JP2016004699A - 直流用開閉器システム - Google Patents

Abstract

【課題】低圧用の直流開閉器を直列に複数接続して高圧用として低コストに構成する。
【解決手段】実施形態の直流用開閉器システムは、複数の開閉器を直列に接続したものであり、複数の開閉器は密閉容器と支持体と第３導体とを備える。密閉容器は大地の側に接続された第１導体と直流の高電圧側に接続された第２導体と遮断部と駆動機構とを収容する。遮断部は第１導体と第２導体とを機械的に接続／分離する一対の極と可動電極を有する。駆動機構は可動電極を駆動し遮断部の一方の極を他方の極に機械的に接続／分離するためのものである。支持体は密閉容器を大地から絶縁して支持する。第３導体は密閉容器と駆動機構と第１導体とを電気的に接続する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、直流用開閉器システムに関する。

電力の輸送（送電）には交流システムによる送電が一般的であるが、長距離送電での安定性や電力輸送密度の面から、高電圧直流送電が採用されるケースが増えている。

高電圧直流送電で扱うシステム電圧は比較的低い１００ｋＶ程度のものから４００ｋＶや５００ｋＶ、８００ｋＶなど多岐に渡る。高圧直流送電に用いられる開閉器は、交流用の開閉器に比べると数が少ないため、上記システム電圧に適したものがないことが多い。

そこで、低圧用の直流開閉器を複数直列接続して高圧用の直流開閉器のシステムを構成することが考えられる。

特許第２９７１８１６号公報

しかしながら、複数の低圧用直流開閉器を直列に接続して高圧用の直流開閉器のシステムを構成する場合、１段目の開閉器の高圧側と次段の開閉器の低圧側を接続することになるため、低圧用開閉器をそのまま適用しようとすると、２段目の対地絶縁性能が不足することになる。

このため、低圧用の直流開閉器を単に直列接続するだけでは、高圧用に適用はできず、２段目以降の対地絶縁を行うための対策を行う必要がある。この対策としては、例えば支持絶縁物や操作ロッド、ブッシングなどを高圧用に交換または改造することになり、これでは既存製品の転用によるコストダウン効果が薄れる。

本発明が解決しようとする課題は、低圧用の直流開閉器を直列に複数接続して高圧用として低コストに構成することができる直流用開閉器システムを提供することにある。

実施形態の直流用開閉器システムは、複数の開閉器を直列に接続したものであり、複数の開閉器は密閉容器と支持体と第３導体とを備える。密閉容器は大地の側に接続された第１導体と直流の高電圧側に接続された第２導体と遮断部と駆動機構とを収容する。遮断部は第１導体と第２導体とを機械的に接続／分離する一対の極と可動電極を有する。駆動機構は可動電極を駆動し遮断部の一方の極を他方の極に機械的に接続／分離するためのものである。支持体は密閉容器を大地から絶縁して支持する。第３導体は密閉容器と駆動機構と第１導体とを電気的に接続する。

直流送電系統の回路構成を示す概念図である。 図１の直流送電系統に適用する直流用開閉器システムであるガス絶縁開閉システムの第１実施形態を示す図である。 ガス絶縁開閉システムの第２実施形態を示す図である。 ガス絶縁開閉システムの第３実施形態を示す図である。 ガス絶縁開閉システムの第４実施形態を示す図である。

以下、図面を参照して、実施形態を詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は直流送電系統の回路構成を示す概念図、図２は図１の直流送電系統に適用する直流用開閉器システムであるガス絶縁開閉システムの第１実施形態を示す図である。

図１に示すように、直流送電系統は、交流を直流に変換する変換器３１と、複数のスイッチを直列に接続したバイパス回路３３と、このバイパス回路３３と変換器３１との間の回路を接続／分離する断路器３２とにより回路が構成されている。
この直流送電系統において、変換器３１を停止させるときは、バイパス回路３３の各スイッチを閉じで変換器３１の両端を短絡し、その後、断路器３２を開いて回路を分離し、変換器３１の点検などを行う。

起動時には、断路器３２を閉じた後にバイパス回路３３の各スイッチを開き、変換器３１に供給される点弧パルスによってバイパス回路３３の各スイッチの接点間にアークが発生し、そのアーク電圧が変換器３１の最小点弧電圧以上に達すると、変換器３１が導通する。これにより直流送電の回路がバイパスされる。その後、アーク電圧がさらに上昇することで電流が絞られアークが消弧することで、バイパス回路３３に流れる電流がなくなる。

