CN109873407A - 一种环形桥式多端口混合直流断路器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种环形桥式多端口混合直流断路器。当端口数为n，n为大于等于2的整数时，包括：一条上直流母线、一条下直流母线、n个晶闸管桥臂、n个二极管桥臂、一条主断流支路和n条旁通支路；每个晶闸管桥臂与一个二极管桥臂串联连接，组成串联电路，各个串联电路都与主断流支路并联连接，组成并联电路，并联电路的一端与上直流母线连接、另一端与下直流母线连接，每两个相邻的串联电路之间连接一条旁通支路，每个串联电路中的晶闸管桥臂和二极管桥臂的连接点处连接一个端口，该端口连接需要保护的器件或线路。本发明可以在保证同等开断能力情况下，可以减少所使用的全控型电力电子器件数目，节约实施成本，具备更加完善的断流能力。

Description

一种环形桥式多端口混合直流断路器

技术领域

本发明涉及直流断路器技术领域，尤其涉及一种环形桥式多端口混合直流断路器。

背景技术

柔性直流电网中的换流器以全控型IGBT为换流单元，采用脉宽调制技术，具备有功和无功解耦控制、传输容量大、无需滤波和无功补偿设备和可向孤岛供电等优点。它为可再生能源的集中规模化开发和大容量远距离输送、提升电网运行的灵活性和可靠性提供了有效的解决方案，在世界范围内正保持高速发展的趋势。柔性直流系统阻抗很小，直流侧发生故障时，故障电流通常在几毫秒内攀升至额定电流的数十倍，若不尽快隔离直流故障将对系统设备造成不可逆转的损害。采用直流断路器隔离直流故障可以保证系统在故障隔离过程中不断电运行，因此，直流断路器成为影响柔性直流电网发展的关键设备。

目前用于柔性直流电网的直流短路器大体可以分为三类，分别是基于常规开关的机械式直流断路器、基于纯固态电力电子器件的固态直流断路器和基于机械开关和全控电力电子开关结合的混合直流断路器。其中，混合直流断路器因其同时具备了机械开关的通流能力和固态开关的断流能力，具备较好的应用前景。

在针对混合直流断路器的研究中，近年来学者们提出了多端口混合直流断路器的概念。其基本思路是将连接在同一直流母线上的多个混合直流断路器进行重新组合和统一控制，使用一条共用的主断流支路来实现多条线路故障电流的开断。由于单个混合直流断路器的成本主要来源于其主断流支路，采用多端口混合直流断路器可以极大地减少主断流支路中全控电力电子开关的使用个数，从而降低直流断路器的总体实施成本。但由于设计的缺陷，现有的多端口直流断路器为尽量减少器件的使用个数，从而牺牲了直流断路器的部分断流功能。总体来说，目前混合直流断路器领域亟需解决的技术问题是如何在保持完善的断流性能的前提下降低混合直流断路器的实施成本。

图1为现有技术中的一种多端口直流断路器的典型拓扑示意图。通常包含两条直流母线和三类支路：旁通支路、主断流支路和选择支路。正常运行时，仅有旁通支路导通，主断流支路和选择支路处于断开状态。当端口1故障时，导通选择支路1；则旁通支路1、主直流断路器和选择支路1共同构成了一个典型的两端口混合直流断路器，用于阻断端口1的故障电流。

选择支路的设计决定了多端口混合直流断路器的断流性能以及经济性。根据直流断路器的基本工作原理，多端口直流断路器的选择支路应当满足以下条件。

1)由于要阻断双向故障电流，因此选择支路应当满足双向电流流通功能；为使得故障电流流经主直流断路器，所有的选择支路之间的电流在任何情况下不能够双向流动，否则会导致故障换流失败；

2)在主断流支路开断瞬间，两直流母线间会出现极大的关断过电压。此时，由于选择支路一端连接在通流直流母线上，另一端连接在断流直流母线上，因此，选择支路上将出现相同大小的过电压。由于流过主直流断路器的电流是双向的，该过电压可能是正向的，也可能是反向的。因此，选择支路要能够承受正反向的关断过电压；

