直流断路器电弧研究的新进展

荣命哲 杨 飞,2 吴 翊 孙 昊 李 阳 纽春萍

（1.西安交通大学电气工程学院电力设备电气绝缘国家重点实验室 西安 710049 2.国家电网平高集团有限公司 平顶山 467000）

1 引言

直流电力系统主要应用于电力推进、可再生能源分布式电网和超远距离高压输电等场合[1-8]。伴随着轨道交通，高压直流输电等系统的大规模建设与规划，直流输配电系统迎来了一个快速发展的黄金时期，从系统到设备的相关研究工作都成为电力行业一个新兴的研究热点。

虽然在不同的应用场合中系统的基本运行特征差异很大，但无一例外都需要直流断路器这一关键的电力设备。其主要功能包括关合、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。因此，近年来直流断路器的研究也得到了越来越多的关注[6-16]。

在直流断路器的开断过程中，触头打开后将在触头之间形成电弧，因此，断路器的任务就是迅速使电流过零，熄灭电弧，加速介质恢复，防止再次击穿和电弧的重燃。然而，与交流系统相比，直流系统的开断更加困难，这是因为直流系统不存在自然过零点，必须采用一定的技术手段迫使电流过零。另外，在开断过程中直流断路器还需要吸收存储在系统电感中的大量能量[1]。因此，直流断路器中的电弧调控技术难度大、要求高，也是目前开关电器领域最前沿的技术问题。而这一断路器核心技术的形成与完善，必须建立在直流断路器中电弧现象的多种科学问题更加深入的理解基础之上。

2 直流断路器的主要类型

不同的直流输配电系统差异非常大，额定电压从几百伏至几百千伏，开断电流从几千安到上百千安。所以，针对直流断路器的设计，已有的文献中提出了各种不同的开断方法，这些方法所关注的核心问题也大不相同[6-16]。

一般而言，直流断路器按照不同的熄弧原理和开断方法主要分为三类。本文针对不同类型直流断路器的原理结构，和其中的电弧现象相关研究工作进行了综述，最后对各类直流开断技术未来的发展需求提出了展望。

3 空气直流断路器

中低压直流电力系统主要应用于地铁和船舶的电力推进、太阳能发电微网，以及冶金和矿山等工业场合，通常，系统电压在几百至几千伏的范围之内。空气直流断路器采用提高电弧电压强迫电流过零的开断原理，具有开断原理简单、可靠性高的特点，在这类系统中已经得到了非常广泛的应用[7,9]。目前，在国内市场1 500V 及其以上的大容量空气直流断路器主要被瑞士Secheron 公司、美国GE 公司和英国FKI 等几个跨国公司的产品所垄断。在公开发表的文献当中主要有国内的西安交通大学、中船重工712 研究所、ABB 公司等单位进行了相关的研究工作[17-19]，大部分的研究成果仍然处于未公开的状态。

3.1 原理与结构

空气直流断路器的示意图如图1 所示，由包含金属栅片的灭弧室、动静触头、操作机构和其他控制元器件组成。对于空气直流断路器，在开断过程中断口的电弧电压必须上升到足够高的水平，抵抗直流系统的电源电压迫使电流下降到零点，最后再迅速实现介质恢复过程完成开断。其电弧电压的建立可以采用拉长电弧、降低弧柱温度和提高近极压降等方法，而实际的断路器中经常将这些灭弧方法综合使用。图2 为适用于不同工作电压等级的不同结构的空气直流断路器。其中，图2a 适用于相对较高电压等级（≥1 000V）的应用场合，而图2b 则通常是在交流塑壳式断路器的基础上进行改造，适用于低电压等级（＜1 000V）的应用场合。

