混合型中压直流真空断路器的研究混合型中压直流真空断路器的研究
混合式高压直流断路器专利技术综述
混合式高压直流断路器专利技术综述作者：钱玉萍来源：《中国科技纵横》2019年第12期摘要：基于中国专利全文数据库和德温特世界专利索引数据库对混合式高压直流断路器的相关专利申请文献进行检索统计，并对其进行技术分解，然后对该领域的专利申请量的年度分布、国内外重要申请申请人进行了统计，以了解该领域的专利申请和专利布局情况。
关键词：高压;直流;断路器;混合式中图分类号：TM561 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）12-0166-021 混合式高压直流断路器概述20世纪80年代末，随着半导体技术的发展，为了提高机械式断路器的分断速度，开始提出半导体器件与机械开关相结合的混合式直流断路器拓扑[1]。
混合式直流断路器充分利用机械开关通态压降小和电力电子器件关断速度快的优势，成为当前研究热点[2]。
混合式直流断路器可通过机械开关和电力电子器件的合理组合得到，常见的拓扑主要有机械开关与电力电子器件直接并联、机械开关与电力电子器件先串联再并联及由此衍生出的其他拓扑[3]。
2 专利申请状况分析2.1 专利申请年度趋势变化情况本次检索是在CNTXT和DWPI数据库中进行检索，截止到检索日期（2018年1月31日），中国范围内混合式高压直流断路器方面已公开的专利申请总量为694件。
图1所示，混合式高压直流断路器技术在我国申请的专利总量、国内申请量以及国外来华申请量自1987年以来随时间变化的趋势。
可以看出，专利申请量总体呈上升趋势，国内与国外来华申请量趋势基本保持一致。
总体来看，混合式高压直流断路器技术在中国总共经历了以下三个发展阶段：第一阶段（1987-2000年）为萌芽期。
混合式高压直流断路器技术研发还处于起步阶段，中国专利申请总量、国内和国外来华申请量均较小。
第二阶段（2001-2007年）为稳定发展期。
专利申请保持稳定增长，此阶段国内和国外来华专利每年申请量差别不大。
第三阶段（2008年至2016）为快速发展期。
混合式高压直流断路器关键技术研究
Telecom Power Technology设计应用技术 2023年5月25日第40卷第10期· 35 ·Telecom Power TechnologyMay 25, 2023, Vol.40 No.10祝友成：混合式高压直流断路器关键技术研究路器中几个关键参数之间的关联，如电压与电流间的关系。
由能量守恒定律可知，电弧现象模型可表示为loss d d qe i P t=⋅− （1）式中：d q /d t 为单位长度时，电弧中能量变化率；e ·i为电弧单位长度时所输入的功率；P loss 为电弧单位长度时所释放能量。
电弧模型可表示为22c 2c d ln 1d u u g t u τ−=（2）式中：g 为电弧的电导；τ为时间常数；u 为电弧电压；u c 为电弧电压常量。
通过式（1）与式（2）可知，电弧电压、电弧电导、电弧电压常数与时间常数之间的关系。
对于高压直流输配电系统，此模型可准确描述电弧的外部特性，对于研制机械式高压DCCB 具有指导意义。
2 固态高压DCCB 关键技术固态高压DCCB 主要由电力电子器件构成。
然而高压直流输配电系统的容量较大，单个电力电子器件的额定电压、额定电流不能满足要求。
因此，需采用电力电子器件串并联实现增加固态高压DCCB 的额定电压与额定电流。
由于电力电子器件制造时存在参数差异以及性质差异，其串并联时，将导致分压不均与分流不均问题。
2.1 串联分压不均原因以绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor ，IGBT ）为例，共有2种工作过程，分别为静态过程与动态过程。
IGBT 共有4种工作状态，分别为关断过程、开通过程、导通过程以及阻断过程。
IGBT 的静态过程-导通过程中，其压降较低，各器件的压降不同时也可正常工作。
而阻断过程中，IGBT 的漏电流、阻断阻抗分布不均，IGBT 器件的分压不均，将导致部分IGBT 两端的电压超过额定电压，进而损害器件，因此在阻断过程中需采用均压策略。
高压直流断路器的研究(结课大作业)
摘要高压直流（HVDC）电网是解决可再生能源大规模接入的重要途径。
发展高压直流电网对大规模电能的远距离输送、促进新能源的并网及消纳、提高区域交流互联电网的安全稳定性具有重要意义。
而高压直流断路器是直流电网发展的瓶颈问题。
本文分析了高压直流电网对高压直流断路器的需求；介绍了各种直流断路器的主要性能、基本构成、开断原理等。
