本发明公开了一种直流断路器及其使用方法，其中所述直流断路器包括主通支路MC、主断支路MB、能量吸收支路EA和辅助支路，所述主通支路MC由快速机械开关FD和负荷电流开关LCS串联构成；所述主断支路MB与主通支路MC并联，包括外部的二极管整流桥和内部基于半控器件的桥式电路；所述能量吸收支路EA包括基于半控器件的快速放电支路EA1和避雷器限压支路EA2；所述辅助支路由辅助电阻Raux和辅助开关Sw串联组成。该直流断路器可以实现快速重合闸和小电流的快速切除，同时具有关断容量大、切除速度快的优点。
1.一种直流断路器，其特征在于：所述直流断路器包括主通支路MC、主断支路MB、能量吸收支路EA和辅助支路，所述主通支路MC由快速机械开关FD和负荷电流开关LCS串联构成；
所述主断支路MB与主通支路MC并联，包括外部的二极管整流桥和内部基于半控器件的桥式电路；所述辅助支路由辅助电阻Raux和辅助开关Sw串联组成；
所述主断支路MB包括外部的二极管整流桥和内部基于半控器件的桥式电路，所述二极管整流桥的D1桥臂和D2桥臂共阴极连接，两者的阳极分别与主通支路MC的电流流入端和电流流出端连接；所述二极管整流桥的D3桥臂和D4桥臂共阳极连接，两者的阴极分别与主通支路MC的电流流入端和电流流出端连接；所述基于半控器件的桥式电路包括电感、电容和4个半控器件，4个半控器件分别标为Ta、Tb、Tc和Td，其中Ta和Tc串联，Tb和Td串联，Ta与Tb共阳极连接，Tc与Td共阴极连接，电感和电容串联后一端与Ta阴极即Tc阳极连接，一端与Tb阴极即Td阳极连接；所述桥式电路的Ta、Tb的共阳极与D1、D2的共阴极连接，Tc、Td的共阴极与D3、D4的共阳极连接；
所述能量吸收支路EA包括基于半控器件的快速放电支路EA1和避雷器限压支路EA2；基于半控器件的快速放电支路EA1包括半控器件Tf和放电电阻R4，EA1的一端与Tb的阴极连接，另一端与Ta的阴极连接；避雷器限压支路EA2包括避雷器MOV，电阻R3和二极管D5，MOV的一端与Ta的阴极连接，另一端与D5的阴极连接，D5的阳极接入电感、电容的连接点，R3与MOV并联；
所述辅助支路由辅助开关Sw和辅助电阻Raux串联组成；辅助支路的一端与二极管整流桥的D3、D4共阳极连接，另一端接地；辅助开关Sw由快速隔离开关或半控型器件组成。
2.根据权利要求1所述的一种直流断路器，其特征在于：所述负荷电流开关LCS由两组具备负荷电流关断能力的电流转移开关反向串联组成。
3.根据权利要求2所述的一种直流断路器，其特征在于：每组电流转移开关由具备电流关断能力的全控型器件与反并联的二极管共同组成。
4.根据权利要求1所述的一种直流断路器，其特征在于：所述半控型器件为具有可控导通能力而关断不可控的晶闸管。
5.权利要求1所述直流断路器的使用方法，其特征在于：在使用过程中，对电容预充电时需要发送半控器件触发信号，在转移电流时需要发送半控器件触发信号，在关断电流时需要发送半控器件触发信号；由于所述直流断路器拓扑的对称性，采取两种不同的触发组合方式：组合1和组合2；对于组合1而言，电容与充电触发指令将导通Ta和Td，电流转移触发指令将导通Ta和Tc，电流关断触发指令将导通Tb；对于组合2而言，电容预充电触发指令将导通Ta和Td，电流转移触发指令将导通Tb和Td，电流关断触发指令将导通Tc。
6.根据权利要求5所述直流断路器的使用方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：
步骤1、将直流断路器接入系统后，选定触发组合m，m＝1,2；闭合辅助开关Sw，根据所选触发组合m发送电容预充电触发指令，系统对电容充电；
电容电压之和超过系统电压后，充电电流不断减小，当充电电流小于半控器件的维持电流后，所导通的半控器件自然关断，关断Sw；线路故障属于偶然事件，直流断路器在大部分时间内处于待命状态，然而由于漏电流的存在，电容能量会缓慢耗散；当电容电压小于门槛值时，再次闭合Sw，根据所选定的触发组合m发送电容预充电触发指令，重新对电容充电；
