本发明属于电力系统故障保护技术领域，具体涉及一种直流分断系统的主回路拓扑结构。
背景技术：
直流电力系统因其独特的优势，目前在船舶、轨道交通、矿山、脉冲功率及工业直流输配电等领域获得了广泛的应用。直流断路器作为重要的控制和保护设备，一直是直流电力系统研究的难点和关注的焦点。
直流分断过程主要需要完成三个任务：（1）在直流系统中迅速制造电流过零点，切断快速上升的故障电流；（2）吸收直流系统中感性元件储存的巨大电磁能量；（3）限制电流减小时因电磁能量转换而导致的分断过电压。
针对上述基本分断过程，国内外相关研究人员提出了许多不同的直流分断技术方案，包括：空气直流断路器、固态直流断路器、混合直流断路器以及人工过零型直流断路器。
基于人工过零技术的直流分断方案通过lc换流电路提供的反向高频电流与主开关中的短路电流叠加而产生直流电流过零点，然后利用压敏电阻吸收直流系统能量并限制过电压，技术简单成熟，并且容易向高压大容量方向发展，相较于其它方案具有综合优势。
典型的直流分断系统主回路拓扑如图1所示。其中qs是断路器在实际系统中使用时不可或缺的隔离设备，在系统正常工作时，需要长期导通负载电流。压敏电阻rv并联在主开关qf两端，在吸能限压过程中其两端电压包含电容c和电感l两部分电压，一方面受压敏电阻开通暂态过程的影响，使分断过程中电容c上的过电压大于压敏电阻的最大保护电压值，尤其当电感l较大（高压直流断路器中为mh级）时，电容c上的过电压显著增加，导致电容体积和成本增大；另一方面由于电容c和压敏电阻之间存在较大的电压差（相对于控制开关fv为反向），同时回路中的电感l较大，对于常用的真空触发开关（具有截流现象）、二极管（具有反向恢复现象）或晶闸管（具有反向恢复现象）等控制开关fv，在电流阻断过程中会产生较高的过电压，影响分断过程的可靠进行。
技术实现要素：
本发明的目的在于根据现有技术的不足，设计一种新型的直流分断系统主回路拓扑，减小断路器整体体积、降低综合成本、提高分断过程的可靠性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种直流分断系统主回路拓扑结构，包括主开关单元qf：在直流系统正常工作阶段长期承载负载电流，并在分断过程中迅速形成机械断口、建立绝缘强度承受系统恢复电压；分断单元：由电容c、控制开关fv、电感l和压敏电阻rv构成，在分断过程中迫使主开关单元qf电流快速转移而过零熄弧，并吸收直流系统储存的电磁能量、限制系统过电压；隔离单元qs：当直流系统电流为零后无弧断开，在系统电源和负载之间形成电气隔离；缓冲单元：由吸收电阻rs和吸收电容cs串联构成，在分断过程中，减缓系统恢复电压的上升速率；所述的分断单元和隔离单元qs串联后与所述的主开关单元qf并联，所述的分断单元的一端与主开关单元qf的电流流入端相连接，所述的隔离单元qs的一端与主开关单元qf的电流流出端相连接，所述的缓冲单元的一端与主开关单元qf的电流流入端相连接，其另一端与分断单元和隔离单元qs的串联端相连接。
进一步，所述的电容c、控制开关fv和电感l依次串联，所述的压敏电阻rv并联在电容c和控制开关fv构成的串联电路两端，所述的压敏电阻rv和电容c的连接端与主开关单元qf的电流流入端相连接。
更进一步，所述的电容c预先充电，所述的电容c和压敏电阻rv连接的一端为充电电压负极。
更进一步，所述的控制开关fv由真空触发开关和二极管串联构成。
更进一步，所述的控制开关fv单独采用晶闸管。
所述的一种直流分断系统主回路拓扑结构，其主开关单元qf采用快速机械开关。
所述的一种直流分断系统主回路拓扑结构，其隔离单元qs采用机械隔离开关。
本发明的有益效果是：通过降低对隔离开关qs的长期通流要求，显著减小断路器分断过程中电容c及控制开关fv上的过电压，减小断路器的整体体积、降低综合成本、提高分断过程的可靠性。
附图说明
图1是现有人工过零型直流分断系统拓扑方案；
图2是本发明的直流分断系统主回路拓扑方案；
图3是本发明的具体实施例中主回路拓扑方案；
图4是本发明方案中控制开关fv的等效分断回路；
图5是分断过程中现有方案和本发明方案中隔离开关qs的电流比较；
图6是分断过程中现有方案和本发明方案中电容c的电流比较；
图7是分断过程中现有方案和本发明方案中压敏电阻rv的电流比较；
图8是分断过程中现有方案和本发明方案中电容c的电压比较；
图9是分断过程中现有方案和本发明方案中控制开关fv的电压比较。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参照图2所示，本发明公开了一种直流分断系统主回路拓扑，包括主开关单元qf、分断单元、隔离单元qs和缓冲单元。
