JP2018156799A

JP2018156799A - 直流遮断装置

Info

Publication number: JP2018156799A
Application number: JP2017052002A
Authority: JP
Inventors: 伸仁上栗; Nobuhito Uekuri; 長谷川　勇; Isamu Hasegawa; 勇長谷川
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2017-03-17
Filing date: 2017-03-17
Publication date: 2018-10-04
Anticipated expiration: 2037-03-17
Also published as: JP6844352B2

Abstract

【課題】双方向の電流遮断が可能で、かつ、半導体スイッチを用いずに機械接点開極時のアークを抑制できる直流遮断装置を提供する。【解決手段】第１直流系統１の＋端子に第１ダイオードＤ１のカソードが接続される。第１直流系統１と第１ダイオードＤ１の共通接続点に第１機械遮断器ＣＢ１の一端が接続される。第１機械遮断器ＣＢ１の他端と第１ダイオードＤ１のアノードとの間にコンデンサＣが接続される。コンデンサＣと第１ダイオードＤ１の共通接続点に第２ダイオードＤ２のアノードが接続される。コンデンサＣと第１機械遮断器ＣＢ１の共通接続点と第２ダイオードＤ２のカソードとの間に第２機械遮断器ＣＢ２が接続される。第２ダイオードＤ２のアノードと第２機械遮断器ＣＢ２との共通接続点が第２直流系統２の＋端子に接続される。【選択図】図１

Description

本発明は、定常時の電力損失が小さく、双方向の直流電流を遮断できる直流遮断装置に関する。

２つの直流系統を持つ直流配電システムでは、一方の直流系統に事故が発生した時、２系統間に設けた直流遮断器により事故が発生した系統を切り離すことによって、もう一方の正常な系統から負荷に配電できるようにしている。

図１０に示す直流遮断器は機械遮断器４のみで構成されており、第１，第２直流系統１，２のいずれかの箇所の事故発生時に機械接点が開極動作を行い、事故が発生した直流系統を切り離す。

また、この機械遮断器４は第１直流系統１及び第２直流系統２に接続されており、双方向電流に対して開極動作が可能である。再生可能エネルギーの活用や安定した電力の需給など、ネットワーク化された直流送配電システムにおいては、一本の経路に双方向の電流が流れるケースが考えられるため、この双方向電流遮断技術が必要となる。

ここで、交流電流の遮断方式について説明する。交流遮断器は、機械接点の閉極時（定常時）は導体として機能するため通電しており、事故発生時は機械接点を開極する。機械接点の開極時はアークが発生するが、電流零点でアークを消弧できるため電流遮断が可能となる。

また、遮断状態は絶縁体として機能するため電流は流れない。この交流遮断器は主にガス遮断器や真空遮断器が利用されており、アークを消弧する媒体は異なるものの、どちらも電流零点でアークを消弧する方式が採用されている。

しかし、直流電流遮断の場合は交流電流と異なり零点が生じないため、図１０に示した構成では機械接点の開極時に発生するアークを消弧できず、接点の損傷または遮断失敗となる。

そのため、直流遮断装置は電流零点を生じさせる補助回路等が必要となる。このような補助回路を備えた遮断方式として、特許文献１と特許文献２（実施例２）が開示されている。図１１に特許文献１の直流電流開閉装置を、図１２に特許文献２の実施例２の直流電流開閉装置をそれぞれ示す。

特開２０１６−２８３７８号公報特開２０１６−１２６９２０号公報

前述のように、ネットワーク化された直流配電システムにおいては双方向の電流遮断が必要である。しかしながら、特許文献１と特許文献２の実施例２は双方向電流の遮断を目的としていないため、双方向の電流遮断ができないという問題があった。

また、特許文献２の実施例２では、２つの半導体スイッチ（ＩＧＢＴ）と２つのダイオードと１つのコンデンサからなるブリッジ回路５を、複数段直列している。さらに、通電接点６（真空遮断器など）を直列接続したブリッジ回路５に並列接続している。この構成では、開閉装置が大型化、高コスト化する問題がある。

さらに、特許文献２の実施例２では、遮断動作時に直列接続した各ブリッジ回路５の半導体スイッチ（ＩＧＢＴ）に電流が流れる。半導体スイッチは電流が流れている時に定常オン損失が発生する。さらに、半導体スイッチをオフするときにスイッチング損失が発生する。よって、直流遮断装置に図１２のように半導体スイッチを用いることは、直流配電システム全体の効率の面から好ましくない。