3)考虑到直流断路器的经济性，选择支路应当使用尽量低的成本。

现有的多端口混合直流断路器的选择支路的设计方案包括以下几种。

1)以单向旁通支路为选择支路，如图2所示，图2a表示原始拓扑，图2b表示变形后的拓扑。该方案的缺点为：主直流断路器和选择支路为单向，因此不具备上直流母线的故障断流功能。

2)以单向二极管为选择支路，如图3所示，图3a表示原始拓扑，图3b表示变形后的拓扑。该方案的缺点为：主断流支路和选择支路为单向，缺失反向故障电流阻断能力和母线故障电流阻断能力。

3)以单向串联晶闸管为选择支路，如图4所示，图4a表示原始拓扑，图4b表示变形后的拓扑。该方案的缺点为：主断流支路和选择支路为单向，缺失反向故障电流阻断能力和母线故障电流阻断能力。

4)以单向晶闸管和一个主断流单元为选择支路。该方案的缺点为：选择支路不具备耐受双向关断过电压能力，在阻断反向电流时直流断路器器件容易被关断过电压损坏。

可以看出，现有技术中的多端口直流断路器为尽量减少器件的使用个数，从而牺牲了直流断路器的部分断流功能。

发明内容

本发明的实施例提供了一种环形桥式多端口混合直流断路器，以克服现有技术的问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种环形桥式多端口混合直流断路器，当端口数为n，n为大于等于2的整数时，包括：一条上直流母线、一条下直流母线、n个晶闸管桥臂、n个二极管桥臂、一条主断流支路和n条旁通支路；

每个晶闸管桥臂与一个二极管桥臂串联连接，组成串联电路，各个串联电路都与主断流支路并联连接，组成并联电路，所述并联电路的一端与上直流母线连接、另一端与下直流母线连接，每两个相邻的串联电路之间连接一条旁通支路，每个串联电路中的晶闸管桥臂和二极管桥臂的连接点处连接一个端口，该端口连接需要保护的器件或线路；

所有的旁通支路连接成环，在正常运行模式中为系统电流提供双向通流路径，所有的晶闸管桥臂、二极管桥臂和主断流支路共同构成桥式电路，在故障断流模式和重合闸模式中为故障电流提供双向流通路径。

优选地，所述旁通支路的两端分别连接在相邻的串联电路中的晶闸管桥臂和二极管桥臂的公共连接点上。

优选地，所述晶闸管桥臂由多个晶闸管同向串联而成，所述二极管桥臂由多个二极管同向串联而成。

优选地，所述直流断路器安装在具有多条出线的直流节点或直流母线处，当所述直流节点或直流母线处于系统正极时，位于最上部的晶闸管桥臂的阴极与上直流母线相连，位于最下部的晶闸管桥臂的阳极与位于最上部的二极管桥臂的阴极相连，位于最下部的二极管桥臂的阳极与下直流母线相连；

当所述直流节点或直流母线处于系统负极时，位于最上部的二极管桥臂的阴极与上直流母线相连，位于最下部的二极管桥臂的阳极与位于最上部的晶闸管桥臂的阴极相连，位于最下部的晶闸管桥臂的阳极与下直流母线相连。

优选地，所述主断流支路包括多个串联连接的断流单元，每个断流单元由多个带反并联二极管的全控电力电子开关同向串联之后与一个金属氧化物避雷器并联而成，断流单元中的全控电力电子开关的电流仅从上直流母线流向下直流母线。

优选地，所述旁通支路由一个快速机械开关和一个负载转移开关串联而成，所述负载转移开关由两个带反并联二极管的全控电力电子开关反向串联组成。

优选地，所述多端口混合直流断路器的运行模式包括：正常运行模式、故障断流模式和重合闸模式；

当所述多端口混合直流断路器处于正常运行模式时，所有的晶闸管桥臂和主断流支路都处于断开状态，所有的旁通支路处于导通状态，工作电流仅流经旁通支路。

优选地，当所述多端口混合直流断路器处于故障断流模式时，将发生故障的端口称作故障端口，其余端口称作非故障端口，所述多端口混合直流断路器先后经过故障电流检测阶段、故障电流转移阶段和故障能量耗散阶段；

