JP2010103048A

JP2010103048A - 直流回路遮断器

Info

Publication number: JP2010103048A
Application number: JP2008275535A
Authority: JP
Inventors: Kota Kashimoto; 耕太柏本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-10-27
Filing date: 2008-10-27
Publication date: 2010-05-06
Anticipated expiration: 2028-10-27
Also published as: JP5104718B2; CN101728137A

Abstract

【課題】直流電路において短絡電流の発生時にも引き外し装置を駆動する制御装置に確実に電源供給できて遮断動作を確実に行うことができる直流回路遮断器を得る。
【解決手段】直流電路を開閉する開閉接点２と、この開閉接点２を開放する引き外し装置７と、直流電路の電流を検出する第１及び第２の電流センサ３ａ、３ｂと、この第１及び第２の電流センサ３ａ、３ｂの検出電流に応動し引き外し装置７を動作させる制御装置６と、直流電路に設けられ、該直流電路の電流変化を検出する第１及び第２の交流変流器８ａ、８ｂと、直流電路の短絡事故による過大電流発生時に第１及び第２の交流変流器８ａ、８ｂの出力に基づく電力を制御装置６に供給する第１の電源回路９とを備えた。
【選択図】図１

Description

この発明は、直流回路遮断器に関する。

従来、回路遮断器における電源装置としては、交流電路中を流れる電流の変化に応じた電流を出力する交流変流器を設け、その出力電流を合成して生成された直流電圧を引き外し装置の制御回路に供給しているものがある（例えば、特許文献１参照。）。

特開平４−１８８５３２号公報図１

回路遮断器の電源に交流変流器を用いた場合、上記のような交流電路においては、短絡事故発生時に短絡電流により交流変流器の磁心が飽和したとしても該短絡電流は交番電流なので、短絡電流の向きが交番するごとに交流変流器から出力電流を継続的に得ることができ、開閉接点の引き外しを行う制御回路に電源を継続して供給できて遮断動作を確実に行うことができる。
ところが、直流電路においては、短絡電流が増加して交流変流器の磁心が飽和するまでもしくは短絡電流が飽和するまでのどちらか短い時間の１回しか交流変流器からの出力電流を得られない。このため、定格電流の数倍程度の短絡電流時に出力電圧が得られるような交流変流器を設けると、短絡電流が回路遮断器の遮断容量の限界近くの非常に大きい場合に、非常に短い時間で交流変流器の磁心が飽和してしまい制御回路に引き外し装置を駆動する十分な時間、電源供給することができない。逆に回路遮断器の遮断容量の限界近くの大きな短絡電流に合わせた交流変流器を設けると短絡電流が定格電流の数倍程度の大きくない場合に、引き外し装置を駆動する制御回路が動作可能な出力電圧を交流変流器から得られないこととなり、遮断動作を確実に行えないという問題があった。

この発明は、上述のような実情に着目してなされたもので、直流電路において短絡事故の発生時に短絡電流の大小にかかわらず引き外し装置を駆動する制御回路に確実に電源供給できて遮断動作を確実に行える直流回路遮断器を得ることを目的とするものである。

この発明の直流回路遮断器は、直流電路を開閉する開閉接点と、この開閉接点を開放する引き外し装置と、直流電路の電流を検出する電流検出手段と、この電流検出手段の検出電流に応動して前記引き外し装置に引き外し信号を出力する制御装置と、直流電路に設けられ、直流電路に短絡電流が流れたとき短絡電流の大小にかかわらず少なくとも１つからは所定の電圧が所定時間以上得られるように互いの出力特性を異ならせた複数の交流変流器と、直流電路に短絡電流が流れたとき交流変流器の出力電圧に基づいて制御装置に電力を供給する第１の電源回路と、を備えたものである。

