CN105531893A - 直流断路装置 - Google Patents

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Abstract

在直流断路装置(100)中，第1及第2半导体开关(2L、2R)以通电方向相互为反向的方式串联连接于主电路线路上。第1二极管(3L)与第1半导体开关(2L)反并联连接，第2二极管(3R)与第2半导体开关(2R)反并联连接。第1及第2机械式断路器(4L、4R)相互串联连接且与第1及第2半导体开关(2L、2R)的整体并联连接。第1及第2逆电流产生电路(7L、7R)相互串联连接且与第1及第2机械式断路器(4L、4R)的整体并联连接。接通开关(8)连接于节点(N3)与节点(N4)之间，节点(N3)在第1与第2机械式断路器(4L、4R)之间，节点(N4)在第1与第2逆电流产生电路(7L、7R)之间。

Description

直流断路装置
技术领域
本发明涉及直流电力系统中所使用的直流断路装置，例如用于在正常时对负载电流进行开闭而在发生事故时切断事故电流的直流断路装置。
背景技术
直流电力系统中所使用的直流断路装置与交流电力系统中所使用的交流断路装置相比，其结构以及动作差别很大。交流电力系统中普遍使用的气体断路器、真空断路器以及空气断路器等机械式交流断路器，如果电流值不为零则无法断流。因此，机械式交流断路器在事故电流的每交流的半周期出现的电流值为零的定时切断电流。
另一方面，在机械式的直流断路装置的情况下，直流电流不会自然地迎来零点，所以需要设法强制地使电流值成为零。进而，在运用直流电力系统时，有时将直流电流的通电方向切换为反向来运用。因此，直流断路装置通常需要能够应对双向的电流。
作为能够应对双向的电流方向且在强制地使电流成为零的方面进行了研究的机械式的直流断路装置的例子，已知例如日本特开昭59－128714号公报(专利文献1)的图2所记载的直流断路装置。该文献的直流断路装置包括：两个机械式断路器，相互串联连接；以及两个逆电流产生电路，与两个机械式断路器并联连接，并且相互串联连接。各逆电流产生电路具有相互串联连接的电容器和电抗器。在两个机械式断路器的连接点与两个逆电流产生电路的连接点之间连接有接通开关。在发生事故时，在将接通开关接通时流过与事故电流相反方向的电流的一侧的机械式断路器中使电流成为零，能够切断电流。
与如上所述的机械式直流断路装置不同，在使用半导体开关的直流断路装置的情况下，不需要强制地使电流值成为零的方面的研究，能够通过断开半导体开关而切断电流。但是，在半导体开关的情况下，正常时的通电状态即闭合状态下的电力损耗成为问题。其原因在于，与机械式断路器那样的金属接点的通电不同，在半导体开关中通电负载电流时，由于半导体开关的电阻分量而产生焦耳热。另外，半导体开关通常具有单向的通电性能，所以通常相互反向地串联连接两个半导体开关，以使得能够进行双向的通电。
为了避免半导体开关中的电力损耗的问题，已知与半导体开关并联地设置机械式断路器的结构的直流断路装置。例如，在日本特开平10－126961号公报(专利文献2)所记载的限流装置中，正常时在机械式断路器中流过电流，但在发生事故时利用机械式断路器切断电流而换流到半导体开关，最终通过半导体开关对直流电流进行限流。通过使用避雷器等非常大的电阻元件作为限流元件，实质上能够带来与进行断路的情形相同的效果。
专利文献1：日本特开昭59－128714号公报
专利文献2：日本特开平10－126961号公报
发明内容
在上述日本特开昭59－128714号公报(专利文献1)的图2所记载的直流断路装置的情况下，如果在切断事故电流时使两个机械式断路器同时断开，则最初在双方的机械式断路器中产生电弧。之后，通过来自逆电流产生电路的逆电流而生成电流零点，从而消弧的仅为单侧的机械式断路器。此时，在不生成电流零点的一侧的机械式断路器中流过两倍的电流，不仅产生大的电弧热而损伤接点，而且也使绝缘性能劣化。为了避免该问题，在仅断开生成电流零点的单侧的机械式断路器的情况下，需要仅利用所断开的单侧的机械式断路器来承受刚刚切断之后的恢复电压。因此，需要绝缘性能高的昂贵的机械式断路器。
