本发明涉及电力系统断路器，具体涉及一种限流式自充电型人工过零高压直流断路器及其开断方法。
背景技术：
柔性直流输电技术是构建灵活、坚强、高效电网和充分利用可再生能源的有效途径，代表着直流输电的未来发展方向。柔性直流电网的直流侧发生短路故障时，直流侧阻抗小，换流器直流侧的电容通过短路点直接放电，短路电流会在数毫秒内达到峰值，其上升速率与峰值均远远强于同规模交流电网。同时，当系统直流侧发生故障以后，即使换流器内部的绝缘栅双极型晶体管(igbt)通过自保护功能而立即关断，但是由于续流二极管的存在，关断以后构成一个不控整流桥，仍然无法实现直流故障的自清除，故障电流将一直存在。因此，柔性直流输电的发展依赖于直流开断技术，对直流断路器的开断能力和工作可靠性提出了更高要求。
现有直流断路器类型主要有固态断路器，混合式断路器以及振荡式机械断路器。固态开关分断速度快，但是通态损耗大，且成本相对较高，多用于中低压直流系统；混合式开关具有通态损耗小，开断速度快，对机械开关要求低等优点，但混合式开关需要大量电力电子器件串并联，设备成本和可靠性受到了限制；自激振荡机械断路器的开断时间长达数十毫秒，无法满足柔性直流输电对于开断速度的要求；他激振荡结构通过预充电电容与电感产生的反向高频振荡电流与主回路机械开关中的直流故障电流叠加以产生“人工过零点”，从而熄灭电弧，开断短路电流，这种方法开断速度有所保证，开断能力较强，但是需要外部充电装置在开断前对电容预充电，因而其开断可靠性受到了充电装置可靠性的制约。现有专利“一种自动充电型强制过零高压直流断路器”(201520829707.3)，该专利通过增设耦合电感，利用燃弧时电流变化特性对电容实现自充电，而本专利则通过超导限流单元和转换开关同时实现限流和换流电容的自充电。
技术实现要素：
针对现有方法的不足，本发明提供一种限流式自充电型人工过零高压直流断路器及其开断方法，本发明通过超导限流单元实现先限流后开断，并利用超导限流时产生的端电压对换流电容进行充电，旨在解决现有技术中开断能力不足以及预充电装置可靠性的技术问题。
为了达到上述目的，本发明采用下述技术方案实现：
一种限流式自充电型人工过零高压直流断路器，由限流模块i、直流开断模块ii及充电模块iii构成；所述限流模块i由超导限流单元11实现；所述直流开断模块ii由换流电容22、放电转换开关23和换流电感线圈24依次串联构成的换流支路与机械开关21构成的通流支路并联组成；所述充电模块iii由充电转换开关31实现。其中，限流模块i与直流开断模块ii依次连接，充电模块iii将限流模块i与直流开断模块ii的换流电容22连接起来。
电网稳定运行时，超导限流单元11处于超导态，机械开关21和充电转换开关31处于闭合状态，放电转换开关23处于打开状态，此时换流电容两端电位相等，电压为零。当短路故障发生时，所述超导限流单元11失超，限制短路电流增长，且两端产生电压，超导限流单元11通过所述充电开关31实现与所述换流电容22的并联，并为换流电容22自动充电；充电完成后，所述充电转换开关31打开，使所述换流电容22解除与所述超导限流单元11的并联关系；随后所述机械开关21触头拉开，电弧出现；此时所述放电转换开关23闭合，使所述换流电容22通过所述换流电感线圈24放电，放电电流与故障电流反向叠加并产生电流零点，所述机械开关熄弧，切断短路电流。
与现有技术比，本发明达到的有益效果是：
通过所述限流充电模块i实现了限制短路电流以及所述换流电容的自充电，无需在切断故障电流前对所述换流电容22预充电，降低了对开断设备的要求，节约了预充电设备的成本，提高了开断容量以及开断设备的工作可靠性。
附图说明
图1为本发明限流式自充电型人工过零高压直流断路器的原理框图。
图2为本发明限流式自充电型人工过零高压直流断路器的具体电路图。
图3为本发明限流式自充电型人工过零高压直流断路器开断结果图。
具体实施方法
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
如图1所示，本发明一种限流式自充电型人工过零高压直流断路器，由限流模块i、直流开断模块ii及充电模块iii构成；限流模块i由超导限流单元11实现；直流开断模块ii由换流电容22、放电转换开关23和换流电感线圈24依次串联构成的换流支路与机械开关21构成的通流支路并联组成；充电模块iii由充电转换开关31实现。其中，限流模块i与直流开断模块ii依次连接，充电模块iii将限流模块i与直流开断模块ii的换流电容22连接起来。
具体实施案例：如图2所示为10kv下开断过程仿真电路，对所述直流断路器开断直流短路故障进行仿真。短路故障发生时，超导限流器sfcl失超呈现电阻态，限制短路电流的增长，此时充电转换开关s1处于闭合状态，放电转换开关s2处于打开状态，换流电容c并联在限流器两端，限流器向电容c充电。c充电完毕后，充电转换开关s1打开，解除换流电容c与限流器的并联关系。随后机械开关s3触头拉开，电弧产生，此时放电转换开关s2闭合，换流电容通过换流电感线圈向机械开关所在回路放电，放电电流与短路电流叠加产生人工过零点，使电弧熄灭，完成开断。
图3所示为10kv下开断过程仿真结果。可以看出，采用本发明的断路器结构与开断措施，在短路电流的上升阶段，限流器将峰值为47ka的预期短路电流限制到4.5ka以下，且在限流的同时换流电容c已被充电至电源电压10kv。在短路发生后3ms，充电转换开关s1打开，电容充电停止；5ms时，机械开关触头拉开，电弧产生，由于电弧电压远小于系统电压，因此波形未见明显变化，此时在限流器的限流保护下，短路电流维持在2.5ka水平；10ms时，放电转换开关s2闭合，换流电容c通过换流电感线圈l产生峰值为3ka的反向电流，使机械开关所在回路出现过零点，机械开关将电弧熄灭，主回路电流转移至换流电容c所在支路；当换流电容c两端电压与电源相同时，开断过程结束。