0 引言

随着技术的进步,直流电力系统在舰船、直流输配电、新能源并网、轨道交通等领域正在获得越来越多的应用,迎来了快速发展的黄金时期,业界有专家将这一现象称为“直流电复仇记”^[1]。作为直流电网的重要保护设备,快速直流断路器也随之成为了近年来电器学科的研究热点^[2-8]。

在船舶动力领域,综合电力系统已成为国内外舰船动力的发展方向^[9]。其核心思想是将传统舰船中相互独立的机械推进和电力两大系统合二为一,以电能的形式统一为推进、武器、通信、导航和日用设备等供电,实现了全舰能源的综合利用,被誉为舰船动力的第三次革命。采用中压直流电制的综合电力系统具有效率和功率密度高,体积和重量小,易于与高能武器、传感器等先进设备集成,系统生命力更强等诸多优势,成为舰船综合电力系统未来的发展的趋势^[10-11]。大容量舰船直流电力系统线路短、阻抗低、时间常数小,短路电流初始上升率通常超过20kA/ms,短路电流在几个ms的时间内便可攀升至100kA以上^[12],对直流断路器的速动性和分断能力提出了很高的要求。缺乏可用的大容量快速直流断路器制约了舰船综合电力系统的工程实现。

在输电领域,电压源换流器技术具有有功功率与无功功率可以独立控制、无需滤波及无功补偿设备、可向孤岛供电、潮流翻转时电压极性不变等优势^[13]。基于电压源换流器的柔性直流高压输电技术(voltage-sourced converter high-voltage direct current,VSC-HVDC)快速发展,多端柔性直流输电系统、乃至进一步发展组成直流电网,成为解决长距离大容量电能输送、新能源发电并网和大城市供电的有效技术途径,受到了人们的广泛关注^[13-16]。VSC-HVDC中平波电抗器小,直流侧含有较大的电容,系统短路电流上升率可达到10kA/ms^[17]。随着短路电流快速上升,直流电压在几个ms的时间内就会跌落至额定电压的80%以下,而VSC在直流电压跌落至额定电压的80%以下时将难以继续工作^[7,18]。作为系统中起着控制和保护双重作用的电力设备,快速直流断路器必须能够限制并切断故障电流,维持直流电网安全稳定运行。高压快速直流断路器的研制已成为制约直流电网发展的瓶颈。

在更接近用户端的配电环节,微电网与各种新能源发电技术相互融合,发展形成了直流配电网、直流微电网的概念,迎来了相关理论研究和示范工程兴建的热潮^[19-21]。与交流配(微)电网相比较,直流配(微)电网供电容量大、线路成本低、损耗小、供电可靠性高、可控性强、电能质量好,更适于各类分布式新能源电源和负载接入。快速直流断路器作为直流配(微)电网安全运行和保护的关键设备,直接影响着系统控制与保护策略的制定。

在地铁、轻轨等轨道交通领域,直流电制具有牵引性能好、电压损失小、供电安全可靠、经济效益高等优点,获得了大量的应用。直流牵引供电系统的可靠稳定运行是保证机车安全运行的前提。供电区间发生近端短路故障时,电流上升率和电流峰值均很大,必须在短路电流达到峰值前切除,以保护供电设备安全^[22]。当前,直流牵引供电系统领域中的直流断路器主要由赛雪龙等跨国公司垄断,采用高速直流空气断路器技术,基本可以满足系统的需要,但存在经济成本高、分断寿命低、维护工作量大等缺点^[23]。随着我国在建和新建地铁线路的增加,加上冶金和矿山等传统直流牵引领域,直流开关柜市场需求量很大。自主研制高性能的快速直流断路器具有重要的经济和社会意义^[24]。

本文首先叙述了快速直流断路器的技术要求和研制难点,从空气式直流断路器、直流固态断路器、混合型直流断路器三种技术途径,分别介绍了其工作原理、优缺点和典型研究成果,最后指出了快速直流断路器研发中需要重点关注的问题。

1 快速直流断路器技术要求与研制难点

快速直流断路器是直流电力系统运行控制和保护的关键设备,应能够按照系统控制与保护策略的要求实现如下基本功能：

1）合闸状态下,承载工作电流,满足温升和绝缘指标;

2）分闸状态下,提供可靠的隔离断口,满足绝缘要求;

3）接到分、合闸指令,可靠地执行分、合闸动作;

