JP2002527870A - 電気スイッチ装置と電気的負荷の遮断を行う方法 - Google Patents
電気スイッチ装置と電気的負荷の遮断を行う方法Info
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Abstract
Description
該装置は、基本的に、過電流を生じたような場合に大出力電流を遮断することを
目的とする。
の遮断方法に関するものである。
対象物の接続及び遮断、および、発電設備あるいは接続された対象物から特定の
部分を電気的に接続又は切断することに関するものである。ここで「対象物」と
は、極めて広い意味で使用しており、発電設備と電力ネットワークに含まれる全
ての装置と機器、及び、発電設備および/または電力ネットワークの各部分を含
む概念として使用する。
る装置である。あるいは、対象物の別の例は、送電線、スイッチギア装置等であ
る。本発明は中電圧及び高電圧において使用することを意図したものである。I
EC標準に基づけば、中電圧とは、1−72.5kV、高電圧とは72.5kV
よりも高い電圧をいう。したがって、送電、配電、分電の電圧レベルはこれに含
まれる。
ばSF6ブレーカと称する、オイルブレーカ又はいわゆるバキュウムブレーカの
ような既知のブレーカが使用されている。まれではあるが、極めて高速に作動す
る要請が有る場合には、例えば、サイリスタやIGBTのような半導体「ブレー
カ」が使用される。
る電流を遮断する際、遮断すべき電流がアーチとなって流れ続けることがおきる
。そこで、電流がゼロになったとき、つまり、50Hzの電力供給網であれば2
0ミリ秒に2回づつ発生する極性が変化する瞬間に、電流をゼロにする。したが
ってこの種のブレーカは交流に対しては使用することができるが、電流がゼロに
なる瞬間がない直流電流に対しては使用することができない。
電流、いわゆるオペレーション電流のみならず、大きな過電流、故障電流の遮断
が可能なように再設計する必要がある。
遮断することができるように設計する必要がある。アークが再生しないように、
つまり、遮断の継続を保証するためには、電流の遮断に成功した後、極めて短い
時間の間に、端子間の空間に非常に高い絶縁性を与える必要がある。
カは、短時間の間に同じ位置で、大きな熱的負荷と電気的負荷に耐える必要が有
るため、構造が比較的複雑になり遮断までの時間が比較的長くなる。
ムが喪失したときにおきる短絡時の大電流のようなものを念頭においている。こ
のような喪失は、外部のネットワーク/装置の短絡電流(ショート電流)がアー
クとして流れることを意味する。その結果、非常に大きな損傷が発生することに
なる。スウェーデンの電力ネットワークで想定している短絡電流(故障電流)は
63kVである。短絡電流(故障電流)は、実際は、40−50Aとなる。
実行されるまでの遮断時間(IEC−標準)は150msである。現在の設備で
はこの遮断時間を90−130ms程度より短くすることは非常に困難である。
その結果、回路遮断機が遮断を行うまでの時間の間、極めて大きな電流が対象物
を流れることになる。外部の電源ネットワークの全出力がこの時間流れることは
、接続された対象物にとっては非常に大きな負荷である。この間ネットワークの
作動も阻害され、同じネットワークに接続された他の機器も大幅な外乱や、損傷
を受けることになる。接続された対象物が、損傷や壊滅的な被害を受けることが
無いようにするためには、回路遮断器の遮断時間中に流れる短絡電流/故障電流
がほとんど記載するほどの損傷を与えないようにこれらを処理することが必要に
なる。接続される対象物を、短絡電流/故障電流がかなりの時間流れても良いよ
うに設計することは、コストの増大と性能の低下を招くことになる。ネットワー
クとそれに接続された機器が受ける外乱に関しては、現在のところネットワーク
には保護が設けられていないために、製造者は敏感な装置には「バックアップ」
とネットワーク安定化装置を設けることが必要である。通信及びコンピュータシ
ステムのようなマイクロプロセッサに基づく、より敏感なシステムは、大きな費
用のかかるリスタートが頻繁に必要になる。
述の電圧を負担することができないために、複数のコンポーネントを直列接続す
ることが必要である。高電圧設備の場合には、この種のコンポーネントを数百個
