多電飛機斷路器電弧機理及滅弧技術研究綜述

蔣 原，李 擎?，苗 磊，呂 萌，武建文，陳明軒

1) 北京科技大學自動化學院，北京 100083 2) 北京科技大學工業(yè)過程知識自動化教育部重點實驗室，北京 100083 3) 北京科技大學順德研究生院，佛山 528399 4) 北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院，北京 100191 5) 三峽科技有限責任公司，北京 100031

面向未來，飛機的次級功率將從傳統(tǒng)的多能源體制（機械能、液壓能、氣壓能等）統(tǒng)一為電能體制，即多電飛機.多電飛機具有系統(tǒng)結(jié)構簡單、可靠性高、可維護性高和能源利用率高等優(yōu)點，廣泛采用電力作動（Motor drives）、起動/發(fā)電（Start/Generator，S/G）一體化、電除冰（Electric de-ice）和電防冰（Electric anti-ice）等技術.

電能的廣泛應用對于提高飛行系統(tǒng)的可靠性、容錯能力、功率密度和飛行性能具有重要的意義.與此同時飛機的用電功率也大幅提高，傳統(tǒng)的400 Hz 恒頻交流電源和28 V 低壓直流電源已無法滿足用電需求.由此發(fā)展了容量和功率密度更高的航空360～800 Hz 變頻交流電源和270 V直流電源，但也帶來了電氣故障頻發(fā)、故障電弧不易熄滅等新的問題.電弧會使斷路器切斷故障電路的時間延長，不僅造成用電設備過熱受損、存在火災的隱患，還將對外輻射電磁干擾、影響導航裝置等機載設備工作，因此滅弧技術尤為關鍵.本文對多電飛機電力系統(tǒng)斷路器電弧機理與滅弧技術的研究現(xiàn)狀進行歸納和梳理.

1 多電飛機電力系統(tǒng)

1.1 多電飛機電力系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

美國空軍自20 世紀90 年代初就提出在飛機上實現(xiàn)兆瓦級發(fā)電功率的目標，并為此先后實施了“多電飛機”和“高功率飛機”等多項研發(fā)計劃；近年來國內(nèi)也在積極推進多電飛機的研發(fā)工作，近年完成首飛的大型飛機“三劍客”—運-20、AG600 和C919 均不同程度地采用了多電技術[1-4].典型的多電飛機電力系統(tǒng)結(jié)構如圖1 所示.

圖1 多電飛機的電力系統(tǒng)結(jié)構Fig.1 Electrical power system of a more-electric aircraft

對于民用或大型運輸多電飛機，目前最先進的供電方案是發(fā)動機直接驅(qū)動變頻發(fā)電機，產(chǎn)生頻率在中頻360～800 Hz 內(nèi)變化的交流電能.變頻交流電源系統(tǒng)由交流發(fā)電機單元和控制器單元構成，交流發(fā)電機直接由發(fā)動機附件傳動機匣驅(qū)動，不需要恒速傳動機械裝置和恒頻電力電子變換裝置.其系統(tǒng)具有結(jié)構簡單、重量輕、體積小、功率密度高、可靠性高、壽命周期費用低、維修性良好、能量轉(zhuǎn)換效率高等特點.諸多優(yōu)點使得變頻電力系統(tǒng)已經(jīng)在空客A380 和波音B787 等國際上最先進的民用飛機中得到應用.例如空客A320ME、A380 和波音B787 飛機的主發(fā)電機都使用了變頻變速的三相四線制交流供電系統(tǒng)，主發(fā)動機（Main engine，ME）、輔助動力系統(tǒng)（Aux power unit，APU）以及應急渦輪發(fā)電機（Ram air turbine，RAT）等的功率如表1 所示[5].在國內(nèi)，重大項目“大飛機專項”也采用了變頻電源技術：我國自主研發(fā)的重型軍用運輸飛機運-20 采用了變頻發(fā)電系統(tǒng)；中國商用飛機有限責任公司主持研究的大型飛機C919，其大容量變頻發(fā)電系統(tǒng)采用了相電壓115 V/360～800 Hz 的方案.

