JP2015059891A - 直流遮断器の試験装置及び直流遮断器の試験装置による試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大型化する高圧の整流器を導入することなく直流遮断器に対して試験が可能な試験装置及びその試験方法を提供する。【解決手段】直流電流を遮断するための直流遮断器１の試験装置は、以下の構成を備える。（１）直流遮断器１に対して、直流電流１１を供給する定常電流供給部。（２）直流遮断器１に対して、直流電流１１より大きな故障電流１２を供給する故障電流供給部。（３）サージアブソーバ１０２よりも低い動作電圧のサージアブソーバ１０を、直流遮断器１と並列になるように配する。（４）故障電流供給部は、リアクトル５と、コンデンサ７と、開閉部９とを備える。（５）開閉部９により故障電流１２を流した際に、過渡現象により交流電流を発生する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、直流遮断器の遮断性能を検証するための直流遮断器の試験装置及び直流遮断器の試験装置による試験方法に関する。

交流を直流に変換する変換器はサイリスタ等を用いた他励式と呼ばれる変換器が用いられ、直流送電が行われてきた。近年、ＰＷＭインバータ、コンバータ等を用いた自励式変換器の研究が行われている。

自励式変換器は定電圧制御されるため、直流系統で故障が発生すると、交流系統における故障のように、故障電流が増加する。直流系統を多端子構成にすると、交流系統で用いられている遮断器と同様に直流電流を遮断する遮断器が要求される。この直流遮断器も現在開発途上である。直流遮断器の開発にあたり、遮断性能を検証するためには実際の直流系統で想定される故障条件を模擬した条件で遮断試験を実施しなければならない。そのためには、直流系統での故障電流相当の電流を供給出来る試験装置が必要となる。

JURGEN HAFNER, BJORN JACOBSON "Proactive Hybrid HVDC Breaker − A key innovation for reliable HVDC grids" CIGREInternational Symposium in Bologna, 2011

上記自励式変換器を用いた直流送電における故障電流は、電源から故障点までの系統のインダクタンスと抵抗によって増加の時定数が決まる。非特許文献１では、故障電流を供給するために、電源回路にキャパシタＶ_ＤＣを挿入し、遮断器と直列にリアクトルＬ_ＤＣを配しており、直流電流と故障電流は共通の電源回路から供給される。故障電流を遮断後、直流遮断器の遮断部には所定の回復電圧が印加されなければならない。非特許文献１では、電源回路は共通であるため、直流電流を供給するために必要な整流器は回復電圧と同等の電圧で使用可能な高圧の整流器が必要となる。しかし、高圧の整流器を用いると試験装置が大型化し、設備導入に高額な設備投資が必要になるといった課題がある。

本実施形態に係る直流遮断器の試験装置は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、短絡発電機などの一般的な交流遮断器の大電力試験設備を有していれば、試験装置の大型化や高額化を招く大型の高圧整流器を導入することなく直流遮断器に対して試験が可能な試験装置及びその試験方法を提供する。

上記の目的を達成するために、本実施形態の直流電流を遮断するための直流遮断器の試験装置は、以下の構成を備える。
（１）前記直流遮断器に対して、直流電流を供給する定常電流供給部。
（２）前記直流遮断器に対して、前記定常電流供給部より供給される直流電流より大きな交流電流を供給する故障電流供給部。
（３）前記定常電流供給部には、前記直流遮断器に組み込まれているサージアブソーバよりも低い動作電圧のサージアブソーバを、前記直流遮断器と並列になるように配する。
（４）前記故障電流供給部は、リアクトルと、コンデンサと、前記故障電流の遮断及び供給をおこなう開閉部とを備える。
（５）過渡現象により発生する交流電流を故障電流として供給する。

また、直流遮断器の試験装置による試験方法も本発明の一態様である。

第１の実施形態に係る直流遮断器の試験装置の構成を示す回路図である。 第１の実施形態に係る試験装置の電流波形図であり直流電流、故障電流、サージアブソーバ電流を示す波形図である。 第１の実施形態に係る試験装置の電流波形図であり直流遮断器に印加する電圧を示す波形図である。 第１の実施形態に係る試験時に流れる直流電流を示す回路図である。 第１の実施形態に係る試験時に流れる直流電流及び故障電流を示す回路図である。 第１の実施形態に係る試験時に流れる直流電流、故障電流、及びサージアブソーバ電流を示す回路図である。 第１の実施形態に係る試験時に流れる直流電流、及びサージアブソーバ電流を示す回路図である。 他の実施形態に係る直流遮断器の試験装置の構成を示す回路図である。

