基于強迫換流原理的混合型直流真空斷路器(hybrid direct current vacuum circuit breaker，HDCVCB)是直流開斷技術的有效方式之一，其參數(shù)設計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撲結構及其工作原理，對真空電弧理論和真空滅弧室觸頭結構的研究概況進行了闡述。分析了直流分斷中電流波形與交流中的正弦波不同、電流下降率大、燃弧時間可控等特點，得到了其分斷能力與換流電流投入時電弧形態(tài)和電極狀態(tài)密切相關的結論。對不同觸頭結構下的真空電弧形態(tài)演化規(guī)律，不同條件下的真空滅弧室的強迫換流分斷特性與介質恢復規(guī)律等實驗研究工作進行了綜述，最后對直流真空滅弧室的研發(fā)進行了展望。

　　引言

　　直流電力系統(tǒng)主要應用于艦船直流電力系統(tǒng)、電信設備配電系統(tǒng)、地鐵等軌道交通牽引配電系統(tǒng)、遠距離直流高壓輸電系統(tǒng)和可再生能源構成的直流微電網(wǎng)等領域。直流斷路器是直流電網(wǎng)安全運行和保護的關鍵設備，其性能對系統(tǒng)保護策略的制定和工程實現(xiàn)都非常關鍵。由于直流系統(tǒng)不存在電流的自然過零點，給研制大容量直流斷路器帶來了巨大困難。基于強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、分斷能力高，成為了直流開斷技術的重要發(fā)展方向。

　　很多研究者和機構針對直流斷路器提出了不同的拓撲結構和電路方案，但基本原理大致相同。強迫換流型直流真空斷路器一般由分斷開關與

　　隔離開關兩部分串聯(lián)組成，電流分斷功能由分斷開關完成，隔離開關起到電流分斷后的隔離作用。分斷開關通常包括3 條并聯(lián)支路：由真空開關S1 形成的正常通流支路、由脈沖功率元件C-L-S2 組成的強迫換流關斷支路，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，額定電流 ie 從真空開關上流過，觸頭電阻低，通態(tài)壓降小，功耗較低。分斷時，當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)驅動真空開關S1 分離(t1)，當開關打開達到額定開距或延遲一定的時間后(t2)，S2快速觸發(fā)閉合，預儲能的換流電容C 放電，主回路電流ig 從觸頭支路轉移到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)恢復過電壓，關斷電容被電流ic 反充電。當電容電壓上升至MOV 動作電壓時(t4)，電流從關斷支路向限壓吸能支路轉移，MOV 開始吸收存儲在系統(tǒng)電感中的能量，同時關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)。最后隔離開關打開將系統(tǒng)隔離，整個分斷過程結束，如圖2 所示。

圖2 HDCVCB 分斷過程示意圖

　　混合型直流真空斷路器的參數(shù)設計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撲結構及其應用情況，通過實驗驗證其工作原理，在大量實驗數(shù)據(jù)的基礎上對斷路器分斷特性的規(guī)律進行總結[15-18]，還未見系統(tǒng)地論述強迫換流型直流真空斷路器觸頭技術及關于直流斷路器用真空滅弧室研制情況的相關報道。

　　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。通過與交流工況對比，分析了直流真空滅弧室的應用特殊性，然后著重對不同觸頭結構下的真空電弧形態(tài)演化規(guī)律及真空開關在強迫換流分斷過程中介質恢復特性及分斷能力的研究成果進行了詳細敘述，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)調控方法和高頻電流開斷極限等尚需深入研究的問題。

　　4、結論

　　研究真空電弧燃弧時的形態(tài)演化與弧后介質恢復兩個階段的特性可以更好地指導直流真空斷路器的設計開發(fā)。本文對于相關工作展望如下：

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

　　2)掌握高頻熄弧時的介質恢復特性是判斷直流真空斷路器分斷能否成功的前提，也是換流支路參數(shù)設計的決定因素。因此，需要研究不同電弧形態(tài)、不同換流參數(shù)下，真空滅弧室的分斷特性。

　　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，對觸頭結構、觸頭材料、觸頭開距、屏蔽罩和內部均壓環(huán)等進行匹配設計。