JP2006147238A - 直流真空遮断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 直流大電流を安定に遮断でき、かつ遮断後に回路を完全に切り離すことができ、かつ真空バルブの接点寿命を延ばすことができる小形安価な直流真空遮断装置を提供する。
【解決手段】 電流遮断直後に真空バルブ４の電圧が急上昇するのを抑制するため過飽和リアクトル６に並列にコンデンサ７を設けた。これにより、電流遮断直後に過飽和リアクトル６に流れていた電流を並列コンデンサ７に流しコンデンサ７を徐々に放電させることにより真空バルブ４の極間電圧が急上昇することを防止できるので、真空バルブ４が再発弧することがなく大電流を安定に遮断し、遮断後は真空バルブ４で回路を完全に切り離すことができる。さらにコンデンサ７の電荷は遮断後過飽和リアクトル６を通って放電するので、真空バルブ再投入時点でコンデンサ放電電流が流れずバルブの接点荒れを防止でき寿命を延ばせる効果がある。
【選択図】 図１

Description

この発明は主として電鉄用の直流変電所に設置され、架線短絡事故時電源回路を保護するために使用する真空バルブを用いた直流真空遮断装置に関するものである。

図２は従来の直流高速真空遮断装置を示す。同図に示すように、この直流高速真空遮断装置は、転流コンデンサ１と、転流スイッチ２（サイリスタを使用することが多いので以後サイリスタと呼ぶ）と、転流リアクトルまたは配線の浮遊インダクタンス３とを直列に接続して第１の直列回路とし、直流を遮断する真空バルブ４と該真空バルブと配線のインダクタンスに蓄えられたエネルギーを吸収する非線形抵抗５とスナバコンデンサ８とからなる並列接続回路に可飽和リアクトル６を直列に接続して第２の直列回路とするとともに、第１および第２の直列回路を並列接続して構成されている。図３はサイリスタの代わりに、機械式のスイッチ２１を使用したもので、動作は図２と同じである（例えば、特許文献１参照）。

次に図２および図４を用いて、真空バルブ４を通じて流れている主回路電流１を任意のタイミングで遮断する遮断動作について説明する。転流コンデンサ１には、あらかじめ図示しない充電回路によって、図２に示す方向に充電されている。

このとき外部から遮断信号が与えられるか、または異常電流を検出したとき、先ず真空バブル４を開極させる。その直後、サイリスタ２を点弧する。すると転流コンデンサ１、真空バルブ４、可飽和リアクトル６、サイリスタ２、転流リアクトル３、転流コンデンサ１のループで直列共振回路が構成され、転流コンデンサ１に蓄えられた電荷により共振電流が流れる。この電流の最大値は予測される主回路電流の最大値より大きくなるように転流コンデンサ１と転流リアクトル３の値および転流コンデンサ１の初期充電電圧が決められている。

真空バルブ４の開極後、主回路電流はアークとなって流れ続けるが、このとき前記の共振電流が主回路電流に重畳して流れ、共振電流の最大値が主回路電流より大きいため、真空バルブ４内の電流はゼロ点を過り極性反転しようとする。この際、可飽和リアクトル６が飽和から開放されて高インダクタンスとなり、電流の変化速度を弱める。

電流がゼロ点附近を過る時点ｔ２附近で真空バルブ４内のアークは消滅し、ギャップには絶縁が回復して電圧が発生する。このとき真空バルブ４の極間に発生する電圧は転流コンデンサ１の電圧とほぼ等しくなる。転流コンデンサ１の電圧は転流回路のリアクトル３、および主回路の電源や負荷に存在する浮遊インダクタンスに蓄えられたエネルギーにより、逆方向に上昇を続ける。

この電圧がある程度大きくなると、非線形抵抗５に電流が流れる。非線形抵抗５の通電閾値電圧は電源電圧より高く選定されているので、主回路電流は減衰してやがて電流ゼロとなり遮断が完了する。

図３は共振電流を流すためのスイッチ２をサイリスタでなく、機械式のスイッチ２１に置き換えたものであり、遮断動作は図２と同じである。

図４は短絡事故電流を遮断したときの各部の電流電圧波形を示している。時刻ｔOで短絡事故が発生し、時刻ｔ１で真空バルブ４が開極を開始、時刻ｔ２で共振電流によりバルブ電流がゼロとなり、時刻ｔ３で非線形抵抗５に電流が流れはじめ、次第に主回路電流が減少し、時刻ｔ４で主回路電流がゼロとなり、遮断が完了する。

