榮命哲 楊 飛,2 吳 翊 孫 昊 李 陽 紐春萍

（1.西安交通大學電氣工程學院電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室 西安 710049 2.國家電網(wǎng)平高集團有限公司 平頂山 467000）

1 引言

直流電力系統(tǒng)主要應(yīng)用于電力推進、可再生能源分布式電網(wǎng)和超遠距離高壓輸電等場合[1-8]。伴隨著軌道交通，高壓直流輸電等系統(tǒng)的大規(guī)模建設(shè)與規(guī)劃，直流輸配電系統(tǒng)迎來了一個快速發(fā)展的黃金時期，從系統(tǒng)到設(shè)備的相關(guān)研究工作都成為電力行業(yè)一個新興的研究熱點。

雖然在不同的應(yīng)用場合中系統(tǒng)的基本運行特征差異很大，但無一例外都需要直流斷路器這一關(guān)鍵的電力設(shè)備。其主要功能包括關(guān)合、承載和開斷正?；芈窏l件下的電流，轉(zhuǎn)換系統(tǒng)運行方式以及切斷故障電流對系統(tǒng)實行保護等。因此，近年來直流斷路器的研究也得到了越來越多的關(guān)注[6-16]。

在直流斷路器的開斷過程中，觸頭打開后將在觸頭之間形成電弧，因此，斷路器的任務(wù)就是迅速使電流過零，熄滅電弧，加速介質(zhì)恢復(fù)，防止再次擊穿和電弧的重燃。然而，與交流系統(tǒng)相比，直流系統(tǒng)的開斷更加困難，這是因為直流系統(tǒng)不存在自然過零點，必須采用一定的技術(shù)手段迫使電流過零。另外，在開斷過程中直流斷路器還需要吸收存儲在系統(tǒng)電感中的大量能量[1]。因此，直流斷路器中的電弧調(diào)控技術(shù)難度大、要求高，也是目前開關(guān)電器領(lǐng)域最前沿的技術(shù)問題。而這一斷路器核心技術(shù)的形成與完善，必須建立在直流斷路器中電弧現(xiàn)象的多種科學問題更加深入的理解基礎(chǔ)之上。

2 直流斷路器的主要類型

不同的直流輸配電系統(tǒng)差異非常大，額定電壓從幾百伏至幾百千伏，開斷電流從幾千安到上百千安。所以，針對直流斷路器的設(shè)計，已有的文獻中提出了各種不同的開斷方法，這些方法所關(guān)注的核心問題也大不相同[6-16]。

一般而言，直流斷路器按照不同的熄弧原理和開斷方法主要分為三類。本文針對不同類型直流斷路器的原理結(jié)構(gòu)，和其中的電弧現(xiàn)象相關(guān)研究工作進行了綜述，最后對各類直流開斷技術(shù)未來的發(fā)展需求提出了展望。

3 空氣直流斷路器

中低壓直流電力系統(tǒng)主要應(yīng)用于地鐵和船舶的電力推進、太陽能發(fā)電微網(wǎng)，以及冶金和礦山等工業(yè)場合，通常，系統(tǒng)電壓在幾百至幾千伏的范圍之內(nèi)?？諝庵绷鲾嗦菲鞑捎锰岣唠娀‰妷簭娖入娏鬟^零的開斷原理，具有開斷原理簡單、可靠性高的特點，在這類系統(tǒng)中已經(jīng)得到了非常廣泛的應(yīng)用[7,9]。目前，在國內(nèi)市場1 500V 及其以上的大容量空氣直流斷路器主要被瑞士Secheron 公司、美國GE 公司和英國FKI 等幾個跨國公司的產(chǎn)品所壟斷。在公開發(fā)表的文獻當中主要有國內(nèi)的西安交通大學、中船重工712 研究所、ABB 公司等單位進行了相關(guān)的研究工作[17-19]，大部分的研究成果仍然處于未公開的狀態(tài)。

3.1 原理與結(jié)構(gòu)