图1 空气直流断路器示意图Fig.1 Schematic of the air DCCB

图2 不同结构的空气直流断路器Fig.2 Different configuration of air DCCB

在空气断路器的开断过程中，首先由操动机构驱动动静触头分离，动静触头之间产生的电弧将被机械运动拉长，同时在电流路径和电弧本身共同作用产生的磁吹力作用下，电弧被进一步拉长并将沿跑弧道向上运动。当电弧进入灭弧室后，弧柱在金属栅片的作用下被切割成若干个串联的短弧，一方面电弧被拉长，另一方面在金属表面会形成一连串的近极压降，再加上电弧还会受到栅片的冷却作用和器壁侵蚀蒸汽的影响，此时的电弧电压将会急剧上升，进而迫使回路电流迅速下降过零。值得注意的是，电弧运动和电弧电压上升是决定开断性能的根本原因，所以这种开断技术的关键在于控制电弧平稳、快速地进入灭弧室，迅速被切割成一段段短弧。因此，对电弧现象的研究工作与调控技术的发展是空气直流断路器的核心与关键所在。

3.2 研究工作

空气直流断路器的电弧等离子体特性研究工作主要分为仿真和实验两个方面，主要关注于电弧运动过程[7,9]。电弧运动过程又可以分为电弧转移和栅片切割两个阶段，因此，研究工作主要针对这两个阶段，分析灭弧室结构（包括触头系统和栅片排布）对电弧运动过程的影响，从而发现控制电弧运动的有效方法。

Yang 等人[7]基于磁流体动力学（Magneto-Hydrodynamics，MHD）理论，通过数值计算的方法研究了中压直流断路器触头系统转移过程中的电弧等离子体的行为特性。弧柱的运动特性由电磁场和气流场的共同作用所决定，分别用麦克斯韦方程组和Navier-Stokes 方程组耦合求解来描述[20-22]。等离子鞘层的电压降和新弧根的形成过程用一层非线性的电阻薄层单元描述[23-25]。仿真结果表明由于触头系统的气压分布会显著影响弧根区域气体电导率的变化，因此压力的分布会对电弧的转移过程产生重要影响。具体的，在直流断路器触头系统中，若弧根区域的气压集中且压力值很高，则会对电弧转移过程有不利影响。相反若气压分布均匀且较低，则电弧转移过程将更加平稳、快速。其中的部分计算结果如图3 所示。

图3 空气直流断路器触头系统的温度和电流密度分布[7]Fig.3 Temperature and current density distribution of the air DCCB contact system

Rong 等人[9]用数值仿真的方法研究了直流断路器灭弧室内的电弧行为特性。在三维仿真模型中建立了铁磁栅片，考虑了由铁栅片引起的非线性磁场对电弧切割过程的影响。同时，为了缩短仿真时间，研究人员将电弧从触头转移到跑弧道的仿真结果作为该模型计算的初始条件。图4 所示为电弧运动过程的温度分布变化情况，图5 为电弧电压的仿真计算结果。计算结果表明，电弧电压曲线在t=1.2ms和t=2.1ms 之间相对平坦，这段时间也对应了电弧的停滞过程，这个电弧停滞过程与灭弧室结构设计密切相关。其中，在图4 中t=2.0ms 时刻的温度分布为典型的灭弧室内电弧的停滞状态。电弧停滞是直流断路器整个电弧过程中非常重要的现象，电弧停滞时间过长将导致开断失败。图6 为高速摄影仪拍摄的直流断路器在开断过程中灭弧室内的电弧演化过程，在文中将这一实验结果与仿真结果进行了对比。两者在整体的电弧运动趋势上是一致的，然而在时间上存在一些不一致，主要原因是仿真计算没有考虑断路器触发和触头打开的过程（约3ms）。实验结果和仿真研究同时表明，如果灭弧室入口的结构尺寸不合适，电弧则难以进入灭弧室完成开断过程。

图4 空气直流断路器灭弧室的温度分布[9]Fig.4 Temperature distribution in the arc chamber of air DCCB

图5 电弧电压的数值仿真[9]Fig.5 Arc voltage of numerical simulation

图6 大电流开断过程中的电弧演化[9]Fig.6 Arc evolution during fault current interruption

ABB 公司的Dominguez 等人[19]通过实验测试的方法研究了在空气直流断路器中，使用PTFE，PEEK，不饱和聚酯（UP）和环氧复合材料（Epoxy）四种不同类型的聚合物材料时，器壁产气对开断时间和重击穿过程的影响。研究表明环氧复合材料（Epoxy）的效果最好，开断过程中的重击穿次数可以明显降低，然而对各种聚合物使用位置和方法并没有进行相关描述。