主开关单元qf：在直流系统正常工作阶段长期承载负载电流，并在分断过程中迅速形成机械断口、建立绝缘强度承受系统恢复电压；
分断单元：在分断过程中迫使主开关单元qf电流快速转移而过零熄弧，并吸收直流系统储存的电磁能量、限制系统过电压；
隔离单元qs：当直流系统电流为零后无弧断开，在系统电源和负载之间形成电气隔离；
缓冲单元：在分断过程中，减缓系统恢复电压的上升速率。
所述的分断单元和隔离单元qs串联后与所述的主开关单元qf并联，所述的分断单元的一端与主开关单元qf的电流流入端相连接，所述的隔离单元qs的一端与主开关单元qf的电流流出端相连接，所述的缓冲单元的一端与主开关单元qf的电流流入端相连接，其另一端与分断单元和隔离单元qs的串联端相连接。
所述的分断单元由电容c、控制开关fv、电感l和压敏电阻rv构成，所述的电容c、控制开关fv和电感l依次串联，所述的压敏电阻rv并联在电容c和控制开关fv构成的串联电路两端，所述的压敏电阻rv和电容c的连接端与主开关单元qf的电流流入端相连接。
所述的电容c预先充电，所述的电容c和压敏电阻rv连接的一端为充电电压负极。
所述的控制开关fv由真空触发开关和二极管串联构成或单独采用晶闸管。
所述的缓冲单元由吸收电阻rs和吸收电容cs串联构成。
所述的主开关单元qf采用快速机械开关qf，所述的隔离单元qs采用机械隔离开关qs。
在直流分断过程中，通过所述的压敏电阻rv直接限制电容c上的电压，减小电容c上的过电压；通过降低控制开关fv分断回路中的等效电源电压u0及等效电感ls，减小控制开关fv上的过电压。
所述的隔离单元qs仅在直流分断过程中闭合，只需导通持续时间较短的一段脉冲电流。
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
参照图3所示，控制开关fv采用晶闸管t，所述的电容c、晶闸管t、电感l和机械隔离开关qs依次串联，所述的压敏电阻rv并联在电容c和晶闸管t构成的串联电路两端，所述的压敏电阻rv和电容c的连接端与快速机械开关qf的电流流入端相连接，所述的机械隔离开关qs的一端与快速机械开关qf的电流流出端相连接，所述的吸收电容cs和吸收电阻rs构成串联电路，所述的吸收电容cs的一端与快速机械开关qf的电流流入端相连接，所述的吸收电阻rs的一端与电感l和机械隔离开关qs的串联端相连接。
本发明工作过程如下：
在直流系统正常工作阶段，主开关单元qf快速机械开关qf闭合承担负载的长期工作电流。
在系统发生短路故障后，主开关单元qf快速机械开关qf首先断开，当其触头达到所需开距时，晶闸管t导通，预充电电容c通过晶闸管t、电感l、机械隔离开关qs和快速机械开关qf弧隙所构成的回路放电，产生的高频脉冲电流与快速机械开关qf中的短路电流叠加使快速机械开关qf电流迅速过零并熄弧。
此后系统电流完全转移至电容c、晶闸管t、电感l和机械隔离开关qs构成的串联支路，系统电源开始给c反向充电，快速机械开关qf两端电压逐渐增大。从快速机械开关qf电流过零熄弧开始，缓冲电路rs、cs导通，减缓快速机械开关qf两端的电压上升速率，改善快速机械开关qf弧后的介质强度恢复性能。
随着电容c充电过程的进行，当其两端电压达到压敏电阻rv开通值后，rv导通吸收能量，并将电容c上的电压限制在其最大保护电压值。此后系统电流完全转移至压敏电阻rv、电感l和机械隔离开关qs构成的串联支路。
当压敏电阻rv完全消耗掉直流系统中储存的能量后，系统电流减小为零，机械隔离开关qs无弧断开，在系统电源和负载之间形成电气隔离，分断过程结束。
可以看出，机械隔离开关qs仅需导通分断过程中时间较短的一段脉冲电流，无需长期导通系统正常工作时的负载电流。并且一旦电容c上的电压达到压敏电阻rv开通条件后，压敏电阻rv立即将其限制在最大保护电压值，过电压不会进一步上升。参照图4所示，另外在压敏电阻rv导通吸能、晶闸管t截止过程中，由电容c、晶闸管t、压敏电阻rv构成的晶闸管等效分断回路中，等效电源电压u0（电容c电压和压敏电阻rv电压差值）和等效电感ls（回路杂散电感）均极小，结果在晶闸管t上产生的过电压也很小。因此本发明的技术方案能够减小断路器的整体体积、降低综合成本、提高分断过程的可靠性。分断过程中，机械隔离开关qs、电容c和压敏电阻rv中的电流以及电容c和控制开关fv上的电压与现有技术的比较分别见图5—9所示。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。