CN111478279A - 一种基于电容换流的混合式直流断路器 - Google Patents

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CN111478279A CN202010442027.1A CN202010442027A CN111478279A CN 111478279 A CN111478279 A CN 111478279A CN 202010442027 A CN202010442027 A CN 202010442027A CN 111478279 A CN111478279 A CN 111478279A
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袁召
李归霞
陈立学
潘垣
何俊佳
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Abstract

本发明提供了一种基于电容换流的混合式直流断路器，包括：超快速机械开关单元、辅助半导体开关单元、电容换流单元和吸能单元；超快速机械开关单元与辅助半导体开关单元串联连接，电容换流单元与串联连接的超快速机械开关单元和辅助半导体开关单元并联连接，吸能单元与电容换流单元并联连接；电容换流单元在系统发生短路故障时为超快速机械开关单元和辅助半导体开关单元提供低压支路保证其正常开断，并利用自关断功能切断故障电流；吸能单元在开断故障后吸收故障电流被切断后电力系统中感性元件存储的能量。本发明提供的基于电容换流的混合式直流断路器实现了故障电流软关断，关断时系统感性元件储能小，能实现故障电流的开断和避雷器吸能限制。

Description

一种基于电容换流的混合式直流断路器
技术领域
本发明属于直流断路器技术领域，更具体地，涉及一种基于电容换流的混合式直流断路器。
背景技术
由于直流输电是解决绿色可再生能源接入电网的有效措施，且具有输电距离远、输电量大等优点，在世界各国得到了广泛的应用。由于直流输电网的直流侧阻抗小，当系统发生短路故障时，故障电流快速上升，如果不在短时间内切除故障，会导致换流侧交流断路器动作，换流阀组闭锁，影响整个系统的正常运行，极大地降低了输电系统的可靠性和灵活性。
因此，研制能快速切除故障电流、隔离故障点，保证系统的正常运行直流断路器十分必要。但是由于直流系统短路阻抗小，故障电流上升快，使得断路器开断压力大，且直流系统里面存在感性元件，当开断的故障电流过大时，感性元件储能大，存储的能量通过避雷器吸收导致避雷器吸能压力过大，增大了避雷器的制造难度，影响避雷器使用寿命。
因此能实现系统故障电流过零关断的软关断技术十分必要，软关断技术不仅能降低断路器开断压力，还能有效降低系统感性元件储能，降低避雷器吸能压力。为了保护避雷器，减小断路器开断压力，提高系统的安全性，节省投资，开断能力强，避雷器吸能小的断路器研制尤为必要，该方案解决了高压直流断路器运行过程中的许多技术问题，对提高直流输电系统的可靠性和灵活性具有重要意义。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于电容换流的混合式直流断路器，旨在解决现有技术中直流断路器开断故障电流困难、避雷器吸能大的技术问题。
本发明提供了一种基于电容换流的混合式直流断路器，包括：超快速机械开关单元、辅助半导体开关单元、电容换流单元和吸能单元；超快速机械开关单元与辅助半导体开关单元串联连接，电容换流单元与串联连接的超快速机械开关单元和辅助半导体开关单元并联连接，吸能单元与电容换流单元并联连接；电容换流单元用于在系统发生短路故障时为超快速机械开关单元和辅助半导体开关单元提供低压支路保证其正常开断，并利用自关断功能切断故障电流；吸能单元用于在开断故障后吸收故障电流被切断后电力系统中感性元件存储的能量。
