JP2016213192A - 直流遮断器 - Google Patents

Abstract

【課題】遮断動作時間を低減させ、必要な逆電流の大きさを減少させた直流遮断器を提供する。
【解決手段】直流遮断器は、電源１８と負荷１９との間に接続されており、その一部に、主遮断器１１と第１ダイオード１２が並列に設けられた主回路ライン１０と、主遮断器１１の後段に負荷１９と並列に接続され、第１キャパシタ２１、リアクトル２２、第２ダイオード２４が直列に設けられた充電回路ライン２０と、一端が主遮断器１１の前段に接続され、他端がリアクトル２２と第２ダイオード２４との間に接続されており、第３ダイオード３１と電流スィッチ３２が直列に設けられたスイッチライン３０と、を含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、直流遮断器に関し、より詳細には、遮断動作時間を低減させ、必要な逆電流の大きさを減少させた直流遮断器に関する。

通常、直流遮断器は、高圧直流（ＨＶＤＣ、Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）の送電線路または配電線路における機器の補修、入れ替え、および故障電流の発生時に機器および系統を保護するために、速やかに且つ効率的に系統を遮断するために用いられる機器である。

図１に、従来技術である特許文献１に開示された直流遮断器１００を示す。従来技術による直流遮断器１００は、定格電流の通電を担う機械式遮断器１１０、１２０およびダイオード１２５で構成された主通電部、抵抗１５０、インダクタ１６０、キャパシタ１７０、サージアレスタ（Ｓｕｒｇｅ Ａｒｒｅｓｔｅｒ）１８０を含んで構成される。また、従来技術による直流遮断器１００は、サイリスタ（Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）１９０およびダイオード１９５で構成されて電流遮断時にアークを消弧するために逆電流を生成するパルス発生部（Ｐｕｌｓｅ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ、ＰＧ部）１８５、ダイオード１３０、およびサージアレスタ１４０からなって、線路に残存するエネルギーを吸収および消去する部分を含む。

従来技術による直流遮断器１００の動作は、次の通りである。定格電流の通電時には、主通電部の機械式遮断器１２０を閉じることにより定格電流を通電させる。この際、第４ノード１０４と第２ノード１０２との間の電位差により、ＰＧ部１８５のダイオード１９５‐抵抗１５０‐キャパシタ１７０の経路を経てキャパシタ１７０が充電される。キャパシタ１７０の充電が完了すると、第４ノード１０４と第２ノード１０２との間の電位差がなくなり、ＰＧ部１８５の電流の流れが遮断されて遮断器の動作が準備される。

故障電流が発生して直流遮断器１００の遮断動作が開始されると、先ず、機械式遮断器１１０、１２０を開放させる。ところが、機械式遮断器１１０、１２０は、アーク電流によって故障電流が通電され続けている状態である。その後、ＰＧ部１８５のサイリスタ１９０をターンオン（ｔｕｒｎ ｏｎ）させて、キャパシタ１７０‐インダクタ１６０‐サイリスタ１９０の経路を経てキャパシタ１７０を逆充電させる。キャパシタ１７０の逆充電量がサージアレスタ１４０の放電電圧に至ると、サージアレスタ１４０が通電状態になる。次に、キャパシタ１７０の放電が開始されて、キャパシタ１７０‐サージアレスタ１４０‐ダイオード１３０‐機械式遮断器１２０‐ダイオード１９５‐抵抗１５０の経路を経て機械式遮断器１２０に逆方向の電流が流れることになる。これにより、機械式遮断器１２０に流れる故障電流は逆方向の電流と会って電流零点が発生し、その結果、機械式遮断器１２０のアークが消弧される。アーク消弧後に残った逆方向の電流は、ダイオード１２５を介して流れることになる。そして、機械式遮断器１２０の遮断完了後に線路に残存するエネルギーはサージアレスタ１４０、１８０により吸収され、ＰＧ部１８５のキャパシタ１７０は再充電されて次の遮断動作を準備する。