表1 典型民用多電飛機的變頻電力系統(tǒng)Table 1 Variable frequency power supply system of a typical civil more-electric aircraft

當前軍用多電飛機中最先進的供電方案是270 V 直流系統(tǒng)，一般由開關磁阻發(fā)電機或者同步電動機加整流器產(chǎn)生270 V 直流電源.例如美軍F-14A 戰(zhàn)斗機、S-3A 和P-3C 反潛機局部采用了270 V 直流供電技術，F(xiàn)-22、F-35 戰(zhàn)斗機以及RAH-66偵察/攻擊直升機則整體裝備了270 V 直流供電系統(tǒng)，具體參數(shù)如表2 所示[1].此外，我國第四代殲擊機也采用了直流電源系統(tǒng).在民用飛機上，波音公司的B787 飛機的主電源雖然采用變頻交流發(fā)電機，但通過自耦變壓整流器構成了4×150 kW 的大功率±270 V 直流供電網(wǎng)絡，為電機控制器等電力電子裝置供電.

表2 典型軍用多電飛機的直流電力系統(tǒng)Table 2 270 V DC power supply system of a typical military moreelectric aircraft

1.2 多電飛機中的電氣故障及保護難點

多電飛機的電力系統(tǒng)一般包含發(fā)電、配電和用電三個環(huán)節(jié).以圖2 所示B787 飛機的電力系統(tǒng)為例，其發(fā)電環(huán)節(jié)包括4 臺變頻起動發(fā)電機（Variable frequency starter generator，VFSG）、2 臺輔助起動/發(fā)電機（Auxiliary starter generator，ASG）和1 臺沖壓空氣渦輪發(fā)電機（Ram air turbine，RAT）作為應急發(fā)電機；配電環(huán)節(jié)由自耦變壓器（Auto-transformer unit，ATU）、變壓整流器（Transformer rectifier unit，TRU）、自耦變壓整流器（Auto-transformer rectifier unit，ATRU）分別形成變頻交流（Alternative current，AC）115 V、直流（Direct current，DC）270 V 和DC 28 V 網(wǎng)絡，各網(wǎng)絡分別連接對應的匯流條；用電環(huán)節(jié)即負載，包括AC 和DC 負載，從相應的匯流條取電[6]，匯流條上配有起控制作用的接觸器（Contactor，C）.隨著用電需求的增加，飛機的配電、用電網(wǎng)絡以及線纜布局也將變得更加復雜，電氣故障可能出現(xiàn)在網(wǎng)絡的任何地方，如圖2 中紅色箭頭所示.特別是發(fā)生接地或短路故障時，短路電流及開斷過程產(chǎn)生的電弧對線纜、用電設備都將產(chǎn)生嚴重的危害[7-8].因此在發(fā)電、配電和用電環(huán)節(jié)中必須配備起到保護作用的斷路器（Breaker，B）.

圖2 B787 飛機的電氣結(jié)構Fig.2 Electrical power structure of the B787

斷路器是指能夠自動或者人工重復關合、承載和開斷正常電流、故障電流和故障電弧的大功率電器，具有控制和保護的雙重作用[9].由于航空供電系統(tǒng)運行環(huán)境惡劣，斷路器開斷故障電流時更容易產(chǎn)生電弧，原因如下：供電傳輸線路有分布電感，加上電力作動器等感性負載，開斷時會產(chǎn)生很高的過電壓；機內(nèi)空間有限，要求其斷路器開距小，安全電壓閾值降低[10-13]；戰(zhàn)斗機飛行高度達到20 km 時，空氣壓力僅為標準大氣壓的5.5%左右，戶外潮濕且溫差大，斷路器的絕緣能力下降.由故障電流產(chǎn)生的電弧會使斷路器觸頭產(chǎn)生熔化的金屬橋、加劇觸頭的電磨損、破壞滅弧裝置的絕緣性能，如圖3 所示，這不僅嚴重影響斷路器的使用壽命和可靠性，還給機載設備用電帶來安全隱患[14-17].