关键词：高压直流输电，直流断路器，MRTB，ERTB，NBS，NBGS前言随着传统化石能源短缺和环境污染问题的不断加剧，以及风电、太阳能等可再生清洁能源的迅速发展，能够实现间歇式可再生能源大规模接入的多端高压直流输电系统，及其向HVDC电网方向的发展，越来越受到世界各国的关注。
2008 年，欧洲提出超级智能电网(super grid)规划，旨在充分利用可再生能源的同时，实现国家间电力交易和可再生能源的充分利用；2011 年，美国提出了2030 年电网构想(Grid 2030)，即美国未来电网将建立由东岸到西岸、北到加拿大、南到墨西哥，主要采用超导技术、电力储能技术和更先进的直流输电技术的骨干网架。
中国风力资源丰富地区主要集中在东北、华北、西北等区域。
但这些地区大多负荷水平较低、调峰能力有限，大规模风电就地利用困难，需要远距离大容量输送，并在大区以至全国范围内实现电量消纳。
这对中国发展HVDC电网技术提出了迫切的需求。
随着HVDC 输电技术向HVDC 电网的发展，对整个系统的可靠性和稳定、安全运行也提出了更高的要求。
其中所面临的巨大挑战就是HVDC 电网中短路电流的开断问题。
与交流系统相比，HVDC 电网中时间常数小，短路电流上升速度快，同时造成直流电压的跌落，甚至引起换流器和短路电流的失控，而且直流电流由于缺乏自然过零点而难以开断。
能够实现快速切除或隔离短路故障的高压直流断路器已成为HVDC 电网发展的瓶颈问题。
一、直流电网发展对高压直流断路器的需求随着直流输电技术向HVDC电网的发展，对整个系统的可靠性和稳定、安全运行也提出了更高的要求，其中所面临的巨大挑战就是HVDC 电网中短路电流的开断问题，这对高压直流断路器的研究和开发提出了非常迫切的需求。
混合式直流断路器快速机械开关特性研究及应用
混合式直流断路器快速机械开关特性研究及应用发布时间：2022-11-30T14:19:47.089Z 来源：《工程建设标准化》2022年15期作者：杨月涛[导读] 国家“十四五”发展规划确定了大力发展杨月涛山东丽能电力技术股份有限公司摘要：国家“十四五”发展规划确定了大力发展“绿色、低碳”新能源的指导方针。
大型风电、新型光伏发电行业迅猛发展壮大，并网消纳此类新能源迫切需要开发研究柔性直流输电新技术及新设备。
关键词：混合式直流断路器；快速机械开关；特性；引言直作为直流电网的关键组成部分，直流断路器起到关合、承载和开断正常回路条件下的电流、转换系统运行方式以及切断故障电流对系统实行保护等重要作用，是建设直流电网的重要设备之一。
其中，混合式高压直流断路器主要由通态支路和转移支路并联组成，通态支路包含高速机械开关和与其串联的通态阀组，通态阀组以及转移支路由多个电力电子开关构成。
因此，混合式高压直流断路器具有多种形式的负载，加上稳定运行和开断过程中各部件的电位关系各不相同，比较复杂，这些都给混合式高压直流断路器的供能提出了难题。
1高压直流断路器的原理对于高压直流断路器而言，其结构组成包含了三条支路，分别为通流、转移以及吸能支路。
其中通流支路的作用在于实现电流传导，由于通态损耗要求非常小，因此为达到电源断开电流转移的控制要求，通常在通流支路上会增加相关的液晶组件（IGBT）。
系统动作时只要将通流支路的开关打开，电流就能按照设定的方案进行。
且在断开以后，通过吸能系统将多余的能力吸收。
针对混合式直流断路器来说，转移支路属于一系列的IGBT或集成门极换流晶闸管控制组件，通过此类设备的应用能够让电流得到速的阻断，能够满足高压系统的控制要求。
在机械式直流断路器系统中，转移支路又被称之为辅助支路，其组成结构包含了触发间隙、电感以及电容等结构。
一般情况下在机械开关口位置很容易出现大电流燃弧和灭弧现象，由此可认为开断支路就是通流支路。
中压真空断路器常见故障分析及对策研究
当遇到变电系统问题时，真空断路器能够起到保护作用， 切断过负荷电流和短路电流，保障变电系统正常运行。人们 应该加强对中压真空断路器的日常检查和维护，分析常见的 故障原因并制定有效的处理措施，提升变电系统运行质量， 从而创造更大的经济效益和社会效益。 1 真空断路器的结构 1.1 基本组成
首先，真空断路器触头材料较软，且随着断路器分合闸 操作次数的增加，触头变形现象严重，影响该相接头的正常 接触，从而引发真空断路器断相问题。其次，当真空断路器 的操动结构出现故障时可能引发断路器分闸失灵。例如分闸 锁扣扣住过量、锁扣销子滑落、分闸电压不足以及辅助开关 接触质量差等都是故障产生的源头。与此同时，真空断路器 还可能出现合闸失灵的问题。合闸电压不足、辅助开关连板 变形、分闸锁扣尺寸不合适、二次接线失误、辅助开关接触 点接触不良等原因都有可能引发合闸失灵现象。 3 中压真空断路器的故障处理措施 3.1 真空度下降处理