在上述的日本特开平10－126961号公报(专利文献2)所记载的直流断路装置的情况下，通过利用机械式断路器切断直流电流而换流到半导体开关。但是，如果电流值不为零则机械式断路器无法切断电流，所以存在不充分地进行向半导体开关换流这样的问题。特别是存在如下问题：在半导体开关的导通电阻比较大的情况下，为了避免换流过程中的机械式断路器的接点间的电弧电阻大于半导体开关的导通电阻，而不进行换流。
本发明是考虑上述问题而完成的，其目的在于提供一种在切断双向的直流电流、降低电弧所致的消耗、损伤的同时具有高的绝缘性能的廉价的直流断路装置。
本发明的直流断路装置具备第1及第2半导体开关、第1及第2二极管、第1及第2机械式断路器、第1及第2逆电流产生电路、接通开关以及控制器。第1及第2半导体开关在主电路线路上的第1与第2节点之间以通电方向相互为反向的方式串联连接。第1二极管与第1半导体开关并联连接，向与第1半导体开关的通电方向相反的方向流过电流。第2二极管与第2半导体开关并联连接，向与第2半导体开关的通电方向相反的方向流过电流。第1及第2机械式断路器在第1与第2节点之间依次串联连接且与第1及第2半导体开关的整体并联连接。第1及第2逆电流产生电路在第1与第2节点之间依次串联连接且与第1及第2半导体开关的整体以及第1及第2机械式断路器的整体并联连接。第1及第2逆电流产生电路是为了分别在第1及第2机械式断路器中流过逆电流而设置的。接通开关连接于第3节点与第4节点之间，其中，第3节点为第1机械式断路器与第2机械式断路器间的节点，第4节点为第1逆电流产生电路与第2逆电流产生电路间的节点。控制器控制第1及第2半导体开关、第1及第2机械式断路器以及接通开关的开闭定时。
根据本发明，通过将半导体开关、机械式断路器以及逆电流产生电路的各个串联地设置两个，从而能够切断双向的直流电流。
进而，在切断从第1节点至第2节点的方向上流过的第1直流的情况下，能够在通过第1逆电流产生电路而在第1机械式断路器中流过逆电流的状态下，断开所述第1机械式断路器，之后，在主电流换流到半导体开关以及二极管之后，断开第2机械式断路器。相反地，在切断从第2节点至第1节点的方向上流过的第2直流电流的情况下，能够在通过第2逆电流产生电路而在第2机械式断路器中流过逆电流的状态下，断开所述第2机械式断路器，之后，在主电流换流到半导体开关以及二极管之后，断开第1机械式断路器。根据本发明，能够按照上述顺序断开第1及第2机械式断路器，所以能够提供在降低电弧所致的消耗、损伤的同时具有高的绝缘性能的廉价的直流断路装置。
附图说明
图1是表示实施方式1的直流断路装置100的电路图。
图2是示出图1的直流切断装置100的稳定时至断路状态的动作例的时序图。
图3是示出稳定时的直流断路装置100中流过的电流的图。
图4是示出将接通开关8接通时的电流的流动的图。
图5是示出机械式断路器4L中流过的电流被切断时的电流的流动的图。
图6是示出切断了电流IL的状态的图。
图7是示出断开了机械式断路器4R的状态的图。
图8是示出断开了半导体开关2L的状态的图。
图9是示出直流断路装置的动作过程的流程图。
图10是示出直流断路装置100的稳定时至断路状态的其它动作例的时序图(预先断开半导体开关2R的情况)。
图11是示出实施方式1的变形例的直流断路装置的结构的电路图。
图12是实施方式2的直流断路装置101的电路图。
图13是示出在图1所示的直流断路装置100中机械式断路器4L断路后的节点A处的电流波形的图。
图14是实施方式3的直流断路装置102的电路图。
图15是实施方式3的变形例的直流断路装置103的电路图。
图16是示出在图1所示的实施方式1的直流断路装置100中对电容器5L以及5R进行充电的方法的一个例子的图。
图17是示出实施方式5的直流断路装置104的电路图。
图18是示出图17的直流断路装置104的稳定时至断路状态的动作例的时序图。
图19是示出图17的直流断路装置104的稳定时至断路状态的其它动作例的时序图(预先断开半导体开关2R的情况)。
(符号说明)
2L、2R：半导体开关；3L、3R：二极管；4L、4R：机械式断路器；5L、5R：电容器；6L、6R：电抗器；7L、7R：逆电流产生电路；8：接通开关；9：控制器；10L、10R：电阻元件；11：避雷器；12L、12R：高频截止电抗器；13L、13R：电池；14L、14R：带接地器的断路器；15：充电器；16L、16R：机械式开关；20、20L、20R：主电路线路；100～104：直流断路装置。
