JP2002093291A - 半導体開閉器およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電力用半導体スイッチが破壊した場合でも、開
閉器としての運転を継続すること。 【解決手段】少なくとも２個の電力用半導体スイッチ２
を、極性を互いに逆方向にして並列接続してなる電力用
半導体スイッチ逆並列回路と、電力用半導体スイッチ逆
並列回路と直列に補助開閉器４を接続してなる直並列回
路と、直並列回路と並列に接続された主開閉器１とを備
える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電力系統（配電系
統）における例えば電力系統切替えを高速に実現可能な
開閉器である半導体開閉器およびその制御方法に係り、
特に電力用半導体スイッチが破壊した場合でも、開閉器
としての運転を継続できるようにした半導体開閉器およ
びその制御方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】最近、電力系統（配電系統等）におけ
る、電力系統切替えを高速に実現することを目的とした
開閉器として、例えば“雑誌ＯＨＭ平成１１年８月号ｐ
８５−ｐ９０”に示されるような半導体開閉器が多く用
いられてきている。

【０００３】図５は、この種の従来の半導体開閉器の構
成例を示す回路図である。

【０００４】図５において、２個の電力用半導体スイッ
チであるサイリスタ１２が、極性を互いに逆方向にして
並列接続されている。

【０００５】また、この逆並列回路と並列に、開閉器１
１が接続されている。

【０００６】さらに、この開閉器１と並列に、開閉器１
１の過電圧防止用の避雷器１３が接続されている。

【０００７】次に、かかる半導体開閉器の開放および投
入動作について説明する。

【０００８】（通電時）: （１）通常の通電時には、開閉器１１が閉極しており、
電流は開閉器１１を流れ、サイリスタ１２はオフしてい
る。

【０００９】（開放時）: （２）半導体開閉器の開放は、開閉器１１の開極と同時
に、サイリス１２をゲートオンする。

【００１０】この開閉器１１の開極により両極間に電圧
が発生し、これによりサイリスタ１２がターンオンし
て、開閉器１１の電流はサイリスタ２に転流する。

【００１１】（３）開閉器１１が完全に開極した後、サ
イリスタ１２をゲートオフし、電流のゼロクロス点でサ
イリスタ１２はターンオフし、半導体開閉器の開放が終
了する。

【００１２】（投入時）: （４）半導体開閉器の投入は、まずサイリスタ１２をゲ
ートオンする。これにより、サイリスタ１２はターンオ
ンし、電流の通電が開始する。

【００１３】（５）開閉器１１を閉極し、サイリスタ１
２をゲートオフし、半導体開閉器の投入が終了する。

【００１４】かかる半導体開閉器においては、特に半導
体開閉器の投入時には、先行してオンするサイリスタ１
２により、非常に短い投入時間を実現することができ
る。

【００１５】また、半導体開閉器の開放時の開閉器１１
に発生するアークを最小限に抑えることができるため、
電極の寿命も長くなる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな半導体開閉器は、機械的スイッチに比べて電気的に
破壊し易く、信頼性も低い。そして、様々な原因により
破壊も発生しうる。

【００１７】また、半導体開閉器の投入時には、負荷の
状況によってサイリスタ１２に過大な投入電流が流れ得
る。

【００１８】通常は、過電流の最大定格（ピーク１サイ
クルサージオン電流等）以下であれば破壊はしないが、
サイリスタ１２の破壊の確率は大きくなる。

【００１９】サイリスタ１２が破壊した場合には、サイ
リスタ１２が短絡してしまい、この半導体開閉器は開閉
器として運転できなくなり、電力系統の切替え等に支障
をきたすことになる。

【００２０】そして、この場合には、更に上位の開閉器
または遮断器を開放することになるが、当該電力系統を
利用している他の負荷がある場合には停電となってしま
い、好ましくない。

【００２１】本発明の目的は、電力用半導体スイッチが
破壊した場合でも、開閉器としての運転を継続すること
が可能な極めて信頼性の高い半導体開閉器およびその制
御方法を提供することにある。

