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直流供電系統(tǒng)因具有系統(tǒng)穩(wěn)定性好、負(fù)載特性佳以及控制簡單等顯著特點(diǎn)，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(jí)進(jìn)一步發(fā)展亟需直流分?jǐn)嚓P(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(jī)所使用。其中，我國第四代殲擊機(jī)，美軍的F-22、F-35戰(zhàn)斗機(jī)及RAH-66直升機(jī)等典型多電飛機(jī)都裝備了270V高壓直流供電系統(tǒng)。同時(shí)，我國中長期科技規(guī)劃三個(gè)重大專項(xiàng)之一的“大飛機(jī)”專項(xiàng)不僅包括“干線飛機(jī)”，還包括軍用和民用的大型運(yùn)輸機(jī)，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(dá)到GW級(jí)，采取高壓供電體制成為未來空間技術(shù)發(fā)展的一個(gè)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(jí)有發(fā)展到數(shù)千伏及以上需求的趨勢(shì)，kV等級(jí)的中壓直流供電系統(tǒng)成為發(fā)展方向。可以預(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(duì)于直流高電壓等級(jí)的保護(hù)問題，有學(xué)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(hù)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?jǐn)嗾ｋ娐罚òㄟ^載運(yùn)行條件）的作用，其分?jǐn)嗵匦允侵萍s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(dá)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(biāo)上仍然具有一定的差距。

通過有關(guān)文獻(xiàn)研究，可以分析出通過多個(gè)開關(guān)設(shè)備的級(jí)聯(lián)能夠解決高電壓等級(jí)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(jí)的提升。另外，為了實(shí)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(duì)功率半導(dǎo)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(xué)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)并設(shè)計(jì)了原理性樣機(jī)，使得承載額定電流時(shí)機(jī)械觸頭能夠維持較低的通態(tài)壓降。當(dāng)分?jǐn)嚯娐窌r(shí)，異步動(dòng)作的觸頭實(shí)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(shí)驗(yàn)來研究該并聯(lián)拓?fù)浣Y(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(jī)及其內(nèi)部電流分布

圖2 實(shí)驗(yàn)原理

他們得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）該并聯(lián)自然換流式直流開斷拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過通流支路和滅弧支路觸頭的異步動(dòng)作，實(shí)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(jí)的電路開斷。

2）基于動(dòng)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?jǐn)嘁鸬碾妷悍植疾痪鶆?。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(dòng)態(tài)電壓均勻系數(shù)研究結(jié)構(gòu)調(diào)控及磁場(chǎng)調(diào)控對(duì)于動(dòng)態(tài)均壓的效果。

3）采用優(yōu)化滅弧觸頭動(dòng)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(duì)滅弧觸頭動(dòng)作的分散性進(jìn)一步采取磁場(chǎng)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(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“直流自然換流式接觸器設(shè)計(jì)與均壓開斷研究”，作者為賈博文、武建文 等。