更进一步地，电容换流单元包括：第一晶闸管T1、第二晶闸管T2、第三晶闸管T3、第四晶闸管T4、预充电电容C、换流电感L、第一避雷器MOV1和第一机械开关S；第一晶闸管T1和第四晶闸管T4串联连接，第二晶闸管T2和第三晶闸管T3串联连接，第一避雷器MOV1和第一机械开关S串联连接在第一晶闸管T1与第四晶闸管T4的串联连接端与第二晶闸管T2与第三晶闸管T3的串联连接端之间；预充电电容C和换流电感L串联连接在第一晶闸管T1与第四晶闸管T4的串联连接端与第二晶闸管T2与第三晶闸管T3的串联连接端之间；第一晶闸管T1的非串联端与第二晶闸管T2的非串联端共同作为电容换流单元的一端；第三晶闸管T3的非串联端与第四晶闸管T4的非串联端共同作为电容换流单元的另一端。
更进一步地，发生短路故障时，触发第二晶闸管T2和第三晶闸管T3导通，并关断所述辅助半导体开关单元，向超快速机械开关单元发出分闸指令；当超快速机械开关单元达到合适开距足够耐受一定电压(不同电压等级设定不同的开距，电压等级越高，设定的开距越大)时，控制第一晶闸管T1导通，流向第二晶闸管T2的电流将向第一晶闸管T1转移，当第二晶闸管T2的电流过零时自动关断，电源侧继续向预充电电容充电，预充电电容电压极性反转，流向第一晶闸管T1和第二晶闸管T3的电流逐渐减小，当预充电电容电压达到设定值(不同电压等级对预充电电容电压的设定值有所区别，电压等级越高，预充电电容电压的设定值越高)时，流过第一晶闸管T1和第二晶闸管T3的电流归零，第一晶闸管T1和第二晶闸管T3自动关断，避雷器MOV动作吸收系统感性元件储能并限制过电压，导通避雷器MOV1的控制第一机械开关S，吸收预充电电容C储能并将预充电电容电压限制到指定值，为下一次重合闸做准备。
进一步优选地，当发生短路故障时触发第二晶闸管T2和第三晶闸管T3在故障后1ms内导通。
由于电容换流单元中包括预充电电容C，无需为预充电电容C提供充电回路，因为断开故障电流后，预充电电容C电压极性改变，由于换流单元存在对称结构，因此预充电电容电压极性改变不会对断路器再次开断故障电流产生影响。
另外，由于预充电电容电压极性的设置，将预充电电容C投入限流时，预充电电容C两端电压即超快速机械开关UFD和辅助半导体开关LCS两端电压先减小为零再继续增大，且预充电电容C在超快速机械开关达到一定开距后才投入使用，因此在电容容量较小的情况下，也能保证超快速机械开关UFD和辅助半导体开关LCS两端电压处于一个较低的值，进一步保障了超快速机械开关UFD和辅助半导体开关LCS的成功关断。
更进一步地，电容换流单元还包括：第一反向晶闸管T11、第二反向晶闸管T22、第三反向晶闸管T33、第四反向晶闸管T44，所述第一反向晶闸管T11与所述第一晶闸管T1并联连接，所述第二反向晶闸管T22与所述第二晶闸管T2并联连接，所述第三反向晶闸管T33与所述第三晶闸管T3并联连接，所述第四反向晶闸管T44所述第四晶闸管T4并联连接。
其中，当系统发生故障点在断路器右侧，即故障电流由左向右流动，则基于电容换流的混合式双向直流断路器工作过程同基于电容换流的混合式低压直流断路器工作过程。第一晶闸管T1、第二晶闸管T2、第三晶闸管T3、第四晶闸管T4、第一反向晶闸管T11、第二反向晶闸管T22、第三反向晶闸管T33、第四反向晶闸管T44反向并联的主要目的是预充电电容电压极性无论如何改变，均能通过对晶闸管的控制产生一个任意方向的电流对故障电流进行换流，能用单个预充电电容实现双向故障电流的分断和双向故障电流重合闸后再次分断。
