CN118157076A - 一种具备自适应重合闸能力的多端口混合式直流断路器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具备自适应重合闸能力的多端口混合式直流断路器，包括选择开关、主断路器、通流支路及故障性质判别支路的拓扑结构；对其工作过程的四个阶段进行介绍；同时分阶段对故障发展过程进行理论推导，给出故障性质识别判据。本发明首先能够在能量耗散期间旁路故障线路中的限流电抗器，有效减少故障隔离时间与避雷器的能量耗散压力；其次，该断路器通过共享主断路器的方式，实现n条直流线路的故障隔离，显著减少IGBT的使用数量，大大降低断路器的制造成本，在经济性方面具有明显优势；最后，该断路器实现自适应重合闸，操作简单，易于控制，对硬件要求较低，且无需将MMC换流站与故障点重新连接，避免盲目重合闸于永久性故障造成的二次冲击。

Description

一种具备自适应重合闸能力的多端口混合式直流断路器

技术领域

本发明属于柔性直流电网故障隔离及恢复技术领域，具体涉及一种具备自适应重合闸能力的多端口混合式直流断路器。

背景技术

近年来，大量可再生清洁能源陆续并入电网。基于模块化多电平换流器(modularmultilevel converter，MMC)的柔性直流输电技术具备多电源供电、多落点受电和不存在换相失败等优势，已成为大规模消纳可再生能源的最佳选择。

然而，基于MMC的柔性直流电网具有“低阻尼”特性，若直流线路发生短路故障，故障电流将在数毫秒内迅速上升至数十千安，且故障电流缺乏自然过零点，这将使得故障电流的开断变得异常困难。同时，为防止过高的故障短路电流对MMC换流站和系统中的电力电子设备造成不可逆的损害，必须在毫秒级的时间内完成故障的检测与隔离操作，这无疑对柔性直流电网的保护与故障隔离技术提出了严苛的要求。

直流断路器(DC circuitbreaker，DCCB)可在换流站不闭锁的前提下快速完成故障电流的开断，从而实现对故障的有效隔离与清除，是目前最高效的故障隔离方案之一。混合式直流断路器(hybrid DC circuit breaker，HCB)具有通态损耗低和分断迅速的特性，是当前DCCB研究的重要技术路线，应用前景广阔。然而，HCB的转移支路中使用了大量昂贵的电力电子器件，这无疑会造成直流断路器制造成本过高的问题，制约了其在多端柔性直流电网中的大规模应用。

此外，为了抑制故障电流的快速上升，多端直流电网通常需要在直流线路两端安装限流电抗器。然而，限流电抗器中存储的能量需要由避雷器进行耗散。这不仅延长了故障隔离时间，还增加了避雷器能量耗散压力，无疑对设备的热稳定性以及承受过电流和过电压的能力提出了更高的要求。

另外，考虑到输电效率、建设与维护成本以及可拓展性等因素，柔性直流电网通常选用架空线路(overhead lines，OHL)来进行电能输送。但架空线路长期裸露在自然环境中，容易受气候等因素影响，因此其故障率较高，并且大多数情况下故障是瞬时性的。对于瞬时性故障，在故障结束后，应进行重合闸操作。然而，为避免盲目重合于永久性故障，导致直流电网在短时间内连续遭受两次故障冲击，有必要在断路器进行重合闸前识别出故障性质，以实现自适应重合闸。

