本发明属于高压直流电网的线路故障检测技术领域，具体涉及混合式直流断路器系统及断路器合闸的故障线路检测方法。
背景技术：
柔性直流输电技术为大规模可再生能源的并网和消纳提供了有效的解决手段，其在全球范围内有着广泛的应用需求和市场。但由于缺少适用于高压直流系统的直流断路器，柔性直流电网的发展和构建受到了较大制约。
目前，高压直流断路器主要包括混合式直流断路器，该混合直流断路器包括用于在直流输电系统正常运行时导通的主支路，和用于在直流输电系统线路故障时导通的转移支路，转移支路包括两个以上串联的模块单元，每个模块单元包括具有电力电子开关器件的第一支路和具有避雷器的第二支路，第一支路与第二支路并联；高压直流断路器的结构，决定其兼顾了机械式直流断路器低运行损耗和固态直流断路器快速分断的优点。
例如，2017年1月发表在《电网技术》期刊第41卷第1期的论文《高压直流断路器限流优化控制方法及仿真》，提供的一种混合式直流断路器，如图1所示，主支路包括机械开关K及IGBT开关阀组Tm，转移支路包括依次串联的IGBT开关阀组T1、T2、T3、T4，每个IGBT开关阀组并联有避雷器，作为能量吸收支路。
又如，2015年10月发表在《中国电力》期刊第48卷第10期的论文《混合式高压直流断路器数据监测平台的研制》，提供了一种级联全桥式高压断路器拓扑结构，如图1所示，包括用于在直流输电系统正常运行时导通的主支路，和用于在直流输电系统线路故障时导通的转移支路，主支路包括快速机械开关b、主支路限流电抗器c、转移电力电子断路器d；转移支路包括转移支路限流电抗器c、主电力电子断路器h、避雷器组g。
对于含有上述混合式高压直流断路器的直流输电网络来说，当直流断路器合闸特别是重合闸时，直流断路器一般是转移支路直接导通，然后根据线路电流是否超过设定的短路电流值来判断是否合闸在故障线路中。如果合闸在故障线路中，直流断路器必须再次分断短路电流。特别是当直流断路器重合闸时，必将引起直流断路器避雷器能量的二次积累，导致直流断路器避雷器的能量需要选择更大的容量。其原因在于，避雷器第一次吸收能量后，短时间内能量不能散发，避雷器的温度较高，如果短时间内再次吸收能量，避雷器的温度就会继续升高。如果要维持避雷器的温度不超过允许值，避雷器的能量势必要选为两倍的故障分断能量。
技术实现要素：
本发明的目的是提供混合式直流断路器系统及断路器合闸的故障线路检测方法，用于解决现有混合式高压直流断路器中只能选择大容量避雷器、导致断路器成本增加的问题，以及不能及时发现线路故障的问题。
为解决上述技术问题，本发明提出一种混合式直流断路器合闸的故障线路检测方法，包括以下解决方案：
本发明的混合直流断路器包括用于在直流输电系统线路故障时导通的转移支路，转移支路包括两个以上串联的模块单元，每个模块单元包括具有电力电子开关器件的第一支路，上述检测方法包括以下步骤：
将模块单元进行分级，每级至少包括一个模块单元，每级的模块单元并联具有避雷器的第二支路，采用分级合闸的方式逐级导通相应模块单元的电力电子开关器件，所述分级合闸至少包括两级合闸，每级模块单元合闸后检测相应模块单元中避雷器中的电流，当该电流大于或等于设定值时，判定合闸的线路为故障线路。
本发明利用混合式直流断路器的转移支路有多级模块单元串联组成的特点，通过转移支路分级合闸的方式，判断避雷器中的电流大小来判断是否合闸在故障线路中，相对于现有技术，本发明在及时发现线路故障的同时，可以相对减小选用避雷器的容量，减少混合式直流断路器的经济成本。特别适用于直流断路器的重合闸时判断是否重合闸在故障线路中，避免了直接合闸在故障线路时产生较大的短路电流，有效避免故障范围扩大导致损坏其他直流设备。
进一步，本发明通过判断避雷器中的电流大小，来判断是否合闸在故障线路中，从而决定是否继续合闸还是终止合闸操作。当判定合闸的线路为故障线路时，终止分级合闸操作。
为解决上述技术问题，本发明还提出一种混合式直流断路器系统，包括以下解决方案：
包括混合式直流断路器，及控制混合式直流断路器的合闸控制装置，该混合直流断路器包括用于在直流输电系统线路故障时导通的转移支路，转移支路包括两个以上串联的模块单元，每个模块单元包括具有电力电子开关器件的第一支路，将模块单元进行分级，每级至少包括一个模块单元，每级的模块单元并联具有避雷器的第二支路，采用分级合闸的方式逐级导通相应模块单元的电力电子开关器件，所述分级合闸至少包括两级合闸，所述合闸控制装置用于在每级模块单元合闸后检测相应模块单元中避雷器中的电流，当该电流大于或等于设定值时，判定合闸的线路为故障线路。
