混合式直流断路器

一、直流断路器国内外研究现状

直流断路器研宄所面临的主要问题即如何提升其开断速度与开断容量，针对传统低压开关设备难以满足快速开断和大容量开断需求，电力电子开关则存在通态损耗大、系统成本高等问题。对综合了机械开关与电力电子开关优点的混合式直流断路器开展了一系列研宄。

直流输电系统的故障开断过程与交流输电不同，直流系统本身不存在电流过零点，因此断路器直接开断时难以自行熄灭电弧；由于直流系统的电感远大于交流系统，输电回路中存储大量能量难以快速释放；断路器开断过程中，断口两端电流迅速下降，使断路器承受极为陡峭的暂态恢复电压（TVR）。

为使直流直流输电系统能快速有效的分断故障电流，国内外学者设计了多种直流开断方式。

(1) 电弧耗能开断

通过电弧燃烧耗散直流系统中存储的能量，待系统中能量不足以继续维持电弧燃烧，电弧熄灭，完成直流故障分断。

(2) 电流转移开断

通过在机械开关上并联换流支路，将故障电流从机械开关转移至换流支路，为机械开关创造人工电流过零点，使电弧易于熄灭，直流系统存储的能量则由附加的能量耗散装置消耗。

①　空气直流断路器

v 空气式直流断路器组成：分合闸机构、过流脱扣器、吹弧系统、栅片灭弧室；

v 特点：开断容量大、控制相对简单；

v 产品成熟：

1、美国GE公司的Gerapid直流快速断路器（额定电压1-3.6kV，额定电流2.6-6kA，预期分断电流30-75kA）

2、瑞士SECHERON公司的UR系列直流断路器（额定电压0.9-3.6kV，额定电流1.5-8kA，预期分断电流40-125kA）

3、ABB公司在2016年推出轨道交通全新 1.8kV/1.5kA/30kA高速直流断路器DCBreak；

4、韩国FKI、德国西门子、德国Balfour Beatty Rail、法国Saft Power Systems等公司都有已研发出低压直流开关设备

5、国内平高集团2018年研制了1.8kV/80kA大容量直流快速断路器，中船重工712自主研发了ZDS3国产直流快速断路器（额定电压0.9kV/1.8kV，额定电流4kA，开端电流125/80kA）

6、西安交大与大全集团研制了4kV/70kA空气介质直流断路器。

②　超导限流器

③　固态直流断路器

1、重庆大学采用碳化硅MOSFET设计了360V固态直流断路器；

2、西安交大对串联式IGBT固态断路器的均压特性进行了研究，并选用10个IGBT完成了直流母线电压10kV，峰值电流5.1kA的关断实验；

3、武汉船用电力推进装置研究所提出了一种IGCT和普通晶闸管新型直流固态限流断路器技术方案，完成了1.5kV/4kA断路器原理样机的初步设计。

④　基于电流转移机理的直流断路器

⑤　混合式直流断路器

传统机械式断路器开断能力和触头分闸速度受触头结构、灭弧介质特性、操动机构性能等因素影响，难以满足快速分断故障的需求。此外，开断电弧对触头烧蚀作用会影响断路器开断性能和寿命。

固态断路器存在通态损耗大、通流发热量高等问题。

分别利用机械开关与电力电子开关的静态、动态优势，具有良好的通流、耐压特性和快速关断能力，所以将两者的优点结合，发展出了混合式直流断路器。

目前主要由以下三种类型的电路拓扑。

零电压型（ZVS）

原理图如图(a)，其中：

v 机械开关主要负责正常工作状态下的电流流通；

v 固态开关支路由多个可关断电力电子器件经过不同串并联组合方式构成，具有自然换流特点；

v 限压吸能支路由非线性金属氧化物电阻MOV构成，主要负责限制恢复电压幅值并吸收系统剩余故障能量。

分断过程如图1，其中：

v 时刻发生短路故障，HDCCB的控制系统向机械开关发送分闸动作信号，向电力电子器件发送开通信号；

v 时刻机械开关内触头分离，电弧开始燃烧，触头之间建立有效的电弧电压，在电弧电压的作用下，换流支路被导通电流由主支路转移至换流支路；

v 时刻第一次换流过程完成，机械开关内电流降至为0，电弧熄灭，随后机械开关内介质强度迅速恢复，经过短暂延时，待机械开关恢复一定耐压水平。

v 时刻控制系统向电力电子器件发送关断信号，电力电子器件由导通转变为关断状态，换流支路的电流开始转移至限压吸能支路，此过程也被称作为第二次换流，此时直流断路器两端的恢复过电压迅速上升；

