蔣 原，李 擎?，苗 磊，呂 萌，武建文，陳明軒

1) 北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，北京 100083 2) 北京科技大學(xué)工業(yè)過程知識(shí)自動(dòng)化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083 3) 北京科技大學(xué)順德研究生院，佛山 528399 4) 北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100191 5) 三峽科技有限責(zé)任公司，北京 100031

面向未來，飛機(jī)的次級(jí)功率將從傳統(tǒng)的多能源體制（機(jī)械能、液壓能、氣壓能等）統(tǒng)一為電能體制，即多電飛機(jī).多電飛機(jī)具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、可維護(hù)性高和能源利用率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛采用電力作動(dòng)（Motor drives）、起動(dòng)/發(fā)電（Start/Generator，S/G）一體化、電除冰（Electric de-ice）和電防冰（Electric anti-ice）等技術(shù).

電能的廣泛應(yīng)用對(duì)于提高飛行系統(tǒng)的可靠性、容錯(cuò)能力、功率密度和飛行性能具有重要的意義.與此同時(shí)飛機(jī)的用電功率也大幅提高，傳統(tǒng)的400 Hz 恒頻交流電源和28 V 低壓直流電源已無法滿足用電需求.由此發(fā)展了容量和功率密度更高的航空360～800 Hz 變頻交流電源和270 V直流電源，但也帶來了電氣故障頻發(fā)、故障電弧不易熄滅等新的問題.電弧會(huì)使斷路器切斷故障電路的時(shí)間延長(zhǎng)，不僅造成用電設(shè)備過熱受損、存在火災(zāi)的隱患，還將對(duì)外輻射電磁干擾、影響導(dǎo)航裝置等機(jī)載設(shè)備工作，因此滅弧技術(shù)尤為關(guān)鍵.本文對(duì)多電飛機(jī)電力系統(tǒng)斷路器電弧機(jī)理與滅弧技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行歸納和梳理.

1 多電飛機(jī)電力系統(tǒng)

1.1 多電飛機(jī)電力系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

美國(guó)空軍自20 世紀(jì)90 年代初就提出在飛機(jī)上實(shí)現(xiàn)兆瓦級(jí)發(fā)電功率的目標(biāo)，并為此先后實(shí)施了“多電飛機(jī)”和“高功率飛機(jī)”等多項(xiàng)研發(fā)計(jì)劃；近年來國(guó)內(nèi)也在積極推進(jìn)多電飛機(jī)的研發(fā)工作，近年完成首飛的大型飛機(jī)“三劍客”—運(yùn)-20、AG600 和C919 均不同程度地采用了多電技術(shù)[1-4].典型的多電飛機(jī)電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示.

圖1 多電飛機(jī)的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Electrical power system of a more-electric aircraft

對(duì)于民用或大型運(yùn)輸多電飛機(jī)，目前最先進(jìn)的供電方案是發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)變頻發(fā)電機(jī)，產(chǎn)生頻率在中頻360～800 Hz 內(nèi)變化的交流電能.變頻交流電源系統(tǒng)由交流發(fā)電機(jī)單元和控制器單元構(gòu)成，交流發(fā)電機(jī)直接由發(fā)動(dòng)機(jī)附件傳動(dòng)機(jī)匣驅(qū)動(dòng)，不需要恒速傳動(dòng)機(jī)械裝置和恒頻電力電子變換裝置.其系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、體積小、功率密度高、可靠性高、壽命周期費(fèi)用低、維修性良好、能量轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn).諸多優(yōu)點(diǎn)使得變頻電力系統(tǒng)已經(jīng)在空客A380 和波音B787 等國(guó)際上最先進(jìn)的民用飛機(jī)中得到應(yīng)用.例如空客A320ME、A380 和波音B787 飛機(jī)的主發(fā)電機(jī)都使用了變頻變速的三相四線制交流供電系統(tǒng)，主發(fā)動(dòng)機(jī)（Main engine，ME）、輔助動(dòng)力系統(tǒng)（Aux power unit，APU）以及應(yīng)急渦輪發(fā)電機(jī)（Ram air turbine，RAT）等的功率如表1 所示[5].在國(guó)內(nèi)，重大項(xiàng)目“大飛機(jī)專項(xiàng)”也采用了變頻電源技術(shù)：我國(guó)自主研發(fā)的重型軍用運(yùn)輸飛機(jī)運(yùn)-20 采用了變頻發(fā)電系統(tǒng)；中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司主持研究的大型飛機(jī)C919，其大容量變頻發(fā)電系統(tǒng)采用了相電壓115 V/360～800 Hz 的方案.