4）系统故障时,快速限流分断短路电流,分断时间符合系统指标,分断过电压不超过系统绝缘的限定。

快速直流断路器研制的难点之一在于直流电力系统中电流不存在自然过零点,必须采用特殊的方法制造出电流零点。另一方面,由于直流短路电流上升快、峰值高,断路器必须在数ms的时间内完成分断任务,才能满足直流电力系统限流分断的保护需要。断路器分断过程通常包括故障检测、逻辑判断与脱扣、机构分闸(或固态开关触发)、过电压建立与能量吸收耗散等多个环节。快速直流断路器必须尽可能地减少各个环节的耗时,将全分断时间压缩在几ms内,且短时间内完成大量的系统储能吸收耗散,研制难度非常大。

2 快速直流断路器研究现状

根据技术路线的区别,快速直流断路器大体可以分为三类,分别是基于电弧电压建立原理的空气式直流断路器、基于电力电子器件的直流固态断路器和基于功能分解组合的混合型直流断路器。

2.1 空气式直流断路器

空气式直流断路器是以交流断路器灭弧技术为基础变革而来,主要包括脱扣系统、触头系统、操作机构和灭弧罩四大部分。脱扣系统的功能是故障发生时完成检测与脱扣,保证断路器可靠分闸;触头系统的功能是长时间承载额定电流、短时承受过载和故障电流,在分断过程中促进电弧弧根的转移、跳变;操作机构的功能是实现断路器的分合闸动作,保证触头系统的分合闸速度要求,利于电弧运动与转移,提供合闸保持力,保证触头系统的动热稳定性;灭弧罩的功能是拉伸、切割、冷却电弧,建立电弧电压,限制短路电流上升,实现分断任务。短路发生后(t₀),空气式直流断路器首先经历脱扣器脱扣耗时、机构机械延时,而后触头分离(t₁),通过磁吹或气吹等手段将触头间的电弧引入灭弧罩内,进行切割、强烈的冷却、去游离,建立起与电源电压相反的电弧电压;当电弧电压大于电源电压时,短路电流开始下降(t₂),电弧持续燃烧一段时间(t₁—t₃),直至电流下降到零,断路器两端电压等于系统电压,分断过程结束(t₃),如图1所示。快速空气式直流断路器关键技术有：快速检测脱扣技术、高速分闸技术、电弧快速转移与电弧电压建压技 术等。

图1 空气式直流断路器分断过程示意图 Fig. 1 Waveforms of air DC circuit breaker breaking process

赛雪龙公司生产的UR、HPB系列高速直流断路器产品是空气式直流断路器快速开断技术的优秀代表^[25],占据了轨道交通市场的绝大部分份额,图2所示为HPB 60型断路器。该断路器额定电流6kA,配装82型灭弧罩时额定工作电压1800V,分断容量达80kA,可以满足地铁的需要。但该产品分闸时间依旧较长,初始电流上升率为3kA/ms时,分闸时间长达6.3ms,配装间接脱扣器时,脱扣时间最短也要2.6ms,影响了断路器的限流分断性能。国内西安交通大学与大全集团合作,针对轨道交通、船电领域的应用需求,开展了瞬动式磁脱扣技术、电弧等离子体行为特性的仿真与试验等研究,取得了系列研究成果,有利地指导了大容量中压快速直流断路器的开发,成功研制了额定电压4kV、分断能力70kA的样机^[26-28]。

图2 赛雪龙HPB 60产品 Fig. 2 HPB 60 of Sechron

空气式直流断路器的优点是技术成熟,应用经验丰富,但存在分闸时间长、限流效果差;分断时触头及灭弧栅烧蚀严重,电寿命低,维护保养成本高;额定电压一般不超过5kV,不适用于更高电压等级直流分断等问题。另一方面,空气式直流断路器分断过程中巨大的系统储能只能通过电弧燃烧进行释放,因而需要预留较大的喷弧空间,分断能力也为此受限。空气式直流断路器难以满足中高压、大容量直流电力系统快速性的限流保护需求。

2.2 直流固态断路器

直流固态断路器故名思议由电力电子器件(如SCR、IGBT、IGCT、ETO等)作为主控开关,配以测控单元和缓冲吸能组件等共同组成。测控单元利用传感器或器件结电压等自身特性检测、判断系统的运行状态;电流分断任务主要依靠电力电子器件的关断性能(半控型器件晶闸管还需强迫关断回路的配合);缓冲和吸能组件完成分断过程的过电压限制和能量消耗,保障器件的安全。故障发生后,测控单元迅速向器件发出关断信号,实现关断。电力电子器件微秒量级的分断速度,决定了直流固态断路器具有优异的故障电流限制能力。快速直流固态断路器的关键技术主要有：器件尽限应用、均压、均流、同步驱动和保护等。