在所述故障电流检测阶段的处理过程包括：端口发生故障、直流电网保护装置检测到故障并向断路器发出故障端口的开断指令，所述多端口混合直流断路器断路器仍保持系统无故障运行状态，非故障端口仅通过旁通支路向故障端口注入电流；

在所述故障电流转移阶段的处理过程包括：所述多端口混合直流断路器断路器收到故障端口的开断指令后，导通所有串联电路中的晶闸管桥臂，并导通主断流支路中的全控电力电子开关；闭锁与故障端口相连的两条旁通支路上的负载转移开关，当流过所述与故障端口相连的两条旁通支路上的电流下降到零时，分断所述与故障端口相连的两条旁通支路上的快速机械开关；

在所述故障能量耗散阶段的处理过程包括：当与故障端口相连的两条旁通支路上的快速机械开关触头达到额定开距后，闭锁主断流支路上的所有全控电力电子开关，产生的关断过电压击穿与全控电力电子开关并联的避雷器，故障电流将被转移到避雷器中，故障能量通过避雷器耗散，故障电流逐渐下降至零。

优选地，当所述多端口混合直流断路器处于重合闸模式时，处理过程包括三个步骤：

步骤一：导通所有串联电路中的晶闸管桥臂，导通主断流支路上的全控电力电子开关；

步骤二：在步骤一后，若所述多端口混合直流断路器中出现冲击过电流，说明待重合端口线路存在故障，重新关断主断流支路上的全控电力电子开关；待所述冲击过电流下降为零后，打开故障端口处的隔离刀闸，对故障端口进行物理隔离；

步骤三：在步骤一后，若断路器没有出现冲击过电流，说明待重合端口线路上无故障，闭合待重合端口连接的两条旁通支路上的快速机械开关，导通故障端口连接的两条旁通支路上的负载转移开关，关断主断流支路上的全控电力电子开关和晶闸管桥臂，所述多端口混合直流断路器恢复到正常运行模式。

优选地，当所述多端口混合直流断路器中出现多个端口故障时，将每个故障端口同时隔离，主断流支路承载所有故障端口的故障电流的总和。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例的多端口混合直流断路器与采用单个混合直流断路器的方案相比，在保证同等开断能力情况下，可以大大减少所使用的全控型电力电子器件数目，节约实施成本。本方案与现有的混合直流断路器相比，采用了更少数目的全控型电力电子器件，具备更加完善的断流能力，能够解决现有多端口混合直流断路器难以应对的反向负载电流开断和母线故障电流开断问题。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的一种多端口直流断路器的典型拓扑示意图；

图2为现有技术中的一种以单向旁通支路为选择支路的示意图；

图3为现有技术中的一种以单向二极管为选择支路的示意图；

图4为现有技术中的一种以单向串联晶闸管为选择支路的示意图；

图5为本发明实施例提供的一种环形桥式多端口混合直流断路器的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种环形桥式多端口混合直流断路器中断流单元的电路结构图；

图7为本发明实例提供的一种环形桥式多端口混合直流断路器中旁通支路的电路结构图；

图8为本发明实例提供的一种环形桥式多端口混合直流断路器的电路结构图；

图9为本发明实施例的多端口混合直流断路器在正极接地系统中一个具有4条出线的直流节点上的安装方式示意图；

图10为本发明实施例的多端口混合直流断路器在负极接地系统中一个具有4条出线的直流节点上的安装方式示意图；

图11为本发明实施例的多端口混合直流断路器在正常运行模式下的阶段电流流向示意图；

图12为本发明实施例的多端口混合直流断路器在故障断流模式下的故障检测阶段的电流流向示意图；

图13为本发明实施例的多端口混合直流断路器在故障断流模式下的故障电流转移阶段的电流流向示意图；

图14为本发明实施例的多端口混合直流断路器在故障断流模式下的故障能量耗散阶段的电流流向示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以多个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