本发明利用混合式直流断路器的转移支路有多级模块单元串联组成的特点，通过转移支路分级合闸的方式，判断避雷器中的电流大小来判断是否合闸在故障线路中，相对于现有技术，本发明在及时发现线路故障的同时，可以相对减小选用避雷器的容量，减少混合式直流断路器的经济成本。
进一步，本发明通过判断避雷器中的电流大小，来判断是否合闸在故障线路中，从而决定是否继续合闸还是终止合闸操作。当判定合闸的线路为故障线路时，终止分级合闸操作。
上述混合直流断路器还包括用于在直流输电系统正常运行时导通的主支路，包括机械开关，及与机械开关串联的电力电子开关器件。当线路短路故障时，主支路的电力电子开关器件先断开，将短路电流转移至转移支路，然后断开机械开关，由转移支路吸收短路故障的电流。
具体的，该电力电子开关器件的数量为两个以上，每个电力电子开关器还并联有电力电子开关器。优选的，电力电子开关器件为二极管桥式开关。
该二极管桥式开关包括全桥结构单元，全桥结构单元的桥臂包括二极管，所述桥臂并联有全控型电力电子器件，以及并联有第三支路，第三支路包括串联的二极管和电容，电容并联有电阻。
附图说明
图1是现有技术中的一种混合式直流断路器结构示意图；
图2是现有技术中另一种混合式直流断路器结构示意图；
图3-1是现有技术中第一种模块单元结构示意图；
图3-2是现有技术中第二种模块单元结构示意图；
图3-3是现有技术中第三种模块单元结构示意图；
图3-4是现有技术中第四种模块单元结构示意图；
图4是本发明的混合式高压直流断路器结构示意图；
图5是本发明的混合式高压直流断路器分级合闸的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
本发明的一种混合式直流断路器合闸的故障线路检测方法，其中，混合直流断路器包括用于在直流输电系统线路故障时导通的转移支路，转移支路包括两个以上串联的模块单元，每个模块单元包括具有电力电子开关器件的第一支路。基于上述结构的混合直流断路器，本发明的断路器合闸的故障线路检测方法包括以下步骤：
将模块单元进行分级，每级至少包括一个模块单元，每级的模块单元并联具有避雷器的第二支路，采用分级合闸的方式逐级导通相应模块单元的电力电子开关器件，所述分级合闸至少包括两级合闸，每级模块单元合闸后检测对应模块单元中避雷器中的电流，当该电流大于或等于设定值时，判定合闸的线路为故障线路。
本发明利用混合式直流断路器的转移支路有多级模块单元串联组成的特点，通过转移支路分级合闸的方式，判断避雷器中的电流大小来判断是否合闸在故障线路中，相对于现有技术，本发明在及时发现线路故障的同时，可以相对减小选用避雷器的容量，减少混合式直流断路器的经济成本。
上述每级模块单元与第二支路并联的方式，为以下任意一种：第一，每个模块单元的第一支路并联一个具有避雷器的第二支路，即各模块单元分别拥有独立的第二支路；第二，每级的模块单元串联后并联一个具有避雷器的第二支路，即每级模块单元共用一个吸收能量的第一支路。
进一步，本发明通过判断避雷器中的电流大小，来判断是否合闸在故障线路中，从而决定是否继续合闸还是终止合闸操作。当判定合闸的线路为故障线路时，终止分级合闸操作。
上述混合直流断路器还包括用于在直流输电系统正常运行时导通的主支路，包括机械开关，及与机械开关串联的电力电子开关器件。当线路短路故障时，主支路的电力电子开关器件先断开，将短路电流转移至转移支路，然后断开机械开关，由转移支路吸收短路故障的电流。具体的，该电力电子开关器件的数量为两个以上，每个电力电子开关器还并联有电力电子开关器。
具体的，主支路和转移支路中的电力电子开关器件可选用如图3-1、图3-2、图3-3所示的现有技术的电力电子开关器件，图3-1所示的是二极管桥式开关，该二极管桥式开关包括全桥结构单元，全桥结构单元的桥臂包括二极管，全桥结构单元的桥臂并联有全控型电力电子器件，以及并联电容。
图3-2所示的是一种全桥开关，包括全桥结构单元，其桥臂包括全控型电力电子器件，电容和电阻并联到桥臂上。图3-3所示的是另一种全桥开关，与图3-2中的全桥开关不同的是，容和电阻并联后再串联二极管形成新的支路，新的支路与桥臂并联。
本发明的电力电子开关器件还可以采用如图3-4所示的二极管桥式开关，包括全桥结构单元，桥臂为二极管，桥臂并联有全控型电力电子器件(两个并联的IGBT)，以及并联有第三支路，第三支路包括串联的二极管和电容，电容并联有电阻。