空氣直流斷路器的示意圖如圖1 所示，由包含金屬柵片的滅弧室、動靜觸頭、操作機構(gòu)和其他控制元器件組成。對于空氣直流斷路器，在開斷過程中斷口的電弧電壓必須上升到足夠高的水平，抵抗直流系統(tǒng)的電源電壓迫使電流下降到零點，最后再迅速實現(xiàn)介質(zhì)恢復(fù)過程完成開斷。其電弧電壓的建立可以采用拉長電弧、降低弧柱溫度和提高近極壓降等方法，而實際的斷路器中經(jīng)常將這些滅弧方法綜合使用。圖2 為適用于不同工作電壓等級的不同結(jié)構(gòu)的空氣直流斷路器。其中，圖2a 適用于相對較高電壓等級（≥1 000V）的應(yīng)用場合，而圖2b 則通常是在交流塑殼式斷路器的基礎(chǔ)上進行改造，適用于低電壓等級（＜1 000V）的應(yīng)用場合。

圖1 空氣直流斷路器示意圖Fig.1 Schematic of the air DCCB

圖2 不同結(jié)構(gòu)的空氣直流斷路器Fig.2 Different configuration of air DCCB

在空氣斷路器的開斷過程中，首先由操動機構(gòu)驅(qū)動動靜觸頭分離，動靜觸頭之間產(chǎn)生的電弧將被機械運動拉長，同時在電流路徑和電弧本身共同作用產(chǎn)生的磁吹力作用下，電弧被進一步拉長并將沿跑弧道向上運動。當電弧進入滅弧室后，弧柱在金屬柵片的作用下被切割成若干個串聯(lián)的短弧，一方面電弧被拉長，另一方面在金屬表面會形成一連串的近極壓降，再加上電弧還會受到柵片的冷卻作用和器壁侵蝕蒸汽的影響，此時的電弧電壓將會急劇上升，進而迫使回路電流迅速下降過零。值得注意的是，電弧運動和電弧電壓上升是決定開斷性能的根本原因，所以這種開斷技術(shù)的關(guān)鍵在于控制電弧平穩(wěn)、快速地進入滅弧室，迅速被切割成一段段短弧。因此，對電弧現(xiàn)象的研究工作與調(diào)控技術(shù)的發(fā)展是空氣直流斷路器的核心與關(guān)鍵所在。

3.2 研究工作

空氣直流斷路器的電弧等離子體特性研究工作主要分為仿真和實驗兩個方面，主要關(guān)注于電弧運動過程[7,9]。電弧運動過程又可以分為電弧轉(zhuǎn)移和柵片切割兩個階段，因此，研究工作主要針對這兩個階段，分析滅弧室結(jié)構(gòu)（包括觸頭系統(tǒng)和柵片排布）對電弧運動過程的影響，從而發(fā)現(xiàn)控制電弧運動的有效方法。

Yang 等人[7]基于磁流體動力學（Magneto-Hydrodynamics，MHD）理論，通過數(shù)值計算的方法研究了中壓直流斷路器觸頭系統(tǒng)轉(zhuǎn)移過程中的電弧等離子體的行為特性。弧柱的運動特性由電磁場和氣流場的共同作用所決定，分別用麥克斯韋方程組和Navier-Stokes 方程組耦合求解來描述[20-22]。等離子鞘層的電壓降和新弧根的形成過程用一層非線性的電阻薄層單元描述[23-25]。仿真結(jié)果表明由于觸頭系統(tǒng)的氣壓分布會顯著影響弧根區(qū)域氣體電導(dǎo)率的變化，因此壓力的分布會對電弧的轉(zhuǎn)移過程產(chǎn)生重要影響。具體的，在直流斷路器觸頭系統(tǒng)中，若弧根區(qū)域的氣壓集中且壓力值很高，則會對電弧轉(zhuǎn)移過程有不利影響。相反若氣壓分布均勻且較低，則電弧轉(zhuǎn)移過程將更加平穩(wěn)、快速。其中的部分計算結(jié)果如圖3 所示。

圖3 空氣直流斷路器觸頭系統(tǒng)的溫度和電流密度分布[7]Fig.3 Temperature and current density distribution of the air DCCB contact system