实施例一

针对现有技术中的问题，本发明提供一种环形桥式多端口混合直流断路器方案，在保留混合直流断路器的开断能力的情况下，减少柔性直流电网中采用混合直流断路器进行保护时所需要的全控型电力电子器件数目，降低了混合直流断路器的实施成本。

本发明实施例提供的一种环形桥式多端口混合直流断路器的结构示意图如图5所示。n(n为大于等于2的整数)端口的该直流断路器包含一条上直流母线、一条下直流母线、n个晶闸管桥臂、n个二极管桥臂、一条主断流支路和n条旁通支路。

这些支路的连接方式如下。

每个晶闸管桥臂与一个二极管桥臂串联连接，组成串联电路，各个串联电路都与主断流支路并联连接，组成并联电路，所述并联电路的一端与上直流母线连接、另一端与下直流母线连接，每两个相邻的串联电路之间连接一条旁通支路，每个串联电路中的晶闸管桥臂和二极管桥臂的连接点处连接一个端口，该端口连接需要保护的器件或线路。旁通支路的两端分别连接在相邻的串联电路中的晶闸管桥臂和二极管桥臂的公共连接点上；所有的旁通支路连接成环，在正常运行模式中为系统电流提供双向通流路径，所有的晶闸管桥臂、二极管桥臂和主断流支路共同构成桥式电路，在故障断流模式和重合闸模式中为故障电流提供双向流通路径。

各支路的具体电路结构图如下：

晶闸管桥臂由多个晶闸管同向串联而成，二极管桥臂由多个二极管同向串联而成。当所述直流节点或直流母线处于系统正极时，位于最上部的晶闸管桥臂的阴极与上直流母线相连，位于最下部的晶闸管桥臂的阳极与位于最上部的二极管桥臂的阴极相连，位于最下部的二极管桥臂的阳极与下直流母线相连；当所述直流节点或直流母线处于系统负正极时，位于最上部的二极管桥臂的阴极与上直流母线相连，位于最下部的二极管桥臂的阳极与位于最上部的晶闸管桥臂的阴极相连，位于最下部的晶闸管桥臂的阳极与下直流母线相连。

主断流支路由多个断流单元同向串联组成。图6为本发明实例提供的一种环形桥式多端口混合直流断路器中断流单元的电路结构图，每个断流单元由多个带反并联二极管的全控电力电子开关(用T表示)同向串联之后与一个MOA(Metal Oxide Surge Arresters，金属氧化物避雷器)并联而成。此外，主断流开关中的全控电力电子开关的电流仅从上直流母线流向下直流母线。

上述旁通支路由一个UFD(ultra-fast disconnector，快速机械开关)和一个LCS(load commutation switch，负载转移开关)串联而成。其中负载转移开关由两个带反并联二极管的全控电力电子开关(T)反向串联组成。

图7为本发明实例提供的一种环形桥式多端口混合直流断路器中旁通支路的电路结构图。

图8为本发明实例提供的一种具有四个端口的直流断路器的电路结构图。本发明实施例所提的直流断路器具有多个端口，每个端口的故障电流都能被有效阻断。因此，本发明所提的直流断路器可以安装在具有多条出线(≥2条)的直流节点或直流母线处。

对于正极接地系统来说，图9为本发明实施例的多端口混合直流断路器在一个具有4条出线的直流节点上的安装方式示意图，直流断路器中的上直流母线和下直流母线相当于系统原有的直流母线。

此外，为了避免直流母线故障，在保护负极系统时，需要将晶闸管桥臂和二极管桥臂的位置互换，图10为本发明实施例的多端口混合直流断路器在负极接地系统中一个具有4条出线的直流节点上的安装方式示意图。但应注意的是，直流断路器的控制策略不会改变。

