提出了一種基于強迫換流原理的混合型中壓直流真空斷路器方案。闡述了關鍵部件如斥力真空觸頭機構增強通流能力和提高初始速度的方法，脈沖功率組件串聯應用和提高浪涌通流技術，避雷器的技術要求及參數設計的原則，介紹了已開展的工作。對換流過程進行了理論分析，研制了額定5 kV/6 kA斷路器樣機，進行了系列實驗，驗證了理論分析和參數選擇的有效性。

　　引言

　　隨著艦船綜合電力系統的提出， 電力推進方式和高能武器的出現， 艦船電力系統發生革命性的變化，其地位從輔助系統變成主動力系統，容量急劇增大。直流區域配電以其高效、靈活的優點成為系統網絡的首選，艦船電力邁向中壓直流系統。艦船直流母線額定電壓可達5 kV，額定電流可達6 kA，故障時最大短路電流上升率將達到20 A/μs 以上，預期短路電流峰值時間2~5 ms，峰值電流高達110 kA。

　　現有的艦船直流保護設備均為低壓電器， 不適用于中壓系統， 無法為艦船的中壓直流電力系統提供有效保護，中壓直流斷路器的缺乏成為制約艦船直流電力系統進入工程應用的一個主要因素。基于強迫換流原理的混合型直流真空斷路器(HDCVB)是直流中高壓開斷的有效方式。俄羅斯全俄電力技術研究所研制了額定3.3 kV/3 000 A 直流真空限流斷路器， 并進行了180 A 小電流、1.9 kA 近額定電流和10 kA 短路電流3 種不同工況下的開斷實驗。西安交通大學研制的人工過零真空斷路器進行了4.1 kA 和29 kA 的分斷實驗，但停留在實驗室階段。上述成果難于滿足艦船中壓直流電力系統的參數要求。海軍工程大學提出了一種基于強迫過零原理的改進拓撲結構，并在低壓參數下對斷路器的設計、小開距下介質恢復特性進行了實驗研究，為研究混合型中壓直流真空斷路器奠定了基礎。

　　筆者首先介紹基于強迫換流原理的混合型中壓直流真空斷路器方案，并對其關鍵部件斥力真空觸頭機構、脈沖功率組件及避雷器和換流過程進行了分析設計，最后給出了典型分斷實驗。

　　1、混合型直流真空斷路器工作原理

　　混合型直流真空斷路器典型結構見圖1， 它由斥力真空觸頭機構(VI)、換流電路(C-F-L-D)和避雷器(MOA)并聯組成。

圖1 HDCVB 結構示意圖

　　正常情況下，斥力真空觸頭機構處于合閘狀態，換流晶閘管組件處于關斷狀態，換流電容預充電。當傳感器檢測到故障電流或控制器接到分閘指令后，立即觸發斥力機構驅動觸頭分離(t1)，真空滅弧室觸頭分離形成真空電弧，觸頭間產生弧壓。當觸頭間隙形成足夠的開距或延遲一定的時間后(t2)，控制器向晶閘管組件F 發出導通信號，主回路電流i 開始向換流支路轉移， 換流電容C 的放電電流iC一部分可能會從二極管D 上流過， VI 支路電流iVI將逐漸減小直至過零熄弧(t3)。換流電流大于主回路電流部分將流過二極管支路(t3~t4)。當iD過零D 截止后，主回路電流全部轉移到C-F-L 支路上(t4)，同時，斷路器兩端出現正向過電壓。當換流電容反充電壓大于MOA 動作電壓后(t5)，電流向MOA 支路轉移，MOA 開始限壓吸能。隨著F 電流減小到零后截止關斷，短路電流全部轉移到MOA 上(t6)， 系統感抗中存儲的能量被MOA 吸收耗散(t6~t7)，最終電流減小到零被切斷，分斷過程結束(t7)，見圖2。

圖2 HDCVB 分斷過程示意圖

　　斥力真空觸頭機構VI 上并聯二極管組件D 使分斷過程中恢復過電壓出現的時刻后移，為觸頭電流過零后動靜觸頭間介質恢復創造了近似零電壓的恢復過程，增強了觸頭間隙后續承受恢復電壓的能力，提高了分斷可靠性。在電感L 兩端并聯續流二極管的目的是為了減小晶閘管組件通過浪涌電流后截止時的du/dt 和降低電容反充電壓幅值。基于強迫換流原理的HDCVB 通流能力強， 分斷電流高，且分斷時間短，限流效果和工程適用性好。

　　5、結語

　　混合型中壓直流真空斷路器方案，原理簡單、分斷速度快、可靠性高，可以實現大容量中壓直流分斷，基于斥力原理的真空觸頭機構可以實現額定電流通流和快速動作的功能;中壓脈沖功率組件均壓措施改善了串聯應用的分壓特性，采用擴大門極和強觸發可有效提高浪涌通流能力， 光控觸發的方案實現了電氣隔離，節約了觸發電源;避雷器的能量等效性原則和參數設計方法等為中壓直流短路器的研制打下了堅實的基礎。斥力真空觸頭機構連入換流回路的阻抗是影響換流效率的關鍵因素。實驗表明， 混合型中壓直流真空斷路器可以成功滿足艦船中壓直流電力系統負荷和保護分斷的要求。