v 时刻换流支路的电流降为0，电流完全转移至限压吸能支路，此后限压吸能支路逐渐耗散短路电流流量，将故障电流降至为0，HDCCB完成故障电流分断。

影响开断性能主要因素：机械开关分闸速度、电力电子开关通流及关断能力、控制系统的控制方案。

发展现状：

1．荷兰Delft大学，基于IGBTs和快速斥力开关，设计了额定参数600V/6kA，完全开断时间1.2ms的HDCCB。样机的结构和原理如图：

2．瑞士工业电子实验室，利用高速电磁斥力和IGCT，研制出适用于轨道交通领域的HDCCB，额定参数为1.5kV/4kA。

3．ABB公司将压接式IGBT反向串联。

ABB高压直流断路器拓扑

4．阿尔斯通公司是将晶闸管和吸收电容结合

阿尔斯通高压直流断路器拓扑

5．全球能源互联网研究院采用IGBT-H桥串联结构

国网高压直流断路器拓扑

6．郑州大学研究团队采用以下电路拓扑研究了IGBT承担电流的时间与真空短间隙介质恢复特性之间的关系，并搭建了试验平台，设计了1.8kV/2.5kA/10kA的混合式直流断路器，最终试验得到全开断时间为2ms。

7．大连理工大学研究团队采用以下拓扑电路研究了电流转移特性，得到了电流转移特性的数学判据，并研发了400V/2400A/3kA的试验样机，最终试验得到全开断时间为2.5ms。

零电流型（ZCS）

图2 ZCS-HDCCB分断过程示意图

原理图如图(b)，其中：

v 机械开关支路通常为真空开关；

v 脉冲功率开关与LC电路串联构成强迫换流回路；

v 限压吸能回路由避雷器为主。

分断过程如图2，其中：

v 时刻发生短路故障，HDCCB的控制系统向机械开关发送分闸动作信号，向电力电子器件发送开通信号；

v 时刻机械开关内触头分离，控制系统实时监测动触头行程；

v 时刻当触头达到最佳范围时，控制系统向脉冲功率开关发送导通信号，随后换流支路导通，预储能电容C开始放电，真空开关上的支路电流转移至换流支路；

v 时刻主支路上的电流减小至0，真空开关内电弧熄灭，触头两端出现高频震荡恢复电压u，同时，电容C被支路电流反向充电；

v 时刻触头两端恢复过电压上升至MOV动作电压，故障电流由换流支路向限压吸能支路转移，MOV吸收系统剩余故障能量，电路电流降至为0，HDCCB完成故障电流分断。

影响关断系性能因素：真空开关的分闸速度及其高频开断能力、换流支路LC参数、控制系统的控制方案设计。

发展现状：

1．东芝公司1.5kV/4kA高速限流真空断路器，可开断上升率10kA/ms，可开断短路电流峰值35kA，应用于日本、阿联酋等国的轨道交通领域。

东芝公司高速真空断路器

2．俄罗斯全俄电力技术研究所的Alferov等人研制了3.3kV/3kA ZCS型HDCCB样机，采用两个真空开关并联来提升其机械开关的通流与开断能力，利用快速斥力机构加快操动真空开关的动作时间，分闸时间为3ms，该样机可开断上升率1.3kA/ms，预期峰值30kA的短路电流。

3．大连理工大学董恩源研制出1.5kV/4kA直流断路器，试验样机可开端预期峰值50kA的短路电流，分断时间约为4ms。

4．大连理工大学邹积岩等人提出了一种基于智能模块串联技术的高压直流断路器，设计的110kV高压直流断路器。

ZVS-ZCS联合型

二、混合式直流断路器（ZVS-HDCCB）的总体结构与设计方案

ZVS-HDCCB由快速斥力开关（HSVCB）和IGBT与ZnO避雷器并联而成。

v HSVCB基于斥力机构驱动，由永磁机构保持的斥力机构、绝缘支撑杆、超程连接杆、真空灭弧室构成。

v IGBTs开断单元由双向反串联IGBT与压敏电阻共同组成。

ZVS-HDCCB样机方案及拓扑电路如下图所示：

样机结构图拓扑结构

2.1 快速斥力开关支路及电弧模型

2.1.1 快速斥力开关设计

快速斥力真空开关（HSVCB）是HDCCB的核心组件，主要由真空灭弧室和操动机构所构成。为满足应用需要，要求HSVCB具有较快的一定的开断能力、动作响应特性和分闸速度。