表1 典型民用多電飛機(jī)的變頻電力系統(tǒng)Table 1 Variable frequency power supply system of a typical civil more-electric aircraft

當(dāng)前軍用多電飛機(jī)中最先進(jìn)的供電方案是270 V 直流系統(tǒng)，一般由開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)或者同步電動(dòng)機(jī)加整流器產(chǎn)生270 V 直流電源.例如美軍F-14A 戰(zhàn)斗機(jī)、S-3A 和P-3C 反潛機(jī)局部采用了270 V 直流供電技術(shù)，F(xiàn)-22、F-35 戰(zhàn)斗機(jī)以及RAH-66偵察/攻擊直升機(jī)則整體裝備了270 V 直流供電系統(tǒng)，具體參數(shù)如表2 所示[1].此外，我國(guó)第四代殲擊機(jī)也采用了直流電源系統(tǒng).在民用飛機(jī)上，波音公司的B787 飛機(jī)的主電源雖然采用變頻交流發(fā)電機(jī)，但通過自耦變壓整流器構(gòu)成了4×150 kW 的大功率±270 V 直流供電網(wǎng)絡(luò)，為電機(jī)控制器等電力電子裝置供電.

表2 典型軍用多電飛機(jī)的直流電力系統(tǒng)Table 2 270 V DC power supply system of a typical military moreelectric aircraft

1.2 多電飛機(jī)中的電氣故障及保護(hù)難點(diǎn)

多電飛機(jī)的電力系統(tǒng)一般包含發(fā)電、配電和用電三個(gè)環(huán)節(jié).以圖2 所示B787 飛機(jī)的電力系統(tǒng)為例，其發(fā)電環(huán)節(jié)包括4 臺(tái)變頻起動(dòng)發(fā)電機(jī)（Variable frequency starter generator，VFSG）、2 臺(tái)輔助起動(dòng)/發(fā)電機(jī)（Auxiliary starter generator，ASG）和1 臺(tái)沖壓空氣渦輪發(fā)電機(jī)（Ram air turbine，RAT）作為應(yīng)急發(fā)電機(jī)；配電環(huán)節(jié)由自耦變壓器（Auto-transformer unit，ATU）、變壓整流器（Transformer rectifier unit，TRU）、自耦變壓整流器（Auto-transformer rectifier unit，ATRU）分別形成變頻交流（Alternative current，AC）115 V、直流（Direct current，DC）270 V 和DC 28 V 網(wǎng)絡(luò)，各網(wǎng)絡(luò)分別連接對(duì)應(yīng)的匯流條；用電環(huán)節(jié)即負(fù)載，包括AC 和DC 負(fù)載，從相應(yīng)的匯流條取電[6]，匯流條上配有起控制作用的接觸器（Contactor，C）.隨著用電需求的增加，飛機(jī)的配電、用電網(wǎng)絡(luò)以及線纜布局也將變得更加復(fù)雜，電氣故障可能出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)的任何地方，如圖2 中紅色箭頭所示.特別是發(fā)生接地或短路故障時(shí)，短路電流及開斷過程產(chǎn)生的電弧對(duì)線纜、用電設(shè)備都將產(chǎn)生嚴(yán)重的危害[7-8].因此在發(fā)電、配電和用電環(huán)節(jié)中必須配備起到保護(hù)作用的斷路器（Breaker，B）.