更进一步地，电容换流单元包括：第一晶闸管T1、第二晶闸管T2、第一机械开关S、第二机械开关S1、第三机械开关S2、预充电电容C、换流电感L和第一避雷器MOV1；第一晶闸管T1和第三机械开关S2串联连接，第二晶闸管T2和第二机械开关S1串联连接，第一避雷器MOV1和第一机械开关S串联连接在第一晶闸管T1与第三机械开关S2的串联连接端与第二晶闸管T2与第二机械开关S1的串联连接端之间；预充电电容C和换流电感L串联连接在第一晶闸管T1与第三机械开关S2的串联连接端与第二晶闸管T2与第二机械开关S1的串联连接端之间；第一晶闸管T1的非串联端与第二晶闸管T2的非串联端共同作为电容换流单元的一端；第二机械开关S1的非串联端与第三机械开关S2的非串联端共同作为电容换流单元的另一端。
本发明实施例中，之所以采用第二机械开关S1和第三机械开关S2，是因为机械开关均只要求在零电流零耐压下分断故障，且对机械开关的动作速度无太高要求，因此在高压系统中，采用第二机械开关S1和第三机械开关S2能极大的降低所需晶闸管的容量，降低断路器整机造价。
其中，当发生短路故障时，触发第二晶闸管T2导通，关断辅助半导体开关单元，并向超快速机械开关单元发出分闸指令；当超快速机械开关单元达到合适开距足够耐受一定电压时，控制第一晶闸管T1导通，流向第二晶闸管T2的电流将向第一晶闸管T1转移，第二晶闸管T2的电流过零自动关断，电源侧继续向预充电电容充电，电容电压极性反转，流向第一晶闸管T1、第二机械开关S1的电流逐渐减小；当预充电电容电压达到一定值时，流过第一晶闸管T1、第二机械开关S1的电流归零，第一晶闸管T1自动关断，避雷器MOV动作吸收系统感性元件储能并限制过电压，随后导通避雷器MOV1的控制第一机械开关S，吸收预充电电容C储能并将预充电电容电压限制到指定值，随后向第二机械开关S1发出分闸指令，此时由于预充电电容两端电压加在第三机械开关S2两端，因此第二机械开关S1在零电流零耐压下分闸，向第三机械开关S2发出合闸指令，为系统重合闸做准备。
进一步优选地，当发生短路故障时触发晶闸管T2在故障后1ms内导通，提前为主支路提供分流支路。
本发明实施例提供的混合式直流断路器包括避雷器MOV和避雷器MOV1，避雷器MOV用于吸收系统感性元件储能并限制过电压，避雷器MOV1用于断路器成功切断故障后吸收预充电电容C的储能并将预充电电容电压限制为指定值，为断路器下一次动作做准备。
当断路器成功切断故障电流后，只需将预充电电容电压限制到设定值，无需将预充电电容C电压的能量全部卸放，有效降低了预充电电容C的泄能时间，为断路器下一次重合闸提供了保障，而且有效降低了避雷器MOV1吸能。
由于电容换流单元中预充电电容电压先减小至零，后继续增大，因此流经预充电电容的电流在持续减小，当预充电电容电压达到避雷器动作电压，避雷器动作，此时系统感性元件电流小，感性元件储能小，避雷器MOV吸能小。
在本发明实施例中，考虑到直流故障一旦发生，难以在短期内消除。考虑到现有的故障检测技术，在短路故障发生1ms后可判定系统可能发生短路故障，短路故障发生3ms后可确定断路器是否需要断开，因此电容换流单元可采取如下运行方式来降低断路器造价。低压电容换流单元可在故障后1ms提前导通T2、T3，高压电容换流单元可在故障后1ms提前导通T2，提前为主支路提供分流支路，进一步降低辅助半导体开关单元LCS和超快速机械开关的通流压力，减少辅助半导体开关单元LCS内部IGBT并联数，进一步降低造价，在切断故障电流的过程中，断路器其他单元动作时间不改变。若系统发生短期故障，即短路故障发生3ms后消失，可以利用电容换流单元的自关断功能令电容换流单元退出运行，不向辅助半导体开关单元LCS发出关断指令，系统电流能继续通过辅助半导体开关单元流向负载，不会对系统正常运行产生影响。
