CN111711163A - 一种直流断路器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种直流断路器及其控制方法，该直流断路器，其换流支路中的触发开关为电力电子式开关，并且，换流支路中的部分器件两端并联有限压电容支路和电压极性翻转支路；电压极性翻转支路用于在直流断路器成功实现一次电流开断之后，在相应预设之间内，控制换流支路中换流电容上的电压极性翻转；限压电容支路用于在直流断路器成功实现一次电流开断之后，在相应预设时间内，控制换流电容上的电压幅值满足再次进行电流开断的换流电容电压幅值要求；从而无需功率较大的供能设备为换流电容充电，仅需一条换流支路即可实现直流断路器的快速重合闸功能，降低直流断路器的成本。

Description

一种直流断路器及其控制方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，更具体的说，尤其涉及一种直流断路器及其控制方法。

背景技术

随着我国经济的快速发展，电力需求持续增长，高压直流技术作为一种提高输电容量、降低能耗的先进电力输送方式，越来越受到人们的重视。目前，我国已成功建设多个高压直流输电工程；传统的两端直流输电***正逐步向多端直流输电***发展，具有优越经济性和灵活性的多端柔性直流输电***已成为了关注的焦点；而直流断路器的不成熟和缺乏是制约我国多端直流输电技术发展以及直流配电***发展的瓶颈。

现有的机械式直流断路器的重合闸方案方案中，其在进行一次电流开断后，电容上的电压极性翻转且幅值已不满足再次进行第二次电流开断，需要加大为电容充电的供能设备的功率，以使可以在重合闸要求的时间内，通常小于300ms，将电容上的电压由第一次开断后电容上电压幅值-Ucx充到初始电压幅值Uco。或者，其采用两条并联的换流支路，每一条换流支路进行一次开断操作，每条换流支路上均至少包括电容和触发开关，每条换流支路可以共用一个电感，也可以是各自用一个电感。上述两个方案中，供能设备的功率较大，或者，至少采用两台电容、换流开关及其供能设备，这两者均会使直流断路器成本大幅增加。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种直流断路器及其控制方法，用于在实现重合闸功能的基础下，降低成本、通态损耗，控制简单。

本发明第一方面公开了一种直流断路器，其换流支路中的触发开关为电力电子式开关，并且，换流支路中的部分器件两端并联有限压电容支路和电压极性翻转支路；

所述电压极性翻转支路用于在直流断路器成功实现一次电流开断之后，在相应预设时间内，控制换流支路中换流电容上的电压极性翻转；

所述限压电容支路用于在直流断路器成功实现一次电流开断之后，在相应预设时间内，控制换流电容上的电压幅值满足再次进行电流开断的换流电容电压幅值要求。

可选的，所述限压电容支路包括：串联连接的第二避雷器、第一电阻和第三可控开关；

所述第二避雷器用于在所述换流电容的电压幅值大于自身的放电电压时，进行放电，并限制所述换流电容的电压幅值满足再次进行电流开断的换流电容电压幅值要求。

可选的，所述第三可控开关的方向为：所述换流电容第一次充电后，施加在所述限压电容支路的电压的正极指向负极的方向或相反方向；

所述第二避雷器、所述第一电阻和所述第三可控开关，在所述换流支路中的对应部分器件两端之间的串联顺序为下述各个顺序中的任意一种：所述第二避雷器、所述第一电阻和所述第三可控开关依次串联；所述第二避雷器、所述第三可控开关和所述第一电阻依次串联；所述第一电阻、所述第二避雷器和所述第三可控开关依次串联；所述第一电阻、所述第三可控开关和所述第二避雷器依次串联；所述第三可控开关、所述第一电阻和所述第二避雷器依次串联；以及，所述第三可控开关、所述第二避雷器和所述第一电阻依次串联。

可选的，所述电压极性翻转支路包括：串联连接的第二可控开关和第二电感。

可选的，所述第二可控开关的方向为：所述换流电容第一次充电后，施加在所述限压电容支路的电压的正极指向负极的方向；

所述第二可控开关和所述第二电感，在所述换流支路中的对应部分器件两端之间的串联顺序为：所述第二可控开关和所述第二电感依次串联；或者，所述第二电感和所述第二可控开关依次串联。