圖3 電弧的危害.(a) 電弧帶來火災隱患;(b) 電弧燒蝕斷路器觸頭表面Fig.3 Arc hazard: (a) fire hazards by arc;(b) ablated contact surface of circuit breaker by arc

由此可見航空斷路器的滅弧技術對于保證多電飛機安全飛行和可靠用電具有極其重要的意義，但同時也存在較大的技術難度.具體而言，對于航空變頻電力系統(tǒng)中的斷路器，中頻360～800 Hz頻率比工頻50 Hz 增加7～16 倍，使得電流過零時的變化率di/dt增加，導致電弧燃燒更穩(wěn)定，滅弧過程將更加困難[18].而對于270 V 直流系統(tǒng)中的斷路器，滅弧技術難點集中表現(xiàn)在兩個方面：一是直流系統(tǒng)沒有電流自然過零點，交流斷路器的滅弧原理和技術將不再適用；二是大量電力作動器等感性負載中儲存著巨大的能量，故障電流被切斷后將產(chǎn)生極高的過電壓發(fā)生弧后擊穿放電，在空間有限的條件下顯著地增大了絕緣設計難度[19].

2 多電飛機斷路器的電弧機理與滅弧技術

多電飛機斷路器的核心部件是滅弧室.通過分析斷路器中電弧放電過程的復雜機理，以此優(yōu)化滅弧性能，既是提升多電飛機斷路器滅弧能力的關鍵，也是當下電器學領域的前沿研究方向之一.

2.1 變頻交流斷路器的電弧機理與滅弧技術

針對航空變頻交流電力系統(tǒng)的電流故障保護，國內(nèi)尚無專用的斷路器，仍沿用空氣斷路器滅弧.其工作原理是使電弧在氣流場和磁場的驅(qū)動作用下從觸頭區(qū)域進入滅弧區(qū)域，電弧被充分拉長并被柵片切割，利用近極壓降效應和冷卻作用熄弧[20-21].由于航空工作環(huán)境對部件的體積和重量有嚴格要求，“拉長”電弧式電器的滅弧能力將極大地受限于滅弧裝置的尺寸，未來必將被取代.波音公司在B787 飛機中已經(jīng)使用了新型的變頻交流斷路器，具體滅弧技術方案尚未對國內(nèi)公開.

借鑒地面民用電力系統(tǒng)斷路器的使用經(jīng)驗，相比空氣、SF6、油等常見滅弧介質(zhì)，真空斷路器更符合航空變頻360～800 Hz 電力系統(tǒng)的滅弧需求，體現(xiàn)在：（1）擴散型真空電弧能量低、電流過零時載流子消散速度快、弧后介質(zhì)強度的恢復速度為kV·μs-1級，適合電流頻率提高的工況；（2）耐壓強度高，滅弧能力強，可靠性高，在35 kV 以下電壓等級的配電開關中所占份額多達90%；（3）體積和重量比同等開斷容量的空氣開關少30%以上；（4）接觸電阻為μΩ 級，功耗小于同電流等級下的固態(tài)功率控制器[22-23].

關于真空斷路器開斷故障電流產(chǎn)生中頻360～800 Hz 電弧的原因，目前認為是由觸頭蒸發(fā)出的金屬蒸氣形成放電通道導致的，這一過程宏觀上和工頻50 Hz 電弧是類似的[24-25].但在微觀的電弧機理方面，由于頻率提高至360～800 Hz 引起燃弧半波和介質(zhì)恢復時間縮短，在等離子體滿足完全電離、準中性、局部熱力學平衡、磁流體等效等基本假設條件下[26-27]，真空電弧的形態(tài)演變過程、弧后金屬蒸氣的來源以及等離子體的擴散方式均發(fā)生改變[28-32]，使得工頻時的電弧形態(tài)劃分、陽極斑點、陽極燒蝕、弧后重擊穿等經(jīng)典理論不再完全適用[33-37]，因此眾多學者對中頻真空電弧展開了專門研究.

