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直流供電系統(tǒng)因具有系統(tǒng)穩(wěn)定性好、負載特性佳以及控制簡單等顯著特點，在航空、航天、城市軌道牽引、艦船電力系統(tǒng)及新能源等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，而中低壓直流供電系統(tǒng)向更高電壓等級進一步發(fā)展亟需直流分斷關(guān)鍵技術(shù)的突破和耐環(huán)境、輕重量直流開關(guān)設(shè)備的研發(fā)。

近年來，在航空領(lǐng)域，額定電壓值為270V的高壓直流供電系統(tǒng)已開始為現(xiàn)代多電/全電飛機所使用。其中，我國第四代殲擊機，美軍的F-22、F-35戰(zhàn)斗機及RAH-66直升機等典型多電飛機都裝備了270V高壓直流供電系統(tǒng)。同時，我國中長期科技規(guī)劃三個重大專項之一的“大飛機”專項不僅包括“干線飛機”，還包括軍用和民用的大型運輸機，也將高壓直流供電制式列為發(fā)展方向。

相似地，在航天領(lǐng)域，空間太陽能發(fā)電站是目前國際上論證的最大功率的航天器，未來商業(yè)化電站的供電功率將達到GW級，采取高壓供電體制成為未來空間技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。在城市軌道牽引、新能源汽車領(lǐng)域及新一代艦艇配電系統(tǒng)，直流系統(tǒng)的電壓等級有發(fā)展到數(shù)千伏及以上需求的趨勢，kV等級的中壓直流供電系統(tǒng)成為發(fā)展方向?？梢灶A(yù)見，高壓大容量直流電源系統(tǒng)必將全面應(yīng)用于未來的軍用和民用等前沿領(lǐng)域。

對于直流高電壓等級的保護問題，有學者提出了一種分布+集中式混合電力傳輸與管理方式的空間太陽能發(fā)電站結(jié)構(gòu)，利用±2.5kV高壓直流開關(guān)設(shè)備可以解決太陽能電池板子陣母線5000V直流保護的難題。其中，大功率直流接觸器作為關(guān)鍵器件，起到了接通、承載和分斷正常電路（包括過載運行條件）的作用，其分斷特性是制約其所在系統(tǒng)性能的重要因素。

目前，美國Gigavac、TE Connectivity和法國Leach等專業(yè)電氣制造公司均已推出適用于航空航天及軍事領(lǐng)域的大功率高壓直流接觸器產(chǎn)品，其最高額定工作電壓達到了1800V，而國產(chǎn)化的相應(yīng)產(chǎn)品由于理論基礎(chǔ)及技術(shù)積淀不足，在產(chǎn)品性能和可靠性指標上仍然具有一定的差距。

通過有關(guān)文獻研究，可以分析出通過多個開關(guān)設(shè)備的級聯(lián)能夠解決高電壓等級的直流開斷問題，但較高的額定通態(tài)損耗將一定程度限制電流等級的提升。另外，為了實現(xiàn)雙向?qū)P(guān)斷功能，傳統(tǒng)的混合式直流開關(guān)設(shè)備對功率半導體器件數(shù)量需求較多，且同步控制精度要求也較高。

因此，北京航空航天大學的研究人員在解決高壓大電流直流開斷需求的前提下，提出了一種直流自然換流式接觸器拓撲結(jié)構(gòu)并設(shè)計了原理性樣機，使得承載額定電流時機械觸頭能夠維持較低的通態(tài)壓降。當分斷電路時，異步動作的觸頭實現(xiàn)電流的自然轉(zhuǎn)移，由具有高電壓開斷能力的滅弧觸頭完成電路的開斷。研究人員通過理論分析和相應(yīng)的實驗來研究該并聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)不同支路間電流的換流特性及燃弧特性。

圖1 接觸器樣機及其內(nèi)部電流分布

圖2 實驗原理

他們得到以下幾點結(jié)論：

1）該并聯(lián)自然換流式直流開斷拓撲結(jié)構(gòu)，實驗結(jié)果表明，通過通流支路和滅弧支路觸頭的異步動作，實現(xiàn)電流自然轉(zhuǎn)移，滅弧支路串聯(lián)多斷口完成了直流高電壓等級的電路開斷。

2）基于動態(tài)Mayr電弧修正模型建立滅弧支路串聯(lián)多斷口開斷過程的仿真模型，研究由串聯(lián)多斷口異步分斷引起的電壓分布不均勻。提出兩種提高各斷口電壓均勻性的調(diào)控方式，并采用一種歸一化的動態(tài)電壓均勻系數(shù)研究結(jié)構(gòu)調(diào)控及磁場調(diào)控對于動態(tài)均壓的效果。

3）采用優(yōu)化滅弧觸頭動作特性的結(jié)構(gòu)調(diào)控均壓開斷方式，電壓均勻系數(shù)將從54.1%提升到80.1%。在結(jié)構(gòu)調(diào)控的基礎(chǔ)上，針對滅弧觸頭動作的分散性進一步采取磁場調(diào)控方式將電壓均勻系數(shù)提升到98.05%，提高了串聯(lián)多斷口的開斷能力及電壽命。

本文編自2021年第20期《電工技術(shù)學報》，論文標題為“直流自然換流式接觸器設(shè)計與均壓開斷研究”，作者為賈博文、武建文 等。