直列接続することが必要になる。このために確実に作動させるためには、例えば
、電圧と電力が構成要素に対して均一に分配されるように、複雑な制御が必要に
なる。シリコンからなる半導体コンポーネントは、さらに比較的損失が大きいた
めに、コンポーネントを熱障害によって損壊させないためには効率的な冷却が必
要になる。制御、規制と冷却部を含む全システムの、コンポーネントをそれぞれ
固有の電圧に直列接続するシステムは非常に複雑であり、全体のコストが非常に
高くなる。そのコストとは回路ブレーカのコストをはるかに上回り、そのために
、ここで述べるような発電設備や送電網に半導体コンポーネントを使用すること
は一般に行われていなかった。
わる負荷を低減し、かつ、ネットワークが受ける外乱とネットワークに接続され
た他の機器の損傷を低減することことができる、コスト的にも魅力的な装置と方
法とを提供することを目的とする。
て達成される。第2のスイッチが、以降シャントエレメントと呼ぶスイッチング
エレメントが、電気接点を有する第1の電気スイッチと並列に機械的高速電気ス
イッチの形で接続されている。シャントエレメントは、例えば光や電子ビームの
照射を受けたときに導電性を有するように設計されている。切断つまり遮断を行
うときは、シャントエレメントに対して照射を行い、このことによってシャント
エレメントが導電状態になり、機械的スイッチが熱又は電気的負荷無しに遮断を
実行する。好ましくは、ブレーカが開の状態になったときに、シャントエレメン
トへの照射を停止して当該エレメントを絶縁状態に戻す。
自由電化キャリアを発生させて電流を流す整流手段をスイッチングエレメントと
して使用することによって、対象物を電源ネットワークあるいはそれに類するも
のから所望の時間内に極めて高速に遮断され、スイッチングエレメントが照射を
受けなくなると、当該エレメントは逆バイアスに戻って即座に導電性を失う。ま
た、整流手段が照射を受けて装置が導電状態のときに、機械的電気スイッチをト
ランジエント無しで閉とすることもできるので、従来のものに比較して非常に大
きな利点を有する。
コストが高く損失が大きい従来の電力半導体を使用せず、機械的な電気スイッチ
とシャントエレメントを有し、スイッチング装置の導電性を照射によって制御す
る原理に基づくものである。機械的な接点を電気的負荷と熱的負荷から開放する
ことによって、極めて高速な遮断を実行することが可能になる。
の第2の電気スイッチとして逆バイアスを受けるダイオードを使用することは、
必要であれば照射によって制御することが容易で信頼も高く、絶縁状態にあると
きは効率的に電圧を阻止するので好ましい。さらに、この種のダイオードは、市
場で広くかつ、低額で購入することができる。P. Roggwiler とR. Sittigによ
るCH1616−2・80・0000−0646 500.75、1980年I
EEEによれば、逆バイアスをかけサイリスタとアンチパラレルに接続されて、
逆バイアスがかかっていたダイオードに照射を当てて自由マイノリティー電化キ
ャリアを発生させることによって導電性にすることで、サイリスタをオフにする
フォトコンダクティブダイオードが開示されている。ダイオードが導電性を有す
る時間が十分長ければ、サイリスタはスイッチオフされる。しかし、本発明はそ
のような整流ダイオードの新しい使用、つまり、機械的高速電気スイッチを有し
てスイッチング装置を流れる電流の大部分を取り扱い、電気スイッチが回路を断
とすることで、従来のものに比較して特に大電力の場合に、電気スイッチ装置を
流れる電流をはるかに高速に遮断することができるスイッチへの使用を提案する
ものである。
含み、pn−ダイオード、pinダイオード、ショットキーダイオードはそれぞ
れ異なる実施例に対応する。このようなダイオードはこの観点からは低いコスト
で市場で入手可能である。
の層とダイヤモンドからなる少なくとも1つの層を有する。このような、SiC
あるいはダイヤモンドからなる整流手段は、これらの材料が有する特性に起因し
て電気スイッチ手段としてきわめて優れた特性を示す。これらの材料は何れも極
めて高い絶縁破壊電圧を有し、従来の半導体を使用した整流手段に比較して、顕
著に高い阻止電圧を有する。このことは、従来の整流手段であれば多くのものを