在中頻真空電弧燃弧特性的研究方面，文獻[38]分析了縱向磁場中的中頻真空電弧形態(tài)，認為雖然陽極表面熔化，但產(chǎn)生陽極斑點的可能性很小，且電流頻率越高可能性越小.文獻[39]認為當電流頻率提高至中頻后，過渡態(tài)電弧隨著頻率的增加而出現(xiàn)更為集聚的外觀，由于電弧的演變及運動速度加快，接觸式探針法難以獲得有效的等離子體微觀參數(shù)，而利用非接觸式光譜法獲得電流峰值時刻的電子溫度為0.5～3 eV，電子密度為1020～5.3×1021m-3.由此可以解釋中頻真空電弧的燃弧特性，相比于工頻，電流頻率的提高使得過渡態(tài)弧柱內(nèi)部的電子溫度更低、電子密度更高，電流密度也因此提高，弧隙內(nèi)部和陽極瞬時輸入功率提高，說明半波輸入功率隨著頻率的增加而增大，也證明了過渡態(tài)電弧是中頻燃弧期間陽極燒蝕的重要來源.本項目組在航空中頻真空電弧燃弧機理深耕多年，發(fā)現(xiàn)在實驗中小開距中頻真空電弧大多處于擴散態(tài)，并未出現(xiàn)明顯的集聚態(tài)，觸頭表面也未發(fā)生嚴重的大面積熔化；中頻時縱磁觸頭內(nèi)電弧擴散均勻，平板觸頭內(nèi)電弧活動劇烈，根據(jù)Bennet 箍縮理論推斷壓力梯度是影響真空電弧形態(tài)和形成等離子體射流的主要原因，并仿真證明了電流過零時，觸頭中心區(qū)域磁場滯后更明顯，如圖4 所示，阻礙中頻真空電弧擴散和熄滅[40].

圖4 中頻真空電弧的磁場仿真計算.(a) 中頻真空電弧區(qū)域的磁場分布;(b) 開距中間平面的磁場分布Fig.4 Magnetic field simulation of an intermediate-frequency vacuum arc: (a) magnetic field distribution in the intermediate-frequency vacuum arc region;(b) magnetic field distribution in the middle plane

在關于中頻真空電弧弧后過程研究方面，文獻[41]建立了考慮燃弧過程因素的連續(xù)過渡模型，發(fā)現(xiàn)隨著頻率增加，當慢速離子占主導時，鞘層生長較慢，不利于電弧熄滅.文獻[42]發(fā)現(xiàn)在燃弧電流峰值為23 kA、電流變化率為300 A·μs-1條件下，真空斷路器無法在電流零點可靠熄弧，且真空間隙的弧后介質(zhì)恢復過程存在一定的隨機性和分散性.本項目組的研究表明電流頻率為500 Hz時，隨著電流值增加，縱向磁場可使陰極斑點加速向外擴散，開斷時間縮短；隨著頻率增加，中頻真空開關的開斷能力下降，開斷失敗后觸頭表面的燒蝕、金屬液滴噴射和電場集中等現(xiàn)象，與中頻真空電弧的擊穿點大概率出現(xiàn)在觸頭邊緣處聯(lián)系緊密[43-44].