快速斥力真空开关（HSVCB）示意图

v 真空灭弧室

利用真空灭弧室作为主要载流部件；真空灭弧室，触头质量轻、超程短、开距小、弧后绝缘速度恢复速度快，易于实现快速分合闸，同时具有安全可靠、寿命长、维修工作量小、环境不受污染等特点。

在正常工作中，通过真空灭弧室导通稳态电流，通态损耗低；分断过程中，真空灭弧室动/静触头间产生电弧，存在一定的弧压，使电流转移到电力电子支路。现有的真空灭弧室的开发和应用已较为成熟，而HSVCB的动作特性主要取决于其操动机构的性能，下文将对操动机构中的驱动机构和永磁保持机构的设计进行介绍。

v 操动机构（斥力驱动机构、永磁保持装置）

1、斥力驱动装置：下图所示为快速斥力真空开关的斥力驱动机构结构示意图，其工作原理是利用线圈产生脉冲磁场对铜盘作用，电磁斥力带动连杆运动。通过斥力机构电容对斥力线圈放电，由于线圈电阻和电感较小，电容放电在斥力线圈中产生很强的脉冲磁场；此时线圈下方的斥力铜盘感应产生涡流，根据楞次定律，铜盘中涡流方向与线圈电流方向相反；线圈与铜盘之间形成电磁斥力，带动与铜盘相连的连接杆运动，实现分闸动作。

斥力机构结构示意图

斥力机构电容对线圈脉冲放电的速度极快，且电流幅值很高，因此斥力铜盘与线圈

间感应产生的电磁斥力变化率很快，可在极短时间内获得很大的电磁斥力，使真空开关能够快速分闸。且斥力驱动机构经过超程簧、绝缘拉杆与真空灭弧室动触头直连，具有

结构简单、动作效率和可靠性高等优点。

铜盘中产生涡流大小与铜盘材质和结构有关，涡流大小会进一步影响斥力铜盘与线

圈间的作用效果。为使斥力机构获得最佳动作特性，同时考虑不同厚度材料的趋肤深度及抗变形强度几点因素，斥力铜盘选取紫铜材质，铜盘厚10mm，内径15mm，外径120mm。

斥力线圈盘如下图所示，由盖板、线圈绕组、底板三部分组成。其中盖板和底板主要起固定和支撑线圈绕组的作用。电容直接对线圈绕组放电时，盖板和底板在电磁感应作用下间接参与放电过程，因此斥力线圈盘中各部分的材质和几何参数都会影响机构的电磁力特性。

放电线圈盘结构图

斥力线圈盘各部分材料和结构参数选取建议：

1) 线圈绕线的材质应尽量选用电阻率小的金属。

2) 上盖板参数包括其材质和厚度。

3) 底板参数同样也包括材质和厚度两个方面。

2、永磁保持装置：快速斥力真空开关的永磁保持装置结构如下图所示，其由铜壳体、感应线圈、永磁体、动铁芯和导磁环五部分组成。永磁保持装置主要负责快速完成快速真空开关的合闸操作；及配合快速斥力机构，为分、合闸状态下的真空开关提供保持力。其工作原理如下：合闸过程中，永磁机构电容向机构的感应线圈放电，迅速变化的电流在线圈周围产生强磁场；由于永磁机构内部磁场设计的不对称原则，机构动铁芯处于不同位置时所受的电磁力不同，驱动动铁芯向磁路磁阻最小的位置，即永磁保持装置的最上端移动，从而带动与其直连的斥力机构连接杆运动，完成合闸动作。

永磁保持装置结构图

2.1.2 电弧模型

基于Mayr电弧模型与纵磁真空灭弧室电弧伏安特性搭建了机械支路中真空开关的电弧模型。Mayr电弧模型根据电弧电导的变化规律描述了真空电弧的动态能量平衡过程，其电弧方程为：