针对HCB成本高、故障隔离时间长以及盲目重合闸的问题，本发明提出了一种具备自适应重合闸能力的多端口混合式直流断路器(Multi-port hybrid DC circuitbreaker，MP-HCB)。所提方案通过在能量耗散期间旁路故障线路中的限流电抗器，配合电容充电回路的导通，将本应经避雷器耗散的限流电抗器能量转移到电容中，从而有效减少了故障隔离时间与避雷器能量耗散压力，并为故障性质的判别提供了能量支持。此外，通过利用故障识别电流与电容电压在永久性故障与瞬时性故障下的幅值差异，所提方案能够准确地识别出故障性质，进而实现自适应重合闸。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具备自适应重合闸能力的多端口混合式直流断路器，能够降低混合式直流断路器的制造成本、缩短故障隔离时间，以及避免断路器盲目重合闸于永久性故障造成的二次冲击；该直流断路器能够在能量耗散期间旁路故障线路中的限流电抗器，有效减少了故障隔离时间与避雷器的能量耗散压力，同时，该直流断路器通过共享MB的方式，实现了n条直流线路的故障隔离，显著减少了IGBT的使用数量，结合避雷器泄能需求的下降，有效降低了断路器成本，在经济性方面具有明显优势。此外，该直流断路器实现了自适应重合闸，操作简单，易于控制，对硬件要求较低。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种具备自适应重合闸能力的多端口混合式直流断路器，其特征在于：所述多端口混合式直流断路器的拓扑结构包括选择开关、主断路器、通流支路及故障性质判别支路；

所述选择开关由若干对晶闸管及与之反并联的二极管构成，根据故障检测结果对故障线路进行选择；

所述主断路器由转移支路及能耗支路组成，用于开端故障电流；

所述通流支路由若干对串联连接的负载转换开关LCS及超快速机械开关UFD组成，在系统正常运行时为电流流通提供导通路径；

所述故障性质判别支路由晶闸管T₄、T₅、电容C及缓冲电阻Rc构成，在故障线路完全去游离后进行故障性质的识别。

而且，电流流经所述通流支路的负载转换开关LCS及超快速机械开关UFD，功率传输稳定，所述多端口混合式直流断路器故障期间的工作过程包括故障自由发展、故障清除及故障性质判别三个阶段，

1)故障自由发展阶段(t₀<t<t₁)

假设直流线路1于t₀时刻发生单极接地短路故障，(n-1)条正常支路均经故障支路的通流支路向故障点馈入电流，故障线路电流迅速上升，若故障检测延时为Δt₁，则t₁时刻故障被检测并成功定位；

2)故障清除阶段(t₁<t<t₅)

t₁时刻，导通MB转移支路中的IGBT以及故障线路1对应的选择开关T₁，此时，直流线路与换流站连接处的电压迅速下降，换流站直流侧电流将分别流入故障点以及所提直流断路器的转移支路，电流的分配依各支路的等效电阻而定；同时，导通故障性质判别支路的晶闸管T₄，充电电容C、缓冲电阻R_c、晶闸管T₄、二极管D₂₁以及限流电抗器L_dc1经故障点形成充电回路，对电容C进行充电，能量转移过程开始；

经过短暂延时，在t₁'时刻对LCS₁内的IGBT施加关断信号，t₁"时刻流经LCS₁的电流降为零，故障电流从通流支路换流至转移支路，实现故障点与换流站之间的初步隔离；此时控制UFD₁启动分闸；此外，考虑到IGBT可以在极短时间内完成关断，一般情况下可以认为t₁＝t₁'＝t₁"，经Δt₂延时，t₂时UFD₁完成分断操作；

UFD₁完成开断后，在t₂时刻，关断MB转移支路中的IGBT以开断故障电流；当避雷器两端电压上升至其启动电压后时，故障电流由转移支路换向至耗能支路，避雷器开始耗散故障电流中存储的剩余能量，能量耗散期间，故障电流不断减小，并最终于t₃时刻降为零，实现了故障的电气隔离，此时控制UFD_Q启动分闸；此外，由于晶闸管T₁与T₄的导通，故障线路中的限流电抗器L_dc1在此过程中被旁路；同时，L_dc1中存储的能量通过充电回路转移到电容C中，并被用于后续的故障性质判别过程；

t₄时刻，能量转移过程完成，位于故障性质判别支路的电容C充电结束，其两端电压达到最大充电电压U_cmax；同时，L_dc1两端电压降为零，充电回路电流衰减至零，T₄自然关断，t₅时刻，UFD_Q成功开断，完成故障的物理隔离，即直流故障实现彻底清除；