具体实施方式
以下，参照附图，详细说明本发明的实施方式。另外，对相同或者相当的部分附加相同的参照符号，不重复其说明。
<实施方式1>
[直流断路装置的结构]
图1是表示实施方式1的直流断路装置100的电路图。图1中示出了直流断路装置100中未流过事故电流的稳定时的状态。
如图1所示，直流断路装置100设置于主电路线路20上，包括半导体开关2L以及2R、二极管3L以及3R、机械式断路器4L以及4R、逆电流产生电路7L以及7R、接通开关8、控制器9、电阻元件10L以及10R、和避雷器11。
半导体开关2L以及2R按照该排列顺序在主电路线路20上的节点N1与N2之间相互串联连接。半导体开关2R切断与半导体开关2L的通电方向相反的朝向的电流。例如，在图1所示的IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor：绝缘栅双极型晶体管)的情况下，半导体开关2L与2R的连接节点A相当于各IGBT的发射极侧。因此，在图1的情况下，半导体开关2L能够在从节点N1至节点A的方向上流过或者切断电流，半导体开关2R能够在节点N2至节点A的方向上流过或者切断电流。
二极管3L与半导体开关2L并联连接，能够向与半导体开关2L的通电方向相反的朝向流过电流。在图1的情况下，二极管3L的阳极与IGBT的发射极连接。同样地，二极管3R与半导体开关2R并联连接，能够向与半导体开关2R的通电方向相反的朝向流过电流。在图1的情况下，二极管3R的阳极与IGBT的发射极连接。
半导体开关2L以及2R的各个例如由IGBT、GTO(GateTurn－Off：门极可关断)、晶闸管或者使用了SiC的功率MOS(MetalOxideSemiconductor：金属氧化物半导体)晶体管等半导体元件构成。也可以代替半导体开关2L以及2R的各个而通过串联或者并联连接多个这些半导体元件来构成。二极管3L以及3R的各个也可以同样地由多个二极管构成。进而，也可以串联连接多个半导体开关2L与二极管3L的对，还可以串联连接多个半导体开关2R与二极管3R的对。
机械式断路器4L以及4R按照该排列顺序在节点N1与N2之间串联连接，且与半导体开关2L以及2R的整体并联连接。也可以分别用多个机械式断路器来置换机械式断路器4L以及4R。
机械式断路器4L以及4R的各个例如由气体断路器、真空断路器或者空气断路器等构成。这些断路器具有金属制的接点，构成为通过用于进行机械式开闭动作的操作装置驱动接点。在电流通电过程中进行断开动作时，在接点间产生电弧。在如交流电流那样电流值成为零的瞬间，电弧消弧，电流被切断。
电弧是达到20000K的极其高温的等离子体。如果长时间持续引弧的状态，则长时间流过大电流，所以机械式断路器的接点消耗、损伤。进而，在气体断路器或者空气断路器等的情况下，作为消弧介质的气体或者空气成为高温，所以相比于以无引弧的方式断开的情况，电弧刚刚消弧之后的绝缘性能下降。在真空断路器的情况下，虽然不具有消弧气体，但由于接点成为高温而处于来自接点的热电子释放增加的状态，所以相比于以无引弧的方式断开的情况，刚刚消弧之后的绝缘性能依然下降。
电阻元件10L、逆电流产生电路7L以及7R、电阻元件10R按照该排列顺序在节点N1与N2之间串联连接，并与上述半导体开关2L以及2R的整体以及机械式断路器4L以及4R的整体并联连接。逆电流产生电路7L包括相互串联连接的电容器5L以及电抗器6L。同样地，逆电流产生电路7R包括相互串联连接的电容器5R以及电抗器6R。在图1的情况下，相互邻接地配置电容器5L以及5R。
有时电抗器6L以及6R还能够用电路的线路所具有的电感量来替代。为了使逆电流衰减，电阻元件10L以及10R分别与电抗器6L以及6R串联连接。由于电阻元件10L以及10R也能够用线路或者电抗器等所具有的电阻量来替代，所以未必一定设置。
接通开关8设置在将机械式断路器4L与4R之间的节点N3和电容器5L与5R之间的节点N4连结起来的线路上。接通开关8例如由机械式开关构成。
控制器9控制半导体开关2L和2R、机械式断路器4L和4R以及接通开关8的开闭定时。