可选的，换流支路包括：串联连接的所述换流电容、第一电感和第一可控开关；

所述第一可控开关作为所述换流支路的触发开关；

所述第二可控开关的方向为：所述换流电容第一次充电后，施加在所述限压电容支路的电压的正极指向负极的方向；

所述换流电容、所述第一电感和所述第一可控开关，在所述直流断路器的输入端到输出端之间的串联顺序为下述各个顺序中的任意一种：所述换流电容、所述第一电感和所述第一可控开关依次串联；所述换流电容、所述第一可控开关和所述第一电感依次串联；所述第一电感、所述换流电容和所述第一可控开关依次串联；所述第一电感、所述第一可控开关和所述换流电容依次串联；所述第一可控开关、所述第一电感和所述换流电容依次串联；以及，所述第一可控开关、所述换流电容和所述第一电感依次串联。

可选的，所述限压电容支路与所述换流电容并联连接；

所述电压极性翻转支路与所述换流电容并联连接，或者，所述电压极性翻转支路与所述换流电容和所述第一电感的串联支路并联连接。

可选的，其限压支路包括：第一避雷器；

所述第一避雷器，用于在所述换流支路的电压大于自身放电电压时，进行放电，并限制所述换流支路的电压幅值为直流断路器的操作冲击电压峰值。

可选的，其主通流支路包括：至少一个快速机械开关；

各个所述快速机械开关串联连接。

可选的，各个可控开关分别为：全控型开关或半控型开关。

本发明第二方面公开了一种直流断路器的控制方法，应用于如本发明第一方面任一所述的直流断路器的控制器；该直流断路器的控制方法，包括：

在直流断路器的主通流支路中各个快速机械开关均处于合闸，且检测到直流断路器的输入电流处于预设的异常状态时，向各个所述快速机械开关发送分闸信号，以使各个所述快速机械开关均开始执行分闸动作；

在各个所述快速机械开关均分闸到可靠开距时，控制换流支路导通，以使各个所述快速机械开关完成所述主通流支路电流开断；

先后控制电压极性翻转支路和限压电容支路导通，以使所述换流支路中的换流电容的电压幅值和电压极性满足再次进行电流开断的要求；

重复上述步骤、直至所述输入电流不处于预设的异常状态。

可选的，所述预设的异常状态包括：上升速度大于相应阈值。

可选的，所述控制换流支路导通，以使各个所述快速机械开关完成所述主通流支路电流开断，包括：

向所述换流支路中的第一可控开关发送导通脉冲，以使所述第一可控开关导通，开始产生振荡电流；

在所述振荡电流等于所述输入电流时，各个所述快速机械开关完成所述主通流支路电流开断，所述输入电流从流经所述主通流支路切换至流经所述换流支路，所述输入电流对所述换流支路中的所述换流电容充电。

可选的，所述先后控制电压极性翻转支路和限压电容支路导通，以使所述换流支路中的换流电容的电压幅值和电压极性满足再次进行电流开断的要求，包括：

向所述电压极性翻转支路中的第二可控开关发送导通脉冲，以使所述第二可控开关导通，产生振荡电流；在所述振荡电流为零时，所述第二可控开关关断，所述换流电容的电压极性发生翻转；其中，发生翻转后换流电容的电压极性满足再次进行电流开断的换流电容电压极性要求；

以及，

向所述限压电容支路中的第三可控开关发送导通脉冲，以使所述第三可控开关导通，所述换流电容的电压触发所述限压电容支路中的第二避雷器进行放电，并限制所述换流电容的电压幅值满足再次进行电流开断的换流电容电压幅值要求。

从上述技术方案可知，本发明提供的一种直流断路器，其换流支路中的触发开关为电力电子式开关，并且，换流支路中的部分器件两端并联有限压电容支路和电压极性翻转支路；电压极性翻转支路用于在直流断路器成功实现一次电流开断之后，在相应预设时间内，控制换流支路中换流电容上的电压极性翻转；限压电容支路用于在直流断路器成功实现一次电流开断之后，在相应预设时间内，控制换流电容上的电压幅值满足再次进行电流开断的换流电容电压幅值要求；从而可以实现直流断路器的快速重合闸功能，并且无需功率较大的供能设备为换流电容充电，也无需两条换流支路，降低了直流断路器的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种直流断路器的示意图；

图2是本发明实施例提供的另一种直流断路器的示意图；

图3是本发明实施例提供的另一种直流断路器的示意图；

图4是本发明实施例提供的另一种直流断路器的示意图；

图5是本发明实施例提供的另一种直流断路器的示意图；

图6是本发明实施例提供的直流断路器的一种电压电流变化图；

图7是本发明实施例提供的直流断路器的另一种电压电流变化图；

图8是本发明实施例提供的直流断路器的另一种电压电流变化图；

图9是本发明实施例提供的直流断路器的另一种电压电流变化图；

图10是本发明实施例提供的直流断路器的另一种电压电流变化图；

图11是本发明实施例提供的一种直流断路器的控制方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本申请中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明实施例提供了一种直流断路器，用于解决现有技术中供能设备的功率较大，或者，至少采用两台电容、换流开关及其供能设备，造成的直流断路器成本大幅增加的问题。