この発明によれば、電路に短絡電流が流れたとき短絡電流の大小にかかわらず少なくとも１つからは所定の電圧が所定時間以上得られるように互いの出力特性が異なる複数の交流変流器の出力電圧に基づいて引き外し信号を出力する制御装置に電力を供給する第１の電源回路を備えたことにより、直流電路において短絡電流の発生時にも引き外し装置を駆動する制御装置に電源供給できて遮断動作を確実に行うことができる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施形態１における直流回路遮断器の構成を示すブロック図である。図２は短絡事故時の直流電路電流及び直流電路に設けられた第１の交流変流器８ａ及び第２の交流変流器８ｂの出力を示す波形図で、（ａ）は直流電路に流れる電路電流と第１の交流変流器８ａの出力電流及び出力電圧の波形図、（ｂ）は直流電路に流れる電路電流と第２の交流変流器８ｂの出力電流及び出力電圧の波形図、（ｃ）は直流電路１ａ及び１ｂに流れる電路電流と第１の交流変流器８ａ及び第２の交流変流器８ｂの合成出力を示す波形図である。図３は第１の電源回路９と第２の電源回路１０で生成される出力電圧の波形図で、（ａ）は第１の電源回路９で生成される出力電圧の波形図、（ｂ）は第２の電源回路１０で生成される出力電圧の波形図、（ｃ）は第１の電源回路９の出力電圧と第２の電源回路１０の出力電圧を合成した電源電圧Ｖｃｃの波形図である。

図１において、直流回路遮断器１００は、直流電路１ａ、１ｂを開閉する開閉接点２と、直流電路１ａに流れる電流を検出する第１の電流センサ３ａおよび直流電路１ｂに流れる電流を検出する第２の電流センサ３ｂ、すなわち電流検出手段と、第１および第２の電流センサ３ａ、３ｂの出力信号を所定のレベルへ変換する信号変換回路４と、信号変換回路４の出力信号をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換回路５と、Ａ／Ｄ変換回路５から出力されるデジタル値に基づいて電流値を演算し、演算結果が所定の閾値を超過した場合に引き外し信号を出力する制御装置６と、この制御装置６からの引き外し信号が発せられた場合に開閉接点２を開放する引き外し装置７と、直流電路１ａに設けられ、直流電路に短絡電流が流れたとき短絡電流の大小にかかわらず少なくとも１つからは所定の電圧が所定時間以上得られるように互いの出力特性を異ならせた複数の交流変流器、たとえば第１の交流変流器８ａ及び第２の交流変流器８ｂと、第１及び第２の交流変流器８ａ、８ｂの出力を合成した電力から生成され、電源電圧Ｖｃｃを供給する第１の電源回路９と、直流電路１ａ、１ｂの線間電圧から生成され、電源電圧Ｖｃｃを供給する第２の電源回路１０とから構成されている。直流回路遮断器１００の負荷側には、直流負荷１１が接続されている。

以下、第１及び第２の電源回路９、１０の詳細について説明する。
第１の電源回路９は、第１及び第２の交流変流器８ａ、８ｂの出力電圧を合成して整流するフルダイオードブリッジからなる第１の整流回路９１と、この第１の整流回路９１の正側後段に設けられ、電流を制限する第１の電流制限抵抗器９２と、第１の電流制限抵抗器９２の出力と第１の整流回路９１の負側とに接続されたコンデンサ９３と、このコンデンサ９３と第１の電流制限抵抗器９２との接続点に接続され、電流を制限する第２の電流制限抵抗器９４と、第２の電流制限抵抗器９４の出力とコンデンサ９３の負側とに接続された第１のツェナーダイオード９５とで構成されている。

また、第２の電源回路１０は、直流電路１ａ、１ｂに接続されたフルダイオードブリッジからなる第２の整流回路１０１と、この第２の整流回路１０１の正側後段に接続され、電流を制限する第３の電流制限抵抗１０２と、この第３の電流制限抵抗１０２の後段に設けられ、第３の電流制限抵抗１０２の出力と第２の整流回路１０１の負側とに接続された定電圧回路１０３と、第３の電流制限抵抗１０２の出力と第２の整流回路１０１の負側とに接続され、定電圧回路１０３に入力される電圧を抑制する第２のツェナーダイオード１０４と、定電圧回路１０３の出力に接続され、電流の逆流を防止する逆流防止用ダイオード１０５とで構成されている。そして、第２の電源回路１０の逆流防止用ダイオード１０５の出力と第１の電源回路９の第１のツェナーダイオード９５の正側とが接続され、第１のツェナーダイオード９５の両端間の電圧が、電源電圧Ｖｃｃとして第１及び第２の電流センサ３ａ、３ｂ、信号変換回路４、Ａ／Ｄ変換回路５及び制御装置６に供給されている。