直列に使用しなければならないような状況で、もっと数の少ない整流手段を直列
に使用すれば足りることを意味している。さらに、SiCとダイヤモンドは、1
000Kに達する非常な高温でも安定であり、この点も高電圧を扱う場合には大
きな利点となる。
このことによって、整流手段の制御がきわめて容易になる。
続した整流手段を複数有し、電圧が非常に高い場合にも十分に作動する。
良したものに相当し、前記の複数の整流手段のうちの少なくとも2つは互いに反
対の極性に接続されており、一方が正の方向で有り他方が負の方向を向いている
。この実施例は、前記複数とは2つであり、この2つの整流手段が互いに逆向き
に接続された構成が特に強調されている。この種のスイッチ装置は、常に少なく
とも1つの整流装置が逆向きであり、この整流装置が照射によって導通するよう
にされ、必要なら第2の電気スイッチが電流の大部分を流すようにすることがで
きるので、交流電流を極めて高速に遮断するのに使用される。2つ以上の整流装
置を使用するときは、スイッチエレメントが導電状態になるためには、すべての
整流手段に逆バイアスがかかることが必要であり、このことは、前記の線源が逆
バイアスを加えられたすべての整流手段に同時に照射するように構成された本発
明のさらに別の実施例において説明されている。
数直列にし、そのそれぞれと並列に第2の電気スイッチが接続されている。この
種の装置は、極めて大きな電力を取り扱うために使用するもので、機械的高速電
気スイッチは第2の電気スイッチ同様に、同時に制御されるのが好ましい。
層された半導体を有し、そのうちの最外層の2つは第1の導電性nまたはpが他
にドープされて、中間層は第2の導電性にドープされて同じ数の直列接続されて
極性が互いに逆向きの整流手段を形成する2つのpn接合を構成している。この
種のスイッチエレメントは、交流電流を、位相の状態にかかわらず高速に遮断す
るために好適に使用することができる。
質的なバルク層と、当該中間層の一方の面に設けられたpドープ層のアイランド
と、前記中間層の反対側の面の、前記アイランドのあいだの空間に対応する位置
を実質的に覆うように設けられたnドープ層とを具備し、n型層から他のp型層
に連続的な交流電流の流路を構成し、反対の極性を有する2つの連続したダイオ
ードを有する複数のpinダイオードを構成する。この種のスイッチエレメント
は、極めて高い電圧に対して好適に使用することができ、その「バイポーラ」型
の構造に起因して交流電圧を高速に切り替えることができる。
メントに少なくとも1つのバリスタが並列に接続される。遮断時の誘導負荷のた
めにバリスタ内に誘導電流を発生し、バリスタによって磁界によるエネルギが吸
収される。したがって、バリスタは電気スイッチに蓄積される可能性のある磁界
のエネルギを消費する。
対象物を発電設備に対して接続又は切り離しを行い、電力ネットワークを形成し
あるいは他の装置を発電所に接続することを行う。高速で対象物の接続および遮
断を行うことが重要な場合には、これはこの種のスイッチ装置の好ましい用途で
ある。
スイッチと、線源と、照射に反応するスイッチエレメント、スイッチ素子が線源
の照射を受けるとスイッチエレメントは絶縁状態から導電状態に移行して、優れ
た導電性を示して、第1の電気スイッチを阻止する機械的高速電気スイッチを具
備する手段によって、特に大きな電力の負荷の遮断を行う方法を含む。この方法
によって極めて高速の遮断を行うことができるので、電気的負荷を遮断する好ま
しい方法である。
請求項から明らかになる。添付の図面を参照して、本発明の好ましい実施例につ
いて以下に記述する。
示したものである。この装置は、例えば発電機のような対象物2を具備する発電
所に設置されるものである。対象物はライン3によって外部の電力供給ネットワ
ーク4に接続されている。電気スイッチ装置は当該対象物を、電力ネットワーク
4に対して対象物2を接続および遮断するために設けられている。しかし、発電
設備に他のどのような部位に対しても同様に対象物のスイッチングを行うことが
できることを強調しておく必要がある。対象物2のネットワークからの遮断は、
ネットワークの故障電流から対象物や装置を保護する目的、あるいは、当該対象
物に対して流れる大きな故障電流から生じる電圧および作動妨害からネットワー
クを保護するために行われる。
