JP2006260925A - Direct current high speed vacuum circuit breaker - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、主として電鉄用の直流変電所に設置され、架線短絡事故時に主回路を遮断して電源回路を保護する真空バルブを用いた直流高速真空遮断装置に関する。 The present invention relates to a DC high-speed vacuum shut-off device using a vacuum valve that is installed mainly in a DC substation for electric railways and shuts off a main circuit and protects a power supply circuit in the event of an overhead wire short circuit accident.
従来、例えば電鉄用の直流変電所においては、架線短絡事故時に電源回路を保護するため、真空バルブを用いた直流高速真空遮断装置が設置されている。 2. Description of the Related Art Conventionally, for example, in a DC substation for electric railways, a DC high-speed vacuum shut-off device using a vacuum valve has been installed to protect a power supply circuit in the event of an overhead wire short circuit accident.
図4は、かかる従来の直流高速真空遮断装置の回路構成を示すものである。 FIG. 4 shows a circuit configuration of such a conventional DC high-speed vacuum interrupter.
この直流高速真空遮断装置は、転流コンデンサ1、転流スイッチ2(サイリスタを用いることが多いので以後サイリスタと呼ぶ)、転流リアクトル又は配線の浮遊インダクタンス3が直列に接続された第1の直列回路と、直流を遮断する真空バルブ4、該真空バルブ4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及びスナバコンデンサ8の並列接続回路に可飽和リアクトル6を直列接続してなる第2の直列回路とを並列接続して構成され、図示しない電源回路と架線とを結ぶ主回路に設けられている。
This DC high-speed vacuum circuit breaker is a first series in which a
図5は上記のサイリスタに代えて機械式のスイッチを使用した直流高速真空遮断装置の回路構成を示すもので、それ以外は図4と全く同じある(例えば、特許文献1)。 FIG. 5 shows a circuit configuration of a DC high-speed vacuum interrupter using a mechanical switch in place of the thyristor, and the other configuration is exactly the same as FIG. 4 (for example, Patent Document 1).
次に図4に示す直流高速真空遮断装置の動作について説明する。 Next, the operation of the DC high-speed vacuum interrupter shown in FIG. 4 will be described.
いま、真空バルブ4を通して主回路電流Iが流れているものとし、また転流コンデンサ1には予め図示しない充電回路によって図示極性に充電されているものとする。
It is assumed that the main circuit current I is flowing through the
このような状態にあるとき、真空バルブ4に外部から遮断信号が与えられるか、または図示しない電流検出手段により主回路に異常電流が流れていることが検出されると、まず真空バルブ4を開極させ、その直後サイリスタ2を点弧する。
In such a state, when a shut-off signal is given to the
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及び転流コンデンサ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。
Then, a series resonance circuit is formed by a loop of the
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の値及び転流コンデンサ1の初期充電電圧が決められている。
The values of
真空バルブの開極後、主回路電流はアークとなって流れ続けるが、このとき前記共振電流は主回路電流より大きいため、真空バルブ内の電流はゼロ点を通過し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。 After the opening of the vacuum valve, the main circuit current continues to flow as an arc. At this time, since the resonance current is larger than the main circuit current, the current in the vacuum valve passes the zero point and tries to reverse the polarity. At this time, the saturable reactor 6 is released from saturation and becomes a high inductance, and the rate of change of current is weakened.
電流がゼロ点付近を通過する時点t2付近では、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。この真空バルブ4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及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。
Near the time t2 when the current passes near the zero point, the arc in the
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設定されているので、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。
When this voltage increases to some extent, a current flows through the
図5に示す直流高速真空遮断装置においても、共振電流を流すためのスイッチとしてサイリスタに代えて機械式のスイッチ21に置き換えたものであり、遮断動作は上述と全く同様である。
In the DC high-speed vacuum cutoff device shown in FIG. 5 as well, a
図6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。 FIG. 6 shows current / voltage waveforms at various points when the short-circuit fault current is interrupted.
図6において、時刻t0で短絡事故が発生すると、時刻t1で真空バルブ4が開極を開始し、時刻t2で共振電流により真空バルブ4に流れる電流がゼロとなる。そして、時刻t3で非線形抵抗5に電流が流れ始めると、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って遮断が完了する。
In FIG. 6, when a short circuit accident occurs at time t0, the
図7は、図6に示す動作波形のうち真空バルブの電流ゼロ点を通過する付近の動作説明図であり、(a)は時刻t2付近の等価回路、(b)は時間軸の拡大波形である。 FIG. 7 is an explanatory diagram of the operation in the vicinity of passing through the zero point of the vacuum valve among the operation waveforms shown in FIG. 6, (a) is an equivalent circuit near time t2, and (b) is an enlarged waveform of the time axis. is there.
