摘"要：

低壓直流電弧精準(zhǔn)檢測(cè)與快速分?jǐn)嗉夹g(shù)是保障低壓直流配用電系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。首先綜述軌道交通新場(chǎng)景下發(fā)展的直流故障電弧檢測(cè)技術(shù)，分析多類基于時(shí)頻域特征構(gòu)建算法和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的智能模型設(shè)計(jì)方式，介紹采用電磁、電流信號(hào)等特征的多種直流故障電弧定位技術(shù)。其次綜述面向低壓直流系統(tǒng)的快速分?jǐn)嗉夹g(shù)，概述傳統(tǒng)機(jī)械斷路器開斷方法，介紹基于電力電子器件發(fā)展的混合式斷路器和固態(tài)斷路器研究進(jìn)展。最終提出低壓電器設(shè)計(jì)領(lǐng)域發(fā)展方向，以期為相關(guān)研究人員提供參考。

關(guān)鍵詞： 直流電弧; 故障檢測(cè); 故障定位; 電弧分?jǐn)? 斷路器

中圖分類號(hào)： TM501+.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 2095-8188（2024）08-0001-10

DOI： 10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.08.001

Review of Research on Low Voltage DC Arc Detection and Interruption Technology

LI Xingwen1，"ZHANG Zhaozi1，"YANG Haowen1，"MENG Yu1，"WANG Qian2，"CHEN Silei3

（1.The State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China;

2.School of Sciences， Xi’an University of Technology， Xi’an 710054， China;

3.School of Electrical Engineering， Xi’an University of Technology， Xi’an 710048， China）

Abstract：

DC arc accurate detection and fast breaking technology is the key to ensure the safe，stable and reliable operation in low voltage DC power distribution systems.Firstly，DC arc fault detection technologies in the new scenario of transport are summarized.The multiple kinds of time-frequency domain feature construction algorithms and intelligent models based on the machine learning are analyzed，and a variety of DC arc fault localization techniques using electromagnetic and current signals are introduced.Secondly，the fast interruption technology for low voltage DC systems is reviewed，and the traditional mechanical circuit breaker interruption methods are summarized.The research progress of hybrid circuit breakers and solid-state circuit breakers based on the development of power electronic devices is introduced.Finally，the development direction of low voltage electrical design field is finally proposed，which helps provide references for relevant researchers.

Key words：

DC arc; fault detection; fault localization; arc interruption; circuit breaker

0"引"言

相比于傳統(tǒng)交流系統(tǒng)，直流系統(tǒng)具有線路損耗低、調(diào)控易、電能質(zhì)量高等優(yōu)勢(shì)，因此近年來(lái)得到了快速發(fā)展。目前，低壓直流系統(tǒng)已經(jīng)不局限于船艦、地鐵、飛機(jī)等場(chǎng)合，而是拓展至新能源汽車、儲(chǔ)能中心、智能家居、低碳建筑等眾多領(lǐng)域［1］。隨著以光伏為主的分布式能源的快速發(fā)展，低壓直流系統(tǒng)可以有效解決新能源帶來(lái)的消納問題;從配電角度而言，低壓直流系統(tǒng)具備更低的建設(shè)成本、更高的效率、更優(yōu)質(zhì)的電能［2］;同時(shí)伴隨著越來(lái)越多的直流負(fù)載的出現(xiàn)，可以預(yù)見低壓直流系統(tǒng)將是電力系統(tǒng)發(fā)展的新方向。然而，由于直流電弧不存在自然過(guò)零點(diǎn)，故傳統(tǒng)的交流故障電弧檢測(cè)技術(shù)無(wú)法準(zhǔn)確檢出直流故障電弧，相應(yīng)的交流過(guò)零點(diǎn)開斷技術(shù)也難以清除直流短路故障。

直流故障電弧可分為串聯(lián)故障電弧和并聯(lián)故障電弧［3］。其中，串聯(lián)故障電弧會(huì)使回路電流下降，由于傳統(tǒng)保護(hù)設(shè)備無(wú)法準(zhǔn)確檢測(cè)，導(dǎo)致其識(shí)別難度大;并聯(lián)故障電弧會(huì)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的熱量，繼而產(chǎn)生潛在隱患或火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。隨著直流系統(tǒng)電力電子設(shè)備比例的逐漸增加以及源荷類型的日益豐富，系統(tǒng)干擾因素更加多樣，單一場(chǎng)景故障電弧檢測(cè)算法難以有效遷移至多場(chǎng)景使用。尤其對(duì)于電動(dòng)汽車、飛機(jī)等交通工具，電控設(shè)備的增加使得故障電弧檢測(cè)干擾更為嚴(yán)重，同時(shí)隨著電壓等級(jí)的提升，故障電弧隱患更加嚴(yán)重，快速、精準(zhǔn)的故障電弧檢測(cè)算法尤為關(guān)鍵。此外，復(fù)雜直流場(chǎng)景下線纜長(zhǎng)度增加，故障電弧特性在信號(hào)傳輸過(guò)程中損耗嚴(yán)重，對(duì)微弱故障電弧特性提取與識(shí)別提出更高的要求，直流系統(tǒng)故障及時(shí)便捷運(yùn)維與選擇性隔離要求也提出了故障電弧定位診斷的新需求。

