在全球能源转型的浪潮中，直流（DC）电网以其高效、灵活以及与现代能源系统的兼容性，越来越受到电力系统设计者的关注。然而，长期以来，缺乏适用于直流的中压断路器一直是限制其广泛应用的瓶颈。美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）近日宣布，其研究团队成功开发出一种低成本半导体基中压断路器，运行速度比机械开关快百倍，为直流电网的普及应用打开了新局面。
Prasad Kandula和Marcio Magri Kimpara对ORNL开发的中压断路器进行了测试，这些断路器使用经济实惠的半导体来保护使用直流电的电网系统。
在传统交流（AC）电网中，机械断路器利用电流过零点切断电路。然而，直流电流没有“零点”，使得机械开关在处理直流故障时反应迟缓，容易因热量积聚引发火灾等安全风险。ORNL电网系统硬件组负责人普拉萨德·坎杜拉（Prasad Kandula）表示：“直流系统中，‘零电流’时刻不存在，机械开关无法快速切断故障电流，这限制了直流电网的灵活性和安全性。”为应对这一挑战，ORNL团队转向半导体技术。相比机械开关，半导体器件能以更快的速度和更高的安全性处理直流系统中的故障电流。通过将电流迅速导引至半导体设备，系统不仅能有效避免电弧引发的爆炸风险，还能显著降低野火等安全隐患。
尽管半导体技术在速度和安全性上优势明显，但其高成本一直是推广直流电网的障碍。目前，美国市场上没有任何商用断路器能处理高于2000伏的直流电压，大多数甚至连1000伏都难以达到。为解决这一性能缺口，ORNL团队选择了一种行业成熟的低成本半导体——晶闸管（thyristor）。坎杜拉表示：“我们选用了一种坚固、高效且价格低廉的半导体技术，使半导体基断路器首次具备了与机械断路器竞争的经济性。”由于晶闸管本身无法直接“关闭”，研究团队设计了一种外部电路，强制降低电流。在ORNL的电网研究创新与发展中心（GRID-C），工程师们成功构建并测试了一款断路器原型。这款原型能在1400伏电压下，在不到50微秒内中断电流，速度比此前晶闸管技术快4到6倍。
为满足未来直流电网对更高电压的需求，ORNL团队进一步探索了断路器串联技术，即沿同一电气路径依次连接多个断路器。然而，这一方法面临技术难题：电压需在所有断路器间均匀分配，以避免单一器件过载失效；同时，串联设计还需保证系统快速反应的能力。通过实验室测试，研究人员成功设计出解决方案，并在1800伏的测试容量下验证了串联断路器的性能。目前，团队正致力于扩展串联断路器的数量，目标是将系统能力提升至10000伏，以满足未来直流电网的更大能源需求。
ORNL的这项突破为直流电网的普及扫清了障碍，也为电力系统的未来发展注入新动能。直流电网在效率、灵活性以及与新能源（如太阳能、风能）和现代负载（如电动车、数据中心）的兼容性上具有天然优势。随着低成本、高性能半导体断路器的问世，直流电网有望在全球能源转型中扮演更重要的角色。未来，ORNL团队将继续优化技术，探索更高电压和更广泛的应用场景。这不仅是一次技术突破，更是推动清洁能源和智能电网发展的关键一步。
原文链接：
https://www.smart-energy.com/industry-sectors/energy-grid-management/researchers-develop-lower-cost-semiconductor-based-mv-circuit-breakers/
作者：Yusuf Latief
本文已进行编译。
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