このような動きをするバイパス回路３３を実現するガス絶縁開閉器システムの第１実施形態は、図２に示すように、駆動機構としての操作機構７、第１導体としての大地側（下流側）の導体１１、第２導体としての高圧側（上流側）の導体１２を収容する金属製の密閉容器８と、第３導体としての導体１４と、支持体としての支持絶縁物１５とを有する開閉器１６と、この開閉器１６と同様に構成された開閉器１７とを直列に接続したものである。

支持絶縁物１５は密閉容器８を大地から絶縁して支持する。密閉容器８内には、導体１１に接続された第１の極２、導体１２に接続された第２の極３、可動電極４および操作ロッド５を含む遮断部６および操作機構７が収容されている。密閉容器８内の遮断部６は容器壁面と間隔を空けて設けられている。可動電極４は第１の極２に可動可能に接続されている。

操作機構７は操作ロッド５により可動電極４と連結されている。操作機構７は操作ロッド５を駆動し可動電極４を動作（移動）させて第２の極３に接続／離間（分離）する。
この操作機構７を外部からの電気エネルギー供給なしで動作可能とするため、その動力源（電力源）として例えば蓄電池、燃料電池、充電機能付きキャパシタ、燃料式発電機、無線電力伝送システムおよびそれらを組み合わせたもののいずれかを採用している。

操作機構７に対する外部からの駆動指令は、機械的接続によらない開閉指令伝達手段１３にて伝達される。開閉指令伝達手段１３は、密閉容器８の外部から操作機構７に駆動指令を伝達する手段であり、例えば光ケーブルによる光伝送や電波信号（無線通信機）、赤外線信号による通信（赤外線通信機）などが用いられる。

遮断部６は一対の離間した極（第１の極２、第２の極３）および可動電極４により機械的な接点（機械的に極間を接続／分離する接点）を構成している。遮断部６は密閉容器８内のほぼ中央部に絶縁支持部材（図示せず）などによって密閉容器８の壁面から離間して支持されている。

密閉容器８には絶縁性能および消弧性能の高いガスが封入されている。絶縁性能および消弧性能の高いガスとして例えばＳＦ６ガスなどが用いられている。

密閉容器８の壁面には、ブッシング９、１０が設けられている。ブッシング９からは導体１１が引き出されている。導体１１はブッシング９を通じて密閉容器８内で第１の極２と接続されている。ブッシング１０からは導体１２が引き出されている。導体１２はブッシング１０を通じて密閉容器８内で第２の極３と接続されている。

導体１４は密閉容器８と操作機構７と導体１１とを電気的に接続する。すなわち操作機構７および密閉容器８は、低圧側の導体１１と導体１４によって接続されている。これにより、第１の極２と操作機構７および密閉容器８が同電位となる。但し操作機構７と密閉容器８が同電位となるよう直接接続され、また第１の極２と密閉容器８が同電位となるよう接続されるようであれば、これら構成要素を導体１４で接続する以外の方法で同電位としてもよい。

また、第１の極２と導体１１の接続には必ずしもブッシング９を介する必要はなく、密閉容器８を介して接続してもよい。

第１の極２と操作機構７および密閉容器８を同電位とすることで、第１の極２と第２の極３の間の電圧と、密閉容器８と第２の極３の間の電圧は等しくなる。

導体１１と同電位となる密閉容器８および操作機構７を含む開閉器１６は、全体として支持絶縁物１５により大地から絶縁して支持される。この支持構造についても開閉器１７は開閉器１６と同じ構成を有している。

このように同じ構成の２つの開閉器１６、１７を直列に接続することで高電圧対応の直流開閉器システムを構成することができる。開閉器１６の、第２の極３と接続される導体１２が、２段目の開閉器１７の、第１の極２と接続される導体１１と接続される。

また開閉器１６の、第１の極２と接続される導体１１は直流送電系統の対地側と接続される。開閉器１７の、第２の極３と接続される導体１２は直流送電系統の高圧側と接続される。

第１実施形態の作用を説明する。
この第１実施形態の場合、支持絶縁物１５によって１段目の開閉器１６全体を大地から絶縁し、導体１１と密閉容器８と駆動機構７を導体１４にて接続することでこれらを同電位にし、１段目の開閉器１６と２段目の開閉器１７を直列に接続することで、１段目の開閉器１６だけではなく、２段目の開閉器１７の導体１１と密閉容器８との間や外部導体への接続を目的としたブッシング９に求められる絶縁性能を、各開閉器１６、１７の極間に求められる絶縁性能と同じとすることができる。また、操作機構７についても密閉容器８および可動電極４を有する第１の極２と同電位とすることで、操作ロッド５に絶縁性を持たせる必要がなくなる。