［第１の実施形態］
以下では、本実施形態の直流遮断器の試験装置及び直流遮断器の試験装置による試験方法について、図１乃至７を参照しつつ、説明する。なお、各図を通して同一部分には同一符号を付けることにより重複した説明は適宜省略する。

本実施形態の直流遮断器の試験装置は、試験対象となる直流遮断器に対して直流電流を供給する定常電流供給部と、定常電流供給部より供給される直流電流より大きな交流電流を供給する故障電流供給部と、を備える。この直流遮断器に対する試験では、以下の手順で試験を行う。
（１）試験開始前に故障電流供給部のコンデンサを所定の電圧に充電する。
（２）試験開始時は、直流遮断器に対して定常電流供給部から定常電流を供給する。
（３）故障電流供給部の投入開閉部を投入し、故障電流を直流遮断器に対して供給する。
（４）直流遮断器の遮断部により電流を遮断する。
（５）サージアブソーバにより、定常電流供給部に流れる故障電流の大きさが制限されると共に、サージアブソーバ電流を定常電流供給部の遮断部により遮断する。

（全体構成）
図１は、本発明の実施形態に係る直流遮断器の試験装置の回路図である。本実施形態に係る試験装置は、直流遮断器１と、短絡発電機２、整流器３、リアクトル４，５、抵抗６、コンデンサ７、遮断部８、開閉部９、サージアブソーバ１０を備える。また、試験装置は、試験装置を構成する直流遮断器１、短絡発電機２、遮断部８、開閉部９の状態を把握すると共に、それらの制御を行う制御部を備える。

（直流遮断器）
直流遮断器１は、直流遮断器１内を流れる直流電流を２つの異なる方式で遮断する遮断器である。直流遮断器１は、遮断部１０１と、エネルギー吸収部１０２とを備える。遮断部１０１と、エネルギー吸収部１０２とは、並列に設けられる。

遮断部１０１は、回路を流れる電流の遮断／投入を行うスイッチである。遮断部１０１としては、例えば機械的に遮断／投入を行うメカニカルスイッチや半導体を利用することができる。

エネルギー吸収部１０２は、所謂サージアブソーバ（以下、サージアブソーバ１０２とする）である。サージアブソーバ１０２は、サージアブソーバ１０２に印加される過渡的な高電圧のエネルギーの吸収を行う。サージアブソーバ１０２により、遮断部１０１が遮断された後の電圧の大きさを制限することができる。

直流遮断器１には、直流遮断器１に対して、定常電流を供給する定常電流供給系統と、故障電流を供給する故障電流供給系統の２つの異なる系統が接続される。定常電流供給系統は、直流遮断器１に直流電流を供給するための電源を含み、故障電流供給系統は、故障電流供給用電源を含む。以下、本実施形態の直流遮断器の試験装置の詳細な構成について説明する。

（定常電流供給系統）
定常電流供給系統は、直流遮断器に対して直流電流を供給する。定常電流供給系統は、短絡発電機２、整流器３、リアクトル４、抵抗６、遮断部８及びサージアブソーバ１０を含む。短絡発電機２を試験回路に接続するための投入開閉器は図示していない。

短絡発電機２は、短絡電流を発生させる発電機である。短絡発電機２から発生される短絡電流は交流の電流である。短絡発電機２で発生した短絡電流は、整流器３に対して出力される。

整流器３は、短絡発電機２で発生した交流電流を直流電流に整流する整流器である。試験装置においては、交流−直流変換部として機能するように構成される。整流器３で変換された直流電流は、リアクトル４、抵抗６及び遮断部８を介して、直流遮断器１に対して供給される。

遮断部８は、遮断／投入により、定常電流供給系統のサージアブソーバ１０を流れるサージアブソーバに流れる電流の遮断を行う遮断部である。遮断部８の能力は、整流器３で変換された直流電流を遮断する能力を有する。サージアブソーバにながれる電流は、交流電流であるため電流零点で遮断を行うことで、遮断器８に大きな遮断性能を有しない場合にでも、定常電流供給系統を流れる電流の遮断をおこなうことが可能である。

サージアブソーバ１０は、直流遮断器１と並列に配されるものである。サージアブソーバ１０に印加される過渡的な高電圧のエネルギーの吸収を行う。サージアブソーバ１０により、遮断部１０１が遮断された後の電圧の大きさを制限することができる。このサージアブソーバ１０の動作電圧は、サージアブソーバ１０２の動作電圧よりも低く設定されるものである。

（故障電流供給系統）
故障電流供給系統は、直流遮断器１に対して故障電流を供給する。故障電流供給系統は、リアクトル５、コンデンサ７及び開閉部９を含む。故障電流供給系統は、リアクトル５とコンデンサ７で構成する回路における過渡振動を利用した交流電流を故障電流として供給する。故障電流供給系統を試験回路に接続するための投入開閉器および切り離すための保護遮断器は図示していない。