本发明还提供了一种基于上述的混合式直流断路器的直流输电系统。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明显著减小了避雷器的吸能压力和断路器开断压力。短路故障时由电容换流单元为超快速机械开关UFD和辅助半导体开关LCS提供了一个低压换流支路，降低了超快速机械开关UFD和辅助半导体开关LCS的开断压力；由于断路器实现了故障电流逐步减小至过零关断，因此系统感性元件储能大大减小，避雷器吸能压力降低。
(2)本发明无需为电容换流单元的预充电电容提供充电回路，且电容换流单元动作迅速，恢复时间短，为系统重合闸后再次切断故障电流提供了有效保障。
(3)本发明由于换流单元能在故障电流开断期间，保证IGBT和超快速机械开关开断过程中无需耐受高电压，因此辅助半导体开关单元无需采用大量IGBT串联，有效降低了断路器造价和断路器本身的运行损耗，提高了断路器开断故障电流的可靠性。
(4)本发明的工作模式中，由于电容换流单元在故障发生时提前投入，为辅助半导体开关单元分流，进一步降低了辅助半导体开关单元的通流压力，减少了IGBT的并联个数，降低断路器的造价和系统的运行损耗。
附图说明
图1为本发明实例提供的基于电容换流的混合式直流断路器的原理框图；
图2为本发明第一实施例提供的基于电容换流的混合式低压直流断路器的具体电路结构图；
图3为本发明第二实施例提供的基于电容换流的混合式高压直流断路器的具体电路结构图；
图4为本发明第三实施例提供的基于电容换流的混合式双向直流断路器的具体电路结构图；
图5为本发明实例提供的基于电容换流的混合式低压直流断路器工作时序图；
图6为本发明实例提供的基于电容换流的混合式高压直流断路器工作时序图。
其中，1为超快速机械开关单元，2为辅助半导体开关单元，3为换流单元，4为吸能单元，UFD为超快速机械开关，LCS为辅助半导体开关，C为预充电电容，T1、T2、T3、T4、T11、T22、T33、T44为可触发晶闸管，S1、S2、S为机械开关，LS为平波电抗器，L为震荡电感，MOV和MOV1为避雷器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种基于电容换流的混合式直流断路器，旨在保证高压直流断路器本身动作迅速、开断大电流的基础上，可降低断路器的开断压力，减小避雷器吸能，在开断能力范围之内，增加开断的可靠性。
如图1所示，本发明提供的基于电容换流的混合式直流断路器包括：超快速机械开关单元1，辅助半导体开关单元2，电容换流单元3，吸能单元4；超快速机械开关单元1与辅助半导体开关单元2串联连接，电容换流单元3与串联连接的超快速机械开关单元1和辅助半导体开关单元2并联连接，吸能单元4与电容换流单元3并联连接；电容换流单元3用于在系统发生短路故障时为超快速机械开关单元1和辅助半导体开关单元2提供低压支路保证其正常开断，并利用自关断功能切断故障电流；吸能单元4用于在开断故障后吸收故障电流被切断后电力系统中感性元件存储的能量。
在正常工况下，超快速机械开关单元1和辅助半导体开关单元2通过额定电流，其运行损耗小。当系统发生短路故障时电容换流单元3为超快速机械开关单元1和辅助半导体开关单元2提供一个低压支路，保证其正常开断，随后电容换流单元3利用其自关断功能切断故障电流。吸能单元4用于在直流断路器开断故障后吸收故障电流被切断后电力系统中感性元件存储的能量。