以上示したようなことから、双方向の電流遮断が可能で、かつ、半導体スイッチを用いずに機械接点開極時のアークを抑制できる直流遮断装置を提供することが課題となる。

本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、第１直流系統の＋端子にカソードが接続された第１ダイオードと、前記第１直流系統と前記第１ダイオードの共通接続点に一端が接続された第１機械遮断器と、前記第１機械遮断器の他端と前記第１ダイオードのアノードとの間に接続されたコンデンサと、前記コンデンサと前記第１ダイオードの共通接続点にアノードが接続された第２ダイオードと、前記コンデンサと前記第１機械遮断器の共通接続点と前記第２ダイオードのカソードとの間に接続された第２機械遮断器と、を備え、前記第２ダイオードのカソードと第２機械遮断器との共通接続点が第２直流系統の＋端子に接続されたことを特徴とする。

また、その一態様として、前記第１直流系統から前記第２直流系統に電流が流れており、前記第２直流系統で事故が発生した場合は、前記第２機械遮断器を開極した後前記コンデンサ充電完了後に前記第１機械遮断器を開極し、前記第２直流系統から前記第１直流系統に電流が流れており、前記第１直流系統で事故が発生した場合には、前記第１機械遮断器を開極した後前記コンデンサ充電完了後に前記第２機械遮断器を開極することを特徴とする。

また、他の態様として、前記コンデンサに対して並列に接続された放電用抵抗と、前記放電用抵抗と直列に接続されたスイッチと、を備えたことを特徴とする。

また、その一態様として、前記第１直流系統から前記第２直流系統に電流が流れており、前記第２直流系統で事故が発生した場合には、前記第２機械遮断器を開極した後前記コンデンサ充電完了後に前記第１機械遮断器を開極し、その後前記スイッチを閉極し、前記コンデンサ放電後、前記スイッチを開極し、前記第２直流系統から前記第１直流系統に電流が流れており、前記第１直流系統で事故が発生した場合には、前記第１機械遮断器を開極した後前記コンデンサ充電完了後に前記第２機械遮断器を開極し、その後前記スイッチを閉極し、前記コンデンサ放電後、前記スイッチを開極することを特徴とする。

本発明によれば、双方向の電流遮断が可能で、かつ、半導体スイッチを用いずに機械接点開極時のアークを抑制できる直流遮断装置を提供することが可能となる。

実施形態１における直流遮断装置を示す図。実施形態１における定常時の直流遮断装置を示す図。実施形態１における遮断時の直流遮断装置を示す図。実施形態１における第２直流系統側の電流を示すタイムチャート。実施形態１における第２機械遮断器の両端電圧を示すタイムチャート。実施形態１における第１，第２機械遮断器の接点動作を示すタイムチャート。実施形態２における直流遮断装置を示す図。実施形態２における放電時の直流遮断装置を示す図。実施形態２における第１，第２機械遮断器およびスイッチの接点動作を示すタイムチャート。従来の直流遮断器の一例を示す図。特許文献１の直流電流開閉装置を示す図。特許文献２の直流電流開閉装置を示す図。

以下、本願発明の直流遮断装置の実施形態１，２を図１〜図９に基づいて詳述する。

［実施形態１］
図１に本実施形態１の直流遮断装置３を示す。図１に示すように、直流遮断装置３は第１直流系統１及び第２直流系統２に接続される。直流遮断装置３は、第１機械遮断器ＣＢ１及び第２機械遮断器ＣＢ２と、第１ダイオードＤ１及び第２ダイオードＤ２と、コンデンサＣと、を有するフルブリッジ回路である。

第１直流系統１の＋端子に第１ダイオードＤ１のカソードが接続される。第１直流系統１と第１ダイオードＤ１の共通接続点に第１機械遮断器ＣＢ１の一端が接続される。第１機械遮断器ＣＢ１の他端と第１ダイオードＤ１のアノードとの間にコンデンサＣが接続される。

