JP2004288478A

JP2004288478A - 直流遮断器

Info

Publication number: JP2004288478A
Application number: JP2003079384A
Authority: JP
Inventors: Yoshimitsu Niwa; 芳充丹羽; Kunio Yokokura; 邦夫横倉; Jun Matsuzaki; 順松崎; Hideji Kikuchi; 秀二菊地
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-03-24
Filing date: 2003-03-24
Publication date: 2004-10-14
Anticipated expiration: 2023-03-24
Also published as: JP4413512B2

Abstract

【課題】遮断特性を向上し得る直流遮断器を得る。
【解決手段】直流回路に直列接続された可飽和リアクトル１０および真空遮断器１と、前記可飽和リアクトル１０と前記真空遮断器１の直列回路に並列に接続されたコンデンサ４、転流スイッチ５からなる転流回路とを備え、前記真空遮断器１の遮断時、前記直流回路の電流に前記転流回路からの転流電流を重畳させ、前記電流が減少して定格電流以下であって、定格電流の７５％〜１０％の範囲までに減少したとき、前記可飽和リアクトル１０が磁気飽和状態から非飽和状態となるようにしたことを特徴としている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、真空遮断器で直流回路を遮断するにあたり、遮断特性を向上し得る直流遮断器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
直流回路の遮断においては、直流回路に転流回路から転流電流を注入し、強制的に電流零点をつくり電流零点で遮断を行う直流遮断器が用いられている。
【０００３】
この直流遮断器は、図９に示すように、直流回路のＰ−Ｎ間に直列に真空遮断器１および可飽和リアクトル２が接続されている。そして、真空遮断器１および可飽和リアクトル２の直列回路に並列に、リアクトル３、コンデンサ４および転流スイッチ５を直列接続した転流回路を接続している。この転流スイッチ５は、真空遮断器１の両電極間の絶縁距離が確保された開極位置で、制御回路からの信号により動作するものである。なお、真空遮断器１および可飽和リアクトル２の直列回路には、更に電磁エネルギーを吸収するためのエネルギー吸収素子６が並列に接続されている。
【０００４】
このような回路構成において、図１０に示すように、直流回路に過大な事故電流ｉａが流れた場合、真空遮断器１に制御回路から遮断指令が発せられ、真空遮断器１の一方の電極から他方の電極が開離し、両電極間にアークが発生する。そして、両電極間が時間ｔ１の転流動作位置に達すると、制御回路からの信号により転流スイッチ５が閉じられ、転流回路からの逆方向転流電流が重畳され、事故電流ｉａは急激に減少する。
【０００５】
ここで、従来の直流遮断器では、事故電流ｉａを遮断するまでの過程において、この事故電流ｉａに転流電流を注入し、定格電流ｉ０を超える所定電流値ｉ１まで減少すると、可飽和リアクトル２が磁気飽和状態から非飽和状態となりリアクタンスが大きくなり、時間ｔ２からは電流変化率ｄｉ／ｄｔが小さくなるようになっている（例えば、特許文献１参照。）。そして、充分にｄｉ／ｄｔが小さくなった電流零点の時間ｔ３での遮断を容易にしている。
【０００６】
【特許文献１】
特許第２８４６４０２号公報（第２頁、第１図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来の直流遮断器においては、以下のような問題がある。
【０００８】
前記可飽和リアクトル２の磁気飽和状態が解除されるｔ２からｔ３までの時間では、可飽和リアクトル２の磁気飽和状態が解除される電流値が定格電流ｉ０より大きいため、高い電流値からｄｉ／ｄｔを小さくしている。そのため、ｔ２からｔ３の時間のうち高い電流値となる時間が長くなり、この際に電極間に発生するアークエネルギーに対応した構成とする必要があった。この構成の例として２つ説明する。先ず、真空遮断器の電極を大きくし、真空遮断器を大容量化とする方法である。次には、可飽和リアクトルの磁気飽和が解除された際のインダクタンスを大きくする方法である。この場合、ｔ２からｔ３までの時間が長くなり、ｔ２近傍の電流が高くアークエネルギーが大きい期間の影響が、電流を遮断するｔ３において小さくなる。これらの構成では、真空遮断器、可飽和リアクトルが大型のものとなる。
