JP2014236306A - 直流電流遮断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】直流送電網の直流電圧Ｖａ，Ｖｂの事故時に事故点の直流電流を高速遮断する。
【解決手段】実施の形態によれば、直流送電網の直流電圧Ｖａ・Ｖｂ事故時の事故点を切り離す直流電流遮断装置であって、直流電圧ＶａとＶｂとの間の機械接点式遮断器及び半導体遮断器の直列回路からなる第１および第２の直流回路系１０と、直流電圧Ｖａ及び直流電圧Ｖｂと直流回路系の接続部と基準電位との間のダイオードと半導体遮断器との直列回路からなる第１及び第２の還流機能回路２０，４０と、前記２つの直流回路系の接続部と基準電位との間のダイオード及び半導体遮断器の直列回路からなる転流機能回路３０とを備え、直流電圧Ｖａ又はＶｂの短絡時、転流機能回路の半導体遮断器をオンし、かつ、正常時にオンしていた直流回路系及び第１及び第２の還流機能回路のうち、短絡側と反対側の直流回路系及び前記還流機能回路をオフする直流電流遮断装置である。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、直流電流遮断装置に関する。

近年、風力発電、太陽光発電、太陽熱発電などの再生可能エネルギーの普及が促進されているが、より大電力の再生可能エネルギーでまかなうためには、洋上風力発電、砂漠地帯での太陽光発電や太陽熱発電が検討され始めている。

洋上風力発電においては、洋上発電された電力を消費地である都市まで海底ケーブルで大電力送電したり、アフリカや中国大陸奥部の砂漠地で発電された大電力を例えばヨーロッパや沿岸地帯の大都市まで長距離にわたって高効率に送電することが必要になってくる。

このような要求に対応するためには、従来の三相交流による電力送電よりも、直流送電のほうが高効率、かつコストを抑えながら設置することが可能になるため、直流送電網の構築が検討され始めている。

ところで、直流送電システムは、長距離大電力の送電に適用する場合、従来の交流送電システムに比べて、低コストで設置可能であり、送電損失が少ない高効率システムを構築することが可能であるが、落雷などによって系統事故が発生したとき、その系統事故の事故発生点を迅速に遮断することが難しい。

交流送電システムにおいては、機械接点式遮断器により、交流電流が交流周波数５０Hzまたは６０Hzの半サイクルごとにゼロを横切る点を利用して電流遮断することができるのに対して、直流送電システムでは直流電流がゼロを横切る点が無いため、機械接点式の遮断器ではアークが発生して直流電流を容易に遮断できない為である。

通常、電力送電網を構築する場合、事故発生点を送電網から高速に切り離して健全な送電網だけで運転継続しなければならない要求が出てくるが、前述したように系統事故時に事故電流を高速に遮断できない制約があると、以上のような直流送電網を構築できなくなってしまう。

そこで、従来、図６に示すように、直流送電網の直流電圧Ｖａ，Ｖｂ間に、複数個のＨ形ブリッジユニット１０１，…を直列接続した構成の直流電流遮断装置が提案されている。各Ｈ形ブリッジユニット１０１は、自己消弧能力を持つ例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等の半導体素子をそれぞれ２個直列接続した２つのレグとコンデンサとが並列接続された回路構成となっている。

ここで、複数個のＨ形ブリッジユニット１０１，…を直列接続した理由は、１個のＨ形ブリッジユニット１０１を構成する半導体素子の耐電圧が小さいので、直流送電網の直流電圧に相当する耐電圧を確保するために、複数個のＨ形ブリッジユニット１０１，…を直列に接続したものである。

この直流電流遮断装置は、定常動作時、各Ｈ形ブリッジユニット１０１，…のレグを構成する複数の半導体素子をオンして定常動作時の直流電流を流し、系統事故の発生時には当該半導体素子をオフし、半導体素子の自己消弧能力を活用して直流事故電流でも高速に遮断することが可能であり、将来の直流送電システムにおいても事故電流を高速に遮断することが可能となった。

しかしながら、以上のような高速遮断が可能な回路構成では、送電する電力全てが常時複数のＨブリッジユニット１０１，…の半導体素子を通過することになるため、大きな導通損失が発生し、ひいては遮断装置の容量増大、多数の半導体素子の電流通過に伴う送電損失の増加によって通常運転時の送電効率の低下を招く。

また、Ｈブリッジユニット１０１は、直流送電網の直流電圧分に相当する耐電圧が必要であり、Ｈブリッジユニット１０１×４倍、つまり直流電圧×４倍の半導体素子が必要となり、コストが増大する。

そこで、以上のような問題を解決するために、図７に示すような直流電流遮断装置が提案されている。

この直流電流遮断装置は、直流送電網の直流電圧Ｖａ，Ｖｂ間に、機械接点式遮断器１０２と補助半導体遮断器１０３との直列回路と、もう１つの半導体遮断器１０４とで並列接続した回路構成である。この半導体遮断器１０４にはアレスタ１０５が並列接続されている。

この直流電流遮断装置によれば、定常動作時には、機械接点式電流遮断器１０２と補助半導体遮断器１０３をオン状態にし、半導体遮断器１０４をオフ状態に設定する。このとき、通常の直流電流は、機械接点式電流遮断器１０２と補助半導体遮断器１０３の直列回路を通って流れる。