真空バルブの電流IVSCが減少し、ゼロ点付近まで来ると可飽和リアクトル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。 When the current IVSC of the vacuum valve decreases and comes close to the zero point, the saturable reactor 6 is released from saturation, and thus shows a large inductance.
その結果、回路のインダクタンスは可飽和リアクトル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良い。そのため、等価回路は図7(a)のようになる。このとき、転流コンデンサの電圧VCは殆ど可飽和リアクトルにかかり、VC=VSLとなる。
As a result, the inductance of the saturable reactor is dominant in the inductance of the circuit, and the inductance of the
その後、真空バルブのアークが消滅し、極間の絶縁が回復すると、IVSCは急激に減少してゼロになる。その結果、可飽和リアクトルにかかっていた電圧VSLもゼロとなるが、このときの電流変化で可飽和リアクトルの端子間に大きな電圧が瞬時に誘起され、この電圧が真空バルブの極間にかかる。 After that, when the arc of the vacuum valve is extinguished and the insulation between the poles is restored, the IVSC rapidly decreases to zero. As a result, the voltage VSL applied to the saturable reactor also becomes zero, but a large voltage is instantaneously induced between the terminals of the saturable reactor due to the current change at this time, and this voltage is applied between the electrodes of the vacuum valve.
同時に転流コンデンサの電圧も真空バルブの極間にかかるため、真空バルブの極間電圧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至ることがある。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、再発弧が起き易い。また、高速遮断を実現するためには極間の距離が十分確保しない状態で遮断する必要があるため、より再発弧し易い。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、スナバコンデンサにより真空バルブの極間電圧VVSCの上昇は抑制され、図示点線のように変化する。
このように従来の直流高速真空遮断装置においては、遮断完了後もスナバコンデンサ8を介して電流が流れ、負荷と電源とを完全に絶縁することができないという問題があった。
As described above, the conventional DC high-speed vacuum circuit breaker has a problem that even after completion of the circuit breakage, current flows through the
図8は、従来の直流高速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及び負荷を含めた回路構成を示すものである。図8において、9はダイオード整流器、10は列車負荷である。 FIG. 8 shows a circuit configuration including a power source and a load when a conventional DC high-speed vacuum circuit breaker is applied as a high-speed circuit breaker of a DC power source for electric railways or the like. In FIG. 8, 9 is a diode rectifier and 10 is a train load.
通常ダイオード整流器の直流出力電圧は、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。この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を通って実線矢印11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、負荷に不要な電圧が印加されるという問題があった。
Usually, the direct current output voltage of a diode rectifier is not perfect direct current but includes a considerably large ripple voltage. Since this ripple voltage is an alternating current component and the capacitor has a low impedance with respect to the alternating current component, an alternating current flows through the
さらに、スナバコンデンサ8は、整流器9により図示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点線矢印12のルートで放電する。そして、投入時しばらくは真空バルブ4の接点に機械的な振動を発生して接触状態と非接触状態を繰返すが、この際にコンデンサ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問題もあった。
Furthermore, since the
本発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、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、且つ遮断後の電源と負荷との完全な遮断状態を実現するとともに、投入時の真空バルブの接点荒れをも防止できる安価な直流高速真空遮断装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and can prevent a rapid increase in the interelectrode voltage that occurs simultaneously with the extinction of the arc of the vacuum valve. An object of the present invention is to provide an inexpensive direct-current high-speed vacuum interrupter capable of realizing a simple interrupted state and preventing rough contact of the vacuum valve at the time of charging.
本発明は、上記の目的を達成するため、第1のコンデンサ、スイッチ及びインダクタンスを直列接続してなる第1の直列回路と、真空バルブ及び可飽和リアクトルを直列接続してなる第2の直列回路とを並列接続し、且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する構成とする。 In order to achieve the above object, the present invention provides a first series circuit in which a first capacitor, a switch and an inductance are connected in series, and a second series circuit in which a vacuum valve and a saturable reactor are connected in series. Are connected in parallel, and a second capacitor is connected in parallel to the saturable reactor.
本発明によれば、電流遮断直後に可飽和リアクトルに流れていた電流を並列コンデンサに流し、コンデンサを徐々に放電させることにより真空バルブ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で回路を完全に切離すことができる。さらに、コンデンサの電荷は遮断後可飽和リアクトル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ることがなくなり、接点荒れを防止でき、長寿命化を図ることができる。 According to the present invention, it is possible to prevent the voltage between the electrodes of the vacuum valve from rising rapidly by flowing the current flowing through the saturable reactor immediately after the current interruption to the parallel capacitor, and gradually discharging the capacitor. Without re-arcing, a large current can be shut off stably, and the circuit can be completely disconnected with a vacuum valve after the shut-off. Furthermore, since the electric charge of the capacitor is discharged through the saturable reactor after being cut off, the capacitor discharge current does not flow when the vacuum valve is turned on again, preventing contact roughening and extending the life.