在本发明实施例中，超快速机械开关单元1由超快速机械开关UFD构成，导通阻抗低，运行损耗小，当发生短路故障时在零电流下开断故障。辅助半导体开关单元2主要由IGBT构成，当发生短路故障时，用于在低电压情况下开断故障电流，为超快速机械开关提供电流过零关断的条件。电容换流单元3主要用于故障时换流为IGBT关断和超快速机械开关分闸提供低电压支路，保证IGBT和超快速机械开关开断过程中无需耐受高电压，电容换流单元本身具有自关断的功能。
图2示出了本发明第一实施例提供的基于电容换流的混合式低压直流断路器的具体电路结构；电容换流单元3包括：第一晶闸管T1、第二晶闸管T2、第三晶闸管T3、第四晶闸管T4、预充电电容C、换流电感L、第一避雷器MOV1和第一机械开关S；第一晶闸管T1和第四晶闸管T4串联连接，第二晶闸管T2和第三晶闸管T3串联连接，第一避雷器MOV1和第一机械开关S串联连接在第一晶闸管T1与第四晶闸管T4的串联连接端与第二晶闸管T2与第三晶闸管T3的串联连接端之间；预充电电容C和换流电感L串联连接在第一晶闸管T1与第四晶闸管T4的串联连接端与第二晶闸管T2与第三晶闸管T3的串联连接端之间；第一晶闸管T1的非串联端与第二晶闸管T2的非串联端共同作为电容换流单元3的一端；第三晶闸管T3的非串联端与第四晶闸管T4的非串联端共同作为电容换流单元3的另一端。
如图5所示，现详述基于电容换流的混合式低压直流断路器工作过程如下：t0～t1阶段，系统正常运行，第一晶闸管T1、第二晶闸管T2、第三晶闸管T3和第四晶闸管T4均处于关断状态；t1时刻，系统发生短路故障；t1～t2时间内，系统判定发生短路故障，向断路器发出分断指令；t2时刻，保护装置向第二晶闸管T2、第三晶闸管T3发出导通指令，向辅助半导体开关单元发出关断指令，至此，电流由辅助半导体开关LCS所在支路转移至第二晶闸管T2、第三晶闸管T3所在支路；t2～t3阶段内，快速机械开关UFD开始分闸，t3时刻，快速机械开关UFD分闸已达到一定开距，可耐受一定的电压而不燃弧；t3时刻，保护装置向第一晶闸管T1发出导通信号，第一晶闸管T1导通，由于电容极性为下正上负，因此流向第二晶闸管T2的电流逐渐向第一晶闸管T1转移，随后第二晶闸管T2电流过零自动关断；t3～t4阶段内，快速机械开关UFD继续分闸，故障电流由电源阀侧持续流向预充电电容，预充电电容电压极性反向，由初始时的下正上负变为上正下负；t4时刻，快速机械开关UFD达到足够开距成功分闸；t5时刻，避雷器MOV两端电压达到避雷器MOV动作电压，流过预充电电容的电流逐渐归零，第一晶闸管T1、第三晶闸管T3支路电流过零自然关断，避雷器MOV开始投入运行吸收系统感性元件储能并限制过电压；t6时刻，导通第一机械开关S；t7时刻，第一机械开关S合闸成功，避雷器MOV1开始投入运行将预充电电容电压限制到设定值；t8时刻，避雷器MOV1吸能完毕，预充电电容电压变为上正下负；t9时刻，向第一机械开关S发出分闸指令；t10时刻，第一机械开关S分闸成功，至此断路器已达到再次分断故障电流的所有条件；t11时刻，故障再次发生，此时由于预充电电容电压极性反向，根据电容换流单元所具有的对称性，故障时电容换流单元能继续投入运行，不会对断路器的开断效果产生影响。