表示电弧电导，和表示电弧电压和电流，户表示电弧的能量耗散功率，；为电弧时间常数。Mayr电弧模型表明，当电弧输入功率大于其能量耗散功率Ｐ时，电弧热游离加强，电弧电导增加，但电弧能量积累引起电弧温度升高或者电导增加需要一个过程，时间常数是这一过程的控制参数。

上述Mayr电弧模型中，电弧电压的采集来自仿真过程中电导的计算值，而实际真空电弧电压有着自己的规律，特别是目前常用的纵磁作用下的电弧电压，由于纵磁的作用，电弧电压趋于稳定，电弧电压与电流大小、燃弧时间等有关。

v 电弧模型的搭建

基于Mayr电弧数学模型，在Matlab/Simulink仿真平台上，利用仿真软件中的DEE和电力系统模块，搭建输了电弧模型以及暂时搭建了空气直流断路器的仿真模型，如下图所示：

麦也尔电弧模型的仿真

机械式直流断路器仿真模型

2.2 IGBT开断单元模型设计

IGBT为三端器件，集成了GTR与MOSFET的优点，具有通断速度快，短时耐压和通流能力强损耗小等优点，且其导通压降相对较低，对其驱动电压要求不高。

目前常用IGBT的耐受电压可达4.5kV，额定电流2000-3000A，大电流IGBT的最大集电极电流是额定电流的2倍左右。结合本项目的需要，采用双向反串式连接的IGBT可以满足电流容量需求，但是由于电力电子开关的通态损耗较大且成本较高；同时考虑到若直流供电系统内限流设备故障或保护误动及拒动等情况的发生，储能电容放电瞬间产生的较高的冲击电流极有可能造成断路器损毁，因此，在之前设计的基础上考虑将转移支路设计为多管并联。

（1）并联均流电路

并联IGBT支路中，由于每个IGBT参数的差异会造成电流分布的不均匀，以设计方案中所采用的FZ2000R33HL3器件为例，额定电流为2000A，最大集电极电流为4000A。由其数据参数手册可知，通过通态压降与电流之间的关系，得到IGBT通态等效电路，再采用以下公式表示，其中为栅射极开启电压，为动态电阻。

考虑到多个IGBT并联，考虑不均流最坏情况，栅射极开启电压偏差最大且出现在一个IGBT上，其他无偏差。则最大不均流偏差为：

n个IGBT并联时不均流最大电流为：

基于以上分析对于并联IGBT增加电流容量，需要考虑最大不均流的影响。可以采用在IGBT并联之路中串入小电感来得到更好的均流效果，如下图示，但小电感串入可能会增加动态开断过程中电压上升率。

并联均流等效电路

（2）并联同步动态控制

并联同步技术包括开通同步和关断同步，IGBT开通和关断过程如下图所示，开通过程延时包括三部分：开通延迟时间，电流上升时间和电压下降时间，开通时间（其中分为和）。

IGBT的开关动态过程

关断过程延时包括三部分：关断延迟时间。电压上升时间和电流下降时间，关断时间（其中分为和）。

：代表开通延迟时间，表示从驱动电压上升至其幅值的10％的时刻，到集电极电流上升至其10％的时刻。

：代表电流上升时间，表示从幅值的10％上升到90％所经历的时间。

：代表电压下降时间，可以分为和两个过程，代表IGBT中的MOSFET单独工作时电压下降的过程；代表IGBT中PNP晶体管和MOSFET共同工作时电压下降的过程，过程结束后，IGBT进入饱和状态。

:代表关断延迟时间，表示从驱动电压下降至其幅值的90％的时刻，到集射极电压上升至其10％的时刻。

:代表集射电压的上升时间，这段时间内栅射电压不变。

:代表电流下降时间，可以分为和两个过程，代表IGBT中的MOSFET关断的过程；代表IGBT中PNP晶体管的关断过程，此时MOSFET是关断状态，IGBT也没有反向电压，所以集电极电流下降的速度比较慢，这个过程中集电极电流的状态叫做拖尾现象。