また、第１の交流変流器８ａは回路遮断器の定格電流の数倍程度の短絡電流で、出力電圧として制御装置６等の動作可能下限電圧Ｖ１０を得ることを目的とし、第２の交流変流器８ｂは回路遮断器の遮断容量に近い大きな短絡電流が流れたとき動作可能下限電圧Ｖ１０を制御装置６が動作できる時間確保することを目的とし、例えば第１の交流変流器８ａの２次巻線数は第２の交流変流器８ｂの２次巻線数の１／３に設定されている。

なお、引き外し判定のための所定の閾値は図示しない入力手段により任意に設定できる値で、例えば直流回路遮断器の定格電流の２００％〜１０００％の範囲で選択可能である。また、第１および第２の電流センサ３ａ、３ｂは、例えばホール素子を用いた電流センサを用いる。

次に動作について説明する。
通常時においては、直流電路１ａ、１ｂの線間電圧が第２の電源回路１０の第２の整流回路１０１に印加される。第２の整流回路１０１は、正負を逆接続されても正常動作させるために設けられている。第２の整流回路１０１の出力は第３の電流制限抵抗１０２を介して第２のツェナーダイオード１０４に印加され、第２のツェナーダイオード１０４により抑制された電圧が定電圧回路１０３に入力される。定電圧回路１０３により定電圧化された電圧が逆流防止用ダイオード１０５を介して、電源電圧Ｖｃｃとして第１の電流センサ３ａ、第２の電流センサ３ｂ、信号変換回路４、Ａ／Ｄ変換回路５及び制御装置６に供給される。一方、直流電路１ａ及び１ｂに流れる電流は直流であり大きな変動はないため、第１及び第２の交流変流器８ａ、８ｂの出力電圧は発生せず、第１の電源回路９は動作しない。

直流電路１ａ、１ｂの負荷側における短絡事故発生時においては、線間電圧が喪失されるので、図３（ｂ）に示すように第２の電源回路１０の生成電圧は制御装置６などの電力消費により低下していく。

しかし、第１の電源回路９において、直流電路１ａ、１ｂの電路電流が急激に増加するので、図２（ａ）に示すように、第１の交流変流器８ａの出力電流及び電圧は、電路電流の増加に伴い急速に立ち上がるが、磁心がすぐに磁気飽和するので出力は短時間で低下する。一方、図２（ｂ）に示すように、第２の交流変流器８ｂの出力電流及び電圧は、第１の交流変流器８ａに比べると、ゆるやかに立ち上がり、磁心がすぐには磁気飽和しないので、第２の交流変流器８ｂの出力は第１の交流変流器８ａに比べ長時間維持される。そして、第１の交流変流器８ａと第２の交流変流器８ｂの出力を合成した出力は、図２（ｃ）に示すように立ち上がり時間も短く、出力の維持時間も長いものとなる。

図３（ａ）に示すように第１の交流変流器８ａ及び第２の交流変流器８ｂの合成出力は、第１の整流回路９１で整流され、第１の電流制限抵抗器９２を介してコンデンサ９３に電荷が充電されて、第１の電源回路９の出力電圧は上昇し始める（図３（ａ）のＴ０〜Ｔ１）。図３（ｃ）に示すように、第１の電源回路９におけるコンデンサ９３の充電電圧が第２の電源回路１０の出力電圧よりも高くなると（Ｔ１）、第１の電源回路９が主電源となり制御回路６等への電源電圧Ｖｃｃを供給し始める。なお、ここでは簡単のため逆流防止用ダイオード１０５の順方向電圧は無視している。

