随着电网中的短路电流水平日益提高，短路电流峰值可达到100 kA以上，且短路电流上升速率di/dt极高，传统电力系统保护设备(如断路器和熔断器)的极限分断能力不足，且动作时间较长，难以满足短路故障发生时快速限流分断的要求，函待开展新型限流及开断技术的研究。

国内外已开展了多种原理的新型限流及开断技术研究，例如高速机械断路器技术、固态开关技术、新型快速熔断器技术、超导限流技术、混合型限流技术等。其中，混合型限流及开断技术是将几种技术有机结合的一种新型限流及开断技术，正常工作时额定电流从电阻为微欧量级的支路上流过，故障时通过并联支路来快速分断短路电流，因此其具有几种技术的优点，克服了它们单独套用时通态损耗大、分断速度慢、分断能力弱等缺点，具有广阔的套用前景。国内外针对混合型限流及开断技术开展了大量的设计、仿真、试验等工作，并已开发出多种成熟产品套用于实际电力系统保护中，本文将对主要的混合型限流及开断技术，即混合型限流断路器、混合型限流熔断器、混合型超导限流器和混合型液态金属限流器等进行分析。

混合型限流断路器按分断原理不同可分为自然换流型、强迫换流型、联合型3种，如右图所示。

3种混合型限流断路器原理图

3种混合型限流断路器在正常工作时的电流都是从机械开关上流过，主要区别在于电流分断时的工作方式不同。混合型限流断路器可用于关键节点的电路通断和保护，如发电机出口、电网跨接线等处，优点在于通流能力强、可重複使用。下面对3种混合型限流断路器分别进行介绍。

自然换流型限流断路器分断电流时，首先给右图(a)中机械开关分断信号，并且给固态开关发出导通信号，当机械开关触头分离产生的弧压超过固态开关导通压降后，其上的电流会被快速转换至固态开关支路上，然后由固态开关对电流进行快速分断。

美国先进电力系统中心((cAPs)和瑞士联邦技术学会联合研製了12 kV/2 kA中压直流系统用混合型限流断路器。该限流断路器由高速转换开关、桥式固态电路、高速分断开关, PTC电阻和负荷开关组成。仿真表明该断路器能将预期20 kA短路电流峰值限制到10 kA。由于单个GTO的耐压为4.5 kV，需要几个SEM单元串联来承受系统电压，均压技术是必须解决的关键技术，同时过于複杂的固态开关支路还增加了线路阻抗，给快速换流带来困难，因此均压和换流是该型装置在中压系统套用中的难点问题。瑞士ABB採用超高速斥力开关和IGCT并联研製了直流1.5 kV/4 kA混合型限流断路器，其斥力开关的动作延时小于300us,样机採用2个IGCT并联的桥式电路方案分断了5 kA的电流。荷兰Delft大学採用斥力开关和6组IGBT并联设计了直流600 V/6 kA混合型断路器，该断路器也只完成了额定6 kA电流分断，并无短路限流的要求。由于以上2种限流断路器的固态开关都採用了多个IGCT或IGBT并联，器件的均流问题使得这2种方案都难以开断几倍于额定电流的短路电流。日本三菱电气公司採用高速斥力开关和双向晶闸管并联研製出交流15 kV/600 A混合型断路器，该断路器利用交流电的自然过零点，使得晶闸管截止导通实现了12.5 kA电流的分断，由于晶闸管不是强迫关断的而是电流自然过零关断的，因此该断路器不能限制短路电流，只能承受短路电流并等待交流电流自然过零分断。

目前我国在该领域也开展了大量研究，东南大学针对交流4 kA/400 V低压场合设计了基于IGBT的混合型自动转换开关，对其进行了理论分析、仿真和试验。清华大学也开展了基于快速真空开关和GTO的混合型限流断路器研究工作，对换流过程的影响因素进行了分析和样机的小电流分断试验。浙江大学也设计了机械开关和IGBT阀组并联的直流限流断路器方案，对参数设计原则及複合开关的配置方法进行了详细的推导，并对其正确性进行仿真验证。海军工程大学设计直流限流断路器方案，利用了晶闸管可短时承受大过载能力的特性，採用快速晶闸管强迫关断技术实现了在短路电流上升段快速开断电流，克服了以往採用多个全控电力电子器件并联的混合型限流断路器分断高di/dt短路电流存在的均流和关断特性不一致难题。

综上，当固态开关中採用无自关断能力的晶闸管器件(无强迫关断电路)时，则只能用于有电流过零点的交流系统的电流开断，并无限流能力;如果晶闸管加装了强迫关断电路或採用具有自关断能力的GTO, IGBT, IGCT等器件时，则可用于交流或直流系统限流开断。

