本发明涉及电力设备技术领域，尤其涉及一种具有重合闸功能的微损耗组合机械式直流断路器。
背景技术：
直流电网中亟需直流断路器能够快速隔离直流侧故障，从而保证正常换流站及线路的可靠工作。
目前，直流断路器的主流技术路线分为混合式直流断路器和机械式直流断路器，其中机械式直流断路器具有成本低和运行损耗低的优点，然而却存在无法实现快速重合闸的缺点。典型的机械式直流断路器拓扑结构如图1和图2所示，其中机械式直流断路器包含通流支路、换流支路和吸能支路。正常负荷电流由通流支路导通，断路器工作在低损耗状态；一旦检测到故障，短路电流需由通流支路转移至换流支路，从而在断路器两端建立电压，紧接着避雷器动作，短路电流被进一步转移至避雷器，短路电流逐渐下降，从而实现电流开断。
图1所示机械式直流断路器为有源振荡型直流断路器，其换流原理是给换流支路中的高压电容预充电，然后通过控制换流支路中的高压空气球隙导通，使短路电流由通流支路转移至换流支路。图1中高压电容上的最高电压值约为系统电压的1.5倍，该电压很高，若高压电容采用独立的充电系统，独立充电系统的体积和成本过高，因而目前普遍采用了在线取电方式。对于在线取电系统，若直流母线失压，断路器高压电容上的电压值不确定进而导致断路器可靠性的降低；另外为了实现双向电流开断，图1中的高压空气球隙熄弧能力较弱、燃弧时间长、寿命较短、其熄弧能力受众多因素影响，因而其工作状态存在不可控性和不确定性。
为了避免高压电容在线取电和高压空气球隙所带来的问题，图2采用了一种基于变压器耦合原理的换流方式。随着直流断路器额定电压和额定开断电流的升高，图2中原边电容上的电压和原边快速导通开关的耐压通流水平不断提高；另外这种机械式直流断路器无法实现快速重合闸。
图1与图2所示传统机械式直流断路器仅能开断一条进线和1条出线上的故障电流，若应用传统机械式直流断路器于直流电网，则每条直流母线上所安装的直流断路器台数与直流母线外接线路数相同。换言之，直流电网中需配置的直流断路器台数巨大，而直流断路器造价昂贵，进而造成直流电网建设成本的大幅增加。
技术实现要素：
本发明是为了克服现有技术中的不足，针对直流电网中所需直流断路器台数过多、直流断路器成本过高，以及架空线型直流电网对直流断路器提出的快速重合闸要求，提供一种具有重合闸功能的微损耗组合机械式直流断路器及其控制方法，能够根据直流母线上的进出线数量差异化设计该组合机械式直流断路器，保证每条直流母线只需配置一台直流断路器，从而实现直流母线所有外接线路的保护，大幅降低了直流电网中直流断路器的成本。本发明中的组合机械式直流断路器由机械开关导通正常负荷电流，运行在微损耗状态；其可在不引起电流过冲的情况下实现重合闸功能，为架空线型直流电网的推广奠定了技术基础。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种具有重合闸功能的微损耗组合机械式直流断路器，其特征在于，包括n个接线端、n条通流支路、1条换流支路；其中n条通流支路与1条换流支路并联，每条通流支路以连接点为界，分为上桥臂和下桥臂；每个接线端与一条通流支路的连接点电气连接；每条通流支路的上桥臂包括1个辅助机械开关，下桥臂包括相互串联的1个隔离开关和1个半导体开关组件；所述换流支路包括相互串联的1个主机械开关、1个高压臂电容和1个低压臂电容串联；所述高压臂电容与高压电阻和避雷器并联，高压臂电容不需预充电；所述低压臂电容预充一定电压，低压臂电容的低压端直接与高压臂电容电气连接；所述低压臂电容与二极管并联，低压臂电容的低压端与二极管的阳极电气连接，低压臂电容的高压端与二极管的阴极电气连接。
优选地，其特征在于，所述隔离开关由快速操动机构驱动。所述辅助机械开关由快速操动机构驱动，其操动机构储存的能量可保证辅助机械开关在故障电流开断和重合闸过程中连续进行分闸-合闸操作。所述主机械开关由快速操动机构驱动，其操动机构储存的能量可保证主机械开关在故障电流开断和重合闸过程中连续进行分闸-合闸-分闸操作。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
本发明中直流断路器在正常运行时，处于微损耗状态，几乎不产生运行成本；本发明中的一台直流断路器可实现一条母线上所有外接线路故障电流的开断与隔离，进而降低了直流电网中直流断路器的建设成本；本发明中的直流断路器可在不引起电流过冲的前提下实现快速重合闸，为架空线型直流电网的发展提供了坚强的技术支持。
附图说明
图1示出有源振荡型机械式直流断路器的结构示意图；
图2示出基于换流驱动电路的机械式直流断路器的结构示意图；
图3示出本发明具有重合闸功能的微损耗组合机械式直流断路器的一个具体实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。
图3示出本发明提供的一种具有重合闸功能的微损耗组合机械式直流断路器的结构示意图。如图3所示，具有重合闸功能的微损耗组合机械式直流断路器300包括：n个接线端(node_1,node_2,node_n)，n条通流支路(通流支路1、通流支路2、通流支路n)，1条换流支路；其中通流支路1、通流支路2、通流支路n与换流支路并联；每条通流支路以连接点(midpoint_1,midpoint_2,midpoint)n)为界，可分为上桥臂和下桥臂；每个接线端(node_1,node_2,node_n)分别经过一条通流支路的连接点(midpoint_1,midpoint_2,midpoint)电气连接。
