真空开关因为其耐压强度高、介质恢复速度快，在很多直流开断的场合，常采用真空开关作为基本开断单元，利用强迫过零的原理实现直流电路的开断。文中对真空开关用于直流开断方面的研究进行综述，包括强迫过零真空直流开断的原理分析，真空断路器直流开断能力研究，尤其是关键开断参数，如恢复电压的d（包括电流下降阶段平均值以及电流开断时刻的瞬时值）以及开断电流幅值的极限及其相互关系；同时，对至今为止世界各国开发研制的典型直流开断装置的情况也进行了介绍；最后，对于未来真空直流开断在高压直流电网中的应用研究给出建议。
直流电路中的电流开断可以通过产生一个与系统电压相当或者更大的反向电压来使电流降到零。这个反向电压可以通过在电流回路中插入一个附加的电阻或者电抗来产生，直流系统中的能量也通过这个装置来耗散。反向电压越大，电流开断所需的时间就可以越短。中、低压直流断路器，可以利用电弧电压来限流，同时通过电弧来耗散系统能量。但是，对于高电压直流系统，由于电弧电压很难达到系统电压水平，这一方法已不再适用。
早期真空断路器开断直流电路主要用于核聚变装置，托克马克装置中利用将储存在一次线圈中的磁场能量耦合到等离子体中来加热热核反应等离子体，这个过程需要快速开断一次线圈中大的直流电流，有时甚至超过上百kA。
基于人工过零的真空直流开断方法的基本原理见图1。图1由载流支路、电流转移支路、能量吸收支路构成。载流开关真空开关VCB，电流转移支路由预充电的换流电容Cc、换流电感Lc和换流开关Sc串联构成。开断时，载流开关首先打开并在其电极间形成电弧，当电极达到一定开距时，闭合换流开关Sc，则换流电容通过换流电感和载流支路形成震荡回路，产生与载流支路中电流反向的高频震荡电流ic，使载流开关中的电弧在其电流被强迫过零时熄灭，并使电流转移至电流转移支路。随后换流电容被反向充电，当其电压超过避雷器动作电压时，电流逐渐转移至能量吸收支路，直至避雷器(MOV)电流过零，完成开断。有时，为了降低电流过零前的di/dt,还会在VCB支路上串连一个饱和电抗器。
对于真空断路器直流开断来说，首先最关心的问题就是，其关键开断参数的极限是多少？如恢复电压的du/dt，和电流变化率di/dt(包括电流下降阶段平均值以及电流开断时刻的瞬时值)。
人们开展了很多不同操作条件下的试验，但是他们通常的目的是要确定断路器电流开断能力或者寿命的极限值。在试验中，想要对电流变化率和电压变化率作用进行参数分析通常是无法实现的，给出的结果通常并不全面，只是通过实验达到的上限，并没有真正理解或者评估极限。尤其是对于开断过程电流变化率，这一参数被认为是描述断路器性能的关键参数，而且对在VCB中制造人工过零点的反向电流回路的设计有很大的影响。另一方面，文献中给出的不同研究者在不同条件下获得的di/dt的值有很大的分散性，这主要是因为之前的研究一直认为di/dt是一个独立的参数。
真空断路器的开断能力常用品质因数来度量，品质因数量值Ｍ定义为:M=(di/dt)(du/dt),这里电流导数为电流零点前瞬间的，而电压变化率为电流零点之后瞬间的，这一方法基于实验证据来标识开断能力，所以电流过零的速度越快则电流开断后的施加在电极间的电压的上升速率就必须降低。品质因数随着电极的磨损而降低，即随着燃弧时间和操作次数的增加而降低。表1汇总了真空断路器直流电流开断性能。
两种应用中的品质因数一个显著的不同(差两个数量级)是因为开断的电流不同。实际上，开断大电流(数十kA)决定了由于电极剧烈的加热(电极记忆效应)在电流零点电极间隙的中性粒子和离子的密度会更高，这将显著降低真空断路器电极间的绝缘强度的恢复，因此du/dt的值就必须要减小，同样di/dt也必须要降低，因为电流零点的离子密度也受电流转移时间(是指反向电流投入到真空灭弧室中电流过零，电流全部转移到反向回路的时间)的影响。当反向的瞬态恢复电压TRV出现在电极间隙，由离子产生的指向旧阳极(电压反向后是现在的阴极)一个高的电场会由场致发射引起间隙击穿。