3)故障性质判别阶段(t₆<t<t₇)

经过故障清除阶段(t₁<t<t₅)后，位于故障性质判别支路的电容C中存储了部分系统能量，若此时故障仍未消失，则电容C可与限流电抗器经故障点形成放电回路，进行放电操作，可以利用这一特性进行故障性质的预识别；一般来说，架空线路瞬时性故障持续时间会小于300ms，因此，t₅时刻UFD_Q完成开断后，MP-HCB经过300ms的等待，于t₆时刻开始进行故障性质的识别。

本发明的优点和有益效果为：

本发明的具备自适应重合闸能力的多端口混合式直流断路器，为解决HCB制造成本高、故障隔离时间长，以及盲目重合闸的问题，本发明提出了一种具备自适应重合闸能力的多端口混合式直流断路器，与现有技术相比，本发明所能产生的积极效果是：首先，能够在能量耗散期间旁路故障线路中的限流电抗器，有效减少了故障隔离时间与避雷器的能量耗散压力；其次，该断路器通过共享主断路器的方式，实现了n条直流线路的故障隔离，显著减少了IGBT的使用数量，结合避雷器泄能需求的下降，大大降低了断路器的制造成本，在经济性方面具有明显优势；最后，该断路器实现自适应重合闸，操作简单，易于控制，对硬件要求较低，且无需将MMC换流站与故障点重新连接，避免盲目重合闸于永久性故障造成的二次冲击。

附图说明

图1为本发明使用的500kV三端柔性直流输电系统；

图2为本发明所提MP-HCB的拓扑结构图；

图3为本发明稳态运行阶段电流流通路径图；

图4为本发明故障自由发展阶段电流流通路径图；

图5为本发明故障处理阶段电流流通路径图；

图6为本发明故障性质判别阶段电流流通路径图；

图7为本发明所提MP-HCB的控制时序图；

图8为本发明故障自由发展阶段等效电路图；

图9为本发明故障处理阶段等效电路图；

图10为本发明电容充放电回路等效电路图；

图11为本发明电阻R_c对故障识别电流及电容电压的影响曲线图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

图1是500kV的三端柔性直流输电系统，在该系统上配置了如图2所示的MP-HCB。下面首先介绍所提MP-HCB的拓扑结构，然后分析其在三端柔性直流输电系统中的工作原理，并分阶段对故障发展过程进行理论推导，最后根据理论分析对器件参数进行设计。

1.所提MP-HCB拓扑结构

所提MP-HCB拓扑结构如图2所示，主要由通流支路、选择开关、主断路器以及故障性质判别支路四部分构成。通流支路由LCS和UFD组成，其可在系统正常运行时为电流流通提供导通路径。选择开关由若干对晶闸管及与之反并联的二极管构成，主要功能是根据故障检测结果对故障线路进行选择。主断路器由转移支路及耗能支路两部分组成，主要用于开断故障电流。故障性质判别支路由晶闸管T₄、T₅、电容C以及缓冲电阻R_c构成，其可在故障线路完全去游离后进行故障性质的识别。

2.所提MP-HCB工作原理

系统稳态运行时，电流流经各通流支路的LCS和UFD，系统功率传输稳定。稳态运行阶段的电流流通路径如图3所示。

所提MP-HCB方案在故障期间的工作过程包括故障自由发展、故障清除，以及故障性质判别三个阶段。

1)故障自由发展阶段(t₀<t<t₁)

假设直流线路1于t₀时刻发生单极接地短路故障，如图4所示，(n-1)条正常支路均经故障支路的通流支路向故障点馈入电流，故障线路电流迅速上升，若故障检测延时为Δt₁，则t₁时刻故障被检测并成功定位。

