北京航空航天大学科研人员发布直流自然换流式接触器的研究成果

北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院的研究人员贾博文、武建文、夏尚文、罗晓武、岳云霞，在2021年第20期《电工技术学报》上撰文，基于一种直流自然换流式接触器拓扑结构，采用承载额定电流的通流支路触头和实现电路开断的灭弧支路触头相并联的形式，解决航空、航天及新能源等领域向更高电压等级发展的直流开断需求。

直流供电系统因具有系统稳定性好、负载特性佳以及控制简单等显著特点，在航空、航天、城市轨道牵引、舰船电力系统及新能源等领域得到广泛应用，而中低压直流供电系统向更高电压等级进一步发展亟需直流分断关键技术的突破和耐环境、轻重量直流开关设备的研发。

近年来，在航空领域，额定电压值为270V的高压直流供电系统已开始为现代多电/全电飞机所使用。其中，我国第四代歼击机，美军的F-22、F-35战斗机及RAH-66直升机等典型多电飞机都装备了270V高压直流供电系统。同时，我国中长期科技规划三个重大专项之一的“大飞机”专项不仅包括“干线飞机”，还包括军用和民用的大型运输机，也将高压直流供电制式列为发展方向。

相似地，在航天领域，空间太阳能发电站是目前国际上论证的最大功率的航天器，未来商业化电站的供电功率将达到GW级，采取高压供电体制成为未来空间技术发展的一个重要方向。在城市轨道牵引、新能源汽车领域及新一代舰艇配电系统，直流系统的电压等级有发展到数千伏及以上需求的趋势，kV等级的中压直流供电系统成为发展方向。可以预见，高压大容量直流电源系统必将全面应用于未来的军用和民用等前沿领域。

对于直流高电压等级的保护问题，有学者提出了一种分布+集中式混合电力传输与管理方式的空间太阳能发电站结构，利用±2.5kV高压直流开关设备可以解决太阳能电池板子阵母线5000V直流保护的难题。其中，大功率直流接触器作为关键器件，起到了接通、承载和分断正常电路（包括过载运行条件）的作用，其分断特性是制约其所在系统性能的重要因素。

目前，美国Gigavac、TE Connectivity和法国Leach等专业电气制造公司均已推出适用于航空航天及军事领域的大功率高压直流接触器产品，其最高额定工作电压达到了1800V，而国产化的相应产品由于理论基础及技术积淀不足，在产品性能和可靠性指标上仍然具有一定的差距。

通过有关文献研究，可以分析出通过多个开关设备的级联能够解决高电压等级的直流开断问题，但较高的额定通态损耗将一定程度限制电流等级的提升。另外，为了实现双向导通关断功能，传统的混合式直流开关设备对功率半导体器件数量需求较多，且同步控制精度要求也较高。

因此，北京航空航天大学的研究人员在解决高压大电流直流开断需求的前提下，提出了一种直流自然换流式接触器拓扑结构并设计了原理性样机，使得承载额定电流时机械触头能够维持较低的通态压降。当分断电路时，异步动作的触头实现电流的自然转移，由具有高电压开断能力的灭弧触头完成电路的开断。研究人员通过理论分析和相应的实验来研究该并联拓扑结构不同支路间电流的换流特性及燃弧特性。

图1 接触器样机及其内部电流分布

图2 实验原理

他们得到以下几点结论：

1）该并联自然换流式直流开断拓扑结构，实验结果表明，通过通流支路和灭弧支路触头的异步动作，实现电流自然转移，灭弧支路串联多断口完成了直流高电压等级的电路开断。

2）基于动态Mayr电弧修正模型建立灭弧支路串联多断口开断过程的仿真模型，研究由串联多断口异步分断引起的电压分布不均匀。提出两种提高各断口电压均匀性的调控方式，并采用一种归一化的动态电压均匀系数研究结构调控及磁场调控对于动态均压的效果。

3）采用优化灭弧触头动作特性的结构调控均压开断方式，电压均匀系数将从54.1%提升到80.1%。在结构调控的基础上，针对灭弧触头动作的分散性进一步采取磁场调控方式将电压均匀系数提升到98.05%，提高了串联多断口的开断能力及电寿命。

本文编自2021年第20期《电工技术学报》，论文标题为“直流自然换流式接触器设计与均压开断研究”，作者为贾博文、武建文 等。

关键词： 电压等级 供电系统 拓扑结构

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