上述研究工作主要關注了頻率提高后真空電弧的形態(tài)變化、熄滅條件、磁場調(diào)控及觸頭燒蝕等現(xiàn)象，對介質(zhì)恢復及弧后擊穿的機理研究較少.為進一步深入研究中頻真空電弧的弧后過程，本項目組建立了考慮Stefan 流的金屬液滴蒸發(fā)相界面模型[45].研究發(fā)現(xiàn)中頻真空電弧發(fā)生弧后擊穿時，伴隨有大量金屬液滴從弧隙向外噴濺，如圖5 所示，圖中t代表拍攝電弧圖像的時間，i代表對應的電弧電流），弧隙內(nèi)部壓力梯度約為7.9×104Pa·mm-1；金屬液滴的壽命為1.6～2.8 ms，影響壽命的因素有液滴半徑、噴射速度和滅弧室尺寸；金屬蒸氣的分布以液滴為中心向外遞減，蒸氣密度可達到2.2×1019m-3.上述關于金屬液滴蒸發(fā)情況的量化描述，為探明中頻條件下觸頭如何產(chǎn)生金屬液滴、金屬液滴噴濺如何受電弧放電影響以及金屬液滴噴濺如何影響中頻真空斷路器電弧熄滅能力等問題的機理提供了重要依據(jù).

圖5 中頻弧后擊穿過程中的金屬液滴噴射現(xiàn)象Fig.5 Metal droplet jetting during post-arc breakdown at intermediate frequency

綜上可以得到中頻真空電弧滅弧過程受以下因素影響：一是當頻率增加時，相對小的電流值就會達到較大的電流變化率，如果認為di/dt也有閾值，那么頻率增加將使電流開斷變得更為困難，同樣電流條件下電弧熄滅困難，滅弧能力將隨頻率增加而下降；二是隨著頻率增加，集膚效應加強，引起電弧中心壓力增加、電弧更收縮和磁場大幅度滯后[40]，增強了電弧的穩(wěn)定性和能量密度，不利于電弧熄滅；三是由液滴蒸發(fā)的金屬蒸氣密度降低了中頻弧后介質(zhì)恢復強度，不利于滅弧.

2.2 航空270V直流斷路器的電弧機理與滅弧技術

直流斷路器中的電弧可看作特殊條件下的交流電弧，由于直流系統(tǒng)沒有電流自然過零點，無法利用能量最低原理使電弧熄滅，需要額外的滅弧措施，因此在航空斷路器體積有限的條件下增加了滅弧難度.

美國軍方針對多電飛機270 V 直流斷路器電弧機理與滅弧技術的研究起步較早，Avionics Magazine 在題目為《270 V 直流斷路器/接觸器解決方案與成本性能問題》的技術報告中，首次介紹了美國LEACH 公司和GIGAVAC 公司聯(lián)合開發(fā)的可成功開斷10 倍過流的270 V 直流斷路器/接觸器，該斷路器/接觸器可用于航空航天領域，但使用何種滅弧方案未曾公開[19].

國內(nèi)關于直流270 V 斷路器電弧機理與滅弧技術的研究源于航天28 V 繼電器滅弧技術的基礎，常用的滅弧介質(zhì)包括空氣、氮氣、氦氣、氫氣等氣體.空氣滅弧需要借助磁吹、柵片等滅弧結(jié)構，本質(zhì)是拉長電弧，利用近極壓降效應和冷卻作用熄弧，特殊工況下體積受限；氮氣是空氣的主要成分，穩(wěn)定性強，在滅弧室中產(chǎn)生充入氮氣提高壓力，利用吹弧原理滅??；氦氣是一種惰性氣體，化學性質(zhì)不活潑，利用其穩(wěn)定性強特點來滅弧，但一旦受激發(fā)可釋放He2+、HeH 等離子及分子，形成放電通道；氫氣與氮氣、氦氣氣體相比，分子質(zhì)量輕、運動速度快，并且氫氣的導熱系數(shù)約為空氣導熱系數(shù)的6.69 倍，作為滅弧介質(zhì)，會有助于弧道的冷卻，氫氣的電弧電位梯度值約為空氣的5 倍，當電流過零值瞬間，利于熄滅電弧[46].文獻[47]建立了航天用繼電器的電弧微觀模型，對局部熱力學平衡態(tài)和熱力學平衡態(tài)條件下氮氣混雜銅蒸氣、氧氣等雜質(zhì)時的電弧輸運參數(shù)進行了計算，結(jié)合電弧光譜分析，總結(jié)了航天密閉繼電器電弧的燃弧規(guī)律，填補了國內(nèi)這一研究領域的空白.更進一步，文獻[48]和[49]建立了航天繼電器銀觸頭在氮氣、氫氣、氦氣中形成電弧和熄滅電弧過程的磁流體動力學（Magneto hydrodynamic，MHD）模型，結(jié)合實驗研究了抑制航天繼電器電弧的措施，研究表明對于航天28 V 直流系統(tǒng)，氫氣或者氫氣-氮氣混合氣體是較為理想的滅弧介質(zhì)，配合永磁體吹弧，可以顯著提高繼電器的滅弧性能及觸頭使用壽命.