ところが、従来技術による直流遮断器１００では、遮断動作時に逆方向の電流を生成するためにＰＧ部１８５のキャパシタ１７０を逆充電しなければならない。このような過程は、遮断動作の遅延を招く。また、故障電流は上昇速度が大きいため、遅延された時間に応じてさらに大きい大きさの故障電流を遮断しなければならない。そのため、キャパシタ１７０、機械式遮断器１２０、サージアレスタ１４０などの負担が加重され、さらに大きい容量の部品が必要となって、直流遮断器１００の生産コストの上昇を招くおそれがあった。

国際公開第２０１３／０４５２３８Ａ１号パンフレット

本発明は、前述の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、遮断動作時間を低減させ、必要な逆電流の大きさを減少させた直流遮断器を提供することにある。

本発明の一実施形態による直流遮断器は、電源と負荷との間に接続されており、その一部に、主遮断器と第１ダイオードが並列に設けられた主回路ラインと、前記主遮断器の後段に前記負荷と並列に接続され、第１キャパシタ、リアクトル、第２ダイオードが直列に設けられた充電回路ラインと、一端が前記主遮断器の前段に接続され、他端が前記リアクトルと前記第２ダイオードとの間に接続されており、第３ダイオードと電流スイッチが直列に設けられたスイッチラインと、を含む。

また、前記主回路ラインには、補助遮断器と限流リアクトルが直列に設けられたことを特徴とする。

また、前記充電回路ラインには、第２キャパシタがさらに設けられたことを特徴とする。

また、前記第１キャパシタと前記第２キャパシタには、第１抵抗と第２抵抗がそれぞれ並列に接続され、前記第１キャパシタと前記第２キャパシタの充電容量を調節することができることを特徴とする。

また、前記主遮断器は、機械式スイッチまたは高速スイッチで構成されることを特徴とする。

また、前記電流スイッチは、機械式スイッチまたは電力半導体スイッチで構成されることを特徴とする。

また、第４ダイオードと第１非線形抵抗器が直列に接続された回路が、前記第１キャパシタの前段と前記リアクトルの後段に並列に接続されていることを特徴とする。

また、前記第２キャパシタには、第２非線形抵抗器が並列に接続されていることを特徴とする。

そして、前記充電回路ラインを基準として、第２主遮断器、第５ダイオード、第６ダイオード、第２電流遮断器が、前記主遮断器、前記第１ダイオード、前記第３ダイオード、電流スイッチと対称に設けられることを特徴とする。

本発明の各実施形態による直流遮断器によれば、定常状態で第１キャパシタが既に充電されているため、遮断動作時に直ちに逆電流を発生させることができる。これにより、遮断動作に要する時間が低減し、且つ、より小さい大きさの故障電流に対応して遮断することができる。したがって、必要な遮断性能が減少するので、容量の小さい機械式遮断器およびキャパシタを用いることができ、生産コストが低減する。

従来技術による直流遮断器の回路構造図である。 本発明の一実施形態による直流遮断器の回路構造図である。 本発明の一実施形態による直流遮断器において、故障電流遮断時の電圧、電流の波形図を示す。 図３の電圧、電流波形の個別波形図である。 本発明の他の実施形態による直流遮断器の回路構造図である。 本発明のさらに他の実施形態による直流遮断器の回路構造図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面を参照して説明するが、これは、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者が発明を容易に実施できるように詳細に説明するためのものであって、これにより本発明の技術的思想および範囲が限定されることを意味するものではない。

本明細書において、何れかの構成要素の「前段」および「後段」という用語は、定常状態における電流の流れる方向を基準とする。例えば、電源の正極と負極との間に遮断器が設けられている場合、定常状態では「電源の正極−遮断器の前段−遮断器−遮断器の後段−電源の負極」の順に電流が流れることになる。

図２は本発明の一実施形態による直流遮断器１の回路構造図である。図３は、本発明の一実施形態による直流遮断器１において、故障電流遮断時の電圧、電流の波形図を示し、図４は図３の電圧、電流波形の個別波形図である。以下、図面を参照して本発明の各実施形態による直流遮断器について詳細に説明する。

