JP2003007178A - 直流遮断器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小電流遮断時でも短時間で遮断動作を完了さ
せ、直流電源と負荷を確実に分離し、大電流の事故電流
遮断動作に影響を与えることなく、小電流を短時間で遮
断することができる直流遮断器を得る。 【解決手段】 直流電源と負荷を結ぶ主回路に直列に挿
入された真空スイッチ１と、真空スイッチ１に並列接続
され、転流コンデンサ２、転流リアクトル３および転流
スイッチ４の直列回路からなる転流回路５とを備え、真
空スイッチ１の開極時に、転流スイッチ４の開閉により
予め充電しておいた転流コンデンサ２から、転流リアク
トル３を介して放電電流を真空スイッチ１を流れる電流
に重畳して電流零点を設けて遮断する直流遮断器におい
て、転流回路５と並列に接続された片方向のみに電流を
流すようにした副転流回路１１を備え、真空スイッチ１
が消弧し開極した後に転流コンデンサ２からの放電電流
を副転流回路１１に転流させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、直流電流を遮断
する直流遮断器に関し、特に、真空スイッチの開極時
に、この真空スイッチに並列接続された転流回路から放
電電流を真空スイッチの電流に重畳してやることで電流
零点を実現し、直流電流を遮断する直流遮断器に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、電気鉄道給電線路における地
絡，短絡事故の保護用に用いられている直流遮断器は、
真空スイッチと並列にコンデンサを設けて、このコンデ
ンサから放電電流を供給することにより、遮断時の真空
スイッチを流れる事故電流に電流零点を生じさせて遮断
する構造からなっており、小電流遮断時には真空スイッ
チに並列に挿入した第２の回路に転流電流の一部を分流
させることで小電流遮断時間を短縮させている。

【０００３】図３は、この種の従来の直流遮断器とし
て、例えば特開平９−２３１８７７号公報に記載されて
いる直流遮断器の回路構成図であり、図４はその大電流
遮断時の遮断器各部の電流，電圧波形図、図５はその小
電流遮断時の波形図である。この直流遮断器は、真空ス
イッチ１と、この真空スイッチ１に並列接続された、コ
ンデンサ（転流コンデンサ）２とリアクトル（転流リア
クトル）３とスイッチ（転流スイッチ）４との直列接続
からなる転流回路５と、遮断後の真空スイッチ１の接点
間に発生する過電圧を抑制するための非線形抵抗１３と
からなり、転流コンデンサ２に接続された充電回路６
と、線路の直流電源１４から出て真空スイッチ１を通り
負荷１５に流れる主回路の線路電流を検出する電流検出
器１６と、この電流検出器１６が検出した線路電流が線
路の短絡事故等により所定の大きさに到達したときに真
空スイッチ１を遮断動作させるための開極指令Ｓ１、お
よび真空スイッチ１の通過電流に零点を作るために転流
回路５を投入するための投入指令Ｓ２を出す開極・投入
制御回路１７と、小電流遮断時に転流回路電流の一部を
分流するコンデンサ２ａおよびリアクトル３ａの直列回
路で構成された第２の回路５ａとで構成されている。

【０００４】まず、この直流遮断器による事故電流遮断
時の動作を、図４における各部の電流，電圧の波形に基
づいて説明する。なお、この場合には、真空スイッチ１
が開極するまで第２の回路５ａにほとんど電流が流れな
いので、その説明は省略する。図４において、（ａ）
は、事故が発生した時点で、線路に事故電流が流れて、
電流検出器１６により検出した値が設定値以上になると
真空スイッチ１に開極・投入制御回路１７より開極指令
Ｓ１を与える。また、（ｂ）は、真空スイッチ１が開極
した時点であり、真空スイッチ１の電極間にはその時点
からアーク電圧が発生する。また、（ｃ）は、開極・投
入制御回路１７からの投入指令Ｓ２により、転流スイッ
チ４が閉路して、充電回路６で充電されていた転流コン
デンサ２からの電流が流れ始めた時点であり、真空スイ
ッチ１には事故電流と逆方向の上記した放電電流が転流
コンデンサ２から転流リアクトル３を介して流れる。