实施例二

该实施例将以图9所示的多端口混合直流断路器的安装方式为例，并假设端口1发生故障，以此来阐述本发明实施例的多端口混合直流断路器的工作原理。上述多端口混合直流断路器提供了三种基本运行模式和特殊工况运行模式。这三种基本运行模式为：正常运行模式、故障断流模式和重合闸模式。

(1)正常运行模式

图11为本发明实施例的多端口混合直流断路器在正常运行模式下的阶段电流流向示意图。如图11所示，系统无故障时，所有的晶闸管桥臂和主断流支路都处于断开状态，所有的旁通支路处于导通状态，工作电流仅流经旁通支路。

(2)故障断流模式

故障断流模式包含故障检测、故障电流转移和故障能量耗散3个阶段。为便于描述，此处将发生故障的端口称作故障端口，其余端口称作非故障端口。

(a)故障电流检测阶段

图12为本发明实施例的多端口混合直流断路器在故障运行模式下的故障检测阶段电流流向示意图。在所述故障电流检测阶段的处理过程包括：端口发生故障、直流电网保护装置检测到故障并向多端口混合直流断路器发出故障端口的开断指令。在本阶段中，断路器仍保持系统无故障运行状态，如图12所示，非故障端口仅通过旁通支路向故障端口注入故障电流。

(b)故障电流转移阶段

在所述故障电流转移阶段的处理过程包括：所述多端口混合直流断路器断路器收到故障端口的开断指令后，导通所有串联电路中的晶闸管桥臂，并导通主断流支路中的全控电力电子开关；闭锁与故障端口相连的两条旁通支路上的负载转移开关，当流过所述与故障端口相连的两条旁通支路上的电流下降到零时，分断所述与故障端口相连的两条旁通支路上的快速机械开关；由于晶闸管桥臂、二极管桥臂和主断流支路形成了一个H桥电路，因此，无论故障电流方向如何，故障电流都能够被有效转移到主断流支路中。

系统发生接地故障时，相当于故障端口接地(零电位)。此时如果系统为正极系统，非故障端口处相当于正压，因此故障电流由非故障端口(正电位)流入故障端口(零电位)；若系统为负极系统，此时非故障端口的电压为负，故障电流将由故障端口(零电位)流向非故障端口(负电位)。但是，无论故障电流的方向如何，断路器的控制方式都不受影响，因为该断路器在任何时候都是支持电流双向流动的。

图13为本发明实施例的多端口混合直流断路器在故障断流模式下的故障电流转移阶段的电流流向示意图，如图13所示，断路器收到端口1的开断指令后：

第一步，立即导通所有晶闸管桥臂和主断流支路中的全控电力电子开关；

第二步，闭锁与故障端口相连的两条旁通支路上的负载转移开关；

第三步，当流过上述与故障端口相连的两条旁通支路上的电流下降到零时，分断上述两条旁通支路上的快速机械开关。

由于是正极接地系统，此时非故障端口处的故障电流通过晶闸管桥臂流入到主断流支路中，再从主断流支路流入到故障端口的二极管桥臂，最后通过故障端口的二极管桥臂注入到故障点中。

(c)故障能量耗散阶段

图14为本发明实施例的多端口混合直流断路器在故障断流模式下的故障能量耗散阶段的电流流向示意图。为避免快速机械开关的关断电弧在过压下重燃，在故障电流转移至主断流支路上后，还需等待与故障端口相连的两条旁通支路上的快速机械开关触头达到额定开距。当快速机械开关触头达到额定开距后，闭锁主断流支路上的所有全控电力电子开关，产生的关断过电压将击穿与之并联的避雷器，故障电流将被转移至避雷器中，故障能量最后通过避雷器得以耗散，故障电流逐渐下降至零。

(3)重合闸模式

在故障电流下降为零且故障线路去游离后，断路器转入重合闸模式。重合闸模式分为3个步骤。

步骤一：导通主断流支路上的全控电力电子开关。

步骤二：在步骤一后，若断路器中出现较大的冲击过电流，说明故障仍然存在，为永久性故障。此时，重新关断主断流支路上的全控电力电子开关。待冲击电流下降为零后，打开故障端口处的隔离刀闸，对故障部分进行物理隔离。