在上述航天繼電器氣體介質(zhì)滅弧研究的基礎上，本項目組在密閉滅弧室內(nèi)對空氣、氫氣、氮氣、氫氣-氮氣混合氣體斷路器樣機進行了直流270 V 電弧實驗研究，結(jié)果表明：當實驗條件為270 V/53 A 時，氫氣的燃弧時間僅為400 μs，空氣的燃弧時間達到1.6 ms，氫氣電弧的能量低于空氣電弧，利于滅?。粴錃?氮氣混合氣體的最大開斷電流可達到1800 A，其熄滅電弧的能力遠大于純氮氣[50-52].除對滅弧氣體進行研究外，也有文獻對觸點結(jié)構、磁場吹弧、柵片等滅弧措施展開研究.文獻[53]研究了在直流270 V 橋式觸點斷路器中的電弧射流，通過仿真計算等離子體溫度分布和電流密度分布，認為體積力和接觸面的共同作用是產(chǎn)生電弧射流的主要原因，為優(yōu)化直流270 V 氣體斷路器結(jié)構提供了依據(jù).文獻[54]實驗研究發(fā)現(xiàn)外加橫向50 mT 磁場、觸點分斷速度大于0.2 m·s-1時，270 V 直流斷路器滅弧效果較好.文獻[55]通過實驗獲得了較為理想的滅弧參數(shù)包括50 mT 的橫向磁感應強度、0.5 m·s-1的觸點分斷初速度、14 片銅滅弧柵片以及3 mm 的開距.為進一步提升航空270 V 直流條件下的滅弧性能，本項目組提出了一種耗散功率變化的Mayr 電弧修正模型，能夠準確描述觸頭打開時電弧電壓及運動速度的動態(tài)變化過程，為滅弧柵片和磁吹系統(tǒng)的優(yōu)化設計提供了參考依據(jù)[56].

除采用氣體介質(zhì)滅弧，近年也有學者將民用配電技術領域的直流滅弧技術應用于航空270 V直流斷路器.根據(jù)關鍵開斷器件的不同，目前普遍應用的直流斷路器分為三種：基于機械開關的強迫分斷式直流斷路器、全固態(tài)式直流斷路器、機械開關與固態(tài)開關結(jié)合的混合式直流斷路器[57].

強迫換流式斷路器主要依靠機械開關實現(xiàn)電路的開斷，利用諧振電流人工過零，形成瞬時電流過零點使電弧自然熄滅[58].針對航空270 V 直流滅弧，文獻[59]和[60]利用短間隙真空滅弧室進行高頻開斷實驗，研究發(fā)現(xiàn)強迫開斷時縱向磁場利于降低電弧能量.在與航空直流斷路器類似的船舶直流斷路器研究中，文獻[61]發(fā)現(xiàn)電流過零時刻的di/dt對電弧熄滅特性有顯著影響，di/dt過高，電弧在電流過零后難以熄滅.但強迫分斷式直流斷路器結(jié)構復雜、體積大，應用于航空環(huán)境有較大難度.