很多因素都有可能引发弹簧储能不标准的问题。例如， 针对储能机老化的问题，需要工作人员及时进行电机更换； 针对储能机构提早脱扣的问题，工作人员需要对脱扣连锁部 件的装配质量和精度进行优化；提升储能齿轮的热处理性能。 3.5 误动、拒动故障预防与处理
针对误动、拒动故障的预防和处理工作，工作人员应该 重视提升回路工作的可靠性、避免脏污和锈蚀，利用万用表 对二次插头状况进行检测等。
综上所述，针对真空断路器的故障，相关企业和工作人 员应该针对常见故障的引发原因进行调整，做好故障预防和 处理工作，从而减少误动和拒动故障、弹簧储能不到位的故 障、真空度下降以及合闸触头弹跳时间过长与分合闸不同期 等故障。
真空断路器调研报告
真空断路器调研报告真空断路器调研报告一、引言真空断路器是电力系统中常见的一种断路器，用于保护电路免受过流和短路等故障的影响。
在这份调研报告中，我们将对真空断路器进行详细调研，从其原理、分类到应用领域等方面进行分析和总结。
二、真空断路器原理真空断路器是利用真空质量很好的绝缘性能和真空中电子缺乏的特性，通过打开和关闭真空开关来实现对电路的开闭。
当电流通过断路器时，瞬间产生的电弧会在真空中被扑灭，从而保证电路的可靠性和安全性。
三、真空断路器分类根据功能和性能，真空断路器可分为高压真空断路器和中压真空断路器两种。
高压真空断路器适用于额定电压大于1000V的电路，而中压真空断路器适用于额定电压在1000V以下的电路。
四、真空断路器的优势1. 安全可靠：真空断路器在断电时能迅速切断电流，防止短路和过电流的发生，保护电路的安全性。
2. 质量轻、体积小：由于采用真空绝缘技术，真空断路器具有体积小、重量轻的特点，便于安装和维护。
3. 寿命长：真空断路器没有电弧与触头的接触，因而其寿命长，能满足电力系统的长期使用需求。
4. 对环境友好：真空断路器不会产生有害气体和杂质，对环境无污染。
5. 可靠性高：真空断路器在运行过程中，由于真空的优异性能，其动作速度快，运行稳定可靠。
五、真空断路器应用领域真空断路器广泛应用于电力系统的各个环节，如发电厂、变电站、输电线路等。
在发电厂中，真空断路器可用于电缆、发电机、变压器等设备的保护；在变电站中，真空断路器可用于电力系统的开关控制；在输电线路中，真空断路器可用于保护线路的安全运行。
六、真空断路器发展趋势随着电力系统的发展和对电力设备需求的增加，真空断路器的需求也在不断增加。
为了满足各种电力需求，真空断路器正在朝着高压、大容量、小尺寸、智能化等方面进行研究和改进。
七、结论真空断路器是电力系统中不可或缺的重要设备，具有安全可靠、质量轻、体积小、寿命长、环境友好和可靠性高等优势，广泛应用于发电厂、变电站和输电线路等领域。
中压真空断路器综述讲述
目录1.中压真空断路器概述 (1)1.1 中压真空断路器的特点及应用现状 (1)1.2中压真空断路器的结构 (1)2.中压真空断路器关键部件及技术 (3)2.1 操动机构 (3)2.2 真空灭弧室 (5)2.3 固封极柱技术 (7)2.4 触头结构设计 (8)3.国内外中压真空断路器典型产品 (10)3.1 国外产品 (10)3.2 国内产品 (11)4.中压真空断路器的发展方向 (11)1.中压真空断路器概述1.1 中压真空断路器的特点及应用现状真空断路器是以真空为绝缘与灭弧介质，其特点主要体现在以下几方面：安全性——采用高真空，用于绝缘与灭弧，无火灾和爆炸危险；环保性——在密闭的灭弧室内熄弧，电弧和炽热气体无泄露，操作噪音小，体积小，重量轻，成本低；节能性——触头间隙小，操作功率小；免维护性——在使用年限内，灭弧室不需要维修检查；可靠性——灭弧室完全封闭，不会因受外界环境的影响而降低其性能，工作可靠；寿命长——熄弧时间短，弧压低，电弧能量小，触头损耗小，可用于多次开断。
上述优点推动了真空断路器在中压电压等级电力系统中的大力发展，使真空开关在中压领域占主导地位。
在国外市场，中压真空断路器在20世纪70年代初仅占比百分之几，1980年约为20%，1990年约为55%，2000年已达70%。
在我国，2004年的统计数据显示，12kV真空断路器占同级断路器产量的98.85%，40.5kV真空断路器占同类产品的61.49%。
1.2中压真空断路器的结构中压真空断路器一般由导电及灭弧系统、本体、传动系统及操动机构组成。
其中真空灭弧室为真空断路器的心脏，操动机构为其神经中枢，两者对真空断路器至为重要。
中压真空断路器的结构框图见图1-1。