【０００９】
従って、本発明の目的は、可飽和リアクトルの飽和状態が解除されてから遮断までのアークエネルギーを抑制し、遮断特性を向上し得る直流遮断器を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１の発明の直流遮断器は、直流回路に直列接続された可飽和リアクトルおよび真空遮断器と、前記可飽和リアクトルと前記真空遮断器の直列回路に並列に接続されたコンデンサ、転流スイッチからなる転流回路とを備え、前記真空遮断器の遮断時、前記直流回路の電流に前記転流回路からの転流電流を重畳させ、前記電流が減少して定格電流以下であって、定格電流の７５％〜１０％の範囲まで減少したとき、前記可飽和リアクトルが磁気飽和状態から非飽和状態となるようにしたことを特徴としている。
【００１１】
このような構成によれば、真空遮断器が事故電流の遮断を始めて主回路の電流が定格電流以下の所定電流値まで減少すると、可飽和リアクトルが磁気飽和状態から非飽和状態となるので、低い電流値からｄｉ／ｄｔが小さくなり、また、この継続時間が短くなるので、電極間に発生するアークエネルギーが抑えられ、遮断特性を向上し得ることができる。
【００１２】
また、第２の発明の直流遮断器は、直流回路に直列接続された第１の可飽和リアクトルおよび真空遮断器と、前記第１の可飽和リアクトルおよび前記真空遮断器の直列回路に並列に接続され、前記第１の可飽和リアクトルと共用のコアで逆方向の磁束を生じる第２の可飽和リアクトル、コンデンサおよび転流スイッチからなる転流回路とを備え、前記真空遮断器の遮断時、前記直流回路の電流に前記転流回路からの転流電流を重畳させ、前記電流が減少して定格電流以下であって、定格電流の７５％〜１０％の範囲まで減少したとき、前記第１、第２の可飽和リアクトルの磁気飽和状態を解除させるようにしたことを特徴としている。
【００１３】
このような構成によれば、真空遮断器が事故電流の遮断を始めて主回路の電流が定格電流以下の所定電流値まで減少すると、第１、第２の可飽和リアクトルが磁気飽和状態から非磁気飽和状態となるので、低い電流値からｄｉ／ｄｔが小さくなり、また、この継続時間が短くなるので、電極間に発生するアークエネルギーが抑えられ、遮断特性を向上し得ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、従来と同様の構成部分については、同一符号を付した。
【００１５】
（第１の実施の形態）
先ず、本発明の第１の実施の形態に係る直流遮断器を図１乃至図３を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る直流遮断器の回路構成図、図２は、本発明の第１の実施の形態に係る直流遮断器の可飽和リアクトルを示す斜視図、図３は、本発明の第１の実施の形態に係る直流遮断器の動作を説明するための説明図である。
【００１６】
図１に示すように、直流回路のＰ−Ｎ間の電源側に可飽和リアクトル１０および負荷側に真空遮断器１が直列接続されている。そして、真空遮断器１および可飽和リアクトル１０の直列回路に並列には、リアクトル３、コンデンサ４および転流スイッチ５を直列接続した転流回路を接続している。また、この真空遮断器１および可飽和リアクトル１０の直列回路には、更に電磁エネルギーを吸収するためのエネルギー吸収素子６が並列に接続されている。
【００１７】
可飽和リアクトル１０は、図２に示すように、ギャップを介して、ロ字形の閉磁路を形成する積層ケイ素鋼鈑からなるコア１２の中空部に、主回路電流を通電する導体１１を挿通し構成されている。また、コア１２の両側面には、サポート板１３が固定され、支持碍子１４で絶縁支持されている。
【００１８】
このような回路構成において、図３に示すように、直流回路に過大な事故電流ｉａが流れた場合、真空遮断器１に制御回路から遮断指令が発せられ、真空遮断器１の一方の電極から他方の電極が開離し、両電極間にはアークが発生する。そして、両電極間が時間ｔ１の転流動作位置に達すると、制御回路からの信号により転流スイッチ５が閉じられ、事故電流ｉａに転流回路からの逆方向転流電流が重畳する。これにより、事故電流ｉａは、急激に減少する。
