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近年來，中壓直流（Medium Voltage Direct Current, MVDC）被廣泛應(yīng)用于電力推進、軌道交通、海上風電場及智能電網(wǎng)等領(lǐng)域。在船舶動力領(lǐng)域，將動力和電力技術(shù)深度融合的綜合電力系統(tǒng)（Integrated Power System, IPS）成為各國競相研究的焦點，其核心思想即以電能作為基本能量形態(tài)，通過綜合能量管理平臺實現(xiàn)負載能量需求的動態(tài)分配。采用MVDC技術(shù)路線的IPS具有結(jié)構(gòu)簡單、高靈活性的優(yōu)點，有利于降低電能損耗、提升傳輸效率、易于替代能源、儲能、武器系統(tǒng)集成，優(yōu)化系統(tǒng)整體性能，代表著國內(nèi)外船舶動力領(lǐng)域的發(fā)展方向。

目前，直流斷路器仍是解決直流故障保護問題的有效技術(shù)途徑，基于快速直流斷路器的保護方案，結(jié)合換流器及其他保護設(shè)備配合可以有效限制故障的進一步擴散，使系統(tǒng)具有更好的供電連續(xù)性和更強的生命力。與交流系統(tǒng)相比，直流系統(tǒng)的電流不存在自然過零點，因此直流開斷的實現(xiàn)更加困難，一直以來是直流電網(wǎng)發(fā)展的瓶頸之一。

直流斷路器的基本功能主要有：①穩(wěn)定通流時，滿足絕緣和溫升要求，具有較低的通態(tài)損耗；②存在傳感和控制單元，具有故障檢測和邏輯判斷功能，當發(fā)生短路故障時，快速制造電流的過零點，從導(dǎo)通態(tài)迅速過渡到絕緣態(tài)，并且在該過程不發(fā)生損壞；③電流截止后，承受過電壓的沖擊而不被擊穿，快速耗散儲存在系統(tǒng)電感中的巨大能量；④可以實現(xiàn)快速重合閘。

目前中壓直流開斷技術(shù)主要有熔斷器、空氣式斷路器、固態(tài)斷路器（Solid-State Circuit Breaker, SSCB）和混合型直流斷路器（Hybrid DC Circuit Breaker, HDCCB）。

圖1 船舶直流供電系統(tǒng)示意圖

空氣式直流斷路器是由傳統(tǒng)交流斷路器發(fā)展而來的，已經(jīng)相對成熟，產(chǎn)品化的純機械式直流斷路器，分斷可靠性高，分斷能力可高達百千安，在中低壓城市軌道交通直流系統(tǒng)中已廣泛使用，其原理是通過冷卻、拉長、切割電弧，建立與系統(tǒng)電源電壓相反的弧壓實現(xiàn)限流和開斷，電弧電壓必須高于一定電壓時電流才開始下降。

由于分斷所需的弧壓建立時間往往為ms級，因此其限流效果有限。同樣基于電弧電壓建立原理，熔斷器可在短路發(fā)生時迅速起弧抑制電流上升，但由于一次動作后需要更換部件，從而增加了系統(tǒng)的維護成本。

SSCB和HDCCB應(yīng)用了先進的固態(tài)開關(guān)技術(shù)，得益于固態(tài)開關(guān)開微秒級的分斷速度，具有良好的限流效果，是目前電器科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點。

針對未來船舶中壓直流電力系統(tǒng)大容量開斷、快速限流的保護需求，浙江大學(xué)等單位的科研人員對中壓限流開斷技術(shù)的研究進展進行了梳理，重點調(diào)研了基于固態(tài)開關(guān)技術(shù)的SSCB和HDCCB的研究現(xiàn)狀，并對它們應(yīng)用于10kV/5kA系統(tǒng)中進行了工程和技術(shù)的可行性分析。

中壓限流斷路器的研制難點主要體現(xiàn)在其速動性及分斷過程中較高的電流電壓水平，對斷路器各部件性能及配合提出了很高的要求，研制目標是要盡可能縮短開斷時間，保證較高的開斷可靠性的同時降低斷路器的體積和成本。

圖2 四觸頭并聯(lián)高速機構(gòu)結(jié)構(gòu)和樣機

科研人員最后總結(jié)指出：

1）固態(tài)直流斷路器受限于功率器件的容量需要將電力開關(guān)串并聯(lián)使用，由此帶來了均流均壓、可靠性降低、成本較高等一系列問題。功率器件的通態(tài)損耗較高需要冷卻裝置保證其常態(tài)的熱平衡、導(dǎo)致斷路器整機的體積較大，是其應(yīng)用于空間狹窄的船艙中需要解決的主要問題。

SiC器件相較于Si器件具有一定的優(yōu)勢，但其在SSCB領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于新興發(fā)展階段，芯片電流等級無法滿足中壓大電流的開斷需求。隨著新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)的涌現(xiàn)，相信該問題將會迎刃而解。

2）HDCCB兼具固態(tài)開關(guān)分斷速度和機械開關(guān)低導(dǎo)通損耗的優(yōu)點，是目前保護領(lǐng)域研究的熱點之一，缺點主要有分斷的環(huán)節(jié)較多、控制復(fù)雜、成本較高等。

科研人員對現(xiàn)有的針對性的研究成果進行了梳理，盡管有眾多學(xué)者提出了許多新穎的拓撲結(jié)構(gòu)，但大多數(shù)還處于仿真及小比例樣機驗證階段。由于中壓船舶直流供電系統(tǒng)對開斷的快速性和可靠性有極高的要求，基于復(fù)雜的拓撲、多階段控制的斷路器反而可能不利于限流開斷。

3）基于已有研究成果，對單向分斷10kV/5kA新型強迫換流原理的HDCCB方案進行了設(shè)計，并對其工程應(yīng)用可行性進行了分析，為開展更深層次的大容量中壓快速直流開斷的研究打下了基礎(chǔ)，后續(xù)需要進一步攻克的關(guān)鍵部件主要有多觸頭并聯(lián)機構(gòu)、脈沖功率組件等，相關(guān)研究成果將在后續(xù)陸續(xù)報道。

以上研究成果發(fā)表在2021年《電工技術(shù)學(xué)報》增刊1，論文標題為“中壓船舶直流供電系統(tǒng)限流開斷技術(shù)”，作者為劉思奇、胡鵬飛 等。