【００２２】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１に対応する発明の半導体開閉器は、少な
くとも２個の電力用半導体スイッチを、極性を互いに逆
方向にして並列接続してなる電力用半導体スイッチ逆並
列回路と、電力用半導体スイッチ逆並列回路と直列に補
助開閉器を接続してなる直並列回路と、直並列回路と並
列に接続された主開閉器とを備えている。

【００２３】従って、請求項１に対応する発明の半導体
開閉器においては、半導体開閉器本体の通常の動作時に
は、補助開閉器は閉極した状態であり、開閉器動作はし
ない。この補助開閉器は、電力用半導体スイッチがスイ
ッチオフ時に、破壊もしくはスイッチオフ失敗によりオ
フできなかった場合に開極して、電力用半導体スイッチ
逆並列回路を切り離す。すなわち、主開閉器に並列接続
されている電力用半導体スイッチが破壊した場合にも、
電力用半導体スイッチに直列接続されている補助開閉器
を開極して、電力用半導体スイッチ逆並列回路を切り離
す。

【００２４】これにより、主開閉器のみで開閉器として
の運転を継続することができるため、極めて信頼性の高
い半導体開閉器を得ることができる。

【００２５】また、請求項２に対応する発明の半導体開
閉器は、上記請求項１に対応する発明の半導体開閉器に
おいて、電力用半導体スイッチのゲート信号と、当該電
力用半導体スイッチを流れる電流とに基づいて、半導体
開閉器本体の開放時に電力用半導体スイッチがスイッチ
オフせず導通している状態を検出する電力用半導体スイ
ッチ導通検出手段を付加している。

【００２６】従って、請求項２に対応する発明の半導体
開閉器においては、補助開閉器を開極するために、電力
用半導体スイッチの状況を把握する必要があることか
ら、特に電力用半導体スイッチがオフしなければならな
い半導体開閉器本体開放時にオフせずに導通状態にあれ
ば、これを検出して補助開閉器を開極し、電力用半導体
スイッチ逆並列回路を切り離すことができる。

【００２７】さらに、請求項３に対応する発明では、上
記請求項２に対応する発明の半導体開閉器を制御する方
法において、補助開閉器を常時閉極しておき、開閉器動
作を電力用半導体スイッチ逆並列回路および主開閉器に
よって行ない、半導体開閉器本体の開放時に電力用半導
体スイッチが導通して電力用半導体スイッチ逆並列回路
が開極できなくなった場合には、補助開閉器を開極して
当該補助開閉器を主開閉器から切り離すようにしてい
る。

【００２８】従って、請求項３に対応する発明の半導体
開閉器の制御方法においては、電力用半導体スイッチが
破壊を含め、半導体開閉器本体の開放時に導通した場合
に、補助開閉器を開極して電力用半導体スイッチ逆並列
回路を切り離し、その後の半導体開閉器本体としては、
主開閉器のみで開閉器動作を行なうことができる。これ
により、開閉器としての運転を継続することができ、極
めて信頼性の高い半導体開閉器を実現することができ
る。

【００２９】さらにまた、請求項４に対応する発明で
は、上記請求項３に対応する発明の半導体開閉器を制御
する方法において、半導体開閉器本体の開放時に電力用
半導体スイッチが導通して電力用半導体スイッチ逆並列
回路が開極できなくなった場合には、開極した主開閉器
を一旦閉極し、補助開閉器を開極した後に、再度主開閉
器を開極するようにしている。

【００３０】従って、請求項４に対応する発明の半導体
開閉器の制御方法においては、補助開閉器を開極する場
合は、電力用半導体スイッチを通って流れる電流を、主
開閉器を一旦閉極することで主開閉器に転流させる。そ
して、この状態で補助開閉器を開極した後、再度主開閉
器を開極する。これにより、補助開閉器を開極する時に
補助開閉器に電流を流れないようにすることで、主開閉
器に比べて補助開閉器の遮断容量を極めて小さくするこ
とができ、補助開閉器として小型でかつ安価な開閉器を
使用することができる。