直流系統(tǒng)短路產(chǎn)生時(shí)，電流迅速上升，如果不及時(shí)開斷則會(huì)導(dǎo)致電力電子設(shè)備損壞，對(duì)人身財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)重大威脅，因此對(duì)直流電弧開斷保護(hù)技術(shù)提出了更為嚴(yán)苛的要求。目前仍然采用斷路器對(duì)直流系統(tǒng)進(jìn)行開斷保護(hù)。根據(jù)斷路器結(jié)構(gòu)的不同，直流斷路器可以分為機(jī)械斷路器、固態(tài)斷路器和混合式斷路器3種。其中機(jī)械斷路器的研究最為廣泛，也是現(xiàn)階段電力系統(tǒng)采用的主流保護(hù)方案，具備導(dǎo)通損耗小、開斷時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn);固態(tài)斷路器由電力電子器件構(gòu)成，其耐壓、通流性能主要受器件影響，具有開斷速度快、導(dǎo)通損耗大的特點(diǎn)，但是由于缺少選擇性保護(hù)特性，故目前仍主要應(yīng)用于終端保護(hù);混合式斷路器是集機(jī)械斷路器、固態(tài)斷路器于一體的結(jié)構(gòu)，兼具開斷速度快、導(dǎo)通損耗小的特點(diǎn)，為低壓直流系統(tǒng)開斷保護(hù)技術(shù)提供折中方案。隨著直流系統(tǒng)電壓的不斷提升，低壓直流系統(tǒng)電壓等級(jí)逐漸接近國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）規(guī)定的1 500 V上限，因此對(duì)高電壓和大電流條件下直流電弧可靠檢測(cè)與快速開斷技術(shù)提出新要求。

本文首先聚焦電動(dòng)汽車、飛機(jī)等交通工具中直流故障電弧檢測(cè)的新技術(shù)，分析基于不同時(shí)頻特征的建模方法與建模技術(shù)，討論不同類型的長(zhǎng)線纜下故障電弧定位手段;其次根據(jù)不同斷路器的結(jié)構(gòu)介紹傳統(tǒng)機(jī)械斷路器快速開斷方法，對(duì)比混合式斷路器、固態(tài)斷路器開斷技術(shù)，并提出未來(lái)低壓直流系統(tǒng)快速開斷保護(hù)技術(shù)的發(fā)展方向，為低壓保護(hù)電器設(shè)計(jì)提供參考。

1"直流故障電弧檢測(cè)技術(shù)

為了響應(yīng)“碳中和、碳達(dá)峰”的戰(zhàn)略目標(biāo)，國(guó)家大力推動(dòng)可再生能源等低碳能源體系的發(fā)展［4］，電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)隨之興起。同時(shí)，科技的發(fā)展帶動(dòng)飛機(jī)自動(dòng)化水平的提高以及機(jī)載用電設(shè)備的增加，飛機(jī)產(chǎn)業(yè)正向著多電和全電的方向發(fā)展。

電動(dòng)汽車在行駛過(guò)程中，由于受工況復(fù)雜、長(zhǎng)期顛簸振動(dòng)及溫度、濕度等環(huán)境因素的影響，電動(dòng)汽車的線路絕緣容易出現(xiàn)老化、破損和線束連接松動(dòng)的問題，從而引發(fā)電弧故障并點(diǎn)燃周圍易燃物導(dǎo)致火災(zāi)。特別是直流電弧一旦產(chǎn)生，由于其不存在自然過(guò)零點(diǎn)，極難自行熄滅，局部溫度可高達(dá)數(shù)千攝氏度［5］。因此，研究電動(dòng)汽車在行駛過(guò)程中電氣系統(tǒng)發(fā)生故障電弧的特性變化，對(duì)于預(yù)防電動(dòng)汽車火災(zāi)發(fā)生和提升公共交通工具安全性具有重要意義。

目前，多電飛機(jī)采用270 V直流配電系統(tǒng)。這種方式具有減少線路損耗、減輕飛機(jī)重量以及無(wú)須考慮無(wú)功補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)。但是電壓等級(jí)的提高，使線路上產(chǎn)生的直流電弧更難熄滅，并且更易產(chǎn)生危險(xiǎn)事故。由于飛機(jī)內(nèi)部電線電纜分布復(fù)雜，受到溫度、振動(dòng)、過(guò)載等因素的影響，電纜逐漸出現(xiàn)裂紋和磨損，進(jìn)而產(chǎn)生老化和損壞的現(xiàn)象，更易導(dǎo)致電弧故障的發(fā)生。故障電弧產(chǎn)生的高溫會(huì)導(dǎo)致周圍絕緣材料分解或碳化而失去絕緣功能，甚至點(diǎn)燃周圍的易燃物，造成嚴(yán)重的火災(zāi)事故［6］。因此，直流故障電弧已成為航空直流配電系統(tǒng)中的重大安全隱患，開展直流故障電弧檢測(cè)技術(shù)研究對(duì)于提升飛機(jī)內(nèi)部供電系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性具有重要意義。