图1-1真空断路器结构框图中压真空断路器从结构演变看，大致可分为 3 种类型：（1）分体式通常采用悬挂布置或综合布置。
断路器的灭弧室部分和操动机构部分为分体式，典型产品如ZN28A 系列，操动机构配用CD17- CD19 等，见图1-2。
中压直流断路器研究综述
中压直流断路器研究综述摘要：随着分布式新能源的大规模发展，以新能源为主体的新型电力系统逐步形成，为保证直流系统安全稳定运行，需要能在几毫秒内完成故障电流开断的中压直流断路器。
本文通过分析直流电网对直流断路器的性能要求，介绍了机械式、固态式与混合式三种典型直流断路器开断机理，概括近年来直流断路器的工程应用，归纳并展望中压直流开断技术未来发展趋势。
0引言构建以新能源为主体的新型电力系统，是“双碳”背景下我国能源电力转型发展的方向。
现代化直流配电系统在电能质量、可控性、新能源并网等方面具有的明显优势使其成为新型电力系统的重要组成，因而得到了广泛关注和飞速发展[1-3]。
直流电网是一个低阻抗、低惯量系统，直流侧发生故障后，系统内储能元件向故障点快速放电，几毫秒内便可达到额定电流的几十倍，严重危及直流电网安全。
目前，国内外多个科研院所均开展有关中压直流开断技术的研究工作，本文根据直流断路器的开断方式将现有中压直流开断技术进行分类，针对不同开断技术对拓扑结构和工作原理进行深入分析，系统性介绍了直流断路器的工程应用案例，并对中压直流开断技术的发展趋势进行展望，为未来发展提供参考。
1直流开断挑战直流电网以其独特优势成为新能源并网的主要发展方向。
然而，直流电网建设仍存在许多问题，其中最迫切需要解决且严重限制直流电网发展的是直流侧故障电流的清除问题。
直流系统中由于故障电流上升速度快，峰值电流高，且没有自然过零点，与交流断路器相比，直流断路器往往需要在几毫秒内切断故障电流。
因此，研究故障切除速度快、可靠性高的直流断路器一直是研究热点，国内外研究机构对直流断路器也开展了大量研究，并提出了极高的要求：（１）能够快速清除电网直流侧的故障；（２）能够迅速消耗直流线路中存储的能量；（３）在切断直流电流时，能够承受较高的过电压和过电流；（４）具有高开断能力；（５）具有重复开断能力。
2直流断路器关键技术2.1 机械式直流断路器机械式直流断路器一般是由交流断路器改造而来, 其原理是在机械开关两端并联振荡换流支路产生振荡电流，人造电流过零点以解决灭弧困难的问题，具有微损耗、低成本、小体积和便于维护的优点。
混合式直流断路器
混合式直流断路器直流断路器国内外研究现状⼀、⼀、直流断路器国内外研究现状直流断路器研宄所⾯临的主要问题即如何提升其开断速度与开断容量，针对传统低压开关设备难以满⾜快速开断和⼤容量开断需求，电⼒电⼦开关则存在通态损耗⼤、系统成本⾼等问题。
对综合了机械开关与电⼒电⼦开关优点的混合式直流断路器开展了⼀系列研宄。
直流输电系统的故障开断过程与交流输电不同，直流系统本⾝不存在电流过零点，因此断路器直接开断时难以⾃⾏熄灭电弧；由于直流系统的电感远⼤于交流系统，输电回路中存储⼤量能量难以快速释放；断路器开断过程中，断⼝两端电流迅速下降，使断路器承受极为陡峭的暂态恢复电压（TVR）。
为使直流直流输电系统能快速有效的分断故障电流，国内外学者设计了多种直流开断⽅式。
(1) 电弧耗能开断通过电弧燃烧耗散直流系统中存储的能量，待系统中能量不⾜以继续维持电弧燃烧，电弧熄灭，完成直流故障分断。
(2) 电流转移开断通过在机械开关上并联换流⽀路，将故障电流从机械开关转移⾄换流⽀路，为机械开关创造⼈⼯电流过零点，使电弧易于熄灭，直流系统存储的能量则由附加的能量耗散装置消耗。
① 空⽓直流断路器v 空⽓式直流断路器组成：分合闸机构、过流脱扣器、吹弧系统、栅⽚灭弧室；v 特点：开断容量⼤、控制相对简单；v 产品成熟：1、美国GE公司的Gerapid直流快速断路器（额定电压1-3.6kV，额定电流2.6-6kA，预期分断电流30-75kA）2、瑞⼠SECHERON公司的UR系列直流断路器（额定电压0.9-3.6kV，额定电流1.5-8kA，预期分断电流40-125kA）3、ABB公司在2016年推出轨道交通全新 1.8kV/1.5kA/30kA⾼速直流断路器DCBreak；4、韩国FKI、德国西门⼦、德国Balfour Beatty Rail、法国Saft Power Systems等公司都有已研发出低压直流开关设备5、国内平⾼集团2018年研制了1.8kV/80kA⼤容量直流快速断路器，中船重⼯712⾃主研发了ZDS3国产直流快速断路器（额定电压0.9kV/1.8kV，额定电流4kA，开端电流125/80kA）6、西安交⼤与⼤全集团研制了4kV/70kA空⽓介质直流断路器。