一方、系統事故発生時には、補助半導体遮断器１０３をオフすると同時に並列接続の半導体遮断器１０４をオンする。これにより、事故電流はすべて並列接続の半導体遮断器１０４に流れ始める。その後、機械接点式電流遮断器１０２に流れる電流がゼロになった時点で、機械接点式電流遮断器１０２を切り離して絶縁耐圧を確保できるような状態にし、並列接続側の半導体遮断器１０４をオフすることにより、事故電流を遮断する。

この直流電流遮断装置は、定常動作時の導通損失は補助半導体遮断器１０２の導通損失だけであるので、図６に示す直流電流遮断装置に比べて導通損失を低減できるが、事故点に応じて両方向，Ｖａ→Ｖｂ及びＶｂ→Ｖａの方向に流れる直流電流を遮断する必要から、直流電圧Ｖａ又はＶｂ（略Ｖａ＝Ｖｂ）×２倍の耐電圧に耐えうる多数の半導体素子からなる半導体遮断器１０４が必要となり、コスト的に高くなることから改善する余地があった。

国際公開第２０１１／１２１７４号パンフレット 国際公開第２０１１／５７６７４号パンフレット

本発明が解決しようとする課題は、直流事故電流を高速に遮断する機能を有し、かつ設備容量及び導通損失の低減によって高効率・低コストの直流電流遮断装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、実施形態に係る直流電流遮断装置は、直流送電網の直流電圧Ｖａ・Ｖｂ間に設置され、当該直流電圧Ｖａ、Ｖｂの事故時に事故点を切り離す直流電流遮断装置であって、前記直流電圧Ｖａと前記直流電圧Ｖｂとの間に設けられ、第１の機械接点式遮断器と第１の補助半導体遮断器との直列回路からなる第１の直流回路系と、前記直流電圧Ｖａと前記第１の直流回路系一端部との接続部と基準電位との間に設けられ、ダイオードと半導体遮断器との直列回路からなる第１の還流機能回路と、前記第１の直流回路系他端部と前記直流電圧Ｖｂとの接続部と基準電位との間に設けられ、半導体遮断器の直列回路からなる第１の転流機能回路とを備え、前記直流電圧Ｖａ、Ｖｂの正常時、前記第１の転流機能回路の半導体遮断器をオフ、その他の前記半導体遮断器及び前記機械接点式遮断器をオンとし、前記直流電圧Ｖａの短絡時、前記第１の転流機能回路の半導体遮断器をオンし、その他の前記補助半導体遮断器及び前記機械接点式遮断器をオフした後に前記第１の転流機能回路の半導体遮断器及び第１の還流機能回路の半導体遮断器をオフすることにより前記直流回路系に流れる直流電流を遮断する直流電流遮断装置である。

実施の形態１に係る直流電流遮断装置の構成を示す構成図。 実施の形態２に係る直流電流遮断装置の構成を示す構成図。 実施の形態３に係る直流電流遮断装置の構成を示す構成図。 実施の形態４に係る直流電流遮断装置の構成を示す構成図。 各実施の形態における転流機能回路の他の構成例を示す図。 従来の直流電流遮断装置の一例を示す構成図。 従来の直流電流遮断装置の別の例を示す構成図。

以下、実施の形態について図面を参照して説明する。
（実施の形態１：請求項１，２，５，６に対応する）
図１は実施の形態１に係る直流電流遮断装置の構成を示す図である。
実施の形態１に係る直流電流遮断装置は、直流送電網の直流電圧Ｖａ、Ｖｂを遮断し、電気的に絶縁する構成を備えている。

直流電流遮断装置は直流送電網の直流電圧Ｖａ、Ｖｂ間に設置される。直流電流遮断装置は、直流回路系１０と、第１の還流機能回路２０と、第１の転流機能回路３０と、第２の還流機能回路４０とによって構成される。

直流回路系１０は、直流電圧Ｖａ側からリアクトルＬａ、機械接点式遮断器１１ａ、半導体遮断器１２ａ、半導体遮断器１２ｂ、機械接点式遮断器１１ｂ及びリアクトルＬｂが直列に接続され、直流電圧Ｖｂ側に接続されている。

第１の還流機能回路２０は、直流回路系１０のリアクトルＬａと機械接点式遮断器１１ａとの接続部と基準電位（零電位）との間に接続されている。第１の還流機能回路２０は、複数個直列接続されたダイオード２１と半導体遮断器２２とが直列接続され、この半導体遮断器２２にアレスタ２３が並列接続されている。

第１の転流機能回路３０は、直流回路系１０を構成する２つの半導体遮断器１２ａ、１２ｂの接続部と基準電位（零電位）との間に接続されている。第１の転流機能回路３０は、複数個直列接続された半導体遮断器３１とアレスタ３２とが並列に接続されている。

第２の還流機能回路４０は、直流回路系１０のリアクトルＬｂと機械接点式遮断器１１ｂとの接続部と基準電位（零電位）との間に接続されている。第２の還流機能回路４０は、複数個直列接続されたダイオード４１と半導体遮断器４２とが直列接続され、この半導体遮断器４２にアレスタ４３が並列接続されている。

