基于智能模块的高压直流真空断路器研究
大连理工大学电气工程学院、沈阳工业大学电气工程学院、沈阳工业大学（营口）工程技术研究院的研究人员邹积岩、刘晓明、于德恩，在2015年第13期《电工技术学报》上撰文，作为能源互联网重要组成部分的智能电网近年来发展迅速，其中高压直流输电以交流系统不可替代的优点，在可再生能源如风电与光伏发电集电网等方面具有广泛的应用前景。但目前为止，担负着控制和保护双重任务的核心组件——高压直流断路器自主研发仍存在技术瓶颈。
本文通过高压直流短路开断的典型方案分析，提出了基于快速机构与联动关合的换流开断技术，给出由直流智能真空开关模块串联组成HVDC断路器的总体设计方案，为高压直流断路器的发展开辟一条新的路径。
在直流真空开关分断过程分析中，分别利用连续过渡模型、Farrall公式、击穿统计特性对直流真空断路器电弧强迫过零点弧后介质恢复前期、中期及后期进行数值仿真分析，并采用对照分析方法分析介质恢复各阶段主要影响因素及其效应。本研究引用交流系统智能真空开关模块串联开断的成功经验探索HVDC短路开断新的路径，并给出了直流电弧分断过程的零区分析，可指导直流真空开关模块的开发。
智能电网是能源互联网的重要组成部分，其中高压直流(HVDC)输电以交流系统不可替代的优点，在远距离大容量输电、风电与光伏发电集电网等领域方面得到广泛应用，是构架远距离、高传输节能、窄线路走廊、高运行可靠性智能电网的组成部分。
研究开发大容量远距离直流输电技术与装备已被列为《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）》能源重点领域中超大规模输配电和电网安全保障优先主题重点研究内容。
推进智能电网建设，依托智能模块等先进技术，发展高压大容量、高效率、远距离先进输电，增强远距离直流输电可靠性已融入国家战略。在高压领域，多端直流输电技术在20世纪60年代就被提出[1]。
进入21世纪以来，保护环境的呼声越来越高，如欧盟为了完成节能减排目标，需要可再生能源在2020 年达到能源份额的20%，因此需建设大量的海上风电场[2]和太阳能光伏电站。
为解决并网问题，人们重新提出高压直流输电网的概念[3]，其中包括区域直流输电网和区域互联直流网，欧洲甚至提出了“直流超网”（DC Super Grid）的规划[4]。
随着清洁能源和可再生能源的快速推广应用，各电压等级的直流系统以其固有的优点，成为能量传输的首选。海上风力发电技术、太阳能光伏发电技术和燃料电池发电技术的进一步发展和大规模应用，正促使直流系统向互联组网的方向发展[5]，在能源互联网中愈显重要。
在海上风电技术需求中，尤其是远海大规模风电场需要，中压直流集电网（MVDC Collector Grid ）的概念被提出并逐步走向应用[6-7]。
直流断路器是直流电力系统的核心组件之一，其基本功能是关合和开断电路，进而改变系统连接方式和拓扑结构，担负着控制和保护双重任务[8]。
直流开关作为直流电网、直流微网[9]灵活操作、故障时快速重构的重要部件，应用前景广阔[10]。但由于保护断路器缺失，HVDC 系统只能点对点输电，难以大规模互联组网，而短路保护几乎均靠变流前的交流侧断路器。因此，解决直流短路开断技术瓶颈对发展直流电力系统意义重大。
针对高压直流短路开断的相关理论与应用，本文分析并确定高压直流短路开断最佳方案及开关介质，即基于换流开断的中频真空开关；提出基于快速机构与联动关合的中压直流开断模块，给出基于智能模块串联组成高压直流断路器新方案。
主要解决换流回路拓扑重构与回路拓扑优化，开发基于电磁斥力驱动、永磁力保持、并具有联动关合功能的新型直流真空开关模块，给出基于直流模块串联开断机理，即多间隙串联开断直流更高电压等级高压断路器研发，为解决大容量远距离直流输电技术与装备中关键技术瓶颈扫除障碍。
在文中，作者指出，在进行基于智能模块串联技术的高压直流真空断路器设计与仿真前要解决如下研究：
1）高压直流串联开断的特征参数与表征。特征参数包括多模块的均压与动作同期性等，直流模块的分断电流频率比工频高一个数量级，因此要研究多直流开断模块的均压条件与交流的区别、动作同期性参数与冗余，得到具体而合理的指标。
2）基于换流技术的智能光控直流开关模块及其串联控制。处于高电位的直流模块转移回路需要足够的电能供应，移植工频智能光控模块的概念处理自具电源，重新分析与设计。高控制精度的模块结构设计与分析是研究重点。
3）智能模块串联的动态介质恢复过程仿真。与工频串联模块有统一的电流零点不同，基于换流技术的智能光控直流开关模块串联不单电流频率高一个数量级，过零点也不在同一瞬间。因此，首先要进行基于智能光控直流开关模块串联的高压直流开断系统仿真分析，完成仿真实验，指导实验样机的设计与制作，推进直流真空开关向高电压等级应用发展。
本文总结
分析了高压直流短路开断整体方案，提出基于快速机构与联动关合的换流开断技术，给出直流智能真空开关模块总体设计和典型参数选取。
结合作者在交流领域应用光控智能真空开关模块串联，组成新形式高电压断路器的经验，提出基于直流智能模块技术串联的高压直流断路器方案，为高压直流断路器探索一条新路径。该方案对未来智能电网直流组网策略制定具有指导作用。
基于多参数融合模型对直流真空断路器弧后介质恢复进行研究。利用连续过渡模型对介质恢复前期鞘层发展阶段进行分析，弧后触头间隙离子鞘层厚度呈指数趋势增长，并承受暂态恢复电压。
基于Farrall公式对介质恢复中期金属蒸气粒子衰减阶段进行分析，根据主回路中电流波形，完善分析模型，并作仿真分析，得到金属蒸气密度衰减规律。
基于击穿统计特性分析介质恢复后期静态耐压阶段，根据真空间隙击穿累积概率与电场应力之间的关系，得到不同间隙距离下，击穿累积概率随间隙两端电压变化的规律。