在電動(dòng)汽車故障電弧檢測(cè)領(lǐng)域，文獻(xiàn)［7］提出基于混合動(dòng)力汽車電流信號(hào)的12個(gè)頻域和時(shí)域特征的隨機(jī)森林算法模型，實(shí)現(xiàn)車輛電氣系統(tǒng)中48 V故障電弧的準(zhǔn)確診斷。文獻(xiàn)［8］針對(duì)電動(dòng)汽車電源系統(tǒng)直流串聯(lián)電弧的檢測(cè)，提出一種基于加窗傅里葉變換和支持向量機(jī)模型分類的電弧檢測(cè)算法;為了優(yōu)化算法，采用預(yù)檢測(cè)算法，有效降低直流電弧故障的誤檢率，保證檢測(cè)算法的可靠性。文獻(xiàn)［9］選擇結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、識(shí)別精度較高的VGG16網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)故障電弧識(shí)別算法模型，并利用電弧電流頻譜數(shù)據(jù)對(duì)故障電弧識(shí)別算法模型進(jìn)行訓(xùn)練和驗(yàn)證，結(jié)果表明該模型的識(shí)別準(zhǔn)確率在98%以上。郭琳等［10］通過(guò)搭建模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，獲取不同負(fù)載下正常電弧和故障電弧回路信號(hào)，利用小波包分解方法，重構(gòu)和提取電弧故障發(fā)生前后的電流信號(hào)，以能量比值為特征參量，結(jié)果表明在檢測(cè)周期內(nèi)大于閾值的特征量區(qū)分度明顯，可以有效識(shí)別直流故障電弧。劉艷麗等［11］通過(guò)搭建電動(dòng)汽車故障電弧實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，獲取不同工況下干路電流的時(shí)間序列，通過(guò)輕量化卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立基于改進(jìn)MobileNet網(wǎng)絡(luò)的串聯(lián)故障電弧檢測(cè)模型，通過(guò)對(duì)比分析學(xué)習(xí)率、網(wǎng)絡(luò)層數(shù)、樣本長(zhǎng)度的方法對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明優(yōu)化模型可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車串聯(lián)型故障電弧的檢測(cè)，且檢測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到96.39%。王雨［12］通過(guò)搭建的電動(dòng)汽車直流繼電器電弧等離子體數(shù)學(xué)模型，獲得接觸器滅弧室內(nèi)分?jǐn)嚯娀〉恼麄€(gè)過(guò)程。

在飛機(jī)故障電弧檢測(cè)領(lǐng)域，現(xiàn)階段的許多研究是從信號(hào)的時(shí)域和頻域特征進(jìn)行分析檢測(cè)。故障電弧產(chǎn)生時(shí)，時(shí)域上電壓、電流劇烈波動(dòng)［13］，頻域上頻譜幅值增加。文獻(xiàn)［14］對(duì)飛機(jī)上270 V直流串行電弧的頻域特征進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，電弧故障產(chǎn)生時(shí)，電流頻譜中包含高頻成分，且在特定頻段內(nèi)電流幅值明顯增加。文獻(xiàn)［15］對(duì)航空270 V直流系統(tǒng)中電弧的頻域特征進(jìn)行研究，通過(guò)頻譜分析電流數(shù)據(jù)在25 kHz范圍內(nèi)的幅值，選擇16.4 kHz、17.1 kHz、18.0 kHz和18.7 kHz共 4個(gè)頻率點(diǎn)功率譜作為電弧的頻域特征。文獻(xiàn)［16］研究了航空領(lǐng)域容性負(fù)載的并行故障電弧，利用電流突變來(lái)檢測(cè)電弧故障，但這種方法易受電路中加、卸負(fù)載等擾動(dòng)的影響，進(jìn)而導(dǎo)致誤動(dòng)作。2003年，美國(guó)航空航天局通過(guò)研究航空直流故障電弧電流高頻含量的差異，結(jié)合快速傅里葉變換（FFT）和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障檢測(cè)［17］，然而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層數(shù)量及每層節(jié)點(diǎn)數(shù)的選取會(huì)影響檢測(cè)精度，最優(yōu)組合難以確定。

在檢測(cè)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用方面，國(guó)內(nèi)外研究人員均有所突破。傳感器材料與結(jié)構(gòu)等方面的優(yōu)化、先進(jìn)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的引入為故障電弧檢測(cè)提供了技術(shù)支撐。故障電弧檢測(cè)模塊如圖1所示。圖1（a）為德州儀器（TI）開發(fā)的SM73201-Arc-Eval光伏故障電弧檢測(cè)模塊，其采用FFT來(lái)處理采集的電流，通過(guò)分析頻譜噪聲的幅值變化判斷是否發(fā)生故障電?。?8］;圖1（b）為上海豐郅（Fonrich）研發(fā)的故障電弧檢測(cè)模塊，最多支持4個(gè)測(cè)量通道和最大15 A的電流，檢測(cè)到電弧后立即給出報(bào)警信號(hào);華為將電弧故障分?jǐn)嗥髋c深度學(xué)習(xí)技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取和模型訓(xùn)練，檢測(cè)模型的泛化能力得到有效提高，能夠持續(xù)學(xué)習(xí)未知特征，在復(fù)雜多樣場(chǎng)景下仍能準(zhǔn)確辨識(shí)故障電弧，檢測(cè)電流最高達(dá)到26 A［19］。

盡管目前直流故障電弧檢測(cè)裝置在國(guó)內(nèi)的成型產(chǎn)品相對(duì)較少，但可以預(yù)見，隨著研究的不斷深入與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，未來(lái)的直流故障電弧檢測(cè)產(chǎn)品將朝著小型化、低成本、功能集成的方向繼續(xù)創(chuàng)新，并將直流故障電弧檢測(cè)產(chǎn)品與其他故障診斷設(shè)備進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)智能化和系統(tǒng)化的安全監(jiān)測(cè)，更好地滿足故障預(yù)警需求。

2"直流故障電弧定位技術(shù)