圖2 B787 飛機(jī)的電氣結(jié)構(gòu)Fig.2 Electrical power structure of the B787

斷路器是指能夠自動(dòng)或者人工重復(fù)關(guān)合、承載和開斷正常電流、故障電流和故障電弧的大功率電器，具有控制和保護(hù)的雙重作用[9].由于航空供電系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境惡劣，斷路器開斷故障電流時(shí)更容易產(chǎn)生電弧，原因如下：供電傳輸線路有分布電感，加上電力作動(dòng)器等感性負(fù)載，開斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生很高的過電壓；機(jī)內(nèi)空間有限，要求其斷路器開距小，安全電壓閾值降低[10-13]；戰(zhàn)斗機(jī)飛行高度達(dá)到20 km 時(shí)，空氣壓力僅為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的5.5%左右，戶外潮濕且溫差大，斷路器的絕緣能力下降.由故障電流產(chǎn)生的電弧會(huì)使斷路器觸頭產(chǎn)生熔化的金屬橋、加劇觸頭的電磨損、破壞滅弧裝置的絕緣性能，如圖3 所示，這不僅嚴(yán)重影響斷路器的使用壽命和可靠性，還給機(jī)載設(shè)備用電帶來安全隱患[14-17].

圖3 電弧的危害.(a) 電弧帶來火災(zāi)隱患;(b) 電弧燒蝕斷路器觸頭表面Fig.3 Arc hazard: (a) fire hazards by arc;(b) ablated contact surface of circuit breaker by arc

由此可見航空斷路器的滅弧技術(shù)對(duì)于保證多電飛機(jī)安全飛行和可靠用電具有極其重要的意義，但同時(shí)也存在較大的技術(shù)難度.具體而言，對(duì)于航空變頻電力系統(tǒng)中的斷路器，中頻360～800 Hz頻率比工頻50 Hz 增加7～16 倍，使得電流過零時(shí)的變化率di/dt增加，導(dǎo)致電弧燃燒更穩(wěn)定，滅弧過程將更加困難[18].而對(duì)于270 V 直流系統(tǒng)中的斷路器，滅弧技術(shù)難點(diǎn)集中表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是直流系統(tǒng)沒有電流自然過零點(diǎn)，交流斷路器的滅弧原理和技術(shù)將不再適用；二是大量電力作動(dòng)器等感性負(fù)載中儲(chǔ)存著巨大的能量，故障電流被切斷后將產(chǎn)生極高的過電壓發(fā)生弧后擊穿放電，在空間有限的條件下顯著地增大了絕緣設(shè)計(jì)難度[19].

2 多電飛機(jī)斷路器的電弧機(jī)理與滅弧技術(shù)

多電飛機(jī)斷路器的核心部件是滅弧室.通過分析斷路器中電弧放電過程的復(fù)雜機(jī)理，以此優(yōu)化滅弧性能，既是提升多電飛機(jī)斷路器滅弧能力的關(guān)鍵，也是當(dāng)下電器學(xué)領(lǐng)域的前沿研究方向之一.

2.1 變頻交流斷路器的電弧機(jī)理與滅弧技術(shù)

針對(duì)航空變頻交流電力系統(tǒng)的電流故障保護(hù)，國(guó)內(nèi)尚無專用的斷路器，仍沿用空氣斷路器滅弧.其工作原理是使電弧在氣流場(chǎng)和磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)作用下從觸頭區(qū)域進(jìn)入滅弧區(qū)域，電弧被充分拉長(zhǎng)并被柵片切割，利用近極壓降效應(yīng)和冷卻作用熄弧[20-21].由于航空工作環(huán)境對(duì)部件的體積和重量有嚴(yán)格要求，“拉長(zhǎng)”電弧式電器的滅弧能力將極大地受限于滅弧裝置的尺寸，未來必將被取代.波音公司在B787 飛機(jī)中已經(jīng)使用了新型的變頻交流斷路器，具體滅弧技術(shù)方案尚未對(duì)國(guó)內(nèi)公開.