制御装置６は信号変換回路４、Ａ／Ｄ変換回路５を経て入力される直流電路１ａ、１ｂを流れる電路電流のデジタル信号値に対し、あらかじめ設定されている引き外し閾値との比較判定を行い、直流電路１ａ、１ｂに流れる電路電流が引き外し閾値を超過すると（Ｔ２）、引き外し装置７に対し引き外し信号を発する。その後、引き外し装置７により開閉接点２が開放され、直流電路の開離が完了する（Ｔ３）。

なお、本実施の形態では、第２の電源回路１０で生成される電圧が制御装置６の動作可能下限電圧Ｖ１０（例えばＤＣ５Ｖ）を下回る前に第１の電源回路９が動作可能下限電圧Ｖ１０を生成できる例を示したが、第１の電源回路９が動作可能下限電圧Ｖ１０を生成する前に第２の電源回路１０の電圧供給が動作可能下限電圧Ｖ１０より低下しても問題はない。つまり、電路電流が引き外し閾値を超過する期間に第１の電源回路９により動作可能下限電圧Ｖ１０が生成できていればよく、本実施の形態では引き外し動作の際に第２の電源回路１０で生成される電圧は必要ない。しかし、短絡電流のように急激な電路電流の変化のない、例えば過負荷電流に対しては第１の電源回路９から電源電圧を生成することが困難であるため、第２の電源回路１０が必要である。

本実施の形態によれば、電路に短絡電流が流れたとき短絡電流の大小にかかわらず少なくとも１つからは所定の電圧が所定時間以上得られるように互いの出力特性が異なる第１及び第２の交流変流器８ａ、８ｂの出力電圧に基づいて引き外し信号を出力する制御装置６に電力を供給する第１の電源回路９を備えたことにより、直流電路において短絡電流の発生時にも引き外し装置７を駆動する制御装置６に電源供給できて遮断動作を確実に行うことができる。

また、第１の交流変流器８ａは出力の立ち上がり時間が短く所定の電圧を出力する交流変流器とし、第２の交流変流器８ｂは第１の交流変流器８ａより出力の立ち上がり時間が長くて、磁気飽和に至るまでの時間が長い交流変流器としたので、電路に短絡電流が流れたとき短絡電流の大小にかかわらず引き外し装置７を駆動する制御装置６に確実に電源供給できて遮断動作を行うことができる。

また、電路１ａ、１ｂの線間電圧に基づいて制御装置６に電力を供給する第２の電源回路１０を備えたので、過電流発生時にも第２の電源回路１０から引き外し装置７を駆動する制御装置６に電源供給できて遮断動作を確実に行うことができる。

なお、本実施の形態では、第１の交流変流器８ａはできるだけ速く制御装置６等の動作可能下限電圧Ｖ１０を得るように、第２の交流変流器８ｂはできるだけ長く制御装置６等の動作可能下限電圧Ｖ１０を確保なできるように磁気飽和特性を異ならせる方法として、２次巻線数を変える方法を示したが、この方法に限るものではない。例えば、ギャップ付の磁心を使用してギャップを変えることで磁気飽和特性を異ならせる方法、交流変流器の磁心の断面積を変える方法、交流変流器の磁心の磁路長をかえる方法、交流変流器の磁心の材料を変える方法などを採用することが可能である。

また、本実施の形態では、第１の電源回路９のための交流変流器として、直流電路１ａ、１ｂに磁心の飽和電流が異なる交流変流器を各１個ずつ設けたが、短絡事故時により安定した電源を第１の電源回路９により生成するために、互いに磁心の飽和電流が異なる交流変流器を３個以上直流電路に設けてもよい。

実施の形態２．
図４は本発明の実施形態２における直流回路遮断器の構成を示すブロック図である。図５は短絡事故時の直流電路電流及び直流電路に設けられた第１の交流変流器８ａ及び第２の交流変流器８ｂの出力を示す波形図で、（ａ）は直流電路に流れる電路電流と第１の交流変流器８ａの出力電流及び出力電圧の波形図、（ｂ）は直流電路に流れる電路電流と第２の交流変流器８ｂの出力電流及び出力電圧の波形図、（ｃ）は直流電路１ａ及び１ｂに流れる電路電流と第１の交流変流器８ａ及び第２の交流変流器８ｂの合成出力を示す波形図である。実施の形態１における図２と異なり、短絡電流は比較的緩やかに増加している。図６は第１の電源回路９と第２の電源回路１０で生成される出力電圧の波形図で、（ａ）は第１の電源回路９で生成される出力電圧の波形図、（ｂ）は第２の電源回路１０で生成される出力電圧の波形図、（ｃ）は第１の電源回路９の出力電圧と第２の電源回路１０の出力電圧を合成した電源電圧Ｖｃｃの波形図である。

