近年來隨著直流微網(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，基于機械開關與電力電子開關的混合式直流斷路器（Hybrid Circuit Breaker, HCB），綜合了機械開關通流大、全控器件開斷快的優(yōu)勢，是未來中低壓領域直流斷路器的發(fā)展趨勢與方向。

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已得到較多的應用。

• 美國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，預期分斷電流30~75kA。
• 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，預期分斷電流40~125kA。
• 另外韓國FKI、德國西門子、ABB和法國Saft Power Systems等公司都有低壓直流開關設備。
• 國內(nèi)西安交通大學與大全集團合作研制了4kV/70kA空氣介質(zhì)直流斷路器。
• 平高集團研制PGDB-1800/D4000-80型直流斷路器，額定電流為4000A，額定短路開斷電流達到80kA，峰值達114kA。
• 中船重工712自主研發(fā)的ZDS3國產(chǎn)直流快速斷路器，額定電壓900V/1800V，額定電流4000A，開斷電流125/80kA。

《GBT25890.1—2010軌道交通地面裝置直流開關設備第2部分直流斷路器》根據(jù)分斷特性將直流斷路器分為快速限流斷路器、高速限流斷路器和半快速斷路器。其中高速限流斷路器要求斷路器全分斷時間小于5ms。目前軌道交通直流斷路器產(chǎn)品額定電流達到8000A，預期短路分斷電流125kA，固有時間在3~6ms，全分斷時間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。大連理工大學基于IGBTs，研制了750V/2kA車載直流斷路器。

近年來，基于機械開關與全控器件并聯(lián)的混合式直流斷路器，綜合了機械開關通流能力大、全控器件開斷快的優(yōu)勢，在高、中、低直流領域引起廣泛關注。

• 荷蘭Delft大學的Polman H.等基于IGBTs和快速斥力開關設計了額定參數(shù)為600V/6kA，完全開斷時間為1.2ms的艦船用零電壓關斷（Zero Voltage Switch, ZVS）型DC HCB。
• 瑞士工業(yè)電子實驗室的J.Meyer等利用高速電磁斥力開關和IGCT，研制出應用于軌道交通領域的1.5kV/4kA DC HCB。
• 大連理工大學研制了400V/10kA混合式ZVS直流斷路器樣機，并對其電流轉(zhuǎn)移特性進行了研究。
• 海軍工程大學莊勁武等提出了一種新型ZCS-DC HCB的拓撲結(jié)構(gòu)，旨在改善直流斷路器在短燃弧、小間隙下的開斷性能。

在高壓混合式直流斷路器領域，2012年ABB研制了基于高速隔離開關與IGBTs并聯(lián)的HVDC斷路器，其額定電壓為80kV，額定電流為2kA，開斷電流為9kA，開斷時間為5ms，同時基于模塊串聯(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。2015年，國家電網(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。

通過上述分析可知，ZVS型混合式直流斷路器具有結(jié)構(gòu)簡單、開斷能力強等優(yōu)勢，在高壓領域由于串并聯(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、控制復雜，而中、低壓領域，全控器件不需要串聯(lián)，只需要并聯(lián)，且轉(zhuǎn)移過程無需輔助開關。混合式直流斷路器第一階段的電流轉(zhuǎn)移過程對其開斷起到關鍵作用，目前對真空電弧電流轉(zhuǎn)移特性，尤其是其電流轉(zhuǎn)移判據(jù)尚無深入細致的研究。

前期已對混合式ZVS直流斷路器的小電流轉(zhuǎn)移特性進行了理論與實驗研究，并對低壓混合式直流斷路器模型和參數(shù)設計進行了初步研究。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，通過研究電流大小、IGBTs導通電阻和橫向磁吹等對電流轉(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斷提供理論依據(jù)。

圖1 低壓混合式直流斷路器樣機結(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)移過程試驗平臺

結(jié)論

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