JP2016162713A - 直流遮断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】導通損失を低減した低コストの直流遮断装置を提供する。
【解決手段】直流遮断装置１は、送電線１００に設けられる機械式断路器２と、機械式断路器２に直列に接続される機械式遮断器２０と、機械式断路器２及び機械式遮断器２０に並列に接続される並列回路３と、を備える。並列回路３は、並列回路３への送電線１００の電流の供給及び遮断を切り換える半導体遮断器４と、半導体遮断器４に直列に接続されたリアクトル５５を備える。機械式断路器２及び機械式遮断器２０の間の一点と、半導体遮断器４及びリアクトル５５の間の一点を接続するＨブリッジ回路５が設置されている。Ｈブリッジ回路５は、複数のスイッチング素子５１及びコンデンサ５３からなるＨブリッジユニット５０を備える。Ｈブリッジ回路５は、出力電圧制御により機械式遮断器２０に流れる電流を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、直流送電系統の事故点を切り離す直流遮断装置に関する。

環境への負荷低減や、電源の多様化といった観点から、風力発電や太陽光発電などの再生可能エネルギーの普及が進んでいる。また、それら電源の大規模化が進んでおり、例えば、洋上での風力発電や、砂漠地帯での太陽光又は太陽熱発電などが実用化され始めている。洋上や砂漠は、電力需要地となる都市部から地理的に離れていることが多く、送電距離が長くなる。このような長距離の送電には、一般的に用いられている交流送電システムに代わって、高圧直流送電(ＨＶＤＣ；high-voltage, direct current)が適用されることがある。

ＨＶＤＣは、長距離大電力送電に適用した場合に、従来の交流送電システムに比べて、低コストで送電損失が少ないシステムを構築することが可能である。しかしながら、ＨＶＤＣにおいては、落雷等に起因する系統事故が生じた場合、事故点を切り離すことが容易ではない。というのも、交流では、電流が周波数５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの半サイクルごとにゼロを横切る点で電流遮断ができるが、直流電流では電流がゼロを横切る点がない。そのため、系統に設けられた断路器の接点を単に切り離しても、接点間にアークが生じて電流が流れ続けてしまう。

そこで、機械式断路器の代わりに半導体遮断器を用いることで、高速遮断を行うことが提案されている。しかしながら、半導体遮断器を送電系統に直列に接続すると、導通損失が発生して送電効率の低下を招く可能性がある。そこで、機械式断路器に対して半導体遮断器を並列に接続した構成の直流遮断装置が提案されている。半導体遮断器に対しては、複数のスイッチング素子及びコンデンサを有するＨブリッジ回路が直列に接続されている。事故時に、Ｈブリッジ回路を用いて出力電圧制御を行い、並列回路に電流を誘導して、半導体遮断器により高速に電流遮断を行う。

特開２０１４−２３５８３４号公報

上述した、並列回路を設けた直流遮断装置は、通常時に電流は機械式断路器のみを通過するため、半導体遮断器による導通損失を防ぐことができる。しかしながら、並列回路に設けた半導体遮断器は、時間経過と共に増大する事故電流を最終的に遮断する必要があり、大電流容量のものを用いる必要がある。そして、並列回路に設けるＨブリッジ回路も半導体遮断器と同一の大電流容量を有する半導体素子で構成する必要があり、設備容量の増加やコスト増加を招く可能性があった。

本実施形態は、上述の問題を鑑み、事故電流を高速に遮断する機能を有しながら、設備容量や導通損失を低減し、高効率かつ低コストの直流遮断装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、実施形態の直流遮断装置は、直流送電系統に設けられる機械式断路器と、前記直流送電系統に設けられ、前記機械式断路器に直列に接続される機械式遮断器と、前記機械式断路器及び前記機械式遮断器に並列に接続され、前記直流送電系統の電流の供給及び遮断を切り換える半導体遮断器と、当該半導体遮断器に直列に接続されたリアクトルと、を備えた並列回路と、前記機械式断路器及び前記機械式遮断器の間の一点と、前記半導体遮断器及び前記リアクトルの間の一点を接続し、複数のスイッチング素子及びコンデンサからなるＨブリッジユニットを備え、出力電圧制御により前記機械式遮断器に流れる電流を制御するＨブリッジ回路と、を有する。

（ａ）は第１の実施形態に係る直流遮断装置の構成を示す図であり、（ｂ）はＨブリッジユニットの構成を示す図である。 第１の実施形態に係る直流遮断装置の通常時の動作を示す図である。 事故発生時の電流動作を説明する図である。 第１の実施形態に係る直流遮断装置の事故時の初期の動作を示す図である。 第１の実施形態に係る直流遮断装置の事故時の中期の動作を示す図である。 第１の実施形態に係る直流遮断装置の事故時の後期の動作を示す図である。 第２の実施形態に係る直流遮断装置の構成を示す図である。

