本发明涉及一种强制换流型混合式高压直流断路器，尤其是一种额定通流支路无电力电子器件的低损耗强制换流型混合式高压直流断路器及工作方法，属于直流输配电网络应用的直流断路器技术领域。
背景技术：
直流输电系统具有输电容量大，输电过程损耗低，传输的电能质量高和无需无功补偿的优点。同时，绿色能源概念的提出，风能、太阳能等可再生能源产生的电能为直流电，若将其并入交流电网需经过dc/ac转换，在此期间又会造成能量的损耗。基于此，近年来直流输电系统得到了越来越多的关注。而对于直流输电系统，其电流无自然过零点，所以交流系统中的断路器无法在直流系统中得以直接应用。目前，直流断路器的主要实现方法有：利用自激振荡或电容预充电法产生“过零点”切断直流电流，但此方法关断过程延时长，关断电流有限；混合式高压直流断路器，目前可挂网运行的均为强制换流型，在其额定通流支路中有电力电子器件，需要提供冷却系统，不仅通态损耗增大而且需提供额外的能量补充。同时，由于电力电子器件通流能力及电压等级的限制，混合直流断路器的电力电子开关支路会利用大量电力电子串并联，从而使系统造价过高。所以研制成本及运行损耗低的直流断路器成为了迫切要求。
技术实现要素：
为了降低混合式直流断路器额定通流情况下电力电子开关器件的通态损耗以及其冷却系统造成的电能浪费，降低对电力电子开关在开断过程的耐压要求，同时减少混合断路器的造价，本发明的目的在于提供一种低损耗强制换流型混合式高压直流断路器及工作方法。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种低损耗强制换流型混合式高压直流断路器，由无损耗的额定通流支路、电流转移支路、电容缓冲支路、能量吸收支路及进线端a1和出线端a2构成，
所述的额定通流支路由第一快速机械开关s1和第二快速机械开关s2串联构成，第一快速机械开关s1的一端与进线端a1相连接，另一端与第二快速机械开关s2相连接；第二快速机械开关s2的一端与出线端a2相连接；由于机械式开关导通阻抗低，使该断路器在额定工作情况下导通损耗小；
所述的电流转移支路由第一二极管d1和第二二极管d2、第一全控型大功率电力电子开关s3和第二全控型大功率电力电子开关s4与预充电电容器c1组成；所述的第一二极管d1阳极与第一全控型大功率电力电子开关s3集电极相连接，第一二极管d1阴极与第二全控型大功率电力电子开关s4集电极相连接；第二二极管d2阳极与第一全控型大功率电力电子开关s3发射极相连接，第二二极管d2阴极与第二全控型大功率电力电子开关s4发射极相连接,四者依次串联为一回路；所述的预充电电容器c1，其正极连接于第一二极管d1阴极与第二全控型大功率电力电子开关s4集电极之间，其负极连接于第二二极管d2阳极与第一全控型大功率电力电子开关s3发射极之间；
所述的电流转移支路，其第一二极管d1阳极与第一全控型大功率电力电子开关s3集电极之间的连接线以及第二二极管d2阴极与第二全控型大功率电力电子开关s4发射极之间的连接线分别与额定通流支路中第一快速机械开关s1和快速机械开关s2之间的连接线以及限流电抗器l1的一端相连，其中限流电抗器l1的另一端与出线端a2相连接；
所述的电容缓冲支路由缓冲电容器c2构成，缓冲电容器c2一端与进线端a1相连，另一端通过第三二极管d3与电流转移支路和限流电抗器l1之间的连接线相连接；其中，第三二极管d3阳极端与缓冲电容器c2相连，第三二极管d3阴极端与电流转移支路和限流电抗器l1之间的连接线相连接；第三二极管d3作用为防止预充电电容器c1向缓冲电容器c2反向充电；
所述的能量吸收支路由避雷器mov组成，避雷器mov并联于缓冲电容器c2两端，吸收缓冲电容c2的能量和限制缓冲电容c2承受的过电压。
所述第一快速机械开关s1为真空断路器、气体断路器或隔离开关；第二快速机械开关s2为真空断路器或气体断路器等。
所述第一全控型大功率电力电子开关s3和第二全控型大功率电力电子开关s4为iegt、igct或igbt；正常工作条件时，全控型大功率电力电子开关处于关断状态。
所述的低损耗强制换流型混合式高压直流断路器的工作方法，在正常运行工况下，电流流经第一快速机械开关s1和第二快速机械开关s2支路，由于机械开关通态阻抗小，从而该混合式直流断路器在额定工作条件下损耗小；
当系统发生短路故障时，故障电流从进线端a1流入，此时向第一快速机械开关s1和第二快速机械开关s2发出动作指令，使第一快速机械开关s1和第二快速机械开关s2的触头分离，与此同时触发电流转移支路中的第一全控型大功率电力电子开关s3和第二全控型大功率电力电子开关s4使其导通，预充电电容器c1分别通过第二全控型大功率电力电子开关s4、限流电抗器l1、第二快速机械开关s2和第一全控型大功率电力电子开关s3回路为第二快速机械开关s2提供反向电流，使第二快速机械开关s2在产生人工过零点的条件下而被快速关断；在此期间由于第一快速机械开关s1和第二快速机械开关s2所在支路与缓冲电容器c2并联，使得第二快速机械开关s2在零初始电压条件下动作；