【０００５】また、（ｄ）は、真空スイッチ１が消弧し
た時点であり、その後事故電流は直流電源１４から転流
回路５を通して流れ、この電流によって転流コンデンサ
２が充電され、転流コンデンサ２の電圧，即ち開極した
真空スイッチ１の極間電圧が上昇する。また、（ｅ）
は、真空スイッチ１の極間電圧が非線形抵抗１３の動作
電圧に達して、電流が非線形抵抗１３に転流し流れ始め
た時点である。また、（ｆ）は、転流回路５の電流が零
となった時点であり、この時点でサイリスタまたは放電
ギャップ等にて構成されている転流スイッチ４が開路す
る。また、（ｇ）までの期間は、回路のインダクタンス
に蓄えられたエネルギーが、非線形抵抗１３によって消
費されていくために、電流は減少して行き、主回路の電
流が零となって遮断が完了する。

【０００６】上記は真空スイッチにより線路の短絡事故
等のような大電流の事故電流を遮断する場合の直流遮断
器の動作について説明したが、負荷電流、特に数Ａ〜数
１０Ａ程度の線路電流を遮断しようとすると、上記の事
故電流遮断時のようには転流回路５から非線形抵抗１３
への転流が起こらず、負荷１５の条件によっては転流コ
ンデンサ２へ転流した電流が数秒以上流れ続ける場合が
あるため、第２の回路５ａに分流することで遮断時間を
低減するようにしている。しかし、この場合でも第２の
回路５ａに分流した電流の方向に対応した電圧が、コン
デンサ２ａに生ずるため、負荷の条件によってはこの第
２の回路５ａを経由して、負荷１５に小電流が流れ続け
ることになる。

【０００７】この様子を、上記と同様に、図５に示す各
部の電流及び電圧波形に基づいて説明する。図５におい
て、（ｂ’）は、真空スイッチ１が開極した時点であ
り、真空スイッチ１の電極間にはその時点からアーク電
圧が発生する。また、（ｃ’）は、転流回路５の転流ス
イッチ４を閉路した時点であり、転流コンデンサ２から
真空スイッチ１に通電を開始する。また、（ｄ’）は、
真空スイッチ１の電流が零となり、真空スイッチ１が消
弧する時点である。真空スイッチ１が消弧すると、転流
回路５の電流は第２の回路５ａにも分流し始める。ま
た、（ｆ’）は転流回路２の電流が零になり、転流スイ
ッチ４が消弧し、負荷電流が直流電源１４、第２の回路
５ａ、負荷１５の経路で電流が流れる時点である。この
電流は第２の回路のコンデンサ２ａの電圧が直流電源１
４の電圧に達するまで流れ続ける。なお、小電流遮断時
は真空スイッチ１の極間電圧が非線形抵抗１３の動作電
圧まで上昇しないので、図５には非線形抵抗１３の電流
波形図を省略してある。

【０００８】通常、転流回路５からは、事故電流以上の
電流を真空スイッチ１に供給する必要があることから転
流コンデンサ２には容量の大きなものが使用されるた
め、負荷の抵抗、インダクタンスが大きい場合には図５
の（ｆ’）時点以降、第２のコンデンサ２ａの電圧が主
回路の直流電源１４の電圧に達するまで、長時間小さな
充電電流が流れ続けることになる。従って、第２の回路
５ａを設けても転流回路５の転流コンデンサ２の電荷の
ほとんどを第２の回路５ａのコンデンサ２ａに再充電す
ることになる。

【０００９】また、従来、上記した真空スイッチ１の遮
断後に負荷１５側での点検作業時での安全を確保するた
めに、特開平５−２３４４７１号公報に記載の図６に示
すような、転流回路５から負荷１５側への転流電流の流
れを阻止する阻止手段である１８を設けて、この阻止手
段１８を、開極・投入制御回路１７の開極指令Ｓ１によ
り主接点である真空スイッチ１の開路とほぼ同時か、ま
たは投入指令Ｓ２による転流スイッチ４が閉路するまで
に開路するようにすることにより、負荷１５側への転流
電流の流入を阻止するようにした構成が提案されてい
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記特開平
９−２３１８７７号公報に記載されている従来の直流遮
断器の場合には、第２の回路を設けて転流コンデンサの
電流減衰時間を早くしても、直流電源、第２の回路、負
荷の経路で流れる電流を十分減衰させるためには更に時
間が必要となり、当該直流遮断器の高速動作が阻害され
ることになるという問題点があった。