借鑒地面民用電力系統(tǒng)斷路器的使用經(jīng)驗(yàn)，相比空氣、SF6、油等常見滅弧介質(zhì)，真空斷路器更符合航空變頻360～800 Hz 電力系統(tǒng)的滅弧需求，體現(xiàn)在：（1）擴(kuò)散型真空電弧能量低、電流過零時(shí)載流子消散速度快、弧后介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)速度為kV·μs-1級(jí)，適合電流頻率提高的工況；（2）耐壓強(qiáng)度高，滅弧能力強(qiáng)，可靠性高，在35 kV 以下電壓等級(jí)的配電開關(guān)中所占份額多達(dá)90%；（3）體積和重量比同等開斷容量的空氣開關(guān)少30%以上；（4）接觸電阻為μΩ 級(jí)，功耗小于同電流等級(jí)下的固態(tài)功率控制器[22-23].

關(guān)于真空斷路器開斷故障電流產(chǎn)生中頻360～800 Hz 電弧的原因，目前認(rèn)為是由觸頭蒸發(fā)出的金屬蒸氣形成放電通道導(dǎo)致的，這一過程宏觀上和工頻50 Hz 電弧是類似的[24-25].但在微觀的電弧機(jī)理方面，由于頻率提高至360～800 Hz 引起燃弧半波和介質(zhì)恢復(fù)時(shí)間縮短，在等離子體滿足完全電離、準(zhǔn)中性、局部熱力學(xué)平衡、磁流體等效等基本假設(shè)條件下[26-27]，真空電弧的形態(tài)演變過程、弧后金屬蒸氣的來源以及等離子體的擴(kuò)散方式均發(fā)生改變[28-32]，使得工頻時(shí)的電弧形態(tài)劃分、陽極斑點(diǎn)、陽極燒蝕、弧后重?fù)舸┑冉?jīng)典理論不再完全適用[33-37]，因此眾多學(xué)者對(duì)中頻真空電弧展開了專門研究.

在中頻真空電弧燃弧特性的研究方面，文獻(xiàn)[38]分析了縱向磁場(chǎng)中的中頻真空電弧形態(tài)，認(rèn)為雖然陽極表面熔化，但產(chǎn)生陽極斑點(diǎn)的可能性很小，且電流頻率越高可能性越小.文獻(xiàn)[39]認(rèn)為當(dāng)電流頻率提高至中頻后，過渡態(tài)電弧隨著頻率的增加而出現(xiàn)更為集聚的外觀，由于電弧的演變及運(yùn)動(dòng)速度加快，接觸式探針法難以獲得有效的等離子體微觀參數(shù)，而利用非接觸式光譜法獲得電流峰值時(shí)刻的電子溫度為0.5～3 eV，電子密度為1020～5.3×1021m-3.由此可以解釋中頻真空電弧的燃弧特性，相比于工頻，電流頻率的提高使得過渡態(tài)弧柱內(nèi)部的電子溫度更低、電子密度更高，電流密度也因此提高，弧隙內(nèi)部和陽極瞬時(shí)輸入功率提高，說明半波輸入功率隨著頻率的增加而增大，也證明了過渡態(tài)電弧是中頻燃弧期間陽極燒蝕的重要來源.本項(xiàng)目組在航空中頻真空電弧燃弧機(jī)理深耕多年，發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)中小開距中頻真空電弧大多處于擴(kuò)散態(tài)，并未出現(xiàn)明顯的集聚態(tài)，觸頭表面也未發(fā)生嚴(yán)重的大面積熔化；中頻時(shí)縱磁觸頭內(nèi)電弧擴(kuò)散均勻，平板觸頭內(nèi)電弧活動(dòng)劇烈，根據(jù)Bennet 箍縮理論推斷壓力梯度是影響真空電弧形態(tài)和形成等離子體射流的主要原因，并仿真證明了電流過零時(shí)，觸頭中心區(qū)域磁場(chǎng)滯后更明顯，如圖4 所示，阻礙中頻真空電弧擴(kuò)散和熄滅[40].