该直流断路器，参见图1，包括：主通流支路20、限压支路10、换流支路30、限压电容支路40和电压极性翻转支路50。

该主通流支路20、限压支路10和换流支路30并联连接，设置于该直流断路器的输入端和输出端之间；也即，主通流支路20的输入端、限压支路10的输入端和换流支路30的输入端分别与直流断路器的输入端相连；主通流支路20的输出端、限压支路10的输出端和换流支路30的输入端分别与出直流断路器的输入端相连。

该主通流支路20包括至少一个快速机械开关CB(图1以1个快速机械开关CB为例进行展示)，各个快速机械开关CB串联连接，该主通流支路20，用于在直流断路器的输入电流不处于预设的异常状态时，使输入电流通过自身传输至直流断路器的输出端；在直流断路器的输入电流处于预设的异常状态时，禁止输入电流通过自身传输至直流断路器的输出端；也即，在该输入电流不处于预设的异常状态时，各个快速机械开关CB均合闸；该输入电流处于预设的异常状态时，至少一个快速机械开关CB分闸。

该限压支路10，用于限制换流支路30的电压。具体的，在换流支路30的电压较高时，进行放电，并使换流支路30的电压保持在相应值；由于，换流支路30设置于直流断路器的输入端和输出端之间，该限压支路10也可以理解为限制直流断路器的电压。

在实际应用中，该限压支路10包括：第一避雷器MOV；该第一避雷器MOV，用于在换流支路30的电压大于自身放电电压时，进行放电，并限制换流支路30的电压幅值为直流断路器的相应值，如直流断路器的操作冲击电压峰值，即该第一避雷器MOV的残压为操作冲击电压峰值。该第一避雷器MOV可以是金属氧化物避雷器，在此不做具体限定，均在本申请的保护范围内。

该换流支路30包括：换流电容C、第一电感L1和第一可控开关T；该第一可控开关T为该换流支路30的触发开关，第一可控开关T为电力电子式开关。需要说明的是，换流电容C、第一电感L1和第一可控开关T在直流断路器的输入端到输出端之间的串联顺序是任意的，即不限制先后顺序。具体的，换流电容C、第一电感L1和第一可控开关T在直流断路器的输入端到输出端之间的串联顺序为下述各个顺序中的任意一种：换流电容C、第一电感L1和第一可控开关T依次串联；换流电容C、第一可控开关T和第一电感L1依次串联；第一电感L1、换流电容C和第一可控开关T依次串联；第一电感L1、第一可控开关T和换流电容C依次串联；第一可控开关T、第一电感L1和换流电容C依次串联；以及，第一可控开关T、换流电容C和第一电感L1依次串联。在此不对换流电容C、第一电感L1和第一可控开关T的串联顺序进行具体限定，视实际情况而定即可，均在本申请的保护范围内。

该第一可控开关T可以是全控型开关；也可以是半控型开关，如晶闸管。

需要说明的是，上述各个顺序可以均以第一个器件靠近直流断路器的输入端，第三个器件靠近直流断路器的输出端，相反也成立。以换流电容C、第一电感L1和第一可控开关T依次串联为例，即换流电容C的一端作为换流支路30的输入端与直流断路器的输入端相连，换流电容C的另一端与第一电感L1的一端相连，第一电感L1的另一端与第一可控开关T的输入端相连，第一可控开关T的输出端作为该换流支路30的输出端。需要说明的是，无论第一可控开关T处于换流支路30中的什么位置，第一可控开关T的方向均为：换流电容C第一次充电后，施加在限压电容支路40的电压的正极指向负极的方向；也即，该第一可控开关T的连接关系均为：其输入端靠近换流支路30的输入端，其输出端远离换流支路30的输入端，如第一可控开关T为晶闸管时，该第一晶闸管的阳极靠近换流支路30的输入端，即该第一晶闸管的阳极直接或通过其他器件与换流支路30的输入端相连；该第一晶闸管的阴极远离换流支路30的输入端，即靠近换流支路30的输出端、该第一晶闸管的阴极直接或通过其他器件与换流支路30的输出端相连。

该限压电容支路40和该电压极性翻转支路50分别与换流支路30中的部分器件并联连接。具体的，该限压电容支路40和该电压极性翻转支路50与换流支路30中换流电容C并联连接，电压极性翻转支路50与换流支路30中的换流电容C并联连接(如图1和图3所示)；或者，该限压电容支路40与该换流电容C并联连接，该电压极性翻转支路50与该换流电容C和第一电感L1的串联支路并联连接(如图2和图4所示)。