避雷器11在节点N1与N2之间与上述各单元并联连接。避雷器11是为了在切断直流电流之后吸收电路的能量而设置的，但也可以省略。
[直流断路装置的动作]
图2是示出图1的直流断路装置100的稳定时至断路状态的动作例的时序图。在图2中，按照从上往下的顺序，示出了在机械式断路器4L中流过的电流、在机械式断路器4R中流过的电流以及在半导体开关2L以及2R的连接节点A处流过的电流，进而，示出了机械式断路器4L、接通开关8、半导体开关2R、机械式断路器4R以及半导体开关2L各自的开闭状态。以下，一并参照示出图2的各时间点的在直流断路装置100中流过的电流的图3～图8，说明直流断路装置100的动作。
(稳定时)
图3是示出在稳定时的直流断路装置100中流过的电流的图。参照图2、图3，在稳定时(在图2的时刻t1之前)，半导体开关2L以及2R闭合，机械式断路器4L以及4R闭合，接通开关8断开。电容器5L以及5R通过未图示的充电装置而被充电成相互反极性。例如，在图3中，电容器5L以及5R被充电成电容器5L的右侧(节点N4侧)的极以及电容器5R的左侧(节点N4侧)的极都为正极。
严格来说，稳定时在主电路线路20中流过的直流电流Io分流而流到半导体开关2L以及2R和机械式断路器4L以及4R。但是，在超高压直流系统中使用直流断路装置100的情况下，为了承受高电压，需要将构成半导体开关2L以及2R的半导体元件多级串联。因此，半导体开关2L以及2R闭合时的电阻值(还称为“导通电阻”)远大于机械式断路器4L以及4R闭合时的金属接点的电阻值。因此，可以当作大部分的电流在机械式断路器4L以及4R中流过。
根据直流系统的运用状态，主电路电流Io有时向图3的右方向(节点N1至节点N2的方向)流过，也有时向左方向(节点N2至节点N1的方向)流过。以下，说明如图3所示向右方向(节点N1至节点N2的方向)流过的情况。左方向的情况与使以下的说明正好左右对称地反转的情况相同。
(接通开关8的接通)
在图2的时刻t2将接通开关8接通。使机械式断路器4L与接通开关8的断开同时、或者在接通开关8断开以前、或者在流过自身的电流值成为零之前的期间开始断开。在图2中，在接通开关8断开以前的时刻t1，开始断开机械式断路器4L。
图4是示出将接通开关8接通时的电流的流动的图。当将接通开关8接通时，稳定时充电到电容器5L以及5R的电荷被放电而流过电流。此时，在机械式断路器4L中流过与主电路直流电流Io相反的朝向的电流IL。在机械式断路器4R中流过与主电路直流电流Io相同的朝向的电流IR。
电流IL为由电容器5L的电容和电抗器6L的电感决定的频率的振动电流。电流IL的绝对值从刚刚将接通开关8接通之后增加，由于是与主电路直流电流Io相反的方向，所以在图2的电流波形中用负表示。在电流IL的绝对值成为与主电路电流Io相同的值时，在机械式断路器4L中流过的电流值成为零。在该电流零的瞬间(图2的时刻t3)，在机械式断路器4L中流过的电流被切断(即消弧)。
(机械式断路器4L的消弧)
图5是示出在机械式断路器4L中流过的电流被切断时的电流的流动的图。如图5所示，由于在图2的时刻t3机械式断路器4L消弧，从而主电路电流Io换流到半导体开关2L以及二极管3R。
另一方面，电流IL在经过机械式断路器4R并通过半导体开关2R和二极管3L而返回到电容器5L的路径中流过。如果假设机械式断路器4R与机械式断路器4L同时开始断开，则由于在机械式断路器4R中最初流过直流电流Io与电流IR之和，在机械式断路器4L断路了的时刻t3之后，流过电流IL与电流IR之和的电流，所以大的电流的电弧起弧。如果这样，则如上所述产生接点的消耗、损伤，绝缘性能下降。因此，控制成在该时刻t3的时间点机械式断路器4R尚未断开。
但是，通过提前使机械式断路器4R断开而得到绝缘耐力，从而能够利用机械式断路器4L以及4R这两方来保持在当前时间点仅利用机械式断路器4L维持的恢复电压，能够得到高的绝缘性能。进而，无需提高一方的机械式断路器的绝缘性能，所以能够实现廉价的结构。为此，至少提前切断电流IL即可。
另外，如上所述在同时断开机械式断路器4R、4L时产生问题这一点，是图1的结构的直流断路装置100所特有的问题。
(半导体开关2R的断开)