强迫换流型根据其分断电流时的工作原理不同又可分为2类:1)一种是首先给机械开关发分断信号，当机械开关触头开始分离后再给脉冲放电电路导通信号，放电电流会在机械开关上形成人工电流过零点，当机械开关电流过零时整个装置完成电流分断过程；2)另一种是在给机械开关发分断信号后，在机械开关触头开始分离前给脉冲放电电路导通信号，放电电流会在机械开关上形成人工电流过零点，通过控制脉冲放电开始的时刻来使得人工过零点和机械开关触头分离时刻刚好重合，即在零电流时打开机械开关的触头。

1998年日本三菱电气公司Kishida等人提出了採用真空快速开关的强迫换流型限流断路器方案，进行了交流200 V ,1.2 kA电流分断试验，快速开关的触头分离动作延时为0.4 ms在触头开始分离后不同时刻((0.1, 0.3, 0.6 ms)给放电迴路发导通信号，放电电流在快速开关上形成电流零点使其分断，该分断方法属于强迫换流型分断的第一种工作原理。试验中发现当快速开关上的电流在强迫过零点处的下降率超过一定值时，装置不能完成电流分断，文中并未给出其原因分析，但指出与分断电流的大小无关，该问题是此型装置需要解决的一个难点问题。另外，为了在2个方向都能给真空开关提供人工电流过零点，因此并联了2套脉冲电容放电迴路和电容充电迴路，这极大地加大了系统的複杂性，这也是它的缺点之一。

海军工程大学庄劲武等设计了一种基于强迫换流原理的新型混合型直流真空限流断路器。通过在高速真空开关两端并联反向续流二极体，使真空灭弧室在电弧电流强迫过零后因二极体的续流作用得到了近似零电压的介质恢复过程。设计方案将过电压的载入时刻后移，最佳化了真空灭弧室电流过零后的介质强度恢复环境，使真空开关得以在小间隙下分断高上升率的直流短路电流。设计了直流1 kV/400 A限流断路器样机并进行短路分断试验，该断路器可将初始上升率为5 A/}s的故障电流限流至2.5 kA以下。

对比以上各种自然换流型和强迫换流型限流断路器方案，可以归纳出自然换流型相比于强迫换流型的优点主要有:

1）限流断路器带电合闸时，固态开关可以先于机械开关导通，因此机械开关动触头的合闸弹跳不会在触头上产生拉弧。

2)不需要电容和电感组成的放电迴路。

而自然换流型的缺点有：

1）如果要分断高di/dt的短路电流，则固态开关支路电感需要儘量低，固态开关和机械开关的安装位置必须非常靠近，否则机械开关向固态开关换流时间将较长。

2)需要多个大功率GTO，IGBT或IGCT等器件串并联以满足高压大短路电流分断要求，器件的动态均压均流有难度，且总价格较高。

而自然换流型的缺点恰是强迫换流型的优点，此外，自然换流型还可以通过延长GTO, IGBT或IGCT的导通时间，来保证过电压出现时机械开关触头间介质不会被重击穿。因此，为了将自然换流型和强迫换流型优势更好地发挥出来，又有学者提出了将2种技术联合起来的联合型方案。

1)方案一

联合型也有多种方案，方案一是根据分断电流的大小不同採用2种工作方式，当需要分断额定电流以下的电流时採用自然换流型工作原理分断电流，当需要分断额定电流以上的大电流时採用强迫换流型工作原理分断电流。与单独的自然换流型相比，其可以分断短路电流的能力更强;与单独的强迫换流型相比，其不需要每次额定电流的分断也採用脉冲电路放电，节省了能量，并且在合闸特性方面具有了自然换流型的触头间无拉弧优点。

荷兰Delft大学于2007年提出了将自然换流型和强迫换流型联合起来的混合型限流断路器拓扑结构，如图所示。

荷兰Delft大学方案

该项目的最终目标是研製直流3 kV/7 kA的限流断路器样机。结构由自然换流型电路和强迫换流型电路2部分组成，自然换流型电路用来分断额定电流以下的电流，强迫换流型电路单独作用或联合作用来分断额定电流以上的大电流。自然换流型电路的固态开关由GTO（T6）和二极体(D6)组成;强迫换流型电路主要由C7, L7和T7组成，R8, T8用来限制C7两端的电压，L9, T9用来释放C7上储存的能量。联合作用的原理是，在给主开关S发出分断信号后，给GTO管T6发导通信号，使得主迴路电流换流到T6上，即自然换流工作过程，自然换流结束后给晶闸管T7发导通信号，C7的放电电流会首先将T6电流减小到零强迫关断，然后二极体D6导通续流，D6电流过零截止后C7, L7将串入主迴路中，强迫换流的作用是提供反向电流关断GTO。