【００１１】また、上記特開平５−２３４４７１号公報
に記載されている従来の直流遮断器の場合には、真空ス
イッチのような阻止手段を用いたとしても、転流コンデ
ンサからの電流を阻止手段にて裁断するので、過電圧が
発生して他の機器に影響を与える可能性があるという問
題点があった。

【００１２】この発明は、上記のような問題点を解決す
るためになされたものであり、短絡事故時の事故電流の
ような大電流の遮断動作に影響を与えることなく、かつ
小電流をも短時間で遮断できる直流遮断器を提供するこ
とを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る直
流遮断器は、直流電源および負荷を結ぶ主回路に直列に
挿入された第１の真空スイッチと、この第１の真空スイ
ッチに並列接続され、転流コンデンサ、転流リアクトル
および転流スイッチの直列回路からなる転流回路とを備
え、上記第１の真空スイッチの開極時に、上記転流スイ
ッチの開閉により予め充電しておいた上記転流コンデン
サから、上記転流リアクトルを介して放電電流を上記第
１の真空スイッチを流れる電流に重畳して電流零点を設
けて遮断する直流遮断器において、上記転流回路と並列
に接続された片方向のみに電流を流すようにした副転流
回路を備え、上記真空スイッチが消弧し開極した後に上
記転流コンデンサからの放電電流を上記副転流回路に転
流させるようにしたものである。

【００１４】請求項２の発明に係る直流遮断器は、請求
項１の発明において、上記副転流回路を、第２の真空ス
イッチを介して上記第１の真空スイッチに並列接続する
ようにしたものである。

【００１５】請求項３の発明に係る直流遮断器は、請求
項２の発明において、上記第２の真空スイッチは、上記
主回路を流れる負荷電流が十分小さくなった時点で開放
されるものである。

【００１６】請求項４の発明に係る直流遮断器は、請求
項１〜３のいずれかの発明において、上記副転流回路
は、放電抵抗を並列に有するコンデンサ、リアクトルお
よびダイオードの直列回路からなるものである。

【００１７】請求項５の発明に係る直流遮断器は、請求
項４の発明において、上記副転流回路のコンデンサのキ
ャパシタンス値は、上記転流回路の転流コンデンサのキ
ャパシタンス値と同じか、またはそれより大きな値であ
るものである。

【００１８】請求項６の発明に係る直流遮断器は、請求
項４または５の発明において、上記副転流回路のリアク
トルのインダクタンス値は、上記転流回路の転流リアク
トルのインダクタンス値の１０倍以上の値であるもので
ある。

【００１９】請求項７の発明に係る直流遮断器は、請求
項４〜６のいずれかの発明において、上記副転流回路の
ダイオードは、該副転流回路のコンデンサに充電された
電荷が上記負荷側へ流出されない向きに上記直列回路に
配列されるものである。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を、
図に基づいて説明する。 実施の形態１．図１は、この発明の実施の形態１による
直流遮断器の回路構成図であり、図２はその遮断時の遮
断器各部の電流，電圧波形図である。本実施の形態によ
る直流遮断器は、図１に示すように、第１の真空スイッ
チとしての真空スイッチ１と、この真空スイッチ１に並
列接続された、コンデンサ（転流コンデンサ）２とリア
クトル（転流リアクトル）３とスイッチ（転流スイッ
チ）４との直列接続からなる転流回路５と、遮断後の真
空スイッチ１の接点間に発生する過電圧を抑制するため
の非線形抵抗１３とからなり、転流コンデンサ２に接続
された充電回路６と、線路の直流電源１４から出て真空
スイッチ１を通り負荷１５に流れる主回路の線路電流を
検出する電流検出器１６と、この電流検出器１６が検出
した線路電流が線路の短絡事故等により所定の大きさに
到達したときに真空スイッチ１を遮断動作させるための
開極指令Ｓ１、および真空スイッチ１の通過電流に零点
を作るために転流回路５を投入するための投入指令Ｓ２
を出す開極・投入制御回路１７と、転流回路５に並列に
接続され、放電抵抗７を並列に有するコンデンサ８、リ
アクトル９およびダイオード１０の直列回路からなる副
転流回路１１と、真空スイッチ１および負荷１５の接続
点と転流回路１１のダイオード１０側との間に挿入され
た第２の真空スイッチ１２とを備える。