なお、直流電流の遮断が直流電圧Ｖｂ→直流電圧Ｖａの一方向のみでよいときは、半導体遮断器１２ｂ、機械接点式遮断器１１ｂ、第２の還流機能回路４０及びリアクトルＬｂは無くてもよい。つまり、直流電圧Ｖｂが（イ）点に直接印加された構成となる。

次に、以上のような実施の形態１に係る直流電流遮断装置の作用について説明する。
（１） 直流電圧Ｖａ、Ｖｂが正常な状態であり、所望の直流電圧が維持されているとき（定常動作時）は、第１の転流機能回路３０の半導体遮断器３１はオフ、その他の直流回路系１０の半導体遮断器１２ａ及び機械接点式遮断器１１ａ、第１の還流機能回路２０の半導体遮断器２２、直流回路系１０の半導体遮断器１２ｂ及び機械接点式遮断器１１ｂ、第２の還流機能回路４０の半導体遮断器４２はオンであり、直流電圧Ｖａから直流電圧Ｖｂ又はその逆方向に直流電流が流れている。

（２） 直流電圧Ｖａが短絡し、その電圧が０に近い電圧に低下したとき、直流電圧Ｖｂから直流電圧Ｖａに向かって電流が増大し、直流電圧Ｖｂ→リアクトルＬｂ→機械接点式遮断器１１ｂ→半導体遮断器１２ｂ→半導体遮断器１２ａ→機械接点式遮断器１１ａ→リアクトルＬａ→直流電圧Ｖａの経路で流れる。

直流回路系１０に流れる電流の増大を電流センサ（図示せず）にて検知し、直流回路系１０に短絡事故が発生したと判断した時、第１の転流機能回路３０の半導体遮断器３１をオンし、その後直流回路系１０の半導体遮断器１２ａをオフする。

この時、リアクトルＬａを流れている電流はリアクトルＬａ→半導体遮断器２２→ダイオード２１→リアクトルＬａに還流し、これを電流Ｉａとする。一方、リアクトルＬｂを流れている電流はリアクトルＬｂ→機械接点式遮断器１１ｂ→半導体遮断器１２ｂ→半導体遮断器３１の経路に転流し、これを電流Ｉｂとする。

この転流動作により、機械接点式遮断器１１ａには電流が流れなくなり、アークを発生せずに機械接点を開くことができる。機械接点式遮断器１１ａの機械接点間の絶縁耐電圧が、半導体遮断器３１に並列に接続されたアレスタ３２と、半導体遮断器２２に並列に接続されたアレスタ２３の合計電圧より大きくなった後、半導体遮断器３１、半導体遮断器２２をオフする。アレスタ３２によりリアクトルＬｂに蓄積されたエネルギーは消費され、電流Ｉｂが低減する。同様に、アレスタ２３によりリアクトルＬａに蓄積されたエネルギーは消費され、電流Ｉａが低減する。以上の動作により、直流回路系１０に流れる電流は０となり、直流電流の遮断が完了する。

なお、電流Ｉａは半導体遮断器１２ａがオフした後は増大しないので、半導体遮断器２２は電流Ｉｂの遮断が完了した後にオフしてもよい。このような動作をするのであれば、機械接点式遮断器１１ａの絶縁耐電圧はアレスタ３２のみの電圧より大きく設計すればよい。

（３） 直流電圧Ｖｂが短絡したときは、第１の転流機能回路３０の半導体遮断器３１を中心に反対側の機械接点式遮断器１１ｂ、半導体遮断器１２ｂ、半導体遮断器４２が直流電圧Ｖａ短絡時と対称的に動作し、同様に直流電流を遮断する。

次に、各機能回路１０〜４０の構成要素の耐電圧などについて説明する。

第１の転流機能回路３０のアレスタ３２の動作電圧は直流電圧Ｖａ及び直流電圧Ｖｂより大きくし、リアクトルＬａ、Ｌｂに蓄積されたエネルギーを吸収できるようにする。半導体遮断器３１の耐電圧はアレスタ３２の動作電圧より大きくする。直流電圧Ｖａ及び直流電圧Ｖｂが数１００ＫＶに及ぶ場合、半導体遮断器３１は1つの半導体素子で構成することはできず、複数の半導体素子を直列にして耐電圧を大きくする。両還流機能回路２０，４０のダイオード２１、４１も同様である。

半導体遮断器１２ａの耐電圧は、電流Ｉｂが半導体遮断器３１を流れる際の電圧降下と、電流Ｉａがダイオード２１及び半導体遮断器２２を流れる際の電圧降下と、事故電流が電流Ｉａ及び電流Ｉｂに転流する際に、回路上に現れていない接続点や線路等の寄生インダクタンスに起因するサージ電圧とを合計した値より大きくする。通常、このように設計された半導体遮断器１２ａの耐電圧は半導体遮断器３１の耐電圧より小さい。このため、直流回路正常時に流れる電流が半導体遮断器１２ａに流れることによって生じる損失を小さくできる。また、図１に示す回路の対称性から半導体遮断器１２ｂも半導体遮断器１２ａと同じ耐電圧で設計される。