接点を具備する切り離し機又は遮断機である、機械的高速スイッチ形式の第1の
電気スイッチ5を具備する。第1のスイッチと並列に接続された第2のスイッチ
6は、対象物2がネットワーク4に接続されたときには逆バイアスとなるように
配置された光電導ダイオード7の形式のスイッチエレメントを具備する。ネット
ワーク4はこの例の場合には直流ネットワークである。第2の電気スイッチはさ
らに、ダイオード7に対して自由電化キャリアを照射して照射を受けている間ダ
イオード7を導電状態に維持する線源8を有する。スイッチングエレメントは、
このエレメントからは電気的に分離した線源によって制御される。
る。当該ユニットは、ライン3上の過電流を示すパラメータを検出するセンサ1
0が接続されている。
説明する。
故障電流は最大値には到達しないことを意味する。
に対象物2をネットワーク/設備4から遮断させたときに起きる事柄を示すもの
である。過電流の検出時刻である時刻t1において、機械的スイッチは接点を開
くように制御を受け、接点は図2において線xで示されるように2つの接点の距
離が広がる。同時に光源8がダイオード7に照射を開始するように制御を受け、
ダイオードの導電性は図2においてσで表したように変化する。これは、機械的
なスイッチが作動する間、機械的なスイッチ5が制御を受ける際のギャップは、
実質的には電気あるいは熱的な負荷を受けないことを意味する。電流の経路の遮
断は、その代わり、バリスタ11が磁界のエネルギを吸収するダイオード7(シ
ャントエレメント)で行われている。このように、故障電流に対する遮断は極め
て高速に行われる。線源8は、機械的スイッチ5の接点が最大開度となった時刻
t2においてダイオード7に照射を与え、ダイオードに対する照射が終了したと
きは、機械的なスイッチ5は問題なく対象物をネットワーク/設備4から電気的
に絶縁する。
るt1から下降するかと、ダイオード7の中を流れる電流I2がt1からt2に
かけて下がるかを示した図である。
電気スイッチ装置は再度制御ユニット9の線源8によってダイオード7に照射を
与え、機械スイッチが過渡変化を発生させることなく閉じる。
念的に示した。当該実施例は、スイッチエレメントが逆向きに直列接続された2
つのダイオード7,7’を具備する点が図1に示した実施例とは異なっている。
各ダイオードに対して、線源8、8’が設けられている。この装置は、照射を受
けない限り一方のダイオードが常に逆バイアスとなっているので、交流のスイッ
チングに適している。過電流が検出され、機械スイッチ5の接点が離されると、
その時点で逆バイアスを受けているダイオードに対応する線源が照射を開始して
、図2と3で直流電圧に関して説明したのと同様な遮断過程をすすめる。
スイッチエレメントを示すものである。最外層12,14は同じ導電型nまたは
pであり、中間層は逆の型pまたはnにドープされている。したがって、接合面
15,16では層間にpn接合が形成されており、当該半導体コンポーネントに
加わる電圧の方向によっていずれか一方の接合面には逆電圧が加わる。2つの光
源8、8'が図4に示した2つのダイオード7、7'と同様に設けられる。例えば
、pn接合15にバイアス電圧が印加されている状態で、層12に対して照射を
与えると、層12にマイノリティキャリアを生じ、接合面を通って電流が流れる
。
図には、高電圧の場合に、必要に応じて機械的なスイッチ5の中にダイオードの
形態をした整流装置が直列接続されている様子を示す。各ダイオードには磁界の
エネルギーを吸収してダイオード7、7'が遮断の際の電圧と電力を均等に受け
持つように、バリスタ11が設けられて居る。遮断機は、スイッチエレメント6
とネットワーク/設備4との間に設けられて、対象物2をネットワーク/設備か
ら遮断した後に、遮断状態のダイオードから電圧を除去するために、ネットワー
ク/設備4をダイオードから遮断するように制御を受ける。
ものとの組み合わせてある。この場合、2つの機械的なスイッチ5、5'が直列
されており、互いに逆向きのダイオード7、7'が各機械スイッチと並列に直列
接続されている。当該装置は交流電流の遮断に好適であり、機械的スイッチが直
列に接続されているために高圧電流を取り扱うことができる。
できるスイッチエレメントのために複数の整流手段を製作する好ましい方法を示