一种具有上述图3-4所示的电力电子开关器件的模块单元的混合式直流断路器，如图4所示，其转移支路有多级第四种模块单元串联组成，每个模块单元有多个IGBT阀组和避雷器并联组成，主支路上设有快速机械开关，多个串联的电力电子开关器件SM，具体结构为图3-4所示的第四种模块单元，也可以为图3-1、图3-2、图3-3中的任意一种模块单元，每个电力电子开关器件并联有相同结构的电力电子开关器件。对于500kV直流线路来说，500kV直流断路器转移支路有5级100kV的转移支路模块单元串联组成。每个100kV单元的避雷器端电压是100kV。此时避雷器的电流是mA级，即避雷器CCOV长期运行电压对应的漏电流。
通过分级合闸转移支路的方式，判断线路中的电流或避雷器中的电流大小来判断是否合闸在故障线路中。从而决定是否继续合闸还是终止合闸操作。其原理是：
避雷器中的电流是与避雷器两端的电压按照VI曲线(电流电压)变化的。当500kV直流断路器的第一级转移支路模块单元导通后，如图5所示，图中的模块单元为图3-4所示的第四种模块单元。如果线路是短路故障，直流断路器出口电压为0V，剩余4组转移支路的避雷器降承受500kV的电压，每组避雷器的电压就升高到120kV。此时根据避雷器的VI曲线，避雷器中电流将会增加到数十安培，且一直稳定。如果第二级转移支路模块单元也导通，那么剩余三组避雷器将会承受500kV的电压，每级避雷器的电压将会升高到166kV以上，避雷器中的电流将会激增到数百安，而且不会减小。如果线路没有故障，直流断路器相当于合闸在开路状态，避雷器中就没有电流。利用这一特点，判断直流断路器是否合闸在短路的故障线路中，提前终止直流断路器合闸在故障线路的操作，避免直流断路器合闸时再次分断故障电流，从而导致增加避雷器能量的要求。
本发明利用混合式直流断路器转移支路分级合闸的方式，判断线路中的电流或避雷器中的电流大小来判断是否合闸在故障线路中。提前终止直流断路器的合闸在故障线路的操作，避免直流断路器合闸时再次分断故障电流。特别是当直流断路器需要重合闸操作时，能避免直流断路器的避雷器再次吸收短路能量。有效降低了直流断路器对避雷器吸收能量的要求，降低了避雷器的成本。
本发明还提出了一种混合式直流断路器系统，包括混合式直流断路器，及控制混合式直流断路器的合闸控制装置，该混合直流断路器包括用于在直流输电系统线路故障时导通的转移支路，转移支路包括两个以上串联的模块单元，每个模块单元包括具有电力电子开关器件的第一支路。将模块单元进行分级，每级至少包括一个模块单元，每级的模块单元并联具有避雷器的第二支路，采用分级合闸的方式逐级导通相应模块单元的电力电子开关器件，该分级合闸至少包括两级合闸，上述合闸控制装置用于在每级模块单元合闸后检测相应模块单元中避雷器中的电流，当该电流大于或等于设定值时，判定合闸的线路为故障线路。
上述混合式直流断路器系统利用了混合式直流断路器转移支路有多级串联的特点，通过分级合闸转移支路的方式，判断线路中的电流或避雷器中的电流大小来判断是否合闸在故障线路中。从而决定是否继续合闸还是终止合闸操作，当判定合闸的线路为故障线路时，终止分级合闸。
混合式直流断路器系统中流过避雷器的电流是与避雷器两端的电压按照VI曲线(电流电压)变化的。当转移支路分级合闸时，剩余转移支路的避雷器电压增加，如果合闸在短路的故障线路中，那么直流断路器出口电压为0V，避雷器电压必将升高，避雷器中的电流会增加，但远小于短路故障电流。利用这一特点，判断直流断路器是否合闸在短路的故障线路中，提前终止直流断路器合闸在故障线路的操作，避免直流断路器合闸时再次分断故障电流，增加避雷器能量的要求。
进一步，系统中混合直流断路器还包括用于在直流输电系统正常运行时导通的主支路。主支路包括机械开关，及与机械开关串联的电力电子开关器件。该串联的电力电子开关器为两个以上，每个电力电子开关器还并联有电力电子开关器。
本发明的电力电子开关器件优选为二极管桥式开关，如图3-1所示，还可以采用本实施例提出的二极管桥式开关，如图3-4所示。
上述实施例中所指的混合式直流断路器系统，其突出的实质性特点在于其中的合闸控制装置控制混合式直流断路器的过程，该控制过程实质是基于本发明的一种混合式直流断路器合闸的故障线路检测方法的过程，由于对上述方法的介绍已经足够清楚完整，故不再对混合式直流断路器系统详细进行描述。