【００２１】つまり、ここで、副転流回路１１は、第２
の真空スイッチ１２を介して真空スイッチ１に並列接続
されている。また、副転流回路１１のダイオード１０
は、副転流回路１１のコンデンサ８に充電された電荷が
負荷１５側へ流出されない向きにその直列回路に配列さ
れている。また、開極・投入制御回路１７から出力する
信号Ｓ３は、真空スイッチ１２に開極指令を指示するも
のであり、例えば投入指令Ｓ２の後、或る時間経った後
に出力するようにする等の設定がなされている。

【００２２】以下、図１の回路構成からなる直流遮断器
による小電流遮断時の動作を、図２に示す各部の電流，
電圧の波形に基づいて説明する。図２において、（ｂ
１）は、開極・投入制御回路１７の開極指令Ｓ１によ
り、真空スイッチ１を開極した時点である。また、（ｃ
１）は、開極・投入制御回路１７からの投入指令Ｓ２に
より、転流スイッチ４が閉路し、転流コンデンサ２から
電流が流れ始めた時点である。この場合、副転流回路１
１のインピーダンスは、真空スイッチ１の回路インピー
ダンスに比べて十分大きいので、上記した転流コンデン
サ２からの電流はほとんど真空スイッチ１に、負荷電流
と逆方向に流れる。

【００２３】また、（ｄ１）は、真空スイッチ１の電流
が零となった時点であり、この時点で真空スイッチ１が
消弧する。従って、この時点までは、本実施の形態の副
転流回路１１を設けない従来の上記した図３に示した構
成によるものとその動作は変わらない。真空スイッチ１
が消弧した後、転流回路５のコンデンサ２からの放電電
流は副転流回路１１にも流入する。その結果、転流コン
デンサ２の残留電荷で副転流回路１１のコンデンサ８が
充電され、転流コンデンサ２の電荷は急速に放電され
る。

【００２４】また、（ｄ１’）は、副転流回路１１のコ
ンデンサ８の充電が完了し、負荷電流が直流電源１４、
転流回路５、第２の真空スイッチ１２、そして負荷１５
の回路の経路のみで流れる時点である。なお、副転流回
路１１のコンデンサ８に充電された電荷は、ダイオード
１０で負荷１５への流出が防止され、小電流遮断時間の
低減に貢献する。この電荷は放電抵抗７によって放電さ
れる。また、（ｆ１）は、直流電源１４、転流回路５、
第２の真空スイッチ１２、そして負荷１５の回路で流れ
る負荷電流でコンデンサ２が逆方向に充電され、この電
圧値がほぼ直流電源１４の値になり、転流スイッチ４の
電流が零点を形成し、転流スイッチ４が消弧した時点で
ある。

【００２５】また、（ｆ１’）は、上記（ｆ１）の時点
が来る前に第２の真空スイッチ１２を開放する場合の開
放時点であり、この時点では負荷電流が十分小さくなっ
ているため第２の真空スイッチ１２での電流遮断により
過電圧等はほとんど発生せず、図２に太い実線で示すよ
うに、更に小電流遮断時間の低減が図られると共に直流
電源１４と負荷１５を確実に分離することができる。ま
た、第２の真空スイッチ１２は真空スイッチ１が投入さ
れている時に流れる通常の負荷電流を通電する必要がな
いため経済的なシステム構成を可能にする。

【００２６】なお、ここで、副転流回路１１のコンデン
サ８のキャパシタンス値を転流回路５のコンデンサ２の
キャパシタンス値と同じか、またはそれより大きな値と
することでコンデンサ２の残留電荷をコンデンサ８に容
易に充電することができるようになり、直流電源１４、
転流回路５、第２の真空スイッチ１２、負荷１５の経路
で流れる負荷電流を容易に減衰させることができる。