步骤2、正常情况下，系统电流流经主通支路MC，由于主通支路MC的负荷电流开关仅提供电流转移电压，无需承受系统电压，该直流断路器具有很低的导通损耗；
步骤3、t1时刻发生直流线路故障，保护在t2检测出故障，立即根据步骤1所选触发组合m发送电流转移触发指令，同时关断负荷电流开关，电流开始向主断支路MB转移；
步骤4、t3时刻主通支路电流为0，此时无弧打开快速机械开关FD；
步骤5、t4时刻根据步骤1所选触发组合m发送电流关断触发指令；故障电流开始对电容反向充电，随着电容的充电，故障电流逐渐下降；当所需切除电流值较小时，除了发送电流关断触发指令，还要闭合辅助开关；辅助开关的闭合为电容提供了额外的充电电流，从而加快电容充电速度，也相应的提高了小电流的关断速度，等电流切除后再次打开辅助开关；为了在保证快速机械开关可靠恢复绝缘的同时，尽可能减小断路器的关断时间，需要合理选取t4的取值，t4最晚不超过快速机械开关完全恢复绝缘的时刻；
步骤6，电容电压一旦超过避雷器的参考电压，流过电容的故障电流迅速转移至EA2支路；由于避雷器的参考电压大于系统额定电压，系统电流会不断减小；当故障电流小于半控器件的维持电流时，电流通路中的半控器件自然关断；最终线路上的隔离开关将故障线路与系统其余部分隔离；
步骤7，故障线路被隔离开关断开后，导通Tf，电容通过电感、R4和Tf迅速放电；电容电压放电至零后，导通Ta和Td，电容电压重新被充电至系统电压；
步骤8，等待一定的线路绝缘恢复时间后，开始重合闸过程，向断路器发送电流转移触发指令；如果线路电流逐渐恢复正常，意味着故障已经清除，依次闭合快速机械开关和负荷电流开关，电流自动转移到主通支路，主断支路中的半控器件自然关断；如果线路电流再次快速上升并超过保护定值，意味着线路发生了永久性故障，则发送电流关断触发指令，直流断路器再次切除故障线路。
一种直流断路器及其使用方法
技术领域
[0001] 本发明涉及直流断路器领域，具体涉及一种直流断路器及其使用方法。
背景技术
[0002] 基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)的柔性直流输电技术在大规模分布式能源并网、异步电网互联和城市直流输配电等领域应用前景广阔。然而直流电网的直流故障电流上升速度快、幅值大，给直流系统的保护技术提出了更高的要求。基于直流断路器的故障清除技术可迅速隔离故障，保证系统非故障部分继续正常运行。
[0003] 目前的直流断路器主要可分为基于全控器件的直流断路器和基于半控器件的直流断路器。基于全控器件的直流断路器利用全控器件的电流关断能力，在电流转移到全控器件支路后可迅速关断故障电流，然而其关断容量受限于全控器件的饱和电流，关断容量有限，且成本极高。与全控器件相比，半控器件具备容量大、成本低、稳定性好等优点。由于半控器件不具备直接关断电流的能力，目前已有基于半控器件的直流断路器多利用预充电电容来关断半控器件。然而，额外的电容预充电电源将增加断路器的复杂度和成本；关断过程中故障电流会把电容充电至系统保护电压，这导致部分基于半控器件的直流断路器在切除小电流时的切除时间大大增加；关断完成后电容电压与关断前相比极性相反，为使断路器恢复关断能力，部分基于半控器件的直流断路器需要额外的电容电压恢复时间，这就导致难以实现快速重合闸。
发明内容
[0004] 本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种直流断路器，该直流断路器由半控器件、二极管、电容和电感组成，不含全控器件，具有成本低、导通损耗小、容量大的优点；该直流断路器利用线路电压对电容预充电，无需额外的预充电电源；该直流断路器利用辅助支路提供额外的电容充电电流，从而实现小电流的快速关断；该直流断路器具备快速重合闸能力。
[0005] 本发明的另一目的在于提供上述直流断路器的使用方法。
[0006] 本发明的目的可以通过如下技术方案实现：
