美国能源部橡树岭国家实验室的研究人员正在突破技术壁垒，研发速度更快的断路器，以支持和保护现代电网。橡树岭国家实验室团队研发的中压断路器能够以更低的成本处理更高水平的直流电，这一进步有助于降低未来的电力成本，并扩大负担过重的美国电网的容量。

首席研究员普拉萨德·坎杜拉表示： “缺乏直流中压断路器一直是电力输送灵活性的一大障碍。开发这项技术有助于确保电网安全可靠地运行，同时保证更多的能源供应，以支持我们不断增长的人口和经济。”

断路器是电网中的一项长期安全装置，当电流超过预期值或系统故障导致电流流向非预期路径时，断路器会自动中断电流。例如，如果电线接地，机械断路器或保险丝可以切断电流，从而降低火灾或断电的风险。

传统的断路器适用于交流电(AC)，这种电流在大部分电网中流通，并流入建筑物。交流电很容易断电，因为它每秒改变方向60次。但直流电(DC)只能朝一个方向流动。

“一旦使用直流电，‘零电流’时刻就消失了——没有它，机械开关就无法快速阻止故障，避免热量积聚并引发火灾，”ORNL 电网系统硬件组负责人坎杜拉说道。

为了解决这个问题，ORNL的研究人员正在设计并扩大一种新型半导体断路器的容量，其操作速度比机械开关快一百倍。这使得直流电在电网中的应用更加广泛，因为它因其效率、灵活性以及与现代能源和负载的兼容性而对能源系统设计师更具吸引力。

直流系统可以为人工智能数据中心等能源密集型经济发展项目提供更经济的电力。这是因为直流电在输电线中的阻力更小，传输过程中的能量损失更少。当电流无需在直流电力电子器件和交流电网之间转换时，可以避免额外的损耗。

综合考虑这些因素，仅直流系统会浪费更少的电力，从而增加电网容量并降低能源成本，同时更好地支持现代电网的多向电力流动。

中压断路器对于实现直流配电至关重要。直流系统依赖于快速响应的电力电子设备，而这些电子设备也需要同样快速的保护。半导体断路器为直流系统提供了速度和更高的安全性。传统的机械断路器依赖于物理间隙，这种间隙在阻止直流电方面效果较差，因为直流电很容易在具有爆炸能量的电弧中穿过间隙产生火花。为了避免电弧放电的可能性，可以通过基于半导体的装置引导电流，从而显著降低安全性和野火风险。

到目前为止，半导体断路器价格过高，既无法在经济上与交流电的机械断路器竞争，也无法促进直流电网的扩大使用。目前，没有哪种商用断路器能够处理2000伏以上的直流电压，大多数甚至达不到这个数字的一半。

Kandula 和他的团队着手寻找一种经济高效的解决方案来弥补这一性能差距。他们专注于一种更古老、业界认可的半导体——晶闸管。“我们选择了一种坚固、高效且价格低廉的基础技术，”Kandula 说。晶闸管价格实惠，足以让基于半导体的开关首次具备竞争力。

由于晶闸管无法直接“关断”，因此团队还必须设计一个外部电路来强制降低电流。在橡树岭国家实验室(ORNL)的电网研究创新与发展中心(GRID-C)，工程师们构建并测试了一个断路器原型，该原型能够在不到50微秒的时间内切断1400伏的电流——比之前演示的晶闸管速度快了4到6倍。这项研究发表在《2024年IEEE能源转换大会暨博览会》(ECCE)期刊上。

为了证明该技术可以扩展到处理更高的电压，研究人员将断路器串联起来，即在同一电路上一个接一个地连接起来。这种方法面临着几个技术挑战：首先，电压必须在所有断路器之间均匀分配，以防止任何单个设备过载和故障。其次，串联断路器的搭建不能延迟系统的快速反应时间。

ORNL的研究人员设计了解决方案，并在一系列高达1800伏的断路器中进行了测试。他们目前正在努力扩展该系列断路器，最终将电压提升至10000伏，以满足未来直流电网更大的能源需求。

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更多信息： Rajendra P. Kandula 等人，基于 SCR 的中压直流固态断路器，2024 年 IEEE 能源转换大会暨博览会 (ECCE) (2025)。