【００１９】
ここで、可飽和リアクトル１０は、過大な事故電流ｉａの通電時には磁気飽和状態となるが、特に定格電流ｉ０を下回る所定電流値ｉ２まで減少した後、磁気飽和状態から非飽和状態となり大きなインダクタンスになるようになっている。そして、所定電流値ｉ２に対応した時間ｔ４からは、このインダクタンスにより電流変化率ｄｉ／ｄｔが暫時小さくなり、電流零点となる時間ｔ５でｄｉ／ｄｔが充分に小さくなり遮断を容易にしている。このような磁気飽和状態と磁気飽和状態の解除を制御する手段として、例えば導体１１で発生する磁束が結合するコア１２の磁路を変化させればよく、磁路を短くすることやギャップを小さくすることによって小さい通電電流で磁気飽和状態が起きるようになる。
【００２０】
これにより、前記真空遮断器１の電極間には、時間ｔ１までの事故電流ｉａ、および転流電流注入時のｔ１から可飽和リアクトル１０の磁気飽和状態が解除される時間ｔ４を経由して電流零点になる時間ｔ５までの事故電流ｉａが流れる。このため、電極間に発生するアークエネルギーは、開極動作位置に達する時間ｔ１までは従来と変らないものの、磁気飽和状態から非飽和状態となりｄｉ／ｄｔが小さくなるｔ４からｔ５までの継続時間が短くなり、また、時間ｔ４のときの電流値が下がって、アークエネルギーが抑制される。
【００２１】
しかしながら、非飽和状態が定格電流ｉ０を僅かに低下する所定電流値ｉ２では、アークエネルギーを充分に抑制することができない。このため、所定電流値ｉ２を定格電流ｉ０の７５％まで低下させると、非飽和状態となりｄｉ／ｄｔが小さくなる領域のアークエネルギーを充分に抑制することができる。即ち、ｄｉ／ｄｔがある一定値と仮定すると、所定電流値ｉ２を７５％まで低下させると、アークの継続時間も比例して約７５％に短くなり、その結果、アークエネルギーが約１／２となる。これにより、真空遮断器１の電極接点から生じる金属蒸気量を極めて抑制させることができる。
【００２２】
なお、所定電流値ｉ２を１０％以下まで低下させると、小さいｄｉ／ｄｔが得られるもののｔ４以降の電流値が小さくアークの継続時間が短く、電極間のアークの金属蒸気が充分に拡散されず、遮断できなくなる恐れがあるので好ましくない。
【００２３】
上記第１の実施の形態の直流遮断器によれば、直流回路に直列接続した可飽和リアクトル１０の磁気飽和状態から非飽和状態となる電流値を定格電流の７５％から１０％としているので、磁気飽和状態が解除される電流値が低く、また、遮断完了するまでの継続時間が短くなる。その結果、電極間に発生するアークエネルギーが抑制され、電流零点付近では充分に小さいｄｉ／ｄｔが得られ遮断特性を向上し得ることができる。また、可飽和リアクトル１０の磁気飽和状態から非飽和状態となる電流値を低くできるため、可飽和リアクトル１０の小型化が可能となる。
【００２４】
なお、上記実施の形態では、転流回路にリアクトル３、コンデンサ４および転流スイッチ５を直列接続したが、大きな転流電流を得るためにリアクトル３を省いて、コンデンサ４および転流スイッチ５を直列接続した転流回路においても、可飽和リアクトル１０の磁気飽和状態から非飽和状態となる電流値を定格電流の７５％から１０％にすれば、遮断特性を向上し得ることができる。
【００２５】
また、上記実施の形態では、可飽和リアクトル１０を直流回路の電源側に設けたが、直流回路の負荷側に設けてもよく、これにより、定格電流の７５％から１０％の所定電流値で磁気飽和状態から非飽和状態とし、遮断特性を向上し得ることができる。
【００２６】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態に係る直流遮断器を図４乃至図５を参照して説明する。図４は、本発明の第２の実施の形態に係る直流遮断器の回路構成図、図５は、本発明の第２の実施の形態に係る直流遮断器の可飽和リアクトルを示す斜視図である。この第２の実施の形態が第１の実施の形態と異なる点は、可飽和リアクトルを転流回路にも接続していることである。
【００２７】
図４に示すように、直流回路のＰ−Ｎ間には、電源側に第１の可飽和リアクトル１５および負荷側に真空遮断器１が直列接続されている。そして、真空遮断器１に並列にリアクトル３、コンデンサ４、転流スイッチ５、および第２の可飽和リアクトル１６を直列接続してなる転流回路を接続している。また、第１の可飽和リアクトル１５と真空遮断器１の直列回路に、並列に電磁エネルギーを吸収するためのエネルギー吸収素子６が接続されている。
