國(guó)內(nèi)外混合式斷路器發(fā)展與研究現(xiàn)狀

謝芳

摘要：就目前來看，混合式斷路器繼承了傳統(tǒng)開關(guān)裝置的優(yōu)勢(shì)，使電力系統(tǒng)的平穩(wěn)可靠運(yùn)行得到了有力保障。本文就此，分析了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外混合式斷路器發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合混合式斷路器運(yùn)行原理以及結(jié)構(gòu)特征，對(duì)混合式斷路器進(jìn)行分類，以其充分發(fā)揮出混合式斷路器在推動(dòng)電力事業(yè)智能化、現(xiàn)代化發(fā)展過程中的積極作用。

關(guān)鍵詞：混合式斷路器;發(fā)展;研究現(xiàn)狀

前言：就目前來看，國(guó)內(nèi)電網(wǎng)呈現(xiàn)出智能化發(fā)展特征，電力系統(tǒng)開展容量與分布式電源技術(shù)得到了快速發(fā)展，傳統(tǒng)單一型斷路器難以滿足日漸提升的電力系統(tǒng)開斷容量要求，因此需相關(guān)部門加強(qiáng)對(duì)混合式斷路器的研究工作，分析國(guó)內(nèi)外混合式端路器發(fā)展趨勢(shì)，探索出混合式斷路器科學(xué)發(fā)展路徑。

1、混合式斷路器研究意義

在高壓電力系統(tǒng)研究領(lǐng)域，SF6斷路器最為常見，但由于該斷路器所排放的氣體屬于溫室氣體，不符合社會(huì)可持續(xù)發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)，因此在許多地區(qū)都禁止使用了SF6斷路器;在中低壓電力系統(tǒng)研究領(lǐng)域，真空斷路器所具備的良好絕緣性以及低碳環(huán)保性更為顯著，因此被經(jīng)常用于電力系統(tǒng)內(nèi)部。但在實(shí)際運(yùn)行期間，真空斷路器內(nèi)部真空間隙會(huì)出現(xiàn)飽和效應(yīng)，導(dǎo)致真空斷路器難以向高壓領(lǐng)域發(fā)展。

將真空斷路器與SF6斷路器結(jié)合在一起組成混合式斷路系統(tǒng)，能夠從根本上規(guī)避兩斷路器獨(dú)自運(yùn)行過程中的各類缺陷，滿足超高壓大容量開斷要求，控制溫室氣體排放量。由此可見，研究混合式斷路器發(fā)展，對(duì)提升電力系統(tǒng)運(yùn)行效率，保護(hù)周圍生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

2、混合式斷路器發(fā)展現(xiàn)狀

2.1混合式斷路器發(fā)展歷程

將具有不同絕緣介質(zhì)的高壓開關(guān)串聯(lián)成混合斷路器的理念最早提出于20世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)主要是將真空滅弧室與空氣斷路器串聯(lián)成斷路器結(jié)構(gòu)。隨后幾十年的發(fā)展歷程，研究人員又將真空斷路器與油斷路器串聯(lián)在一起，組合成混合式斷路器，借助絕緣油，切實(shí)提升了斷路器整體絕緣性能與外絕緣強(qiáng)度。20世紀(jì)70年代，美國(guó)西屋和通用公司用單個(gè)真空滅弧室與SF6滅弧室串聯(lián)成混合斷路器，借助SF6滅弧室兩端并聯(lián)低電阻等特性，使SF6滅火式動(dòng)態(tài)分布電壓與動(dòng)態(tài)絕緣性能得到了大幅度提升。以此為開端，國(guó)外展開了多次混合式斷路器研發(fā)工作，通過細(xì)致分析不同階段與不同領(lǐng)域的用電要求，對(duì)具有優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)關(guān)系的斷路器進(jìn)行串聯(lián)配置，切實(shí)加快了混合斷路器發(fā)展速度。

20世紀(jì)80年代，混合式斷路器研究工作開始在世界范圍內(nèi)普及，受到了當(dāng)時(shí)研究人員的高度關(guān)注。部分研究學(xué)者提出將多個(gè)壓氣式斷路器與多個(gè)SF6斷路器串聯(lián)組合成混合斷路器的方式，通過充分發(fā)揮出壓氣式斷路裝置弧壓高的特征，確保SF6斷路器能夠在直流分量開斷期間獲得更高效益。

隨著永磁操動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷完善，將該技術(shù)應(yīng)用在真空斷路器中，切實(shí)提升了真空斷路器運(yùn)行期間的質(zhì)量水平，使真空斷路器在中低壓電力系統(tǒng)研究領(lǐng)域中的地位得到了進(jìn)一步鞏固與夯實(shí)?，F(xiàn)階段混合式斷路器研究方向主要就是將真空斷路器與SF6斷路器串聯(lián)在一起，通過合理布置操動(dòng)方案，確保真空斷路器與SF6斷路器投入運(yùn)行中的積極作用能夠被充分發(fā)揮出來。

2.2混合式斷路器運(yùn)行原理

將真空斷路器與SF6斷路器串聯(lián)在一起，確保真空介質(zhì)恢復(fù)速度快、SF6絕緣強(qiáng)度高等優(yōu)勢(shì)能夠被充分發(fā)揮出來。在斷開大電流的情況下，狀態(tài)恢復(fù)電壓初始階段，能夠在SF6介質(zhì)的幫助下快速恢復(fù)。在該混合式斷路器運(yùn)行后期，SF6介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)到一定范圍內(nèi)，使電壓快速恢復(fù)。由此可見，真空斷路器與SF6斷路器串聯(lián)而成的混合式斷路器不僅具有較強(qiáng)的絕緣強(qiáng)度，且溫室氣體排放量不斷降低。