高压混合直流断路器及其关键技术
高压混合直流断路器及其关键技术摘要：针对目前混合直流断路器存在的成本高、占地面积大、控制复杂、通态损耗大、基于电弧电压关断的电压等级低的问题，提出了两种新的拓扑结构：基于低压电容器抑制起弧的高压混合直流断路器、二次换流式高压混合直流断路器，本文对所提的两种拓扑结构所涉及的关键技术进行了介绍，并对拓扑结构的优缺点进行了对比分析。
关键词：高压；混合直流断路器；关键技术1直流断路器关键技术1.1电弧模型国内外一直在对电弧模型进行着研究，主要把电弧模型分为两大类：物理数学模型以及黑盒模型。
物理数学模型反映的电弧整个过程更加详细准确，考虑的外界影响因素更多，且对湍流、热辐射等具有比较精确的计算，使整个数学模型变得更加繁琐，不易求解，在仿真中由于其求解复杂，使得整个仿真时间变长，影响了其在断路器电弧仿真研究中的应用。
黑盒模型则是采用了简单的等效方法，将电弧等效为一个可变电阻，仅仅考虑了，例如电弧电压、耗散功率、时间常数等几个关键参数的影响，省略了一些影响不大的外部因素，使得整个数学模型简单化，并能够比较准确的反映出电弧特性，因此在断路器起弧的仿真中黑盒模型比较常用。
目前，常用的黑盒电弧模型有：Mayr模型、Cassie模型、Hochrainer模型、ModifiedMayr模型、Schwarz模型以及KEMA模型、Cassie-Mayr混合模型等。
1.2电力电子器件的均压与均流电力电子器件串联电压不均分为两种情况：静态电压不均和动态电压不均。
器件运行过程中有四个工作状态会导致串联电压不均分别为：稳定正向关断状态、稳定导通状态、开通瞬态和关断瞬态错误！未找到引用源。
在导通稳态和正向关断稳态情况下，考虑的是静态均压；在开通瞬态和关断瞬态的瞬时动作情况下，串联各器件电压动态变化，考虑的是动态均压。
然而在导通稳态情况下，由于各模块的导通压降都很小，大约在1-3V之间，因此无需考虑均压。
当电力电子模块处于关断状态时，其等效电阻很大，相互之间存在差异，器器件的正向伏安特性不同，使得各模块所承受的压降会有很大差异，当电压超过模块的承受范围时将造成损坏。
真空断路器分类及用途
真空断路器分类及用途真空断路器是一种常用的电力设备，主要用于保护电力系统和电气设备免受过载和短路等故障的影响。
根据其不同的特点和用途，可以将真空断路器分为以下几类。
一、低压真空断路器低压真空断路器主要用于低压配电系统中，其额定电压一般在1000V以下。
低压真空断路器具有体积小、重量轻、操作可靠等优点，广泛应用于民用建筑、工业企业和交通运输等场所。
它可以有效地保护电力系统和设备免受过载、短路和地故障的影响，确保电力系统的安全稳定运行。
二、中压真空断路器中压真空断路器主要用于中压配电系统中，其额定电压一般在1kV 到40.5kV之间。
中压真空断路器具有断电能力强、操作灵活、维护方便等特点，被广泛应用于工矿企业、城市配电网和农村电网等场所。
中压真空断路器可以快速切断电路，有效地防止电力设备损坏，保障电力系统的正常运行。
三、高压真空断路器高压真空断路器主要用于高压配电系统和输电系统中，其额定电压一般在72.5kV到252kV之间。
高压真空断路器具有断电能力强、电弧稳定、操作可靠等特点，广泛应用于电力系统的主干网和重要变电站。
高压真空断路器能够在电路故障时迅速切断电流，有效地保护电力设备和提高电力系统的可靠性。
四、直流真空断路器直流真空断路器主要用于直流输电系统和直流配电系统中，其额定电压一般在1000V以上。
直流真空断路器具有快速切断能力、电弧稳定性好、寿命长等特点，被广泛应用于直流变电站和直流输电线路。
直流真空断路器可以有效地切断直流电路中的故障电流，保护电力系统和设备的安全运行。
真空断路器作为一种重要的电力保护设备，具有广泛的应用领域和重要的作用。
它可以在电力系统中迅速切断电流，防止电力设备受到损坏，保障电力系统的正常运行。
真空断路器不仅具有体积小、重量轻的优点，而且操作灵活、维护方便，受到了广大用户的青睐。
随着电力系统的不断发展和升级，真空断路器的技术也在不断创新和改进，以适应新的电力设备和系统需求。
混合式直流断路器快速机械开关特性研究及应用
混合式直流断路器快速机械开关特性研究及应用发布时间：2023-02-01T02:53:07.689Z 来源：《中国科技信息》2022年9月18期作者：鲍必豪项上伟章义[导读] 根据电流相原理，高压直流断路器可分为机械直流断路器鲍必豪项上伟章义33032619961018**** 33252219950905**** 33030419890610****摘要：根据电流相原理，高压直流断路器可分为机械直流断路器、固态直流断路器和混合直流断路器。
