本发明涉及直流系统中关键设备的拓扑设计技术领域，具体涉及一种机械式高压直流断路器装置及其开断方法。
背景技术：
柔性直流输电技术是解决大容量、远距离输电以及实现现代电力传输的有效手段。由于其具有灵活独立调节有功功率和无功功率的优点，所以柔性直流输电技术被广泛运用在大规模可再生能源输电中。然而，柔性直流输电技术自身不能处理直流侧线路故障。直流侧故障发生后，换流站内的故障电流剧增，可能会对换流站中的设备，如：电力电子设备，造成电击穿或热击穿。因此运用直流断路器对直流侧故障进行开断对柔性直流输电技术的进一步发展具有重要的作用。
直流断路器可以分为机械式直流断路器、混合式直流断路器和固态式直流断路器。其中，由于机械式直流断路器不含有电力电子器件，因此相较于混合式直流断路器和固态式直流断路器具有成本低和通态损耗小的优点。进一步，机械直流断路器可以分为无源机械直流断路器和有源机械直流断路器。其中，由于有源机械直流断路器相较于无源机械直流断路器具有开断时间短的优点，所以有源机械直流断路器有很好的应用前景。
有源机械直流断路器一般由残余电流断路器、主支路、转移支路和吸收支路四部分组成。其主要的开断原理为：开断时，转移支路产生一个与主支路故障电流方向相反的振荡电流，故障电流先从主支路逐渐转移到转移支路，当转移支路上的振荡电容放电结束后，故障电流对振荡电容反向充电，当该反向充电电压达到吸收支路上避雷器的动作电压时，故障电流从转移支路转移到吸收支路进行能量吸收和泄放，最后由残余电流断路器开断吸收支路中的残余电流，完成直流开断。而现有的有源机械直流断路器存在着以下缺点：(1)不能在短时间内对直流侧故障进行连续开断；(2)没有有效地利用故障电流对转移支路上的振荡电容的反向充电电压。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供一种具有连续自充能和连续开断能力的机械式高压直流断路器装置。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种机械式高压直流断路器装置，包括
主支路，用于承担直流线路的正常工作电流和开断故障电流时直流断路器两端的过电压，并实现直流线路电流的双向导通；
转移支路，用于产生一个与主支路电流方向相反的振荡电流，并将反向振荡电流叠加到主支路上使主支路上的故障电流强制过零，从而实现将故障电流从主支路转移至转移支路；
吸收支路，用于吸收和泄放故障开断时累积的能量；
残余电流开断元件，与主支路串联，用于开断残余电流。
进一步，所述主支路包括串联的电流互感器和机械开关。
进一步，所述转移支路与主支路并联，转移支路包括串联的火花间隙开关桥和振荡电感。
进一步，所述转移支路上还串联有杂散电阻。
进一步，所述火花间隙开关桥包括由火花间隙开关s1、火花间隙开关s2、火花间隙开关s3、火花间隙开关s4依次串接组成的桥式结构，振荡电容的正极连接于火花间隙开关s3与火花间隙开关s4之间，振荡电容的负极连接于火花间隙开关s1和火花间隙开关s2之间。
进一步，所述吸收支路与主支路并联，吸收支路包括至少2组串联的避雷器。
进一步，还包括控制系统，主支路的电流互感器将采集的电流信号送至控制系统，控制系统根据电流信号控制机械开关及火花间隙开关导通或断开。
进一步，所述控制系统包括
故障检测单元，将电流互感器采集的流过机械开关的电流与故障电流阈值进行比较，若采集的电流大于等于故障电流阈值，判断为直流侧故障，若采集电流小于故障电流阈值，判断为系统正常运行；
机械开关控制单元，接收故障检测单元传来的故障判断信号，若故障判断信号为直流侧故障，则控制机械开关断开，若故障判断信号为无直流侧故障，则控制机械开关保持导通状态；
延时单元，在机械开关断开后延时预设时间；
第一触发火花间隙导通单元，用于第一次故障开断过程中，在延时单元延时预设时间后，触发火花间隙s1，s3开关导通；以及
第二触发火花间隙导通单元，用于第二次故障开断过程中，在延时单元延时预设时间后，触发火花间隙s2，s4开关导通。
进一步，所述预设时间为2毫秒。
本发明还公开一种机械式高压直流断路器的开断方法，包括如下步骤：
1)在线监测流过机械开关的电流，若该电流大于故障监测阈值电流，则判断为故障；
2)分断机械开关；
3)触发机械开关分断后延迟2毫秒，第一触发火花间隙导通单元触发一对火花间隙开关s1，s3导通；
4)预充电的振荡电容通过导通的火花间隙开关s1，s3接入转移支路，产生一个与流过机械开关的故障电流方向相反的振荡电流；
5)当振荡电流幅值等于故障电流时，机械开关实现完全开断，故障电流对振荡电容反向充电，实现对振荡电容自动充上反向电压；
6)当振荡电容两端电压达到避雷器动作电压时，避雷器动作，能量从避雷器泄放；
7)残余电流断路器开断避雷器中的残余电流，完成第一次故障开断；
8)经过一段故障去游离时间，断路器重合闸，若重合闸于永久故障，故障检测单元判断为故障；
9)分断机械开关；
10)触发机械开关分断后延迟2毫秒，第二触发火花间隙导通单元触发一对火花间隙开关s2，s4导通；
11)预充电的振荡电容通过导通的火花间隙开关s2，s4接入转移支路，产生一个与流过机械开关的故障电流方向相反的振荡电流；
12)当振荡电流幅值等于故障电流时，机械开关实现完全开断，故障电流对振荡电容反向充电，实现对振荡电容自动充上反向电压；
13)当振荡电容两端电压达到避雷器动作电压时，避雷器动作，能量从避雷器泄放；