故障電弧定位是在檢出故障電弧后，采用一定的手段確定故障電弧的位置，并向維護(hù)平臺(tái)提供準(zhǔn)確的位置信息，以便對(duì)故障電弧影響區(qū)段進(jìn)行快速定位和隔離。故障電弧定位的主要目的是確定故障范圍，提高維護(hù)效率，減少停電時(shí)間，并盡快恢復(fù)供電。因此，故障電弧檢測(cè)與故障電弧定位相輔相成。

直流故障電弧的傳播速度非?？欤瑢?dǎo)致定位的時(shí)間窗口非常短，因此需要高精度的測(cè)量?jī)x器和定位技術(shù)。同時(shí)，直流系統(tǒng)中線路布置日趨復(fù)雜，存在大量的支路和設(shè)備，使得確定故障電弧的位置變得更加困難。此外，線路的參數(shù)可能因操作狀態(tài)、負(fù)載變化等發(fā)生變化，又在一定程度上增加了故障電弧定位的難度。針對(duì)這些難點(diǎn)，研究人員不斷致力于開發(fā)可靠的定位技術(shù)和算法。如利用故障電弧發(fā)生時(shí)高頻電流和電壓的變化特征，結(jié)合復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法，完成直流故障電弧在線路上的定位;基于高精度的定位設(shè)備和多傳感器融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)良好的定位效果。

大量技術(shù)已被開發(fā)和應(yīng)用于故障電弧定位，主要有行波法、阻抗測(cè)量法、電磁信號(hào)測(cè)量法以及基于反射計(jì)的定位方法［20］。吳春華等［21］基于擴(kuò)展頻譜時(shí)域反射法（SSTDR）進(jìn)行光伏系統(tǒng)直流母線故障電弧的檢測(cè)，通過(guò)入射信號(hào)與反射信號(hào)的互相關(guān)計(jì)算得到自相關(guān)波形，提取時(shí)間間隔并計(jì)算出故障位置，實(shí)現(xiàn)了50 m線路的故障識(shí)別和定位，具有一定的抗干擾性。文獻(xiàn)［22］基于電弧的電磁輻射接收信號(hào)強(qiáng)度（RSSI）指標(biāo)進(jìn)行定位，布置4個(gè)天線接收電磁輻射信號(hào)，將RSSI值輸入訓(xùn)練好的貝葉斯正則化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BRNN）模型，最終輸出電弧的距離位置，實(shí)現(xiàn)距離＞3.3 m的故障電弧空間定位，且平均預(yù)測(cè)誤差≤0.5 m。文獻(xiàn)［23］基于故障電流行波的傳輸特點(diǎn)，對(duì)故障行波電流信號(hào)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解后，提取第一特征模函數(shù)并進(jìn)行奇異值分解，捕獲故障行波頭到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的時(shí)刻，并計(jì)算出故障距離，測(cè)距誤差在0～1.5%。文獻(xiàn)［24］利用行波與到達(dá)線路兩端的反射行波之間的時(shí)間關(guān)系進(jìn)行故障測(cè)距，并采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸饨Y(jié)合希爾伯特黃變換的方法確定故障行波的到達(dá)時(shí)間，測(cè)距的最大相對(duì)誤差為0.025%。唐海龍等［25］依據(jù)故障行波的固有頻率與故障距離呈反比的規(guī)律，從檢測(cè)裝置測(cè)得的電壓信號(hào)提取故障行波的固有頻率主成分，計(jì)算出故障電弧所處的沿線距離，實(shí)現(xiàn)100 m線纜的故障電弧定位，測(cè)距誤差在6%之內(nèi)。這些故障電弧定位方法主要通過(guò)研究故障電弧物理特性在正常和故障時(shí)的差異性實(shí)現(xiàn)故障支路的定位。但是這些定位方式需要在線路上設(shè)置多個(gè)傳感器，通過(guò)多個(gè)傳感器的配合計(jì)算出故障電弧的發(fā)生，導(dǎo)致其常適用于特定的裝置內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)開放空間的定位具有一定難度。