Rong 等人[9]用數(shù)值仿真的方法研究了直流斷路器滅弧室內(nèi)的電弧行為特性。在三維仿真模型中建立了鐵磁柵片，考慮了由鐵柵片引起的非線性磁場對電弧切割過程的影響。同時，為了縮短仿真時間，研究人員將電弧從觸頭轉(zhuǎn)移到跑弧道的仿真結(jié)果作為該模型計算的初始條件。圖4 所示為電弧運動過程的溫度分布變化情況，圖5 為電弧電壓的仿真計算結(jié)果。計算結(jié)果表明，電弧電壓曲線在t=1.2ms和t=2.1ms 之間相對平坦，這段時間也對應(yīng)了電弧的停滯過程，這個電弧停滯過程與滅弧室結(jié)構(gòu)設(shè)計密切相關(guān)。其中，在圖4 中t=2.0ms 時刻的溫度分布為典型的滅弧室內(nèi)電弧的停滯狀態(tài)。電弧停滯是直流斷路器整個電弧過程中非常重要的現(xiàn)象，電弧停滯時間過長將導(dǎo)致開斷失敗。圖6 為高速攝影儀拍攝的直流斷路器在開斷過程中滅弧室內(nèi)的電弧演化過程，在文中將這一實驗結(jié)果與仿真結(jié)果進行了對比。兩者在整體的電弧運動趨勢上是一致的，然而在時間上存在一些不一致，主要原因是仿真計算沒有考慮斷路器觸發(fā)和觸頭打開的過程（約3ms）。實驗結(jié)果和仿真研究同時表明，如果滅弧室入口的結(jié)構(gòu)尺寸不合適，電弧則難以進入滅弧室完成開斷過程。

圖4 空氣直流斷路器滅弧室的溫度分布[9]Fig.4 Temperature distribution in the arc chamber of air DCCB

圖5 電弧電壓的數(shù)值仿真[9]Fig.5 Arc voltage of numerical simulation

圖6 大電流開斷過程中的電弧演化[9]Fig.6 Arc evolution during fault current interruption

ABB 公司的Dominguez 等人[19]通過實驗測試的方法研究了在空氣直流斷路器中，使用PTFE，PEEK，不飽和聚酯（UP）和環(huán)氧復(fù)合材料（Epoxy）四種不同類型的聚合物材料時，器壁產(chǎn)氣對開斷時間和重擊穿過程的影響。研究表明環(huán)氧復(fù)合材料（Epoxy）的效果最好，開斷過程中的重擊穿次數(shù)可以明顯降低，然而對各種聚合物使用位置和方法并沒有進行相關(guān)描述。

另外，除了大容量故障電流的開斷是直流斷路器的一個難點問題之外，臨界小電流的開斷也是其中的另一個難點問題。在臨界小電流情況下，由于磁吹力過小，不足以拉長電弧，在直流斷路器中的電弧將會長時間停滯并持續(xù)燃燒，也會造成開斷失敗。圖7 為高速攝影儀拍攝的小電流情況下的電弧演化過程。普通的磁場吹弧系統(tǒng)又將明顯增加斷路器的復(fù)雜程度，因此這一問題將來也需要再進行更加深入的研究。

圖7 臨界電流開斷過程中的電弧演化Fig.7 Arc evolution during critical current interruption

理論上通過增加柵片數(shù)量有利于提高電弧電壓，從而可以進一步提高空氣斷路器的電壓等級。然而，一方面增加柵片將顯著增加滅弧室體積，不能滿足應(yīng)用場合對滅弧室尺寸和重量的要求；另一方面滅弧室小型化帶來的能量密度提高和電壓等級提高造成的恢復(fù)電壓迅速上升，會使空氣與燒蝕蒸汽的混合氣體介質(zhì)恢復(fù)過程極其困難，易發(fā)生重燃現(xiàn)象。因此，在電壓等級超過10kV的應(yīng)用場合這種類型的直流斷路器實現(xiàn)難度將會非常大。

4 自激振蕩式直流斷路器

由于我國的自然能源資源與用電負荷的分布極不均衡，因此近年來在我國電網(wǎng)公司的大力推動下，全國范圍的超遠距離高壓輸電系統(tǒng)獲得了飛速的發(fā)展。同時由于高壓直流輸電系統(tǒng)具有線路損耗小、輸電走廊經(jīng)濟、可以減少占地面積等突出的優(yōu)點，引起了人們的廣泛關(guān)注[26-30]。在特高壓電力系統(tǒng)中，類似于空氣直流斷路器采用提升電弧電壓迫使直流電流降低到零點的方法實現(xiàn)難度極大，因此一般都采用電流轉(zhuǎn)移的方法實現(xiàn)高壓直流開斷。Nakao 等人[15,16]指出自激振蕩是其中的一個重要方法。金屬回路轉(zhuǎn)換開關(guān)（Metallic Return Transfer Breaker，MRTB）是典型的自激振蕩方法的應(yīng)用，目前國內(nèi)的平高、西電和中國電科院等單位已有產(chǎn)品研制成功。圖8 所示為高壓直流換流站開關(guān)場的示意圖[31]，在換流站的開關(guān)場內(nèi)，金屬回路轉(zhuǎn)換開關(guān)主要用于將直流電流從較低阻抗的大地回路向較高阻抗的金屬回路轉(zhuǎn)移，可以完成單極運行和雙極運行之間的轉(zhuǎn)換，從而改變系統(tǒng)的運行方式。