本発明の一実施形態による直流遮断器１は、電源１８と負荷１９との間に循環的に接続されており、その一部に、主遮断器１１と第１ダイオード１２が並列に設けられた主回路ライン１０と、前記主遮断器１１の後段であって前記負荷１９と並列に接続されており、第１キャパシタ２１、リアクトル２２、第２ダイオード２４が直列に設けられた充電回路ライン２０と、を含んで構成される。

主回路ライン１０は、電源１８と負荷１９との間に循環的に接続されている。すなわち、電源１８の正極（＋極）から電流が流れ出し、負荷１９を経て電源１８の負極（−極）に流れ込むことになる。

主回路ライン１０には、定格電流の通電および遮断を行うための主遮断器１１が設けられている。ここで、主遮断器１１は、通常の機械式スイッチまたは高速スイッチで構成することができる。かかる主遮断器１１の構成は、定格電圧に応じて選択され得る。この際、高速スイッチは、接触抵抗の小さい機械式スイッチを、定格電圧に応じて１個または複数個直列に接続して用いることができる。また、主遮断器１１として、交流（ＡＣ）系統で一般に用いられる遮断器を用いてもよい。

第１ダイオード１２は主遮断器１１と並列に設けられている。ここで、第１ダイオード１２は、負荷１９から電源１８の正極へ流れる方向に設けられている。第１ダイオード１２は、電流遮断時に流れる逆方向残留電流の通路を提供する役割を担う。

説明の便宜のために、主遮断器１１の前段を第１ノード１０１、主遮断器１１の後段を第２ノード１０２という。また、負荷１９の後段を第３ノード１０３という。

主遮断器１１の後段と負荷１９の後段との間、すなわち、第２ノード１０２と第３ノード１０３との間に充電回路ライン２０が備えられている。充電回路ライン２０には、第１キャパシタ２１、リアクトル２２、第２ダイオード２４が直列に設けられている。

第１キャパシタ２１は、正常電流の通電時に充電され、故障電流が発生して主遮断器１１が開放された時に放電されることにより、逆方向の電流を発生させる。

リアクトル２２は、急激な電流変化を制限することで、回路を安定して維持するために備えられる。リアクトル２２は、例えばコイルで構成することができる。

第２ダイオード２４は、第２ノード１０２から第３ノード１０３に向かう方向に設けられている。充電回路ライン２０には、第２キャパシタ２３をさらに備える。第１キャパシタ２１と第２キャパシタ２３には、第１抵抗２５と第２抵抗２６がそれぞれ並列に接続されている。これにより、第１キャパシタ２１と第２キャパシタ２３に充電される充電電圧を調節することができる。例えば、主回路ライン１０の定格電圧が１００ｋＶ、第１抵抗２５が４０ｋΩ、第２抵抗２６が１０ｋΩである場合、第１抵抗２５、第２抵抗２６にそれぞれ並列に接続された第１キャパシタ２１、第２キャパシタ２３には、抵抗比に応じて、第１キャパシタ２１に８０ｋＶ、第２キャパシタ２３に２０ｋＶが充電される。第１抵抗２５と第２抵抗２６の抵抗比を調節することで、第１キャパシタ２１と第２キャパシタ２３に充電される電圧を調節することができる。主には、第１キャパシタ２１の充電電圧を調節することで、遮断時に必要な容量に応じて設定することができる。

主遮断器１１の前段（すなわち、第１ノード１０１）と充電回路ライン２０のリアクトル２２と第２キャパシタ２３との間に、スイッチライン３０が備えられる。説明の便宜のために、リアクトル２２と第２キャパシタ２３との間を第４ノード１０４という。

スイッチライン３０には、第３ダイオード３１と電流スイッチ３２が直列に設けられている。第３ダイオード３１は、第１ノード１０１から第４ノード１０４に向かう方向に設けられている。