熊慶等［26］在光伏系統(tǒng)中將并聯(lián)電容作為高頻電流傳感器，基于并聯(lián)電容器電流的頻譜積分差進(jìn)行故障電弧檢測(cè)，當(dāng)發(fā)生串聯(lián)電弧故障時(shí)以電流脈沖幅值變化最大的電容器確定故障電弧的位置。文獻(xiàn)［27］提出一種基于負(fù)載電路模型建立和接線參數(shù)估計(jì)的故障電弧檢測(cè)方法，根據(jù)回路電壓、電流信號(hào)的頻域信息計(jì)算故障相關(guān)參數(shù)，結(jié)合遺傳優(yōu)化算法估計(jì)故障電弧位置，0～24.6 m導(dǎo)線的預(yù)測(cè)精度為±0.5 m。文獻(xiàn)［28］提出一種基于累計(jì)和算法的故障電弧檢測(cè)與線路選擇的方法，通過(guò)構(gòu)建線路的電網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)納矩陣，并根據(jù)不同線路上故障電弧發(fā)生后導(dǎo)納矩陣的不同實(shí)現(xiàn)故障線路的選擇;通過(guò)所開發(fā)的克朗化簡(jiǎn)方法減小內(nèi)部節(jié)點(diǎn)對(duì)導(dǎo)納矩陣的復(fù)雜度的影響，基于實(shí)驗(yàn)表明多種微電網(wǎng)的檢測(cè)與選線效果均滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。文獻(xiàn)［29］提出一種基于未知輸入觀測(cè)器（UIOs）的直流故障電弧檢測(cè)與選線方法，通過(guò)建立直流微網(wǎng)的動(dòng)態(tài)線纜模型，基于回路電流與節(jié)點(diǎn)電壓的狀態(tài)矩陣構(gòu)建UIO的參數(shù)矩陣，通過(guò)設(shè)置合理的閾值參數(shù)使得觀測(cè)器可以精準(zhǔn)識(shí)別多條不同負(fù)載線路上的故障位置。文獻(xiàn)［30］在16.4 m長(zhǎng)的回路中串入2個(gè)羅氏線圈，通過(guò)確定故障電弧的射頻信號(hào)到達(dá)線圈的時(shí)間，結(jié)合線性回歸擬合得到的信號(hào)傳播速度計(jì)算出故障電弧所處位置，最大誤差為7.7%。文獻(xiàn)［31］通過(guò)測(cè)量直流微電網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)的電壓和電流，基于卡爾曼濾波器（KF）算法估計(jì)線路導(dǎo)納，實(shí)現(xiàn)故障路段的快速隔離。文獻(xiàn)［32］提出一種基于時(shí)頻域閾值比較原理的風(fēng)/光/儲(chǔ)混合系統(tǒng)串聯(lián)直流故障電弧檢測(cè)與定位方法，通過(guò)變分模態(tài)分解（VMD）構(gòu)建故障電弧的時(shí)頻域特征，分析特征與位置之間的映射關(guān)系后通過(guò)合理設(shè)置閾值實(shí)現(xiàn)故障電弧的檢測(cè)與定位。

3"機(jī)械斷路器快速開斷技術(shù)

故障產(chǎn)生時(shí)，機(jī)械斷路器內(nèi)的金屬觸頭在操作機(jī)構(gòu)的作用下打開，觸頭間產(chǎn)生電弧，進(jìn)而通過(guò)電弧進(jìn)行能量耗散，最終完成短路開斷保護(hù)。在中、高壓領(lǐng)域，當(dāng)檢測(cè)到故障時(shí)系統(tǒng)提供開斷信號(hào)，采用快速操作機(jī)構(gòu)分開觸頭，進(jìn)而完成電弧開斷。與中、高壓斷路器不同，低壓斷路器自身帶有電弧檢測(cè)、選擇性保護(hù)功能，不需要提供繼電保護(hù)信號(hào)，可根據(jù)脫扣器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)響應(yīng)。其中根據(jù)響應(yīng)方式不同可分為熱磁脫扣器、智能脫扣器。熱磁脫扣器在過(guò)載時(shí)通過(guò)雙金屬片過(guò)熱彎曲推動(dòng)牽引桿，進(jìn)而帶動(dòng)機(jī)構(gòu)打開觸頭，短路情況下則利用電磁力推動(dòng)機(jī)構(gòu)打開觸頭;智能脫扣器則是通過(guò)檢測(cè)電流，從而提供脫扣信號(hào)。

低壓直流系統(tǒng)發(fā)展初期，對(duì)于系統(tǒng)保護(hù)大多采用交流斷路器進(jìn)行降額使用，然而隨著系統(tǒng)電壓的提高，斷路器開斷速度已經(jīng)難以滿足保護(hù)需求。針對(duì)上述問題，多通過(guò)提高電弧電壓，從而實(shí)現(xiàn)快速開斷，具體措施包括增加滅弧柵片、添加永磁體、添加產(chǎn)氣材料、多級(jí)串聯(lián)等方式［33-34］。在中、高壓領(lǐng)域，則多采用改變滅弧介質(zhì)、自激振蕩、增加限流電阻的方式實(shí)現(xiàn)快速開斷。

綜合上述分析，機(jī)械斷路器開斷過(guò)程中必然導(dǎo)致金屬觸頭間電弧產(chǎn)生，加劇觸頭燒蝕，從而影響斷路器服役壽命。在低壓領(lǐng)域，滅弧柵片增加、多級(jí)串聯(lián)將導(dǎo)致斷路器成本增加、體積變大，難以滿足低壓斷路器小型化設(shè)計(jì)需求。

4"混合式斷路器快速開斷技術(shù)

混合式斷路器是一種融合了機(jī)械斷路器、固態(tài)斷路器的新型斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。并聯(lián)型混合式斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，主通流支路由機(jī)械斷路器構(gòu)成，導(dǎo)通正常工作電路;換流支路由電力電子器件構(gòu)成，為電流換向提供短時(shí)過(guò)渡，其中電力電子器件可分為全控型器件和半控型器件;耗能支路則由耗能器件組成，用于消耗部分線

路存儲(chǔ)能量，常用耗能器件為金屬氧化物壓敏電阻（MOV）、瞬態(tài)電壓抑制二極管（TVS）等。

混合式斷路器工作原理主要涉及2個(gè)關(guān)鍵換流過(guò)程，即一次換流過(guò)程和二次換流過(guò)程。正常工況下電流通過(guò)機(jī)械斷路器，當(dāng)故障產(chǎn)生時(shí)，機(jī)械斷路器觸頭打開，電力電子器件導(dǎo)通，在電弧電壓作用下電流自然換流到換流支路，該階段為一次換流過(guò)程;隨后電力電子器件關(guān)斷，由于線路電感的存在，關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生過(guò)電壓，從而迫使耗能器件由高阻態(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài)，電流自然換向至耗能支路，該階段為二次換流過(guò)程。最終，電能通過(guò)熱量的形式在該支路完成耗散，故障完成清除。