直流机械开关采用传统交流机械开关，手动电流0后关断电弧，完成直流跳闸，跳闸时间变长。
固态直流断路器利用电力、电子和开关装置的串联和并联，实现大电流、大导通损耗的切断。
关键词：混合式；直流断路器；快速机械开关特性引言混合式高压直流断路器串入直流系统运行，两个端口分别与直流母线、线路连接，通过电力电子器件实现直流电流转移开断。
由于单个电力电子器件耐受电压低，混合式直流断路器需采用大量器件串联用于耐受数百kV开断电压，造成设备成本相对较高。
随着新能源并网容量不断增大、系统运行灵活性需求不断提升，直流网架结构将日趋复杂、直流线路将显著增多，保障系统运行安全须配置大量直流断路器。
1混合式直流断路器的关键技术1.1自然换流自然回流型直流混合开关的拓扑结构由快速机械切断电弧电压、电力电子开关传导压降和电阻、电流传输电路电感参数确定，如图1所示。
正常情况下，电流通过快速机械开关。
直流系统故障，请先断开快速机械开关；当高速机械开关触点的开启距离达到一定距离时，由于高速机械开关的电弧电压大于传动支路的压降，故障电流自然地从主磁通支路移动到传动支路。
之后，快速机械开关的接触间隔能够承受系统的暂时恢复电压后，关闭传输支路的电力电子开关，故障电流进入能量吸收支路，故障能量被金属氧化物电阻器(MOV)吸收。
1.2电阻过零典型电阻大于0的直流混合开关拓扑如图2所示。
正常工作时，快速机械和辅助电力电子开关通过直流电流。
微电网直流真空断路器的研究
微电网直流真空断路器的研究梁德世;郭兴宇;邹积岩【摘要】智能开关为电力系统高效安全利用提供了调控和故障保护功能.直流微电网相对交流线路能够提高分布式电源的有效接入,直流故障无自然过零点和电弧熄灭困难成为技术发展瓶颈之一.在输配电系统的关键节点采用直流真空断路器提供电力故障保护,设计自充电直流真空断路器结构,PSCAD电磁暂态仿真直流断路器中频换流开断过程的有效性,合成试验回路验证直流真空断路器开断能力,分析简易开断失败原因和自充电结构优势,直流真空断路器适合微电网线路及其关键节点的故障保护.【期刊名称】《大连工业大学学报》【年(卷),期】2018(037)004【总页数】4页(P287-290)【关键词】微电网;直流系统;真空断路器;合成试验【作者】梁德世;郭兴宇;邹积岩【作者单位】大连理工大学电气工程学院 ,辽宁大连 116024;大连理工大学电气工程学院 ,辽宁大连 116024;大连理工大学电气工程学院 ,辽宁大连 116024【正文语种】中文【中图分类】TM561.20 引言随着社会经济发展对电力能源的需求日益增长，传统交流配电网面临着线路损耗较大、电压谐波与波动、三相不平衡等一系列电能质量问题[1-2]。
在风力与太阳能等发电设备接入、分布式发电与微电网接入、大规模储能和交直流变换装置等新能源电力注入电网的情况下，迫切需要提高电能接纳和供电可靠性、增强安全互联和优化系统结构[3]。
近年来高压直流输电技术及其应用工程逐渐成熟[4-5]，直流配电网、分布式发电与微电网示范工程也在部分边远地区、海岛与节能示范城市广泛应用[6]。
直流微电网具有提高分布式电源有效接入与负荷调控的能力，直流断路器在直流微电网中承担着调控与安全保护的作用，是电力系统中关键的装置之一[7]。
真空开关在直流开断方面具有分断能力强、燃弧时间短、寿命长、使用安全等优点。
相对现有的空气开关可以实现在更高电压和电流等级电力系统的短路保护。
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2 混合型直流真空断路器设计
图 1 HDCVB 结构示意图 Fig. 1 Scheme of HDCVB 正常情况下， 斥力真空触头机构处于合闸状 态，换流晶闸管组件处于关断状态，换流电容预充 电。 当传感器检测到故障电流或控制器接到分闸指
令后，立即触 发 斥 力 机 构 驱 动 触 头 分 离(t1)，真 空 灭 弧室触头分离形成真空电弧，触头间产生弧压。 当 触 头 间 隙 形 成 足 够 的 开 距 或 延 迟 一 定 的 时 间 后 (t2)， 控制器向晶闸管组件 F 发出导通信号，主回路电流 i 开始向换流支路转移， 换流电容 C 的放电电流 iC 一部分可能会从二极管 D 上流过， VI 支路电流 iVI 将逐渐减小直至过零熄弧(t3)。 换流电流大于主回路 电流部分将流过二极管支路(t3~t4)。当 iD 过零 D 截止 后，主回路电流全部转移到 C-F-L 支路上(t4)，同时， 断路器两端出现正向过电压。 当换流电容反充电压 大于 MOA 动作电 压后(t5)，电流向 MOA 支路 转 移 ， MOA 开始限压吸能。随着 F 电流减小到零后截止关 断 ，短 路 电 流 全 部 转 移 到 MOA 上(t6)， 系 统 感 抗 中 存储的能 量被 MOA 吸收耗 散(t6~t7)，最终电 流 减 小 到零被切断，分断过程结束(t7)，见图 2。