圖4 中頻真空電弧的磁場(chǎng)仿真計(jì)算.(a) 中頻真空電弧區(qū)域的磁場(chǎng)分布;(b) 開距中間平面的磁場(chǎng)分布Fig.4 Magnetic field simulation of an intermediate-frequency vacuum arc: (a) magnetic field distribution in the intermediate-frequency vacuum arc region;(b) magnetic field distribution in the middle plane

在關(guān)于中頻真空電弧弧后過程研究方面，文獻(xiàn)[41]建立了考慮燃弧過程因素的連續(xù)過渡模型，發(fā)現(xiàn)隨著頻率增加，當(dāng)慢速離子占主導(dǎo)時(shí)，鞘層生長(zhǎng)較慢，不利于電弧熄滅.文獻(xiàn)[42]發(fā)現(xiàn)在燃弧電流峰值為23 kA、電流變化率為300 A·μs-1條件下，真空斷路器無法在電流零點(diǎn)可靠熄弧，且真空間隙的弧后介質(zhì)恢復(fù)過程存在一定的隨機(jī)性和分散性.本項(xiàng)目組的研究表明電流頻率為500 Hz時(shí)，隨著電流值增加，縱向磁場(chǎng)可使陰極斑點(diǎn)加速向外擴(kuò)散，開斷時(shí)間縮短；隨著頻率增加，中頻真空開關(guān)的開斷能力下降，開斷失敗后觸頭表面的燒蝕、金屬液滴噴射和電場(chǎng)集中等現(xiàn)象，與中頻真空電弧的擊穿點(diǎn)大概率出現(xiàn)在觸頭邊緣處聯(lián)系緊密[43-44].

上述研究工作主要關(guān)注了頻率提高后真空電弧的形態(tài)變化、熄滅條件、磁場(chǎng)調(diào)控及觸頭燒蝕等現(xiàn)象，對(duì)介質(zhì)恢復(fù)及弧后擊穿的機(jī)理研究較少.為進(jìn)一步深入研究中頻真空電弧的弧后過程，本項(xiàng)目組建立了考慮Stefan 流的金屬液滴蒸發(fā)相界面模型[45].研究發(fā)現(xiàn)中頻真空電弧發(fā)生弧后擊穿時(shí)，伴隨有大量金屬液滴從弧隙向外噴濺，如圖5 所示，圖中t代表拍攝電弧圖像的時(shí)間，i代表對(duì)應(yīng)的電弧電流），弧隙內(nèi)部壓力梯度約為7.9×104Pa·mm-1；金屬液滴的壽命為1.6～2.8 ms，影響壽命的因素有液滴半徑、噴射速度和滅弧室尺寸；金屬蒸氣的分布以液滴為中心向外遞減，蒸氣密度可達(dá)到2.2×1019m-3.上述關(guān)于金屬液滴蒸發(fā)情況的量化描述，為探明中頻條件下觸頭如何產(chǎn)生金屬液滴、金屬液滴噴濺如何受電弧放電影響以及金屬液滴噴濺如何影響中頻真空斷路器電弧熄滅能力等問題的機(jī)理提供了重要依據(jù).

圖5 中頻弧后擊穿過程中的金屬液滴噴射現(xiàn)象Fig.5 Metal droplet jetting during post-arc breakdown at intermediate frequency

綜上可以得到中頻真空電弧滅弧過程受以下因素影響：一是當(dāng)頻率增加時(shí)，相對(duì)小的電流值就會(huì)達(dá)到較大的電流變化率，如果認(rèn)為di/dt也有閾值，那么頻率增加將使電流開斷變得更為困難，同樣電流條件下電弧熄滅困難，滅弧能力將隨頻率增加而下降；二是隨著頻率增加，集膚效應(yīng)加強(qiáng)，引起電弧中心壓力增加、電弧更收縮和磁場(chǎng)大幅度滯后[40]，增強(qiáng)了電弧的穩(wěn)定性和能量密度，不利于電弧熄滅；三是由液滴蒸發(fā)的金屬蒸氣密度降低了中頻弧后介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度，不利于滅弧.