图3示出了本发明第二实施例提供的基于电容换流的混合式高压直流断路器的具体电路结构；电容换流单元3包括：第一晶闸管T1、第二晶闸管T2、第一机械开关S、第二机械开关S1、第三机械开关S2、预充电电容C、换流电感L和第一避雷器MOV1；第一晶闸管T1和第三机械开关S2串联连接，第二晶闸管T2和第二机械开关S1串联连接，第一避雷器MOV1和第一机械开关S串联连接在第一晶闸管T1与第三机械开关S2的串联连接端与第二晶闸管T2与第二机械开关S1的串联连接端之间；预充电电容C和换流电感L串联连接在第一晶闸管T1与第三机械开关S2的串联连接端与第二晶闸管T2与第二机械开关S1的串联连接端之间；第一晶闸管T1的非串联端与第二晶闸管T2的非串联端共同作为电容换流单元3的一端；第二机械开关S1的非串联端与第三机械开关S2的非串联端共同作为电容换流单元3的另一端。
如图6所示，基于电容换流的混合式高压直流断路器工作过程如下：t0～t1阶段，系统正常运行，第一晶闸管T1、第二晶闸管T2、第一机械开关S、第三机械开关S2均处于关断状态，第二机械开关S1处于导通状态；t1时刻，系统发生短路故障；t1～t2时间内，系统判定发生短路故障，此过程持续时间约为3ms；t2时刻，保护装置向第二晶闸管T2发出导通指令，向辅助半导体开关单元发出关断指令，至此，电流由辅助半导体开关单元LCS所在支路转移至第二晶闸管T2、第二机械开关S1所在支路；t2～t3阶段内，超快速机械开关UFD分闸，t3时刻，超快速机械开关分闸已达到一定开距，可耐受一定的电压而不燃弧；t3时刻，保护装置向第一晶闸管T1发出导通信号，第一晶闸管T1导通，由于电容极性为下正上负，因此流过第二晶闸管T2的电流逐渐向第一晶闸管T1转移，第二晶闸管T2电流过零自动关断；t3～t4阶段内，快速机械开关UFD继续分闸，故障电流由电源阀侧流向预充电电容，至此预充电电容电压极性改变，由下正上负变为上正下负；t4时刻，UFD达到足够开距成功分闸；t5时刻，避雷器MOV两端电压达到避雷器MOV动作电压，流过预充电电容的电流逐渐归零，第一晶闸管T1电流过零自然关断，避雷器MOV开始投入运行吸收系统感性元件储能并限制过电压；t6时刻，导通第一机械开关S；t7时刻，第一机械开关S合闸成功，避雷器MOV1开始将预充电电容电压限制到设定值；t8时刻，避雷器MOV1吸能完毕，至此故障电流关断过程结束，预充电电容电压变为上正下负；t9时刻，向第一机械开关S发出分闸指令，向第二机械开关S1发出关断指令，此时预充电电容两端电压加在第三机械开关S2两端，第二机械开关S1可在零电流零耐压的情况下缓慢分闸；t10时刻，第一机械开关S、第二机械开关S1分闸成功，开始向第三机械开关S2发出合闸指令，第三机械开关S2缓慢合闸；t11时刻，第三机械开关S2合闸成功，至此断路器已达到再次分断故障的所有条件；t12时刻，故障再次发生，此时由于预充电电容电压反向，根据电容换流单元所具有的对称性，下次故障时电容换流单元能继续投入运行，不会对断路器的开断效果产生影响。
本发明提供的基于电容换流的混合式低压直流断路器和基于电容换流的混合式高压直流断路器只是相对的概念，并非用来限制两类结构的使用场合，电容换流单元主要使用晶闸管做开断器件，相比于全控性器件造价更低，预充电电容仅需产生一个短期的换流电流，所需预充电电容容量较小，整体而言两类断路器在各等级的直流输电系统中均具备一定的经济优势。