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2014年 5 月
图 3 斥力真空触头机构结构图(合闸状态) Fig. 3 Configuration of repulsion driving vacuum
interrupter(closure)
直接关系到整机的分断性能，直流真空电弧形态演 化和高频开断时等离子体熄灭与介质恢复特性是 深 入 研 究 HDCVB 开 断 机 理 的 关 键 [18]，这 方 面 内 容 课题组将陆续报道。
合闸时， 控制器发出合闸信号给锁脱扣机构， 电磁铁打击脱扣器释放运动轴， 在合闸弹簧作用 下，触头经过振动弹跳后，最终保持在合闸位置。 合 闸弹跳容易引起触头间短弧， 造成触头面严重烧 蚀，熔焊等问题。 通过在运动轴上增加触头弹簧绝 缘子， 可以有效地缓解合闸时冲击振动和触头回 弹，降低了触头合闸弹跳的危害。 2.2 脉冲功率组件
图 2 HDCVB 分断过程示意图 Fig. 2 Waveforms of HDCVB breaking process
2.1 斥力真空触头机构 触头机构作为 HDCVB 中的核心必须综合额定
电流通流、短路电流耐受和高频电流开断能力。 当 系统发生短路故障时，能够及时快速动作，具有较 高的初始速度，以便快速形成足够的开距。 真空灭 弧室以其优异的介电性能和高频电流分断能力成 为机械触头的首选，基于电磁斥力原理的斥力机构 具有始动快，结构简单等特点选定为驱动机构的技 术 方 案 [14-16]。
母线额定电压可达 5 kV，额定 电流可达 6 kA，故障 行了 4.1 kA 和 29 kA 的分断实验， 但停留在实验室
时最大短路电流上升率将达到 20 A/μs 以上，预期短 阶段[10]。 上述成果难于满足舰船中压直流电力系统的
路电流峰值 时间 2~5 ms，峰值电 流高达 110 kA[3-4]。 参数要求。海军工程大学提出了一种基于强迫过零原
课题组设计的 5 kV/6 kA 斥力真空触头机构示 意图见图 3，它从上至下依次由锁脱扣机构、电磁斥 力机构、真空灭弧室和出线母排共 4 个部分。 合闸 状态下， 由合闸弹簧 2 提供触头间的合闸压力，通 过调整弹簧参数可以调整合闸保持力的大小。 为保 证触头间电阻稳定在较小的范围，提升整机承载大 电流和耐受浪涌电流的能力，对合闸压力的参数选 择进行了实验和仿真分析。 机构设计时，还将斥力 盘与动触头电流引出端子合二为一，并通过软编织 线直接焊接到母排。 斥力盘 5 的材料为特制铜合 金，兼顾了较强的机械强度和较高的电导率。 这些 措施缩短了电流路径，减小了回路电阻，满足了额 定通流条件下的温升和短路耐受时抗熔焊的要求。
（Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China）
Abstract: A hybrid medium voltage DC vacuum breaker （HDCVB）based on forced commutation principle is proposed. The method for improving the current-carrying capacity and initial speed of repulsion driving vacuum interrupter，the means for series application and of strong pulse power transistors, and the basic design criterion of MOA are discussed，and the research work that has been carried out is described. Moreover，the commutation process is analyzed theoretically. A 5 kV/6 kA HDCVB was designed, and a series of tests were conducted to verify the effectiveness of the theoretical analysis and the parameters selection. Key words: hybrid；medium voltage；DC breaker；repulsion driving vacuum interrupter；pulse power transistor；