另外，除了大容量故障电流的开断是直流断路器的一个难点问题之外，临界小电流的开断也是其中的另一个难点问题。在临界小电流情况下，由于磁吹力过小，不足以拉长电弧，在直流断路器中的电弧将会长时间停滞并持续燃烧，也会造成开断失败。图7 为高速摄影仪拍摄的小电流情况下的电弧演化过程。普通的磁场吹弧系统又将明显增加断路器的复杂程度，因此这一问题将来也需要再进行更加深入的研究。

图7 临界电流开断过程中的电弧演化Fig.7 Arc evolution during critical current interruption

理论上通过增加栅片数量有利于提高电弧电压，从而可以进一步提高空气断路器的电压等级。然而，一方面增加栅片将显著增加灭弧室体积，不能满足应用场合对灭弧室尺寸和重量的要求；另一方面灭弧室小型化带来的能量密度提高和电压等级提高造成的恢复电压迅速上升，会使空气与烧蚀蒸汽的混合气体介质恢复过程极其困难，易发生重燃现象。因此，在电压等级超过10kV的应用场合这种类型的直流断路器实现难度将会非常大。

4 自激振荡式直流断路器

由于我国的自然能源资源与用电负荷的分布极不均衡，因此近年来在我国电网公司的大力推动下，全国范围的超远距离高压输电系统获得了飞速的发展。同时由于高压直流输电系统具有线路损耗小、输电走廊经济、可以减少占地面积等突出的优点，引起了人们的广泛关注[26-30]。在特高压电力系统中，类似于空气直流断路器采用提升电弧电压迫使直流电流降低到零点的方法实现难度极大，因此一般都采用电流转移的方法实现高压直流开断。Nakao 等人[15,16]指出自激振荡是其中的一个重要方法。金属回路转换开关（Metallic Return Transfer Breaker，MRTB）是典型的自激振荡方法的应用，目前国内的平高、西电和中国电科院等单位已有产品研制成功。图8 所示为高压直流换流站开关场的示意图[31]，在换流站的开关场内，金属回路转换开关主要用于将直流电流从较低阻抗的大地回路向较高阻抗的金属回路转移，可以完成单极运行和双极运行之间的转换，从而改变系统的运行方式。

图8 高压直流换流站开关场的示意图[31]Fig.8 Schematic diagram of switchyard in HVDC convertor station

4.1 原理和结构

金属回路转换开关（MRTB）一般由三条并联支路组成，分别为正常电流支路、转移支路和能量吸收支路，具体结构如图9 所示。通常情况，正常电流支路是一个或多个串联的传统交流高压SF6断路器Sn，转移支路则由电容器组Cc和电感Lc的串联电路组成，能量吸收支路是高压避雷器Re。

金属回路转换开关的原理是利用电弧的不稳定性和负阻特性在正常电流支路和转移支路间产生自激振荡的电流。当Sn分闸时，动静触头之间产生电弧，电弧将与并联的转移支路产生相互作用，如果二者参数匹配良好，则会出现电流的增幅振荡现象，其振荡频率主要由转移支路的电容和电感决定。当振荡电流in的幅值大于直流系统的电流I0时，Sn的断口之间会出现电流过零点，Sn将会关断电流in。之后电容器组Cc被持续充电，直到电压达到避雷器Re的阈值，避雷器导通，最后系统电流I0下降到零，完成转换开关的开断过程。

该类型直流断路器的优点在于正常电流支路上的SF6断路器不需要抵消电力系统的全部电压，也不需要吸收系统电感中的全部能量。SF6断路器只用于电流转移过程，因此，自激振荡式直流断路器可用于特高压输电系统。此外，该类型直流断路器结构相对简单，不包含可控制的有源元器件，因此可靠性更高。然而，从断路器分闸到电流开始振荡一般需要10ms 以上的时间，总开断时间则更长。这是因为电流振荡在短时间内难以达到很大的幅值。这一缺点使得自激振荡式直流断路器无法应用于需要快速开断能力的应用场合。