2)故障清除阶段(t₁<t<t₅)

t₁时刻，导通MB转移支路中的IGBT以及故障线路1对应的选择开关T₁。此时，直流线路与换流站连接处的电压迅速下降，换流站直流侧电流将分别流入故障点以及所提直流断路器的转移支路，电流的分配依各支路的等效电阻而定。同时，导通故障性质判别支路的晶闸管T₄，充电电容C、缓冲电阻R_c、晶闸管T₄、二极管D₂₁以及限流电抗器L_dc1经故障点形成充电回路，对电容C进行充电，能量转移过程开始

经过短暂延时，在t₁'时刻对LCS₁内的IGBT施加关断信号，t₁"时刻流经LCS₁的电流降为零，故障电流从通流支路换流至转移支路，实现了故障点与换流站之间的初步隔离；此时控制UFD₁启动分闸。此外，考虑到IGBT可以在极短时间内完成关断，一般情况下可以认为t₁＝t₁'＝t₁"。经Δt₂延时(通常情况下，UFD需要2ms才能实现彻底分断)，t₂时UFD₁完成分断操作，此阶段的电流通路如图5(a)所示。

UFD₁完成开断后，在t₂时刻，关断MB转移支路中的IGBT以开断故障电流。当避雷器两端电压上升至其启动电压后时，故障电流由转移支路换向至耗能支路，避雷器开始耗散故障电流中存储的剩余能量。能量耗散期间，故障电流不断减小，并最终于t₃时刻降为零，实现了故障的电气隔离，此时控制UFD_Q启动分闸。此外，由于晶闸管T₁与T₄的导通，故障线路中的限流电抗器L_dc1在此过程中被旁路。同时，L_dc1中存储的能量通过充电回路转移到电容C中，并被用于后续的故障性质判别过程。这种设计充分利用了限流电抗器中存储的能量，不仅提高了故障隔离速度，降低了避雷器的泄能需求，还为故障性质的判别过程提供了能量支持。此阶段的电流路径如图5(b)所示。

t₄时刻，能量转移过程完成，位于故障性质判别支路的电容C充电结束，其两端电压达到最大充电电压U_cmax。同时，L_dc1两端电压降为零，充电回路电流衰减至零，T₄自然关断，此阶段的电流通路如图5(c)所示。t₅时刻，UFD_Q成功开断，完成了故障的物理隔离，即直流故障实现彻底清除。

3)故障性质判别阶段(t₆<t<t₇)

经过故障清除阶段(t₁<t<t₅)后，位于故障性质判别支路的电容C中存储了部分系统能量。若此时故障仍未消失，则电容C可与限流电抗器经故障点形成放电回路，进行放电操作，可以利用这一特性进行故障性质的预识别。一般来说，架空线路瞬时性故障持续时间会小于300ms。因此，t₅时刻UFD_Q完成开断后，MP-HCB经过300ms的等待，于t₆时刻开始进行故障性质的识别。

本发明所提自适应重合闸方案操作简便，仅需在t₆时刻导通晶闸管T₅与T₃₁即可实现。若故障为永久性的，电容C将进入放电状态，其两端电压开始下降，并在放电回路中产生故障识别电流；反之，若故障为瞬时性的，则无法形成放电通路，电容两端电压几乎不会变化，也不会产生故障识别电流，可根据此差异构造识别判据，实现对故障性质的有效识别。当识别出故障性质为永久性时，电容放电通路如图6所示。t₇时刻，可依据故障性质识别结果进行故障检修或重合闸操作。图7给出了所提MP-HCB在直流线路发生短路故障后的故障隔离及自适应重合闸控制时序。

3.故障发展过程推导分析

1)故障自由发展阶段(t₀<t<t₁)

假设直流线路1于t₀时刻发生单极接地故障，系统由此进入故障自由发展阶段，此阶段的等效电路如图8所示。图中，i_ps为流经各直流线路的故障电流。由于MMC动态特性复杂，为方便求解故障发展过程中的电压电流解析解，本发明忽略了此阶段换流站内电容投切的动态特性，将MMC近似为直流电压源U_dcj与桥臂电感L_MMCj的串联组合。同时，为便于分析计算，忽略了MMC电阻、线路电阻以及电力电子器件的通态压降。限流电抗器的等效电感为L_dc1-L_dcn，而直流线路的等效电感为L_line1-L_linen。