2.2 航空270V直流斷路器的電弧機(jī)理與滅弧技術(shù)

直流斷路器中的電弧可看作特殊條件下的交流電弧，由于直流系統(tǒng)沒有電流自然過零點(diǎn)，無法利用能量最低原理使電弧熄滅，需要額外的滅弧措施，因此在航空斷路器體積有限的條件下增加了滅弧難度.

美國(guó)軍方針對(duì)多電飛機(jī)270 V 直流斷路器電弧機(jī)理與滅弧技術(shù)的研究起步較早，Avionics Magazine 在題目為《270 V 直流斷路器/接觸器解決方案與成本性能問題》的技術(shù)報(bào)告中，首次介紹了美國(guó)LEACH 公司和GIGAVAC 公司聯(lián)合開發(fā)的可成功開斷10 倍過流的270 V 直流斷路器/接觸器，該斷路器/接觸器可用于航空航天領(lǐng)域，但使用何種滅弧方案未曾公開[19].

國(guó)內(nèi)關(guān)于直流270 V 斷路器電弧機(jī)理與滅弧技術(shù)的研究源于航天28 V 繼電器滅弧技術(shù)的基礎(chǔ)，常用的滅弧介質(zhì)包括空氣、氮?dú)?、氦氣、氫氣等氣體.空氣滅弧需要借助磁吹、柵片等滅弧結(jié)構(gòu)，本質(zhì)是拉長(zhǎng)電弧，利用近極壓降效應(yīng)和冷卻作用熄弧，特殊工況下體積受限；氮?dú)馐强諝獾闹饕煞?，穩(wěn)定性強(qiáng)，在滅弧室中產(chǎn)生充入氮?dú)馓岣邏毫?，利用吹弧原理滅?。缓馐且环N惰性氣體，化學(xué)性質(zhì)不活潑，利用其穩(wěn)定性強(qiáng)特點(diǎn)來滅弧，但一旦受激發(fā)可釋放He2+、HeH 等離子及分子，形成放電通道；氫氣與氮?dú)?、氦氣氣體相比，分子質(zhì)量輕、運(yùn)動(dòng)速度快，并且氫氣的導(dǎo)熱系數(shù)約為空氣導(dǎo)熱系數(shù)的6.69 倍，作為滅弧介質(zhì)，會(huì)有助于弧道的冷卻，氫氣的電弧電位梯度值約為空氣的5 倍，當(dāng)電流過零值瞬間，利于熄滅電弧[46].文獻(xiàn)[47]建立了航天用繼電器的電弧微觀模型，對(duì)局部熱力學(xué)平衡態(tài)和熱力學(xué)平衡態(tài)條件下氮?dú)饣祀s銅蒸氣、氧氣等雜質(zhì)時(shí)的電弧輸運(yùn)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)合電弧光譜分析，總結(jié)了航天密閉繼電器電弧的燃弧規(guī)律，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)這一研究領(lǐng)域的空白.更進(jìn)一步，文獻(xiàn)[48]和[49]建立了航天繼電器銀觸頭在氮?dú)?、氫氣、氦氣中形成電弧和熄滅電弧過程的磁流體動(dòng)力學(xué)（Magneto hydrodynamic，MHD）模型，結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究了抑制航天繼電器電弧的措施，研究表明對(duì)于航天28 V 直流系統(tǒng)，氫氣或者氫氣-氮?dú)饣旌蠚怏w是較為理想的滅弧介質(zhì)，配合永磁體吹弧，可以顯著提高繼電器的滅弧性能及觸頭使用壽命.