为了提前切断电流IL，在紧接着图2的时刻t3之后的时刻t4断开半导体开关2R。如果可以的话，也可以在稳定时预先断开半导体开关2R，但在由于运用上的问题而需要闭合的情况下，在该时间点断开。由此来切断电流IL。通过电阻元件10R使电流IR衰减。
图6是示出切断了电流IL的状态的图。当电流IR衰减时，在半导体开关2L和二极管3R中流过的仅为主电路电流Io。
(机械式断路器4R的断开)
在电流IR衰减了的图2的时刻t5断开机械式断路器4R。图7是示出断开机械式断路器4R的状态的图。在机械式断路器4R中电弧不引弧，所以能够得到高的绝缘性能。如果是即便引弧了也不对绝缘性能造成问题的程度的小电流的电弧，则容许引弧。如果接点不立即分开，则驱动装置也可以在时刻t5之前的时间点朝向断开而开始驱动。
(半导体开关2L的断开)
图8是示出断开了半导体开关2L的状态的图。在机械式断路器4L以及4R得到了即使断开半导体开关2L也能够承受主电路电流断流后的重起电压那样的绝缘耐力的状态、即得到了足够的断开距离的状态下(图2的时刻t6)，如图8所示地断开半导体开关2L。由此，完成电流断流。避雷器11限制由于断路而产生的重起电压，并且吸收系统的残留能量。
[动作过程的流程图]
图9是示出直流断路装置的动作过程的流程图。以下，将上述所示的直流断路装置的动作过程表示为流程图。控制器9依照以下的流程图所示的过程，输出构成直流断路装置的设备进行开闭动作的信号。
首先，在步骤S1中，在时间t成为上述t1的时间时，转移到步骤S2。在步骤S2中，机械式断路器4L进行断开动作。在步骤S3中，在控制器9判断出时间t成为上述t2的时间时转移到步骤S4。在步骤S4中，接通开关8进行闭合动作。之后，在机械式断路器4L中切断电流。然后，在步骤S5中，在控制器9判断出时间t成为上述t4时转移到步骤S6。在步骤S6中，半导体开关2R进行断开动作。在步骤S7中，在控制器9判断出时间t成为上述t5的时间时转移到步骤S8。在步骤S8中，机械式断路器4R进行断开动作。在步骤S9中，在控制器9判断出时间t成为上述t6的时间时转移到步骤S10。在步骤S10中，半导体开关2L进行断开动作。
如上所述，根据实施方式1的直流断路装置100，能够提供在切断双向的直流电流、降低电弧所致的消耗、损伤的同时具有高的绝缘性能的廉价的直流断路装置。
<实施方式1的变形例>
在上述中，在稳定时，设为半导体开关2L以及2R闭合，但也可以在稳定时断开，并在将要接通接通开关8之前闭合。
接通开关8不仅可以是例如机械式开关，还可以是如间隙开关那样的放电开关、或者晶闸管或IGBT等半导体开关。另外，在接通开关8不太贵的情况下，也可以应用具有电流切断能力的开关而作为接通开关8，由此切断电流IL和电流IR。
在上述中，在稳定时，闭合半导体开关2R。其理由在于具有如下那样的优点：如果始终断开半导体开关2R，则虽然是二极管的电压下降量，但始终对半导体开关2R施加电压，所以能够避免该电压应力。进而，还因为具有如下优点：在被施加了由于来自雷等外部的感应等而导致的过电压、过电流的情况下，如果始终闭合半导体开关2R，则能够利用基于二极管3L和半导体开关2R的闭环来吸收这样的过电压、过电流，保护半导体开关2R和二极管3L。
但是，也能够在稳定时断开半导体开关2R。以下，补充该情况下的直流断路装置100的动作。
图10是示出直流断路装置100的从稳定时至断路状态的其它动作例的时序图(预先断开半导体开关2R的情况)。参照图10，在预先断开半导体开关2R的情况下，在机械式断路器4L消弧了的时刻t3下，逆电流IL也被切断。逆电流IL的能量由避雷器11吸收。其它点与图2的情况相同，所以不重复说明。
在实施方式1中，如图1等所示，在利用IGBT构成了半导体开关2L、2R的各个的情况下，在IGBT的发射极侧连接有两个半导体开关2L、2R。与此相反地，还能够在IGBT的集电极侧连接两个半导体开关2L、2R。以下，参照附图，补充说明。
图11是示出实施方式1的变形例的直流断路装置的结构的电路图。在图11的直流断路装置100A中，与图1的直流断路装置100的情况相反地配置有半导体开关2L与二极管3L的对和半导体开关2R与二极管3R的对。即，半导体开关2L在节点A与节点N2之间以从节点N1至节点N2的方向为通电方向的方式连接。半导体开关2R在节点A与节点N1之间以从节点N2至节点N1的方向为通电方向的方式连接。二极管3L以及3R分别与半导体开关2L以及2R对应，各二极管以向与对应的半导体开关的通电方向相反的方向流过电流的方式，与对应的半导体开关并联连接。图11的其它结构要素的连接与图1的情况相同。