以下、実施形態に係る直流遮断装置について、図面を参照して説明する。なお、実施形態の説明において「通常時」とは、直流送電系統において正常な電流が流れている状態をいい、「事故時」とは、雷等に起因する系統事故によって、過大な事故電流が生じた状態をいう。

（第１の実施形態）
（構成）
図１に示すように、直流送電系統において、２つの直流送電網Ａ，Ｂを接続する送電線が設けられている。送電線には正側１００と負側１０１があるが、本実施形態の直流遮断装置１は、正側に設けられている。本実施形態では、正側の送電線１００において、直流送電網Ａから直流送電網Ｂへ送電される例を主に説明する。

直流遮断装置１は、送電線１００に直列に接続された機械式断路器２及び機械式遮断器２０と、機械式断路器２及び機械式遮断器２０に並列に接続された並列回路３と、送電線１００と並列回路３とを接続するＨブリッジ回路５とから構成されている。より具体的には、並列回路３は半導体遮断器４とこれに直列に接続されたリアクトル５５から構成され、さらに半導体遮断器４にのみ並列にアレスタ４３が接続されている。そして、Ｈブリッジ回路５は、送電線１００の機械式断路器２と機械式遮断器２０の間の一点と、並列回路３の半導体遮断器４とリアクトル５５の間の一点を接続するように構成されている。

機械式断路器２は、公知の種々の構成を用いることができる。本実施形態では、後述するように並列回路３を用いて直流電流の遮断が行われるため、機械式断路器２自体に電流遮断能力は不要である。機械接点を持つものであって、接点が切り離された状態で、事故点を切り離すのに必要な直流電圧に耐える絶縁耐圧を持つものであれば足りる。機械式断路器２は、例えば、回路の端子間に回動接触子を設け、この回動接触子が回動して各端子に取り付けられた固定接触子と接離することによって、回路の切り離しを行う構成とすることができる。

機械式断路器２は、通常時にはオン状態、すなわち接点が接触した状態になるように制御される。直流送電網Ａからの電流は、機械式断路器２を通過して直流送電網Ｂへ流れる。事故時は、後述するが、並列回路３に電流が流れるように制御が行われ、機械式断路器２を流れる電流が略ゼロになったところで、オフ状態に切り換えられ、回路が切り離される。

機械式遮断器２０は、公知の種々の構成を用いることができる。機械接点を持つものであって、接点を開くことにより小電流を遮断する能力を有するものであれば足りる。機械式遮断器２０は、例えば、回路の端子間に回動接触子を設け、この回動接触子が回動して各端子に取り付けられた固定接触子と接離することによって、小電流の遮断を行う構成とすることができる。

機械式遮断器２０は、通常時にはオン状態、すなわち接点が接触した状態になるように制御される。直流送電網Ａからの電流は、機械式断路器２及び機械式遮断器２０を通過して直流送電網Ｂへ流れる。事故時には、機械式遮断器２０に流れる電流が増大する。機械式遮断器２０には電流センサ（不図示）が取り付けられている。機械式遮断器２０に流れる電流を電流センサで測定し、事故を示す閾値と比較することで、事故を検出する。詳細は後述するが、事故時に、Ｈブリッジ回路５に電流が流れ、機械式遮断器２０を流れる電流が略ゼロになる制御が行われる。機械式遮断器２０は、流れる電流が略ゼロになったところでオフ状態に切り換えられ、回路が切り離される。

機械式断路器２および機械式遮断器２０に並列に接続された並列回路３には、半導体遮断器４が設けられている。半導体遮断器４は、スイッチング素子４１を複数個直列に接続し、それぞれのスイッチング素子４１に対してダイオード４２を逆並列に接続した構成となっている。図１の例では、半導体遮断器４は２個のスイッチング素子４１を備えている。スイッチング素子４１は、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、バイポーラトランジスタ、電界トランジスタ等の自己消弧能力を持つものが用いられる。スイッチング素子は、直流送電網Ａ側にコレクタ端子を接続したものと、直流送電網Ｂ側にコレクタ端子を接続したものとがあるため、直流送電網ＡからＢ若しくはＢからＡの双方向の電流を導通および遮断可能となっている。

