江朋飛

摘 要：斷路器是電網(wǎng)系統(tǒng)中不可缺少的設備，電網(wǎng)在運行時它起到控制和保護的作用。通俗的說斷路器就相當于開關，而斷路器的性能與電網(wǎng)系統(tǒng)運行是否安全息息相關。斷路器是按照極數(shù)和安裝方式進行分類的。直流固態(tài)斷路器從誕生伊始就表現(xiàn)出了良好的前景，已經(jīng)在很多領域中得到了推廣應用。該文主要針對直流固態(tài)斷路器的發(fā)展與應用路徑進行分析。

關鍵詞：直流固態(tài)斷路器 應用路徑 分析

中圖分類號：TM561 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）12（c）-0049-02

目前，我國電網(wǎng)系統(tǒng)中主要使用的斷路器是機械斷路器，這種斷路器的優(yōu)點是可以穩(wěn)定導通、分斷容量強大，但它的缺點也不能忽視，如，分斷電路要花費幾十到幾百毫秒的時間，還有分斷時產(chǎn)生的電弧會損壞觸頭，斷路器開關次數(shù)過多會減少它的使用壽命。隨著用電量的加大，直流供電系統(tǒng)常常處于超負荷狀態(tài)，同時人們對用電安全的要求也相應的提高了，就更加關注開關設備的分流能力，為了提升系統(tǒng)運行的安全性，需要大范圍推廣直流固態(tài)斷路器。

1 直流固態(tài)斷路器的發(fā)展

隨著社會的發(fā)展和科技的不斷進步，電力電子器件的技術(shù)方面也取得了很大的成功。舊的電力電子器件不斷地被淘汰，同時更好、更完美的新型電力電子器件不斷涌現(xiàn)，其中就包括了新型斷路器。新型斷路器有兩種：第一種是固態(tài)斷路器，它的組成器件全是半導體；第二種是混合式斷路器，顧名思義它的組成器件不僅僅是一種，它是由半導體和機械開關共同構(gòu)成的。

1.1 直流固態(tài)斷路器

新型固態(tài)斷路器是由半導體構(gòu)成的，是在原有的電力電子器件發(fā)展而來的。它完全解決了原有機械斷路器存在的問題，開關更加迅速，且開關時不會產(chǎn)生電弧，也不會損壞觸頭，使用壽命更為長久，還可以有效地減少智能控制裝置故障出現(xiàn)的次數(shù)。目前，關于直流固態(tài)斷路器的研究主要集中在直接分流與限流兩個方面。

直接分流型固態(tài)斷路器，它用的半導體器件有這樣的功能，可以不換流回路，究其根本原因，是由于其采用了具有強制關斷能力的全控型半導體器件GTO，電路的直接分斷就由主開關器件GTO完成。當系統(tǒng)正常工作時，GTO就負責承載電流；當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，就立刻關斷GTO，直接切斷電流，這能有效地減少故障所帶來的危害。限流型直流固態(tài)斷路器，它的主開關與直接分流型不同，是半控型器件晶閘管，因此，要斷流還要通過LC才能夠?qū)崿F(xiàn)。

1.2 混合直流斷路器

混合直流斷路器兼?zhèn)潇o態(tài)特性和動態(tài)特性，靜態(tài)特性是融合機械斷路器靜態(tài)特性，動態(tài)特性是融合半導體器件快速分斷特性。它不僅具備固態(tài)開關和機械開關的優(yōu)點，還克服了兩者的缺點。當系統(tǒng)正常工作時，機械開關處于閉合狀態(tài)，并充當導體使電流通過；當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，觸發(fā)半導體器件IGBT導通來切斷故障電流，原因是半導體器件只有在發(fā)生故障時才會導通。這種功率器件在系統(tǒng)正常工作時是沒有損耗的，這不僅省去了巨大的冷卻系統(tǒng)，還提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。它還具備分斷電流時間短，使用壽命長，整個電路無關斷盲區(qū)等優(yōu)點，甚至在零電流或零電壓的情況下也能分斷。在零電流和零電壓情況下分斷電流靠的是零電流和零電壓開關，零電流開關還能提高裝置的容量。