通過(guò)對(duì)混合式斷路器原理的分析，可知混合式斷路器的工作過(guò)程高度依賴機(jī)械斷路器、電力電子器件的配合。相比于傳統(tǒng)機(jī)械斷路器，混合式斷路器由于有電力電子器件的介入，開斷時(shí)間更加具有優(yōu)勢(shì)，同時(shí)可以保證較低的導(dǎo)通損耗，避免散熱裝置的設(shè)計(jì)，在實(shí)現(xiàn)小型化、高性能方面提供了可能?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外針對(duì)混合式斷路器的研發(fā)大多集中于中、高壓領(lǐng)域，其中已有成熟產(chǎn)品投入使用，如舟山、張北等項(xiàng)目均有應(yīng)用［35-36］。但是面向低壓領(lǐng)域市場(chǎng)，仍然處于研發(fā)階段，尚未有成熟產(chǎn)品問世。混合式斷路器根據(jù)開斷方式不同可劃分為并聯(lián)型混合式斷路器、串聯(lián)型混合式斷路器、模塊化混合式斷路器。

4.1"并聯(lián)型混合式斷路器

并聯(lián)型混合式斷路器本質(zhì)上是傳統(tǒng)混合式斷路器，其結(jié)構(gòu)如圖2，基本工作原理不再贅述。針對(duì)并聯(lián)混合式斷路器的研究開展較早，研究方向主要集中在換流方式、電力電子器件選型及可靠性等方面。

在低壓系統(tǒng)中，機(jī)械斷路器在開斷過(guò)程中電弧電壓在各種因素的共同作用下快速上升，這為并聯(lián)支路間自然換流提供了可能。當(dāng)電弧電壓大于電力電子器件導(dǎo)通電壓時(shí)，電流將自然換向至換流支路，該過(guò)程持續(xù)時(shí)間受電力電子器件、支路寄生參數(shù)共同影響。文獻(xiàn)［37］指出，相比于電力電子器件導(dǎo)通閾值電壓的影響，器件本身導(dǎo)通內(nèi)阻對(duì)一次換流時(shí)間的影響更大，換流時(shí)間隨著器件內(nèi)阻的增大而增加。文獻(xiàn)［38］通過(guò)仿真的方式，指出各支路寄生電感對(duì)一、二次換流過(guò)程均有影響，隨著線路寄生電感的增加，換流時(shí)間逐步增加。

在高壓系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)電壓較高，一方面通過(guò)提升電弧電壓進(jìn)行限流的方案難以實(shí)現(xiàn)，另一方面多個(gè)電力電子器件模塊組合導(dǎo)致?lián)Q流所需電壓較高，電弧電壓難以滿足自然換流需求，因此提出強(qiáng)制換流、制造人工過(guò)零點(diǎn)的方式進(jìn)行開斷。強(qiáng)制換流方式是在主通流支路增加輔助電子開關(guān)，故障時(shí)首先關(guān)斷電子開關(guān)，強(qiáng)制電流換向至換流支路，從而確保主通流支路的機(jī)械開關(guān)在零電流條件下打開，該方案首先由ABB公司提出［39］，在低壓領(lǐng)域也有涉及［40］。人工過(guò)零點(diǎn)開斷則是通過(guò)并聯(lián)預(yù)充電電容振蕩放電，將主通流支路電流降為0，從而完成機(jī)械斷路器零電流開斷。該方案可以實(shí)現(xiàn)大電流下的快速開斷，如文獻(xiàn)［41］提出的可控振蕩換流斷路器，通過(guò)仿真實(shí)現(xiàn)了2.5 ms內(nèi)15 kA電流開斷，然而諧振放電的方式對(duì)于機(jī)械斷路器過(guò)零點(diǎn)開斷精準(zhǔn)控制要求較高。針對(duì)上述問題，文獻(xiàn)［42］提出采用2個(gè)外部電源反向放電的方式，其中一個(gè)電源用于產(chǎn)生與故障電流相匹配的反向電流，隨后另一個(gè)電源則通過(guò)脈沖寬度調(diào)制（PWM）波形式控制反向放電，將故障電流限制在0附近，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械斷路器近似零電流開斷。

電力電子器件作為混合式斷路器關(guān)鍵部件，其工作可靠性直接決定斷路器的整體工作性能。根據(jù)控制方式不同，電力電子器件可分為全控型器件和半控型器件，其中全控型器件主要包括絕緣柵雙極性晶體管（IGBT）、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）、門級(jí)可關(guān)斷晶體管（GTO）和集成門極換流晶閘管（IGCT）等，半控型器件則以晶閘管（SCR）為主。