電流スイッチ３２は、機械式スイッチまたはターンオン（ｔｕｒｎ ｏｎ）、ターンオフ（ｔｕｒｎ ｏｆｆ）機能を有する電力半導体スイッチで構成可能である。かかる電力半導体スイッチとしては、サイリスタ（Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＩＧＣＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）、ＧＴＯ（Ｇａｔｅ Ｔｕｒｎ‐ｏｆｆ Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）などが挙げられる。

主回路ライン１０には、補助遮断器１３と限流リアクトル（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｌｉｍｉｔｉｎｇ Ｒｅａｃｔｏｒ）１４が直列に設けられている。補助遮断器１３は、残留電流を除去するために備えられるものである。補助遮断器１３としては、通常の機械式遮断器が用いられることができる。

限流リアクトル１４は、短絡電流による機械の機械的、熱的障害を防止し、且つ遮断すべき電流を制限することで遮断器の所要容量を低減するために備えられるものである。限流リアクトル１４は、不変インダクタンスを有する構成からなることができる。

次に、本発明の一実施形態による直流遮断器１の作用を説明する。

主遮断器１１と補助遮断器１３を閉じ（投入、閉路）、電流スイッチ３２を開く（開放）と、主回路ライン１０に沿って正常電流が流れる（図２においてｉ１回路）。この際、充電回路ライン２０の第１キャパシタ２１と第２キャパシタ２３にも電流が流れて、電気が充電される（図２においてｉ２回路）。この際、図２に示すように、第１キャパシタ２１と第２キャパシタ２３は、第２ノード１０２側が正極、第３ノード１０３側が負極となる。ここで、第１キャパシタ２１と第２キャパシタ２３の充電電圧が第１抵抗２５と第２抵抗２６によって調節され得ることは上述のとおりである。第１キャパシタ２１と第２キャパシタ２３の充電が完了すると、ｉ２回路にはそれ以上電流が流れず、主回路ライン１０の電流は全て、負荷１９のあるｉ１回路を流れることになる。

もし、主回路ライン１０に故障電流が発生する場合、故障電流は限流リアクトル１４により緩やかな曲線を描くことになる（図３の故障電流Ｉ_ｃａｌ参照）。そして、検出器（不図示）などによって故障電流と判断されると、主遮断器１１が開放される。この際、主遮断器１１は、機械的距離を確保することになるが、アークにより主遮断器１１を経て故障電流が流れ続ける状態におかれる。

その後、主遮断器１１が所定電圧に耐える電圧レベルまで開放されると（すなわち、所定時間（数ｍｓ）が経過すると）、電流スイッチ３２を閉じる。電流スイッチ３２を閉じると、第１ノード１０１から第４ノード１０４および第２ノード１０２を経て第１ノード１０１に流れる回路ｉ３が形成される（図２参照）。この際、第１キャパシタ２１に充電されていた電気が主遮断器１１の故障電流とは逆方向に流れ、アークを消弧して故障電流を遮断する。つまり、ｉ１経路を経て流れるアーク電流（故障電流）が、ｉ３経路を経て流れる逆方向の放電電流と会って電流零点が発生し、その結果、主遮断器１１のアークが消弧される。図３を参照すれば、故障電流Ｉ_ｃａｌと遮断器動作時の電流波形Ｉ_{ｔｏｔａｌ}が示されている。正常電流の通電時に既に第１キャパシタ２１に電気が充電されている状態であるため、別の充電が不要であって、逆電流を直ちに発生させることができる。一方、アーク消弧後に残存する逆方向電流は第１ダイオード１２に流れることになる。

ｉ３回路を経て流れる逆電流により、主遮断器１１に流れる故障電流が電流零点に到逹すると、主回路ライン１０に流れる残留電流はｉ４回路とｉ５回路を経て流れることになる（図２参照）。ここで、ｉ４回路は、電源１８から第１ノード１０１、第４ノード１０４、第２ノード１０２、負荷１９、および第３ノード１０３を経て電源１８へ流れる回路である。ｉ５回路は、電源１８から第１ノード１０１、第４ノード１０４、および第３ノード１０３を経て電源１８へ流れる回路である。この際、第１キャパシタ２１と第２キャパシタ２３には電気が充電される。第１キャパシタ２１と第２キャパシタ２３の充電が完了すると、ｉ４、ｉ５経路を経て流れる電流は自動で遮断される。