当第二快速机械开关s2完全断开后，电流完全转移至电流转移支路，此时电流流经第一快速机械开关s1、第一全控型大功率电力电子开关s3、预充电电容器c1、第二全控型大功率电力电子开关s4和限流电抗器l1支路；
然后在同一时间内断开第一全控型大功率电力电子开关s3和第二全控型大功率电力电子开关s4，使故障电流强制转移到电容缓冲支路，缓冲电容器c2开始充电；由于第一全控型大功率电力电子开关s3和第二全控型大功率电力电子开关s4等效电容远大于第一快速机械开关s1两端的等效电容，使得电压几乎完全作用于第一快速机械开关s1两侧，第一快速机械开关s1、第一全控型大功率电力电子开关s3与第二全控型大功率电力电子开关s4三者串联电压与缓冲电容器c2两端电压相等，缓冲电容器c2起始电压接近为零，因此在第一全控型大功率电力电子开关s3与第二全控型大功率电力电子开关s4断开过程中，几乎无电压作用，这样可降低对全控型大功率电力电子开关耐压要求；
当缓冲电容器c2两端电压达到避雷器mov动作电压时，能量吸收支路导通，故障电流逐渐减小直至为零，故障电流被切除。
与现有的技术相比，本发明具有的优势为：
额定通流情况下损耗小，在额定通流支路中无电力电子器件，所以不需要冷却系统。从而减小电路中的通态损耗同时也避免了不必要的电能浪费。
用缓冲电容器替代了以往的大量电力电子开关串联支路，可大幅度降低混合式直流断路器的成本。同时可降低开断过程中对电流转移支路中全控型电力电子开关的耐压要求。
当第二快速机械开关s2被关断后，电流通过电流转移支路流通，此时先关断第一快速机械开关s1，再同时关断第一全控型大功率电力电子开关s3和第二全控型大功率电力电子开关s4，使电流全部转移至电容缓冲支路。由于第一全控型大功率电力电子开关s3与第二全控型大功率电力电子开关s4的等效电容远大于第一快速机械开关s1两端的等效电容，使电压几乎全作用于第一快速机械开关s1两侧，第一快速机械开关s1、第一全控型大功率电力电子开关s3与第二全控型大功率电力电子开关s4三者串联电压与缓冲电容器c2两端电压相等，缓冲电容器c2起始电压接近为零，因此在第一全控型大功率电力电子开关s3与第二全控型大功率电力电子开关s4在断开过程中，几乎无电压作用，这样可降低对全控型大功率电力电子开关耐压要求。同时应用缓冲电容器c2替代以往的串联的电力电子开关支路，可降低混合式断路器整体成本。
附图说明
图1为本发明一种低损耗强制换流型混合式高压直流断路器电路示意图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，在正常运行工况下，电流流经第一快速机械开关s1和第二快速机械开关s2支路，由于机械开关通态阻抗小，从而该混合式直流断路器在额定工作条件下损耗小。
当系统发生短路故障时，故障电流从进线端a1流入，此时向第一快速机械开关s1和第二快速机械开关s2发出动作指令，使第一快速机械开关s1和第二快速机械开关s2的触头分离，与此同时触发电流转移支路中的第一全控型大功率电力电子开关s3和第二全控型大功率电力电子开关s4使其导通，预充电电容器c1分别通过第二全控型大功率电力电子开关s4、限流电抗器l1、第二快速机械开关s2和第一全控型大功率电力电子开关s3回路为第二快速机械开关s2提供反向电流，使第二快速机械开关s2在产生人工过零点的条件下而被快速关断；在此期间由于第一快速机械开关s1和第二快速机械开关s2所在支路与缓冲电容器c2并联，使得第二快速机械开关s2在零初始电压条件下动作。
当第二快速机械开关s2完全断开后，电流完全转移至电流转移支路，此时电流流经第一快速机械开关s1、第一全控型大功率电力电子开关s3、预充电电容器c1、第二全控型大功率电力电子开关s4和限流电抗器l1支路。
然后在同一时间内断开第一全控型大功率电力电子开关s3和第二全控型大功率电力电子开关s4，使故障电流强制转移到电容缓冲支路，缓冲电容器c2开始充电；由于第一全控型大功率电力电子开关s3和第二全控型大功率电力电子开关s4等效电容远大于第一快速机械开关s1两端的等效电容，使得电压几乎完全作用于第一快速机械开关s1两侧，第一快速机械开关s1、第一全控型大功率电力电子开关s3与第二全控型大功率电力电子开关s4三者串联电压与缓冲电容器c2两端电压相等，缓冲电容器c2起始电压接近为零，因此在第一全控型大功率电力电子开关s3与第二全控型大功率电力电子开关s4断开过程中，几乎无电压作用，这样可降低对全控型大功率电力电子开关耐压要求。
当缓冲电容器c2两端电压达到避雷器mov动作电压时，能量吸收支路导通，故障电流逐渐减小直至为零，故障电流被切除。