IGBT由于通流能力強(qiáng)、成本低，被廣泛用于混合式斷路器的研發(fā)。在高壓領(lǐng)域，大多采用IGBT模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)串并聯(lián)的方式提高斷路器整體開斷容量。然而在低壓領(lǐng)域，大量電力電子器件的使用，難以滿足低壓斷路器小型化、低成本的設(shè)計(jì)需求，同時(shí)由于短路故障發(fā)生概率較低，短路開斷過(guò)程中電力電子器件的導(dǎo)通時(shí)間較短，在保障斷路器工作可靠的前提下短時(shí)超出器件安全工作區(qū)的使用是可行的方案，但該方法對(duì)器件自身可靠性提出了更高要求。文獻(xiàn)［43］研究了耗能支路對(duì)IGBT關(guān)斷浪涌電流能力的影響，并指出當(dāng)采用MOV進(jìn)行電壓箝位時(shí)，IGBT關(guān)斷損耗是造成器件失效的關(guān)鍵因素;采用MOV+RC組合的方式，一定程度上可以延緩器件關(guān)斷過(guò)程中du/dt，但此時(shí)拖尾電流可能會(huì)導(dǎo)致器件進(jìn)一步失效。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，IGCT由于開關(guān)速度快、耐壓高、通流能力強(qiáng)的特性，得到部分學(xué)者的關(guān)注［44］。文獻(xiàn)［45］基于IGCT構(gòu)建一種新型中壓混合式斷路器，并通過(guò)仿真驗(yàn)證該方案可以在2 ms內(nèi)快速分?jǐn)?0 kA短路電流。文獻(xiàn)［46］則提出一種基于IGCT的高壓混合式斷路器，最大可實(shí)現(xiàn)15 kA電流關(guān)斷，對(duì)比同類型混合式斷路器，成本降低61.8%。

SCR作為半控型器件，控制策略更加復(fù)雜，但其低成本和傳導(dǎo)損耗僅為相同額定特性IGBT的1/10，非重復(fù)浪涌電流可達(dá)15倍額定電流［47］，因此吸引了大量學(xué)者關(guān)注，基于SCR的混合式斷路器研究也成為目前研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)［48］提出一種基于SCR具備重合閘能力的直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中諧振回路采用2個(gè)晶閘管串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電容極性快速轉(zhuǎn)換，從而為重合閘清除故障提供保障，并提出采用并聯(lián)二極管的方式為SCR提供負(fù)壓可靠關(guān)斷。文獻(xiàn)［49］設(shè)計(jì)了一種電流注入型混合式斷路器，建立可控振蕩負(fù)壓電路，為電流快速轉(zhuǎn)移提供可能，同時(shí)采用振蕩支路為SCR提供反向關(guān)斷電壓。

4.2"串聯(lián)型混合式斷路器

文獻(xiàn)［50］首次提出串聯(lián)型混合式斷路器的概念。串聯(lián)型混合式斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。與并聯(lián)型混合式斷路器不同，該結(jié)構(gòu)通過(guò)變壓器將電子支路和直流系統(tǒng)主支路進(jìn)行耦合，其中一次繞組連接用于限流的電子支路，二次繞組則與主支路隔離開關(guān)串聯(lián)。

串聯(lián)型混合式斷路器的工作過(guò)程分為2個(gè)階段，分別為故障清除階段和電流調(diào)制階段。當(dāng)正

常工作時(shí)，負(fù)載電流流過(guò)脈沖變壓器二次繞組和隔離開關(guān)，此時(shí)系統(tǒng)損耗較低;當(dāng)故障產(chǎn)生時(shí)，電子支路通過(guò)預(yù)充電電容反向放電，使得二次繞組電壓快速提升至超過(guò)系統(tǒng)電壓，從而將故障電流限為0，此為故障清除階段。隨后在電流零點(diǎn)附近電子支路采用PWM方式為主支路注入較小紋波電流，使得串聯(lián)機(jī)械開關(guān)可以近似零電流開斷，此為電流調(diào)制階段。該方法在實(shí)現(xiàn)快速電流分?jǐn)嗟耐瑫r(shí)可以避免機(jī)械開關(guān)在單個(gè)電流過(guò)零點(diǎn)開斷的同步控制問題，但對(duì)于變壓器的設(shè)計(jì)要求較高。文獻(xiàn)［51］在上述結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步簡(jiǎn)化，通過(guò)設(shè)計(jì)雙電感串聯(lián)的方式，實(shí)現(xiàn)了單電容在故障清除、電流調(diào)制階段的多級(jí)電壓注入，從而減少了預(yù)充電電容的使用，簡(jiǎn)化了操作方式，同時(shí)通過(guò)對(duì)電流調(diào)制階段分析來(lái)判斷故障類型，設(shè)計(jì)了自適應(yīng)重合閘的方案，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，11 ms內(nèi)成功開斷40 A電流。

綜上所述，串聯(lián)型混合式斷路器概念較為新穎，相關(guān)研究較少，同傳統(tǒng)并聯(lián)型混合式斷路器相比，其開斷過(guò)程省略了電流換向，可以實(shí)現(xiàn)短路電流的快速開斷。但是，目前串聯(lián)型混合式斷路器的研究仍處于理論層面，開斷電流等級(jí)較小，在高電壓、大電流等級(jí)下對(duì)于變壓器設(shè)計(jì)要求較高，在模塊化、小型化方面較為困難，更加適用于中壓領(lǐng)域。

4.3"模塊化混合式斷路器

相較于上述2種混合式斷路器，模塊化混合式斷路器具備更簡(jiǎn)單的控制策略、更簡(jiǎn)便的模塊化設(shè)計(jì)，其中通過(guò)電弧建立機(jī)械電氣強(qiáng)關(guān)聯(lián)，并在最大限度保留原有機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提升斷路器整體開斷性能是其設(shè)計(jì)關(guān)鍵。文獻(xiàn)［52］針對(duì)傳統(tǒng)交流斷路器無(wú)法有效解決直流斷路器開斷的問題，提出一種基于電弧取能的電子輔助式模塊，該模塊外置在塑殼斷路器兩端，與傳統(tǒng)混合式斷路器燃弧初期快速開斷不同，該模塊在燃弧后期切入，解決拖尾電流帶來(lái)的開斷失敗問題，有效提升傳統(tǒng)交流斷路器的工作性能。文獻(xiàn)［53］在確定機(jī)械電氣協(xié)同配合時(shí)序基礎(chǔ)上，提出自觸型低壓混合式直流斷路器的概念，重點(diǎn)解決臨界電流下開斷時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問題，同時(shí)具備短路電流開斷能力，實(shí)驗(yàn)表明在小電流開斷條件下燃弧時(shí)間縮短了85.4%。