したものである。このスイッチエレメント6は、同一の半導体上に埋めこまれた
カスケード接続されたpinダイオードから構成される。1枚の「半絶縁ウエハ
」から例えば10−40である多数のダイオードを具備するカスケードを製造す
ることは容易である。上面は第1の導電性を有するように例えばp型にドーピン
グされるか同様の層によって被覆し、下面を逆の例えばn型でドーピングする。
例えば、層18−20はp型にドーピングされ、層21−23はn型にドーピン
グされる、層17は実質的にドーピングされていない。図8の右に、ダイオード
が構成される様子を示す。各エレメント(ダイオード)が、1kVのスイッチで
あれば、40のダイオードが直列接続された場合には全体として20kVをスイ
ッチングすることができる。この構造は、従来の光電導スイッチとして機能する
、つまり、照射を受けたときは導電性で照射を受けないときは絶縁性である。各
ダイオードのスイッチング性能は使用される材料、層厚17とドーピング特性に
依存し、層17にSiCまたは本質的ダイヤモンドを使用することによって、ダ
イオードは非常に高い電圧、例えば、10kVあるいはそれ以上の電圧を阻止で
きる。
よって規定される発明の技術思想の範囲内で多くの変更が可能である。
の照射を行うものであっても良い。
最も基本的な構成を示すものである。
離xと、光電ダイオードの導電性を電気スイッチ装置が負荷を遮断した際の時間
経過に対して示したものである。
に対して、機械的電気スイッチを流れる電流I1の大きさと、光導電装置を流れ
る電流I2の大きさとを示す図である。
面である。
トの断面図である。
である。
Claims (26)
- 【請求項1】 機械的高速電気スイッチ(5)を具備する電気スイッチ装置
であって、 前記電気スイッチと並列に第2の電気スイッチ(6)が接続され、該第2の電
気スイッチは、線源(8、8')と、照射に対して感受性を有して、線源からの
照射を受けると導電性となって第1の電気スイッチをバイパスするとともに照射
を受けない状態では絶縁性を有し、逆バイアスを受ける整流手段であって、線源
からの照射を受けると自由電荷キャリアを発生させて導電性を有する少なくとも
1つのスイッチエレメント(7、7')を有することを特徴とする電気スイッチ
装置。 - 【請求項2】 前記整流手段(7、7')は整流ダイオードである請求項1
に記載の装置。 - 【請求項3】 前記ダイオードがpnダイオードであることを特徴とする請
求項2に記載の装置。 - 【請求項4】 前記ダイオードがpinダイオードであることを特徴とする
請求項2に記載の装置。 - 【請求項5】 前記ダイオードがショットキーダイオードであることを特徴
とする請求項2に記載の装置。 - 【請求項6】 前記整流手段が少なくとも1つのSi層を有することを特徴
とする請求項1ないし5のいずれかに記載の装置。 - 【請求項7】 前記整流手段が少なくとも1つのSiC層を有することを特
徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の装置。 - 【請求項8】 前記整流手段が少なくとも1つのダイヤモンド層を有するこ
とを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の装置。 - 【請求項9】 前記整流手段(7、7')が光導電性エレメントであること
を特徴とする請求項1ないし8のいずれかに記載の装置。 - 【請求項10】 前記第2の電気スイッチは、直列接続された複数の整流手
段(7、7')を具備することを特徴とする請求項1ないし9のいずれかに記載
の装置。 - 【請求項11】 前記複数の整流手段のうちの少なくとも2つ(7、7')
が相互に逆方向に接続されて、少なくとも1つが正のバイアス方向に接続された
ときに少なくとも1つが負のバイアス方向に接続された請求項10に記載の装置
。 - 【請求項12】 前記線源(8、8')は逆バイアスを受けるすべての整流
手段に対して同時に照射を加えることを特徴とする請求項11に記載の装置。 - 【請求項13】 直列接続した機械的高速電気スイッチ(5、5')を複数
有し、そのそれぞれに対して第2の電気スイッチ(6)が並列に接続されたこと
を特徴とする請求項1ないし12のいずれかに記載の装置。 - 【請求項14】 前記スイッチエレメントが、3つの積層された半導体層(