半導体遮断器４はゲート信号の入力によって、導通状態であるオン状態と非導通状態であるオフ状態が切り換えられる。導通状態では、半導体遮断器４を介して直流送電系統から並列回路３へ電流が供給され、非導通状態では直流送電系統から並列回路３への電流は遮断される。

半導体遮断器４には、一定電圧以上が印加されると導通する非線形素子からなるアレスタ４３が並列に接続されている。アレスタ４３は、半導体遮断器４がオフ状態に切り換えられたときに、サージ電圧を吸収して安全な電流遮断を可能とする。

Ｈブリッジ回路５は、複数のＨブリッジユニット５０を直列に接続した構成となっている。各Ｈブリッジユニット５０は、スイッチング素子５１を直列に２個接続した２つのレグ５２を有する。スイッチング素子５１は、それぞれ自己消弧能力を持つものが用いられる。各スイッチング素子５１にはダイオードが並列に接続されている。これら２つのレグ５２は並列に接続され、さらにコンデンサ５３が２つのレグ５２と並列に接続されている。コンデンサ５３は、定常動作時に送電線１００を流れる電流によって充電される。

リアクトル５５は、電流変化率低減用のものであり、詳細は後述するが、Ｈブリッジ回路５による電流制御を可能とするために設けられている。

（動作）
以上の構成を有する直流遮断装置１の動作を、図２〜図６を参照し、通常時と事故時に分けて説明する。通常時は、機械式断路器２及び機械式遮断器２０をオン状態、半導体遮断器４およびＨブリッジ回路５をオフ状態に制御する。図２に示すように、直流送電網Ａからの電流は、機械式断路器２及び機械式遮断器２０のみを通過して直流送電網Ｂへ流れ、並列回路３及びＨブリッジ回路５には流れない。

事故時の直流遮断装置１の動作を説明するにあたって、図３を参照する。図３は、上述した直流遮断装置１の有効性を説明するために実施した、シミュレーション実施回路の動作状態を表す図である。シミュレーション実施回路は、電流送電網Ａを模擬した回路構成の中に図１に示す直流遮断装置１に接続し、この直流遮断装置１に直流電圧３２０ＫＶを印加した状態とした後、模擬化した電流送電網Ａの送電線１００に雷などに起因する地絡事故を発生させたものである。図３の太い実線で表示した（ｉ）は機械式遮断器２０を流れる電流を示す。一点鎖線で表示した（ｉｉ）はＨブリッジ回路５を流れる電流を示す。二点鎖線で表示した（ｉｉｉ）は半導体遮断器４を流れる電流を示す。

事故発生時は事故電流は時間と共に増大していく。直流遮断装置１は、全体として見ると二段階の遮断動作を行う。まず、事故電流の小さい初期の段階で、機械式遮断器２０の遮断動作を行って事故電流を並列回路３に転流させ、事故電流の増大した後期の段階で、半導体遮断器４の遮断動作を行う。以下、詳細に説明する。

時間ｔ１において地絡事故が発生すると、（ｉ）に示すように機械式遮断器２０に流れる電流は増大する。機械式遮断器２０に取り付けられた電流センサは、機械式遮断器２０を流れる電流Ｉｄｃ_Ｍを検出し、予め設定した事故発生検出閾値Ｉｄｃ_Ｊと比較する。検出された電流Ｉｄｃ_Ｍが閾値Ｉｄｃ_Ｊを超過した時間ｔ２において、並列回路３の半導体遮断器４のスイッチング素子４１のゲート信号をオフからオンに切り換える。同時に、Ｈブリッジ回路５の出力電圧制御を行う。具体的には、Ｈブリッジ回路５の出力電圧Ｖ_Ｈを以下の式で演算して、出力する。
Ｖ_Ｈ＝Ｇ（ｓ）×（ＩｄｃＭ−０）
（Ｇ（ｓ）は制御ゲイン。ｓはラプラス演算子）
Ｇ（ｓ）は制御ゲインで、例えば一般的な比例積分制御を行う。

すなわち、各Ｈブリッジユニット５０の各レグ５２のスイッチング素子５１を予め定めるオン・オフ時間の比（ｄｕｔｙ）に従ってパルス幅変調制御を実行することにより、機械式遮断器２０に流れる電流Ｉｄｃ_Ｍが略ゼロとなるように制御し続ける。言い換えると、各レグ５２のスイッチング素子５１をパルス幅変調制御を実施することにより、Ｈブリッジユニット５０の出力電圧Ｖ＿Ｈを可変出力する。