綜上所述，外置模塊化設(shè)計(jì)的混合式斷路器，通過(guò)在燃弧后期進(jìn)行換流的方式，可以避免塑殼斷路器觸頭開距過(guò)小帶來(lái)的重?fù)舸﹩栴}，為弧后介質(zhì)恢復(fù)提供有利條件。通過(guò)機(jī)械電氣的協(xié)同配合作用，實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)感知、模塊自動(dòng)觸發(fā)的功能。雖然在開斷時(shí)間上相比于前述2種混合式斷路器長(zhǎng)，但是模塊化、集成化、易匹配多類型機(jī)械斷路器產(chǎn)品的特點(diǎn)彌補(bǔ)其自身不足，同時(shí)采用較少器件來(lái)輔助開斷的設(shè)計(jì)思想，更加適用于低壓領(lǐng)域，是未來(lái)低壓保護(hù)電器發(fā)展的重要方向。

5"固態(tài)斷路器快速開斷技術(shù)

相較于混合式斷路器，固態(tài)斷路器在結(jié)構(gòu)上僅有2條支路組成，分別為電力電子器件組成的主通流支路和耗能器件組成的耗能支路。在正常工作時(shí)，電流通過(guò)電力電子器件;當(dāng)故障產(chǎn)生時(shí)，該支路通過(guò)檢測(cè)故障電流大小、電流斜率等方式關(guān)斷器件，從而強(qiáng)迫電流換向至耗能支路，最終通過(guò)發(fā)熱的形式進(jìn)行能量釋放。相較于機(jī)械斷路器、混合式斷路器，固態(tài)斷路器具備更快的故障清除速度，避免短路電流過(guò)大對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)的危害。

電力電子器件是固態(tài)斷路器的核心器件。傳統(tǒng)固態(tài)斷路器大多采用IGBT等全控型器件，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，以碳化硅（SiC）為主的MOSFET逐漸引起學(xué)者廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)［54］設(shè)計(jì)了一種具備雙向?qū)芰Φ腗OSFET固態(tài)斷路器，并通過(guò)并聯(lián)SCR的方式進(jìn)行能量耗散及諧振關(guān)斷。相較于全控型器件，以SCR為主的半控型器件具備更低的成本、更高的浪涌電流能力，因此基于SCR的固態(tài)斷路器設(shè)計(jì)也成為研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)［55］提出一款基于SCR的具備快速重合閘功能固態(tài)斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該拓?fù)湓趯?shí)現(xiàn)雙向通流的同時(shí)具備極低的損耗，并通過(guò)諧振的方式實(shí)現(xiàn)重合閘保護(hù)。針對(duì)電力電子器件的溫升評(píng)估，對(duì)于固態(tài)斷路器的可靠性設(shè)計(jì)具有重要意義，文獻(xiàn)［56］通過(guò)考慮MOSFET器件導(dǎo)通電阻的溫度依賴性、內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提出一種基于四階Foster熱網(wǎng)絡(luò)模型的熱性能評(píng)估方法，該方法為固態(tài)斷路器額定、過(guò)載運(yùn)行條件下溫升評(píng)估提供參考。

綜上所述，目前針對(duì)固態(tài)斷路器的研究較多，各大電器廠商紛紛推出面向低壓領(lǐng)域的產(chǎn)品，但器件高成本、控制復(fù)雜、產(chǎn)品發(fā)熱嚴(yán)重成為其在更高電壓領(lǐng)域發(fā)展的痛點(diǎn)［57］，因此如何做到低成本、高功率密度、高效率是固態(tài)斷路器研發(fā)工作者需要進(jìn)一步思考的問題。

6"結(jié)"語(yǔ)

直流系統(tǒng)由于其特殊的優(yōu)勢(shì)，得到了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)診斷保護(hù)技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)故障精準(zhǔn)識(shí)別與快速清除，因此發(fā)展面向直流系統(tǒng)的故障電弧高效檢測(cè)定位與快速開斷保護(hù)技術(shù)，對(duì)于電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行具有重要的意義。本文通過(guò)分析比較電動(dòng)汽車、飛機(jī)等直流場(chǎng)景下多種故障電弧檢測(cè)技術(shù)，提出檢測(cè)算法硬件實(shí)現(xiàn)的小型化、智能化發(fā)展方向，介紹基于電磁、電流信號(hào)的不同類型故障定位方法，論證故障精準(zhǔn)診斷的重要意義。同時(shí)從機(jī)械斷路器、混合式斷路器、固態(tài)斷路器3個(gè)角度出發(fā)，介紹機(jī)械斷路器快速開斷方法，說(shuō)明現(xiàn)階段機(jī)械斷路器存在的關(guān)鍵問題，重點(diǎn)綜述直流混合式斷路器、固態(tài)斷路器國(guó)內(nèi)外最新進(jìn)展，并提出未來(lái)直流保護(hù)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，為低壓電器領(lǐng)域相關(guān)研究人員提供相應(yīng)參考。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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收稿日期： 20240604