コンデンサＣと第１ダイオードＤ１（アノード）の共通接続点に第２ダイオードＤ２のアノードが接続される。コンデンサＣと第１機械遮断器ＣＢ１の共通接続点と第２ダイオードＤ２のカソードとの間に第２機械遮断器ＣＢ２が接続される。第２ダイオードＤ２のカソードと第２機械遮断器ＣＢ２との共通接続点が第２直流系統２の＋端子に接続される。

第１機械遮断器ＣＢ１及び第２機械遮断器ＣＢ２は機械接点の閉極または開極動作を行う。第１ダイオードＤ１及び第２ダイオードＤ２は、それぞれ第１直流系統１と第２直流系統２から流れる電流に対し、導通しないように接続される。

図２に、本実施形態１の定常状態における直流遮断装置を示す。定常状態では第１機械遮断器ＣＢ１及び第２機械遮断器ＣＢ２が閉極状態であり、図２に示すような双方向の通電経路を得る。

このとき、第１ダイオードＤ１及び第２ダイオードＤ２には電流が流れず、コンデンサＣは充電されていない状態である。また、定常時の通電経路は、第１機械遮断器ＣＢ１及び第２機械遮断器ＣＢ２に電流が流れるため、電力損失はほとんどない。

図３に、第２直流系統２側で事故が発生した場合の直流遮断装置３を示す。第２直流系統２側の事故発生時に第２機械遮断器ＣＢ２が開極することで、図３に示すように第１直流系統１側から第１機械遮断器ＣＢ１→コンデンサＣ→第２ダイオードＤ２の経路で電流が流れる。

また、第２機械遮断器ＣＢ２の両端の電圧（≒コンデンサＣの両端の電圧）はコンデンサＣの充電動作によって徐々に上昇する。（後述の図５参照）この電圧の時間変化は、コンデンサＣの容量値と図示していない第２直流系統２側に接続されている負荷の抵抗成分によって定まる。このように第２機械遮断器ＣＢ２の両端の電圧は徐々に上昇するため、第２機械遮断器ＣＢ２を開いた時にアークは発生しない。

コンデンサＣが充電完了すると第２直流系統２側の電流が略零になる。その後、図１に示すように第２機械遮断器ＣＢ２が開極している状態、かつ、第１機械遮断器ＣＢ１の電流が略零の状態で第１機械遮断器ＣＢ１を開極する。その結果、第１機械遮断器ＣＢ１の開極時にもアークが発生することなく、安全に電流を遮断できる。

なお、電流の流れる方向や事故発生時の電流値は上位コントローラを用いて監視し、第１機械遮断器ＣＢ１及び第２機械遮断器ＣＢ２の接点を動作させることで、第１機械遮断器ＣＢ１、第２機械遮断器ＣＢ２を開閉させる。

図４は、本実施形態１における定常状態から遮断完了までの第２直流系統２側電流である。図５は、第２機械遮断器ＣＢ２の両端の電圧である。ここで時刻ｔ０は定常時、時刻ｔ１は事故発生時、時刻ｔ２は第２機械遮断器ＣＢ２開極時、時刻ｔ３は電流略零時、時刻ｔ４は第１機械遮断器ＣＢ１開極時を示している。

また、そのときの第１機械遮断器ＣＢ１及び第２機械遮断器ＣＢ２の閉極動作、開極動作を図６に示す。なお、閉極状態をｏｎ、開極状態をｏｆｆとしている。

時刻ｔ０の定常時は、図６に示すように第１，第２機械遮断器ＣＢ１，ＣＢ２は閉極しており、図４に示すように第２直流系統２側電流は通常状態、図５に示すように第２機械遮断器ＣＢ２の両端電圧は０である。

時刻ｔ１で第２直流系統２に事故が発生すると、図４に示すように第２直流系統２側の電流が上昇し始める。

時刻ｔ２において、図６に示すように第２機械遮断器ＣＢ２を開極すると、図５に示すようにコンデンサＣが充電されて第２機械遮断器ＣＢ２の両端電圧が上昇し始め、図４に示すように第２直流系統２側の電流が減少し始める。

時刻ｔ３において、図５に示すようにコンデンサＣの充電が完了して第２機械遮断器ＣＢ２の両端電圧が一定となり、図４に示すように第２直流系統２側の電流が略零となる。

時刻ｔ４において、図６に示すように第１機械遮断器ＣＢ１を開極する。

本実施形態１では、第２直流系統２側で事故が発生した場合の遮断方法を説明したが、第１直流系統１側で事故が発生した場合も同様な原理及び対象の動作で遮断が可能である。この場合、時刻ｔ２で第２機械遮断器ＣＢ２の代わりに第１機械遮断器ＣＢ１を開極させる。