2)方案二

海军工程大学针对现代舰船直流电力系统交流整流发电机保护面临的断路器发电机侧短路时需瞬时分断高上升率短路电流，以及断路器电网侧短路时需短延时后分断短路电流的要求不同这一问题，提出一种联合型真空直流断路器的拓扑结构，如右图所示。

海军工程大学方案

採用强迫换流关断原理关断髮电机侧短路时高上升率的短路电流，採用自然换流关断原理实现电网侧短路时短延时保护以及正常工作电流的分断。设计了直流1 kV/2.5 kA断路器样机，并进行了正、反向关断试验，实现了正向8 kA的自然换流关断和反向初始上升率为20 A/s的短路电流强迫换流关断。

以上3种混合型限流断路器在实际系统中各有其适合套用的範围，自然换流型受电力电子器件耐压限制，现有产品多套用于中低压系统。相对而言，强迫换流型利用电容放电迴路创造电流过零点，利于在高压场合的套用，但这种方式也有缺点，它需要额外脉冲关断电路且对触头动作速度要求较高。联合型方案一利用自然换流电路分断额定电流，用强迫换流电路分断故障电流，提高了整机的工作可靠性和使用寿命，但结构较为複杂;方案二则针对实际系统中2个方向限流分断要求的不同採用2种原理进行分断，有其独特的适用範围。

混合型限流熔断器是将高速开断技术与限流熔断器结合的一种限流开断装置，按故障检测方式的不同可分为电子测控型和电弧触髮型2种。混合型限流熔断器通常用于交流或直流大电流负载支路的过载或短路限流分断，一次保护动作后需要更换新部件，但部件所需成本较低。

电子测控型限流熔断器是较早出现的混合型限流熔断器，其方案如图所示。

电子测控型限流熔断器方案

由检测触发装置、高速开断器和灭弧熔断器等组成，额定电流从高速开断器上流过。短路发生时，电子式检测触发装置发出点火信号，引爆高速开断器内的炸药使其分断，将短路电流转移到灭弧熔断器上，灭弧熔断器迅速熔断并将电流切断。灭弧熔断器迅速熔断并将电流切断。

电子测控型限流熔断器的代表性产品有ABB公司的Is-Limner, Ferraz公司的Pyristor, G&W公司的CLip等产品。这类产品的额定电压达到了最高40.5 kV额定电流达到了最高5 kA，开断电流可达到200 kA以上，在国内外已有大量套用，主要套用于大型发电机出口、扩建或联网运行时的跨接排以及与电抗器并联组成限流方案。

由上述的电子测控型限流熔断器採用电流感测器和电子控制模组作为检测触发方式，整体结构较複杂，体积较大，因此有学者在其基础上提出了电弧触髮型限流熔断器方案。电弧触髮型限流熔断器按开断器驱动力的不同又可分为炸药驱动型和电磁斥力驱动型2种。

（1）基于炸药驱动开断器

电弧触髮型限流熔断器，其採用电弧触发器取代检测触发装置，省去了电流感测器和电子控制模组，直接利用短路电流的热效应作为短路检测和触发手段。电弧触发器内部为带有狭颈的熔体导电部件，发生短路时，熔体在短路电流作用下迅速熔断产生电弧，利用该电弧电压引爆高速开断器内的炸药。电弧触髮型限流熔断器极大提高了设备可靠性，无需控制电源、体积小、成本低，克服了电子测控型存在的问题。

电弧触髮型限流熔断器最早由美国G&W电力公司的H.M.Pflanz等人提出[}z}}，命名为PAF。採用该方案所研发的产品额定电压从交流2.8 kV至38 kV共6个等级，额定电流有200, 300, 400和600 A共4个等级，其最大额定电流只有600 A，无法满足1000 A以上的保护需求。海军工程大学也开展了电弧触髮型限流熔断器的关键技术研究，提出了一种扁矩形孔熔体结构的电流触发器结构，将电弧触发器的额定电流由G&W电力公司的600 A提高到3000 A，并研製了320 V/2500 A, 1200 V/1250 A和lOk V/2000 A等多种型号直流限流熔断器。

在前述电子测控型和电弧触髮型限流熔断器中，它们的高速开断器都是依靠炸药爆炸技术来进行驱动，其问题在于:1)炸药有使用寿命限制，会逐渐分解失效，需要定期进行更换;2)炸药耐温性差，对工作温度有严格限制;3)炸药爆炸分断开断器时噪音较大，且会产生火花。