【００２８】
第１の可飽和リアクトル１５および第２の可飽和リアクトル１６は、図５に示すように構成されている。即ち、主回路の第１の導体１７、転流回路の第２の導体１８とは互いに離隔して配置され、且つギャップを介してロ字形の閉磁路を形成する積層ケイ素鋼鈑からなるコア１９の中空部に、第１、第２の導体１７、１８を挿通して構成されている。また、コア１９の両側面には、サポート板２０が固定され、支持碍子２１で絶縁支持されている。
【００２９】
ここで、第１の導体１７の主回路の電流の向きを図に示すように実線の方向とすれば、第２の導体１８の転流電流の向きは点線の方向としている。即ち、第１の導体１７と第２の導体１８との電流の向きを逆方向としており、それによりコア１９に生じる磁束の向きが逆方向となる。両者による合成磁束は、第１の導体１７と第２の導体１８に流れる電流を加算した電流がコア１９に作る磁束と等価である。この電流は、真空遮断器１に流れる電流と等しい。
【００３０】
このような回路構成において、再び図３を用いて説明する。
【００３１】
図３に示すように、直流回路の真空遮断器１に過大な事故電流ｉａが流れた場合、第１の実施の形態と同様に、真空遮断器１に遮断指令が発せられ、時間ｔ１の開極動作位置に達すると、転流スイッチ５が閉じられ逆方向転流電流が重畳され事故電流ｉａが交流波形となり急激に減衰する。
【００３２】
ここで、第１の可飽和リアクトル１５および第２の可飽和リアクトル１６は、過大な事故電流および転流電流の通電により夫々生じる磁束がコア１９内で打ち消されるので磁気非飽和状態が得られ易くなる。即ち、夫々導体１７、１８に大きな電流が流れているのにも関らず、コア１９内の磁束が少ないので透磁率が大きくなり、その結果、夫々導体１７、１８に発生するインダクタンスが大きくなる。そして、真空遮断器１に流れる事故電流ｉａが定格電流ｉ０を下回る所定電流値ｉ２まで減少すると、コア１９内の磁束は事故電流と転流電流で生じる磁束の和が小さくなるためコア１９は磁気飽和状態から非飽和状態となる。
【００３３】
この所定電流値ｉ２に対応した時間ｔ４からは、磁気飽和状態が解除された第１、第２の可飽和リアクトル１５、１６が大きなインダクタンスを生じて電流変化率ｄｉ／ｄｔが暫時小さくなり、また、電流零点となる時間ｔ５でｄｉ／ｄｔが充分に小さくなり遮断を容易にしている。
【００３４】
上記第２の実施の形態の直流遮断器によれば、直流回路および転流回路に共通のコア１９を利用して構成した第１、第２の可飽和リアクトル１５、１６を設けて、互いの導体１７、１８に流れる電流の向きを逆方向として、磁束の向きを逆方向にしてコア１９内の磁束を打ち消し、また、磁気飽和状態から非飽和状態となる電流値を定格電流の７５％から１０％の所定電流値ｉ２としているので、第１の実施の形態と同様の効果が得られる。
【００３５】
なお、上記実施の形態では、転流回路のリアクトル３、コンデンサ４、転流スイッチ５、および第２の可飽和リアクトル１６を直列接続したが、大きな転流電流を得るためにリアクトル３を省いて、コンデンサ４、転流スイッチ５、および第２の可飽和リアクトル１６を直列接続した転流回路においても、磁気飽和状態から非飽和状態となる電流値を定格電流の７５％から１０％の所定電流値ｉ２にすれば、遮断特性を向上し得ることができる。
【００３６】
また、上記実施の形態では、第１の可飽和リアクトル１５を直流回路の電源側に設けたが、直流回路の負荷側に設けてもよく、これにより、定格電流の７５％から１０％の所定電流値ｉ２で磁気飽和状態から非飽和状態とし、遮断特性を向上し得ることができる。
【００３７】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。第１の実施の形態では、主回路の導体１１とコア１２間を気中で離隔して絶縁した可飽和リアクトル１０について説明したが、磁気飽和状態から非飽和状態となる所定電流値を下げるため、磁路を短くして絶縁距離が充分に確保されない場合には、図６に示すように、導体１１が貫通するコア１２内面に絶縁層２２を設け、導体１１とコア１２間の絶縁補強をしてもよい。また、図７に示すように、コア１２を貫通する導体１１の表面に絶縁層２３を設けてもよい。