本実施形態１では、双方向の直流電流に対してアークを発生させない直流遮断を行うことが可能となる。さらに、定常時は常に第１機械遮断器ＣＢ１及び第２機械遮断器ＣＢ２を通電するため、電力損失がほとんどない。

また、本実施形態１は特許文献１（実施例２）と比較して、以下の効果を有する。
・機械遮断器２個とダイオード２個とコンデンサ１個からなるブリッジ回路で構成できる。
・半導体スイッチを含むブリッジ回路を複数個用いる特許文献２（実施例２）と比較して、部品点数が少なく、小型化および低コスト化ができる。
・ＩＧＢＴなどの半導体スイッチなどを用いていないため、定常時だけではなく遮断時においても半導体スイッチの損失が発生しない。配電システム全体の効率の面で、本実施形態１の方が優れている。

［実施形態２］
図７に本実施形態２の直流遮断装置を示す。実施形態１と同様の箇所について同様の符号を付してその説明を省略する。本実施形態２の直流遮断装置は実施形態１の構成に加えて、コンデンサＣに対して並列に放電用抵抗Ｒを接続する。また、放電用抵抗Ｒに直列にスイッチＳＷを接続する。スイッチＳＷは開閉動作を行う。

スイッチＳＷには、第１機械遮断器ＣＢ１、第２機械遮断器ＣＢ２と同様に機械遮断器を用いる。ただし、スイッチＳＷにはコンデンサＣの放電動作時のみの短時間しか電流が流れないため、スイッチＳＷの機械遮断は電流容量の小さなものでよい。

さらに、スイッチＳＷは、機械遮断器の代わりに半導体スイッチに置き換えてもよい。半導体スイッチに置き換えた場合、半導体スイッチに生じる損失は、第１機械遮断器ＣＢ１、第２機械遮断器ＣＢ２が開いた時のみ発生するので、システム全体の効率には関係しない。

本実施形態２の作用・動作は以下である。実施形態１との差異を記載する。

図７は、本実施形態２の直流遮断装置の構成図であるとともに、実施形態１のような電流遮断が完了し、第１機械遮断器ＣＢ１及び第２機械遮断器ＣＢ２が開極した状態を示している。なお、本実施形態２においても第１直流系統１から第２直流系統２へ電流が流れており、第２直流系統２側で事故が発生した場合について説明する。

本実施形態２において、事故が発生した直流系統の遮断完了後にその直流系統を再投入する場合、すなわち繰り返し直流遮断装置３の導通と遮断の機能を利用する場合には、遮断完了後コンデンサＣに充電された電圧を放電する必要がある。この場合は、図７に示すようにコンデンサＣに対して並列に放電用抵抗Ｒを取り付ければよい。また、コンデンサＣの充電と放電を切り替える必要があるため、スイッチＳＷを放電用抵抗Ｒに直列に接続する。

図８に、本実施形態２における放電時の直流遮断装置３を示す。定常時から遮断完了までの間はコンデンサＣを充電させる期間を要するため、図７に示すようにスイッチＳＷは開極状態を保つ。遮断完了後から再投入までの間はコンデンサＣを放電させる期間を要するため、図８に示すようにスイッチＳＷを閉極状態にする。

電流遮断後、スイッチＳＷの閉極状態では、図８の破線に示すように電流が流れ放電用抵抗Ｒにおいて放電が行われる。放電が完了したか否かは、コンデンサＣの両端電圧Ｖｃを検出し、両端電圧Ｖｃ≒０となった時に放電完了と判定する。放電が完了すると、スイッチＳＷを開極し再投入時に放電用抵抗Ｒに電流が流れないようにする。その後、第２機械遮断器ＣＢ２、第１機械遮断器ＣＢ１の順に閉極動作を行い、直流系統を再投入する。

図９に、定常状態から遮断、再投入までの第１機械遮断器ＣＢ１、第２機械遮断器ＣＢ２、スイッチＳＷの接点動作を示す。なお、閉極状態をｏｎ、開極状態をｏｆｆとしている。