また、第１の還流機能回路２０のアレスタ２３の動作電圧は電流Ｉａの遮断時間によって任意に決定できる。半導体遮断器２２の耐電圧はアレスタ２３の動作電圧よりも大きくする。第２の還流機能回路４０の半導体遮断器４２の耐電圧は半導体遮断器２２と同様の耐電圧が決定される。

さらに、実施の形態１に係る直流電流遮断装置が従来の直流電流遮断装置よりも優れている点について説明する。

従来の図６に示す直流電流遮断装置では、Ｈ形ブリッジユニット１０１は、少なくとも直流電圧Ｖａ，Ｖｂ相当分の耐電圧が必要であり、Ｈ形ブリッジユニット１０１（４個の半導体素子）×４倍，つまり直流電圧Ｖａ又はＶｂ（Ｖａ＝Ｖｂ）×４倍の半導体素子が必要となる。

その結果、定常動作時の直流電流は、Ｈ形ブリッジユニット１０１の少なくとも半分である２個の半導体素子を通過するため、導通損失が大きくなる。

これに対して、実施の形態１では、ほとんど損失のない機械接点式遮断器１１ａ、機械接点式遮断器１１ｂと、直流電圧に比べて耐電圧が大幅に小さい半導体遮断器１２ａ、半導体遮断器１２ｂを通過するため、従来の遮断装置と比較して定常動作時（回路正常時）の導電損失を大幅に低減できる。

さらに、実施の形態１の第１の転流機能回路３０を構成する半導体遮断器３１はアレスタ３２動作電圧分のみの半導体素子で構成でき、アレスタ３２の動作電圧は通常，直流回路系１０の２倍に満たない値であるため、図６に示す遮断装置と比較してコストを低減できる。

従来の図７に示す別の直流電流遮断装置の半導体遮断器１０４は、実施の形態１の半導体遮断器３１に相当し、同等の機能を有する。

しかし、直流送電網の直流電圧Ｖａ及びＶｂのどちらかに短絡事故が発生しても遮断できるように、半導体遮断器１０４の反対方向にも異なる極性接続による同数の半導体素子が直列に接続されている。直流電流遮断装置の構成の中で、最もコストが大きいのは耐電圧が最も大きい半導体遮断器１０４である。実施の形態１の半導体遮断器３１は、半導体遮断器１０４（３１相当）が２倍相当必要とする従来の遮断装置と比較して、コスト大幅に低減できる。

（実施の形態２：請求項３，４，５，６に対応する）
図２は実施の形態２に係る直流電流遮断装置の構成を示す図である。

実施の形態２に係る直流電流遮断装置は、直流送電網の直流電圧Ｖａ、Ｖｂを遮断し、電気的に絶縁する構成を備えている。

この直流電流遮断装置は、図１と同様に、直流回路系１０と、第１の還流機能回路２０と、第１の転流機能回路３０と、第２の還流機能回路４０とによって構成される。従って、図２において、図１と同一又は等価な構成部分には図１と同一の符号を付して、その重複する説明は省略する。

図２において特に異なるところは、直流回路系１０を構成する半導体遮断器１２ａ、１２ｂをそれぞれＨ形ブリッジユニット１３ａ、１３ｂに置き換えたものである。すなわち、実施の形態１では、機械接点式遮断器１１ａと半導体遮断器１２ａとが直列に接続されているが、実施の形態２では機械接点式遮断器１１ａとＨ形ブリッジユニット１３ａとが並列に接続される。また、機械接点式遮断器１１ｂにも同様にＨ形ブリッジユニット１３ｂが並列に接続されている。

なお、直流電流の遮断が直流電圧Ｖｂ→直流電圧Ｖａの一方向のみでよいときは、Ｈ形ブリッジユニット１３ｂ、機械接点式遮断器１１ｂ、第２の還流機能回路４０及びリアクトルＬｂは無くてもよい。つまり、直流電圧Ｖｂが（イ）点に直接印加された構成となる。

次に、以上のような実施の形態２に係る直流電流遮断装置の作用について説明する。
（１） 直流電圧Ｖａ、Ｖｂが正常な状態であり、所望の直流電圧が維持されているとき（定常動作時）は、第１の転流機能回路３０の半導体遮断器３１はオフ、その他の直流回路系１０の機械接点式遮断器１１ａ及びＨ形ブリッジユニット１３ａ、第１の還流機能回路２０の半導体遮断器２２、直流回路系１０の機械接点式遮断器１１ｂ及びＨ形ブリッジユニット１３ｂ、第２の還流機能回路４０の半導体遮断器４２はオンであり、直流電圧Ｖａから直流電圧Ｖｂまたはその逆方向に直流電流が流れている。

このとき、Ｈ形ブリッジユニット１３ａは、機械接点式遮断器１１ａの電圧降下よりも大きい電圧を出力しているので、直流電流は機械接点式遮断器１１ａを通過する。

Ｈ形ブリッジユニット１３ｂについても同様であって、機械接点式遮断器１１ｂの電圧降下よりも大きい電圧を出力しているので、直流電流は機械接点式遮断器１１ｂを通過する。

（２） 直流電圧Ｖａが短絡し、その電圧が０に近い電圧に低下したとき、直流電圧Ｖｂから直流電圧Ｖａに向かって電流が増大し、直流電圧Ｖｂ→リアクトルＬｂ→機械接点式遮断器１１ｂ→機械接点式遮断器１１ａ→リアクトルＬａ→直流電圧Ｖａの経路で流れる。