需要说明的是，在直流断路器成功实现一次电流开断之后，该换流电容C上的电压已经发生电压极性翻转，为了使换流电容C的电压极性能够满足进行电流开断的换流电容电压极性要求，需设置电压极性翻转支路50；该电压极性翻转支路50用于在直流断路器成功实现一次电流开断之后，在相应预设时间内，该相应预设时间小于规定的重合闸时间，控制换流支路30中换流电容C上的电压极性翻转，此次翻转后换流电容C上的电压极性满足进行电流开断的换流电容电压极性值要求。

在实际应用中，该电压极性翻转支路50包括：串联连接的第二可控开关T1和第二电感L1。该第二电感L1存在限制了电压极性翻转时回路的电流幅值，有效降低回路元器件承受的电流应力。

需要说明的是，第二可控开关T1和第二电感L1在换流电容C正极到负极之间或在换流电容C和第一电感L的串联支路正极到负极之间的串联顺序是任意的，也即不限制先后顺序。具体的，第二可控开关T1的一端与第二电感L1的一端相连，第二可控开关T1的另一端与该电压极性翻转支路50的输入端相连，第二电感L1的另一端与该电压极性翻转支路50的输出端相连；或者，第二可控开关T1的另一端与该电压极性翻转支路50的输出端相连，第二电感L1的另一端与该电压极性翻转支路50的输入端相连。在此不对第二可控开关T1和第二电感L1的串联顺序做具体限定，视实际情况而定即可，均在本申请的保护范围内。

该第二可控开关T1可以是全控型开关；也可以是半控型开关，如晶闸管。需要说明的是，无论第二可控开关T1处于电压极性翻转支路50中的什么位置，该第二可控开关T1的连接关系均为：其输入端靠近直流断路器的输入端，其输出端远离直流断路器的输入端，也即，第二可控开关T1的方向为：换流电容C第一次充电后，施加在限压电容支路40的电压的正极指向负极的方向。如第二可控开关T1为晶闸管时，该第二晶闸管的阳极靠近直流断路器的输入端，即该晶闸管的阳极直接或通过电压极性翻转支路50和/或换流支路30上的其他器件与直流断路器的输入端相连；该晶闸管的阴极远离直流断路器的输入端，即靠近直流断路器的输出端、该晶闸管的阴极直接或通过电压极性翻转支路50和/或换流支路30上的其他器件与直流断路器的输出端相连。

需要说明的是，在直流断路器成功实现一次电流开断之后，该换流电容C上的电压幅值已经发生变化，为了使换流电容C的电压幅值能够满足进行电流开断的换流电容电压幅值要求，需设置限压电容支路40；该限压电容支路40用于在直流断路器成功实现一次电流开断之后，在相应预设时间内，该相应预设时间小于规定的重合闸时间，控制换流电容C上的电压幅值满足再次进行电流开断的换流电容电压幅值要求。

在实际应用中，该限压电容支路40包括：串联连接的第二避雷器MOV1、第一电阻R1和第三可控开关T2。该第二避雷器MOV1可以为金属氧化物避雷器，在此不做具体限定均在本申请的保护范围内。该第一电阻R1的存在限制了第二避雷器MOV1动作时回路的电流幅值，有效降低回路元器件承受的电流应力。

该第二避雷器MOV1的残压为再次进行电流开断的换流电容电压幅值，该换流电容电压幅值小于直流断路器的操作冲击电压峰值，即第二避雷器MOV1的残压小于第一避雷器MOV的残压；第二避雷器MOV1用于在换流电容C的电压幅值大于自身的放电电压时，进行放电，并限制换流电容C的电压幅值满足再次进行电流开断的换流电容电压幅值要求。

具体的，该第二避雷器MOV1、第一电阻R1和第三可控开关T2在换流电容C正极到负极之间的串联顺序为下述各个顺序中的任意一种：第二避雷器MOV1、第一电阻R1和第三可控开关T2依次串联；第二避雷器MOV1、第三可控开关T2和第一电阻R1依次串联；第一电阻R1、第二避雷器MOV1和第三可控开关T2依次串联；第一电阻R1、第三可控开关T2和第二避雷器MOV1依次串联；第三可控开关T2、第一电阻R1和第二避雷器MOV1依次串联；以及，第三可控开关T2、第二避雷器MOV1和第一电阻R1依次串联。