4.2 研究工作

基于对金属回路转换开关工作原理的分析，SF6电弧现象是研究提高断路器开断能力的关键问题。在以往的研究工作中，金属回路转换开关中电弧现象的研究主要依靠实验测试，经济成本和时间成本巨大。而理论研究一般采用半经验公式的Mayer 模型，模型中的参数，如电弧时间常数、电弧电导，必须依靠实验获得，而且难以反映断路器具体结构对电弧过程的影响。磁流体动力学电弧模型在SF6断路器的研究当中已经获得了很多的应用和成功案例，可以使实际产品结构中电弧现象的物理机制通过仿真展示出来，然而这一模型在MRTB 方面的仿真工作则很少有相关报道。

国内西安交通大学的荣命哲等人[32]基于MHD理论，开展了MRTB 开断过程的仿真工作，建立了综合考虑电路和MRTB 中机械运动的电弧模型，并通过该模型计算了其中的电流自激振荡过程。MRTB的电路拓扑图如图9 所示，采用了一个交流SF6断路器作为MRTB的核心组成部分，其简化的几何模型如图10 所示。

图10 SF6 断路器的简化几何模型[32]Fig.10 Simplified geometric model of SF6 breaker

图11 和图12 分别是开断过程中温度和压力的分布图。模型采用了动网格技术来描述触头和活塞的运动。仿真结果可以清晰详尽地展示出开断的整个过程，从中可以看到随着触头的运动电弧逐渐被拉长，在活塞的不断压缩作用下压气缸内的SF6气体压力逐渐升高，在喷口的上游区域形成了一个高压区。当动弧触头杆被拉出喷口喉部之后，喷口喉部处产生了强烈气吹的过程。如图13 所示，为振荡电流和电弧电压的计算结果与实验结果的比较。可以看出计算结果和实验结果在变化趋势上是一致的，研究发现当电弧被持续拉长且SF6气吹效应增强时，电弧等离子体表现得更加不稳定，电弧电压与电流的振荡幅值则开始逐渐升高。因此，电流振荡特性与气吹过程和电弧长度有密切的关系。

图11 开断过程的温度分布[32]Fig.11 Temperature distribution during interruption

图12 开断过程的压力分布[32]Fig.12 Pressure distribution during interruption

图13 电流振荡和开断[32]Fig.13 Current oscillation and interruption

文献[32]建立的模型可以用于研究MRTB 中的自激振荡过程，如电路参数对电弧现象的影响，转移支路的参数匹配关系，断路器灭弧室的改进等方面，可以为MRTB 或其他自激振荡式直流断路器的改进提供重要的设计指导。

5 混合式直流断路器

随着可再生能源分布式电网持续发展，如海上风电、沙漠太阳能发电并网等，近年来多端轻型高压直流输电系统引起了人们的广泛关注[1-5]。多端轻型高压直流输电系统的运行离不开直流断路器，而且系统对直流断路器也有着苛刻的要求，需要断路器具有高电压等级，大容量和快速分断的能力，难以找到一种传统的开断方案可以满足这样的要求。而混合式直流断路器（Hybrid DCCB），具有机械开关的大容量与低损耗的特点，同时又结合了半导体元器件的快速特性，成为解决这一问题的一个很可能的途径。另外，混合式直流断路器同样也可以应用于电力推进、托卡马克受控核聚变、电力储存等方面[6,8,10]。

5.1 原理和结构

混合式直流断路器一般包括三条并联支路：机械开关的正常电流支路、包含电力电子器件的转移支路和避雷器的吸能支路。以往的研究工作大多专注于HDCCB的拓扑结构，提出了一些不同结构的电路原理和方案。下面对两种典型的混合式直流断路器进行比较。

图14 是一个传统的HDCCB 示意图[10]。正常电流支路是一个机械开关，转移支路则由电感和半导体管组成。正常工作时，电流通过机械断路器S，一旦检测到故障电流，S 立刻打开，触头之间产生电弧，在电弧电压的作用下电流向支路的半导体管V 转移，直至S 熄弧并且能够承受系统恢复电压。此时关断半导体管，在系统电压和线路电感中储存的大量能量的作用下，金属氧化物压敏电阻MOV 两端的电压会急剧上升，被击穿并钳位电压，最后完成开断过程。这种HDCCB的电流转移时间主要依赖于开关速度和电弧电压，故必须采用快速机构[10]。此外，其开断能力会受到半导体元件的约束，限制了它在多端轻型高压直流系统中的应用。