机构增强通流能力和提高初始速度的方法，脉冲功率组件串联应用和提高浪涌通流技术，避雷器的技术要
求及参数设计的原则，介绍了已开展的工作。 对换流过程进行了理论分析，研制了额定5 kV/6 kA断路器样
机，进行了系列实验，验证了理论分析和参数选择的有效性。
关键词： 混合型； 中压； 直流断路器； 斥力真空触头机构； 脉冲功率； 避雷器； 换流
分闸时，控制器发出信号触发晶闸管，驱动电 容对斥力线圈 6 放电， 产生数百微秒的大脉冲电 流，斥力盘由于产生涡流与脉冲电流相互作用产生 了巨大的电磁斥力，推动触头弹簧绝缘子 3 克服合 闸弹簧的压力向上运动，使触头分离。 从控制器发 出信号 到触头 实 现 电 气 分 离 的 始 动 延 时 为 200 μs 左右，完成 5 mm 开距仅需不到 2 ms 的时间。 分闸 到位后， 锁脱扣机构 1 迅速动作将运动轴锁扣，在 触头间形成额定开距， 耐受分断过电压或系统电 压。 为了提高动触头初始速度，课题组从减小运动 部件质量和 电气 驱 动 参 数 方 面 进 行 了 优 化 设 计[17]。 灭弧室触头结构、材料选择和驱动机构的运动特性
第 50 卷 第 5 期
设计的脉冲功率组件单元示意图见图 4， 每个 组件由多个这样的单元构成。 每个单元分别并联了 静态均压电阻 Rp、动态吸收电路 Rb、Cb，光纤触发板 串联在静态均压电路中实现等电位取电。 将图中晶 闸管换成二极管， 去除触发板则构成了二极管组 件。 所有器件均对阻断特性(漏电流)、开通特性(IGT、 VGT)、恢复特性一致性进行了筛选。 Rp 保证器件在 阻断状态下的静态电压均衡，选取原则是在工作电 压下让流过电阻的电流为器件漏电流的 2~5 倍。 RC 吸收电路进行动态均压，减小器件的开通和恢复过 程中差异的影响， 将电压不均衡限制在一定范围 内。 其取值与串联器件恢复特性及工作条件有关， 一般可选择：Cb=0.1~0.4 μF，Rb=8~20 Ω， 耐压选为 并联器件耐压的 1.1~1.5 倍； 具体 R、C 取值可根据 组件型号及工作情况调试决 定。 需注意 的是 Rb、Cb 应选择无感电阻和无感电容，并用尽量短的线就近 连 接 在 器 件 两 端[19]。
笔者首先介绍基于强迫换流原理的混合型中
基 金 项 目 ： 国 家 自 然 科 学 基 金 (51207166，51377166，51307179)资 助 。
Project Supported by National Natural Science Foundation of China(51207166，51377166，51307179).
中图分类号： TM561
文献标志码： A
文章编号：1001-1609（2014）05-00dium Voltage DC Vacuum Breaker
LIU Luhui，ZHUANG Jinwu，JIANG Zhuangxian，WANG Chen
化，其地位从辅助系统变成主动力系统，容量急剧增 真空限流断路器， 并进行了 180 A 小电流、1.9 kA 近
大。 直流区域配电以其高效、灵活的优点成为系统网 额定电流和 10 kA 短路电流 3 种不同工况下的开断
络的首选，舰船电力迈向中压直流系统[1-2]。舰船 直 流 实验[9]。 西安交通大学研制的人工过零真空断路器进
斥力真空触头机构 VI 上并联二极管组件 D 使 分断过程中恢复过电压出现的时刻后移，为触头电 流过零后动静触头间介质恢复创造了近似零电压 的恢复过程，增强了触头间隙后续承受恢复电压的 能力，提高了分断可靠性。 在电感 L 两端并联续流 二极管的目的是为了减小晶闸管组件通过浪涌电 流后截止时的 du/dt 和降低电容反充电压幅值。 基 于强迫换流原理的 HDCVB 通流能力强， 分断电流 高，且分断时间短，限流效果和工程适用性好。
研究与分析
刘路辉，庄劲武，江壮贤，等. 混合型中压直流真空断路器的研究
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压直流真空断路器方案，并对其关键部件斥力真空 触头机构、脉冲功率组件及避雷器和换流过程进行 了分析设计，最后给出了典型分断实验。
1 混合型直流真空断路器工作原理