このようなＨブリッジ回路５による制御により、図３の（ｉ）に示すように、機械式遮断器２０に流れる電流Ｉｄｃ_Ｍは略ゼロになるまで制御され続ける。この状態で機械式遮断器２０をオフ状態に移行させる。機械式遮断器２０に流れる電流は略ゼロとなっているため、接点をオフ状態に移行させても通常の直流電流導通時のように、アークを引いて電流が流れ続けることがない。そのため、高速に電流を遮断することができる。

Ｈブリッジユニット５０による出力電圧制御を行う場合は、ほぼ導通抵抗ゼロの機械式遮断器２０にＨブリッジユニット５０の出力電圧が直接印加され、短絡電流が流れて、電流制御ができなくなるおそれがある。しかしながら、本実施形態では、Ｈブリッジ回路５に接続された並列回路３に、電流変化率低減用のリアクトル５５が設けられている。このリアクトル５５によって機械式遮断器２０にＨブリッジユニット５０の出力電圧が直接印加されることが防止されるため、機械式遮断器２０に流れる電流の制御が可能となる。

具体的に説明すると、機械式遮断器２０に流れる電流Ｉｄｃ_Ｍの変化率ｄＩｄｃ_Ｍ／ｄｔは、リアクトル５５のインダクタンス値Ｌを用いて以下の式で表される。
ｄＩｄｃ_Ｍ／ｄｔ＝Ｖ＿Ｈ／Ｌ
リアクトル５５がない場合、インダクタンス値Ｌ＝０となるため、Ｈブリッジユニット５０の出力電圧Ｖ＿Ｈがゼロでない限り、電流変化率ｄＩｄｃ_Ｍ／ｄｔは無限大となってしまい、機械式遮断器２０に流れる電流Ｉｄｃ_Ｍの制御ができなくなる。本実施形態では、並列回路３にリアクトル５５を設けることによって、上記式においてインダクタンス値Ｌが挿入されるため、電流変化率ｄＩｄｃ_Ｍ／ｄｔが有限となる。したがって、Ｈブリッジユニット５０の出力電圧Ｖ＿Ｈの大きさに応じて電流変化率ｄＩｄｃ_Ｍ／ｄｔを制御することが可能となる。これによって、機械式遮断器２０にＨブリッジユニット５０の出力電圧が直接印加されることを防止し、機械式遮断器２０を流れる電流Ｉｄｃ_Ｍを略ゼロにする電流制御が可能となる。

Ｈブリッジ回路５による出力電圧制御により、機械式遮断器２０に流れる電流Ｉｄｃ_Ｍは略ゼロになるまで制御され続ける。具体的には、図４に示すように、送電線１００を流れる電流は、機械式遮断器２０を通らずにＨブリッジ回路５を通り、さらにＨブリッジ回路５に接続された並列回路３を通って、送電線１００に戻る。このため、機械式遮断器２０に流れる電流Ｉｄｃ_Ｍが略ゼロになる。この状態で機械式遮断器２０をオフ状態に移行させる。機械式遮断器２０に流れる電流は略ゼロとなっているため、接点をオフ状態に移行させても通常の直流電流導通時のように、アークを引いて電流が流れ続けることがない。そのため、高速に電流を遮断することができる。

次に、図５に示すように、Ｈブリッジユニット５０のスイッチング素子５１を全てオフにする（図３の（ｉｉ）参照）。すると、Ｈブリッジユニット５０のコンデンサ５３にあらかじめ蓄えられていた電圧が、機械式断路器２を流れ続ける事故電流を減少させる方向に印加される。これによって、機械式断路器２を流れる事故電流は減少する。機械式断路器２に流れる事故電流が減少した分、機械式断路器２に並列に接続された並列回路３に事故電流が転流される。図３の（ｉｉｉ）に示すように、半導体遮断器４に流れる電流が増大し、時間の経過により、最終的に機械式断路器２に流れる電流はゼロになり、すべての事故電流が半導体遮断器４を流れるようになる。このタイミングで、機械式断路器２をオフにする。機械式断路器２には電流が流れていないため、接点を切り離しの際にアークが生じて電流が流れ続けることはない。

最後に、図６に示すように、半導体遮断器４のスイッチング素子４１のゲート信号をオンからオフに切り換えて、並列回路３に流れる事故電流を遮断する。このとき発生するサージ電圧はアレスタ４３に吸収され、電流遮断が完了する。