図５は図４に示す動作波形のうち真空バルブの電流がゼロ点を過る附近の動作説明図であり、（１）は時刻ｔ２附近の等価回路、（２）は時間軸の拡大波形である。真空バルブ４の電流ＩＶＳＣが減少しゼロ点附近まで来ると過飽和リアクトル６が飽和から開放されるため、大きなインダクタンスを示す。その結果、回路のインダクタンスは過飽和リアクトル６のインダクタンスが支配的となり、転流リアクトル３のインダクタンスは無視して考えてもよい。そのため、等価回路は（１）のようになる。

このとき、転流コンデンサ１の電圧ＶＣは殆ど可飽和リアクトル６にかかり、ＶＣ＝ＶＳＬとなる。その後、真空バルブ４のアークが消滅し、極間の絶縁が回復すると、ＩＶＳＣは急激に減少してゼロとなる。その結果、過飽和リアクトル６にかかっていた電圧ＶＳＬもゼロとなるがこの時の電流変化で過飽和リアクトル６端子間に瞬間大きな電圧が誘起され、この電圧が真空バルブ４の極間にかかる。

同時に転流コンデンサ１電圧も真空バルブ４の極間にかかるため、真空バルブ４の極間電圧ＶＶＳＣは急上昇する。この電圧が印加される時点で真空バルブ４はアークが消滅したばかりで絶縁が不完全な状態にあるとともに、極間の距離も小さいため、再発弧して遮断失敗にいたることがある。

特に大きな事故電流を遮断した場合には事故電流によるアークエネルギーが大きいため、再発弧が起きやすい。また、高速遮断を実現するためには極間の距離が十分開かない状態で電流を遮断する必要があるため、より再発弧しやすい。これを防止するためにスナバコンデンサ８が設けられており、スナバコンデンサ８により真空バルブ４の極間電圧ＶＶＳＣの上昇は抑制され、図の破線で示すように変化する。
特開平４-２５９７１９号公報（図１、図４）

従来の真空遮断装置は以上のように構成されているので、遮断完了後もスナバコンデンサ８を介して電流が流れ完全には負荷と電源を絶縁できないという課題があった。

図６は従来の真空遮断装置を電鉄用等の直流電源の高速遮断器として適用した場合の電源および負荷を含めた回路構成である。９はダイオード整流器、１０は列車負荷である。通常ダイオード整流器９の直流出力電圧は完全な直流ではなく、かなり大きなリップル電圧を含んでいる。リップル電圧は交流成分でありコンデンサは交流分に対するインピーダンスが低いため、開放状態においてもスナバコンデンサ８を通って１１の実線矢印のルートで交流電流が流れる。これにより回路が完全な開放状態とならず負荷１０に不要な電圧が印加されるという課題があった。

さらにスナバコンデンサ８は整流器９により図示の極性に充電されるので、次に真空バルブ４が投入される際にコンデンサ８に充電された電荷が１２の破線矢印のルートで放電する。投入時しばらくは真空バルブ４の接点に機械的な振動が発生して接触状態と非接触状態を繰り返すが、この際にコンデンサ８の電荷が放電することによって接点が荒れ寿命が短くなるという課題もあった。

この発明は上記のような問題点を解消するために為されたもので、真空バルブのアーク消滅と同時に発生する極間電圧の急激な上昇を防止でき、かつ遮断後に電源と負荷との完全な遮断状態を実現し、投入時の真空スイッチの接点荒れをも防止できる安価な直流真空遮断装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は、第１のコンデンサとスイッチとインダクタンスとを直列接続して第１の直列回路とし、真空バルブと可飽和リアクトルとを直列接続して第２の直列回路とするとともに、第１および第２の直列回路を並列接続し、かつ可飽和リアクトルに並列に第２のコンデンサを接続したことを特徴とする。

本発明によれば、真空バルブ遮断完了後に回路を完全に切り離すことが可能となり、かつ真空バルブの寿命を延ばせる直流真空遮断装置を得ることができる。

以下、本発明の一実施形態を図１に基づいて説明する。同図に示すように、この実施形態の直流高速真空遮断装置は、転流コンデンサ１とスイッチ２とインダクタンス３とを直列接続して第１の直列回路とし、真空バルブ４に可飽和リアクトル６を直列接続して第２の直列回路とするとともに、第１および第２の直列回路を並列接続し、かつ非直線抵抗５を真空バルブ４と並列接続し、かつ可飽和リアクトル６に並列に小容量のコンデンサ７を接続している。