直流回路系１０に流れる電流の増大を電流センサ（図示せず）にて検知し、直流回路系１０に短絡事故が発生したと判断した時、第１の転流機能回路３０の半導体遮断器３１をオンするが、機械接点式遮断器１１ａ及びＨ形ブリッジユニット１３ａもオン状態となっている。しかし、Ｈ形ブリッジユニット１３ａは、機械接点式遮断器１１ａの電圧降下よりも小さい電圧を出力しているので、機械接点式遮断器１１ａの事故時の電流を０にすることができる。

この時、リアクトルＬａを流れている電流はリアクトルＬａ→半導体遮断器２２→ダイオード２１→リアクトルＬａに還流する。一方、リアクトルＬｂを流れている電流はリアクトルＬｂ→機械接点式遮断器１１ｂ→転流機能回路３０の半導体遮断器３１→直流電圧Ｖｂの経路に転流する。

以降は、実施の形態１と同様に、転流動作により、機械接点式遮断器１１ａには電流が流れなくなり、アークを発生せずに機械接点を開くことができる。このとき、機械接点式遮断器１１ａの機械接点間の絶縁耐電圧が、半導体遮断器３１に並列接続されるアレスタ３２、半導体遮断器２２に並列接続されるアレスタ２３との合計電圧よりも大きくなった後、半導体遮断器３１、半導体遮断器２２をオフする。

アレスタ３２によりリアクトルＬａに蓄積されたエネルギーは消費され、電流が低減する。以上の動作により、直流回路系１０に流れる電流は０となり、直流電流の遮断が完了する。

Ｈ形ブリッジユニット１３ａ及びＨ形ブリッジユニット１３ｂのコンデンサ電圧は、実施の形態1の半導体遮断器１２ａ及び半導体遮断器１２ｂの耐電圧と同等の値である。従って、Ｈ形ブリッジユニット１３ａ，１３ｂを構成する４つの半導体素子の耐電圧も、半導体遮断器１２ａ及び半導体遮断器１２ｂと同等の値であり、概して半導体遮断器３１よりも小さい値となる。使用する半導体が増えるので実施の形態1よりもコストが増大するが、全体の直流遮断装置としてのコストで比較すれば、その増大分は無視できる。

さらに、実施の形態２においては、回路正常時の直流電流が機械接点式遮断器１１ａ、機械接点式遮断器１１ｂを流れ、Ｈ形ブリッジユニット１３ａ，１３ｂの半導体素子を一切通過しないため、実施の形態1と比較してさらに損失が低減する。

（実施の形態３：請求項７，８，１１に対応する）
図３は実施の形態３に係る直流電流遮断装置の構成を示す図である。

実施の形態３に係る直流電流遮断装置は、直流送電網の直流電圧Ｖａ、Ｖｂを遮断し、電気的に絶縁する構成を備えている。

この直流電流遮断装置は、実施の形態１（図１参照）の機械接点式遮断器１１ｂを削除し、第１の還流機能回路２０を構成するダイオード２１と半導体遮断器２２との直列回路に新たに第２の転流機能回路５０を並列に接続した構成である。

第２の転流機能回路５０は、半導体遮断器５１とアレスタ５２とを並列接続した構成となっている。

その他の構成は、実施の形態１と全く同じ構成である。従って、図３において、図１と同一又は等価な構成部分には図１と同一の符号を付して、その重複する説明は省略する。

なお、直流電流の遮断が直流電圧Ｖｂ→直流電圧Ｖａの一方向のみでよいときは、第２の転流機能回路５０のアレスタ５２を含む半導体遮断器５１、第２の還流回路４０及びリアクトルＬｂ、半導体遮断器１２ｂは無くてもよい。

次に、以上のような実施の形態３に係る直流電流遮断装置の作用について説明する。
（１） 直流電圧Ｖａ、Ｖｂが正常な状態であり、所望の直流電圧が維持されているとき（定常動作時）は、第１の転流機能回路３０の半導体遮断器３１及び第２の転流機能回路５０の半導体遮断器５１はオフ、その他の半導体遮断器２２、直流回路系１０の機械接点式遮断器１１ａ及び半導体遮断器１２ａ、１２ｂ、半導体遮断器４２はオンであり、直流電圧Ｖａから直流電圧Ｖｂまたはその逆方向に直流電流が流れている。

（２） 直流電圧Ｖａが短絡したときの直流電流の遮断動作は、実施の形態１と同様であるので、実施の形態１の説明に譲る。

（３） 直流電圧Ｖｂが短絡し、その電圧が0に近い電圧に低下したとき、直流電圧Ｖａから直流電圧Ｖｂに向かって電流が増大し、直流電圧Ｖａ→リアクトルＬａ→機械接点式遮断器１１ａ→半導体遮断器１２ａ→半導体遮断器１２ｂ→リアクトルＬｂ→直流電圧Ｖｂの順に流れる。

直流回路系１０に流れる電流の増大を電流センサ（図示せず）にて検知し、直流回路系１０に短絡事故が発生したと判断した時、第２の転流機能回路５０の半導体遮断器５１をオンし、その後に直流回路系１０の半導体遮断器１２ｂをオフする。