圖8 高壓直流換流站開關(guān)場的示意圖[31]Fig.8 Schematic diagram of switchyard in HVDC convertor station

4.1 原理和結(jié)構(gòu)

金屬回路轉(zhuǎn)換開關(guān)（MRTB）一般由三條并聯(lián)支路組成，分別為正常電流支路、轉(zhuǎn)移支路和能量吸收支路，具體結(jié)構(gòu)如圖9 所示。通常情況，正常電流支路是一個或多個串聯(lián)的傳統(tǒng)交流高壓SF6斷路器Sn，轉(zhuǎn)移支路則由電容器組Cc和電感Lc的串聯(lián)電路組成，能量吸收支路是高壓避雷器Re。

金屬回路轉(zhuǎn)換開關(guān)的原理是利用電弧的不穩(wěn)定性和負阻特性在正常電流支路和轉(zhuǎn)移支路間產(chǎn)生自激振蕩的電流。當Sn分閘時，動靜觸頭之間產(chǎn)生電弧，電弧將與并聯(lián)的轉(zhuǎn)移支路產(chǎn)生相互作用，如果二者參數(shù)匹配良好，則會出現(xiàn)電流的增幅振蕩現(xiàn)象，其振蕩頻率主要由轉(zhuǎn)移支路的電容和電感決定。當振蕩電流in的幅值大于直流系統(tǒng)的電流I0時，Sn的斷口之間會出現(xiàn)電流過零點，Sn將會關(guān)斷電流in。之后電容器組Cc被持續(xù)充電，直到電壓達到避雷器Re的閾值，避雷器導(dǎo)通，最后系統(tǒng)電流I0下降到零，完成轉(zhuǎn)換開關(guān)的開斷過程。

該類型直流斷路器的優(yōu)點在于正常電流支路上的SF6斷路器不需要抵消電力系統(tǒng)的全部電壓，也不需要吸收系統(tǒng)電感中的全部能量。SF6斷路器只用于電流轉(zhuǎn)移過程，因此，自激振蕩式直流斷路器可用于特高壓輸電系統(tǒng)。此外，該類型直流斷路器結(jié)構(gòu)相對簡單，不包含可控制的有源元器件，因此可靠性更高。然而，從斷路器分閘到電流開始振蕩一般需要10ms 以上的時間，總開斷時間則更長。這是因為電流振蕩在短時間內(nèi)難以達到很大的幅值。這一缺點使得自激振蕩式直流斷路器無法應(yīng)用于需要快速開斷能力的應(yīng)用場合。

4.2 研究工作

基于對金屬回路轉(zhuǎn)換開關(guān)工作原理的分析，SF6電弧現(xiàn)象是研究提高斷路器開斷能力的關(guān)鍵問題。在以往的研究工作中，金屬回路轉(zhuǎn)換開關(guān)中電弧現(xiàn)象的研究主要依靠實驗測試，經(jīng)濟成本和時間成本巨大。而理論研究一般采用半經(jīng)驗公式的Mayer 模型，模型中的參數(shù)，如電弧時間常數(shù)、電弧電導(dǎo)，必須依靠實驗獲得，而且難以反映斷路器具體結(jié)構(gòu)對電弧過程的影響。磁流體動力學電弧模型在SF6斷路器的研究當中已經(jīng)獲得了很多的應(yīng)用和成功案例，可以使實際產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中電弧現(xiàn)象的物理機制通過仿真展示出來，然而這一模型在MRTB 方面的仿真工作則很少有相關(guān)報道。