在上述航天繼電器氣體介質(zhì)滅弧研究的基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目組在密閉滅弧室內(nèi)對(duì)空氣、氫氣、氮?dú)?、氫?氮?dú)饣旌蠚怏w斷路器樣機(jī)進(jìn)行了直流270 V 電弧實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：當(dāng)實(shí)驗(yàn)條件為270 V/53 A 時(shí)，氫氣的燃弧時(shí)間僅為400 μs，空氣的燃弧時(shí)間達(dá)到1.6 ms，氫氣電弧的能量低于空氣電弧，利于滅??；氫氣-氮?dú)饣旌蠚怏w的最大開斷電流可達(dá)到1800 A，其熄滅電弧的能力遠(yuǎn)大于純氮?dú)鈁50-52].除對(duì)滅弧氣體進(jìn)行研究外，也有文獻(xiàn)對(duì)觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)、磁場(chǎng)吹弧、柵片等滅弧措施展開研究.文獻(xiàn)[53]研究了在直流270 V 橋式觸點(diǎn)斷路器中的電弧射流，通過仿真計(jì)算等離子體溫度分布和電流密度分布，認(rèn)為體積力和接觸面的共同作用是產(chǎn)生電弧射流的主要原因，為優(yōu)化直流270 V 氣體斷路器結(jié)構(gòu)提供了依據(jù).文獻(xiàn)[54]實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)外加橫向50 mT 磁場(chǎng)、觸點(diǎn)分?jǐn)嗨俣却笥?.2 m·s-1時(shí)，270 V 直流斷路器滅弧效果較好.文獻(xiàn)[55]通過實(shí)驗(yàn)獲得了較為理想的滅弧參數(shù)包括50 mT 的橫向磁感應(yīng)強(qiáng)度、0.5 m·s-1的觸點(diǎn)分?jǐn)喑跛俣取?4 片銅滅弧柵片以及3 mm 的開距.為進(jìn)一步提升航空270 V 直流條件下的滅弧性能，本項(xiàng)目組提出了一種耗散功率變化的Mayr 電弧修正模型，能夠準(zhǔn)確描述觸頭打開時(shí)電弧電壓及運(yùn)動(dòng)速度的動(dòng)態(tài)變化過程，為滅弧柵片和磁吹系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)[56].

除采用氣體介質(zhì)滅弧，近年也有學(xué)者將民用配電技術(shù)領(lǐng)域的直流滅弧技術(shù)應(yīng)用于航空270 V直流斷路器.根據(jù)關(guān)鍵開斷器件的不同，目前普遍應(yīng)用的直流斷路器分為三種：基于機(jī)械開關(guān)的強(qiáng)迫分?jǐn)嗍街绷鲾嗦菲?、全固態(tài)式直流斷路器、機(jī)械開關(guān)與固態(tài)開關(guān)結(jié)合的混合式直流斷路器[57].

強(qiáng)迫換流式斷路器主要依靠機(jī)械開關(guān)實(shí)現(xiàn)電路的開斷，利用諧振電流人工過零，形成瞬時(shí)電流過零點(diǎn)使電弧自然熄滅[58].針對(duì)航空270 V 直流滅弧，文獻(xiàn)[59]和[60]利用短間隙真空滅弧室進(jìn)行高頻開斷實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)強(qiáng)迫開斷時(shí)縱向磁場(chǎng)利于降低電弧能量.在與航空直流斷路器類似的船舶直流斷路器研究中，文獻(xiàn)[61]發(fā)現(xiàn)電流過零時(shí)刻的di/dt對(duì)電弧熄滅特性有顯著影響，di/dt過高，電弧在電流過零后難以熄滅.但強(qiáng)迫分?jǐn)嗍街绷鲾嗦菲鹘Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大，應(yīng)用于航空環(huán)境有較大難度.

全固態(tài)斷路器僅含有電力電子開關(guān)元件，可以實(shí)現(xiàn)快速開斷，是近年來成為直流配電斷路器的重要研究方向[62].文獻(xiàn)[63]設(shè)計(jì)了分?jǐn)喙收想娏鳛?0 A 的270 V 直流固態(tài)功率控制器樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試平均故障間隔時(shí)間為28762 h，但分?jǐn)?0 A故障電流在實(shí)際航空270 V 直流電力系統(tǒng)中應(yīng)用價(jià)值不大.目前通流能力弱、通態(tài)損耗大是制約全固態(tài)直流斷路器推廣的關(guān)鍵瓶頸.