图14 传统混合式直流断路器[10]Fig.14 Traditional hybrid DC circuit breaker

为了缩短电流转移时间，获得更好的限流能力，人们提出了一种强制转移的混合式直流断路器，用以改进传统的结构，如图15 所示[10]。正常情况下，机械断路器S1和S2均关合，半导体管VS处于关断状态，电容CS预充电。当检测到故障电流时，VS立刻导通，转移电流iS因电容CS放电而迅速上升。当iS大小接近iG时，iM下降到零，为S1快速打开并关断电流创造了良好的时机。随后电容CS将被系统电源持续充电，直至电容电压达到MOV 阈值，MOV 被击穿电压钳位，电流iG迅速下降到零。最终，机械开关S2打开，HDCCB 开断过程结束。

图15 强制转移混合式直流断路器[10]Fig.15 Forced commutation HDCCB

5.2 研究工作

文献中的各种不同电路拓扑的HDCCB 具有一些共同特征，如果正常电流支路上机械断路器的触点分离速度很快，则故障大电流也会以很高的频率转移到并联的转移支路上，之后机械断路器断口间会出现一个很高的瞬态恢复电压。因此，机械断路器必须综合大电流、高频率开断能力和高恢复电压耐受的能力。所以高频情况下电弧等离子体熄灭和绝缘介质恢复是深入研究 HDCCB 开断机理的关键。在研制高压混合式直流断路器的过程中，人们需要更加关注电弧的调控机理。

在已有的研究工作中，真空断路器常常被应用于HDCCB，Niwa 等学者[8]开展了真空断路器大电流和高频率开断能力方面的一些研究工作。其电路拓扑与图15的电路结构相似，在故障电流峰值前真空断路器开始分闸。几毫秒后触头分离并注入反向的高频电流。如图16 所示，开断前后的电流波形可以通过控制注入高频电流来获得。文献中对电流零点附近不同电流变化率di/(dt)和有无低电流阶段的情况都进行了实验研究。从图17的实验结果中可知，开断期间电流变化率di/(dt)和低电流阶段是否存在对开断能力有着极大的影响，di/(dt)过高或没有低电流阶段都会造成开断困难。这些结论说明调整反向电流的注入方式可以获得更理想的开断能力[8]。

图16 实验真空断路器的电流波形[8]Fig.16 Current waveforms of test vacuum circuit breaker

图17 开断电流和低电流阶段的关系[8]Fig.17 Relationship between interruption current and low current period

然而，文献[8]并没有指出高频电弧熄灭和介质恢复的物理机制，这些内容在将来需要展开进一步的研究。

6 工作展望

本文对目前三类主要的直流开断技术进行了综述，对于其中电弧现象研究工作的展望总结如下：

6.1 空气直流断路器

（1）基于电弧调控机理和控制技术的进一步深入研究，特别是金属材料和绝缘材料的侵蚀机理，烧蚀蒸汽对电弧过程的影响，和复杂介质情况下弧后介质恢复中非平衡态等离子体的特性及调控手段，从而改进灭弧室，提高开断能力，实现断路器尺寸的小型化。

（2）研制新型的快速机构及其对电弧过程的影响，以实现减少触头侵蚀，加速大容量直流开断的电弧转移过程的目的。

（3）研究触头材料及结构设计等因素对临界电流开断的影响机理，避免增加复杂的磁场吹弧装置。

6.2 自激振荡式直流断路器

（1）进一步深入研究电弧的不稳定性和负阻性的内在机理和影响因素。

（2）建立更加完善的多物理场耦合的高频电弧熄弧和介质恢复过程的非平衡态等离子体数学模型。

（3）发展电弧控制技术，加快电弧振荡过程，改善增幅振荡的稳定性，研究电弧和外加电路，如电容、电感、避雷器等的相互作用。

6.3 混合式直流断路器

（1）需要进一步研究混合式直流断路器中的高频熄弧和介质恢复机理。

（2）研究新型混合式直流断路器中，机械断口间的电弧过程和快速机构以及其他电路部分的匹配原理，从而获得更好的开断性能。

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