その後、補助遮断器１３を開放して残留電流を遮断し、直流遮断器１を直流系統から完全に分離する。

図３および図４には、故障電流の発生時における本発明の一実施形態による直流遮断器１の遮断動作をＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣプログラムによりシミュレーションした電流、電圧波形の例が示されている。

図３において、Ｉ_ｃａｌは直流遮断器１が動作していない時の故障電流波形、Ｉ_{ｔｏｔａｌ}は直流遮断器１の動作時の電流波形、Ｅ_ＣＢは直流遮断器１の動作時の電圧波形である。そして、図４において、Ｅ_ＣＢは直流遮断器１の動作時の電圧波形、Ｉ_{ｔｏｔａｌ}は直流遮断器１の動作時の電流波形、Ｉ_ＦＳは主遮断器１１を経て流れる電流波形、Ｉ_ｂｙｐは電流スイッチ３２を経て流れる電流波形である。

定常状態で定格電流（０．０ｍｓ前）が流れている中に、０．０ｍｓに故障電流が発生したとすると、限流リアクトル１４によって故障電流が緩やかに上昇することになる。本実施形態では２ｋＡで直流遮断器１が動作するように設定しているため、約０．５ｍｓとなった時に、主遮断器１１の開放動作信号に応じて主遮断器１１が開放動作を開始する。主遮断器１１が開放動作を開始し所定時間が経過して約２．７ｍｓで電流スイッチ３２を閉じると、逆方向の電流が流れることになる（図４のＩ_ｂｙｐ）。主遮断器１１に流れるアーク電流（図４のＩ_ＦＳ）が、逆方向の電流（Ｉ_ｂｙｐ）と会って電流零点が発生して消弧される。その後、約６．０ｍｓに第１キャパシタ２１と第２キャパシタ２３の充電が完了し、直流遮断器１の遮断動作が完了することを確認することができる。

図５には、本発明の他の実施形態による直流遮断器２の回路構造図が示されている。この実施形態では、第１キャパシタ２１と第２キャパシタ２３の充電電圧を制御するために、ダイオードと非線形抵抗器が追加構成されている。

先ず、第１キャパシタ２１の前段とリアクトル２２の後段に並列に接続されるラインに、第４ダイオード２７と第１非線形抵抗器２８が直列に設けられている。また、第２キャパシタ２３には第２非線形抵抗器２９が並列に接続されている。非線形抵抗器は、所定電圧以上になると電流を通過させる特性を有する。そのため、第１キャパシタ２１、第２キャパシタ２３が過充電されると、並列に接続された第１非線形抵抗器２８、第２非線形抵抗器２９を経て電流が流れることになり、第１キャパシタ２１、第２キャパシタ２３の過充電現象を防止することができる。

図６には、本発明のさらに他の実施形態による直流遮断器３の回路構造図が示されている。この実施形態の直流遮断器３では、上述の実施形態の直流遮断器２に加え、第２主遮断器４１、第５ダイオード４２、第６ダイオード４３、第２電流遮断器４４が追加構成されている。ここで、第２主遮断器４１、第５ダイオード４２、第６ダイオード４３、第２電流遮断器４４は、充電回路ライン２０を基準として、主遮断器１１、第１ダイオード１２、第３ダイオード３１、電流スイッチ３２と対称に設けられる。また、電源１８と反対方向に流れる第２電源１７が備えられている。これにより、両方向の電流を遮断することができる。

本発明の各実施形態による直流遮断器によれば、定常状態で第１キャパシタ２１が既に充電されているため、遮断動作時に直ちに逆電流を発生させることができる。すなわち、従来技術のような逆充電が不要である。そのため、遮断動作に要する時間が低減し、且つ、より小さい大きさの故障電流に対応して遮断可能である効果がある。したがって、必要な遮断性能が減少するので、容量の小さい機械式遮断器およびキャパシタを用いることができ、生産コストが低減する効果がある。