图11的直流断路装置100A的动作过程与图1的直流断路装置100的动作过程相同。例如，图2的时序图以及图9的流程图在图11的直流断路装置100A的情况下也原样地适用。但是，在时刻t4(步骤S6)断开的是靠近节点N1的一侧的半导体开关2R，在时刻t6(步骤S10)断开的是靠近节点N2的一侧的半导体开关2L。在该点上，图11的直流断路装置100A与图1的直流断路装置100不同。
<实施方式2>
图12是实施方式2的直流断路装置101的电路图。
图12的直流断路装置101与图1的直流断路装置100不同的点在于，还包括与二极管3L串联连接的高频截止电抗器12L以及与二极管3R串联连接的高频截止电抗器12R。二极管3L以及高频截止电抗器12L与半导体开关2L并联连接，二极管3R以及高频截止电抗器12R与半导体开关2R并联连接。高频截止电抗器12L以及12R具有使直流电流通电、但通过电感而使高频的振动电流即在时间上变动的电流截止而不通过的功能(在本说明书中将具有这样的功能的元件称为“电感元件”)。也可以代替电抗器6L以及6R而将铁氧体芯等设置为电感元件。
图12的其它点与图1所示的实施方式1的情况相同，所以对相同或者相当的部分附加相同的参照符号而不重复说明。以下，说明高频截止电抗器12L以及12R的效果。
图13是示出在图1所示的直流断路装置100中机械式断路器4L断路后的节点A处的电流波形的图。将向右流过图1的A点(从节点N1至N2的方向)的电流设为正。
参照图13，在图10的时刻t3，机械式断路器4L被断路。在图2中，在紧接着时刻t3之后的时刻t4，断开半导体开关2R，但在图13的情况下，半导体开关2R设为闭合的状态不变。在机械式断路器4L断路之后，主电路电流Io与作为振动电流的逆电流IL重叠的电流在点A处流过。在直至断开半导体开关2R为止的期间，逆电流IL是通过电阻元件10L而衰减的波形。在图13的时刻t3至t11的期间以及时刻t12至t13的期间，在点A处流过的电流Io－IL的值为负，所以在半导体开关2R中流过电流。另一方面，在其它时间段，在点A处流过的电流Io－IL的值为正，所以在二极管3R中流过电流。
因此，用半导体开关2R切断逆电流IL仅限于在点A处流过的电流值为负时。因此，有在由于衰减而负的区域消失的情况下(在时刻t13之后)无法利用半导体开关2R切断逆电流IL这样的问题。该问题是图1的结构的直流断路装置100特有的问题，是在日本特开昭59－128714号公报(专利文献1)以及日本特开平10－126961号公报(专利文献2)所公开的以往的直流断路装置中未产生的问题。
如果如图12所示将高频截止电抗器12R与二极管3R串联地设置，则在二极管3R中不流过作为高频的振动电流的逆电流IL，所以逆电流IL在半导体开关2R中流过。由此，变得易于利用半导体开关2R切断逆电流IL。同样地，将高频截止电抗器12L与二极管3L串联设置。
通过上述结构，能够可靠地切断逆电流IL，所以能够提供在降低电弧所致的消耗、损伤的同时具有高的绝缘性能的廉价的直流断路装置。
<实施方式3>
图14是实施方式3的直流断路装置102的电路图。
图14的直流断路装置102的逆电流产生电路7L以及7R的结构与图1的直流断路装置101不同。即，图14的逆电流产生电路7L与图1的逆电流产生电路7L不同的点在于，代替电容器5L以及电抗器6L而包括电池13L。同样地，图14的逆电流产生电路7R与图1的逆电流产生电路7R不同的点在于，代替电容器5R以及电抗器6R而包括电池13R。将电池13L连接成以节点N4侧为正极且以节点N1侧为负极。同样地，将电池13R连接成以节点N4侧为正极且以节点N2侧为负极。图14的其它点与图1的情况相同，所以对相同或者相当的部分附加相同的参照符号而不重复说明。
通过使用电池13L以及13R，也能够在分别对应的机械式断路器4L以及4R中流过逆电流。由于不需要用于如图1的电容器5L以及5R那样进行充电的充电器，所以具有电路结构变简单这样的优点。