次に動作について説明する。直流電流を遮断する原理は先に述べた従来例の図２の場合と変わらない。外部から遮断信号が与えられるか、または異常電流を検出したとき、先ず真空バブル４を開極させる。その直後、サイリスタ２を点弧する。すると直列共振回路が構成され、転流コンデンサ１に蓄えられた電荷により共振電流が流れる。この電流の最大値は予測される主回路電流の最大値より大きくなるように選ばれている。真空バルブ４の開極後、主回路電流Ｉはアークとなって流れ続けるが、このとき前記の共振電流が主回路電流に重畳して流れ、共振電流の最大値が主回路電流より大きいため、真空バルブ４内の電流がゼロに近づき、過飽和リアクトル６が飽和から開放され、電流は変化速度を弱めてゼロ点を過る。

この附近の動作を図７で説明する。図７において、（１）は時刻ｔ２附近の等価回路、（２）は時間軸の拡大波形である。波形の前半は図５と全く同じである。電流ＩＶＳＣがゼロになる瞬間真空バルブ４内のアークは消滅し、バルブ極間は絶縁が回復して電圧ＶＶＳＣが発生する。このとき真空バルブ４の電流ＩＶＳＣが急激にゼロに変化する。その結果、過飽和リアクトル６の電流は並列接続されたコンデンサ７に流れ、この電流によるコンデンサ７の放電とともに減少するので、その端子電圧ＶＳＬの変化速度は抑制されたものとなる。さらに真空バルブ４の極間電圧ＶＶＳＣは転流コンデンサ電圧ＶＣと可飽和リアクトル電圧ＶＳＬとの差電圧にほぼ等しくなるため極間電圧ＶＶＳＣの電圧上昇率が抑制され、大電流を遮断した後も再発弧することがなくなる。

これまで説明したように従来の回路では真空バルブ４の絶縁が回復して遮断が完了した後もスナバコンデンサ８を通じて電源側と負荷側に微小電流が流れる。そのため回路が完全に切り離せなかった。しかし、本実施形態の回路では図６に実線矢印で示す回路は構成されないため、真空バルブ４で遮断が完了した後は完全に回路の切り離しができる。さらに、上記の動作説明のごとく、図８に示すように遮断完了後コンデンサ７の電荷は過飽和リアクトル６を通って放電するので、次回に真空バルブ４を投入する際に真空バルブ４を通して放電することが無く、放電電流による真空バルブ接点の荒れも防止できるので、真空バルブ４の寿命を長くできる。

以上説明したように、本実施形態によれば、直流大電流を安定に遮断でき、かつ遮断後に回路を完全に切り離すことができ、かつ真空バルブの接点寿命を延ばすことができる小形安価な直流真空遮断装置を得ることができる。

本発明の一実施形態の構成を示す回路図。 従来例の構成を示す回路図。 他の従来例の構成を示す回路図。 従来例における遮断時の各部の動作波形を示す図。 従来例の動作を説明するための図で、（１）は時刻ｔ２附近の等価回路図、（２）は時刻ｔ２附近の真空バルブの電流電圧波形拡大図。 従来例における電流経路を示す図。 本発明の一実施形態の動作を説明するための図で、（１）は時刻ｔ２附近の等価回路図、（２）は時刻ｔ２附近の真空バルブの電流電圧波形拡大図。 本発明の一実施形態における電流経路を示す図。

符号の説明

１…転流コンデンサ
２…サイリスタ
３…転流リアクトル
４…真空バルブ
５…非線形抵抗
６…可飽和リアクトル
７…コンデンサ
８…スナバコンデンサ
９…ダイオード整流器
１０…負荷

Claims (1)

1. 第１のコンデンサとスイッチとインダクタンスとを直列接続して第１の直列回路とし、真空バルブと可飽和リアクトルとを直列接続して第２の直列回路とするとともに、前記第１および第２の直列回路を並列接続し、かつ前記可飽和リアクトルに並列に第２のコンデンサを接続したことを特徴とする直流真空遮断装置。
   
   

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