IGBT的开关过程主要与以上六个时间变量有关，其中开通延迟时间、电流上升时间、电压下降时间的和为开通时间，代表了IGBT的开通过程；关断延迟时间、集射电压上升时间、电流下降时间的和为关断时间，代表了IGBT的关断过程，具体关系如公式如下：

同步开通关断技术的研究是为了保证开通关断过程中，不会因为单个IGBT动作不一致而造成过流或者过压击穿。

2.3 缓冲电路模型设计

转移支路中单个IGBT的工作状态可分为导通、通态、关断、断态四个阶段。在通态和断态下，IGBT分别具有较强的通流能力和耐压水平，但当其处于通态和断态变化阶段，即导通和关断阶段时，受电路条件的变化影响，IGBT两端将会承受急剧变化的浪涌电流和震荡过电压，易使其发生击穿导致器件损坏。因此通过在IGBT两端并联缓冲电路可以抑制电压与电流的幅值与变化率，减少IGBT的关断损耗，延长起器件的使用寿命。

常见的几种缓冲回路如下图所示：

（a）结构简单，采用单电容方式吸收电路剩余能量，适用于小开断容量场合。虽然此种方式成本较低，但是由于直流系统的电感较大，缓冲电容易与系统电感产生震荡。

（b）通过在电容上串联二极管D钳位IGBT上的电压震荡。但是当系统电感较大时，IGBT关断后其两端会产生上升率很高的震荡过电压；虽有二极管钳位，但终难以抑制上升的过电压。因此该种拓扑结构更适用于容量较小的直流系统，例如轨道交通行业和微网系统。

（c）是钳位型缓冲电路，相对于前两种方案，该结构更为实用和常见；通过将系统中剩余冲击能量反馈回至电源，IGBT关断时的损耗较小，更适用于大功率场合。此种电路虽然效果很好，但是电路结构较为复杂，主要用于IGBT逆变器设计，承担IGBT较高的通断频率。

v 由于本项目所研究的断路器主要应用于轨道交通行业，直流供电系统开断频率较低，对缓冲电路高频承受能力要求不高，（b）的电路设计较为简单，成本低廉，且有二极管钳位，可以避免LC震荡对电力电子开关的损耗，满足设计的需要。因此，在之前的设计基础上提出如下拓扑结构。

RCD反串式HDCCB拓扑图

HDCCB采用RCD型缓冲电路，要求缓冲电路中二极管D具有足够快的恢复速度来钳位陡峭的过电压，抑制其高频震荡。RCD电路中的电容C的主要作用是缓冲系统存储能量的冲击，其容值大小需根据系统冲击能量的大小来确定。直流系统的故障能量主要为电感储能，其存储能量除与线路固有电感有关外，还受线路上的寄生电感及杂散电感影响；其中杂散电感与系统的工作频率有关，当电路震荡频率小于几千赫兹时，杂散电感中存储的能量在IGBT关断时对换流支路及系统稳定性的冲击很小，几乎可忽略不计。此外，相较于直流系统的固有电感大小，线路本身的寄生电感可忽略不计，试验回路中大小主要取决于试验电路中电阻调节器。

试验电路中电感储能大小为：

其中，为线路电感储能，为线路串联电感，为线路寄生电感，为试验电流。

电容吸收能量的大小为：

其中，为电容吸收的能量，为缓冲电容，根据避雷器参数设，为试验电路中直流电压。

HDCCB中换流支路开断短路电流时，若线路中电感储能需全部被缓冲电容吸收，可得缓冲电容大小的计算如式如下。

根据混合式直流断路器结构，其应包含能量吸收器件-避雷器；因此直流系统的故障冲击能量并不需要全部被缓冲电路中的电容所吸收。根据试验电路参数大致确定电容容值即可。通过分析可知，并联避雷器，设置合适大小缓冲电容还可避免电容吸收能量过大时，能量耗散过程中产生幅值较高的反向电流，影响各设备的运行稳定性。

对于缓冲电路中电阻R的参数不需要做明确要求，R越小，缓冲电C的放电速度越快，但是R过小时也容易引起缓冲电容与线路电感间的LC振荡，因此，R需要满足以下要求。

其中，L为线路电感。

2.4 避雷器模型设计

吸能支路中的MOV主要作用是吸收IGBT关断时电路LC振荡产生的恢复过电压，防止电力电子开关被高压击穿。Matlab中避雷器通常被等效为一个非线性电阻，额定工作电压下其阻值较大，只有微安级的泄露电流通过；但避雷器承担的电压高于其动作电压阈值后，其阻值将会迅速降低使电路导通，大电流经避雷器释放故障电路的剩余能量。

