淺談直流固態斷路器的應用路徑

江朋飛

摘 要：斷路器是電網系統中不可缺少的設備，電網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系統運行是否安全息息相關。斷路器是按照極數和安裝方式進行分類的。直流固態斷路器從誕生伊始就表現出了良好的前景，已經在很多領域中得到了推廣應用。該文主要針對直流固態斷路器的發展與應用路徑進行分析。

關鍵詞：直流固態斷路器 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，我國電網系統中主要使用的斷路器是機械斷路器，這種斷路器的優點是可以穩定導通、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，還有分斷時產生的電弧會損壞觸頭，斷路器開關次數過多會減少它的使用壽命。隨著用電量的加大，直流供電系統常常處于超負荷狀態，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，為了提升系統運行的安全性，需要大范圍推廣直流固態斷路器。

1 直流固態斷路器的發展

隨著社會的發展和科技的不斷進步，電力電子器件的技術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，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成的。

1.1 直流固態斷路器

新型固態斷路器是由半導體構成的，是在原有的電力電子器件發展而來的。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的次數。目前，關于直流固態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。當系統正常工作時，GTO就負責承載電流；當系統出現故障時，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才能夠實現。

1.2 混合直流斷路器

混合直流斷路器兼備靜態特性和動態特性，靜態特性是融合機械斷路器靜態特性，動態特性是融合半導體器件快速分斷特性。它不僅具備固態開關和機械開關的優點，還克服了兩者的缺點。當系統正常工作時，機械開關處于閉合狀態，并充當導體使電流通過；當系統出現故障時，觸發半導體器件IGBT導通來切斷故障電流，原因是半導體器件只有在發生故障時才會導通。這種功率器件在系統正常工作時是沒有損耗的，這不僅省去了巨大的冷卻系統，還提高了系統的穩定性和安全性。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等優點，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 直流固態斷路器的應用路徑

隨著人口數量的不斷增加，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。而我們現在的軌道交通牽引系統采用的是直流供電，艦船電力系統、冶金等工業領域也是直流電流。為了保證直流電流系統的可靠和安全，直流固態斷路器設備的應用就尤為重要。此外，在新能源行業的發展下，風力發電、太陽能發電等也得到了一定的發展，而它們都離不開直流固態斷路器提供的保護。直流固態斷路器應用范圍很廣，表現出了良好的發展前景。目前，雖然已經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，直流固態斷路器的檢測有著特殊之處，固態開關集中在過零點實現開通與關斷，直流電流是不變的，遇到高壓大電流的情況，那個固態開關開通過程中通態電流會大幅度上升，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，可以將軟開關技術應用在固態斷路器中，借助回路的諧振作用來切換電壓與電流，避免對器件產生損耗，保證系統可以隨時處于安全的工作狀態。關于這一問題，學界已經展開了深入研究，并取得了豐碩結果，這可以根據系統運行的具體要求來進行設計。

目前，德國、日本等發達國家已經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，其對于直流電源系統的運行有了更高要求。在近些年來，輕型直流輸電技術得到了推廣，給固態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海上供電與偏遠地區的供電，為電網供電質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電（主要是風力發電和太陽能發電），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。在社會經濟的發展下，世界各個國家也紛紛加入新能源發電的隊伍中，直流固態斷路器必然能夠得到更為廣泛的應用。

3 結語

固態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點還克服它的缺點，將其應用在電力系統中有效增強了電力系統的穩定性和安全性，加快了斷流的速度，延長了它的使用壽命，節約了成本。直流固態斷路器從誕生伊始至今已經有將近20年的時間，它的研發技術也取得了重大突破，攻克一個又一個難關，直流固態斷路器的性能越來越完善，在市場中得到了迅速普及。但是，受到它的構成器件本身的限制，想要固態斷路器可以被更廣泛地應用，技術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問題；（2）大功率半導體器件工作消損較大問題；（3）如果固態斷路器損壞，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。

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