全固態(tài)斷路器僅含有電力電子開關元件，可以實現(xiàn)快速開斷，是近年來成為直流配電斷路器的重要研究方向[62].文獻[63]設計了分斷故障電流為50 A 的270 V 直流固態(tài)功率控制器樣機，實驗測試平均故障間隔時間為28762 h，但分斷50 A故障電流在實際航空270 V 直流電力系統(tǒng)中應用價值不大.目前通流能力弱、通態(tài)損耗大是制約全固態(tài)直流斷路器推廣的關鍵瓶頸.

自然換流混合式斷路器包括機械開關和電力電子開關兩種元件，綜合了以上二者的優(yōu)點：開關通態(tài)損耗小、開斷速度快、可靠性高、使用壽命長.文獻[64]研究了一種適用于270 V 直流電力系統(tǒng)的混合斷路器，仿真研究了換流時的能量緩沖和吸收過程，實驗驗證了絕緣柵雙極型晶體管（Insulated gate bipolar transistor，IGBT）過載耐受力是決定混合斷路器滅弧成功的關鍵因素.本項目組提出的一種自然換流混合式斷路器，其結(jié)構如圖6（a）所示，機械開關S 使用真空開關，固態(tài)開關支路中使用IGBT 器件T1作為換流元件；利用四個二極管D1～D4組成全橋整流電路，實現(xiàn)雙極性導通功能；由電阻R0和電容C0組成的緩沖支路配合壓敏電阻RV響應動作時間，可以有效減緩du/dt.仿真滅弧過程如圖6（b）所示，其中uCB為斷路器觸點間電壓，iCB為斷路器流過的總電流，故障電流從零時刻開始逐漸上升至1000 A，直流斷路器在15 ms 附近開始切斷電弧，當iCB過零時，故障形成的電弧熄滅，uCB穩(wěn)定至270 V.

圖6 一種自然換流混合式斷路器.(a) 斷路器結(jié)構;(b) 滅弧過程的仿真Fig.6 Hybrid circuit breaker with natural commutation: (a) structure of the circuit breaker;(b) simulation of the arc-extinguishing process

3 結(jié)論與展望

多電飛機電力系統(tǒng)故障電流產(chǎn)生的電弧不僅嚴重影響線纜和用電設備的壽命和可靠性，還給安全飛行帶來巨大隱患.目前針對變頻交流電力系統(tǒng)，真空斷路器產(chǎn)生的電弧能量低、弧后介質(zhì)強度恢復速度快，有較大的應用潛力，關于中頻真空電弧機理及滅弧技術的研究是當下熱點；而對于270 V 直流電力系統(tǒng)，由于沒有電流自然過零點，無法利用能量最低原理使電弧熄滅，需要額外的滅弧措施，因此在航空斷路器體積有限的條件下增加了滅弧難度.未來可從以下方面進一步展開研究：

（1）密閉式直流斷路器體積小，將氫氣等介質(zhì)與物理手段相結(jié)合，具有較好的滅弧效果，可考慮在氣體介質(zhì)成分、滅弧觸點形式、磁場吹弧強度、滅弧柵片結(jié)構等方面進行電弧MHD 仿真與故障實驗深度融合研究，以指導斷路器的優(yōu)化設計，進一步提升滅弧能力.

（2）自然換流混合式斷路器通過主回路、固態(tài)支路及緩沖支路三者的動作配合，可快速、有效分斷故障電流和熄滅電弧，具備作為航空直流電力系統(tǒng)保護電器的潛力.分斷過程中電弧臨界發(fā)生條件、換流及升壓暫態(tài)特性、能量緩沖與吸收等過程的物理機制尚未完全掌握，還需深入研究.