開閉部９は、遮断／投入により、故障電流供給系統を直流遮断器１に対して接続または離脱を行う開閉器である。

（作用）
このように構成された本実施形態の直流遮断器１の試験装置の動作を図２乃至７を用いて詳述する。直流遮断器１の試験は、直流遮断器１に対して定常電流系統から直流電流を供給した状態で、更に直流遮断器１に対して故障電流供給系統から故障電流を供給することで試験を実施する。以下、本実施形態の直流遮断器１の試験の詳細な構成について説明する。

図２は、試験開始から、直流遮断器１に直流電流及び故障電流が供給され、故障電流を遮断する過程における電流波形を示している。直流電流１１は低圧の直流電流供給用の電源回路より供給され、直流遮断器１の遮断部１０１を流れる。故障電流１２は高圧の故障電流供給用の電源回路より供給され直流遮断器１の遮断部１０１を流れる。また、サージアブソーバ電流１３は直流遮断器１の遮断部１０１遮断後に、サージアブソーバ１０に流れる電流である。

図３は、試験開始から直流遮断器１に直流電流１１及び故障電流１２が供給され、故障電流１２を遮断する過程においる直流遮断器１に印加される電圧１４を示す図である。

（１）試験開始時
試験開始時は、図４に示すように、直流遮断器１及び遮断部８は閉路状態、開閉部９は開路状態とし、直流遮断器１に対して定常電流供給部から定常電流を供給する。図２の時間軸のＡ時点において短絡発電機２を励磁し、短絡発電機２から供給された交流電流は整流器３により直流電流に変換される。整流器３から直流遮断器１までに配されているリアクトル４、抵抗６、接続母線のインダクタンス及び浮遊容量によって決まる時定数で増加する直流電流１１が直流遮断器１に供給される。図２に示すように、直流電流１１は時間軸のＢ時点においてほぼ定常状態となっている。

この時、コンデンサ７は、図１に示さない直流の充電回路により予め所定の電圧に充電されている。また、コンデンサ７は、開閉部９により直流遮断器１とは電気的に切り離されている。

（２）故障電流の供給
次に、故障電流１２を直流遮断器１に対して供給する。故障電流１２の供給は、図５に示すように、開路状態にある開閉部９を投入し、故障電流供給系統を直流遮断器１に対して接続することで行う。この場合、直流遮断器１に対して供給される故障電流１２は、コンデンサ７及びリアクトル５によって決まる周波数を持つ交流電流である。これにより、直流遮断器１には、直流電流１１に故障電流１２が重畳された電流が供給される。

（３）遮断部１０１の遮断
その後、図６に示すように遮断部１０１を開路し電流の遮断を行う。図２に示す時間軸のＣ時点で、遮断部１０１を開路することで、直流電流１１および故障電流１２が遮断されると、リアクトル５で分担する電圧１４が直流遮断器１及びサージアブソーバ１０に印加される。

サージアブソーバ１０の保護レベルは、直流遮断器１を構成するサージアブソーバ１０２より低い保護レベルに設定されている。そのため、サージアブソーバ１０に電圧１４が印加されることによって、サージアブソーバ１０が動作する。これにより、図６に示すように、故障電流供給系統から、高圧のサージアブソーバ電流１３が、サージアブソーバ１０に流れる。

（４）サージアブソーバ電流１３の遮断
故障電流１２及びサージアブソーバ電流１３は、リアクトル５及びコンデンサ７によって決まる周波数の交流電流である。特に、サージアブソーバ電流１３は、サージアブソーバ１０により大きさが制限されるが、交流電流である。そのため、電流零点で遮断部８によってサージアブソーバ電流１３を遮断することができる。

これにより、直流遮断器１が直流電流１１に故障電流１２が重畳した電流を遮断した後の電圧１４は、低圧の定常電流供給系統には印加されない。サージアブソーバ電流１３の一つは、図２におけるＤの時点である。Ｃの時点直後の電流零点において遮断部８が遮断しても構わない。

（５）故障電流の減衰
遮断部８により、定常電流供給系統への故障電流の遮断した後は、図７に示すように故障電流１２は、定常電流供給系統に対して流れことはない。さらに、遮断部１０１が遮断状態となっているため、電圧１４がサージアブソーバ１０２に印加されることにより、サージアブソーバ１０２が動作し、故障電流１２は、サージアブソーバ１０２に対して流れる。故障電流供給系統から供給される故障電流１２は、サージアブソーバ１０２によって減衰し、いずれ零となる。