自然換流混合式斷路器包括機(jī)械開關(guān)和電力電子開關(guān)兩種元件，綜合了以上二者的優(yōu)點(diǎn)：開關(guān)通態(tài)損耗小、開斷速度快、可靠性高、使用壽命長(zhǎng).文獻(xiàn)[64]研究了一種適用于270 V 直流電力系統(tǒng)的混合斷路器，仿真研究了換流時(shí)的能量緩沖和吸收過程，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了絕緣柵雙極型晶體管（Insulated gate bipolar transistor，IGBT）過載耐受力是決定混合斷路器滅弧成功的關(guān)鍵因素.本項(xiàng)目組提出的一種自然換流混合式斷路器，其結(jié)構(gòu)如圖6（a）所示，機(jī)械開關(guān)S 使用真空開關(guān)，固態(tài)開關(guān)支路中使用IGBT 器件T1作為換流元件；利用四個(gè)二極管D1～D4組成全橋整流電路，實(shí)現(xiàn)雙極性導(dǎo)通功能；由電阻R0和電容C0組成的緩沖支路配合壓敏電阻RV響應(yīng)動(dòng)作時(shí)間，可以有效減緩du/dt.仿真滅弧過程如圖6（b）所示，其中uCB為斷路器觸點(diǎn)間電壓，iCB為斷路器流過的總電流，故障電流從零時(shí)刻開始逐漸上升至1000 A，直流斷路器在15 ms 附近開始切斷電弧，當(dāng)iCB過零時(shí)，故障形成的電弧熄滅，uCB穩(wěn)定至270 V.

圖6 一種自然換流混合式斷路器.(a) 斷路器結(jié)構(gòu);(b) 滅弧過程的仿真Fig.6 Hybrid circuit breaker with natural commutation: (a) structure of the circuit breaker;(b) simulation of the arc-extinguishing process

3 結(jié)論與展望

多電飛機(jī)電力系統(tǒng)故障電流產(chǎn)生的電弧不僅嚴(yán)重影響線纜和用電設(shè)備的壽命和可靠性，還給安全飛行帶來巨大隱患.目前針對(duì)變頻交流電力系統(tǒng)，真空斷路器產(chǎn)生的電弧能量低、弧后介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)速度快，有較大的應(yīng)用潛力，關(guān)于中頻真空電弧機(jī)理及滅弧技術(shù)的研究是當(dāng)下熱點(diǎn)；而對(duì)于270 V 直流電力系統(tǒng)，由于沒有電流自然過零點(diǎn)，無法利用能量最低原理使電弧熄滅，需要額外的滅弧措施，因此在航空斷路器體積有限的條件下增加了滅弧難度.未來可從以下方面進(jìn)一步展開研究：

（1）密閉式直流斷路器體積小，將氫氣等介質(zhì)與物理手段相結(jié)合，具有較好的滅弧效果，可考慮在氣體介質(zhì)成分、滅弧觸點(diǎn)形式、磁場(chǎng)吹弧強(qiáng)度、滅弧柵片結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行電弧MHD 仿真與故障實(shí)驗(yàn)深度融合研究，以指導(dǎo)斷路器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提升滅弧能力.

（2）自然換流混合式斷路器通過主回路、固態(tài)支路及緩沖支路三者的動(dòng)作配合，可快速、有效分?jǐn)喙收想娏骱拖珉娀?，具備作為航空直流電力系統(tǒng)保護(hù)電器的潛力.分?jǐn)噙^程中電弧臨界發(fā)生條件、換流及升壓暫態(tài)特性、能量緩沖與吸收等過程的物理機(jī)制尚未完全掌握，還需深入研究.