如果将图14的电阻元件10L以及10R各自的电阻值设为r，则需要使电池13L以及13R各自的输出电压V大于主电路电流Io与电阻值r之积。主电路电流Io的大小根据直流电力系统而各种各样，例如当设为1kA时，如果电阻值r是1Ω，则需要使输出电压V大于1kV。
图15是实施方式3的变形例的直流断路装置103的电路图。图14的电路图示出了分别仅使用了电池13L以及13R来作为逆电流产生电路7L以及7R的例子。也可以代替该结构而设为对图1以及图12的电容器以及电抗器串联地附加电池的结构。例如，图15的逆电流产生电路7L以及7R的结构是对图10(实施方式2)的结构附加了电池的结构。在该情况下，能够减小电容器的充电电压，并且电池的输出电压是小的输出电压即可，所以能够使用廉价的电池。
另外，图14以及图15的逆电流产生电路7L以及7R的结构能够应用于实施方式1的直流断路装置100、100A以及实施方式2的直流断路装置101中的任意装置。
<实施方式4>
图16是示出在图1所示的实施方式1的直流断路装置100中对电容器5L以及5R进行充电的方法的一个例子的图。
参照图16，充电器15连接在节点N4与接地节点GND之间，节点N4在电容器5L与5R之间。带接地器的断路器14L与直流断路装置100的节点N1邻接而插入到主电路线路20L。带接地器的断路器14R与直流断路装置100的节点N2邻接而插入到主电路线路20R。
在电容器5L以及5R充电时，如图16所示，通过断开带接地器的断路器14L以及14R，从而直流断路装置104从主电路线路20L以及20R分离而接地。即，直流断路装置100为被加电。接通开关8处于断开状态。在该状态下，能够通过充电器15同时对电容器5L以及5R这两方都进行充电。实施方式2的直流断路装置101也能够同样地充电。
<实施方式5>
图17是示出实施方式5的直流断路装置104的电路图。
参照图17，直流断路装置104与图1的直流断路装置100不同的点在于，还包括机械式开关16L以及16R。机械式开关16L连接在节点N4与电容器5L之间，机械式开关16R连接在节点N4与电容器5R之间。图17的其它结构与图1的直流断路装置100相同，所以对相同或者相当的部分附加相同的参照符号而不重复说明。
图18是示出图17的直流断路装置104的稳定时至断路状态的动作例的时序图。参照图17、图18，在稳定时(在时刻t1之前)，设为向图17的节点N1至N2的方向流过主电路电流Io。机械式开关16L始终被闭合，机械式开关16R始终被断开。电容器5L被预先充电成节点4N侧为正。电容器5R未被充电。如图18所示，在稳定时(在时刻t1之前)半导体开关2L以及2R闭合，机械式断路器4L以及4R闭合，接通开关8断开。
与图2的情况同样地，在时刻t1断开机械式断路器4L，在时刻t2将接通开关8接通。由此，在机械式断路器4L中与实施方式1的情况同样地流过逆电流IL，但由于机械式开关16R被断开，所以在机械式断路器4R中不流过电流IR。
之后，在机械式断路器4L中流过的电流Io－IL成为零时，机械式断路器4L消弧。由此，主电路电流Io换流到半导体开关2L以及二极管3R。另一方面，电流IL在经过机械式断路器4R并通过半导体开关2R和二极管3L而返回到电容器5L的路径中流过。
通过在时刻t4断开半导体开关2R，从而切断电流IL。该电流IL的能量由避雷器11吸收。在实施方式5的情况下不流过电流IR，所以之后能够立即(在时刻t5)断开机械式断路器4R。通过在断开机械式断路器4R之后断开半导体开关2L，从而电流切断完成。
图19是示出图17的直流断路装置104的稳定时至断路状态的其它动作例的时序图(预先断开半导体开关2R的情况)。在图19的时序图中，与图18的时序图不同的点在于，在稳定时预先断开半导体开关2R。参照图19，在预先断开半导体开关2R的情况下，在机械式断路器4L消弧了的时刻t3，逆电流IL也被切断。逆电流IL的能量由避雷器11吸收。其它点与图18的情况相同，所以不重复说明。
另外，使用机械式开关16R、16L的结构还能够应用于实施方式2的直流断路装置101。
本次公开的实施方式应当认为在所有的点上是例示而不是限制性的点。本发明的范围并非基于上述说明而是通过权利要求书示出的，意图包括与权利要求均等的意义以及范围内的所有变更。