12−14)を有し、2つの外側の層(12、14)が第1の導電性を有するよ
うにドープされ、中間層(13)が第2の導電性を有するようにドープされ、結
果として対称的な2つのpn接合を形成して、直列接続された逆のバイアス特性
を有する2つの整流手段を構成することを特徴とする請求項11に記載の装置。 - 【請求項15】 前記スイッチエレメントが、中間層であるイントリンジッ
クバルク層(17)と、中間層の一方の面に形成された複数のpドープされたア
イランド(18−20)と、中間層の他の面で前記pドープされたアイランドの
間の領域に相当する部分を実質的に覆うように形成されたnドープされたアイラ
ンド(21−23)を有して、n型の層からp型の層を通って交互に電流の流路
を形成する複数のpinダイオードから構成されることを特徴とする請求項11
に記載の装置。 - 【請求項16】 前記機械的高速電気スイッチ(5、5')は、断路器であ
る請求項1ないし15に記載の装置。 - 【請求項17】 装置の断路の際に発生する可能性のある磁気的エネルギー
を吸収するための少なくとも1つの手段(11)が第1の電気スイッチ(5、5
')およびスイッチングエレメント(7、7')と並列に接続されていることを特
徴とする請求項1ないし16のいずれかに記載の装置。 - 【請求項18】 前記磁気的エネルギー吸収手段がバリスタ(11)である
請求項17に記載の装置。 - 【請求項19】 前記スイッチエレメント(7、7')と線源(8、8')が
互いに電気的に接続されていないことを特徴とする請求項1ないし18のいずれ
かに記載の装置。 - 【請求項20】 制御ユニット(9)が第1と第2の電気スイッチに接続さ
れて、当該制御手段に到達する情報に基づいて第1と第2のスイッチの機能を制
御することを特徴とする請求項1ないし19のいずれかに記載の装置。 - 【請求項21】 過電流を検出する手段(10)が制御ユニットに接続され
、過電流に関する情報をこれに供給することを特徴とする請求項20に記載の装
置。 - 【請求項22】 前記制御ユニット(9)は、断路の際に、第2の電気スイ
ッチ(6)を制御して照射によってスイッチエレメントに導電性の電流の流路を
形成させ、次に、第1の電気スイッチを遮断させることを特徴とする請求項20
または21のいずれかに記載の装置。 - 【請求項23】 対象物(2)を発電所又は発電所に含まれる他の設備の電
源ネットワーク(4)から高速に接続又は遮断し、前記第1と第2の電気スイッ
チは対象物とネットワーク又は設備の間のライン(3)に接続されていることを
特徴とする請求項1ないし22のいずれかに記載の装置。 - 【請求項24】 5kV以上の中電圧又は高電圧、特に10kV以上の電圧
、好ましくは20kV以上、さらに好ましくは40kV、一層好ましくは72k
V以上の電圧に使用されることを特徴とする請求項1ないし23のいずれかに記
載の装置。 - 【請求項25】 発電所内、電力ネットワークあるいは発電所に含まれる他
の設備から対象物を接続および遮断するために、前記請求項1ないし23のいず
れかに記載された電気スイッチ装置を使用する方法。 - 【請求項26】 機械的高速電気スイッチ(5、5')によって、負荷(2
)の電気的遮断、特に、高電圧下での遮断を行うための方法であって、 前記第1の機械的電気スイッチと並列に接続され、線源(8、8')と照射に
反応して、照射を受けると良導電性となって電気絶縁状態から良導電性の状態に
変化して、第1の電気スイッチをバイパスするスイッチエレメントを有する第2
の電気的スイッチを使用する方法。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SE9803490-3 | 1998-10-14 | ||
SE9803490A SE9803490D0 (sv) | 1998-10-14 | 1998-10-14 | An electric switching device and a method for performing electric disconnection of a load |
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