図４において、直流回路遮断器１０１は、実施の形態１における第１の電源回路９の第１の電流制限抵抗９２とコンデンサ９３との接続点と、第２の電流制限抵抗９６との間に出力制御手段であるスイッチ９６を設け、第１及び第２の電流センサ３ａ、３ｂのそれぞれの出力信号と所定の基準値とを比較し少なくともいずれか一方が基準値を超過した場合にスイッチ９６を閉成制御する出力信号を出力するコンパレータ部１２を設けている。なお、コンパレータ部１２の基準値は制御装置６へあらかじめ与えている引き外し閾値と等しいか若干小さく設定されることが望ましい。本実施の形態では等しいものとする。その他の構成については、実施の形態１と同様なので、説明は省略する。

次に動作について説明する。
通常時においては、直流電路１ａ、１ｂの線間電圧が第２の電源回路１０の第２の整流回路１０１に印加される。第２の整流回路１０１は、正負を逆接続されても正常動作させるために設けられている。第２の整流回路１０１の出力は第３の電流制限抵抗１０２を介して第２のツェナーダイオード１０４に印加され、第２のツェナーダイオード１０４により抑制された電圧が定電圧回路１０３に入力される。定電圧回路１０３により定電圧化された電圧が流防止用ダイオード１０５を介して、電源電圧Ｖｃｃとして第１の電流センサ３ａ、第２の電流センサ３ｂ、信号変換回路４、Ａ／Ｄ変換回路５及び制御装置６に供給される。一方、直流電路１ａ及び１ｂに流れる電流は直流なので、第１及び第２の交流変流器８ａ、８ｂの出力は発生せず、第１の電源回路９は動作しない。

直流電路１ａ、１ｂの負荷側における短絡事故発生時においては、線間電圧が喪失されるため、第２の電源回路１０の生成電圧は図６（ａ）に示すように制御装置６などの電力消費により低下していく。

第１の電源回路９においては、直流電路１ａ、１ｂの電路電流が急激に増加するため、図５（ａ）に示すように、第１の交流変流器８ａの出力電流及び電圧は、電路電流の増加に伴い急速に立ち上がるが、磁心がすぐに飽和するので出力は短時間で低下する。一方、図５（ｂ）に示すように、第２の交流変流器８ｂの出力電流及び電圧は、第１の交流変流器８ａに比べるとゆるやかに立ち上がり、磁心はすぐに飽和しないので、第２の交流変流器８ｂの出力は第１の交流変流器８ａに比べ長時間維持される。そして、第１の交流変流器８ａと第２の交流変流器８ｂの出力を合成した出力は、図５（ｃ）に示すように立ち上がり時間も短く、出力の維持時間も長いものとなる。

しかしながら、実施の形態１で示した場合と異なり、短絡電流の増加が比較的緩やかなので、電路電流が遮断電流Ｉｍａｘに到達する時間Ｔ１３まで、第１及び第２の交流変流器８ａ、８ｂの出力を得ることはできない。したがって、スイッチ９６をオンさせたままだと、図６（ａ）に示すように電路電流が遮断電流Ｉｍａｘに到達する前の時間Ｔ１２に電源電圧Ｖｃｃは、制御装置６及び引外装置７の動作下限電圧Ｖ１０より低下してしまい、引き外し装置７を駆動できず、結果として電路の遮断動作を行うことができない。

