1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。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。
2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（HybridDCCB），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]。
2.1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。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。
2.2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]。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。
3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：
3.1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。
3.2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。
3.3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。
作者：荣命哲 杨飞 吴翊 孙昊 李阳 纽春萍 单位：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 国家电网平高集团有限公司