[0007] 一种直流断路器，包括主通支路MC、主断支路MB、能量吸收支路EA和辅助支路，所述主通支路MC由快速机械开关FD和负荷电流开关LCS串联构成；所述主断支路MB与主通支路MC并联，包括外部的二极管整流桥和内部基于半控器件的桥式电路；所述能量吸收支路EA包括基于半控器件的快速放电支路EA1和避雷器限压支路EA2；所述辅助支路由辅助电阻Raux和辅助开关Sw串联组成。
[0008] 进一步地，所述负荷电流开关LCS由两组具备负荷电流关断能力的电流转移开关反向串联组成。
[0009] 进一步地，所述每组电流转移开关由具备电流关断能力的全控型器件(IGBT、IGCT等)与反并联的二极管共同组成。
[0010] 进一步地，所述主断支路MB包括外部的二极管整流桥和内部基于半控器件的桥式电路，所述二极管整流桥的D1桥臂和D2桥臂共阴极连接，两者的阳极分别与主通支路MC的电流流入端和电流流出端连接；所述二极管整流桥的D3桥臂和D4桥臂共阳极连接，两者的阴极分别与主通支路MC的电流流入端和电流流出端连接；所述基于半控器件的桥式电路包括电感、电容和4个半控器件，4个半控器件分别标为Ta、Tb、Tc和Td，其中Ta和Tc串联，Tb和Td串联，Ta与Tb共阳极连接，Tc与Td共阴极连接，电感和电容串联后一端与Ta阴极即Tc阳极连接，一端与Tb阴极即Td阳极连接；所述桥式电路的Ta、Tb的共阳极与D1、D2的共阴极连接，Tc、Td的共阴极与D3、D4的共阳极连接。
[0011] 进一步地，所述能量吸收支路EA包括基于半控器件的快速放电支路EA1和避雷器限压支路EA2；基于半控器件的快速放电支路EA1包括半控器件Tf和放电电阻R4，EA1的一端与Tb的阴极连接，另一端与Ta的阴极连接；避雷器限压支路EA2包括避雷器MOV，电阻R3和二极管D5，MOV的一端与Ta的阴极连接，另一端与D5的阴极连接，D5的阳极接入电感、电容的连接点，R3与MOV并联。
[0012] 进一步地，所述辅助支路包括辅助开关Sw和辅助电阻Rux串联组成；辅助支路的一端与二极管整流桥的D3、D4共阳极连接，另一端接地。辅助开关Sw由快速隔离开关或半控型器件组成。
[0013] 进一步地，所述半控型器件为具有可控导通能力而关断不可控的晶闸管。
[0014] 本发明的另一目的可以通过如下技术方案实现：
[0015] 一种直流断路器的使用方法，在使用过程中，对电容预充电时需要发送半控器件触发信号，在转移电流时需要发送半控器件触发信号，在关断电流时需要发送半控器件触发信号；由于所述直流断路器拓扑的对称性，能够采取如下表所示不同的触发组合方式：
[0016]
[0017]
[0018] 所述直流断路器的使用方法具体包括以下步骤：
[0019] 步骤1、将直流断路器接入系统后，选定触发组合m，m＝1,2；闭合辅助开关Sw，根据所选触发组合m发送电容预充电触发指令，系统对电容充电；
[0020] 电容电压之和超过系统电压后，充电电流不断减小，当充电电流小于半控器件的维持电流后，所导通的半控器件自然关断，关断Sw；线路故障属于偶然事件，直流断路器在大部分时间内处于待命状态，然而由于漏电流的存在，电容能量会缓慢耗散；当电容电压小于门槛值时，再次闭合Sw，根据所选定的触发组合m发送电容预充电触发指令，重新对电容充电；
[0021] 步骤2、正常情况下，系统电流流经主通支路MC，由于主通支路MC的负荷电流开关仅提供电流转移电压，无需承受系统电压，该直流断路器具有很低的导通损耗；
[0022] 步骤3、t1时发生直流线路故障，保护在t2检测出故障，立即根据步骤1所选触发组合m发送电流转移触发指令，同时关断负荷电流开关，电流开始向主断支路MB转移；
[0023] 步骤4、t3时刻主通支路电流为0，此时无弧打开快速机械开关FD；