美国电力电子系统研究中心Xu Zhenxue等研发了基于ETO 4045TA的直流固态断路器样机^[29],额定参数2.5kV/1.5kA,样机采用的ETO额定参数为4.5kV/4kA,基于ETO发射结线性阻抗特性集成了电流检测触发功能,其他配件主要是缓冲电路、冷却系统,样机组成示意和实物如图3所示。文献[29]中进行了过载保护试验,短路电流上升到约750A时,集射结压降超过了动作参考电压,测控

图3 CPES直流固态断路器组成示意与实物图 Fig. 3 Schematic and picture of the DC circuit breaker prototype based on ETO 4045TA

电路延时约4μs发出关断信号,关断过程耗时仅5μs,试验波形如图4^[29]所示。ABB公司基于反向阻断型IGCT研制了双向直流固态断路器^[30],采用的RB-IGCT直径91mm,额定电压2.5kV,1kA电流通态压降仅0.9V,分断能力达6.8kA。RB-IGCT导通压降低,1kA通流条件下功耗仅1360W,通过良好的空气冷却措施就可以满足通流温升要求,有利于降低断路器体积和成本。文献[30]还对避雷器、散热器等部件的设计进行了仿真分析和试验研究,断路器组成示意和实物如图5^[30]所示。美国DTI公司Kempkes等针对船舶电力系统和变换器保护应用开展了基于IGBT的中压直流固态断路器分析和设计,给出了10kV/8MW样机总体方案,如图6^[31]所示。文献[31]考虑了器件冗余、拓扑结构、可靠性、耐压、冷却等诸多方面的问题,进行了1万次分断电流1kA等级的可靠性试验,检验了IGBT的电气性能。国内海军工程大学庄劲武等对舰船电力

图4 1.5kA/2.5kV直流固态断路器分断过程 Fig. 4 Over-current protection waveforms of the ETO-based DC circuit breaker

图5 ABB直流固态断路器组成示意与实物图 Fig. 5 Schematic and picture of the bi-directional SSCB based on 91mm, 2.5kV RB-IGCT

图6 DTI 10kV/8MW直流固态断路器示意图 Fig. 6 Conceptual drawing of a solid-state circuit breaker comprised of two 10 kV, 8 MW interrupters

系统进行研究,采用IGBT研制了直流固态断路器样机,重点围绕拓扑结构设计、分断过程分析、试验验证开展了相关工作^[32]。中科院等离子所温家良等利用大功率晶闸管设计了双向直流晶闸管开关,用于托卡马克核聚变试验装置。双向开关利用反向电流强迫晶闸管关断,设计参数为通态电流15kA,断态电压2400V,关断时间约2ms。为满足大电流通断的需要,单方向9只器件并联使用^[33]。南京航空航天大学穆建国等也提出了基于晶闸管的直流固态断路器拓扑结构,并进行了分断过程的分析^[34]。

固态断路器的优点是无机械触头系统和运动机构,投切迅速、精确可控、限流能力强,不存在电弧烧蚀,理论上可无限次重复使用,寿命长。然而,与机械开关相比,固态开关却存在通态损耗大、过载能力差、分断能力有限、价格高等缺点,制约了其工程化应用。目前,单只全控器件电压等级不超过10kV,分断能力不超过10kA,高电压、大容量等级应用时,只能采用多只串并联,断路器通态损耗和可靠性问题凸显。固态断路器更适用于中低压、小电流直流系统限流保护场合。

2.3 混合型直流断路器

混合型开关技术将额定电流承载、短路电流分断与系统储能的消耗吸收等工作分开完成,设计时便于解耦处理。针对混合型直流断路器,很多学者提出了不同结构的电路拓扑和技术方案^[35-63]。根据原理可以分为零电压型(zero voltage switch,ZVS)、零电流型(zero current switch,ZCS)和ZVS-ZCS联合型,如图7所示。3种混合型直流断路器(hybrid direct current circuit breaker,HDCCB)的共同之处是均由机械开关、分断支路(换流支路)和限压吸能支路并联组成,主要由机械开关承担通流任务,利用非线性氧化物金属电阻(metal oxide varistor,MOV) 构成