國內(nèi)西安交通大學的榮命哲等人[32]基于MHD理論，開展了MRTB 開斷過程的仿真工作，建立了綜合考慮電路和MRTB 中機械運動的電弧模型，并通過該模型計算了其中的電流自激振蕩過程。MRTB的電路拓撲圖如圖9 所示，采用了一個交流SF6斷路器作為MRTB的核心組成部分，其簡化的幾何模型如圖10 所示。

圖10 SF6 斷路器的簡化幾何模型[32]Fig.10 Simplified geometric model of SF6 breaker

圖11 和圖12 分別是開斷過程中溫度和壓力的分布圖。模型采用了動網(wǎng)格技術(shù)來描述觸頭和活塞的運動。仿真結(jié)果可以清晰詳盡地展示出開斷的整個過程，從中可以看到隨著觸頭的運動電弧逐漸被拉長，在活塞的不斷壓縮作用下壓氣缸內(nèi)的SF6氣體壓力逐漸升高，在噴口的上游區(qū)域形成了一個高壓區(qū)。當動弧觸頭桿被拉出噴口喉部之后，噴口喉部處產(chǎn)生了強烈氣吹的過程。如圖13 所示，為振蕩電流和電弧電壓的計算結(jié)果與實驗結(jié)果的比較?？梢钥闯鲇嬎憬Y(jié)果和實驗結(jié)果在變化趨勢上是一致的，研究發(fā)現(xiàn)當電弧被持續(xù)拉長且SF6氣吹效應(yīng)增強時，電弧等離子體表現(xiàn)得更加不穩(wěn)定，電弧電壓與電流的振蕩幅值則開始逐漸升高。因此，電流振蕩特性與氣吹過程和電弧長度有密切的關(guān)系。

圖11 開斷過程的溫度分布[32]Fig.11 Temperature distribution during interruption

圖12 開斷過程的壓力分布[32]Fig.12 Pressure distribution during interruption

圖13 電流振蕩和開斷[32]Fig.13 Current oscillation and interruption

文獻[32]建立的模型可以用于研究MRTB 中的自激振蕩過程，如電路參數(shù)對電弧現(xiàn)象的影響，轉(zhuǎn)移支路的參數(shù)匹配關(guān)系，斷路器滅弧室的改進等方面，可以為MRTB 或其他自激振蕩式直流斷路器的改進提供重要的設(shè)計指導(dǎo)。

5 混合式直流斷路器

隨著可再生能源分布式電網(wǎng)持續(xù)發(fā)展，如海上風電、沙漠太陽能發(fā)電并網(wǎng)等，近年來多端輕型高壓直流輸電系統(tǒng)引起了人們的廣泛關(guān)注[1-5]。多端輕型高壓直流輸電系統(tǒng)的運行離不開直流斷路器，而且系統(tǒng)對直流斷路器也有著苛刻的要求，需要斷路器具有高電壓等級，大容量和快速分斷的能力，難以找到一種傳統(tǒng)的開斷方案可以滿足這樣的要求。而混合式直流斷路器（Hybrid DCCB），具有機械開關(guān)的大容量與低損耗的特點，同時又結(jié)合了半導(dǎo)體元器件的快速特性，成為解決這一問題的一個很可能的途徑。另外，混合式直流斷路器同樣也可以應(yīng)用于電力推進、托卡馬克受控核聚變、電力儲存等方面[6,8,10]。

5.1 原理和結(jié)構(gòu)

混合式直流斷路器一般包括三條并聯(lián)支路：機械開關(guān)的正常電流支路、包含電力電子器件的轉(zhuǎn)移支路和避雷器的吸能支路。以往的研究工作大多專注于HDCCB的拓撲結(jié)構(gòu)，提出了一些不同結(jié)構(gòu)的電路原理和方案。下面對兩種典型的混合式直流斷路器進行比較。

圖14 是一個傳統(tǒng)的HDCCB 示意圖[10]。正常電流支路是一個機械開關(guān)，轉(zhuǎn)移支路則由電感和半導(dǎo)體管組成。正常工作時，電流通過機械斷路器S，一旦檢測到故障電流，S 立刻打開，觸頭之間產(chǎn)生電弧，在電弧電壓的作用下電流向支路的半導(dǎo)體管V 轉(zhuǎn)移，直至S 熄弧并且能夠承受系統(tǒng)恢復(fù)電壓。此時關(guān)斷半導(dǎo)體管，在系統(tǒng)電壓和線路電感中儲存的大量能量的作用下，金屬氧化物壓敏電阻MOV 兩端的電壓會急劇上升，被擊穿并鉗位電壓，最后完成開斷過程。這種HDCCB的電流轉(zhuǎn)移時間主要依賴于開關(guān)速度和電弧電壓，故必須采用快速機構(gòu)[10]。此外，其開斷能力會受到半導(dǎo)體元件的約束，限制了它在多端輕型高壓直流系統(tǒng)中的應(yīng)用。