この時、リアクトルＬａを流れている電流はリアクトルＬａ→半導体遮断器５１→直流電圧Ｖａの経路に転流し、これを電流Ｉａ´とする。一方、リアクトルＬｂを流れている電流はリアクトルＬｂ→半導体遮断器４２→ダイオード４１→リアクトルＬｂに還流し、これを電流Ｉｂ´とする。

その結果、機械接点式遮断器１１ａには電流が流れなくなり、アークを発生せずに機械接点を開くことができる。機械接点式遮断器１１ａの機械接点間の絶縁耐電圧が、半導体遮断器５１に並列に接続されたアレスタ５２と、半導体遮断器４２に並列に接続されたアレスタ４３の合計電圧より大きくなった後、半導体遮断器５１、半導体遮断器４２をオフする。アレスタ５２によりリアクトルＬａに蓄積されたエネルギーは消費され、電流Ｉａ´が低減する。同様に、アレスタ４３によりリアクトルＬｂに蓄積されたエネルギーは消費され、電流Ｉｂ´が低減する。以上の動作により、直流回路に流れる電流は０となり、直流電流の遮断が完了する。

なお、電流Ｉｂ´は半導体遮断器１２ｂがオフした後は増大しないので、電流Ｉａ´の遮断が完了した後に半導体遮断器４２をオフしてもよい。

この実施の形態３の構成によれば、実施の形態1と比較したとき、機械接点式遮断器１１ｂを削減した分、半導体遮断器５１が増えているが、機械接点式遮断器１１ｂのコストが半導体遮断器５１のコストよりも大きい場合、全体のコストの低減化に寄与する。

（実施の形態４：請求項９，１０，１１に対応する）
図４は実施の形態４に係る直流電流遮断装置の構成を示す図である。

実施の形態４に係る直流電流遮断装置は、直流送電網の直流電圧Ｖａ、Ｖｂを遮断し、電気的に絶縁する構成を備えている。

この直流電流遮断装置は、図３と同様に、直流回路系１０と、第１の還流機能回路２０と、第１の転流機能回路３０と、第２の還流機能回路４０と、第２の転流機能回路５０とによって構成される。従って、図４において、図３と同一又は等価な構成部分には図３と同一の符号を付して、その重複する説明は省略する。

図４において特に異なるところは、直流回路系１０を構成する半導体遮断器１２ａ、１２ｂをＨ形ブリッジユニット１３ａで置き換えたものである。すなわち、実施の形態３では機械接点式遮断器１１ａに半導体遮断器１２ａと半導体遮断器１２ｂとの直列回路が接続されていたが、実施の形態４では機械接点式遮断器１１ａとＨ形ブリッジユニット１３ａとを並列に接続した構成である。

なお、直流電流の遮断が直流電圧Ｖｂ→直流電圧Ｖａの一方向のみでよいときは、第２の転流機能回路５０アレスタ５２を含む半導体遮断器５１、第２の還流機能回路４０及びリアクトルＬｂは無くてもよい。

次に、実施の形態４に係る直流電流遮断装置の作用について説明する。
（１） 直流電圧Ｖａ、Ｖｂが正常な状態であり、所望の直流電圧が維持されているとき（定常動作時）は、Ｈ形ブリッジユニット１３ａは機械接点式遮断器１１ａの電圧降下より大きい電圧を出力しており、直流電流は機械接点式遮断器１１ａを通過する。

（２） 直流電圧Ｖａが短絡したときの直流電流の遮断動作は、実施の形態２と同様であるので、ここではその説明を省略し、実施の形態２の説明に譲る。

（３） 直流電圧Ｖｂが短絡し、その電圧が０に近い電圧に低下したとき、直流電圧Ｖａから直流電圧Ｖｂに向かって電流が増大し、直流電圧Ｖａ→リアクトルＬａ→機械接点式遮断器１１ａ→リアクトルＬｂ→直流電圧Ｖｂの経路で流れる。

直流回路系１０に流れる電流の増大を電流センサ（図示せず）にて検知し、直流回路系１０に短絡事故が発生したと判断した時、転流機能回路３０の半導体遮断器３１をオンするが、機械接点式遮断器１１ａ及びＨ形ブリッジユニット１３ａもオン状態となっている。しかし、Ｈ形ブリッジユニット１３ａは、機械接点式遮断器１１ａの電圧降下よりも小さい電圧を出力しているので、機械接点式遮断器１１ａの事故時の電流を０にすることができる。

この時、リアクトルＬａを流れている電流はリアクトルＬａ→半導体遮断器５１→直流電圧Ｖａの経路に転流する。リアクトルＬｂを流れている電流はリアクトルＬｂ→半導体遮断器４２→ダイオード４１→リアクトルＬｂに還流する。

以降は実施の形態３と同様に各遮断器を動作させ、直流電流を遮断する。

Ｈ形ブリッジユニット１３ａのコンデンサ電圧は、実施の形態３の半導体遮断器１２ａ及び半導体遮断器１２ｂの耐電圧と同等の値である。従って、Ｈ形ブリッジユニット１３ａを構成する4つの半導体素子の耐電圧も、半導体遮断器１２ａ及び半導体遮断器１２ｂと同等の値であり、概して半導体遮断器３１及び半導体遮断器５１よりも小さい値となる。