（効果）
以上のように、第１の実施形態では、直流遮断装置１に、送電線１００に設けられる機械式断路器２と、機械式断路器２に直列に接続される機械式遮断器２０と、機械式断路器２及び機械式遮断器２０に並列に接続される並列回路３と、を備えた。並列回路３には、並列回路３への送電線１００の電流の供給及び遮断を切り換える半導体遮断器４と、半導体遮断器４に直列に接続されたリアクトル５５を備えた。直流遮断装置１はさらに、機械式断路器２及び機械式遮断器２０の間の一点と、半導体遮断器４及びリアクトル５５の間の一点を接続するＨブリッジ回路５を備えている。Ｈブリッジ回路５は、複数のスイッチング素子５１及びコンデンサ５３からなるＨブリッジユニット５０を備える。Ｈブリッジ回路５は、出力電圧制御により機械式遮断器２０に流れる電流を制御する。

通常時には、電流は機械式断路器２及び機械式遮断器２０のみを通過するため、導通損失を低減させることができ、効率の良い直流遮断装置１を提供することが可能となる。事故時には、Ｈブリッジ回路５を用いた出力電圧制御により、並列回路３に電流を誘導して機械式断路器２を流れる電流を、アークを生じさせずに回路の切り離しを行うことができる量、例えば略ゼロにすることで、電流遮断能力のない機械式断路器２であっても、安全に事故点の切り離しを行うことができる。さらに、並列回路３に設けた半導体遮断器４によって高速の電流遮断を実現することができる。このような効果によって、送電効率の向上、コスト低減及び直流送電における信頼性の向上に寄与することができる。

さらに、Ｈブリッジ回路５は、機械式断路器２及び機械式遮断器２０の間の一点と、半導体遮断器４及びリアクトル５５の間の一点を接続する形で設置されている。そのため、機械式遮断器２０の遮断動作を行う事故電流の小さい初期の段階のみ、Ｈブリッジ回路５に電流が流れる。すなわち、Ｈブリッジ回路５を流れる電流の最大値は、機械式遮断器２０をオフする時点での事故電流である。その後、機械式断路器２をオフするまでにさらに時間経過した際に増加する事故電流は、並列回路３を伝わって流れるため、Ｈブリッジ回路５を構成する半導体スイッチング素子５１の最大電流容量は、半導体遮断器４を構成するスイッチング素子４１の最大電流容量よりも大幅に小さな容量に低減することが可能になる。また、並列回路３にリアクトル５５を設置しているため、Ｈブリッジ回路５の出力電圧が機械式遮断器２０に直接印加されることがなく、正確な電流制御が可能となる。

また、Ｈブリッジ回路５は、直列に接続された複数のＨブリッジユニット５０を備えている。各Ｈブリッジユニット５０に備えられているコンデンサ５３の数が増えることによって充放電量も増えるため、大きな事故電流にも対応することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について、図７を用いて説明する。第２の実施形態では、第１の実施形態とは異なる点のみを説明し、第１の実施形態と同じ部分については同じ符号を付して詳細な説明は省略する。

（構成）
本実施形態では、直流遮断装置１はＨブリッジ回路５を備えていない。機械式断路器２及び機械式遮断器２０に並列に接続された並列回路３には、２組の半導体遮断器４Ａ，４Ｂが直列に接続されている。

半導体遮断器４Ａは自己消弧能力を持つスイッチング素子４１ａを、２つ以上直列に接続し、各スイッチング素子４１ａに対してダイオード４２ａを逆並列に接続した構成となっている。図７の例では、３つ接続した例を示している。半導体遮断器４Ａは、直流送電網Ａ側にコレクタ端子を接続している。

半導体遮断器４Ｂは自己消弧能力を持つスイッチング素子４１ｂを、２つ以上直列に接続し、各スイッチング素子４１ｂに対してダイオード４２ｂを逆並列に接続した構成となっている。図７の例では、３つ接続した例を示している。半導体遮断器４Ｂは、直流送電網Ｂ側にコレクタ端子を接続している。すなわち、半導体遮断器４Ｂのスイッチング素子４１ｂは、半導体遮断器４Ａのスイッチング素子４１ｂとは、コレクタ及びエミッタの向きが逆になっている。

半導体遮断器４Ａ，４Ｂは、それぞれのエミッタ同士をリアクトル５５を介して接続されている。このリアクトル５５は、並列回路３の電流変化率を低減するために設置されているが、配線インダクタンスを活用することによって、リアクトル５５を省略することもできる。また、図７の例では、リアクトル５５は半導体遮断器４Ａ，４Ｂの間に設置されているが、設置位置はこれに限られない。並列回路３において、半導体遮断器４Ａの直流送電網Ａ側の隣や、半導体遮断器４Ｂの直流送電網Ｂ側の隣に設置しても、機能に違いはない。