圖14 傳統(tǒng)混合式直流斷路器[10]Fig.14 Traditional hybrid DC circuit breaker

為了縮短電流轉(zhuǎn)移時間，獲得更好的限流能力，人們提出了一種強制轉(zhuǎn)移的混合式直流斷路器，用以改進傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如圖15 所示[10]。正常情況下，機械斷路器S1和S2均關(guān)合，半導(dǎo)體管VS處于關(guān)斷狀態(tài)，電容CS預(yù)充電。當檢測到故障電流時，VS立刻導(dǎo)通，轉(zhuǎn)移電流iS因電容CS放電而迅速上升。當iS大小接近iG時，iM下降到零，為S1快速打開并關(guān)斷電流創(chuàng)造了良好的時機。隨后電容CS將被系統(tǒng)電源持續(xù)充電，直至電容電壓達到MOV 閾值，MOV 被擊穿電壓鉗位，電流iG迅速下降到零。最終，機械開關(guān)S2打開，HDCCB 開斷過程結(jié)束。

圖15 強制轉(zhuǎn)移混合式直流斷路器[10]Fig.15 Forced commutation HDCCB

5.2 研究工作

文獻中的各種不同電路拓撲的HDCCB 具有一些共同特征，如果正常電流支路上機械斷路器的觸點分離速度很快，則故障大電流也會以很高的頻率轉(zhuǎn)移到并聯(lián)的轉(zhuǎn)移支路上，之后機械斷路器斷口間會出現(xiàn)一個很高的瞬態(tài)恢復(fù)電壓。因此，機械斷路器必須綜合大電流、高頻率開斷能力和高恢復(fù)電壓耐受的能力。所以高頻情況下電弧等離子體熄滅和絕緣介質(zhì)恢復(fù)是深入研究 HDCCB 開斷機理的關(guān)鍵。在研制高壓混合式直流斷路器的過程中，人們需要更加關(guān)注電弧的調(diào)控機理。

在已有的研究工作中，真空斷路器常常被應(yīng)用于HDCCB，Niwa 等學者[8]開展了真空斷路器大電流和高頻率開斷能力方面的一些研究工作。其電路拓撲與圖15的電路結(jié)構(gòu)相似，在故障電流峰值前真空斷路器開始分閘。幾毫秒后觸頭分離并注入反向的高頻電流。如圖16 所示，開斷前后的電流波形可以通過控制注入高頻電流來獲得。文獻中對電流零點附近不同電流變化率di/(dt)和有無低電流階段的情況都進行了實驗研究。從圖17的實驗結(jié)果中可知，開斷期間電流變化率di/(dt)和低電流階段是否存在對開斷能力有著極大的影響，di/(dt)過高或沒有低電流階段都會造成開斷困難。這些結(jié)論說明調(diào)整反向電流的注入方式可以獲得更理想的開斷能力[8]。

圖16 實驗真空斷路器的電流波形[8]Fig.16 Current waveforms of test vacuum circuit breaker

圖17 開斷電流和低電流階段的關(guān)系[8]Fig.17 Relationship between interruption current and low current period

然而，文獻[8]并沒有指出高頻電弧熄滅和介質(zhì)恢復(fù)的物理機制，這些內(nèi)容在將來需要展開進一步的研究。

6 工作展望

本文對目前三類主要的直流開斷技術(shù)進行了綜述，對于其中電弧現(xiàn)象研究工作的展望總結(jié)如下：

6.1 空氣直流斷路器

（1）基于電弧調(diào)控機理和控制技術(shù)的進一步深入研究，特別是金屬材料和絕緣材料的侵蝕機理，燒蝕蒸汽對電弧過程的影響，和復(fù)雜介質(zhì)情況下弧后介質(zhì)恢復(fù)中非平衡態(tài)等離子體的特性及調(diào)控手段，從而改進滅弧室，提高開斷能力，實現(xiàn)斷路器尺寸的小型化。