1)对于大电流开断情况，电流零点的粒子密度更大程度上取决于开断的电流而非电流过零的变化率，所以通过增加电流转移时间来减小离子密度的作用会趋于饱和。这也可以解释在有些实验中采用饱和电抗器来降低电流零点电流变化率的作用为什么是非常有限的。
2)无论是模型仿真还是实验结果，均表明总的电流转移时间(对应着平均电流变化率)对开断能力有影响，与此同时，却很少有对利用饱和电抗器来改变电流过零点附近的电流变化率的作用的研究。实际上，在高压直流系统应用中，饱和电抗器似乎并没有显著的作用。
3)恢复电压上升率被证实是影响真空断路器电流开断能力的一个关键参数，减小电压变化率的做法对电流开断来说往往都是奏效的，因此饱和电抗器的作用更多的是作为一个磁缓冲器而非电流变化率的限制器。
因此可见，总电流转移时间(平均电流变化率)是影响真空断路器直流开断性能的一个关键参数，当然它并不像du/dt那么重要。
美国通用电气公司在20世纪70年代，针对基于人工过零原理，并利用真空断路器作为开断单元的方案开展了大量的研究工作。Greenwood A N等在他们的工作中建立了3台基于这一原理的断路器。第1台只用了一个真空灭弧室，电压水平大约为20 kV，其实验电路图见图2。
基于这一回路开展了大量试验，验证了人工过零原理可以满足高压直流开断的需求，而且真空灭弧室因为可以开断快速过零的电流以及电流过零后可以迅速恢复介质强度，非常适合于高压直流断路器。试验结果显示，在20 kV恢复电压下，单个真空灭弧室最少可以开断15 kA,通过并联还可以开断更大的直流电流。在他们的试验中通过3只真空灭弧室并联，开断电流达到23.5 kA。
同时，他们还对多个真空灭弧室串联来提高电压等级进行了实验研究，利用四个灭弧室串联，进行了80 kV的开断试验。其试验电路及实验断路器见图3。为了满足高压直流器系统对直流短路故障快速清除的需求，他们还开发了基于液压系统的高速操动机构。
除此之外，他们还开发了用于聚变应用的直流断路器，开断电流很大，但是不需要快速开断，所以采用了1台交流线个灭弧室并联使用，操动机构采用交流断路器原有机构。
随后，GE公司的Anderson J M和Carroll J J在模拟直流断路器试验回路上，利用额定电压45 kV的真空灭弧室，开展了深入的实验研究，为进一步探明真空灭弧室在直流断路器中详细的性能表现，希望获得真空灭弧室开断极限的相关信息。电路电流在5 ms左右可以上升到5 kA，电流转移后反向恢复电压在1 μs可上升到150 kV，正向恢复电压在50~60 μs达到110 kV，电流下降到零的速率可以控制在500~2 000 A/μs。同时还对饱和电抗器的作用进行了试验测试。试验结果表明，在恢复电压100 kV，真空灭弧室可以可靠开断8 kA，真空灭弧室的电极开距10 mm就足以满足开断需求。之后，Premerlani W J通过试验重点对真空灭弧室开断di/dt能力的极限进行统计分析，实验结果显示，在电流过零后1.5 μs恢复电压达到68 kV的条件下，电流过零前变化率660 A/μs，400 A/μs时在第1个电流零点开断的几率分别为16%和79%，而且在660 A/μs条件下第1个电流零点是否开断还和开断电流的大小有很大关系，而在400 A/μs条件下并非如此。从而说明，真空开关开断的能力和开断电流以及开断电流减小到零的时间有关，并非只有电流零点的di/dt最重要。
日本热核聚变装置JT-60加热线圈中直流电流，要求在恢复电压25 kV下开断电流达到100 kA以上，为了满足这一要求，日本原子能研究院、名古屋大学和东芝公司联合开发了采用真空灭弧室两串四并的方案来实现大电流直流开断，其断路器电路原理见图4。