半導体遮断器４Ａを構成するスイッチング素子４１ａの一つには、逆電流発生回路６Ａが逆並列に接続される。逆電流発生回路６Ａは、スイッチング素子６１ａと、スイッチング素子６１ａと逆並列に接続したダイオード６２ａと、スイッチング素子６１ａに直列に接続したコンデンサ６３ａとから構成されている。半導体遮断器４Ａのスイッチング素子４１ａのコレクタ側と、逆電流発生回路６Ａのスイッチング素子４１ａのエミッタ側とを接続している。逆電流発生回路６Ａのコレクタ側は、コンデンサ６３ａの正側端子に接続されている。コンデンサ６３ａの負側端子は、半導体遮断器４Ａのスイッチング素子４１ａのエミッタ側に接続される。

半導体遮断器４Ｂを構成するスイッチング素子４１ｂの一つには、逆電流発生回路６Ｂが逆並列に接続される。逆電流発生回路６Ｂは、スイッチング素子６１ｂと、スイッチング素子６１ｂと逆並列に接続したダイオード６２ｂと、スイッチング素子６１ｂに直列に接続したコンデンサ６３ｂとから構成されている。半導体遮断器４Ｂのスイッチング素子４１ｂのコレクタ側と、逆電流発生回路６Ｂのスイッチング素子４１ｂのエミッタ側とを接続している。逆電流発生回路６Ｂのコレクタ側は、コンデンサ６３ｂの正側端子に接続されている。コンデンサ６３ｂの負側端子は、半導体遮断器４Ａのスイッチング素子４１ａのエミッタ側に接続される。すなわち、逆電流発生回路６Ｂのスイッチング素子６１ｂは、逆電流発生回路６Ａのスイッチング６１ａとは、逆方向に電流を導通させるように設置されている。

逆電流発生回路６Ａ，６Ｂを構成するスイッチング素子６１ａ，６１ｂは、半導体遮断器４Ａ，４Ｂを構成するスイッチング素子４１ａ，４１ｂの最大電流容量よりも小さな容量のものを用いても良い。

なお、逆電流発生回路６Ａ，６Ｂは、それぞれ、半導体遮断器４Ａ，４Ｂを構成するスイッチング素子４１ａ，４１ｂの一つに対して逆並列に接続されているが、複数のスイッチング素子４１ａ，４１ｂに対して逆並列に接続するようにしても良い。図７の例では半導体遮断器４Ａ，４Ｂは、それぞれ３つのスイッチング素子４１ａ，４１ｂを有しているため、逆電流発生回路６Ａ，６Ｂは、２つ又は３つのスイッチング素子４１ａ，４１ｂに対して逆並列に接続するようにしても良い。

（動作）
以上の構成を有する直流遮断装置１の動作を、通常時と事故時に分けて説明する。なお、事故時については、直流送電網Ｂで直流短絡事故が発生した場合を説明する。通常時、機械式断路器２及び機械式遮断器２０をオン状態、半導体遮断器４Ａ，４Ｂ及び逆電流発生回路６Ａ，６Ｂのスイッチング素子をオフ状態に制御する。直流送電網Ａからの電流は、機械式断路器２と機械式遮断器２０のみを通過して直流送電網Ｂへ流れ、並列回路３には流れない。

事故発生時、機械式遮断器２０に取り付けられた電流センサが閾値Ｉｄｃ_Ｊを超える電流Ｉｄｃ_Ｍを検出すると、直流送電網Ａ側にコレクタが接続された半導体遮断器４Ａのスイッチング素子４１ａをオン状態に移行するとともに、半導体遮断器４Ｂに逆並列に接続された逆電流発生回路６Ｂのスイッチング素子６１ｂをオンにする。

逆電流発生回路６Ｂのコンデンサ６３ｂにあらかじめ充電されたコンデンサ電圧により、直流送電網Ｂ側にコレクタが接続された半導体遮断器４Ｂのダイオード４２ｂ、機械式遮断器２０、機械式断路器２、直流送電網Ａ側にコレクタが接続された半導体遮断器４Ａのスイッチング素子４１ａ及びリアクトル５５を通過する一巡回路を構成する。この一巡回路によって、事故時に機械式遮断器２０を流れる事故電流と逆向きの電流を重畳させる。これによって機械式遮断器２０に流れる電流Ｉｄｃ_Ｍが略ゼロに制御される。この状態で、機械式遮断器２０をオフ状態に移行させる。機械式遮断器２０に流れる電流は略ゼロとなっているため、接点をオフ状態に移行させても通常の直流電流導通時のように、アークを引いて電流が流れ続けることがない。そのため、高速に電流を遮断することができる。

