介绍
直流配电系统供能密度高，线路损耗小，电能控制灵活，被认为是分布式可再生能源并网、新能源城市配电以及轨道交通等领域的最佳解决方案。随着配电容量的提升以及新能源并网的大规模发展，直流配电系统的电压等级也由低压发展到中压。直流负荷开关是实现直流配电网负荷快速投切的关键装备，在实际应用中一台断路器需要数十台以上的负荷开关配合，对系统可靠运行以及灵活调度起着十分重要的作用。传统的空气直流负荷开关主要基于机械灭弧原理，开断时间长（10ms以上）且主要应用于5kV及以下的直流系统，而基于全控型电力电子器件的混合式直流负荷开关成本昂贵，难以规模化应用。因此，10kV等级直流负荷开关尚没有经济、成熟的产品和技术可以借鉴，使得低成本、快速直流负荷开关的研发成为制约新能源直流配电系统推广应用的一大瓶颈。究其难点在于：缺乏低成本、可规模化应用的直流负荷电流开断新原理；新的直流负荷开关拓扑不使用全控型电力电子器件，导致电流转移与断口过零点制造困难；电流过零时断口间隙小，恢复电压上升速率高，断口弧后数μs内过电压耐受困难；存在支路同步隔离与杂散电感降低之间的矛盾。该项目历时8年，突破了中压直流配电系统负荷电流快速开断的关键技术，研发了兼顾技术性能和经济成本的10kV直流负荷开关产品并实现了产业化，填补了新能源直流配网经济型负荷开关产品的空白。主要发明点如下：
1.发明了经济型直流负荷开关拓扑结构，实现了电流转移及电能耗散过程的一体化，解决了传统混合式直流负荷开关转移环节多，成本高，难以规模化应用的难题。与传统开断方案相比，一次转移完成开断，电流截断时间小于1.5ms，成本较传统混合式直流负荷开关降低35%以上。
2.发明了磁耦合电流快速转移技术，通过低压电容对高饱和磁通的原边线圈放电，在副边线圈建立高达数倍电容电压的感应负压，进而直接导通高电压等级耗能避雷器，实现断口电流快速转移，全电流范围转移时间小于200μs，解决了低压充电电容导通高电压耗能避雷器实现电流转移与断口过零点制造的难题。
3.发明了基于电力电子续流的主断口零电压开断技术，使得直流开断工况下短间隙断口在高di/dt电流过零后立即进入零电压的恢复阶段，断口弧后10μs内可耐受20kV以上的开断过电压，解决了短间隙断口弧后耐受快速上升过电压的难题。
4.发明了兼顾支路隔离和低杂散电感的直流负荷开关柜体结构，实现了带电维护时主回路与转移支路的同步隔离，同时省去了专用的隔离开关，支路杂散电感减小40%，柜体体积降低30%，解决了支路同步隔离与杂散电感降低之间的矛盾。
研究成果授权美国专利2项，欧洲专利1项，国内发明专利12项，软件著作权1项；发表SCI/EI论文13篇，国际会议特邀报告3次。ABB公司评价：“提出的磁耦合电流转移技术是一种高效的中压直流开断方法，对实际工程应用具有重要的价值”。中国电力企业联合会组织的科技成果鉴定结论为“为中压直流配电网的灵活构建和安全运行提供了支撑，具有良好的社会和经济效益，项目成果达到了国际领先水平”。中国机械工业协会组织的产品鉴定结论为：“所开发的10kV/2kA直流金属封闭开关设备性能指标达到了国际领先水平”。
相关技术已推广应用到西电集团、平高集团、大全集团、ABB等多家单位。所开发的10kV/2kA直流负荷开关产品通过了权威机构的型式试验，并在首个国家重点研发计划江苏直流配电示范工程中成功夺标，率先实现批量应用，满足了10kV新能源城市直流配电对于经济型负荷开关的亟需，引领了国际直流配电技术的发展和进步；相关技术发明还推广应用于国网张北小二台柔直示范系统。据不完全统计，近三年仅西安西电高压开关有限责任公司和平高集团有限公司两家单位，新增销售额7158.5万元，新增利润1546.7万元。