步骤三：在步骤一后，若断路器没有出现冲击过电流，说明故障为瞬时性故障。此时，先闭合故障端口连接的两条旁通支路上的快速机械开关，然后导通上述旁通支路上的负载转移开关，最后关断主断流支路上的全控电力电子开关和晶闸管桥臂。这样，断路器便恢复到正常运行模式。

(4)特殊工况

特殊工况包含多条线路同时故障、多条线路相继故障两种情况。本发明提出的断路器通过上述三种基本运行模式可以解决特殊工况下的断流问题。

多条线路同时故障：由于本发明中的断路器的每个端口独立于其他端口中断故障电流。如果出现多条线路同时故障，故障线路所连接的多个端口将同时跳闸，不会相互影响。然而，但是主断流支路将需要承载所有断开端口的故障电流的总和。因此，可能需要设计更大的额定电流。

多条线路相继故障：在某一线路故障断流过程中发生的另一线路故障视为相继故障。根据相继故障检测时间的不同，有两种处理方案。若检测到相继故障时，主断流支路处于断开状态，则后一故障线路的跳闸信号将在前一条线路被隔离或断路器恢复后执行。但是，如果检测到相继故障时，主断流支路处于导通状态，则与后一故障端口相连的负载转移开关将被关闭，且与之相连的机械开关将被打开；在所有与故障端口相连的机械开关都达到额定开距后，关断主断流支路上的全控电力电子开关。

综上所述，本发明实施例的多端口混合直流断路器与采用单个混合直流断路器的方案相比，在保证同等开断能力情况下，可以大大减少所使用的全控型电力电子器件数目，节约实施成本。本方案与现有的混合直流断路器相比，采用了更少数目的全控型电力电子器件，具备更加完善的断流能力，能够解决现有多端口混合直流断路器难以应对的反向负载电流开断和母线故障电流开断问题。

本发明实施例的多端口混合直流断路器仅使用一条单向的主断流支路即可实现故障电流的双向、无弧、快速分断；多条线路的故障电流可以用同一主断流支路进行分断，在线路数目较多的情况下，可以大大减小直流断路器中电力电子器件的使用个数，成本较低。旁通支路采用环形结构连接，具备更高的断流可靠性。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种环形桥式多端口混合直流断路器，其特征在于，当端口数为n，n为大于等于2的整数时，包括：一条上直流母线、一条下直流母线、n个晶闸管桥臂、n个二极管桥臂、一条主断流支路和n条旁通支路；

每个晶闸管桥臂与一个二极管桥臂串联连接，组成串联电路，各个串联电路都与主断流支路并联连接，组成并联电路，所述并联电路的一端与上直流母线连接、另一端与下直流母线连接，每两个相邻的串联电路之间连接一条旁通支路，每个串联电路中的晶闸管桥臂和二极管桥臂的连接点处连接一个端口，该端口连接需要保护的器件或线路；

所有的旁通支路连接成环，在正常运行模式中为系统电流提供双向通流路径，所有的晶闸管桥臂、二极管桥臂和主断流支路共同构成桥式电路，在故障断流模式和重合闸模式中为故障电流提供双向流通路径。

2.根据权利要求1所述的多端口混合直流断路器，其特征在于，所述旁通支路的两端分别连接在相邻的串联电路中的晶闸管桥臂和二极管桥臂的公共连接点上。

3.根据权利要求1所述的多端口混合直流断路器，其特征在于，所述晶闸管桥臂由多个晶闸管同向串联而成，所述二极管桥臂由多个二极管同向串联而成。

4.根据权利要求3所述的多端口混合直流断路器，其特征在于，所述直流断路器安装在具有多条出线的直流节点或直流母线处，当所述直流节点或直流母线处于系统正极时，位于最上部的晶闸管桥臂的阴极与上直流母线相连，位于最下部的晶闸管桥臂的阳极与位于最上部的二极管桥臂的阴极相连，位于最下部的二极管桥臂的阳极与下直流母线相连；