次に、逆電流発生回路６Ｂのスイッチング素子６１ｂをオフにする。さらに機械式断路器２をオフにする。時間経過によって増大する事故電流は、並列回路３のみを流れるようになる。ここで、半導体遮断器４Ａのスイッチング素子４１ａのゲート信号をオンからオフに切り換えることにより、最終的に事故電流は遮断される。

なお、直流送電網Ａ側で事故が発生した場合には、直流送電網Ｂで事故が発生した場合と左右逆に動作させる。すなわち、直流送電網Ｂ側にコレクタが接続された半導体遮断器４Ｂのスイッチング素子４１ｂをオン状態に移行するとともに、逆電流発生回路６Ａのスイッチング素子６１ａをオンにする。逆電流発生回路６Ａのコンデンサ６３ａにあらかじめ充電されたコンデンサ電圧により、直流送電網Ａ側にコレクタが接続された半導体遮断器４Ａのダイオード４２ａ、機械式断路器２、機械式遮断器２０、直流送電網Ｂ側にコレクタが接続された半導体遮断器４Ｂのスイッチング素子４１ｂ及びリアクトル５５を通過する一巡回路を構成する。この一巡回路によって、事故時に機械式遮断器２０を流れる事故電流と逆向きの電流を重畳させる。機械式遮断器２０に流れる電流Ｉｄｃ_Ｍを略ゼロに制御し、この状態で、機械式遮断器２０をオフ状態に移行させる。

（効果）
（１）以上のように、第２の実施形態では、直流遮断装置１にＨブリッジ回路５を備える代わりに、並列回路３に２組の半導体遮断器４Ａ，４Ｂを備え、さらに半導体遮断器４Ａ，４Ｂそれぞれに逆並列に接続する逆電流回路６Ａ，６Ｂを備える構成とした。半導体遮断器４Ａ，４Ｂは、複数のスイッチング素子４１ａを直列に接続して構成され、送電線１００から供給された電流を、お互いに逆の方向に導通させるように設置される。逆電流発生回路６Ａ，６Ｂは、半導体遮断器４Ａ，４Ｂを構成するスイッチング素子４１ａ，４１ｂの１つ又は複数に対して逆並列に接続され、機械式遮断器２０を流れる電流と逆向きの電流を重畳させる。

このような構成とすることによって、第１の実施形態と同様に、通常時には、電流は機械式断路器２及び機械式遮断器２０のみを通過するため、導通損失を低減させることができ、効率の良い直流遮断装置１を提供することが可能となる。事故時には、逆電流発生回路６Ａ，６Ｂが機械式遮断器２０を流れる電流と逆向きの電流を重畳させるため、機械式遮断器２０を流れる電流を略ゼロにすることができ、安全に事故点の切り離しを行うことができる。さらに、並列回路３に設けた半導体遮断器４によって高速の電流遮断を実現することができる。このような効果によって、送電効率の向上、コスト低減及び直流送電における信頼性の向上に寄与することができる。

また、逆電流発生回路６Ａ，６Ｂを半導体遮断器４Ａ，４Ｂに並列に接続したため、機械式遮断器２０の遮断動作を行う事故電流の小さい初期の段階のみ逆電流発生回路６Ａ，６Ｂに電流が流れる。すなわち逆電流発生回路６Ａ，６Ｂを流れる電流の最大値は、機械式遮断器２０をオフする時点での事故電流までである。機械式遮断器２０のオフ後、時間経過によって増大した事故電流は、逆電流発生回路６Ａ，６Ｂと並列接続された半導体遮断器４Ａ，４Ｂを伝わって流れる。そのため、逆電流発生回路６Ａ，６Ｂを構成するスイッチング素子６１ａ，６１ｂの最大電流容量は、半導体遮断器４Ａ，４Ｂを構成するスイッチング素子４１ａ，４１ｂの最大電流容量よりも小さな容量にすることが可能になるため、直流遮断装置１を低コスト化することが可能である。

（２）並列回路３は半導体遮断器４Ａ及び半導体遮断器４Ｂに直列に接続されたリアクトル５５を備えている。リアクトル５５によって並列回路３に流れる電流を平滑化し、電流変化率を低減することができ、正確な出力電圧制御が可能となる。

（その他の実施形態）
本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１ 直流遮断装置
２ 機械式断路器
２０ 機械式遮断器
３ 並列回路
４，４Ａ，４Ｂ 半導体遮断器
４１，４１ａ，４１ｂ スイッチング素子
４２，４２ａ，４２ｂ ダイオード
４３ アレスタ
５ Ｈブリッジ回路
５０ Ｈブリッジユニット
５１ スイッチング素子
５２ レグ
５３ コンデンサ
５５ リアクトル
６Ａ，６Ｂ 逆電流発生回路
６１ａ，６１ｂ スイッチング素子
６２ａ，６２ｂ ダイオード
６３ａ，６３ｂ コンデンサ
１００ 正側の送電線
１０１ 負側の送電線
Ａ，Ｂ 直流送電網