図９における時刻ｔ０、時刻ｔ２、時刻ｔ４は実施形態１と同様である。時刻ｔ５はスイッチＳＷ閉極時、時刻ｔ６はスイッチＳＷ開極時、時刻ｔ７は第２機械遮断器ＣＢ２閉極時、時刻ｔ８は第１機械遮断器ＣＢ１閉極時、時刻ｔ９は再投入後の定常時を示している。

本実施形態２において、電流の流れる方向や事故発生時の電流値は上位コントローラを用いて監視し、第１機械遮断器ＣＢ１、第２機械遮断器ＣＢ２、スイッチＳＷを動作させる。

また、本実施形態２では第２直流系統２側で事故が発生した場合の遮断及び再投入動作を説明したが、第１直流系統１側で事故が発生した場合も同様な原理及び対象の動作で遮断及び再投入が可能である。この場合、時刻ｔ２で第１機械遮断器ＣＢ１を、時刻ｔ４で第２機械遮断器ＣＢ２を開極させる。また、時刻ｔ７で第１機械遮断器ＣＢ１を、時刻ｔ８で第２機械遮断器ＣＢ２を閉極させる。

本実施形態２は実施形態１と同様の作用効果を奏する。また、本実施形態２では、放電用抵抗Ｒと充放電切り替え用のスイッチＳＷを接続することで、繰り返し直流電流の遮断及び再投入動作が可能である。

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

例えば、図１、図７のブリッジ回路の構成は第１機械遮断器ＣＢ１と第１ダイオードＤ１を反対に配置し、かつ、第２機械遮断器ＣＢ２と第２ダイオードＤ２を反対に配置する構成にしてもよい。この場合、第１ダイオードＤ１のカソード端子を第１直流系統１の＋端子に接続する。また、第２ダイオードＤ２のカソード端子を第２直流系統２の＋端子に接続する。

１…第１直流系統
２…第２直流系統
３…直流遮断装置
４…機械遮断器
ＣＢ１…第１機械遮断器
ＣＢ２…第２機械遮断器
Ｄ１…第１ダイオード
Ｄ２…第２ダイオード
Ｃ…コンデンサ
Ｒ…放電用抵抗
ＳＷ…スイッチ

Claims

第１直流系統の＋端子にカソードが接続された第１ダイオードと、
前記第１直流系統と前記第１ダイオードの共通接続点に一端が接続された第１機械遮断器と、
前記第１機械遮断器の他端と前記第１ダイオードのアノードとの間に接続されたコンデンサと、
前記コンデンサと前記第１ダイオードの共通接続点にアノードが接続された第２ダイオードと、
前記コンデンサと前記第１機械遮断器の共通接続点と前記第２ダイオードのカソードとの間に接続された第２機械遮断器と、
を備え、前記第２ダイオードのカソードと第２機械遮断器との共通接続点が第２直流系統の＋端子に接続されたことを特徴とする直流遮断装置。
前記第１直流系統から前記第２直流系統に電流が流れており、前記第２直流系統で事故が発生した場合は、前記第２機械遮断器を開極した後前記コンデンサ充電完了後に前記第１機械遮断器を開極し、
前記第２直流系統から前記第１直流系統に電流が流れており、前記第１直流系統で事故が発生した場合には、前記第１機械遮断器を開極した後前記コンデンサ充電完了後に前記第２機械遮断器を開極することを特徴とする請求項１記載の直流遮断装置。
前記コンデンサに対して並列に接続された放電用抵抗と、
前記放電用抵抗と直列に接続されたスイッチと、
を備えたことを特徴とする請求項１記載の直流遮断装置。
前記第１直流系統から前記第２直流系統に電流が流れており、前記第２直流系統で事故が発生した場合には、前記第２機械遮断器を開極した後前記コンデンサ充電完了後に前記第１機械遮断器を開極し、その後前記スイッチを閉極し、前記コンデンサ放電後、前記スイッチを開極し、
前記第２直流系統から前記第１直流系統に電流が流れており、前記第１直流系統で事故が発生した場合には、前記第１機械遮断器を開極した後前記コンデンサ充電完了後に前記第２機械遮断器を開極し、その後前記スイッチを閉極し、前記コンデンサ放電後、前記スイッチを開極することを特徴とする請求項３記載の直流遮断装置。