上述のような本発明によれば、定常状態で第１キャパシタが既に充電されているため、遮断動作時に直ちに逆電流を発生させることができる。そのため、遮断動作に要する時間が低減し、且つ、より小さい大きさの故障電流に対応して遮断可能である効果がある。したがって、必要な遮断性能が減少するので、容量の小さい機械式遮断器およびキャパシタを用いることができ、生産コストを低減する効果がある。

上記説明した各実施形態は、本発明を具現するための実施形態であって、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者であれば、本発明の本質的な特性を逸脱しない範囲で様々な修正および変形が可能であろう。したがって、本発明に開示の実施形態は、本発明の技術思想を限定するためのものではなく、説明するためのものであって、この実施形態により本発明の技術思想の範囲が限定されるものではない。すなわち、本発明の保護範囲は添付の特許請求の範囲によって解釈されるべきであり、それと同等な範囲内の全ての技術思想は本発明の権利範囲に含まれると解釈されるべきである。

本発明は、直流遮断器に利用することが可能である。

１，２，３ 直流遮断器
１０ 主回路ライン
１１ 主遮断器
１２ 第１ダイオード
１３ 補助遮断器
１４ 限流リアクトル
１８ 電源
１９ 負荷
２０ 充電回路ライン
２１ 第１キャパシタ
２２ リアクトル
２３ 第２キャパシタ
２４ 第２ダイオード
２５ 第１抵抗
２６ 第２抵抗
２７ 第４ダイオード
２８ 第１非線形抵抗器
２９ 第２非線形抵抗器
３０ スイッチライン
３１ 第３ダイオード
３２ 電流スイッチ
４１ 第２主遮断器
４２ 第５ダイオード
４３ 第６ダイオード
４４ 第２電流遮断器

Claims (9)

1. 電源と負荷との間に接続されており、その一部に、主遮断器と第１ダイオードが並列に設けられた主回路ラインと、
   前記主遮断器の後段に前記負荷と並列に接続され、第１キャパシタ、リアクトル、第２ダイオードが直列に設けられた充電回路ラインと、
   一端が前記主遮断器の前段に接続され、他端が前記リアクトルと前記第２ダイオードとの間に接続されており、第３ダイオードと電流スイッチが直列に設けられたスイッチラインと、を含む直流遮断器。
2. 前記主回路ラインには、補助遮断器と限流リアクトルが直列に設けられたことを特徴とする、請求項１に記載の直流遮断器。
3. 前記充電回路ラインには、第２キャパシタがさらに設けられたことを特徴とする、請求項１または２に記載の直流遮断器。
4. 前記第１キャパシタと前記第２キャパシタには、第１抵抗と第２抵抗がそれぞれ並列に接続され、前記第１キャパシタと前記第２キャパシタの充電容量を調節することができることを特徴とする、請求項３に記載の直流遮断器。
5. 前記主遮断器は、機械式スイッチまたは高速スイッチで構成されることを特徴とする、請求項１から４の何れか一項に記載の直流遮断器。
6. 前記電流スイッチは、機械式スイッチまたは電力半導体スイッチで構成されることを特徴とする、請求項１から５の何れか一項に記載の直流遮断器。
7. 第４ダイオードと第１非線形抵抗器が直列に接続された回路が、前記第１キャパシタの前段と前記リアクトルの後段に並列に接続されていることを特徴とする、請求項１から６の何れか一項に記載の直流遮断器。
8. 前記第２キャパシタには、第２非線形抵抗器が並列に接続されていることを特徴とする、請求項３に記載の直流遮断器。
9. 前記充電回路ラインを基準として、第２主遮断器、第５ダイオード、第６ダイオード、第２電流遮断器が、前記主遮断器、前記第１ダイオード、前記第３ダイオード、前記電流スイッチと対称に設けられることを特徴とする、請求項１から８の何れか一項に記載の直流遮断器。

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