图7 三种混合型直流断路器原理图 Fig. 7 Three kinds of HDCCB principle

的限压吸能组件吸收系统储能,区别在于分断过程工作原理和执行分断任务的部件不同。下文展开具体叙述。

1）ZVS型。

ZVS也被称为自然换流型,其典型特点是由可关断器件构成不同拓扑形式的固态开关支路。短路发生后(t₀),ZVS-HDCCB的测控单元迅速发出分闸指令,机械开关延迟一定时间打开(t₁),在电弧电压作用下系统电流换流至固态开关支路,机械开关电流i_m过零、电弧熄灭(t₂),延时一定时间待机械开关形成可靠断口,电力电子器件关断;过电压建立,电流转移至缓冲电路和限压吸能电路,固态开关支路电流i_s过零(t₃—t₄);随着系统能量逐渐耗散(t₃—t₅),最终电流i_MOV过零,电流分断(t₅),如图8所示。ZVS-HDCCB的关键技术包括：快速机械开关的设计、可关断器件的串并联应用、换流支路杂散参数设计,以及固态开关支路关断时机的选定等。

荷兰Delft大学Polman等针对舰艇直流区域配电快速保护需求,采用斥力开关和6组IGBT并联设计了额定电压600V、分断电流6kA的ZVS- HDCCB^[36],电路原理、实物如图9所示。文献[36]

图8 ZVS-HDCCB分断过程示意图 Fig. 8 Waveforms of ZVS-HDCCB breaking process

图9 Delft大学设计的ZVS-HDCCB电路原理与样机 Fig. 9 Circuit diagram and picture of the prototype in Delft

围绕IGBT并联均流、分断瞬间过电压抑制、机械结构设计、通断试验等进行了研究,样机全分断时间为1.2ms,验证了方案的可行性。瑞士工业电子实验室Meyer等利用超高速电磁斥力开关和2个IGCT并联的桥式电路,为轨道交通领域研制了1.5kV/4kA混合型限流断路器^[37],电路原理、实物如图10所示。文献[37]分析认为机械开关的响应特性是制约混合型断路器限流性能的关键,因此重点开展了基于电磁斥力技术的快速开关研制,分断电流5kA试验中,斥力开关的固有延时约180μs,限流分断短路电流的峰值时间仅为300μs。

面向高压直流输电领域应用,大型公司ABB、阿尔斯通、国家电网等均开展了基于ZVS原理的混合型高压直流断路器的研发工作,陆续宣布完成80kV/2.6kA/9kA/5ms、120kV/1.5kA/7.5kA/2.5ms、200kV/1.5kA/15kA/3ms(额定电压/额定电流/分断电

图10 瑞士工业电子实验室设计的ZVS-HDCCB电路原理与样机 Fig. 10 Circuit diagram and picture of the prototype of the Laboratory of Industrial Electronics in Swiss

流/分断时间)高压直流断路器的研制与试验^[38-41]。由ZVS-HDCCB的工作原理可知,电流能够从通流支路转移到固态开关是实现ZVS开断的前提。高压直流断路器中因固态支路导通压降达到kV级,仅依靠机械开关数十伏的弧压进行换流已不现实。各方案中普遍采用机械开关与辅助换流开关串联构成通流支路,利用少量可关断器件构成辅助换流开关。换流时,由辅助换流开关先行关断,产生足够的换流电压促进电流转移,机械开关依旧在ZVS条件下打开,快速形成可耐压断口,承担固态支路关断过电压。各方案的区别在于固态支路拓扑不同,ABB使用压接式IGBT反向串联,Alstom使用晶闸管和吸收电容相结合的方式,全球能源互联网研究院使用IGBT-H桥串联结构,3种方式均可实现快速分断,又各具特点,原理拓扑分别如 图11—13所示^[38-39,41]。缩短断路器分断时间,提高高速机械开关分闸速度及其耐压能力是高压直流断路器研制的另一关键,各公司均采用了高速驱动机构与多断口串联的思路。此外,ABB和全球能源互联网研究院还采取了前摄控制策略,补偿高速机械开关的分闸耗时,以缩短分闸时间,提升限流水平,降低成本。为进一步提升高压直流断路器的可靠性,降低造价,全球能源互联网研究院温家良等提出了基于IGBT串联技术的新型混合式高压直流断路器方案,通过共用一个主分断开关实现双向分

图11 ABB高压直流断路器原理图 Fig. 11 Schematic of the ABB HVDC CB

图12 Alstom高压直流断路器原理图 Fig. 12 Schematic of the Alstom HVDC CB

图13 国网高压直流断路器原理图 Fig. 13 Schematic of the China State Grid HVDC CB

断,节省IGBT数量^[42]。浙江大学江道灼等提出了基于IGBT与SCR混合构成固态开关的方案,充分利用全控器件的快速可控性和半控器件容量大、价格低的优点,减小装置体积与成本^[43]。