3、混合式斷路器研究工作

現(xiàn)階段關(guān)于混合式斷路器研究工作，主要圍繞開斷機(jī)理與絕緣動(dòng)態(tài)、樣機(jī)結(jié)構(gòu)、調(diào)控策略等幾方面開展。

在混合式斷路器動(dòng)態(tài)開斷期間，弧后暫態(tài)恢復(fù)到電壓初始狀態(tài)，電壓上升率提高，因此真空斷路裝置能夠在此情況下發(fā)揮出狀態(tài)恢復(fù)電壓的功能。在初始動(dòng)態(tài)恢復(fù)電壓后期，SF6斷路器更加適宜恢復(fù)電壓。電壓初始狀態(tài)分布的特征主要是真空斷路器與SF6斷路器的弧后電導(dǎo)、弧后電流共同決定。在狀態(tài)恢復(fù)電壓后，電壓的分布需通過并聯(lián)分壓電容以及非線性電阻手段控制，因此需利用SF6斷路器實(shí)現(xiàn)該功能。

在混合式斷路器試驗(yàn)研究過程中，可借助有限的分析軟件，對(duì)混合式電路器實(shí)際運(yùn)行期間的電場(chǎng)分布特征以及等效電容等參數(shù)進(jìn)行定量計(jì)算，借助計(jì)算結(jié)果，對(duì)混合式斷路器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供重要理論依據(jù)。在研究真空斷路器電弧與SF6斷路器電弧相互作用的機(jī)理時(shí)，采用電磁狀態(tài)分析軟件，建立起不同斷路器動(dòng)態(tài)介質(zhì)恢復(fù)階段模型，找尋出能夠充分發(fā)揮出混合式斷路器應(yīng)用效益的發(fā)展路徑，為更高壓等級(jí)混合斷路器的研究與實(shí)施提供重要參考依據(jù)。

4、電力電子混合式斷路器的研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)90年代，電力電子混合式斷路器理念被首次提出與電力能源會(huì)議之上，通過設(shè)計(jì)出混合式限流開關(guān)，控制電力系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行期間的能源消耗量，更好解決能源緊張問題，

就國(guó)內(nèi)研究成果分析，電力電子混合式斷路器可能用于交流電源，切換開關(guān)處。在高壓混合短路中，由于串聯(lián)電力電子開關(guān)抗阻力較大，難以實(shí)現(xiàn)真空電弧電流轉(zhuǎn)移目標(biāo)，因此需借助輔助開關(guān)，使電流由真空開關(guān)直流向電力電子開斷單元轉(zhuǎn)移，從根本上提升電流傳輸穩(wěn)定性。

在該混合式斷路器中，主要就是將超導(dǎo)故障電流限流器與傳統(tǒng)混合斷路器串聯(lián)在一起，主要用于限制主電路電流，保障高壓直流輸電期間的安全性。但就目前來看，該混合式斷路器成本高，尚未在高壓直流輸電領(lǐng)域得到廣泛普及。

從結(jié)構(gòu)角度分析，電力電子混合式斷路器分為兩種形式：第一，混合式斷路器內(nèi)增設(shè)了相應(yīng)的輔助開關(guān)，被較多應(yīng)用在中高壓電力輸送領(lǐng)域中[5]。在高壓系統(tǒng)內(nèi)，電力電子設(shè)施數(shù)量多，僅利用真空開關(guān)電弧難以滿足自然換流要求;第二，自然換流式混合斷路裝置，主要被應(yīng)用在中低壓電力傳輸，利用電弧電壓可直接完成電流轉(zhuǎn)移到電力電子支路上的工作，不需要增設(shè)輔助開關(guān)。

當(dāng)前關(guān)于電力電子混合式斷路器的研究工作主要為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)等方面，借助開發(fā)出的高壓混合式直流斷路器，有效控制開斷流量以及開斷時(shí)間，確?；旌鲜綌嗦菲髂軌虮桓玫膽?yīng)用在高壓直流輸電環(huán)節(jié)。為切實(shí)提升混合式斷路器開斷速度，還需加強(qiáng)機(jī)械開關(guān)分閘速度的研究工作，確保電流由機(jī)械開關(guān)向電力電子開關(guān)轉(zhuǎn)移平穩(wěn)。收集機(jī)械開關(guān)參數(shù)與轉(zhuǎn)移支路參數(shù)，使混合式斷路器能夠在電流開斷中發(fā)揮出重要作用。

總結(jié)：總而言之，本文概述了混合式斷路器發(fā)展現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)混合式斷路器在開斷介質(zhì)恢復(fù)、斷弧協(xié)同作用特征機(jī)能等研究工作方面投入力度較小，混合斷路器在不同影響因素下的開關(guān)容量增益特征與實(shí)際運(yùn)行情況存在一定差距。因此為確?；旌鲜綌嗦菲髂軌蛟陔娏ο到y(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中發(fā)揮出應(yīng)有積極作用，相關(guān)部門需加大研究混合式斷路器機(jī)械開關(guān)電弧熄滅機(jī)理與其影響因素，提出混合斷路器快速操縱機(jī)構(gòu)與短路故障解決方式，致力于延長(zhǎng)混合式斷路器使用壽命，推動(dòng)電力行業(yè)智能化現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程。

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