[0024] 步骤5、t4时刻根据步骤1所选触发组合m发送电流关断触发指令；故障电流开始对电容反向充电，随着电容电压的充电，故障电流逐渐下降；当所需切除电流值较小时，除了发送电流关断触发指令，还要闭合辅助开关；辅助开关的闭合为电容提供了额外的充电电流，从而加快电容充电速度，也相应的提高了小电流的关断速度，等电流切除后再次打开辅助开关；为了在保证快速机械开关可靠恢复绝缘的同时，尽可能减小断路器的关断时间，需要合理选取t4的取值，t4最晚不超过快速机械开关完全恢复绝缘的时刻；
[0025] 步骤6，电容电压一旦超过避雷器的参考电压，流过电容的故障电流迅速转移至EA2支路；由于避雷器的参考电压大于系统额定电压，系统电流会不断减小；当故障电流小于半控器件的维持电流时，电流通路中的半控器件自然关断；最终线路上的隔离开关将故障线路与系统其余部分隔离；
[0026] 步骤7，故障线路被隔离开关断开后，导通Tf，电容通过电感、R4和Tf迅速放电；电容电压放电至零后，导通Ta和Td，电容电压重新被充电至系统电压；
[0027] 步骤8，等待一定的线路绝缘恢复时间后，开始重合闸过程，向断路器发送电流转移触发指令；如果线路电流逐渐恢复正常，意味着故障已经清除，可以依次闭合快速机械开关和负荷电流开关，电流自动转移到主通支路，主断支路中的半控器件自然关断；如果线路电流再次快速上升并超过保护定值，意味着线路发生了永久性故障，则发送电流关断触发指令，直流断路器可再次切除故障线路。由此可见，所提直流断路器具备快速重合闸能力。
[0028] 本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
[0029] 1、本发明提供的直流断路器，由二极管、半控器件、电感和电容组成，不含全控器件，具有成本低、关断容量大的优势。
[0030] 2、本发明提供的直流断路器，利用线路电压对电容预充电，无需额外的预充电电源。
[0031] 3、本发明提供的直流断路器，利用辅助支路提供额外的电容充电电流，从而实现小电流的快速关断。
[0032] 4、本发明提供的直流断路器，具有快速重合闸能力。
附图说明
[0033] 图1为本发明实施例提供的直流断路器的拓扑结构图。
具体实施方式
[0034] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0035] 实施例：
[0036] 本实施例提供了一种直流断路器，所述直流断路器拓扑如图1所示，包括主通支路MC、主断支路MB和辅助支路。所述主通支路包括负荷电流开关LCS和快速机械开关FD；所述主断支路与主通支路并联，包括外部的二极管整流桥和内部基于半控器件的桥式电路；所述辅助支路包括辅助电阻和辅助开关。
[0037] 其中，所述主通支路由负荷电流开关和快速机械开关串联组成；所述负荷电流开关由两组具备负荷电流关断能力的电流转移开关反向串联组成；每组电流转移开关由具备电流关断能力的IGBT、IGCT等全控型器件与反并联的二极管共同组成。
[0038] 所述主断支路包括外部的二极管整流桥和内部基于半控器件的桥式电路；所述二极管整流桥的D1桥臂和D2桥臂共阴极连接，两者的阳极分别与主通支路的左端和右端连接；所述二极管整流桥的D3桥臂和D4桥臂共阳极连接，两者的阴极分别与主通支路的左端和右端连接；所述基于半控器件的桥式电路包括电感、电容和4个半控器件，4个半控器件分别标为Ta、Tb、Tc和Td，其中Ta和Tc串联，Tb和Td串联，Ta与Tb共阳极连接，Tc与Td共阴极连接，电感和电容串联后一端与Ta阴极(Tc阳极)连接，一端与Tb阴极(Td阳极)连接；所述桥式电路的Ta、Tb的共阳极与D1、D2的共阴极连接，Tc、Td的共阴极与D3、D4的共阳极连接。
[0039] 所述能量吸收支路EA包括基于半控器件的快速放电支路EA1和避雷器限压支路EA2；基于半控器件的快速放电支路EA1包括半控器件Tf和放电电阻R4，EA1的一端与Tb的阴极连接，另一端与Ta的阴极连接；避雷器限压支路EA2包括避雷器MOV，电阻R3和二极管D5，MOV的一端与Ta的阴极连接，另一端与D5的阴极连接，D5的阳极接入电感、电容的连接点，R3与MOV并联。