当所述直流节点或直流母线处于系统负极时，位于最上部的二极管桥臂的阴极与上直流母线相连，位于最下部的二极管桥臂的阳极与位于最上部的晶闸管桥臂的阴极相连，位于最下部的晶闸管桥臂的阳极与下直流母线相连。

5.根据权利要求1所述的多端口混合直流断路器，其特征在于，所述主断流支路包括多个串联连接的断流单元，每个断流单元由多个带反并联二极管的全控电力电子开关同向串联之后与一个金属氧化物避雷器并联而成，断流单元中的全控电力电子开关的电流仅从上直流母线流向下直流母线。

6.根据权利要求1所述的多端口混合直流断路器，其特征在于，所述旁通支路由一个快速机械开关和一个负载转移开关串联而成，所述负载转移开关由两个带反并联二极管的全控电力电子开关反向串联组成。

7.根据权利要求1至6任一项所述的多端口混合直流断路器，其特征在于，所述多端口混合直流断路器的运行模式包括：正常运行模式、故障断流模式和重合闸模式；

当所述多端口混合直流断路器处于正常运行模式时，所有的晶闸管桥臂和主断流支路都处于断开状态，所有的旁通支路处于导通状态，工作电流仅流经旁通支路。

8.根据权利要求7所述的多端口混合直流断路器，其特征在于，当所述多端口混合直流断路器处于故障断流模式时，将发生故障的端口称作故障端口，其余端口称作非故障端口，所述多端口混合直流断路器先后经过故障电流检测阶段、故障电流转移阶段和故障能量耗散阶段；

在所述故障电流检测阶段的处理过程包括：端口发生故障、直流电网保护装置检测到故障并向断路器发出故障端口的开断指令，所述多端口混合直流断路器断路器仍保持系统无故障运行状态，非故障端口仅通过旁通支路向故障端口注入电流；

在所述故障电流转移阶段的处理过程包括：所述多端口混合直流断路器收到故障端口的开断指令后，导通所有串联电路中的晶闸管桥臂，并导通主断流支路中的全控电力电子开关；闭锁与故障端口相连的两条旁通支路上的负载转移开关，当流过所述与故障端口相连的两条旁通支路上的电流下降到零时，分断所述与故障端口相连的两条旁通支路上的快速机械开关；

在所述故障能量耗散阶段的处理过程包括：当与故障端口相连的两条旁通支路上的快速机械开关触头达到额定开距后，闭锁主断流支路上的所有全控电力电子开关，产生的关断过电压击穿与全控电力电子开关并联的避雷器，故障电流将被转移到避雷器中，故障能量通过避雷器耗散，故障电流逐渐下降至零。

9.根据权利要求7所述的多端口混合直流断路器，其特征在于，当所述多端口混合直流断路器处于重合闸模式时，处理过程包括三个步骤：

步骤一：导通所有串联电路中的晶闸管桥臂，导通主断流支路上的全控电力电子开关；

步骤二：在步骤一后，若所述多端口混合直流断路器中出现冲击过电流，说明待重合端口线路存在故障，重新关断主断流支路上的全控电力电子开关；待所述冲击过电流下降为零后，打开故障端口处的隔离刀闸，对故障端口进行物理隔离；

步骤三：在步骤一后，若断路器没有出现冲击过电流，说明待重合端口线路上无故障，闭合待重合端口连接的两条旁通支路上的快速机械开关，导通故障端口连接的两条旁通支路上的负载转移开关，关断主断流支路上的全控电力电子开关和晶闸管桥臂，所述多端口混合直流断路器恢复到正常运行模式。

10.根据权利要求7所述的多端口混合直流断路器，其特征在于，当所述多端口混合直流断路器中出现多个端口故障时，将每个故障端口同时隔离，主断流支路承载所有故障端口的故障电流的总和。