该第三可控开关T2可以是全控型开关；也可以是半控型开关，如晶闸管。

需要说明的是，上述各个顺序可以均为第一个器件靠近直流断路器的输入端，第三个器件靠近直流断路器的输出端，相反也成立。需要说明的是，无论第三可控开关T2处于限压电容支路40中的什么位置，该第三可控开关T2的连接关系均可以为：其输入端靠近直流断路器的输入端，其输出端远离直流断路器的输入端，也即，第三可控开关T2的的方向为：换流电容C第一次充电后，施加在限压电容支路40的电压的正极指向负极的方向；该第三可控开关T2的连接关系还可以为：其输入端靠近直流断路器的输出端，其输出端远离直流断路器的输出端，也即，第三可控开关T2的方向为：换流电容C第一次充电后，施加在限压电容支路40的电压的正极指向负极的相反方向。

如第三可控开关T2为晶闸管时，该第三晶闸管的连接关系可以是：其阳极靠近直流断路器的输入端，即该晶闸管的阳极直接或通过限压电容支路40和/或换流支路30上的其他器件与直流断路器的输入端相连；其阴极远离直流断路器的输入端，即靠近直流断路器的输出端、该晶闸管的阴极直接或通过限压电容支路40和/或换流支路30上其他器件与直流断路器的输出端相连(如图3和图4所示)。该第三晶闸管的连接关系也可以是：其阳极靠近直流断路器的输出端，即该晶闸管的阳极直接或通过限压电容支路40和/或换流支路30上的其他器件与直流断路器的输出端相连；其阴极远离直流断路器的输出端，即靠近直流断路器的输入端、该晶闸管的阴极直接或通过限压电容支路40和/或换流支路30上其他器件与直流断路器的输入端相连(如图1和图2所示)。

需要说明的是，在电压极性翻转支路50与换流支路30中的换流电容C和第二电感L1并联连接，即直流断路器的结构为如图1和图3所示时，第二电感L1的电感值大于第一电感L1的电感值；在直流断路器的结构为其他结构，即直流断路器的结构如图2和图4所示时，不要求第二电感L1的电感值大于第一电感L1的电感值；也即，第二电感L1的电感值可以大于第一电感L1的电感值；也可以小于等于第一电感L1的电感值，在此不做具体限定，视实际情况而定即可，均在本申请的保护范围内。根据电流电压的需求，上述第一可控开关T、第二可控开关T1和第三可控开关T2均需进行串并联来实现通流和耐压的能力。

通过直流断路器的中相应器件的参数设置能够直流断路器在***要求的重合闸要求的时间内完成重合闸。

在本实施例中，电压极性翻转支路50在直流断路器成功实现一次电流开断之后，控制换流支路30中换流电容C上的电压极性翻转；限压电容支路40在直流断路器成功实现一次电流开断之后，在预设时间内，控制换流电容C上的电压幅值满足再次进行电流开断的换流电容电压幅值要求；从而实现直流断路器的快速重合闸功能，并且无需功率较大的供能设备为换流电容C充电，也无需两条换流支路30，降低了直流断路器的成本。另外，与常规的具有快速重合闸功能的机械式直流断路器相比，可以大幅降低元器件的电流和电压应力、降低设备成本。

值得说明的是，现有的混合式直流断路器的重合闸方案中，其通过对剩余直流电流开关、超快速隔离开关、负荷换流开关和主断路器进行相应的时序控制，可以实现重合闸操作。但是该方案中，使用了大量的全控型电力电子器件如IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)等，其在高电压、大电流等应用场合中，所需要串并的电力电子器件更多，导致控制复杂、成本非常高。此外，混合式直流断路器在其主通支路中含有的电力电子器件，增加了通态损耗。

而本实施例中，主通流支路20采用快速机械开关CB，其相较于具有快速重合闸功能的混合式直流断路器而言，该直流断路器避免使用较多的电力电子器件，实现成本低、通态瞬耗低。

本发明实施例提供一种直流断路器的控制方法，该直流断路器为上述任一实施例提供的直流断路器，该直流断路器的具体结构，详情参见上述实施例，在此不再一一赘述。

该直流断路器的控制方法，参见图11，包括：

S101、在直流断路器的主通流支路中各个快速机械开关均处于合闸，且检测到直流断路器的输入电流处于预设的异常状态时，向各个快速机械开关发送分闸信号，以使各个快速机械开关均开始执行分闸动作。

在实际应用中，该预设的异常状态包括：上升速度大于相应阈值，也即输入电流迅速上升。在直流断路器所在的***出现短路故障时，***电流迅速上升，导致直流断路器的输入电流迅速上升。

需要说明的是，在直流断路器的主通流支路中各个快速机械开关不均处于合闸时，向各个快速机械开关发送合闸信号，以使快速机械开关开始执行合闸动作，以使输入电流依次流经各个快速机械开关；或者，检测到直流断路器的输入电流不处于预设的异常状态时，维持各个快速机械开关处于合闸状态，以使输入电流依次流经各个快速机械开关。

