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近年來，中壓直流（Medium Voltage Direct Current, MVDC）被廣泛應(yīng)用于電力推進(jìn)、軌道交通、海上風(fēng)電場(chǎng)及智能電網(wǎng)等領(lǐng)域。在船舶動(dòng)力領(lǐng)域，將動(dòng)力和電力技術(shù)深度融合的綜合電力系統(tǒng)（Integrated Power System, IPS）成為各國(guó)競(jìng)相研究的焦點(diǎn)，其核心思想即以電能作為基本能量形態(tài)，通過綜合能量管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)負(fù)載能量需求的動(dòng)態(tài)分配。采用MVDC技術(shù)路線的IPS具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高靈活性的優(yōu)點(diǎn)，有利于降低電能損耗、提升傳輸效率、易于替代能源、儲(chǔ)能、武器系統(tǒng)集成，優(yōu)化系統(tǒng)整體性能，代表著國(guó)內(nèi)外船舶動(dòng)力領(lǐng)域的發(fā)展方向。

目前，直流斷路器仍是解決直流故障保護(hù)問題的有效技術(shù)途徑，基于快速直流斷路器的保護(hù)方案，結(jié)合換流器及其他保護(hù)設(shè)備配合可以有效限制故障的進(jìn)一步擴(kuò)散，使系統(tǒng)具有更好的供電連續(xù)性和更強(qiáng)的生命力。與交流系統(tǒng)相比，直流系統(tǒng)的電流不存在自然過零點(diǎn)，因此直流開斷的實(shí)現(xiàn)更加困難，一直以來是直流電網(wǎng)發(fā)展的瓶頸之一。

直流斷路器的基本功能主要有：①穩(wěn)定通流時(shí)，滿足絕緣和溫升要求，具有較低的通態(tài)損耗；②存在傳感和控制單元，具有故障檢測(cè)和邏輯判斷功能，當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，快速制造電流的過零點(diǎn)，從導(dǎo)通態(tài)迅速過渡到絕緣態(tài)，并且在該過程不發(fā)生損壞；③電流截止后，承受過電壓的沖擊而不被擊穿，快速耗散儲(chǔ)存在系統(tǒng)電感中的巨大能量；④可以實(shí)現(xiàn)快速重合閘。

目前中壓直流開斷技術(shù)主要有熔斷器、空氣式斷路器、固態(tài)斷路器（Solid-State Circuit Breaker, SSCB）和混合型直流斷路器（Hybrid DC Circuit Breaker, HDCCB）。

圖1 船舶直流供電系統(tǒng)示意圖

空氣式直流斷路器是由傳統(tǒng)交流斷路器發(fā)展而來的，已經(jīng)相對(duì)成熟，產(chǎn)品化的純機(jī)械式直流斷路器，分?jǐn)嗫煽啃愿撸謹(jǐn)嗄芰筛哌_(dá)百千安，在中低壓城市軌道交通直流系統(tǒng)中已廣泛使用，其原理是通過冷卻、拉長(zhǎng)、切割電弧，建立與系統(tǒng)電源電壓相反的弧壓實(shí)現(xiàn)限流和開斷，電弧電壓必須高于一定電壓時(shí)電流才開始下降。

由于分?jǐn)嗨璧幕航r(shí)間往往為ms級(jí)，因此其限流效果有限。同樣基于電弧電壓建立原理，熔斷器可在短路發(fā)生時(shí)迅速起弧抑制電流上升，但由于一次動(dòng)作后需要更換部件，從而增加了系統(tǒng)的維護(hù)成本。

SSCB和HDCCB應(yīng)用了先進(jìn)的固態(tài)開關(guān)技術(shù)，得益于固態(tài)開關(guān)開微秒級(jí)的分?jǐn)嗨俣龋哂辛己玫南蘖餍Ч悄壳半娖骺茖W(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

針對(duì)未來船舶中壓直流電力系統(tǒng)大容量開斷、快速限流的保護(hù)需求，浙江大學(xué)等單位的科研人員對(duì)中壓限流開斷技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行了梳理，重點(diǎn)調(diào)研了基于固態(tài)開關(guān)技術(shù)的SSCB和HDCCB的研究現(xiàn)狀，并對(duì)它們應(yīng)用于10kV/5kA系統(tǒng)中進(jìn)行了工程和技術(shù)的可行性分析。

中壓限流斷路器的研制難點(diǎn)主要體現(xiàn)在其速動(dòng)性及分?jǐn)噙^程中較高的電流電壓水平，對(duì)斷路器各部件性能及配合提出了很高的要求，研制目標(biāo)是要盡可能縮短開斷時(shí)間，保證較高的開斷可靠性的同時(shí)降低斷路器的體積和成本。

圖2 四觸頭并聯(lián)高速機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)和樣機(jī)

科研人員最后總結(jié)指出：

1）固態(tài)直流斷路器受限于功率器件的容量需要將電力開關(guān)串并聯(lián)使用，由此帶來了均流均壓、可靠性降低、成本較高等一系列問題。功率器件的通態(tài)損耗較高需要冷卻裝置保證其常態(tài)的熱平衡、導(dǎo)致斷路器整機(jī)的體積較大，是其應(yīng)用于空間狹窄的船艙中需要解決的主要問題。

SiC器件相較于Si器件具有一定的優(yōu)勢(shì)，但其在SSCB領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于新興發(fā)展階段，芯片電流等級(jí)無法滿足中壓大電流的開斷需求。隨著新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)的涌現(xiàn)，相信該問題將會(huì)迎刃而解。

2）HDCCB兼具固態(tài)開關(guān)分?jǐn)嗨俣群蜋C(jī)械開關(guān)低導(dǎo)通損耗的優(yōu)點(diǎn)，是目前保護(hù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一，缺點(diǎn)主要有分?jǐn)嗟沫h(huán)節(jié)較多、控制復(fù)雜、成本較高等。

科研人員對(duì)現(xiàn)有的針對(duì)性的研究成果進(jìn)行了梳理，盡管有眾多學(xué)者提出了許多新穎的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但大多數(shù)還處于仿真及小比例樣機(jī)驗(yàn)證階段。由于中壓船舶直流供電系統(tǒng)對(duì)開斷的快速性和可靠性有極高的要求，基于復(fù)雜的拓?fù)洹⒍嚯A段控制的斷路器反而可能不利于限流開斷。

3）基于已有研究成果，對(duì)單向分?jǐn)?0kV/5kA新型強(qiáng)迫換流原理的HDCCB方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)其工程應(yīng)用可行性進(jìn)行了分析，為開展更深層次的大容量中壓快速直流開斷的研究打下了基礎(chǔ)，后續(xù)需要進(jìn)一步攻克的關(guān)鍵部件主要有多觸頭并聯(lián)機(jī)構(gòu)、脈沖功率組件等，相關(guān)研究成果將在后續(xù)陸續(xù)報(bào)道。

以上研究成果發(fā)表在2021年《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》增刊1，論文標(biāo)題為“中壓船舶直流供電系統(tǒng)限流開斷技術(shù)”，作者為劉思奇、胡鵬飛 等。