本実施の形態では、使用する半導体が増えるので実施の形態３よりもコストが増大するが、全体の直流遮断装置としてのコストで比較すれば、その増大分は無視できる程度である。

さらに、本実施の形態においては、定常動作時の直流電流が機械接点式遮断器１１ａを流れ、半導体素子を一切通過しないため、実施の形態３と比較して導通損を低減できる。

その他、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できる。

例えば、直流電圧Ｖａ，Ｖｂ短絡時以外の正常動作運転時に直流電圧を遮断したい要求が想定される。このような場合、半導体遮断器３１又は半導体遮断器５１としては、例えば図５に示すような転流機能回路３０ａ又は５０ａの構成としてもよい。

すなわち、この転流機能回路３０ａ又は５０ａとしては、直列接続した複数の半導体素子で構成された半導体遮断器６１に対し、各半導体素子ごとに個別にアレスタ６２を並列接続した構成である。

そして、以上のような転流機能回路３０ａ又は５０ａにおいて、各半導体素子を段階的にオン・オフすることにより、半導体遮断器３１又は半導体遮断器５１に流れる電流を調整することができる。

さらに、上記各実施の形態は、一例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…直流回路系、１１ａ，１１ｂ…機械接点式遮断器、１２ａ，１２ｂ…半導体遮断器、２０…第１の還流機能回路、２１…ダイオード、２２…半導体遮断器、２３…アレスタ、３０，３０ａ…第１の転流機能回路、３１…半導体遮断器、３２…アレスタ、４０…第２の還流機能回路、４１…ダイオード、４２…半導体遮断器、４３…アレスタ、５０，５０ａ…第２の転流機能回路、５１…半導体遮断器、５２…アレスタ、６１…半導体素子、６２…アレスタ、Ｖａ，Ｖｂ…直流送電網又は直流回路系の直流電圧。

Claims (9)