【００３１】一方、請求項５に対応する発明の半導体開
閉器は、上記請求項２に対応する発明の半導体開閉器に
おいて、電力用半導体スイッチのゲート信号と、当該電
力用半導体スイッチを流れる電流とに基づいて、半導体
開閉器本体の開放時に電力用半導体スイッチが導通して
いる状態が検出された場合に、電力用半導体スイッチの
破壊または破壊せずにスイッチオフ失敗かを判定する電
力用半導体スイッチ破壊判定手段を付加している。

【００３２】従って、請求項５に対応する発明の半導体
開閉器においては、もし電力用半導体スイッチが完全に
破壊した場合には、補助開閉器の開極を維持して、主開
閉器のみで運転継続する。また、もし単なるターンオフ
失敗で電力用半導体スイッチの破壊がない場合には、再
度半導体開閉器本体としての運転を試みることができ
る。

【００３３】また、請求項６に対応する発明では、上記
請求項５に対応する発明の半導体開閉器を制御する方法
において、半導体開閉器本体の開放時に電力用半導体が
導通することで補助開閉器が開極している状態におい
て、再度補助開閉器を閉極する場合には、まず開極して
いる主開閉器を閉極した後に、補助開閉器を閉極するよ
うにしている。

【００３４】従って、請求項６に対応する発明の半導体
開閉器の制御方法においては、電力用半導体スイッチが
破壊したかどうか、素子状態を確認するため再度半導体
開閉器本体を投入する場合には、まず主開閉器を投入
し、開極している補助開閉器に電圧がかからない状態で
補助開閉器を閉極する。これにより、補助開閉器は無電
圧無電流で閉極することになり、電気的ストレスを防止
することが可能であり、より小型化、安価化することが
できる。

【００３５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態につ
いて図面を参照して詳細に説明する。

【００３６】（第１の実施の形態）図１は、本実施の形
態による半導体開閉器の構成例を示すブロック図でる。

【００３７】図１において、少なくとも２個の電力用半
導体スイッチであるサイリスタ２を、極性を互いに逆方
向にして並列接続して電力用半導体スイッチ逆並列回路
（双方向スイッチ）を構成している。

【００３８】また、この電力用半導体スイッチ逆並列回
路と直列に、補助開閉器４を接続して直並列回路を構成
している。

【００３９】さらに、直並列回路と並列に、主開閉器１
を接続している。

【００４０】一方、ゲート制御回路５と、電流検出器６
と、サイリスタ導通検出回路７と、サイリスタ破壊判定
回路８とを備えている。

【００４１】ゲート制御回路５は、電力用半導体スイッ
チ逆並列回路のサイリスタ２にゲート信号を与える。

【００４２】電流検出器６は、サイリスタ２を流れる電
流を検出する。

【００４３】サイリスタ導通検出回路７は、ゲート制御
回路５からのサイリスタ２のゲート信号と、電流検出器
６からの電流信号とに基づいて、サイリスタ２がスイッ
チオフせず導通している状態を検出する。

【００４４】サイリスタ破壊判定回路８は、ゲート制御
回路５からのサイリスタ２のゲート信号と、電流検出器
６からの電流信号とに基づいて、半導体開閉器の開放時
にサイリスタ２が導通している状態が検出された場合
に、サイリスタ２の破壊または破壊せずにスイッチオフ
失敗かを判定する。

【００４５】次に、以上のように構成した本実施の形態
による半導体開閉器の制御方法、すなわち開放動作（主
開閉器１の閉極から開極への移行時の動作）について、
図２乃至図４を用いて説明する。

【００４６】図１において、主開閉器１を開極する場合
には、まずサイリスタ２のゲートにオン信号を入力し
て、スイッチオンさせる。

【００４７】主開閉器１の開極と同時に、主開閉器１に
流れていた電流がサイリスタ２に転流する。

【００４８】主開閉器１が完全に開極した後、サイリス
タ２のゲートからオン信号を除去することで、電流のゼ
ロクロス点でサイリスタ２はターンオフし、動作が終了
する。

