浅谈直流固态断路器的应用路径

江朋飞

摘 要：断路器是电网系统中不可缺少的设备，电网在运行时它起到控制和保护的作用。通俗的说断路器就相当于开关，而断路器的性能与电网系统运行是否安全息息相关。断路器是按照极数和安装方式进行分类的。直流固态断路器从诞生伊始就表现出了良好的前景，已经在很多领域中得到了推广应用。该文主要针对直流固态断路器的发展与应用路径进行分析。

关键词：直流固态断路器 应用路径 分析

中图分类号：TM561 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）12（c）-0049-02

目前，我国电网系统中主要使用的断路器是机械断路器，这种断路器的优点是可以稳定导通、分断容量强大，但它的缺点也不能忽视，如，分断电路要花费几十到几百毫秒的时间，还有分断时产生的电弧会损坏触头，断路器开关次数过多会减少它的使用寿命。随着用电量的加大，直流供电系统常常处于超负荷状态，同时人们对用电安全的要求也相应的提高了，就更加关注开关设备的分流能力，为了提升系统运行的安全性，需要大范围推广直流固态断路器。

1 直流固态断路器的发展

随着社会的发展和科技的不断进步，电力电子器件的技术方面也取得了很大的成功。旧的电力电子器件不断地被淘汰，同时更好、更完美的新型电力电子器件不断涌现，其中就包括了新型断路器。新型断路器有两种：第一种是固态断路器，它的组成器件全是半导体；第二种是混合式断路器，顾名思义它的组成器件不仅仅是一种，它是由半导体和机械开关共同构成的。

1.1 直流固态断路器

新型固态断路器是由半导体构成的，是在原有的电力电子器件发展而来的。它完全解决了原有机械断路器存在的问题，开关更加迅速，且开关时不会产生电弧，也不会损坏触头，使用寿命更为长久，还可以有效地减少智能控制装置故障出现的次数。目前，关于直流固态断路器的研究主要集中在直接分流与限流两个方面。

直接分流型固态断路器，它用的半导体器件有这样的功能，可以不换流回路，究其根本原因，是由于其采用了具有强制关断能力的全控型半导体器件GTO，电路的直接分断就由主开关器件GTO完成。当系统正常工作时，GTO就负责承载电流；当系统出现故障时，就立刻关断GTO，直接切断电流，这能有效地减少故障所带来的危害。限流型直流固态断路器，它的主开关与直接分流型不同，是半控型器件晶闸管，因此，要断流还要通过LC才能够实现。

1.2 混合直流断路器

混合直流断路器兼备静态特性和动态特性，静态特性是融合机械断路器静态特性，动态特性是融合半导体器件快速分断特性。它不仅具备固态开关和机械开关的优点，还克服了两者的缺点。当系统正常工作时，机械开关处于闭合状态，并充当导体使电流通过；当系统出现故障时，触发半导体器件IGBT导通来切断故障电流，原因是半导体器件只有在发生故障时才会导通。这种功率器件在系统正常工作时是没有损耗的，这不仅省去了巨大的冷却系统，还提高了系统的稳定性和安全性。它还具备分断电流时间短，使用寿命长，整个电路无关断盲区等优点，甚至在零电流或零电压的情况下也能分断。在零电流和零电压情况下分断电流靠的是零电流和零电压开关，零电流开关还能提高装置的容量。

2 直流固态断路器的应用路径

随着人口数量的不断增加，交通拥挤问题开始备受关注，为了解决这个问题，国家开始倡导人们绿色出行，不仅能节能减排，还能锻炼身体，为此，各个城市在地铁、轻轨的建设上都投入了巨大的成本。而我们现在的轨道交通牵引系统采用的是直流供电，舰船电力系统、冶金等工业领域也是直流电流。为了保证直流电流系统的可靠和安全，直流固态断路器设备的应用就尤为重要。此外，在新能源行业的发展下，风力发电、太阳能发电等也得到了一定的发展，而它们都离不开直流固态断路器提供的保护。直流固态断路器应用范围很广，表现出了良好的发展前景。目前，虽然已经研究出了多种类型的超导限流器样机，但是其性能还有待提升。

为了保证直流固态断路器的应用效果，必须要采取合理的控制与检测方式，与交流领域相比，直流固态断路器的检测有着特殊之处，固态开关集中在过零点实现开通与关断，直流电流是不变的，遇到高压大电流的情况，那个固态开关开通过程中通态电流会大幅度上升，可能会损坏功率器件。实践显示，直流固态断路器无论采用什么类型的主开关，都会存在电流过大的问题，这也是目前需要解决的难题。为了解决这一问题，可以将软开关技术应用在固态断路器中，借助回路的谐振作用来切换电压与电流，避免对器件产生损耗，保证系统可以随时处于安全的工作状态。关于这一问题，学界已经展开了深入研究，并取得了丰硕结果，这可以根据系统运行的具体要求来进行设计。

目前，德国、日本等发达国家已经开始推广直流输电线路，在海上独立钻井平台、地铁与舰船中推广了直流输电系统，其对于直流電源系统的运行有了更高要求。在近些年来，轻型直流输电技术得到了推广，给固态断路器的应用带来了更为广阔的应用前景。轻型直流电可以实现海上供电与偏远地区的供电，为电网供电质量的提高奠定了基础。目前应用比较多的是对海上独立钻井平台的供电和清洁能源的发电（主要是风力发电和太阳能发电），这些场合大多采用的是轻型直流输电而且电压等级基本属于中、低等级。在社会经济的发展下，世界各个国家也纷纷加入新能源发电的队伍中，直流固态断路器必然能够得到更为广泛的应用。

3 结语

固态断路器与机械断路器相互比较，它不仅具备机械断路器的优点还克服它的缺点，将其应用在电力系统中有效增强了电力系统的稳定性和安全性，加快了断流的速度，延长了它的使用寿命，节约了成本。直流固态断路器从诞生伊始至今已经有将近20年的时间，它的研发技术也取得了重大突破，攻克一个又一个难关，直流固态断路器的性能越来越完善，在市场中得到了迅速普及。但是，受到它的构成器件本身的限制，想要固态断路器可以被更广泛地应用，技术人员还要攻克以下难点：（1）大功率半导体器件之间的串并联问题；（2）大功率半导体器件工作消损较大问题；（3）如果固态断路器损坏，如何快速、精确地进行检测；（4）如何提高大功率半导体器件的过载能力。

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