JP2015118868A - 直流開閉器 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体スイッチ素子を使用しても、閉状態では半導体スイッチ素子によるロスが発生せず、且つ開状態では接点間が完全に開放される。
【解決手段】 負極側接点部１２が、電路Ｌの電源側に配置された負極側固定接点１２ａと、負荷側に配置された負極側可動接点１２ｂと、両接点に挟持されるよう配置された中間接点１２ｃとを有し、中間接点１２ｃと正極側接点部１１の負荷側とは半導体スイッチ素子Ｍ１を介して接続されている。第１半導体スイッチ素子Ｍ１をオン／オフさせるスイッチ素子１３を具備して正極側接点部１１と負極側接点部１２がオン状態の間は第１半導体スイッチ素子Ｍ１もオン状態を維持し、オフ操作が成されたら最初に負極側可動接点１２ｂが解離動作し、その後スイッチ素子１３が開動作して第１半導体スイッチ素子Ｍ１がオフする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、直流電路を開閉する直流開閉器に関し、特に有接点開閉部と半導体スイッチ素子とを組み合わせたハイブリッド形の直流開閉器に関する。

エネルギー問題や省エネルギーの観点、更には産業用太陽光発電の普及に伴い、直流高電圧配電の需要が高まっている。そのため、高性能な直流高電圧の配線保護装置の必要性が高まっている。
直流開閉器の場合、交流電路と異なり電流ゼロ点が無いため、接点間にアークやプラズマが発生したら途切れ難く電流遮断が交流遮断器のように簡単ではなく、接点を有する機械式の開閉部と半導体スイッチとを併用して、有接点開閉部が開動作した際に接点間でアークの発生が無いよう構成した開閉器が実用化されている。例えば、特許文献１では、機械式接点と半導体スイッチ素子を直列接続し、半導体スイッチ素子をオフした後に機械式接点をオフさせて、アークやプラズマの発生を防止している。
また、特許文献２では、機械式接点と半導体スイッチ素子とを並列に配置し、半導体スイッチ素子をオンにした状態で機械式接点をオフさせることで、アークやプラズマの発生を防止している。

特開平１０−３０２５８４号公報 特公表ＷＯ２０１１／０３４１０４号公報

しかしながら、上記機械式接点と半導体スイッチ素子を直列接続した構成の場合、半導体素子が有するオン抵抗特性により閉路した通電状態では常時電力ロスが発生し、特に大電流が通電される電路の開閉にはロスが大きく不向きであった。
また、機械式接点と半導体スイッチ素子を並列接続した構成の場合は、閉路時に電力ロスは発生しないが、機械式接点をオフさせた開路状態でも半導体スイッチ素子は電気的にオフ状態にあるだけで、高抵抗状態で接続されていると見ることができる。そのため、雷サージ等で半導体スイッチ素子が損傷した場合には抵抗値が低下して通電状態となる不安が残る。

そこで、本発明はこのような問題点に鑑み、半導体スイッチ素子を使用しても、閉状態では半導体スイッチ素子によるロスが発生せず、且つ開状態では接点間が完全に開放される直流開閉器を提供することを目的としている。

上記課題を解決する為に、請求項１の発明は、直流電路の正極側電路を開閉する正極側接点部と、負極側電路を開閉する負極側接点部とを有し、前記直流電路をオン／オフする直流開閉器であって、前記負極側接点部が、電路の負荷側に配置された可動接点と電源側に配置された固定接点と、両接点に挟持されるよう配置された中間接点とを有し、前記中間接点と、前記正極側接点部の負荷側とは半導体スイッチ素子を介して接続されて成ると共に、前記半導体スイッチ素子をオン／オフさせるスイッチ手段を具備し、前記正極側接点部と前記負極側接点部がオン状態の間は前記半導体スイッチ素子もオン状態を維持し、電路オフ操作が成されたら、最初に前記可動接点が前記中間接点から解離動作し、その後前記中間接点と前記固定接点及び前記正極側接点部が接続を維持した状態で前記スイッチ手段が開動作し、前記半導体スイッチ素子がオフすることを特徴とする。
この構成によれば、電路閉状態で半導体スイッチ素子はオン状態であるが、電流は半導体スイッチ素子には流れないためロスは発生しない。また、可動接点が解離動作する際は、半導体スイッチ素子がオン状態にあるため電路はオフせず、可動接点と中間接点の間でアークやプラズマは発生しない。
そして、その後中間接点及び正極側接点部が接続された状態でスイッチ手段が開動作して半導体スイッチ素子がオフするため、電路は遮断された状態となる。よって、その後中間接点や正極側接点部が開動作してもアーク等が発生することがない。

請求項２の発明は、請求項１に記載の構成において、前記スイッチ手段が開動作した後、中間接点及び正極側接点部が開動作することを特徴とする。
この構成によれば、スイッチ素子が開動作した後に中間接点が固定接点から解離することで、固定接点、中間接点、可動接点の３接点が分離される。そのため、半導体スイッチ素子が接点間に接続されたままと成らず、電源側と負荷側の電路は完全に遮断状態となる。よって、雷サージ等の影響を受けず堅牢な開閉器を構成できる。