Matlab中避雷器模型是采用三个指数函数进行等效组合来模拟避雷器的非线性伏安特性，如下图所示。

避雷器的伏安特性曲线

当线路所需释放能量较高，单个避雷器参数不能满足要求时，限压吸能支路可通过

多个避雷器单元并联实现大能量释放。单组避雷器的非线性特性可用下式来模拟。

其中，与为避雷器的额定工作电压和工作电流，和为三段非线性函数的关系，、为通过避雷器的电压和电流。

三、混合式直流断路器（ZVS-HDCCB）的影响因素及关键问题

影响HDCCB开断性能主要因素：快速斥力开关分闸速度、电力电子开关通流及关断能力、控制系统的控制方案。

由于快速斥力开关采用外购的方式，参数及性能不做主要研究对象，因此，探究开断时间和性能的因素主要从真空电弧电流转移特性、真空短间隙介质恢复特性、IGBTs短脉冲开断裕量，快速开断策略等方面考虑。

3.1 真空短间隙介质恢复特性

IGBT承担电流的时间取决于真空短间隙介质恢复特性的结论，利用脉冲电压测试电流转移完成后真空短间隙的介质恢复特性，研究了不同开距、电流幅值、电流下降率对真空介质恢复特性的影响。

结果表明：在电流小于4kA时，真空短间隙平均介质恢复速度主要取决于开距和电流下降率，通过数据处理得到了真空短间隙大的介质恢复特性的数学描述。

开断的3个阶段

①　电流转移阶段（自然换流阶段）

真空开关触头分离，真空电弧产生，由于真空电弧弧阻与IGBTs模块导通阻抗相当，电流开始由真空开关向IGBTs模块转移，如图1中的I阶段。

②　IGBTs承担电流阶段

电流转移阶段完成后，真空电弧熄灭，电流完全由IGBTs模块承担，如图1II阶段所示。

③　IGBTs开断及吸能阶段

IGBTs关断产生过电压，达到避雷器动作电压后，主回路电流转移到吸能之路，由吸能支路耗散剩余能量，并完成整个开断过程，如图1中iii过程。

综上：

中压混合直流断路器的开断时间主要取决于真空开关刚分时间、电流转移阶段I、IGBTs承担电流阶段II和IGBTs开断吸能阶段III。

真空开关刚分时间 可达 0.5ms
IGBTs关断较快 只需几
吸能支路泄放剩余能量时间由避雷器的性能决定。

IGBTs承担电流阶段可以由智能检测电流转移完成零点，在保障IGBTs关断后真空短间隙可以承受住暂态恢复电压的情况下，尽量缩短IGBTs承担电流时间，一方面可以缩短开断时间，另一方面可以充分利用IGBTs的脉冲开断裕量，即脉冲电流时间越短，其开断容量越大的特性。

为测试自然换流时的电流转移速率，前期搭建了1500V的混合式直流断路器样机，其真空开关部分与等效试验中所用开关一致，灭弧室选用额定12kV/25kA的纵横磁真空灭弧室，触头材料为铜铬合金，IGBT为国产3300V/1500A大容量IGBT，栅极驱动电压15V，避雷器额定电流1.5kA。

选取2mm以内开距，电流下降速率范围6.67-19A/，电流幅值2.5kA以内条件，测试不同开距、电流下降率及电流幅值对真空开关介质恢复的影响。

3.1.1触头开距的影响

真空间隙的静态击穿电压随着开距的增加而增加，在短间隙时，真空间隙击穿电压与开距成线性关系，在长开距情况下，真空间隙静态击穿电压存在饱和效应，即随着开距的增加，真空间隙静态击穿电压增加缓慢。根据开距对真空间隙介质恢复强度的影响，通过数据拟合得到真空短间隙介质恢复强度 V（kV）与开距 L(mm)的关系：

真空介质恢复曲线程显出初始恢复速度较快，后逐渐趋于饱和的趋势，是一个复杂的变化过程，选用平均介质恢复速度来代替相对复杂的真空介质恢复过程更加具有直观性。依据试验数据可以得出0.5-2mm的真空短间隙的介质平均恢复速度分别为0.78、0.93、1.25和1.67kV/。由此可以得出开距对真空介质的恢复速率平均值的影响，如图所示。