このようにこの第１実施形態によれば、密閉容器８を支持絶縁物１５で大地から絶縁して支持し、操作機構７と密閉容器８と導体１１とを導体１４を介して電気的に接続することにより、操作機構７と密閉容器８と導体１１とが同電位になり、導体１１と密閉容器８の容器壁面との間の絶縁距離を変えることなく、低電圧系統用の複数の開閉器１６，１７を直列に接続して、より高電圧の系統に適用することができるようになり、開発コストの低減や開発期間の短縮が可能になる。

すなわち操作機構７と密閉容器８と導体１１とを導体１４にて接続し同電位とした開閉器１６と開閉器１７とを直列に接続することで、低圧用の直流開閉器を直列に複数接続して高圧用のバイパス回路を低コストに構成することができる。

また１段目の開閉器１６の接点間だけではなく、高い絶縁性能が求められる２段目以降の開閉器１７の内部の接点（遮断部６）と容器壁面との間の距離または密閉容器８から導体１１を引き出すために使用されるブッシング９または導体１１に接続される操作ロッド５についても、絶縁性能の低いものを利用可能になり、ブッシング９については小型化が図れ、また操作ロッド５については可動部重量を低減でき、高速動作を実現することができる他、その他の部位については転用化により製品開発期間を短縮でき、またシステム全体のコストを低減することができる。

（第２実施形態）
（構成）
第２実施形態について図３を用いて説明する。図３は図１の直流送電系統に適用するガス絶縁開閉システムの第２実施形態を示す図である。上記第１実施形態が２つの開閉器１６、１７を直列に接続した構成例であったが、この第２実施形態は、図３に示すように、３つ以上の開閉器１６〜１８を直列に接続した構成例である。

なお、この例の場合、各開閉器１６〜１８に生じる電位差に応じて支持絶縁物１５の高さを変えることにより、密閉容器８から大地まで絶縁距離を変えている。具体的には、開閉器１８が高電圧側なので、開閉器１８の支持絶縁物１５の高さを１とした場合、開閉器１７の支持絶縁物１５の高さをその２／３とし、開閉器１６の支持絶縁物１５の高さを開閉器１８の支持絶縁物１５の高さの１／３としている。各開閉器１６〜１８として同じ構成のものを用いる場合は高さを変える必要はない。

（作用と効果）
このようにこの第２実施形態によれば、３つ以上の開閉器１６〜１８を直列に接続することにより、低圧用の同じ開閉器をさらに高電圧の系統に適用できるようになる。また全く同一の構造の開閉器１６〜１８を直列に接続すればよく、開閉器１６〜１８の開発コストおよび製造コストを低減する効果があるばかりか、量産によるコスト低減効果も期待できる。

なお大地と密閉容器８との絶縁距離についても、多段の開閉器１６〜１８のうち大地に近い側の開閉器１６をより大地に近付けてもよくなり、その分、支持絶縁物１５の高さを低くすることができ、部材のコストを低減することができる。

（第３実施形態）
（構成）
第３の実施形態について図４を用いて説明する。図４はガス絶縁開閉システムの第３実施形態を示す図である。

第１および第２実施形態では、開閉器１６〜１８の密閉容器８として金属製の密閉容器８を用いたが、第３実施形態は、図４に示すように、絶縁素材で構成された筒状の容器１９を用いている。容器１９を構成する絶縁素材としては、例えば磁器、硝子、合成樹脂などである。

容器１９は筒状のものであり、両端が開口されている。そこでこの例では容器１９の開口を金属製の蓋体２０で封鎖（閉塞）し蓋体２０と容器１９とを金具２１で固定し密閉容器を構成している。操作機構７の側の一方の蓋体２０は導体１１と操作機構７に接続されている。他方の蓋体２０は導体１２に接続されている。つまり蓋体２０は第３導体として機能する。

この場合、各開閉器１６〜１８において、第１の極２は容器１９内の操作機構７の側の蓋体２０を介して導体１１と接続され、第２の極３は容器１９の他端の蓋体２０を介して導体１２と接続されている。

（作用と効果）
このようにこの第３実施形態によれば、第１、第２実施形態と同様の効果を得られることに加えて、遮断部６に相当する部分を収容する密閉容器を絶縁材からなる容器１９と金属製の蓋体２１で構成したことで、第１および第２実施形態で金属製の密閉容器８に設けたブッシング９、１０が不要となり、開閉器１６〜１８をコンパクトに構成でき、開閉器１６〜１８の据付面積を小さくすることができる。

（第４実施形態）
（構成）
第４実施形態について図５を用いて説明する。図５はガス絶縁開閉システムの第４実施形態を示す図である。

第２実施形態では直列に接続する各開閉器１６〜１８をそれぞれ支持絶縁物１５により独立して支持していたが、この第４実施形態は、図５に示すように、接続される全ての開閉器１６〜１８を板状の絶縁体である支持板２２に載置した上で、支持板２２全体を一つ以上、例えば２つの支持構造物２３（絶縁性の支柱など）で支持する。