【００４９】もし、この動作において、サイリスタ２が
破壊またはターンオフ失敗によりターンオフできなくな
り導通状態が継続した場合には、半導体開閉器として開
放ができなくなる。

【００５０】サイリスタ２の導通状態は、ゲート制御回
路５からのゲートオン信号のない状態での電流検出器６
からの電流検出信号により判定することができる。

【００５１】この時、サイリスタ２が導通状態であると
判定されたならば、半導体開閉器として開放させるため
に、補助開閉器４を開極してサイリスタ２を主開閉器１
から切り離す。

【００５２】これにより、半導体開閉器として開放とな
る。

【００５３】その半導体開閉器としては、主開閉器１の
みで開閉動作を行なう。

【００５４】サイリスタ２が、前述の理由により導通状
態が継続した場合には、サイリスタ２および補助開閉器
４には、主開閉器１の電流が流れ続けることになる。

【００５５】従って、この状態で補助開閉器４を開極す
る場合には、補助開閉器４の遮断容量として、主開閉器
１と同程度の遮断容量が必要となる。

【００５６】一例として、定格７．２ｋＶ−６００Ａク
ラスの真空開閉器では、遮断電流最大値として１２００
ｋＡ程度の高い性能が要求される。

【００５７】補助開閉器４としては、以下の開極動作を
させることで、遮断容量を低下させることができる。

【００５８】図２は、補助開閉器４の開極時の動作を示
す図である。

【００５９】図２（ａ）:補助開閉器４には、サイリス
タ２が導通しているため電流が流れている。

【００６０】図２（ｂ）:まず、開極している主開閉器
１を一度閉極する。

【００６１】電流は、導通抵抗がサイリスタ２よりも小
さい主開閉器１をメインに流れることになる。

【００６２】図２（ｃ）:そして、補助開閉器４を開極
してサイリスタ２を切り離し、 図２（ｄ）:再度主開閉器１を開極する。

【００６３】この場合、主開閉器１は、単体の開閉器と
して開極することになる。

【００６４】このように、補助開閉器４を開極する時に
は、開閉器として電流を遮断しないため、主開閉器１に
比べて遮断容量が小さな開閉器を使用することができ
る。

【００６５】半導体開閉器開放時のサイリスタ２の導通
は、サイリスタ導通検出回路７により検出する。

【００６６】サイリスタ導通検出回路７では、サイリス
タ２のゲート制御回路５のゲート信号と、電流検出器６
によるサイリスタ２の電流検出信号とにより、サイリス
タ２の導通を検出する。

【００６７】図３は、ゲート信号と電流検出信号とに基
づくサイリスタ２のサイリスタ導通検出回路７の検出結
果を示す図である。

【００６８】ここで、問題となるのは、ゲート信号とし
てはオフ状態にある場合での電流導通時である。

【００６９】この場合には、半導体開閉器開放時のサイ
リスタ２の導通となり、補助開閉器４を開極して、サイ
リスタ２を切り離す。

【００７０】ただし、前記のサイリスタ２の導通検出で
は、サイリスタ２の素子が破壊したか、または破壊せず
にスイッチオフ失敗かの判定はできない。

【００７１】もし、素子の破壊ならば、完全にサイリス
タ２を切り離して、素子交換をする必要がある。

【００７２】また、単なるスイッチオフ失敗で素子とし
ては破壊していなければ、再度半導体開閉器としてサイ
リスタ２を利用することができる。

【００７３】次に、サイリスタ２の破壊の判定方法につ
いて述べる。

【００７４】なお、サイリスタ２の破壊の判定は、ゲー
ト制御回路５からのサイリスタ２のゲート信号と、当該
サイリスタ２を流れる電流を検出する電流検出器６から
の電流信号とに基づいて、サイリスタ２の破壊または破
壊せずにスイッチオフ失敗かを判定するサイリスタ破壊
判定回路８により行なう。