[0040] 所述辅助支路由辅助电阻Raux和辅助开关Sw串联组成。所述辅助支路一端与二极管整流桥的D3、D4共阳极连接，另一端接地；所述辅助开关可由快速隔离开关或半控型器件组成。具体地，所述半控器件为具有可控导通能力而关断不可控的晶闸管。
[0041] 所述直流断路器在使用过程中，对电容预充电时需要发送半控器件触发信号，在转移电流时需要发送半控器件触发信号，在关断电流时需要发送半控器件触发信号。由于直流断路器拓扑的对称性，可以采取不同的触发组合方式，见表1。
[0042] 表1半控器件触发组合方式
[0043]触发组合 电容预充电触发指令 电流转移触发指令 电流关断触发指令
组合1 导通Ta、Td 导通Ta、Tc 导通Tb
组合2 导通Ta、Td 导通Tb、Td 导通Tc
[0044] 在本实施例中，以触发组合1为例，对所述直流断路器的使用方法进行说明。使用方法包括以下步骤：
[0045] 步骤1，将直流断路器接入系统后，选定触发组合1；闭合辅助开关Sw，根据所选触发组合1发送电容预充电触发指令，即导通Ta、Td，系统对电容充电，电容充电路径有两条：D1—Ta—C—L—Td—Sw—Raux；D2—Ta—C—L—Td—Sw—Raux；
[0046] 电容电压之和超过系统电压后，充电电流不断减小，当充电电流小于半控器件的维持电流后，所导通的半控器件自然关断，关断Sw；
[0047] 步骤2，正常情况下，系统电流流经主通支路，由于主通支路的负荷电流开关仅提供电流转移电压，无需承受系统电压，因此直流断路器具有很低的导通损耗；
[0048] 步骤3，t1时发生直流线路故障，保护在t2检测出故障，立即根据步骤1所选触发组合1发送电流转移触发指令，即导通Ta、Tc，同时关断负荷电流开关；电流开始向主断支路转移；
[0049] 步骤4，t3时刻主通支路电流为0，此时无弧打开快速机械开关FD；打开快速机械开关FD后，直流断路器内部的电流通路为：D1—Ta—Tc—D4；
[0050] 步骤5，t4时刻根据步骤1所选触发组合1发送电流关断触发指令，即导通Tb；电容通过电感L、晶闸管Ta、晶闸管Tb进行放电，电容放电电流与流过Ta的故障电流方向相反；t5时刻电容电流与故障电流相等，Ta电流减小为0且反向偏置，电容通过二极管整流桥进行放电；当Ta的反向偏置时间大于其关断时间时，Ta可靠关断；t6时刻电容电流再次等于故障电流，故障电流通过D1、Tb、L、Tc、D4对电容反向充电；随着电容的充电，故障电流逐渐减小；当所需切除电流值较小时，除了发送电流关断触发指令，还要闭合辅助开关Sw；辅助开关的闭合为电容提供了额外的充电电流，从而加快电容充电速度，相应的提高了小电流的关断速度，等电流切除后再次打开辅助开关。为了在保证快速机械开关可靠恢复绝缘的同时，尽可能减小断路器的关断时间，需要合理选取t4的取值，t4最晚不超过快速机械开关完全恢复绝缘的时刻。
[0051] 步骤6，电容电压一旦超过避雷器的参考电压，流过电容的故障电流迅速转移至EA2支路；由于避雷器的参考电压大于系统额定电压，系统电流会不断减小；t7时刻故障电流小于半控器件的维持电流，电流通路中的Tb、Tc自然关断；最终线路上的隔离开关将故障线路与系统其余部分隔离；
[0052] 步骤7，故障线路被隔离开关断开后，导通Tf，电容通过电感、R4和Tf迅速放电；电容电压放电至零后，导通Ta和Td，电容电压重新被充电至系统电压；步骤6，等待一定的线路绝缘恢复时间后，开始重合闸过程；如果线路电流逐渐恢复正常，意味着故障已经清除，可以依次闭合快速机械开关和负荷电流开关，电流自动转移到主通支路，主断支路中的Ta和Tc自然关断；如果线路电流再次快速上升并超过保护定值，意味着线路发生了永久性故障，则发送电流关断触发指令，即导通Tb，直流断路器可再次切除故障线路。由此可见，所提直流断路器具备快速重合闸能力。
[0053] 以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。
