近年来，中压直流（Medium Voltage Direct Current, MVDC）被广泛应用于电力推进、轨道交通、海上风电场及智能电网等领域。在船舶动力领域，将动力和电力技术深度融合的综合电力系统（Integrated Power System, IPS）成为各国竞相研究的焦点，其核心思想即以电能作为基本能量形态，通过综合能量管理平台实现负载能量需求的动态分配。采用MVDC技术路线的IPS具有结构简单、高灵活性的优点，有利于降低电能损耗、提升传输效率、易于替代能源、储能、武器系统集成，优化系统整体性能，代表着国内外船舶动力领域的发展方向。

目前，直流断路器仍是解决直流故障保护问题的有效技术途径，基于快速直流断路器的保护方案，结合换流器及其他保护设备配合可以有效限制故障的进一步扩散，使系统具有更好的供电连续性和更强的生命力。与交流系统相比，直流系统的电流不存在自然过零点，因此直流开断的实现更加困难，一直以来是直流电网发展的瓶颈之一。

直流断路器的基本功能主要有：①稳定通流时，满足绝缘和温升要求，具有较低的通态损耗；②存在传感和控制单元，具有故障检测和逻辑判断功能，当发生短路故障时，快速制造电流的过零点，从导通态迅速过渡到绝缘态，并且在该过程不发生损坏；③电流截止后，承受过电压的冲击而不被击穿，快速耗散储存在系统电感中的巨大能量；④可以实现快速重合闸。

目前中压直流开断技术主要有熔断器、空气式断路器、固态断路器（Solid-State Circuit Breaker, SSCB）和混合型直流断路器（Hybrid DC Circuit Breaker, HDCCB）。

图1 船舶直流供电系统示意图

空气式直流断路器是由传统交流断路器发展而来的，已经相对成熟，产品化的纯机械式直流断路器，分断可靠性高，分断能力可高达百千安，在中低压城市轨道交通直流系统中已广泛使用，其原理是通过冷却、拉长、切割电弧，建立与系统电源电压相反的弧压实现限流和开断，电弧电压必须高于一定电压时电流才开始下降。

由于分断所需的弧压建立时间往往为ms级，因此其限流效果有限。同样基于电弧电压建立原理，熔断器可在短路发生时迅速起弧抑制电流上升，但由于一次动作后需要更换部件，从而增加了系统的维护成本。

SSCB和HDCCB应用了先进的固态开关技术，得益于固态开关开微秒级的分断速度，具有良好的限流效果，是目前电器科学领域研究的热点。

针对未来船舶中压直流电力系统大容量开断、快速限流的保护需求，浙江大学等单位的科研人员对中压限流开断技术的研究进展进行了梳理，重点调研了基于固态开关技术的SSCB和HDCCB的研究现状，并对它们应用于10kV/5kA系统中进行了工程和技术的可行性分析。

中压限流断路器的研制难点主要体现在其速动性及分断过程中较高的电流电压水平，对断路器各部件性能及配合提出了很高的要求，研制目标是要尽可能缩短开断时间，保证较高的开断可靠性的同时降低断路器的体积和成本。

图2 四触头并联高速机构结构和样机

科研人员最后总结指出：

1）固态直流断路器受限于功率器件的容量需要将电力开关串并联使用，由此带来了均流均压、可靠性降低、成本较高等一系列问题。功率器件的通态损耗较高需要冷却装置保证其常态的热平衡、导致断路器整机的体积较大，是其应用于空间狭窄的船舱中需要解决的主要问题。

SiC器件相较于Si器件具有一定的优势，但其在SSCB领域的应用尚处于新兴发展阶段，芯片电流等级无法满足中压大电流的开断需求。随着新材料、新工艺、新结构的涌现，相信该问题将会迎刃而解。

2）HDCCB兼具固态开关分断速度和机械开关低导通损耗的优点，是目前保护领域研究的热点之一，缺点主要有分断的环节较多、控制复杂、成本较高等。

科研人员对现有的针对性的研究成果进行了梳理，尽管有众多学者提出了许多新颖的拓扑结构，但大多数还处于仿真及小比例样机验证阶段。由于中压船舶直流供电系统对开断的快速性和可靠性有极高的要求，基于复杂的拓扑、多阶段控制的断路器反而可能不利于限流开断。

3）基于已有研究成果，对单向分断10kV/5kA新型强迫换流原理的HDCCB方案进行了设计，并对其工程应用可行性进行了分析，为开展更深层次的大容量中压快速直流开断的研究打下了基础，后续需要进一步攻克的关键部件主要有多触头并联机构、脉冲功率组件等，相关研究成果将在后续陆续报道。

以上研究成果发表在2021年《电工技术学报》增刊1，论文标题为“中压船舶直流供电系统限流开断技术”，作者为刘思奇、胡鹏飞 等。