当直流电网正常运行时，假设I_pre1为故障线路的稳态电流值。根据KVL与KCL列得：

此阶段流过故障线路的电流i_p1为

上式中：

2)故障处理阶段(t₁<t<t₃)

此阶段的故障隔离等效电路如图9所示。其中，开关S₁代表转移支路中的IGBT以及选择开关T₁。t₁时刻，故障被检测并定位，MB转移支路的IGBT以及故障线路1对应的选择开关T₁被导通，即在图9中闭合开关S₁。根据KVL与KCL列得：

此阶段流过转移支路的电流i_Q为

其中，i_p1(t₁)为t₁时刻流过故障线路的电流。

t₂时刻，对MB转移支路中的IGBT施加关断信号，即在图9中关断开关S₁。此时，故障电流流经MOV，MOV开始耗散故障电流中储存的能量。由于MOV的工作电压U_MOV高于直流电网的额定电压U_dcj，故障电流迅速下降。在能量耗散过程结束前，满足如下方程：

此阶段流过故障线路的电流i_MOV为

同时，在t₁时刻，故障性质判别支路的晶闸管T₄被导通，电容C开始充电，其等效电路如图10(a)所示，根据KVL和电容元件的电压电流约束关系得：

解得充电电流i_c与电容两端电压u_c为：

上式中：

3)故障性质判别阶段(t₆<t<t₇)

t₆时刻，导通晶闸管T₅与T₃₁，若故障为永久性的，电容C可与限流电抗器L_dc1、缓冲电阻R_c经T₅、T₃₁形成放电回路，向故障点放电，产生较大的故障识别电流i_ch。同时，电容两端电压u_c会出现一定程度的下降，此情况下的等效电路如图10(b)中所示。根据KVL及电容的伏安特性列得：

解得故障识别电流i_ch与电容电压u_c为

若故障性质为瞬时性的，则无法形成有效的放电回路，即故障识别电流i_ch几乎为零，此时电容C不会进行放电，其两端电压将始终维持在最大电容电压U_cmax。综上分析，可构造如式(13)所示的电压、电流联合判据，实现对故障性质的有效识别。

上式中：I_Th与U_Th分别为根据具体仿真情况设置的电流及电压阈值。

4.器件参数设计

下面以500kV直流线路为例，对所提MP-HCB方案中的器件参数及其数量分别进行相应的设计。

1)电容参数设计

由式(9)可知，电容充电电压u_c的上升速率及其最大充电电压与电容值本身成反比，即电容C取值越小，其充电速度越快，能够达到的最大电容电压U_cmax也越大。然而，在实际工程中，高电压等级电容的制作是十分困难的。因此，较大的电容取值更符合实际工程的需求，并且在经济性方面也更具优势。

另外，由式(9)可知，能量转移过程中，电容充电回路电流不断上升，且充电电流峰值与电容C取值成正比。因此，电容C取值不能无限制地增大，并且要保证充电电流峰值不能超过线路侧最大允许承载电流值I_{dc max}，即须满足下式：

综上分析，本发明在选取电容值时，充分考虑了高电压等级电容的制作难度与成本以及线路最大承载电流限制条件，最终将电容值取为380μF。

2)电阻参数设计

由于缓冲电阻R_c主要用于能量转移与故障性质识别这两个过程，因此，在进行缓冲电阻参数设计时，本发明主要考虑了这两个过程的需求。

首先是能量转移过程的分析，在此过程中，电容C、限流电抗器L_dc以及电阻R_c经晶闸管T₄、二极管D₂₁形成二阶振荡回路，为使电容C在此过程中始终保持充电状态，须确保所形成的二阶回路一直处于过阻尼状态，即须始终满足下式：