（2）研制新型的快速機構(gòu)及其對電弧過程的影響，以實現(xiàn)減少觸頭侵蝕，加速大容量直流開斷的電弧轉(zhuǎn)移過程的目的。

（3）研究觸頭材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計等因素對臨界電流開斷的影響機理，避免增加復(fù)雜的磁場吹弧裝置。

6.2 自激振蕩式直流斷路器

（1）進一步深入研究電弧的不穩(wěn)定性和負阻性的內(nèi)在機理和影響因素。

（2）建立更加完善的多物理場耦合的高頻電弧熄弧和介質(zhì)恢復(fù)過程的非平衡態(tài)等離子體數(shù)學模型。

（3）發(fā)展電弧控制技術(shù)，加快電弧振蕩過程，改善增幅振蕩的穩(wěn)定性，研究電弧和外加電路，如電容、電感、避雷器等的相互作用。

6.3 混合式直流斷路器

（1）需要進一步研究混合式直流斷路器中的高頻熄弧和介質(zhì)恢復(fù)機理。

（2）研究新型混合式直流斷路器中，機械斷口間的電弧過程和快速機構(gòu)以及其他電路部分的匹配原理，從而獲得更好的開斷性能。

[1]Franck C M.HVDC circuit breakers:a review identifying future research needs[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2011,26(2):998-1007.

[2]Kirby N,Xu L,Luckett M,et al.HVDC transmission for large offshore wind farms[J].Power Engineering Journal,2002,16(3):135-141.

[3]Lu W,Ooi B.Optimal acquisition and aggregation of offshore wind power by multiterminal voltage-source HVDC[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2003,18(1):201-206.

[4]Meyer C,Hoeing M,Peterson A,et al.Control and design of DC grids for offshore wind farms[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2007,43(6):1475-1482.

[5]DLR,German Aerospace Center Institute of Technical Thermo-Dynamics.Section systems analysis and technology assessment.Trans-mediterranean inter-connection for concentrating solar power[R].2006.

[6]Bonicelli T,Lorenzi A,Hrabal D,et al.The European development of a full scale switching unit for the ITER switching and discharging networks[J].Fusion Engineering and Design,2005,75-79:193-200.

[7]Yang F,Ma R G,Wu Y,et al.Numerical study on arc plasma behavior during arc commutation process in direct current circuit breaker[J].Plasma Science and Technology,2012,14(2):167-171.

[8]Niwa Y,Yokokura K,Matsuzaki J.Fundamental investigation and application of high-speed VCB for DC power system of railway[C].XXIVth International Symposium on Discharge and Electrical Insulation in Vacuum,2010.

[9]Rong M Z,Wu Y,Yang F,et al.Numerical research on switching arc of circuit breaker[C].Proceeding of the 1st International Conference on Electric Power Equipment-Switching Technology,2011:488-491.

[10]Meyer C,Kowal M,De Doncker R W.Circuit breaker concepts for future high-power DC-applications[C].Record of the IEEE Industry Applications Conference,2005:860-866.

[11]Greenwood,Kanngiessner K,Lesclae V,et al.Circuit breakers for meshed multiterminal HVDC systems part I:introduction DC side substation switching under normal and fault conditions[J].Electra,1995,163:98-122.

[12]Greenwood,Kanngiessner K,Lesclae V,et al.Circuit breakers for meshed multiterminal HVDC systems part II:switching of transmission lines in meshed MTDC systems[J].Electra,1996,164:62-82.

[13]Bergstrom L,Juhlin L E,Liss G,et al.Simulator study of multiterminal HVDC system performance[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems,1978,97(6):2057-2066.

[14]Kanngiesser K,Ring H,Wess T.Simulator study on line fault clearing by DC circuit breakers in a meshed MTDC system[C].Proceeding of the International Conference AC and DC Power Transmission,London,UK,1991:102-107.

[15]Nakao H,Nakagoshi Y,Hatano M,et al.DC current interruption in HVDC SF6gas MRTB by means of self-excited oscillation superimposition[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2001,16(4):687-693.

[16]Andersson D,Henriksson A.Passive and active DC breakers in the three Gorges-Changzhou HVDC project[C].Proceeding of International Conference on Power Systems,2001:391-395.

[17]楊飛.空氣介質(zhì)中壓直流大電流快速開斷技術(shù)的研究[D].西安:西安交通大學,2010.