【００７５】サイリスタ２の短絡破壊を判定するには、
サイリスタ２のゲート信号をオフ状態のまま、補助開閉
器４を閉極する。

【００７６】サイリスタ２が正常ならば、電流検出器６
からは電流が検出されない。

【００７７】もし、電流検出器６で電流が検出されたな
らば、サイリスタ２のアノード・カソード間が、破壊に
より短絡していると判定でき、再度補助開閉器４を開極
する。

【００７８】この判定方法で正常と判定されたならば、
補助開閉器４の閉極状態を維持し、半導体開閉器の動作
に移行する。

【００７９】主開閉器１を開極する前に、サイリスタ２
をゲートオンさせる。

【００８０】さらに、次の半導体開閉器開放時に、再度
サイリスタ２が前述同様スイッチオフできなかった場合
には、サイリスタ２に何らかの異常があるとして、サイ
リスタ２を完全に切り離す。

【００８１】この場合には、サイリスタ２が破壊してい
なくても、何らかの原因によりサイリスタ２がスイッチ
オフできない状態であり、以後は前述の破壊の判定は行
なわず、サイリスタ２は破壊として切り離す。

【００８２】サイリスタ２の破壊判定のための補助開閉
器４の閉極時には、サイリスタ２が破壊している場合、
補助開閉器４に非常に大きな突入電流が流れる可能性が
ある。

【００８３】従って、この状態で補助開閉器４を閉極す
る場合には、補助開閉器４の投入電流容量として、主開
閉器１と同程度の容量が必要となる。

【００８４】一例として、定格７．２ｋＶ−６００Ａク
ラスの真空開閉器では、投入電流最大値として３１．５
ｋＡ程度の高い性能が要求される。

【００８５】補助開閉器４としては、以下の閉極動作を
させることで、投入電流容量を低下させることができ
る。

【００８６】図４は、補助開閉器４の閉極時の動作を示
す図である。

【００８７】図４（ａ）:補助開閉器４は開極してい
る。

【００８８】図４（ｂ）:まず、開極している主開閉器
１を一度閉極する。

【００８９】電流は、主開閉器１を流れる。

【００９０】この場合、主開閉器１は、単体の開閉器と
して開極することになる。

【００９１】図４（ｃ）:補助開閉器４を閉極する。

【００９２】図４（ｄ）:再度主開閉器１を開極する。

【００９３】このように、補助開閉器４を閉極する時に
は、無電圧無電流で閉極するため、主開閉器１に比べて
投入電流容量が小さな開閉器を使用することができる。

【００９４】上述したように、本実施の形態による半導
体開閉器およびその制御方法では、主開閉器１に並列接
続されているサイリスタ２が破壊した場合にも、当該サ
イリスタ２に直列接続されている補助開閉器４を開極し
て、サイリスタ逆並列回路を切り離すようにしているの
で、主開閉器１のみで開閉器としての運転を継続するこ
とが可能となる。これにより、極めて信頼性の高い半導
体開閉器を得ることができる。

【００９５】また、補助開閉器４としては、当該補助開
閉器４を無電圧無電流で開極および閉極させることで、
主開閉器１よりも小さい容量の開閉器を用いることが可
能となる。これにより、小型化、および安価化を図るこ
とができる。

【００９６】（その他の実施の形態）前記実施の形態で
は、電力用半導体スイッチとしてサイリスタを用いる場
合について説明したが、これに限らず、これ以外の半導
体スイッチを用いるようにしてもよい。

【００９７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体開
閉器およびその制御方法によれば、主開閉器に並列接続
されている電力用半導体スイッチが破壊した場合にも、
当該電力用半導体スイッチに直列接続されている補助開
閉器を開極して、電力用半導体スイッチ逆並列回路を切
り離すようにしているので、主開閉器のみで開閉器とし
ての運転を継続することが可能となる。これにより、極
めて信頼性の高い半導体開閉器を得ることができる。