由4.1)可知，充电电容取值为380μF。另外，参考张北柔性直流电网示范工程，本发明将限流电感值取为150mH。结合式(15)可计算得出：缓冲电阻值不应小于41.4Ω。

其次，对故障性质识别过程进行分析。在此过程中，若故障为永久性的，故障性质判别支路将为电容提供通流路径，电容会进入放电状态。而根据式(12)可知，故障识别电流及电容电压与缓冲电阻取值密切相关。图11展示了R_c分别取为45、50以及55Ω时，故障识别电流与电容电压随缓冲电阻值变化的规律。

由图11分析可知，故障识别电流i_ch峰值与R_c取值成反比。由于故障识别电流i_ch峰值越小，检测灵敏度越差，越不容易进行故障性质的识别。因此，较小的缓冲电阻值更有利于故障性质的有效识别。此外，根据仿真结果，缓冲电阻R_c越小，故障判别阶段结束后电容两端反向电压的幅值越大，需要经泄能支路泄放的电容能量越多，因此缓冲电阻值不宜过小，本发明建议缓冲电阻R_c取值为50Ω。

3)开关器件数量分析及计算。

为了满足故障情况下器件的电流与电压应力要求，必须对所需器件的数量进行合理的设计。而通过并联或串联连接的方式，可以分别满足器件的电流应力和电压应力要求。因此，所需配置的器件总数等于并联和串联连接的器件数量的乘积。

①通流支路器件数量。

当直流电网稳定运行时，通流支路正常导通，LCS两端电压为零。而在故障被检测并定位后，转移支路与电容充电回路都被立即导通，此时LCS两端承受的电压较小，可忽略不计。综合考虑以上两种情况可知，LCS中仅需串联少量IGBT。此外，由于通流支路应当支持双向电流传输，因而通流支路中配置的IGBT数量须满足下式：

上式中：U_IGBT、I_IGBT分别为IGBT的额定电压与电流，U_{LCS_max}、I_{LCS_max}分别为LCS所能承载的电压与电流极限值。

②主断路器器件数量。

当系统处于稳态运行阶段时，MB中的IGBT处于关断状态，其两端承受系统额定电压U_N。在故障被检测并成功定位后，IGBT立即被施加触发信号，转移支路导通，此时MB两端电压为零。而当UFD₁实现关断后，立即关断IGBT，MOV被迫接入，此时IGBT两端需承受MOV动作电压U_MOV。MOV动作电压显然大于系统额定电压，因而MB中IGBT承受的最大电压即为U_MOV。根据上述分析，假设MB转移支路中流过的最大电流为I_{Q_max}，主断路器所需IGBT个数为

③故障性质判别支路器件数量。

故障性质判别支路由晶闸管T₄、T₅、充电电容C及缓冲电阻R_c构成。当系统处于稳态运行阶段时，晶闸管T₄、T₅关断，其两端承受系统额定电压U_N；故障隔离阶段，晶闸管T₄导通，此时晶闸管T₄、T₅两端承压为零；而在故障性质判别阶段，晶闸管T₅导通，进行故障性质的识别，此时晶闸管T₄、T₅两端电压也为零。若T₄、T₅的额定电压、额定电流均为U_T、I_T，流经它们的电流最大值分别为I_T4max与I_T5max，则该部分所需的晶闸管总数为

④选择开关器件数量。

首先是主断路器侧选择开关器件数量的确定。MB侧主要由UFD_Q负责承压，因而该侧选择开关中的晶闸管T_k与二极管D_k承压几乎为零，而由前面分析可知，晶闸管T_k与二极管D_k上流过的最大电流为I_{Q_max}。若二极管D_k的额定电流为I_D，则转移支路侧所需的晶闸管T_k、二极管D_k个数如式(18)所示。其次是故障性质判别支路侧选择开关器件数量的确定，由于该侧分析过程与主断路器侧相似，因此不再进行详细介绍。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (2)

