厦门宏发电声股份有限公司、厦门市继电控制器件可靠性重点实验室、哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院的陈默、陆宁懿、翟国富，在2023年第8期《电工技术学报》上撰文，开发了用于DC 1500V光伏和储能系统的新一代两极直流塑壳断路器样机，提出了参差栅片排布和添加导流锥的气道优化设计方案。该优化方法有效降低了压力积聚，提升了气流场流速和电弧运动的速度，使电弧在初始阶段可以顺畅进入灭弧室，迅速抬升弧压，增强了断路器的限流和灭弧能力，对于DC 1500 V两极直流塑壳的设计开发具有很强的实践指导意义。

近几年，随着“碳达峰，碳中和”目标的提出，以光伏为代表的清洁能源迎来了新一轮的快速发展。其中，1500 V光伏发电技术因为可以有效提升功率密度，并降低电站成本和损耗，日益成为研究的热点。但随着电压的提升，对系统直流侧进行保护的难度也随之增加。

目前，在光伏系统中广泛使用的直流断路器并不是针对直流应用开发，而是简单通过增加极数、加长触点开距等手段对交流断路器进行改造。这使得1500 V光伏系统中使用的直流断路器多为四极结构，体积大且成本高，而温升、功耗和短路保护性能也不能完全满足系统的需求。因此，针对1500 V光伏系统的直流侧保护需求，开发一款小体积、高性能、低成本的直流专用断路器具有很高的应用价值和意义。

本次研究的DC 1500V塑壳式断路器，在行业内首次采用两极、单断点的结构，相较于传统的DC 1500V断路器的四极或双断点结构，体积、成本和温升等均有50 %以上的下降。

然而，一方面电压的升高需要更多空间来拉长、冷却和切割直流电弧，使电弧电压超过电源电压才能熄灭电弧；另一方面，体积的减小限制了电弧的拉长，同时在功率提升的情况下使得内部压力增大，让电弧运动不顺畅，不能快速限流并熄灭电弧。

总之，在电压和功率提升的前提下，如何合理地设计断路器的气道，使得在紧凑的结构中可以有效引导电弧拉长、冷却和切割，同时维持适宜的内部压力保持电弧流畅、快速地运动，是开发新一代DC 1500 V两极断路器需要解决的关键技术问题。

虽然DC 1500 V两极直流断路器逐渐成为低压电器领域研究的热点，但是目前针对其内部气动结构的实验和仿真研究都还处于起步阶段，国内外均未见到相关的研究成果发表。因此，利用磁流体电弧仿真结合实验验证来指导DC 1500 V两极直流塑壳断路器的气道优化设计，具有很高的创新性和实用价值。

厦门宏发电声股份有限公司等单位的研究人员针对1500V光伏和储能系统的需求，设计并发开了两极直流塑壳断路器，同时建立了其触头区域的局部二维磁流体电弧仿真模型，通过实验和仿真，对断路器设计不断优化。

研究人员通过实验分析发现，在分断DC 1500 V/15 kA，时间常数10 ms的直流系统时，两极直流断路器存在一个350 V的限流阈值电压。而减少电弧停滞时间，提升电弧运动能力，使电弧电压快速上升至阈值电压是提高限流和分断效果的关键。

他们指出，“凸”字型的栅片排布虽然有利于增强对电弧的磁吹效果，使电弧更快接触栅片，但是在栅片入口处的压力积聚让电弧不能被栅片切割，反而出现背后击穿使电弧在触点间隙重燃。此外，栅片的参差排布有效降低了栅片入口处的压强，使电弧运动更加顺畅，可以顺利被栅片切割从而快速提升弧压，达到更好的限流效果，且通过两种栅片布局的实验波形和高速摄像也验证了该优化方式的有效性。

研究者在仿真中发现，栅片出口与灭弧室底部之间会出现压力积聚的现象，阻碍电弧进入栅片。在压力积聚的位置引入了导流锥，仿真分析发现，导流锥对气流有强制导向作用，通过维持气流向同一方向稳定流动防止气流反复换向引起的压力积聚，让气压在灭弧室的分布更均匀，电弧也可以快速被栅片切割。实验验证了导流锥的有效性，高速摄像也证明了导流锥对气流的引导作用。

他们最后表示，利用多物理场磁流体仿真分析了电弧运动停滞的机理，有针对性地通过改变栅片排布和增加导流锥设计的方式，极大地提升了电弧在初始燃弧阶段的运动特性，让电弧可以更快被栅片切割。通过实验验证，优化后的1500 V两极直流塑壳断路器的弧压可以快速提升至限流阈值电压，实现更好的灭弧效果。

本工作成果发表在2023年第8期《电工技术学报》，论文标题为“基于电弧磁流体仿真的DC 1500V两极塑壳断路器气道优化设计”。