[18]寧佐清,羅錦華.直流空氣斷路器縮小弧區(qū)的研究[J].船電技術(shù),2004(2):28-29.Ning Z Q,Luo J H.The study on reducing the direct current air-breaker’s arc-area[J].Marine Electric and Electric Technology,2004(2):28-29.

[19]Dominguez G,Friberg A.Effect of polymeric gas on re-strike phenomenon[C].Proceeding of the XIX International Conference on Gas Discharges and Their Applications,2012:218-221.

[20]Wu Y,Rong M Z,Sun Z Q,et al.Numerical analysis of arc plasma behaviour during contact opening process in low-voltage switching device[J].Journal of Physics D(Applied Physics),2007,40(3):795-802.

[21]Wu Y,Rong M Z,Li X W,et al.Numerical analysis of the effect of the chamber width and outlet area of the motion of an air arc plasma[J].IEEE Transactions on Plasma Science,2008,36(5):2831-2837.

[22]Wu Y,Rong M Z,Yang F,et al.Numerical modeling of arc root transfer during contact opening in low-voltage air circuit breaker[J].IEEE Transactions on Plasma Science,2008,36(4):1074-1075.

[23]Yang F,Rong M Z,Wu Y,et al.Numerical analysis of the influence of splitter-plate erosion on an air arc in the quenching chamber of a low-voltage circuit breaker[J].Journal of Physics D(Applied Physics),2010,43(43):434011(12 pages).

[24]Yang F,Rong M Z,Wu Y,et al.Numerical analysis of arc characteristics of splitting process considering ferromagnetic plate in low-voltage arc chamber[J].IEEE Transactions on Plasma Science,2010,38(11):3219-3225.

[25]Rong M Z,Yang F,Wu Y,et al.Simulation of arc characteristics in miniature circuit breaker[J].IEEE Transactions on Plasma Science,2010,38(9):2306-2311.

[26]舒印彪,劉澤洪,高理迎，等.±800kV 6 400MW 特高壓直流輸電工程設(shè)計[J].電網(wǎng)技術(shù),2006,30(1):1-8.Shu Y B,Liu Z H,Gao L Y,et al.A preliminary exploration for design of ±800kV UHVDC project with transmission capacity of 6 400MW[J].Power System Technology,2006,30(1):1-8.

[27]范建斌,于永清,劉澤洪，等.±800kV 特高壓直流輸電標準體系的建立[J].電網(wǎng)技術(shù),2006,30(14):1-6.Fan J B,Yu Y Q,Liu Z H,et al.Introduction of ±800kV HVDC transmission standards system[J].Power System Technology,2006,30(14):1-6.

[28]劉海峰,徐政,金麗成，等.世界遠距離大容量高壓直流輸電工程可靠性調(diào)查綜述[J].高壓電器,2002,38(3):1-4.Liu H F,Xu Z,Jin L C,et al.A review of the reliability survey of long distance high power HVDC transmission project throughout the world[J].High Voltage Apparatus,2002,38(3):1-4.

[29]黃道春,魏遠航,鐘連宏，等.我國發(fā)展特高壓直流輸電中一些問題的探討[J].電網(wǎng)技術(shù),2007,31(8):6-12.Huang D C,Wei Y H,Zhong L H,et al.Discussion on several problems of developing UHVDC transmission in China[J].Power System Technology,2007,31(8):6-12.

[30]袁清云.特高壓直流輸電技術(shù)現(xiàn)狀及在我國的應(yīng)用前景[J].電網(wǎng)技術(shù),2005,29(14):1-3.Yuan Q Y.Present state and application prospect of ultra HVDC transmission in China[J].Power System Technology,2005,29(14):1-3.

[31]王幫田.高壓直流斷路器技術(shù)[J].高壓電器,2010,46(9):61-64,68.Wang B T.Technology of HVDC circuit breaker[J].High Voltage Apparatus,2010,6(9):61-64,68.

[32]榮命哲,楊飛,吳翊，等.特高壓直流轉(zhuǎn)換開關(guān)MRTB 電弧特性仿真與實驗研究[J].高壓電器,2013,49(5):1-5.Rong M Z,Yang F,Wu Y,et al.Numerical analysis of arc characteristics in ultra-high voltage switch MRTB[J].High Voltage Apparatus,2013,49(5):1-5.