【００２７】また、副転流回路１１のリアクトル９のイ
ンダクタンス値を転流回路５のリアクトル３のインダク
タンス値の１０倍以上とすることで副転流回路１１のイ
ンピーダンスを真空スイッチ１の回路のインピーダンス
より十分大きくすることができるので、副転流回路１１
を設けたことによる大電流遮断動作に与える影響はな
い。

【００２８】このように、本実施の形態では、転流コン
デンサと転流リアクトルと転流スイッチとの直列接続か
らなる転流回路を、放電抵抗を並列に有するコンデン
サ、リアクトルおよびダイオードの直列回路からなる副
転流回路と並列にして、真空スイッチに並列に接続し、
また、この接続を第２の真空スイッチ経由で接続するよ
うにする。これにより、負荷電流，特に、数Ａ〜数１０
Ａ程度の小電流遮断時においても、転流回路からの放電
電流により真空スイッチが消弧し開極した後に、この放
電電流を副転流回路に転流させることができるので転流
電流に零点を形成させ転流スイッチを開放することが可
能となり、且つ副転流回路のコンデンサに充電した電荷
は副転流回路のダイオードで逆流が阻止されるため、負
荷側へ流れる電流を急速に減衰させることができる。

【００２９】また、第２の真空スイッチを設けた場合に
は、この第２の真空スイッチを流れる電流が十分小さい
或る電流値になった時点で第２の真空スイッチを開放し
てやることにより、更に速やかに転流動作を完了させる
ことができるし、真空スイッチと第２の真空スイッチが
同時に開放状態になった時点で直流電源と負荷を完全に
分離することができる。

【００３０】また、副転流回路のコンデンサのキャパシ
タンス値を転流回路のコンデンサのキャパシタンス値と
同じか、それより大きな値と、また副転流回路のリアク
トルのインダクタンス値を転流リアクトルのインダクタ
ンス値の１０倍以上に選択することで、短絡事故時等の
大電流遮断動作に影響を与えることなく、小電流遮断動
作を短時間で完了させることができる。

【００３１】

【発明の効果】以上のように、請求項１の発明によれ
ば、直流電源および負荷を結ぶ主回路に直列に挿入され
た第１の真空スイッチと、この第１の真空スイッチに並
列接続され、転流コンデンサ、転流リアクトルおよび転
流スイッチの直列回路からなる転流回路とを備え、上記
第１の真空スイッチの開極時に、上記転流スイッチの開
閉により予め充電しておいた上記転流コンデンサから、
上記転流リアクトルを介して放電電流を上記第１の真空
スイッチを流れる電流に重畳して電流零点を設けて遮断
する直流遮断器において、上記転流回路と並列に接続さ
れた片方向のみに電流を流すようにした副転流回路を備
え、上記真空スイッチが消弧し開極した後に上記転流コ
ンデンサからの放電電流を上記副転流回路に転流させる
ので、小電流遮断時でも短時間で遮断動作を完了させる
ことができるという効果がある。

【００３２】また、請求項２の発明によれば、上記副転
流回路を、第２の真空スイッチを介して上記第１の真空
スイッチに並列接続するので、小電流遮断時間の更なる
短縮ならびに直流電源と負荷を確実に分離するのに有用
であるという効果がある。

【００３３】また、請求項３の発明によれば、上記第２
の真空スイッチは、上記主回路を流れる負荷電流が十分
小さくなった時点で開放されるので、小電流遮断時間の
更なる短縮ならびに直流電源と負荷を確実に分離するこ
とができるという効果がある。

【００３４】また、請求項４の発明によれば、上記副転
流回路は、放電抵抗を並列に有するコンデンサ、リアク
トルおよびダイオードの直列回路からなるので、小電流
遮断時でも短時間で遮断動作を完了させるのに有用であ
るという効果がある。