14)残余电流断路器开断避雷器中的残余电流，完成第二次故障开断。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
本发明采用由火花间隙开关桥将预充电振荡电容串入转移支路的方法，通过在不同故障开断过程中触发不同组别的火花间隙开关，有效地利用故障电流对转移支路上振荡电容的反向充电电压作为第二次振荡电容的预充电电压，可以短时间内对直流侧故障进行连续开断。有效地利用故障电流对转移支路上振荡电容的反向充电电压作为第二次振荡电容的预充电电压，可以短时间内对直流侧故障进行连续开断，结构简单新颖，节省成本。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述：
图1为本发明的一种机械式高压直流断路器装置的结构图；
图2为进行两次故障开断的电容电压波形图；
图3为进行两次故障开断的故障电流波形图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
参见图1，本实施例的机械式高压直流断路器装置，包括
主支路1，包括串联的电流互感器ta和机械开关k，用于承担直流线路的正常工作电流和开断故障电流时直流断路器两端的过电压，并实现直流线路电流的双向导通；
转移支路2，与主支路并联，转移支路包括串联的火花间隙开关桥、振荡电感l和杂散电阻r。用于产生一个与主支路电流方向相反的振荡电流，并将反向振荡电流叠加到主支路上使主支路上的故障电流强制过零，从而实现将故障电流从主支路转移至转移支路；所述火花间隙开关桥包括由火花间隙开关s1、火花间隙开关s2、火花间隙开关s3、火花间隙开关s4依次串接组成的桥式结构，振荡电容c的正极连接于火花间隙开关s3与火花间隙开关s4之间，振荡电容c的负极连接于火花间隙开关s1和火花间隙开关s2之间。
吸收支路3，与主支路并联，吸收支路包括至少2组串联的避雷器f，用于吸收和泄放故障开断时累积的能量；
残余电流开断元件k1，与主支路串联，用于开断吸收支路避雷器中残余电流。
控制系统(图中未示出)，主支路的电流互感器ta将采集的电流信号送至控制系统，控制系统根据电流信号控制机械开关k及火花间隙开关导通或断开。所述控制系统包括：
故障检测单元，将电流互感器采集的流过机械开关k的电流与故障电流阈值进行比较，若采集的电流大于等于故障电流阈值，判断为直流侧故障，若采集电流小于故障电流阈值，判断为系统正常运行；
机械开关k控制单元，接收故障检测单元传来的故障判断信号，若故障判断信号为直流侧故障，则控制机械开关k断开，若故障判断信号为无直流侧故障，则控制机械开关k保持导通状态；
延时单元，在机械开关k断开后延时2毫秒；
第一触发火花间隙导通单元，用于第一次故障开断过程中，在延时单元延时2毫秒后，触发火花间隙s1，s3开关导通；以及
第二触发火花间隙导通单元，用于第二次故障开断过程中，在延时单元延时2毫秒后，触发火花间隙s2，s4开关导通。
本发明还公开一种机械式高压直流断路器的开断方法，包括如下步骤：
1)在线监测流过机械开关k的电流，若该电流大于故障监测阈值电流，则判断为故障；
2)分断机械开关k；
3)触发机械开关k分断后延迟2毫秒，第一触发火花间隙导通单元触发一对火花间隙开关s1，s3导通；
4)预充电的振荡电容c通过导通的火花间隙开关s1，s3接入转移支路，产生一个与流过机械开关k的故障电流方向相反的振荡电流；
5)当振荡电流幅值等于故障电流时，机械开关k实现完全开断，故障电流对振荡电容c反向充电，实现对振荡电容c自动充上反向电压；
6)当振荡电容c两端电压达到避雷器f动作电压时，避雷器f动作，能量从避雷器f泄放；
7)残余电流断路器开断避雷器f中的残余电流，完成第一次故障开断；
8)经过一段故障去游离时间，断路器重合闸，若重合闸于永久故障，故障检测单元判断为故障；
9)分断机械开关k；
10)触发机械开关k分断后延迟2毫秒，第二触发火花间隙导通单元触发一对火花间隙开关s2，s4导通；
11)预充电的振荡电容c通过导通的火花间隙开关s2，s4接入转移支路，产生一个与流过机械开关k的故障电流方向相反的振荡电流；
12)当振荡电流幅值等于故障电流时，机械开关k实现完全开断，故障电流对振荡电容c反向充电，实现对振荡电容c自动充上反向电压；
13)当振荡电容c两端电压达到避雷器f动作电压时，避雷器f动作，能量从避雷器f泄放；
14)残余电流断路器开断避雷器f中的残余电流，完成第二次故障开断。
在直流电压等级为±200kv的双端柔性直流输电系统使用本实施例的机械式高压直流断路器装置及其开断方法，额定直流电流为1ka，在t＝0s时在单侧换流站出口处发生极间金属短路，且为永久性故障，线路故障去游离时间为140毫秒，在t＝150ms时刻直流断路器重合闸，设置断路器转移支路杂散电阻r＝0.01ω，振荡电容c＝10μf，振荡电感l＝200μh，振荡电容第一次预充电电压vc1＝100kv，pscad仿真结果见下图2、3所示。图2为两次故障开断的电容电压波形图，图3为两次故障开断的故障电流波形图。图中可看出，本发明提出的一种具有连续自充能和连续开断能力的机械式高压直流断路器装置及开断方法能有效地利用故障电流对转移支路上振荡电容的反向充电电压作为第二次振荡电容的预充电电压，可以在较短的重合闸时间内实现两次连续故障开断。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的保护范围当中。