ZVS-HDCCB的优势在于结构简单,对机械开关自身分断能力要求不高,但因可关断器件自关断电流水平及价格等多方面的制约,ZVS-HDCCB更适用于中小电流水平的直流分断场合。

2）ZCS型。

ZCS也被称为强迫换流型或人工过零型,通常包括3条并联支路^[44]：由真空开关形成的正常通流支路、由脉冲功率元件组成的强迫换流关断支路,以MOV作为基本元件组成的限压吸能支路,如 图14所示。真空环境介电强度高,机械开关选用真空开关为缩短分闸时间、快速限流分断提供了可能。真空电弧是一种金属蒸气电弧,使真空开关具有极快的弧后介质恢复能力,高频分断性能突出,为换流参数小型化及断路器工程应用奠定了基础。短路发生后(t₀),ZCS-HDCCB的测控单元立即驱动真空开关(通常采用电磁斥力驱动)分闸(t₁),当动触头运动一定的时间达到最佳开距区间后(t₂),脉冲功率开关(通常选用真空触发开关、气体火花开关或快速晶闸管)快速触发闭合,预储能的换流电容放电,主回路电流从真空开关转移到换流支路,i_m快速减小过零,电弧熄弧,真空开关两端出现恢复过电压,换流电容开始被i_c反充电(t₃)。当过电压上升至MOV动作电压时(t₄),电流从换流支路向MOV支路转移,MOV开始吸收分断过程中的系统储能,i_c逐渐减小直至到零(t₅)。随着系统储能被MOV耗散掉,主回路电流减小到零(t₆),分断过程结束,如 图15所示。ZCS-HDCCB的关键技术包括：高速斥力机构的设计、真空开关强迫换流分断特性、换流回路参数及整机控制策略的优化设计等。

图14 ZCS-HDCCB原理图 Fig. 14 Scheme of ZCS-HDCCB

图15 ZCS-HDCCB分断过程示意图 Fig. 15 Waveforms of ZCS-HDCCB breaking process

阿尔斯通、日立、富士电机、东芝公司分别开发了面向铁路应用的直流真空断路器^[45-48]。文 献[45-48]针对高速斥力机构与磁场线圈的一体化技术,纵磁型触头分离初期电弧演化过程与分布,饱和电抗器的使用、有无小电流阶段及其时长、燃弧时间与分断能力的关系等进行了实验研究。东芝公司推出的高速真空断路器额定电压DC1500V,额定电流最大4kA,可分断的预期短路电流为l00kA (电流上升率为10kA/ms时),实际分断点电流35kA,以低噪声、无电弧喷射、低维护等优点,在日本、阿联酋等国的电气化铁路系统获得了一定的应用,产品实物图如图16^[48]所示。俄罗斯全俄电力技术研究所Alferov等研制了额定参数3.3kV/3kA直流真空限流断路器^[49],可将初始上升率1.3A/μs、预期短路电流峰值30kA的短路电流限制到10kA以内,样机采用电磁斥力技术驱动机构,分闸时间3ms,利用两个真空开关并联来满足额定电流和分断能力的需要,引用了真空触发开关TVS分断特性的实验结论作为换流参数设计的依据。国内,大连理工大学董恩源等为某型潜艇直流电源设计了额定参数为1500V/4000A的直流真空限流断路器^[50],可分断初始上升率3A/μs、预期电流峰值50kA的短路电流。该方案的创新之处在于采用了一个永磁机构同时实现主回路的分断与换流回路的闭合,由于采用是永磁机构,触动时间较长,达4ms。近年来,郑占峰等提出了一种基于电磁斥力驱动、永磁力保持的快速真空开关驱动机构方 案^[51],开关触动时间仅为0.3ms,动触头达到6mm行程需2.8ms。文献[51]还针对阳极表面温度建模计算、蒸汽密度随时间变化及纵磁磁场强度分布与变化等内容开展了研究,形成了换流参数设计的原则。针对船舶5kV直流系统的应用开展了快速直流真空断路器的研制,换流频率设定为1kHz,最短分断时间2.8ms,实际分断电流35kA。邹积岩等提出了基于智能模块串联技术完成高压直流短路分断的方案^[52-53],并围绕电弧形态演化、介质恢复特性和换流参数优化等开展了部分研究工作,110kV高压直流断路器原理结构如图17^[52]所示。西安交通大学史宗谦等针对船舶5kV直流系统的保护需求,对基于人工过零原理的真空直流断路器高速操动机构、真空开关分离引燃初期的电弧形态进行了研究^[54-55],并利用样机进行了预期电流29kA的短路分断实验,样机分断时长为3.1ms时,实际分断电流仅为24kA。海军工程大学庄劲武等面向舰船