【００３５】また、請求項５の発明によれば、上記副転
流回路のコンデンサのキャパシタンス値は、上記転流回
路の転流コンデンサのキャパシタンス値と同じか、また
はそれより大きな値であるので、大電流の事故電流遮断
動作に影響を与えることなく、小電流を短時間で遮断す
ることができるという効果がある。

【００３６】また、請求項６の発明によれば、上記副転
流回路のリアクトルのインダクタンス値は、上記転流回
路の転流リアクトルのインダクタンス値の１０倍以上の
値であるので、大電流の事故電流遮断動作に影響を与え
ることなく、小電流を短時間で遮断することができると
いう効果がある。

【００３７】さらに、請求項７の発明によれば、上記副
転流回路のダイオードは、該副転流回路のコンデンサに
充電された電荷が上記負荷側へ流出されない向きに上記
直列回路に配列されるので、副転流回路のコンデンサに
充電された電荷の負荷側への流出が防止され、小電流遮
断時間の低減に寄与できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１による直流遮断器を
示す回路構成図である。

【図２】 図１の直流遮断器における各部の小電流遮断
時における電流，電圧の波形図である。

【図３】 従来の直流遮断器を示す回路構成図である。

【図４】 図３の直流遮断器における各部の大電流遮断
時における電流，電圧の波形図である。

【図５】 図３の直流遮断器における各部の小電流遮断
時における電流，電圧の波形図である。

【図６】 電流阻止スイッチを有する従来の直流遮断器
を示す回路構成図である。

【符号の説明】

１ 真空スイッチ、２ 転流コンデンサ、３ 転流リア
クトル、４ 転流スイッチ、５ 転流回路、７ 放電抵
抗、８ コンデンサ、９ リアクトル、１０ダイオー
ド、１１ 副転流回路、１２ 第２の真空スイッチ、１
４ 直流電源、１５ 負荷、１６ 電流検出器、１７
開極・投入制御回路。

フロントページの続き (72)発明者 香川 和彦 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 Ｆターム(参考） 5G028 FB06 FC01

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直流電源および負荷を結ぶ主回路に直列
   に挿入された第１の真空スイッチと、この第１の真空ス
   イッチに並列接続され、転流コンデンサ、転流リアクト
   ルおよび転流スイッチの直列回路からなる転流回路とを
   備え、上記第１の真空スイッチの開極時に、上記転流ス
   イッチの開閉により予め充電しておいた上記転流コンデ
   ンサから、上記転流リアクトルを介して放電電流を上記
   第１の真空スイッチを流れる電流に重畳して電流零点を
   設けて遮断する直流遮断器において、 上記転流回路と並列に接続された片方向のみに電流を流
   すようにした副転流回路を備え、上記真空スイッチが消
   弧し開極した後に上記転流コンデンサからの放電電流を
   上記副転流回路に転流させるようにしたことを特徴とす
   る直流遮断器。
2. 【請求項２】 上記副転流回路を、第２の真空スイッチ
   を介して上記第１の真空スイッチに並列接続するように
   したことを特徴とする請求項１記載の直流遮断器。
3. 【請求項３】 上記第２の真空スイッチは、上記主回路
   を流れる負荷電流が十分小さくなった時点で開放される
   ことを特徴とする請求項２記載の直流遮断器。
4. 【請求項４】 上記副転流回路は、放電抵抗を並列に有
   するコンデンサ、リアクトルおよびダイオードの直列回
   路からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに
   記載の直流遮断器。
5. 【請求項５】 上記副転流回路のコンデンサのキャパシ
   タンス値は、上記転流回路の転流コンデンサのキャパシ
   タンス値と同じか、またはそれより大きな値であること
   を特徴とする請求項４記載の直流遮断器。
6. 【請求項６】 上記副転流回路のリアクトルのインダク
   タンス値は、上記転流回路の転流リアクトルのインダク
   タンス値の１０倍以上の値であることを特徴とする請求
   項４または５記載の直流遮断器。
7. 【請求項７】 上記副転流回路のダイオードは、該副転
   流回路のコンデンサに充電された電荷が上記負荷側へ流
   出されない向きに上記直列回路に配列されることを特徴
   とする請求項４〜６のいずれかに記載の直流遮断器。