そこで本実施の形態では、図６（ｂ）に示すようにコンデンサ９３の充電電圧が動作下限電圧Ｖ１０（例えば５Ｖ）に達して（時間Ｔ１１）制御装置６等が動作可能な電圧レベルとなっても、スイッチ９６をオフのままとし、第１の電源回路９から制御装置６等へは電源電圧の供給を行わないようにする。コンデンサ９３は放電することなく第１及び第２の交流変流器８ａ、８ｂから得られるエネルギーをすべて充電していく。ただし、第１及び第２の電流センサ３ａ、３ｂ及びコンパレータ部１２へは、コンデンサ９３の電圧を電源として供給するものとする。

電路電流がさらに増加し第１及び第２の電流センサ３ａ、３ｂの出力信号がコンパレータ部１２の基準値を超過すると、コンパレータ部１２よりスイッチ９６に対してオン信号が出力されスイッチ９６がオンする（Ｔ１３）。スイッチ９６がオンすると第１の電源回路９から制御装置６、信号変換回路４及びＡ／Ｄ変換回路５へ電源電圧Ｖｃｃが供給され、制御装置６は信号変換回路４およびＡ／Ｄ変換回路５を経て入力される電路電流のデジタル信号値に対し、あらかじめ設定されている引き外し閾値との比較判定を行う。本実施の形態では引き外し閾値がコンパレータ部１１の基準値と等しいため、引き外し装置７に対し直ちに引き外し信号が出力され、引き外し装置７により開閉接点２が開放され、直流電路の開離が完了する。

また、制御装置６、引き外し装置７等へ第１の電源回路９からの電源電圧Ｖｃｃの供給を開始するタイミングをコンパレータ部１２により制御できるため、短絡事故の状態により短絡電流の立ち上がり時間が緩やかな場合でも電源電圧Ｖｃｃを制御装置６および引き外し装置７等へ供給することができ、引き外し装置７を駆動する制御装置６に確実に電源供給できて遮断動作を確実に行うことができる。

本発明の実施の形態１における直流回路遮断器の構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態１における短絡事故時の直流電路電流と直流電路に設けられた第１の交流変流器８ａ及び第２の交流変流器８ｂの出力を示す波形図である。本発明の実施の形態１における第１の電源回路９と第２の電源回路１０で生成される出力電圧の波形図である。本発明の実施の形態２における直流回路遮断器の構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態２における短絡事故時の直流電路電流及び直流電路に設けられた第１の交流変流器８ａ及び第２の交流変流器８ｂの出力を示す波形図である。本発明の実施の形態２における第１の電源回路９と第２の電源回路１０で生成される出力電圧の波形図である。

符号の説明

２開閉接点、第１の電流センサ３ａ、第２の電流センサ３ｂ、
６制御装置、７引き外し装置、
８ａ第１の交流変流器、８ｂ第２の交流変流器、
９第１の電源回路、１００直流回路遮断器。

Claims

直流電路を開閉する開閉接点と、この開閉接点を開放する引き外し装置と、前記直流電路の電流を検出する電流検出手段と、この電流検出手段の検出電流に応動して前記引き外し装置に引き外し信号を出力する制御装置と、前記直流電路に設けられ、前記直流電路に短絡電流が流れたとき短絡電流の大小にかかわらず少なくとも１つからは所定の電圧が所定時間以上得られるように互いの出力特性を異ならせた複数の交流変流器と、前記直流電路に短絡電流が流れたとき前記交流変流器の出力電圧に基づいて前記制御装置に電力を供給する第１の電源回路と、を備えた直流回路遮断器。
複数の交流変流器は、出力の立ち上がり時間が短く所定の電圧を出力する第１の交流変流器と、前記第１の交流変流器より出力の立ち上がり時間が長くて、磁気飽和に至るまでの時間が長い第２の交流変流器とを設けたことを特徴とする請求項１に記載の直流回路遮断器。
前記直流電路の線間電圧に基づいて前記制御装置に電力を供給する第２の電源回路を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の直流回路遮断器。
電流検出手段の検出電流に基づいて直流電路の電流が所定値を超えたとき第１の電源回路から制御装置に電力を供給する出力制御手段を備えたことを特徴とする請求項３に記載の直流回路遮断器。