图16 东芝公司高速真空断路器 Fig. 16 Picture of the high speed VCB in Toshiba

图17 大连理工大学基于DC VCB模块串联的110kV高压直流断路器原理结构 Fig. 17 Principle structure of DC VCB module in series 110kV HVDC VCB in Dalian University of Technology

综合电力系统应用,提出了基于强迫换流原理的新型拓扑结构,通过在真空开关两端并联续流二极管,使分断过程中恢复过电压出现的时刻后移,创造了近似零电压的恢复阶段,改善真空开关短燃弧、小间隙条件下的分断特性^[56-58]。该团队还开展了真空开关触头结构适用性与技术分析等工作^[59]。

ZCS-HDCCB分断时间短,可分断短路电流大,在直流电力系统保护领域具有很好的应用前景,其缺点是换流回路及附属设备较多,控制复杂,对机械开关的高频分断能力要求很高,电弧调控窗口窄,可用方法少。

3）ZVS-ZCS联合型。

ZVS-ZCS联合型故名思议集成了ZVS和ZCS两种技术,在保持ZVS优点的基础上,通过增加强迫换流支路提升大短路电流分断能力;从ZCS型角度讲,则是通过增加并联的固态开关支路,达到优化换流参数,提升整体指标的目的。

Roodenburg等在EUCLID RTP计划支持下面向舰船电力系统应用提出了ZVS-ZCS联合型直流断路器拓扑结构,对分断过程的各阶段进行了详细分析,总结了换流回路杂散电感控制技术等要点,进行了分断电流5kA的分断试验,分断时间约1.6ms^[60]。海军工程大学王晨等针对舰船低压直流电力系统的快速保护需求,开展了3kA/320V混合型限流断路器的研制,进行了各组成部分匹配性设计,重点针对高短路电流上升率时的换流过程和快速晶闸管强迫关断特性进行了研究^[61-62]。Liu等为解决混合型直流真空断路器短燃弧时间下分断能力不能满足大容量舰船综合电力系统保护需求的难题,提出了基于ZVS-ZCS联合型的方案^[63],通过真空开关与固态开关共同分担短路电流,减小真空开关承担的分断电流绝对值,减轻其分断压力,进而增强了混合型直流真空断路器整机大容量限流分断能力及其分断可靠性。针对20kA/ms上升率下的大电流换流过程,晶闸管浪涌冲击电流下关断特性进行了试验研究,样机可分断预期峰值100kA、实际分断40kA以上的短路电流。

ZVS-ZCS联合型将混合型开关的概念发挥到了极致,通过不同技术手段优化组合,充分发挥ZVS与ZCS各自的优势,有利于实现大直流短路电流的可靠分断,缺点是工作过程环节增加,降低了分断可靠性。

3 结论

直流电网的蓬勃发展对快速直流断路器提出了更高的需求。从文中所述快速直流断路器工作原理和研究现状来看,不同的快速直流分断技术各具优缺点,混合型直流分断技术具有一定的发展潜力。直流分断技术产品化过程中,追求高可靠性指标下的低成本实现,从而决定了不同应用背景下技术方案的选择。快速直流分断技术应着重针对以下几方面加强机理研究与关键技术攻关：

1）开展典型直流电力系统短路故障研究,分析不同故障类型下系统保护策略对保护设备动作特性的要求,为快速直流断路器研发提供详尽的短路电流波形、分断时间、绝缘配合等设计输入,为指导设备开发和标准制定奠定基础;

2）攻克直流断路器关键器部件研制,努力提高其性能稳定性与可靠性。例如,进一步压缩高速驱动机构的分闸时间及其分散性,提高机构机械寿命;加强电力电子器件串并联应用时均压、均流与触发技术研究,探究器件尽限应用的边界;深入开展短燃弧时间条件下,真空开关电弧引燃特性及强迫换流分断过程形态演化规律、分断特性等机理与试验研究,研发直流专用灭弧室。

3）开展直流断路器试验方法与条件建设研究,为快速直流断路器研发提供条件保障。同时,注重直流断路器应用示范工程的经验积累,为断路器持续优化设计和规范制定提供依据。

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