S102、在各个快速机械开关均分闸到可靠开距时，控制换流支路导通，以使各个快速机械开关完成主通流支路电流开断。

在实际应用中，步骤S102中涉及的控制换流支路导通，以使快速机械开关完成分闸的具体过程为：向换流支路中的第一可控开关发送导通脉冲，以使第一可控开关导通，开始产生振荡电流；在振荡电流等于输入电流时，各个快速机械开关完成主通流支路电流开断，输入电流从流经主通流支路切换至流经换流支路，输入电流对换流支路的换流电容充电。

S103、先后控制电压极性翻转支路和限压电容支路导通，以使换流支路中的换流电容的电压幅值和电压极性满足再次进行电流开断的要求。

步骤S103的具体过程可以划分为：控制电压极性翻转支路导通，以使换流电容的电压极性满足再次进行电流开断的电压极性要求；以及，控制限压电容支路导通，以使换流电容的电压幅值满足再次进行电流开断的电压幅值要求。可以是先控制电压极性翻转支路导通，再控制限压电容支路导通；也可以是先控制限压电容支路导通，再控制电压极性翻转支路导通；在此不做具体限定，视实际情况而定即可，均在本申请的保护范围内。

控制电压极性翻转支路导通，以使换流电容的电压极性满足再次进行电流开断的电压极性要求的具体过程为：向电压极性翻转支路中的第二可控开关发送导通脉冲，以使第二可控开关导通，产生振荡电流；在振荡电流为零时，第二可控开关关断，电容的电压极性发生翻转；其中，发生翻转后电容的电压极性满足再次进行电流开断的换流电容电压极性要求。

控制限压电容支路导通，以使换流电容的电压幅值满足再次进行电流开断的电压幅值要求的具体过程为：向限压电容支路中的第三可控开关发送导通脉冲，以使第三可控开关导通，换流电容的电压触发限压电容支路中的第二避雷器进行放电，并限制换流电容的电压幅值满足再次进行电流开断的换流电容电压幅值要求。

重复上述步骤S101、S102和S103，直至输入电流不处于预设的异常状态。

在此以实施例图1所示的直流断路器的结构，结合图5-9所示的电压电流变化图，说明在直流断路器的控制器控制下，直流短路器中的各个器件工作过程，如下：

(1)正常运行，即直流断路器的电流不处于预设的异常状态时，控制器控制/维持主通流支路20中的各个快速机械开关CB合闸，换流电容C预充有初始电压-Uc0，输入电流is通过该主通流支路20流通；此时，第一可控开关T、第二可控开关T1和第三可控开关T2均处于关断状态。

(2)如图5所示的阶段I，在t0时刻，发生直流断路器所在的***短路故障，输入电流is迅速上升。

如图6所示，在t1时刻：在控制器的控制下，各个快速机械开关CB开始分闸。

如图6所示，在t11时刻：各个快速机械开关CB分闸到可靠开距，此时控制器向第一可控开关T发送导通脉冲；第一可控开关T导通，此时，换流电容C和第一电感L通过第一可控开关T和各个快速机械开关CB构成回路，产生振荡电流ic，与输入电流is相叠加，使流过主通流支路20的电流im＝is-ic。

如图6所示，t12时刻：t11时刻与t12时刻之间的时长极短，如小于0.1ms，流过主通流支路20的电流im过零，即im＝0，主通流支路20的电流im被各个快速机械开关CB开断，输入电流is转移至换流支路30，输入电流is开始对换流电容C进行充电，换流电容C、第一电感L和第一可控开关T的电压构成了第一避雷器MOV的电压。

如图6所示，在t13时刻：第一避雷器MOV的电压达到其放电电压，输入电流is转移至限压支路，第一避雷器MOV开始放电，耗散直流断路器所在的***的短路能量，并将自身两端电压限制为自身的残压，即操作冲击电压峰值Us；在电流由换流支路30转移至限压支路10的过程中，换流支路30的电流ic以高频振荡的方式迅速过零，换流电容C的电压由Up升至Uc1，此时第一可控开关T自动关断，换流电容C的电压将保持在Uc1。

如图6所示，在t14时刻：输入电流is降至零，完成第一次电流开断。

(3)如图5所示的阶段II，在t2时刻：控制器向第二可控开关t1发送导通脉冲；第二可控开关T1导通，此时，换流电容C和第二电感L1构成振荡回路，在振荡电流ic第一次过零后，即如图7所示t21时刻，第二可控开关T1自动关断，换流电容C的电压极性发生翻转，换流电容C的电压保持为-Uc。