图4示出了本发明第三实施例提供的基于电容换流的混合式双向直流断路器的具体电路结构；电容换流单元3包括：第一晶闸管T1、第二晶闸管T2、第三晶闸管T3、第四晶闸管T4、预充电电容C、换流电感L、第一避雷器MOV1、第一机械开关S、第一反向晶闸管T11、第二反向晶闸管T22、第三反向晶闸管T33和第四反向晶闸管T44，第一晶闸管T1和第四晶闸管T4串联连接，第二晶闸管T2和第三晶闸管T3串联连接，第一避雷器MOV1和第一机械开关S串联连接在第一晶闸管T1与第四晶闸管T4的串联连接端与第二晶闸管T2与第三晶闸管T3的串联连接端之间；预充电电容C和换流电感L串联连接在第一晶闸管T1与第四晶闸管T4的串联连接端与第二晶闸管T2与第三晶闸管T3的串联连接端之间；第一晶闸管T1的非串联端与第二晶闸管T2的非串联端共同作为电容换流单元3的一端；第三晶闸管T3的非串联端与第四晶闸管T4的非串联端共同作为电容换流单元3的另一端；第一反向晶闸管T11与第一晶闸管T1并联连接，第二反向晶闸管T22与第二晶闸管T2并联连接，第三反向晶闸管T33与第三晶闸管T3并联连接，第四反向晶闸管T44第四晶闸管T4并联连接。
基于电容换流的混合式双向直流断路器工作过程如下：假设在系统正常运行时，工作电流由左侧流向右侧，此时第一晶闸管T1、第二晶闸管T2、第三晶闸管T3、第四晶闸管T4、第一反向晶闸管T11、第二反向晶闸管T22、第三反向晶闸管T33、第四反向晶闸管T44均处于关断状态，当系统发生故障点在断路器右侧，即故障电流由左向右流动，则基于电容换流的混合式双向直流断路器工作过程同基于电容换流的混合式低压直流断路器工作过程。第一晶闸管T1、第二晶闸管T2、第三晶闸管T3、第四晶闸管T4、第一反向晶闸管T11、第二反向晶闸管T22、第三反向晶闸管T33、第四反向晶闸管T44反向并联的主要目的是预充电电容电压极性无论如何改变，均能通过对晶闸管的控制产生一个任意方向的电流对故障电流进行换流，能用单个预充电电容实现双向故障电流的分断和双向故障电流重合闸后再次分断，具备一定的经济优势。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于电容换流的混合式直流断路器，其特征在于，包括：超快速机械开关单元(1)、辅助半导体开关单元(2)、电容换流单元(3)和吸能单元(4)；
所述超快速机械开关单元(1)与所述辅助半导体开关单元(2)串联连接，所述电容换流单元(3)与串联连接的超快速机械开关单元(1)和所述辅助半导体开关单元(2)并联连接，所述吸能单元(4)与所述电容换流单元(3)并联连接；
所述电容换流单元(3)用于在系统发生短路故障时为所述超快速机械开关单元(1)和所述辅助半导体开关单元(2)提供低压支路保证其正常开断，并利用自关断功能切断故障电流；
所述吸能单元(4)用于在开断故障后吸收故障电流被切断后电力系统中感性元件存储的能量。
2.如权利要求1所述的混合式直流断路器，其特征在于，所述电容换流单元(3)包括：第一晶闸管T1、第二晶闸管T2、第三晶闸管T3、第四晶闸管T4、预充电电容C、换流电感L、第一避雷器MOV1和第一机械开关S；
所述第一晶闸管T1和所述第四晶闸管T4串联连接，所述第二晶闸管T2和所述第三晶闸管T3串联连接，所述第一避雷器MOV1和所述第一机械开关S串联连接在所述第一晶闸管T1与所述第四晶闸管T4的串联连接端与所述第二晶闸管T2与所述第三晶闸管T3的串联连接端之间；所述预充电电容C和所述换流电感L串联连接在所述第一晶闸管T1与所述第四晶闸管T4的串联连接端与所述第二晶闸管T2与所述第三晶闸管T3的串联连接端之间；
所述第一晶闸管T1的非串联端与所述第二晶闸管T2的非串联端共同作为所述电容换流单元(3)的一端；所述第三晶闸管T3的非串联端与所述第四晶闸管T4的非串联端共同作为所述电容换流单元(3)的另一端。
3.如权利要求2所述的混合式直流断路器，其特征在于，当发生短路故障时，触发第二晶闸管T2和第三晶闸管T3导通，并关断所述辅助半导体开关单元(2)，向所述超快速机械开关单元(1)发出分闸指令；