1. 直流送電網の直流電圧Ｖａ・Ｖｂ間に設置され、当該直流電圧Ｖａ、Ｖｂの事故時に事故点を切り離す直流電流遮断装置において、
   前記直流電圧Ｖａと前記直流電圧Ｖｂとの間に設けられ、第１の機械接点式遮断器と第１の補助半導体遮断器との直列回路からなる第１の直流回路系と、
   前記直流電圧Ｖａと前記第１の直流回路系一端部との接続部と基準電位との間に設けられ、ダイオードと半導体遮断器との直列回路からなる第１の還流機能回路と、
   前記第１の直流回路系他端部と前記直流電圧Ｖｂとの接続部と基準電位との間に設けられ、半導体遮断器の直列回路からなる第１の転流機能回路とを備え、
   前記直流電圧Ｖａ、Ｖｂの正常時、前記第１の転流機能回路の半導体遮断器をオフ、その他の前記半導体遮断器及び前記機械接点式遮断器をオンとし、
   前記直流電圧Ｖａの短絡時、前記第１の転流機能回路の半導体遮断器をオンし、その他の前記補助半導体遮断器及び前記機械接点式遮断器をオフした後に前記第１の転流機能回路の半導体遮断器及び第１の還流機能回路の半導体遮断器をオフすることにより前記直流回路系に流れる直流電流を遮断することを特徴とする直流電流遮断装置。
2. 請求項１に記載の直流電流遮断装置において、
   前記第１の直流回路系他端部と前記第１の転流機能回路との接続部と前記直流電圧Ｖｂとの間に設けられ、第２の補助半導体遮断器と第２の機械接点式遮断器との直列回路からなる第２の直流回路系と、
   前記第２の直流回路系他端部と前記直流電圧Ｖｂとの接続部と基準電位との間に設けられ、ダイオードと半導体遮断器との直列回路からなる第２の還流機能回路とをさらに設け、
   前記直流電圧Ｖａ、Ｖｂの正常時、前記第１の転流機能回路の半導体遮断器をオフし、その他の前記半導体遮断器及び前記機械接点式遮断器をオンとし、
   前記直流電圧Ｖａの短絡時、前記第１の転流機能回路の半導体遮断器をオンし、前記第１の直流回路系の前記第１の補助半導体遮断器及び前記第１の機械接点式遮断器をオフした後に前記第１の転流機能回路の半導体遮断器及び前記第１の還流機能回路の半導体遮断器をオフし、又は前記直流電圧Ｖｂの短絡時、前記第１の転流機能回路の半導体遮断器をオンし、前記第２の直流回路系の前記第２の半導体遮断器及び前記第２の機械接点式遮断器をオフした後に前記第１の転流機能回路の半導体遮断器及び前記第２の還流機能回路の半導体遮断器をオフすることにより前記直流回路系に流れる直流電流を遮断することを特徴とする直流電流遮断装置。
3. 請求項１に記載の直流電流遮断装置において、
   前記第１の直流回路系の補助半導体遮断器に代えて、当該第１の直流回路系の機械接点式遮断器にＨ形ブリッジユニットを並列に接続し、
   前記直流電圧Ｖａの正常時、前記Ｈ形ブリッジユニットは前記第１の直流回路系の第１の機械接点式遮断器の電圧降下よりも大きい電圧を出力し、
   前記直流電圧Ｖａの短絡時、前記第１の転流機能回路の半導体遮断器をオンし、前記第１の直流回路系のＨ形ブリッジユニットは前記第１の機械接点式遮断器の電圧降下よりも小さい電圧を出力し、当該機械接点式遮断器に通流する直流電流がほぼ０に近い値になった後に当該機械接点式遮断器をオフすることを特徴とする直流電流遮断装置。
4. 請求項２に記載の直流電流遮断装置において、
   前記第１の直流回路系及び前記第２の直流回路系のそれぞれ補助半導体遮断器に代えて、当該第１及び第２の直流回路系の機械接点式遮断器にそれぞれＨ形ブリッジユニットを並列に接続し、
   前記直流電圧Ｖａ、Ｖｂ正常時、前記第１の転流機能回路の半導体遮断器をオフ、前記第１及び第２の還流機能回路の前記半導体遮断器をオンとし、前記第１及び第２の直流回路系のそれぞれのＨ形ブリッジユニットは前記第１及び前記第２の直流回路系の機械接点式遮断器の電圧降下よりも大きい電圧を出力し、
   前記直流電圧Ｖｂの短絡後、前記第１の転流機能回路の半導体遮断器をオンし、前記第２の直流回路系のＨ形ブリッジユニットは前記第２の直流回路系の第２の機械接点式遮断器の電圧降下よりも小さい電圧を出力し、当該機械接点式遮断器に通流する直流電流がほぼ０に近い値になった後に当該機械接点式遮断器をオフした後に前記第１の転流機能回路の半導体遮断器及び前記第２の還流機能回路の半導体遮断器をオフすることにより前記第２の直流回路系に流れる直流電流を遮断することを特徴とする直流電流遮断装置。
5. 請求項１ないし請求項４の何れか一項に記載の直流電流遮断装置において、
   前記第１の転流機能回路の半導体遮断器として、それぞれ個別にアレスタを並列接続された複数の半導体素子の直列回路で構成され、これら半導体素子を段階的に遮断することにより当該半導体遮断器に流れる電流を調整することを特徴とする直流電流遮断装置。
6. 請求項１ないし請求項４の何れか一項に記載の直流電流遮断装置において、
   前記第１及び第２の直流回路系を構成する前記補助半導体遮断器の耐電圧は、前記第１の転流機能回路の半導体遮断器よりも小さいことを特徴とする直流電流遮断装置。
7. 請求項１に記載の直流電流遮断装置において、
   前記直流回路系に直列に設けられ、半導体遮断器からなる第３の補助半導体遮断器と、
   前記直流電圧Ｖａと前記第１の還流機能回路との接続部と前記基準電位との間に設けられ、半導体遮断器からなる第２の転流機能回路と、前記第１の転流機能回路に並列に設けられ、ダイオードと半導体遮断器との直列回路からなる第２の還流機能回路とをさらに設け、
   前記直流電圧Ｖａの短絡時、前記第１の転流機能回路の半導体遮断器をオンし、前記直流回路系の前記第１の補助半導体遮断器及び前記第１の機械接点式遮断器をオフした後に前記第１の転流機能回路の半導体遮断器及び前記第１の還流機能回路の前記半導体遮断器をオフし、又は前記直流電圧Ｖｂの短絡時、前記第２の転流機能回路半導体遮断器をオンし、前記第２の直流回路系の前記第３の補助半導体遮断器及び前記第１の機械接点式遮断器をオフした後に前記第２の転流機能回路の半導体遮断器及び前記第２の還流機能回路の前記半導体遮断器をオフすることにより前記直流回路系に流れる直流電流を遮断することを特徴とする直流電流遮断装置。
8. 請求項７に記載の直流電流遮断装置において、
   前記第１の直流回路系の第１及び第３の補助半導体遮断器に代えて、当該第１の直流回路系の第１の機械接点式遮断器にＨ形ブリッジユニットを並列に接続し、
   前記直流電圧Ｖｂの正常時、前記第１及び第２の転流機能回路の半導体遮断器をオフし、前記機械接点式遮断器をオンとし、前記Ｈ形ブリッジユニットは前記第１の直流回路系の機械接点式遮断器の電圧降下よりも大きい電圧を出力し、
   前記直流電圧Ｖｂの短絡時、前記第２の転流機能回路の半導体遮断器をオンし、前記第１の直流回路系のＨ形ブリッジユニットは前記第１の直流回路の第１の機械接点式遮断器の電圧降下よりも小さい電圧を出力し、当該第１の機械接点式遮断器に通流する直流電流がほぼ０に近い値になった後に当該第１の機械接点式遮断器をオフし、前記第２の転流機能回路の半導体遮断器及び第２の還流機能回路の半導体遮断器をオフすることにより前記直流回路系に流れる直流電流を遮断することを特徴とする直流電流遮断装置。
9. 請求項７又は請求項８に記載の直流電流遮断装置において、
   前記第１の転流機能回路又は前記第２の転流機能回路の半導体遮断器として、それぞれ個別にアレスタを並列接続された複数の半導体素子の直列回路で構成され、これら半導体素子を段階的に遮断することにより当該半導体遮断器に流れる電流を調整することを特徴とする直流電流遮断装置。

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