以上のように、直流系統の故障発生時の電流を低圧で定常状態の直流電流を供給する電源回路と高圧で故障電流１２のみを供給する電源回路の２系統に分けて供給することで直流系統での故障発生時の直流遮断器１の遮断性能を検証することが出来る。

（効果）
（１）本実施形態によれば、直流系統の定常電流を供給する電源回路は高電圧を印加する必要がなく、直流遮断器１に印加される回復電圧に対して格段に低い定格電圧の整流器で回路を構成することが出来る。

（２）故障電流１２を供給する回路は故障電流１２のみを供給すればよいので、直流電流を供給する必要がなくリアクトルとコンデンサで構成する簡単な過渡振動回路で故障電流を供給することが出来る。したがって、短絡発電機などの一般的な交流遮断器の大電力試験設備を有していれば、高額で大型化する高圧の整流器を導入することなく直流遮断器１の試験装置を提供することが可能となる。

［その他の実施形態］
本明細書においては、本発明に係る複数の実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図していない。具体的には、第１の実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。

すなわち、第１の実施形態においては、過渡振動回路として１つのコンデンサ７と、１つのリアクトルを直列に接続したがこの構成に限るものではなく、故障電流の周波数や大きさに応じて、リアクトル５とコンデンサ７と複数組み合わせることもできる。

また、整流器３としては、交流電流を直流電流に変換することが可能な交流−直流変換部を使用することもできる。

さらに、図８に示すように、コンデンサ７の充電を行う充電部としては、短絡発電機と整流器とを組み合わせたものを使用することもできる。

１ 直流遮断器
１０１ 遮断部
１０２ サージアブソーバ
２ 短絡発電機
３ 整流器
４，５ リアクトル
６ 抵抗
７ コンデンサ
８ 遮断部
９ 開閉部
１０ サージアブソーバ
１１ 直流電流
１２ 故障電流
１３ サージアブソーバ電流
１４ 電圧

Claims (8)

1. 直流電流を遮断するための直流遮断器の試験装置において、
   前記直流遮断器に対して、直流電流を供給する定常電流供給部と、
   前記直流遮断器に対して、前記定常電流供給部より供給される直流電流より大きな交流電流を供給する故障電流供給部と、
   を備え、
   前記定常電流供給部には、前記直流遮断器に組み込まれるサージアブソーバよりも低い動作電圧のサージアブソーバを、前記直流遮断器と並列になるように配し、
   前記故障電流供給部は、リアクトルと、コンデンサと、前記故障電流の遮断及び供給をおこなう開閉部とを備え、
   前記故障電流を供給した際に、過渡現象による交流電流を発生させることを特徴とする直流遮断器の試験装置。
2. 前記定常電流供給部は、更に、
   遮断部を備えることを特徴とする請求項１に記載の直流遮断器の試験装置。
3. 前記定常電流供給部は、更に、
   交流電流を発生させる第１の短絡発電部と、
   前記短絡発電部で発生した交流電流を、直流電流に変換する交流／直流変換部と、
   を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の直流遮断器の試験装置。
4. 前記故障電流供給部は、更に、
   前記コンデンサを充電するための直流の充電部を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の直流遮断器の試験装置。
5. 前記定常電流供給部と、前記故障電流供給部とは、前記直流遮断器に対して異なる系統に設けられることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載の直流遮断器の試験装置。
6. 電力系統の直流電流を遮断するための直流遮断器の試験装置による試験方法において、
   前記試験装置は、
   前記直流遮断器に組み込まれているサージアブソーバよりも低い動作電圧のサージアブソーバを前記直流遮断器と並列になるように配し、
   前記故障電流供給部は、リアクトルと、コンデンサと、前記故障電流の遮断及び供給をおこなう開閉部と、
   を備え、
   前記直流遮断器に対して、前記電力系統が定常状態で流れる大きさの直流電流を供給する定常電流供給処理と、
   故障電流供給部のコンデンサを所定の電圧に充電した状態で前記開閉部を投入し、前記定常電流供給処理において供給する直流電流より大きな故障電流を供給する故障電流供給処理と、
   を含むことを特徴とする直流遮断器の試験方法。
7. 前記試験装置は、遮断部を備え、
   前記故障電流供給処理により、供給される故障電流の電流零点で遮断を行う遮断処理を含むことを特徴とする請求項６に記載の直流遮断器の試験方法。
8. 前記故障電流供給処理は、前記定常電流供給部処理と並行して行われ、
   前記定常電流と前記故障電流とが重畳した電流が、前記直流遮断器に流れることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の直流遮断器の試験方法。