【００３８】
また、第２の実施の形態による第１、第２の可飽和リアクトル１５、１６においても、上記と同様にコア１９と導体１７、１８間に絶縁補強をすればコア１９の磁路を短くすることができる。
【００３９】
更に、図８に示すように、ケイ素鋼鈑を連続的に筒状に積層するコア２４とすれば、ケイ素鋼鈑の板厚を薄くできるので渦電流損が減少し、コア２４のうち表皮効果により有効に作用しない部分を減少した可飽和リアクトルにすることができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、直流回路に直列に可飽和リアクトルと真空遮断器を接続し、この真空遮断器が事故電流の遮断時、定格電流の７５％から１０％の所定電流値で可飽和リアクトルが磁気飽和状態から非飽和状態となるようにしているので、電極間で発生するアークエネルギーが抑制され、また、電流零点近傍でのｄｉ／ｄｔが充分に小さくなり、遮断特性を向上し得る直流遮断器を提供することができる。
【００４１】
更に、本発明によれば、直流回路に直列に第１の可飽和リアクトルと真空遮断器を接続し、また、転流回路に第１の可飽和リアクトルと共用のコアで逆方向の磁束を生じる第２の可飽和リアクトルを接続しており、事故電流の遮断時、定格電流の７５％から１０％の所定電流値まで減少すると、磁気飽和状態から非飽和状態となるようにしているので、電極間で発生するアークエネルギーが抑制され、また、電流零点近傍でのｄｉ／ｄｔが充分に小さくなり、遮断特性を向上し得る直流遮断器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る直流遮断器の回路構成図。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る直流遮断器の可飽和リアクトルを示す斜視図。
【図３】本発明の実施の形態に係る直流遮断器の動作を説明するための説明図。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る直流遮断器の回路構成図。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る直流遮断器の可飽和リアクトルを示す斜視図。
【図６】本発明の変形例に係る直流遮断器の可飽和リアクトルを示す斜視図。
【図７】本発明の変形例に係る直流遮断器の可飽和リアクトルを示す斜視図。
【図８】本発明の変形例に係る直流遮断器の可飽和リアクトルのコアを示す斜視図。
【図９】従来の直流遮断器の回路構成図。
【図１０】従来の直流遮断器の動作を説明するための説明図。
【符号の説明】
１真空遮断器
２、１０、可飽和リアクトル
３リアクトル
４コンデンサ
５転流スイッチ
６エネルギー吸収素子
１１導体
１２、１９、２４コア
１３、２０サポート板
１４、２１支持碍子
１５第１の可飽和リアクトル
１６第２の可飽和リアクトル
１７第１の導体
１８第２の導体
２２、２３絶縁層

Claims

直流回路に直列接続された可飽和リアクトルおよび真空遮断器と、
前記可飽和リアクトルと前記真空遮断器の直列回路に並列に接続されたコンデンサ、転流スイッチからなる転流回路とを備え、
前記真空遮断器の遮断時、前記直流回路の電流に前記転流回路からの転流電流を重畳させ、前記電流が減少して定格電流以下であって、定格電流の７５％〜１０％の範囲までに減少したとき、磁気飽和状態の前記可飽和リアクトルが非飽和状態になるようにしたことを特徴とする直流遮断器。
直流回路に直列接続された第１の可飽和リアクトルおよび真空遮断器と、
前記第１の可飽和リアクトルおよび前記真空遮断器の直列回路に並列に接続され、前記第１の可飽和リアクトルと共用のコアで逆方向の磁束を生じる第２の可飽和リアクトル、コンデンサおよび転流スイッチからなる転流回路とを備え、
前記真空遮断器の遮断時、前記直流回路の電流に前記転流回路からの転流電流を重畳させ、前記電流が減少して定格電流以下であって、定格電流の７５％〜１０％の範囲までに減少したとき、磁気飽和状態の前記第１、第２の可飽和リアクトルの磁気飽和状態を解除させるようにしたことを特徴とする直流遮断器。
前記可飽和リアクトルのコアと通電導体間に絶縁層を設け、前記コアの磁路を短くしたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の直流遮断器。