Claims (11)

1.一种直流断路装置，具备：
第1及第2半导体开关，在主电路线路上的第1与第2节点之间以通电方向相互为反向的方式串联连接；
第1二极管，与所述第1半导体开关并联连接，向与所述第1半导体开关的通电方向相反的方向流过电流；
第2二极管，与所述第2半导体开关并联连接，向与所述第2半导体开关的通电方向相反的方向流过电流；
第1及第2机械式断路器，在所述第1与第2节点之间依次串联连接且与所述第1及第2半导体开关的整体并联连接；
第1及第2逆电流产生电路，在所述第1与第2节点之间依次串联连接且与所述第1和第2半导体开关的整体以及所述第1及第2机械式断路器的整体并联连接，所述第1及第2逆电流产生电路分别用于在所述第1及第2机械式断路器中流过逆电流；
接通开关，连接于第3节点与第4节点之间，该第3节点为所述第1与第2机械式断路器之间的节点，该第4节点是所述第1与第2逆电流产生电路之间的节点；以及
控制器，控制所述第1和第2半导体开关、所述第1和第2机械式断路器以及所述接通开关的开闭定时。
2.根据权利要求1所述的直流断路装置，其特征在于，
所述第1逆电流产生电路构成为在切断从所述第1节点至所述第2节点的方向上流过的第1直流电流的情况下，通过所述接通开关接通，在所述第1机械式断路器中流过与所述第1直流电流相反的方向的电流，
所述第2逆电流产生电路构成为在切断从所述第2节点至所述第1节点的方向上流过的第2直流电流的情况下，通过所述接通开关接通，在所述第2机械式断路器中流过与所述第2直流电流相反的方向的电流。
3.根据权利要求2所述的直流断路装置，其特征在于，
所述控制器构成为在切断所述第1直流电流的情况下，在将所述接通开关接通之后开始所述第1机械式断路器的断开，之后，开始所述第2机械式断路器的断开。
4.根据权利要求2所述的直流断路装置，其特征在于，
所述控制器构成为在切断所述第1直流电流的情况下，在所述接通开关接通从而流过所述第1机械式断路器的电流成为零的切断时刻之前，开始所述第1机械式断路器的断开，在所述切断时刻之后，开始所述第2机械式断路器的断开。
5.根据权利要求3或者4所述的直流断路装置，其特征在于，
所述第1半导体开关在所述第1与第2节点之间以从所述第1节点至所述第2节点的方向成为通电方向的方式连接，
所述第2半导体开关在所述第1与第2节点之间以从所述第2节点至所述第1节点的方向成为通电方向的方式连接，
所述控制器构成为在开始所述第2机械式断路器的断开之前，断开所述第2半导体开关。
6.根据权利要求5所述的直流断路装置，其特征在于，
所述控制器构成为在断开所述第2机械式断路器之后，断开所述第1半导体开关。
7.根据权利要求1～6中的任意一项所述的直流断路装置，其特征在于，还具备：
第1电感元件，与所述第1二极管串联连接且与所述第1半导体开关并联连接；以及
第2电感元件，与所述第2二极管串联连接且与所述第2半导体开关并联连接。
8.根据权利要求1～7中的任意一项所述的直流断路装置，其特征在于，
所述第1逆电流产生电路包括在所述第4节点与所述第1节点之间串联连接的第1电容器及第1电抗器，
所述第2逆电流产生电路包括在所述第4节点与所述第2节点之间串联连接的第2电容器及第2电抗器。
9.根据权利要求8所述的直流断路装置，其特征在于，还具备：
第1带接地器的断路器，与所述第1节点邻接而插入到所述主电路线路上；
第2带接地器的断路器，与所述第2节点邻接而插入到所述主电路线路上；以及
充电器，连接于所述第4节点与接地节点之间。
10.根据权利要求1～7中的任意一项所述的直流断路装置，其特征在于，
所述第1逆电流产生电路包括第1电池，该第1电池以所述第4节点侧为正极且以所述第1节点侧为负极，
所述第2逆电流产生电路包括第2电池，该第2电池以所述第4节点侧为正极且以所述第2节点侧为负极。
11.根据权利要求1～10中的任意一项所述的直流断路装置，其特征在于，还具备：
第1机械式开关，连接于所述第1逆电流产生电路与所述第4节点之间；以及
第2机械式开关，连接于所述第2逆电流产生电路与所述第4节点之间。
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