其余条件相同时，真空开关开距和真空介质的平均恢复速率呈指数型关系。同电流幅值、同电流下降率时平均介质恢复速度与开距的关系符合下式

3.1.2电流幅值的影响

电流幅值对真空介质恢复特性影响主要由电弧模式决定，本文实验中，真空电弧是扩散电弧模式，在相同的电流下降速率情况下，电流幅值对真空介质恢复特性影响较小，在电流大于10kA时，可能出现集聚电弧，触头表面局部熔融，弧后介质恢复强度将会有较大变化。

3.1.3电流下降率的影响

电流下降率是指真空开关触头分离后，主回路电流向转移回路全部转移，知道为零的平均速度。

电流下降率越高，同幅值电流的转移时间越短，触头之间的金属蒸汽密度越大，介质的恢复速度就越慢。

电流下降速率越低时，电流转移时间相对较长，介质恢复时间相对较短，但下降率较高时，由于电流转移时间同时减小，介质恢复时间占比会明显增加。

当开距一定时，真空间隙的介质平均恢复速度与电流下降率呈线性关系。

3.1.4 开断策略的指导

依据技术手册，IGBT可以在1ms内通断2倍额定电流，在短时间内可以开断更高电流，在中亚混合式直流断路器开断过程中，IGBTs可能发生的失效模式主要为热失效和过流失效，根据真空开关的恢复情况及时关断IGBTs，缩短其通流时间，能够有效减少IGBTs的温升，并限制过电流的发展，降低过流失效的可能性。若能确定真空短间隙的介质恢复时间，即可在最短时间内关断IGBTs，有效提升其脉冲开断能力。

综合前几个公式，联立方程并构造相应函数，可以得出在10kA以内的扩散性真空电弧条件下，5mm开距内真空短间隙的平均真空介质恢复强度与开距及电流下降率之间的经验公式：

依据此公式可在短间隙下依据不同电流下降速率及开距对平均恢复速度进行估算。

不同电压等级的中压混合式直流断路器中真空开关的开距决定了整机的绝缘性能，为满足绝缘性能的要求，真空开关的最小开距可以依据公式（1）选取。再依据前期研究的电流转移特性，自然换流阶段时间 t1 和 IGBTs 承担电流阶段时间t2之和为真空开关动作时间，最后根据电流下降速率及开距计算由公式（4）得出其平均介质恢复速度，从而得到所需介质恢复的时间，以此得到IGBTs 最优开断策略。

3.2真空电弧电流转移特性

混合式直流断路器的电流转移特性对其快速开断及控制策略有着重要意义。研究转移特性时所采用的拓扑电路如下图所示。

3.2.1真空开关到IGBT开断单元的电流转移过程

真空开关到IGBT电流转移过程主要取决于：外电路参数，包括开断故障电流的大小和线路电感的大小；混合开关转移支路的内部参数，包括转移支路的电阻和转移支路所含的线路电感分量。电感比电阻对转移时间的影响要大的多：相同数值大小的情况下，电感转移

所需的时间为电阻转移所需时间的10倍。因此，实际使用中，注意要合理的布线，以限制转移支路电感的大小，而电阻影响的转移时间大致都在几μs左右，相比于电感其影响微乎其微，只要保证采用的IGBT模块具有较小的导通电阻即可。

3.2.2 IGBT开断单元开断过程

不同于第1阶段单纯的转移电流，该阶段的主要目的是开断故障电流，将电流从短路大小成功降为零。因此其工作过程又可以分为IGBT到缓冲电容C的换流阶段和LC谐振放能阶段。由于IGBT到缓冲电容C的换流阶段相当快，电流转移时间大致为纳秒级，近似为线性化，在此将重点引向分析LC谐振放能使电流降为零的阶段。在线性化换流阶段完成后，IGBT 处于关闭状态，电路中的总电感L与缓冲电容C会形成谐振放电。当Uc上升至谐振的峰值，回路中的电流i降为零，二极管D截止，将电容电压Uc钳位住，避免振荡的产生。谐振放电的等效电路见如下图所示。