況下的電流時，電流越大，斷路器兩端產生的過電壓越大，因此，在必須截斷大電流的情況時（如短路情況），應該在采取限流措施后再進行截斷。如基于IGBT的固態斷路器可以先通過降低柵極電壓限制IGBT源漏極通過的電流后再進行截流。

對于正常情況下的單相斷路器操作，應在電流過零點時將電流截止。為了進一步降低固態斷路器過電壓的幅值，應在電力電子器件兩端并聯壓敏電阻MOA以及RC阻容吸收電路，此時開斷瞬間開有一定的泄放電流通過，能夠進一步降低過電壓的幅值。

本文建立的集中參數過電壓等效模型能夠得到在極端的情況下精確地計算出固態斷路器所承受的過電壓幅值的大小以及持續時間，對固態斷路器串聯單元個數的確定以及過電壓防護措施等后續研究具有一定的指導意義。

（編自《電氣技術》，原文標題為“固態斷路器的過電壓分析”，作者為金鑫、張明銳。）