Claims (7)

1. 直流送電系統に設けられる機械式断路器と、
   前記直流送電系統に設けられ、前記機械式断路器に直列に接続される機械式遮断器と、
   前記機械式断路器及び前記機械式遮断器に並列に接続され、前記直流送電系統の電流の供給及び遮断を切り換える半導体遮断器と、当該半導体遮断器に直列に接続されたリアクトルと、を備えた並列回路と、
   前記機械式断路器及び前記機械式遮断器の間の一点と、前記半導体遮断器及び前記リアクトルの間の一点を接続し、複数のスイッチング素子及びコンデンサからなるＨブリッジユニットを備え、出力電圧制御により前記機械式遮断器に流れる電流を制御するＨブリッジ回路と、を有することを特徴とする直流遮断装置。
2. 前記直流送電系統の事故発生時に、
   前記半導体遮断器及び前記Ｈブリッジユニットをオン状態に移行させ、前記Ｈブリッジ回路の出力電圧制御により前記機械式遮断器に流れる電流を略ゼロに制御して当該機械式遮断器をオフ状態に移行させ、
   前記Ｈブリッジユニットをオフ状態に移行させて、前記Ｈブリッジ回路の前記コンデンサの電圧印加により前記並列回路に事故電流を転流させ、前記機械式断路器をオフ状態に移行させてから、前記半導体遮断器で事故電流を遮断することを特徴とする請求項１記載の直流遮断装置。
3. 前記Ｈブリッジ回路は、直列に接続された複数の前記Ｈブリッジユニットを備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の直流遮断装置。
4. 直流送電系統に設けられる機械式断路器と、
   前記直流送電系統に設けられ、前記機械式断路に直列に接続される機械式遮断器と、
   前記機械式断路器及び前記機械式遮断器に並列に接続された並列回路であって、複数のスイッチング素子を直列に接続して構成され、前記直流送電系統から供給された電流を第一の方向に導通させる第１の半導体遮断器と、複数のスイッチング素子を直列に接続して構成され、前記直流送電系統から供給された電流を第一の方向と逆向きの第二の方向に導通させる第２の半導体遮断器と、を備えた並列回路と、
   前記第１の半導体遮断器を構成するスイッチング素子の１つ又は複数に対して逆並列に接続され、スイッチング素子及びコンデンサから構成され、前記機械式遮断器を流れる電流と逆向きの電流を重畳させる第１の逆電流発生回路と、
   前記第２の半導体遮断器を構成するスイッチング素子の１つ又は複数に対して逆並列に接続され、スイッチング素子及びコンデンサから構成され、前記機械式遮断器を流れる電流と逆向きの電流を重畳させる第２の逆電流発生回路と、を備えることを特徴とする直流遮断装置。
5. 前記直流送電系統の事故発生時に、
   前記第１の半導体遮断器及び前記第２の逆電流回路をオン状態に移行させ、前記第２の逆電流発生回路のコンデンサ電圧により、前記機械式遮断器を流れる電流と逆向きの電流を重畳させて前記機械式遮断器に流れる電流を略ゼロに制御して当該機械式遮断器をオフ状態に移行させ、前記第２の逆電流発生回路をオフ状態に移行させ、前記機械式断路器をオフ状態に移行させてから、前記半導体遮断器で事故電流を遮断することを特徴とする請求項４記載の直流遮断装置。
6. 前記直流送電系統の事故発生時に、
   前記第２の半導体遮断器及び前記第１の逆電流回路をオン状態に移行させ、前記第１の逆電流発生回路のコンデンサ電圧により、前記機械式遮断器を流れる電流と逆向きの電流を重畳させて前記機械式遮断器に流れる電流を略ゼロに制御して当該機械式遮断器をオフ状態に移行させ、前記第１の逆電流発生回路をオフ状態に移行させ、前記機械式断路器をオフ状態に移行させてから、前記半導体遮断器で事故電流を遮断することを特徴とする請求項４記載の直流遮断装置。
7. 前記並列回路は、前記第１の半導体遮断器及び前記第２の半導体遮断器に直列に接続されたリアクトルを備えることを特徴とする請求項４〜６のいずれか一項に記載の直流遮断装置。
   
   
   

Images