(4)如图5所示的阶段III，在t3时刻，控制器向第三可控开关T2发送导通脉冲，此时，第二避雷器MOV1两端电压大于其放电电压，第二避雷器MOV1进行放电，并将换流电容C的电压限制并保持在Uco，第三可控开关T2在流过自身的电流到零，即如图8所示的t31时刻时，自动关断，此时，换流支路30达到具备分闸操作的初始状态，即换流电容C满足再次进行电流开断的要求。

(5)控制各个快速机械CB开关合闸。

需要说明的是，如图5所示的阶段IV，在第一次分闸完成后经过时间t，即t4时刻，快速机械开关CB触头电接触。如果短路故障已经清除，即输入电流is不再处于预设的异常状态，则各个快速机械开关CB将保持合闸状态运行；如果短路故障还存在，即输入电流is将再次迅速上升，则重复上述(1)-(4)完成第二次甚至更多次分闸操作，如图9所示的t5-t54时刻，实现快速重合闸的功能，直至短路故障已经清除，即输入电流is不再处于预设的异常状态。

需要说明的是，在直流断路器的结构为其他结构时，直流断路器的控制器控制下，直流短路器中的各个器件工作过程与上述说明相似，在此不再一一赘述。但不同的是，上述过程为先执行(3)，再执行(4)，即先控制电压极性翻转支路导通，再控制限压电容支路导通；然而，直流断路器的结构为图3和图4所示的结构时，应当先执行(4)，再执行(3)，即先控制限压电容支路导通，再控制电压极性翻转支路导通。

具体的，先控制限压电容支路导通时，各个器件的工作过程为：如图10所示阶段II，在t2时刻，控制器向第三可控开关发送导通脉冲，第二避雷器MOV1的电压大于其放电电压，第二避雷器MOV1进行放电，并将换流电容C的电压限制并保持在-Uco，第三可控开关T2在流过自身的电流到零时自动关断。

再控制电压极性翻转支路导通，各个器件的工作过程为：如图11所示阶段III，在t3时刻，控制器向第二可控开关T1发送导通脉冲；第二可控开关T1导通，换流电容C和第二电感L1构成振荡回路，在振荡电流ic第一次过零后，第二可控开关T2自动关断，换流电容C的电压极性发生翻转，换流电容C的电压保持为Uc0，换流支路30达到具备分闸操作的初始状态，即换流电容30满足再次进行电流开断的要求。

需要说明的是，图1-图4所示的i_MOV均为流经限压支路10的电流、it为换流支路30流向主通流支路20的电流；图5-图10中Is、I_MOV、Im和Ic分别与is、i_MOV、im和ic对应；另外，图1-图4中的Uc和Uc0，以及图5-图10中的Uc均换流电容C的电压。

在本实施例中，通过控制相应的支路导通，即可实现直流断路器的重合闸功能，从而本申请的控制简单、便于推广使用。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的不同对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。本说明书中的各个实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于***或***实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的***及***实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (14)

1.一种直流断路器，其特征在于，其换流支路中的触发开关为电力电子式开关，并且，换流支路中的部分器件两端并联有限压电容支路和电压极性翻转支路；

所述电压极性翻转支路用于在直流断路器成功实现一次电流开断之后，在相应预设时间内，控制换流支路中换流电容上的电压极性翻转；

所述限压电容支路用于在直流断路器成功实现一次电流开断之后，在相应预设时间内，控制换流电容上的电压幅值满足再次进行电流开断的换流电容电压幅值要求。

2.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，所述限压电容支路包括：串联连接的第二避雷器、第一电阻和第三可控开关；

所述第二避雷器用于在所述换流电容的电压幅值大于自身的放电电压时，进行放电，并限制所述换流电容的电压幅值满足再次进行电流开断的换流电容电压幅值要求。

3.根据权利要求2所述的直流断路器，其特征在于，所述第三可控开关的方向为：所述换流电容第一次充电后，施加在所述限压电容支路的电压的正极指向负极的方向或相反方向；

所述第二避雷器、所述第一电阻和所述第三可控开关，在所述换流支路中的对应部分器件两端之间的串联顺序为下述各个顺序中的任意一种：所述第二避雷器、所述第一电阻和所述第三可控开关依次串联；所述第二避雷器、所述第三可控开关和所述第一电阻依次串联；所述第一电阻、所述第二避雷器和所述第三可控开关依次串联；所述第一电阻、所述第三可控开关和所述第二避雷器依次串联；所述第三可控开关、所述第一电阻和所述第二避雷器依次串联；以及，所述第三可控开关、所述第二避雷器和所述第一电阻依次串联。