これにより、全ての開閉器１６〜１８が大地（接地）から絶縁支持される。但し支持板２２が十分な絶縁性能を保持できるようであれば、支持構造物２３が必ずしも絶縁物である必要はない。

（作用と効果）
このようにこの第４実施形態によれば、全ての開閉器１６〜１８を支持板２２に載置し、この支持板２２を支持構造物２３で支持することで、大地に対して絶縁支持する構造物の数を削減することができる。これにより、第１〜第３実施形態と同様の効果に加えて、部品点数が削減され、さらなるコスト低減を図ることができる。

（第５実施形態）
（構成）
第５実施形態は、第１〜第４実施形態による開閉器１６〜１８の操作機構７の駆動エネルギーに関するものである。第１〜第４実施形態において、各段の操作機構７の駆動エネルギーとして充電池、燃料電池、充電機能付きキャパシタ、燃料式発電機およびそれらを組み合わせたものを採用する。また無線電力伝送システムを用いてもよい。
（作用と効果）
このようにこの第５実施形態によれば、充電池、燃料電池、充電機能付きキャパシタ、燃料式発電機およびこれらを組み合わせたものを操作機構７の駆動源（電力源）として採用することにより、駆動エネルギー供給部の対地に対する絶縁を考慮せずに済む。

これらの駆動源（電力源）は有限のエネルギー源であるため、定期的に交換作業が必要であるがシステム全体構成の簡素化を図ることができる。また無線電力伝送システムを用いた場合、エネルギー源の定期的な交換作業も省略可能となり、システムの信頼性をより向上することができる。

（第６実施形態）
（構成）
第６実施形態は、複数の開閉器１６〜１８にそれぞれ設けられている操作機構７への開閉指令伝達手段１３を絶縁物の通信線または無線通信により実現する。すなわちこの第６実施形態は、各段の操作機構７への開閉指令伝達手段１３として、例えば光ファイバー、電波信号、赤外線信号などを用いる。

（作用と効果）
このようにこの第６実施形態によれば、指令伝達手段１３として、例えば光ファイバーなどの光通信網（絶縁物の通信線）や、電波信号、赤外線信号などの無線通信を用いることで、外部の指令発信源と操作機構７とを電気的に接続する必要がなくなり、指令発信回路への開閉器側電気変化の影響を排除することができる。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、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。この新規な実施形態は、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。

１…開閉器、２…第１の極、３…第２の極、４…可動電極、５…操作ロッド、６…遮断部、７…操作機構、８…密閉容器、９，１０…ブッシング、１１，１２，１４…導体、１３…光ケーブル（開閉指令伝達手段）、１５…支持絶縁物、１６，１７，１８…開閉器、１９…容器、２０…蓋体、２１…金具、２２…支持板、２３…支持構造物、３１…変換器、３２…断路器、３３…バイパス回路。

Claims (6)

1. 複数の開閉器を直列に接続した直流用開閉器システムにおいて、
   前記複数の開閉器が、
   大地の側に接続された第１導体と、直流の高電圧側に接続された第２導体と、前記第１導体と前記第２導体とを機械的に接続／分離する一対の極と可動電極を有する遮断部と、前記可動電極を駆動し前記遮断部の一方の極を他方の極に機械的に接続／分離するための駆動機構とを収容する密閉容器と、
   前記密閉容器を大地から絶縁して支持する支持体と、
   前記密閉容器と前記駆動機構と前記第１導体とを電気的に接続する第３導体と
   を具備する直流用開閉器システム。
2. 各開閉器に生じる電位差に応じて前記支持体の高さを変えた請求項１記載の直流用開閉器システム。
3. 前記密閉容器が、筒状の絶縁材からなる容器であり、
   前記第３導体が、前記容器の両端の開口を封鎖し前記第１導体に接続された金属製の蓋部である請求項１または請求項２のいずれかに記載の直流用開閉器システム。
4. 前記支持体が、
   複数の前記開閉器を載置する支持板と、
   前記支持板を大地から絶縁して支持構造物と
   を具備する請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の直流用開閉器システム。
5. 前記駆動機構の駆動エネルギー源として、充電池、燃料電池、充電機能付きキャパシタ、燃料式発電機、無線電力伝送システムおよびそれらを組み合わせたもののいずれかを採用した請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の直流用開閉器システム。
6. 前記密閉容器の外部から前記駆動機構に駆動指令を伝達する手段として、光ファイバーまたは無線通信を用いた請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の直流用開閉器システム。

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