2 直流固態(tài)斷路器的應用路徑

隨著人口數(shù)量的不斷增加，交通擁擠問題開始備受關注，為了解決這個問題，國家開始倡導人們綠色出行，不僅能節(jié)能減排，還能鍛煉身體，為此，各個城市在地鐵、輕軌的建設上都投入了巨大的成本。而我們現(xiàn)在的軌道交通牽引系統(tǒng)采用的是直流供電，艦船電力系統(tǒng)、冶金等工業(yè)領域也是直流電流。為了保證直流電流系統(tǒng)的可靠和安全，直流固態(tài)斷路器設備的應用就尤為重要。此外，在新能源行業(yè)的發(fā)展下，風力發(fā)電、太陽能發(fā)電等也得到了一定的發(fā)展，而它們都離不開直流固態(tài)斷路器提供的保護。直流固態(tài)斷路器應用范圍很廣，表現(xiàn)出了良好的發(fā)展前景。目前，雖然已經(jīng)研究出了多種類型的超導限流器樣機，但是其性能還有待提升。

為了保證直流固態(tài)斷路器的應用效果，必須要采取合理的控制與檢測方式，與交流領域相比，直流固態(tài)斷路器的檢測有著特殊之處，固態(tài)開關集中在過零點實現(xiàn)開通與關斷，直流電流是不變的，遇到高壓大電流的情況，那個固態(tài)開關開通過程中通態(tài)電流會大幅度上升，可能會損壞功率器件。實踐顯示，直流固態(tài)斷路器無論采用什么類型的主開關，都會存在電流過大的問題，這也是目前需要解決的難題。為了解決這一問題，可以將軟開關技術(shù)應用在固態(tài)斷路器中，借助回路的諧振作用來切換電壓與電流，避免對器件產(chǎn)生損耗，保證系統(tǒng)可以隨時處于安全的工作狀態(tài)。關于這一問題，學界已經(jīng)展開了深入研究，并取得了豐碩結(jié)果，這可以根據(jù)系統(tǒng)運行的具體要求來進行設計。

目前，德國、日本等發(fā)達國家已經(jīng)開始推廣直流輸電線路，在海上獨立鉆井平臺、地鐵與艦船中推廣了直流輸電系統(tǒng)，其對于直流電源系統(tǒng)的運行有了更高要求。在近些年來，輕型直流輸電技術(shù)得到了推廣，給固態(tài)斷路器的應用帶來了更為廣闊的應用前景。輕型直流電可以實現(xiàn)海上供電與偏遠地區(qū)的供電，為電網(wǎng)供電質(zhì)量的提高奠定了基礎。目前應用比較多的是對海上獨立鉆井平臺的供電和清潔能源的發(fā)電（主要是風力發(fā)電和太陽能發(fā)電），這些場合大多采用的是輕型直流輸電而且電壓等級基本屬于中、低等級。在社會經(jīng)濟的發(fā)展下，世界各個國家也紛紛加入新能源發(fā)電的隊伍中，直流固態(tài)斷路器必然能夠得到更為廣泛的應用。

3 結(jié)語

固態(tài)斷路器與機械斷路器相互比較，它不僅具備機械斷路器的優(yōu)點還克服它的缺點，將其應用在電力系統(tǒng)中有效增強了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，加快了斷流的速度，延長了它的使用壽命，節(jié)約了成本。直流固態(tài)斷路器從誕生伊始至今已經(jīng)有將近20年的時間，它的研發(fā)技術(shù)也取得了重大突破，攻克一個又一個難關，直流固態(tài)斷路器的性能越來越完善，在市場中得到了迅速普及。但是，受到它的構(gòu)成器件本身的限制，想要固態(tài)斷路器可以被更廣泛地應用，技術(shù)人員還要攻克以下難點：（1）大功率半導體器件之間的串并聯(lián)問題；（2）大功率半導體器件工作消損較大問題；（3）如果固態(tài)斷路器損壞，如何快速、精確地進行檢測；（4）如何提高大功率半導體器件的過載能力。

參考文獻

[1] 湯廣福，羅湘，魏曉光.多端直流輸電與直流電網(wǎng)技術(shù)[J].中國電機工程學報，2013（10）：8-17.

[2] 溫家良，吳銳，彭暢，等.直流電網(wǎng)在中國的應用前景分析[J].中國電機工程學報，2012（13）：7-12.

[3] 張文亮，湯涌，曾南超.多端高壓直流輸電技術(shù)及應用前景[J].電網(wǎng)技術(shù)，2010（9）：1-6.

[4] Hélène Rachard，Pierre Chévrier，Daniel Henry，et al.Numerical study of coupled electromagnetic and aerothermodynamic phenomena in a circuit breaker electric arc[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，1999，42（9）：1723-1734.

[5] 徐國順，江壯賢，莊勁武，等.新型真空直流限流斷路器設計及其介質(zhì)恢復特性[J].電工技術(shù)學報，2013（2）：171-177.