本発明によれば、電路閉状態で半導体スイッチ素子はオン状態であるが、電流は半導体スイッチ素子には流れないためロスは発生しない。また、可動接点が解離動作する際は、半導体スイッチ素子がオン状態にあるため電路はオフせず、可動接点と中間接点の間でアークは発生しない。
そして、その後中間接点及び正極側接点部が接続された状態でスイッチ手段が開動作して半導体スイッチ素子がオフするため電路は遮断された状態となる。よって、その後中間接点や正極側接点部が開動作してもアークが発生することがない。

本発明に係る直流開閉器の一例を示す回路図である。 開操作時の各接点の動作を示すタイミング図である。 負極側可動接点が解離した状態の回路図である。 は中間接点１２ｃが解離した状態の回路図である。 正極側可動接点１１ｂが解離した状態状態の回路図である。

以下、本発明を具体化した実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明に係る直流開閉器の一例を示す回路図であり、有接点開閉部１、半導体スイッチ回路２、スナバ回路３等を有し、別途設けられた操作ハンドルの操作により図示しない開閉機構部が動作して有接点開閉部１の開閉操作が成される。
開閉操作対象の電路Ｌは、正極側電路Ｌａと負極側電路Ｌｂの２本で構成され、４は外部の電源側電路を接続する電源側端子、５は負荷へ至る負荷側電路を接続する負荷側端子である。

有接点開閉部１は、電路Ｌ上に配置した正極側接点部１１、及び負極側接点部１２、半導体スイッチ回路２をオン／オフ操作するスイッチ素子１３とで構成されている。
正極側接点部１１は、電源側に配置された固定接点（正極側固定接点）１１ａと負荷側に配置された可動接点（正極側可動接点）１１ｂとを有している。
負極側接点部１２は、電源側に配置された固定接点（負極側固定接点）１２ａと、負荷側に配置された可動接点（負極側可動接点）１２ｂに加えて、両接点の間に挟持されるよう配置された中間接点１２ｃとを有している。

半導体スイッチ回路２は、中間接点１２ｃと負極側可動接点１２ｂの間に配置されたＦＥＴから成る第１半導体スイッチ素子Ｍ１と、正極側可動接点１１ｂ側の電路Ｌに接続されて第１半導体素子Ｍ１を駆動するための電源回路２１とを有している。第１半導体スイッチ素子Ｍ１は、ソースが中間接点１２ｃに接続され、ドレインが負極側可動接点１２ｂに接続されている。また電源回路２１は、正極側電路Ｌａの負荷側と第１半導体素子Ｍ１のゲートとの間に配置されて、電路Ｌに加わる電圧でオン動作するＦＥＴから成る第２半導体スイッチ素子Ｍ２を有し、スイッチ素子１３がこの第２半導体スイッチ素子Ｍ２のソースと第１半導体スイッチ素子Ｍ１のゲートの間に配置されている。尚、ＳＡ１はサージ吸収素子である。

このような回路を備えた直流開閉器の閉動作は以下のようである。図１は負荷に電流が通電される閉状態を示しており、矢印Ａ１は電路Ｌを流れる負荷電流を示している。
閉状態では正極側接点部１１、負極側接点部１２、スイッチ素子１３は閉状態（オン状態）にあり、この状態で開操作が成されると所定の順序で正極側接点部１１、負極側接点部１２、スイッチ素子１３の各接点が開動作する。
尚、操作ハンドルの操作を受けて図示しない開閉機構部が所定の順で各接点部を順次開操作する。

図２は各接点の開動作の順序を示すタイミングチャートであり、図２を参照して説明する。図２において（ａ）は負極側可動接点１２ｂ、（ｂ）は中間接点１２ｃ、（ｃ）はスイッチ素子１３、（ｄ）は正極側可動接点１１ｂの開動作或いはオフ動作のタイミングをそれぞれ示している。
図２に示すように、最初に負極側可動接点１２ｂが解離し、その後スイッチ素子１３、中間接点１２ｃ、正極側可動接点１１ｂの順に解離する。図３は負極側可動接点１２ｂが解離した状態、図４は中間接点１２ｃが解離した状態、図５は正極側可動接点１１ｂが解離した状態を示している。

この結果、第１半導体スイッチ素子Ｍ１は全ての接点が閉じて電路Ｌが通電されている状態でオン状態にあるため、最初に負極側可動接点１２ｂが解離しても、図３の矢印Ａ２に示す経路で電流が流れ、電路Ｌの通電状態は維持される。その後、スイッチ素子１３がオフすることで、第１半導体スイッチ素子Ｍ１のゲート電圧が無くなり第１半導体スイッチ素子Ｍ１はオフし、電路Ｌが遮断される。この段階で負荷への電流の供給が停止する。
尚、第１半導体スイッチ素子Ｍ１のオフ動作に伴う電圧の変動は図４の矢印Ａ３に示すようにスナバ回路３が吸収し、異常電圧が発生することはない。

