1.3 直流開斷技術的新發展

直流電的利用歷史非常悠久，實際上人們最早發現和利用的就是直流電，最早的電力輸送系統也是直流的。但是隨著交流電的發明，其利用便捷的優勢得到極大的彰顯。交流電可以方便地升、降電壓，能量變換和傳輸也十分方便，在實際使用中易于控制。但交流電也有自身的缺點，例如長距離傳輸損耗比較大，單個輸電線路所能夠輸送的電能受到了限制，由此人們又開始發展大容量直流輸電工程，但高壓大容量直流斷路器目前仍然是一個瓶頸問題，限制了高壓直流輸電系統的發展。

隨著電力電子技術的發展，諧波的影響造成的電能質量問題花費了人們大量的精力和資金投入，而直流系統則在這些方面具有明顯優勢。目前鐵路系統的電力機車、城市軌道交通系統的地鐵車輛和輕軌車輛均采用直流系統。鑒于直流系統的一系列優點，采用電力電子技術控制又具有極大的便捷性，加之大多數用電電器是直流驅動的，目前人們又在考慮發展直流配電系統。發展直流配電系統，同樣必須解決直流斷路器的問題。

交流斷路器無論采用什么原理，主要都是利用電流自然過零點加快介質的恢復強度和恢復速度實現開斷，交流電流過零的特點使得交流斷路器較為容易實現開斷功能。而直流開斷則完全不同，首先它沒有自然過零點，必須通過人工方式強迫電流過零；其次直流系統大量使用相對“嬌弱”的電力電子器件，難以承受大的過載負荷沖擊，所以要求直流開斷的速度很快。現在許多情況下對直流斷路器的開斷條件是要求故障發生后斷路器能夠在3～5ms內開斷負荷。直流系統為了平抑波動，往往裝有大容量的電抗和電容，這些裝置在運行過程中會儲存很大的電磁能，在電流開斷過程中要釋放出來，直流開斷必須能夠有效吸收消化這些能量。因此發展高壓直流斷路器必須解決電流過零、快速開斷和能量吸收這三大問題。

目前直流斷路器的研究是一個熱點和焦點問題，對于電壓相對較低的系統，主要是通過提高電弧電壓的方式強迫電流過零實現開斷。對于電壓較高的系統，則采取反向施加脈沖電流強迫電流過零的辦法。這些方法都有一定成效，但也存在許多問題，還不能完全滿足系統的要求。另外采用電力電子開關器件和機械開斷相結合的混合式斷路器也是當前的一種重要技術路線，它開斷速度快，能夠比較好地滿足系統的開斷要求，但利用電力電子器件保護其他的整流控制電力電子器件代價是十分巨大的，因此這項技術的成本代價成為制約其應用的最大瓶頸。

機械式直流斷路器滿足直流開斷過程的快速性要求是一個十分具有挑戰性的題目，目前采用快速限流技術來滿足保護的要求是一種技術途徑。具有代表性的是使用超導限流技術。超導線材運行在臨界電流以下時呈現零電阻，而在超過臨界電流后可以在極短的時間內（微秒級）呈現電阻性，大幅度限制電流的上升。這樣就解決了抑制直流系統短路電流快速上升的問題。另外在中低壓系統中，直流熔斷器也是一種低成本、高性能的開斷方案。直流熔斷器對短路電流具有極好的限制作用，開斷也十分可靠。但直流熔斷器開斷后必須更換，因此不能用于頻繁開斷的場合。

本書第3章介紹了高壓直流斷路器發展的現狀和主要研究內容。第8章介紹了超導技術用于斷路器的研究概況，其中主要介紹了超導限流技術用于直流開斷的研究現狀。第10章介紹了直流熔斷器的發展和應用概況。