1.一种具备自适应重合闸能力的多端口混合式直流断路器，其特征在于：所述多端口混合式直流断路器的拓扑结构包括选择开关、主断路器、通流支路及故障性质判别支路；

所述选择开关由若干对晶闸管及与之反并联的二极管构成，根据故障检测结果对故障线路进行选择；

所述主断路器由转移支路及能耗支路组成，用于开端故障电流；

所述通流支路由若干对串联连接的负载转换开关LCS及超快速机械开关UFD组成，在系统正常运行时为电流流通提供导通路径；

所述故障性质判别支路由晶闸管T₄、T₅、电容C及缓冲电阻Rc构成，在故障线路完全去游离后进行故障性质的识别。

2.根据权利要求1所述的具备自适应重合闸能力的多端口混合式直流断路器，其特征在于：电流流经所述通流支路的负载转换开关LCS及超快速机械开关UFD，功率传输稳定，所述多端口混合式直流断路器故障期间的工作过程包括故障自由发展、故障清除及故障性质判别三个阶段，

1)故障自由发展阶段(t₀<t<t₁)

假设直流线路1于t₀时刻发生单极接地短路故障，(n-1)条正常支路均经故障支路的通流支路向故障点馈入电流，故障线路电流迅速上升，若故障检测延时为Δt₁，则t₁时刻故障被检测并成功定位；

2)故障清除阶段(t₁<t<t₅)

t₁时刻，导通MB转移支路中的IGBT以及故障线路1对应的选择开关T₁，此时，直流线路与换流站连接处的电压迅速下降，换流站直流侧电流将分别流入故障点以及所提直流断路器的转移支路，电流的分配依各支路的等效电阻而定；同时，导通故障性质判别支路的晶闸管T₄，充电电容C、缓冲电阻R_c、晶闸管T₄、二极管D₂₁以及限流电抗器L_dc1经故障点形成充电回路，对电容C进行充电，能量转移过程开始；

经过短暂延时，在t₁'时刻对LCS₁内的IGBT施加关断信号，t₁"时刻流经LCS₁的电流降为零，故障电流从通流支路换流至转移支路，实现故障点与换流站之间的初步隔离；此时控制UFD₁启动分闸；此外，考虑到IGBT可以在极短时间内完成关断，一般情况下可以认为t₁＝t₁'＝t₁"，经Δt₂延时，t₂时UFD₁完成分断操作；

UFD₁完成开断后，在t₂时刻，关断MB转移支路中的IGBT以开断故障电流；当避雷器两端电压上升至其启动电压后时，故障电流由转移支路换向至耗能支路，避雷器开始耗散故障电流中存储的剩余能量，能量耗散期间，故障电流不断减小，并最终于t₃时刻降为零，实现了故障的电气隔离，此时控制UFD_Q启动分闸；此外，由于晶闸管T₁与T₄的导通，故障线路中的限流电抗器L_dc1在此过程中被旁路；同时，L_dc1中存储的能量通过充电回路转移到电容C中，并被用于后续的故障性质判别过程；

t₄时刻，能量转移过程完成，位于故障性质判别支路的电容C充电结束，其两端电压达到最大充电电压U_cmax；同时，L_dc1两端电压降为零，充电回路电流衰减至零，T₄自然关断，t₅时刻，UFD_Q成功开断，完成故障的物理隔离，即直流故障实现彻底清除；

3)故障性质判别阶段(t₆<t<t₇)

经过故障清除阶段(t₁<t<t₅)后，位于故障性质判别支路的电容C中存储了部分系统能量，若此时故障仍未消失，则电容C可与限流电抗器经故障点形成放电回路，进行放电操作，可以利用这一特性进行故障性质的预识别；一般来说，架空线路瞬时性故障持续时间会小于300ms，因此，t₅时刻UFD_Q完成开断后，MP-HCB经过300ms的等待，于t₆时刻开始进行故障性质的识别。