当所述超快速机械开关单元(1)达到设定的开距时，控制第一晶闸管T1导通，流向第二晶闸管T2的电流将向第一晶闸管T1转移，当第二晶闸管T2的电流过零时自动关断，电源侧继续向预充电电容充电，预充电电容电压极性反转，流向第一晶闸管T1和第二晶闸管T3的电流逐渐减小，当预充电电容电压达到设定值时，流过第一晶闸管T1和第二晶闸管T3的电流归零，第一晶闸管T1和第二晶闸管T3自动关断，避雷器MOV动作吸收系统感性元件储能并限制过电压，导通避雷器MOV1的控制第一机械开关S，吸收预充电电容C储能并将预充电电容电压限制到指定值，为下一次重合闸做准备。
4.如权利要求2或3所述的混合式直流断路器，其特征在于，当发生短路故障时触发第二晶闸管T2和第三晶闸管T3在故障后1ms内导通。
5.如权利要求2所述的混合式直流断路器，其特征在于，所述电容换流单元(3)还包括：第一反向晶闸管T11、第二反向晶闸管T22、第三反向晶闸管T33、第四反向晶闸管T44，所述第一反向晶闸管T11与所述第一晶闸管T1并联连接，所述第二反向晶闸管T22与所述第二晶闸管T2并联连接，所述第三反向晶闸管T33与所述第三晶闸管T3并联连接，所述第四反向晶闸管T44所述第四晶闸管T4并联连接。
6.如权利要求1所述的混合式直流断路器，其特征在于，所述电容换流单元(3)包括：第一晶闸管T1、第二晶闸管T2、第一机械开关S、第二机械开关S1、第三机械开关S2、预充电电容C、换流电感L和第一避雷器MOV1；
所述第一晶闸管T1和所述第三机械开关S2串联连接，所述第二晶闸管T2和所述第二机械开关S1串联连接，所述第一避雷器MOV1和所述第一机械开关S串联连接在所述第一晶闸管T1与所述第三机械开关S2的串联连接端与所述第二晶闸管T2与所述第二机械开关S1的串联连接端之间；所述预充电电容C和所述换流电感L串联连接在所述第一晶闸管T1与所述第三机械开关S2的串联连接端与所述第二晶闸管T2与所述第二机械开关S1的串联连接端之间；
所述第一晶闸管T1的非串联端与所述第二晶闸管T2的非串联端共同作为所述电容换流单元(3)的一端；所述第二机械开关S1的非串联端与所述第三机械开关S2的非串联端共同作为所述电容换流单元(3)的另一端。
7.如权利要求6所述的混合式直流断路器，其特征在于，当发生短路故障时，触发第二晶闸管T2导通，关断辅助半导体开关单元(2)，并向超快速机械开关单元(1)发出分闸指令；
当超快速机械开关单元(1)达到合适开距足够耐受一定电压时，控制第一晶闸管T1导通，流向第二晶闸管T2的电流将向第一晶闸管T1转移，第二晶闸管T2的电流过零自动关断，电源侧继续向预充电电容充电，电容电压极性反转，流向第一晶闸管T1、第二机械开关S1的电流逐渐减小；
当预充电电容电压达到一定值时，流过第一晶闸管T1、第二机械开关S1的电流归零，第一晶闸管T1自动关断，避雷器MOV动作吸收系统感性元件储能并限制过电压，随后导通避雷器MOV1的控制第一机械开关S，吸收预充电电容C储能并将预充电电容电压限制到指定值，随后向第二机械开关S1发出分闸指令，此时由于预充电电容两端电压加在第三机械开关S2两端，因此第二机械开关S1在零电流零耐压下分闸，向第三机械开关S2发出合闸指令，为系统重合闸做准备。
8.如权利要求6或7所述的混合式直流断路器，其特征在于，当发生短路故障时触发晶闸管T2在故障后1ms内导通，提前为主支路提供分流支路。
9.一种基于权利要求1-8任一项所述的混合式直流断路器的直流输电系统。
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