その後、中間接点１２ｃが負極側固定接点１２ａから解離し、負極側接点部１２の３接点が全て分離する。このとき負荷電流は流れていないため、中間接点１２ｃと負極側固定接点１２ａとの間でアークが発生することはない。そして、最後に正極側可動接点１１ｂが解離し、正極側接点部１１は開放状態となり、中間接点１２ｃが解離動作することで、第１半導体スイッチ素子Ｍ１は電路Ｌから切り離されるし、正極側可動接点１１ｂが解離することで、電路Ｌの電源側と負荷側は完全に分離される。
尚、負極側可動接点１２ｂが開動作してから正極側可動接点１１ｂが開動作するまでの時間Ｔ１は、例えば５０ｍｓｅｃで実施される。

このように、電路Ｌが閉状態において第１半導体スイッチ素子Ｍ１はオン状態であるが、電流は第１半導体スイッチ素子Ｍ１には流れないため負荷に通電中にロスは発生しない。また、負極側可動接点１２ｂが解離動作する際は、第１半導体スイッチ素子Ｍ１がオン状態にあるため電路Ｌはオフせず、負極側可動接点１２ｂと中間接点１２ｃの間でアークやプラズマは発生しない。
そして、その後中間接点１２ｃ及び正極側接点部１１が接続された状態でスイッチ素子１３が開動作して第１半導体スイッチ素子Ｍ１がオフするため、電路Ｌは遮断された状態となる。よって、その後中間接点１２ｃや正極側接点部１１が開動作してもアーク等が発生することがない。
また、負極側可動接点１２ｂが解離し、スイッチ素子１３がオフした後、中間接点１２ｃが負極側固定接点１２ａから解離することで、負極側固定接点１２ａ、中間接点１２ｃ、負極側可動接点１２ｂの３接点が分離されるため、第１半導体スイッチ素子Ｍ１が接点間に接続されたままと成らず、電源側と負荷側の電路Ｌは完全に遮断された状態となる。よって、半導体スイッチ回路２が雷サージ等の影響を受けることが無く堅牢な開閉器を構成できる。

尚、上記直流開閉器の閉動作は、例えば以下の順序で行われる。操作ハンドルが操作されて閉操作が成されると、中間接点１２ｃが閉動作して負極側固定接点１２ａに接触すると共に、スイッチ素子１３がオンして第１半導体スイッチ素子Ｍ１及び第２半導体スイッチ素子Ｍ２をオンさせる。その後、正極側可動接点１１ｂと負極側可動接点１２ｂとが閉動作し、電路Ｌが接続される。
また、各接点の開操作は、図示しない開閉機構部に遅延機構を設けて実施することができるし、接点毎に電磁装置を配置して電子信号により所定のタイミングで開動作させても良い。例えば、遅延機構を設ける場合は、各接点を開放順に並列に配置して、共通する押圧バーを使用して接点を押圧しておき、操作ハンドルが開操作されたら、一方から押圧バーを開放動作させることで順次接点の開放を実施できる。また、電子信号による場合は操作ハンドルの操作を受けて電子回路により順次遅延信号を生成させ、所定のタイミングで個々の電磁装置を動作させれば良い。
更に、上記実施形態は半導体スイッチ素子Ｍ１としてＦＥＴを使用したが、バイポーラトランジスタで構成しても良い。

１・・有接点開閉部、２・・半導体スイッチ回路、１１・・正極側接点部、１１ａ・・正極側固定接点、１１ｂ・・正極側可動接点、１２・・負極側接点部、１２ａ・・負極側固定接点、１２ｂ・・負極側可動接点（可動接点）、１２ｃ・・中間接点、１３・・スイッチ素子（スイッチ手段）、Ｌ・・電路、Ｍ１・・第１半導体スイッチ素子（半導体スイッチ素子）。

Claims (2)

1. 直流電路の正極側電路を開閉する正極側接点部と、負極側電路を開閉する負極側接点部とを有し、前記直流電路をオン／オフする直流開閉器であって、
   前記負極側接点部が、電路の負荷側に配置された可動接点と電源側に配置された固定接点と、両接点に挟持されるよう配置された中間接点とを有し、
   前記中間接点と、前記正極側接点部の負荷側とは半導体スイッチ素子を介して接続されて成ると共に、前記半導体スイッチ素子をオン／オフさせるスイッチ手段を具備し、
   前記正極側接点部と前記負極側接点部がオン状態の間は前記半導体スイッチ素子もオン状態を維持し、
   電路オフ操作が成されたら、最初に前記可動接点が前記中間接点から解離動作し、その後前記中間接点と前記固定接点及び前記正極側接点部が接続を維持した状態で前記スイッチ手段が開動作し、前記半導体スイッチ素子がオフすることを特徴とする直流開閉器。
2. 前記スイッチ手段が開動作した後、中間接点及び正極側接点部が開動作することを特徴とする請求項１記載の直流開閉器。

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