4.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，所述电压极性翻转支路包括：串联连接的第二可控开关和第二电感。

5.根据权利要求4所述的直流断路器，其特征在于，所述第二可控开关的方向为：所述换流电容第一次充电后，施加在所述限压电容支路的电压的正极指向负极的方向；

所述第二可控开关和所述第二电感，在所述换流支路中的对应部分器件两端之间的串联顺序为：所述第二可控开关和所述第二电感依次串联；或者，所述第二电感和所述第二可控开关依次串联。

6.根据权利要求1-5任一所述的直流断路器，其特征在于，换流支路包括：串联连接的所述换流电容、第一电感和第一可控开关；

所述第一可控开关作为所述换流支路的触发开关；

所述第一可控开关的方向为：所述换流电容第一次充电后，施加在所述限压电容支路的电压的正极指向负极的方向；

所述换流电容、所述第一电感和所述第一可控开关，在所述直流断路器的输入端到输出端之间的串联顺序为下述各个顺序中的任意一种：所述换流电容、所述第一电感和所述第一可控开关依次串联；所述换流电容、所述第一可控开关和所述第一电感依次串联；所述第一电感、所述换流电容和所述第一可控开关依次串联；所述第一电感、所述第一可控开关和所述换流电容依次串联；所述第一可控开关、所述第一电感和所述换流电容依次串联；以及，所述第一可控开关、所述换流电容和所述第一电感依次串联。

7.根据权利要求6所述的直流断路器，其特征在于，所述限压电容支路与所述换流电容并联连接；

所述电压极性翻转支路与所述换流电容并联连接，或者，所述电压极性翻转支路与所述换流电容和所述第一电感的串联支路并联连接。

8.根据权利要求1-5任一所述的直流断路器，其特征在于，其限压支路包括：第一避雷器；

所述第一避雷器，用于在所述换流支路的电压大于自身放电电压时，进行放电，并限制所述换流支路的电压幅值为直流断路器的操作冲击电压峰值。

9.根据权利要求1-5任一所述的直流断路器，其特征在于，其主通流支路包括：至少一个快速机械开关；

各个所述快速机械开关串联连接。

10.根据权利要求6所述的直流断路器，其特征在于，各个可控开关分别为：全控型开关或半控型开关。

11.一种直流断路器的控制方法，其特征在于，应用于如权利要求1-10任一的直流断路器的控制器；该直流断路器的控制方法，包括：

在直流断路器的主通流支路中各个快速机械开关均处于合闸，且检测到直流断路器的输入电流处于预设的异常状态时，向各个所述快速机械开关发送分闸信号，以使各个所述快速机械开关均开始执行分闸动作；

在各个所述快速机械开关均分闸到可靠开距时，控制换流支路导通，以使各个所述快速机械开关完成所述主通流支路电流开断；

先后控制电压极性翻转支路和限压电容支路导通，以使所述换流支路中的换流电容的电压幅值和电压极性满足再次进行电流开断的要求；

重复上述步骤、直至所述输入电流不处于预设的异常状态。

12.根据权利要求11所述的直流断路器的控制方法，其特征在于，所述预设的异常状态包括：上升速度大于相应阈值。

13.根据权利要求11所述的直流断路器的控制方法，其特征在于，所述控制换流支路导通，以使各个所述快速机械开关完成所述主通流支路电流开断，包括：

向所述换流支路中的第一可控开关发送导通脉冲，以使所述第一可控开关导通，开始产生振荡电流；

在所述振荡电流等于所述输入电流时，各个所述快速机械开关完成所述主通流支路电流开断，所述输入电流从流经所述主通流支路切换至流经所述换流支路，所述输入电流对所述换流支路中的所述换流电容充电。

14.根据权利要求11-13任一所述的直流断路器的控制方法，其特征在于，所述先后控制电压极性翻转支路和限压电容支路导通，以使所述换流支路中的换流电容的电压幅值和电压极性满足再次进行电流开断的要求，包括：

向所述电压极性翻转支路中的第二可控开关发送导通脉冲，以使所述第二可控开关导通，产生振荡电流；在所述振荡电流为零时，所述第二可控开关关断，所述换流电容的电压极性发生翻转；其中，发生翻转后换流电容的电压极性满足再次进行电流开断的换流电容电压极性要求；

以及，

向所述限压电容支路中的第三可控开关发送导通脉冲，以使所述第三可控开关导通，所述换流电容的电压触发所述限压电容支路中的第二避雷器进行放电，并限制所述换流电容的电压幅值满足再次进行电流开断的换流电容电压幅值要求。

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