【００９８】また、補助開閉器としては、当該補助開閉
器を無電圧無電流で開極および閉極させることで、主開
閉器よりも小さい容量の開閉器を用いることが可能とな
る。これにより、小型化、および安価化を図ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による半導体開閉器の一実施の形態を示
すブロック図。

【図２】同一実施の形態の半導体開閉器における補助開
閉器の開極時における各開閉器の動作を説明するための
図。

【図３】同一実施の形態の半導体開閉器の開放時におけ
るサイリスタの導通検出手法を説明するための図。

【図４】同一実施の形態の半導体開閉器における補助開
閉器の閉極時における各開閉器の動作を説明するための
図。

【図５】従来の半導体開閉器の構成例を示す回路図。

【符号の説明】

１…主開閉器 ２…サイリスタ ４…補助開閉器 ５…ゲート制御回路 ６…電流検出器 ７…サイリスタ導通検出回路 ８…サイリスタ破壊判定回路 １１…開閉器 １２…サイリスタ １３…避雷器。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも２個の電力用半導体スイッチ
   を、極性を互いに逆方向にして並列接続してなる電力用
   半導体スイッチ逆並列回路と、 前記電力用半導体スイッチ逆並列回路と直列に補助開閉
   器を接続してなる直並列回路と、 前記直並列回路と並列に接続された主開閉器と、 を備えて成ることを特徴とする半導体開閉器。
2. 【請求項２】 前記請求項１に記載の半導体開閉器にお
   いて、 前記電力用半導体スイッチのゲート信号と、当該電力用
   半導体スイッチを流れる電流とに基づいて、前記半導体
   開閉器本体の開放時に前記電力用半導体スイッチがスイ
   ッチオフせず導通している状態を検出する電力用半導体
   スイッチ導通検出手段を付加して成ることを特徴とする
   半導体開閉器。
3. 【請求項３】 前記請求項２に記載の半導体開閉器を制
   御する方法において、 前記補助開閉器を常時閉極しておき、開閉器動作を前記
   電力用半導体スイッチ逆並列回路および前記主開閉器に
   よって行ない、前記半導体開閉器本体の開放時に前記電
   力用半導体スイッチが導通して前記電力用半導体スイッ
   チ逆並列回路が開極できなくなった場合には、 前記補助開閉器を開極して当該補助開閉器を前記主開閉
   器から切り離すようにしたことを特徴とする半導体開閉
   器の制御方法。
4. 【請求項４】 前記請求項３に記載の半導体開閉器を制
   御する方法において、 前記半導体開閉器本体の開放時に前記電力用半導体スイ
   ッチが導通して前記電力用半導体スイッチ逆並列回路が
   開極できなくなった場合には、 開極した前記主開閉器を一旦閉極し、前記補助開閉器を
   開極した後に、再度前記主開閉器を開極するようにした
   ことを特徴とする半導体開閉器の制御方法。
5. 【請求項５】 前記請求項２に記載の半導体開閉器にお
   いて、 前記電力用半導体スイッチのゲート信号と、当該電力用
   半導体スイッチを流れる電流とに基づいて、前記半導体
   開閉器本体の開放時に前記電力用半導体スイッチが導通
   している状態が検出された場合に、前記電力用半導体ス
   イッチの破壊または破壊せずにスイッチオフ失敗かを判
   定する電力用半導体スイッチ破壊判定手段を付加して成
   ることを特徴とする半導体開閉器。
6. 【請求項６】 前記請求項５に記載の半導体開閉器を制
   御する方法において、 前記半導体開閉器本体の開放時に前記電力用半導体が導
   通することで前記補助開閉器が開極している状態におい
   て、再度前記補助開閉器を閉極する場合には、 まず開極している前記主開閉器を閉極した後に、前記補
   助開閉器を閉極するようにしたことを特徴とする半導体
   開閉器の制御方法。