在设计中，采用纵磁真空灭弧室，因为纵磁真空灭弧室其电弧电压具有正的伏安特性而且电弧电压比较稳定，这样可以保证在灭弧室并联情况下有很好的均流效果。同时在并联支路中引入串联阻抗来确保电流的平均分配，尤其是对于高频反向电流保证能够在4条并联支路中均匀分配。试验结果显示，这一断路器在44 kV恢复电压下可以成功开断130 kA。需要指出的是，在这一断路器中，并未采用高速操动机构，而且试验中的电流零点之前电流变化率di/dt150 A/μs。他们认为，在开断几十kA大电流情况下，由于电流过零时剩余等离子体密度更大，其(di/dt) (du/dt)特性将会降低。同时，试验还发现当两个真空灭弧室串联时，重击穿将得到极大抑制，即使施加在一个灭弧室上的电压加倍也未出现重击穿，而单个灭弧室时有重击穿出现。
Benfatto I等针对意大利聚变装置RFX的直流开断需求，利用单个纵向磁场线 kV恢复电压下，可靠开断55 kA直流电流。试验在CESI实验室的合成回路上进行。试验的di/dt最大达到600 A/μs。国际大电网会议
CIGRE于2014年成立了直流开关技术联合工作组（JWG A3/B4.34）,对各种直流断路器技术方案进行了对比分析，认为混合式直流断路器开断速度快、成本高，机械式直流断路器成本低，开断能力高，通态损耗小。日本三菱公司针对一个
4端HVDC电网的短路电流进行了仿真分析，并根据短路开断需求，采用单只70 kV真空灭弧室，研制了基于人工过零的高压真空直流断路器样机，试验电路见图5，其开断电流为16 kA。但在其HVDC电网的设计中加入了300 mH的直流电抗器，减缓了短路电流的上升速度，使短路后换流器直流电压跌落至系统额定电压80%的时间延长到大于10 ms。因此，在其HVDC CB的设计中未采用高速开断方案。但在HVDC电网中串入大的直流电抗器会使正常状态下的控制响应变慢。
HVDC CB单元样机，见图6。该样机采用了一种模块化的HVDC CB设计方案，研制的样机2015年11月在国家高压电器质量监督检验中心通过试验，电压等级110 kV的样机，成功开断12 kA电流，短路电流限制时间小于5 ms。
真空断路器具有介质恢复速度快、开断大的di/dt能力强的特点，这样可以提高反向电流的频率，不仅可使短路电流快速过零开断，也可以减小换流电容和换流电抗的体积和成本；另一方面，真空介质的绝缘水平高，承受同样的TIV时所需的电极开距小，因此可以减少从电极打开到投入反向电流的时间，从而缩短短路电流上升的时间。因此，在以上基于人工过零的HVDC CB设计中，采用真空断路器作为开断单元是一种非常适合的选择。
机械式和混合式高压直流断路器各有优势，鉴于中国已经开发出500 kV混合式直流断路器样机，但成本过高也影响未来大规模应用。相对来说，机械式直流断路器方案可以使成本大幅降低，也更容易实现直流断路器的完全自主知识产权，和完全国产化，目前也已经开发出110 kV样机，因此非常有必要开展机械式直流断路器关键技术研究。作者简介
贾申利(1968—)，男，教授，博士生导师。西安交通大学电气工程学院“领军学者”，2013年入选“杰青”，2014年入选国家“百千万人才工程”、“国家有突出贡献的专家及中青年专家”。主要研究方向为新型电力开关技术、脉冲功率及放电等离子体研究。担任国际真空放电及绝缘会议常设国际科技委员会委员，国际电流零点俱乐部委员，国际大电网会议CIGRE“先进直流开关技术工作组”委员，中国电工技术学会输变电设备专委会委员，电力行业高压开关设备及直流电源标准委员会委员。主持国家重大专项、国家自然科学基金项目、国际合作项目多项。“开关电器大容量开断关键技术及应用”获国家科技进步二等奖(第1完成人，2012年度)，“开关电弧等离子体特性和控制机理研究”获教育部自然科学一等奖(第1完成人，2010年度)。发表学术论文200余篇。