（2）基于电磁斥力驱动开断器

为了克服炸药驱动开断器使用炸药带来的上述缺点，在图8限流熔断器基础上，海军工程大学发展了2种基于电磁斥力驱动型开断器的新型限流熔断器方案，分别是基于电磁斥力驱动铜桥型开断器的方案和基于电磁斥力驱动银片型开断器的方案。与原有电弧触髮型限流熔断器不同的是，该方案中的开断器採用电磁斥力技术替代炸药进行驱动，当短路发生时，电弧触发器给斥力驱动电路中的晶闸管触发信号，电容向斥力线圈注入一个大脉冲电流，斥力盘在电磁斥力作用下将开断器中的铜桥或开断器中的银片打断，实现开断器的快速分断。

随着Bi2223超导带材、YBCO超导薄膜和液态金属等新材料的出现和技术参数的不断提高，将此类新材料和快速机械开关等技术相结合形成了混合型限流技术发展的一个新方向，如混合型超导限流器和混合型液态金属限流器等方案。

韩国电力公司和韩国电力研究院开展了三相交流22.9 kV/630 A混合型超导限流器研发，其中超导材料分别採用了B 12223超导带材、YBCO超导薄膜2种方案，样机(宽3.8 mx深1.4 mx高2.3 m,2750 kg)在22.9 kV交流电网馈线支路上安装运行了一年以上，并进行了有效值12.5 kA交流短路限流试验。限流器由高温超导模组(HTS)、快速开关模组(FS}和限流阻抗(CLR)组成。HTS由9个AMSC 344超导元件(13 mmx8 m)并联而成，用于增强额定通流能力，HTS工作于77 K液氮环境中，并由单级GM制冷机冷却。正常工作时，额定电流从HTS和FS中的真空断路器(VI)上流过，故障发生时，短路电流使得HTS失超，HTS阻抗增大，电流被转移到并联的FS中的斥力驱动线圈上，斥力机构驱动VI分断，Short contactor接通，电流进一步转移到CLR支路上，由限流电抗器实现短路电流的限流。

混合型超导限流器的优点是HTS只在故障初期流过短路电流，HTS失超后电流将转移到并联支路，由CLR承担限流任务，与传统的电阻型超导限流器相比，HTS不承担限流任务，所需超导元件数量少、费用低，无耐受过电压要求、超导材料工作可靠性提高，失超恢复速度快，有利于快速重合闸。

近年来，一种以低熔点、无毒的金属合金稼锢锡为填充介质，基于自收缩效应的新型液态金属限流器开始受到人们的关注。在短路电流流过时液态金属会发生快速收缩现象，并能够产生电弧来限制短路电流，具有体积小、无可动部件、自触发和自恢复、全封闭免维护特点。西安交通大学在自研的液态金属限流器((LMCL)基础上，提出一种混合型液态金属限流器方案，即将LMCL与一个快速转换开关并联，如右图所示，进行了预期20 kA短路限流试验。

混合型液态金属限流器

该方案中大额定电流从快递转换开关上流过，故障发生时快速转换开关断开并将电流转移到LMCL上，由其快速起弧限流，克服了LMCL单独使用时额定电流仅为几百安的缺点。

1)整体方案设计。

自然换流型由于採用SCR, GTO, IGBT, IGCT等电力电子器件，单只器件耐压通常在10 kV以内，高压套用时需要多个器件串联，器件的同步控制和动态均压技术是发展难点，且多只器件串联要求机械开关的弧压高于器件串联导通压降才能进行电流转移，通常两者数值相差不大，增加了换流难度，需要对弧压、换流支路电感、电阻、电力电子器件压降等影响因素进行最佳化设计。此外，如果系统额定电流较大时，短路分断过程中电力电子器件可能承受较大的脉冲电流，需要机械开关的动作时间儘量短，以减小转移到固态开关并需要其分断的电流，防止电力电子器件击穿损坏。

强迫换流型相对于自然换流型，其利用电容放电迴路创造电流过零点，利于在高压场合的套用，但由于机械开关电流过零后需要很快承受过电压，因此对机械开关熄弧后的触头间的介质恢复特性要求较自然换流型更高，不宜採用空气介质，需要採用真空、SF6等绝缘介质，强迫换流下的介质恢复及分断可靠性有待进一步研究。

