直流断路器是城市轨道交通系统控制和保护的重要设备,其开断可靠性直接影响直流牵引供电系统运行安全。目前我国直流牵引系统使用的直流断路器主要为国外公司空气式直流断路器产品,存在开断时间长、灭弧栅片烧蚀严重等问题。现有中压混合式直流断路器主要采用自然换流,在大电流开断过程中存在换流困难、速度慢等问题,研究快速换流拓扑结构和调控方法对于混合式直流断路器高速分断具有重要意义。本文首先提出一种基于耦合电抗器的混合式直流断路器拓扑结构,通过分析其工作原理和工作过程,该拓扑结构可有效加速电流转移过程同时可实现真空开关无弧或少弧分断。其次,建立基于耦合电抗器的混合式直流断路器仿真模型,通过计算对比不同耦合电抗器参数对电流转移过程影响规律,得到在不同耦合系数和一、二次绕组电感量比值情况下的电流转移特性。然后,根据电流转移时间与真空开关固有分闸时间关系,得到真空开关无弧分断临界曲线,进而确定耦合电抗器参数取值范围。最后,结合工程实际初步确定拓扑结构所用耦合电抗器参数,耦合电抗器一、二次绕组电感量分别为150μH、20 μH,耦合系数为0.98时,可实现真空开关无弧分断。相比未加耦合电抗器,电流转移时间从1.4 ms缩短至0.5 ms,电流峰值从15.3 kA降低至11.8 kA,可进一步实现在更小电流下的开断,进而减少IGBTs并联数量,节约经济成本,同时保护设备安全。根据上述仿真参数,对其关键部位进行结构设计和器件选型,整机结构采用三层布局方案,实现了紧凑化设计。在上述研究基础上,搭建了基于耦合电抗器的混合式直流断路器实验平台,并在1.8 kV/10 kA直流实验平台下进行故障电流开断实验测试。实验结果表明:该结构相比于传统混合式直流断路器电流转移时间从283μs缩短至204 μs,故障电流峰值降低47%。仿真结果与实验结果误差范围在±5%以内,初步验证了基于耦合电抗器的混合式直流断路器有效性和可行性,为工程样机研制提供一定参考依据。