以下本発明の実施形態について図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は本発明による直流高速真空遮断装置の第1の実施形態を示す回路構成図であり、図4と同一部品には同一符号を付して説明する。 FIG. 1 is a circuit configuration diagram showing a first embodiment of a DC high-speed vacuum interrupter according to the present invention, and the same components as those in FIG.
図1に示すように転流コンデンサ1、サイリスタ2及び転流リアクトル3を直列接続してなる第1の直列回路と、真空バルブ4及び可飽和リアクトル6を直列接続してなる第2の直列回路とを並列接続し、且つ真空バルブ4に並列に非直線抵抗5を接続すると共に、可飽和リアクトル6に並列にコンデンサ7を接続する構成とする。
As shown in FIG. 1, a first series circuit in which a
次に動作について述べる。 Next, the operation will be described.
いま、真空バルブ4を通して主回路電流が流れているものとし、また転流コンデンサ1には予め図示しない充電回路によって図示極性に充電されているものとする。
It is assumed that the main circuit current is flowing through the
このような状態にあるとき、真空バルブ4に外部から遮断信号が与えられるか、または図示しない電流検出手段により主回路に異常電流が流れていることが検出されると、まず真空バルブ4を開極させ、その直後サイリスタ2を点弧する。
In such a state, when a shut-off signal is given to the
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及び転流コンデンサ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。
Then, a series resonance circuit is formed by a loop of the
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の値及び転流コンデンサ1の初期充電電圧が決められている。
The values of
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付き、可飽和リアクトル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通する。
After the opening of the
図2は、真空バルブの電流ゼロ点を通過する付近の動作説明図であり、(a)は時刻t2付近の等価回路、(b)は時間軸の拡大波形である。 FIGS. 2A and 2B are diagrams for explaining the operation in the vicinity of the current passing through the zero point of the vacuum valve, where FIG. 2A is an equivalent circuit near time t2, and FIG. 2B is an enlarged waveform of the time axis.
電流IVSCがゼロになる瞬間真空バルブ1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の電流IVSCが急激にゼロに変化する。その結果、可飽和リアクトルの電流は並列接続されたコンデンサに流れ、この電流によるコンデンサの放電と共に減少するので、その端子電圧VSLの変化速度は抑制されたものとなる。
At the moment when the current IVSC becomes zero, the arc in the
さらに、真空バルブの極間電圧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。 Furthermore, since the voltage VVSC between the electrodes of the vacuum valve is substantially equal to the difference voltage between the commutation capacitor voltage VC and the saturable reactor voltage VSL, the voltage increase rate of the voltage VVSC between the electrodes is suppressed, and even after the large current is cut off. No re-arcing.
このように本実施形態では、真空バルブ4に並列に接続されていたスナバコンデンサ8を取除き、可飽和リフクトル6に並列にコンデンサ7を接続することにより、次のような作用効果を得ることができる。
As described above, in this embodiment, the
すなわち、直流高速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、従来の回路構成では、図8に実線矢印で示すように真空バルブ4の絶縁が完了した後もスナバコンデンサ8を通して電源側と負荷側に微小電流が流れるため、回路が完全に切離すことができなかったが、本実施形態ではこのような実線矢印で示すような回路が構成されないので、真空バルブ4で遮断が完了した後は完全に回路の切離しができる。
That is, when the DC high-speed vacuum circuit breaker is applied as a high-speed circuit breaker for a DC power source for electric railways or the like, in the conventional circuit configuration, as shown by the solid line arrow in FIG. Since a small current flows through the power source side and the load side through 8, the circuit could not be completely disconnected. However, in the present embodiment, such a circuit as indicated by the solid line arrow is not configured, so the
さらに、前述の動作説明のように遮断完了した後にコンデンサ7の電荷は図3に示すように可飽和リアクトル6を通して放電するので、次回に真空バルブ4を投入する際にコンデンサ7の電荷が真空バルブ4を通して放電することがない。したがって、放電電流による真空バルブ接点の荒れを防止することができので、真空バルブの長寿命化を図ることができる。
Furthermore, since the electric charge of the
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
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2005076457A JP2006260925A (en) | 2005-03-17 | 2005-03-17 | Direct current high speed vacuum circuit breaker |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012099475A (en) * | 2010-11-04 | 2012-05-24 | General Electric Co <Ge> | Mems-based switching systems |
JP2015115096A (en) * | 2013-12-09 | 2015-06-22 | 株式会社東芝 | Dc cutoff device |
JP2018500736A (en) * | 2014-12-11 | 2018-01-11 | スーパーグリッド インスティテュート | Current interrupt device |
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2005
- 2005-03-17 JP JP2005076457A patent/JP2006260925A/en active Pending
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