未来研究中可考虑将自然换流原理和强迫换流原理有机结合，或者採用SCR和IGBT串联的电力电子複合开关等新技术，或者採用压接型IGBT,加强型IGBT(IEGT), SiC等新型电力电子器件来设计新型限流断路器拓扑结构，採用EMTP,SABER等软体对机械开关、并联支路参数、整机控制策略进行最佳化设计。

2)高速机械开关设计。

混合型限流断路器开断电流的时间主要取决于其中的关键部件一一高速机械开关的动作时间，要使得它能在几百微秒内形成触头分离，几个毫秒的时间内形成足够的耐压开距，需要合理设计开关的断口及其配套的快速操动机构。为了中高压系统套用，断口可以採用真空或SF6气体为绝缘介质，并可设计适当的多断口串联以提高耐压。操动机构可採用电磁斥力驱动机构和永磁驱动机构并用方式，电磁斥力驱动机构用于满足短路分断时快速、可靠分闸，永磁驱动机构用于正常状态的断路器分合闸操作，以减小正常状态使用时对触头机构冲击，提高整机机械寿命。通过有限元分析软体ANSOFT对机械开关驱动电路进行仿真建模，分析斥力盘结构、线圈尺寸、驱动电容容量及工作电压对于机械开关的分断影响，最佳化参数。

3)介质恢复特性分析。

混合型限流断路器分断的可靠性还取决于过电压出现时机械开关中介质的恢复强度。介质恢复强度的影响因素包括触头打开过程中产生的电弧能量、触头打开的速度、触头上电流的下降率、过电压上升率、触头材料、结构及绝缘介质等。研究者可建立拆卸式灭弧室的电弧研究平台，利用合成迴路试验方式，并藉助于高速摄像机，研究不同影响因素下，机械开关触头分离过程中电弧形态演化和电弧电压特性，分析其介质恢复特性，并对整机的控制策略及参数设计提出要求。

1)电弧触发器设计。

混合型限流熔断器中触发器设计需要综合考虑额定通流和短路限流2方面要求，较大的额定通流需要触发器熔体截面较大，势必使得触发器短路限流的快速性不够，因此在触发器熔体结构设计上需要考虑改进开孔方案、狭颈长度、宽度、焊接带间距、填充物等因素，以提高狭颈的载流密度，保证触发器在大额定电流下仍具有较低的弧前值。

2)开断器设计。

在满足额定通流基础上，设计能够快速可靠断开的新型开断器结构，缩短初始起弧时间，提高电弧电压，快速熄灭电弧的方法。建立开断器开断过程数学模型，通过ANSYS, ANSOFT等软体仿真分析不同结构形式对于温升特性、分断特性的影响，对开断器的结构进行最佳化设计。

3)介质恢复特性分析。

从分析开断器中电弧的平衡态组成和基本属性入手，建立藕合电场、磁场、热场及流场变化複杂过程的电弧数学模型，基于所建立的电弧模型进行FLUENT仿真，结合高速摄像拍摄的电弧现象，得到开断器分断过程中电弧特性的规律性认识。

通过电弧重燃理论分析和介质恢複合成试验，研究开断器在不同燃弧能量、开断速度、介质恢复时间的介质恢复特性，提出改善介质恢复强度的方法，并对整机各组件参数的匹配性进行最佳化设计，保证限流熔断器分断的可靠性。

Bi2223, YBCO等超导材料在实际系统套用中对製冷设备有较高要求，需要複杂而昂贵的冷却系统保证其工作在超导状态，同时大电流系统需要多个超导元件并联，这就要求各超导元件能够均匀分布电流和失逾时具有失超一致性，此外由于失超后超导材料发热所产生的热量容易造成材料损坏，因此对超导材料失超保护技术也提出了很高要求。近年来以MgB2为代表的新型超导材料因具有较高的转变温度、良好的结构特性、较强的机械性能、快速的失超过程、较高的热传导率、相对低廉的製造成本、较好的临界电流密度和较高的电阻率、简单的製造工艺等优点，成为了超导故障限流器设计较理想的材料，下一步需要对其限流特性及工程套用方式作进一步研究。

混合型限流及开断技术经过多年的发展，国内外学者已设计出多种混合型限流断路器、混合型限流熔断器、混合型超导限流器和混合型液态金属限流器拓扑结构，并在电力系统实际套用中取得了成功。随着高速斥力开关、高速开断器、新型固态开关器件、超导材料、液态金属材料等新技术、新材料的蓬勃发展和技术参数的不断提高，将涌现出更多类型的技术方案，通过提高机械开关分断速度、换流速度、并联支路分断能力、整机介质恢复速度，混合型限流及开断技术必将在未来电力系统，特别是直流电力系统保护中具有广阔的套用前景。