本发明提供的一种具有重合闸功能的微损耗组合机械式直流断路器的一个具体实施例中，各通流支路(通流支路1、通流支路2、通流支路n)的上桥臂由辅助机械开关(cb_1,cb_2,cb_n)构成。
本发明提供的一种具有重合闸功能的微损耗组合机械式直流断路器的一个具体实施例中，各辅助机械开关(cb_1,cb_2,cb_n)由快速操动机构驱动，其操动机构储存的能量可保证辅助机械开关在故障电流开断和重合闸过程中连续进行分闸-合闸操作，其分闸速度为数毫秒。
本发明提供的一种具有重合闸功能的微损耗组合机械式直流断路器的一个具体实施例中，各通流支路(通流支路1、通流支路2、通流支路n)的下桥臂分别由1个隔离开关(k_1,k_2,k_n)和1个半导体开关组件(t_1,t_2,t_n)串联而成。
本发明提供的一种具有重合闸功能的微损耗组合机械式直流断路器的一个具体实施例中，各隔离开关(k_1,k_2,k_n)由快速操动机构驱动，其分闸时间为数毫秒。
本发明提供的一种具有重合闸功能的微损耗组合机械式直流断路器的一个具体实施例中，各半导体开关组件(t_1,t_2,t_n)的导通时间为微秒级，例如可采用晶闸管与二极管反并联。
本发明提供的一种具有重合闸功能的微损耗组合机械式直流断路器的一个具体实施例中，换流支路由一个主机械开关、1个高压臂电容c1和1个低压臂电容c2串联而成。主机械开关(main_cb)由快速操动机构驱动，其操动机构储存的能量可保证主机械开关在故障电流开断和重合闸过程中连续进行分闸-合闸-分闸操作，其分闸速度为数毫秒。高压臂电容c1与高压电阻r和避雷器mov并联，高压臂电容c1不需预充电。低压臂电容c2预充一定电压，低压臂电容c2的低压端直接与高压臂电容c2电气连接。低压臂电容c2与二极管d并联，低压臂电容c1的低压端与二极管d的阳极电气连接，低压臂电容c1的高压端与二极管d的阴极电气连接。
具体的，本发明的控制方法，导通正常负荷电流时，各接线端(node_1,node_2,node_n)连接的通流支路上桥臂的辅助机械开关(cb_1,cb_2,cb_n)处于合闸状态；各下桥臂的隔离开关(k_1,k_2,k_n)处于合闸状态；各通流支路下桥臂的半导体开关组件(t_1,t_2,t_n)处于关断状态；换流支路的主机械开关(main_cb)处于合闸状态；正常负荷电流由个接线端(node_1,node_2,node_n)经各通流支路上桥臂的辅助机械开关(cb_1,cb_2,cb_n)流入或流出，直流断路器运行在微损耗状态。
实现故障电流的开断时，检测到某个接线端外部故障，以node_1外部故障为例，给node_1连接的通流支路1上桥臂的辅助机械开关cb_1发分闸命令，同时给健全接线端(node_2,node_n)连接的通流支路2和通流支路n下桥臂的隔离开关(k_2,k_n)发分闸命令，辅助机械开关cb_1开始燃弧，而隔离开关k_2和k_n不燃弧；等待辅助机械开关cb_1、隔离开关k_2和k_n达到一定开距后，给故障接线端node_1连接的通流支路1下桥臂的半导体开关组件t_1发导通命令，给换流支路主机械开关main_cb发分闸命令，换流支路低压臂电容c2上的负电压驱动电流由通流支路1上桥臂转移至换流支路和通流支路1下桥臂串联的支路中；同时main_cb燃弧；故障电流不断给换流支路中的高压臂电容c1充电而使其两端电压升高，接着避雷器mov动作，故障电流由高压臂电容c1转移至避雷器mov，故障电流逐渐下降；当避雷器mov将系统能量吸收完后，电流再次转移回高压臂电容c1，形成振荡的残余电流，最终由主机械开关main_cb在残余电流的过零点开断残余电流而实现故障电流的开断；
实现快速重合闸时，分两种情况。对于永久性故障，故障电流开断后等待一定故障去游历时间，合闸换流支路中的主机械开关main_cb并导通故障接线端node_1连接的通流支路1下桥臂的半导体开关组件t_1，再次检测到振荡电流后，需再次分闸换流支路的主机械开关main_cb，由主机械开关main_cb实现振荡电流的开断；同时合闸健全接线端连接的通流支路2和通流支路n下桥臂隔离开关t_2和t_n。需注意，根据通过合理设计c1，可控制重合于永久性故障所产生的振荡电流小于额定电流，而使直流电网中的换流阀及设备免受二次电流冲击。
对于临时性故障，故障电流开断后等待一定故障去游历时间，合闸换流支路的主机械开关main_cb并导通故障接线端node_1连接的通流支路1下桥臂的半导体开关组件t_1，未检测到振荡电流，合闸故障接线端node_1连接的通流支路上桥臂的辅助机械开关cb_1，并合闸健全接线端连接的通流支路2和通流支路n下桥臂隔离开关t_2和t_n。
参考前述本发明示例性的描述，本领域技术人员应该可以清楚的知晓本发明具有以下优点：
1.本发明提能够根据直流母线的外接线路数量差异化设计组合式直流断路器的接线端数量，保证1条直流母线只需按照1台直流断路器，从而大幅降低了直流电网中直流断路器的数量、体积和成本。
2.本发明在正常运行时，正常负荷电流由机械开关导通，直流断路器运行在微损耗状态，几乎不产生运行成本。
3.本发明可在不引起电流冲击的情况下，实现重合闸功能，为架空线型直流电网的发展提供了坚强的技术支持。