JP2018195565A - 直流遮断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】直流遮断装置において、コンデンサ容量を増加させずにより確実に双方向の電流を遮断する。【解決手段】第１直流系統１の＋端子と第２直流系統２の＋端子との間に第１，第２機械遮断器ＣＢ１，ＣＢ２が接続される。第１直流系統１の＋端子と第１機械遮断器ＣＢ１の共通接続点に第１半導体スイッチング素子Ｔ１の一端が接続される。第１半導体スイッチング素子Ｔ１の他端に第２半導体スイッチング素子Ｔ２の一端が接続される。第２半導体スイッチング素子Ｔ２の他端は第２直流系統２の＋端子に接続される。第１，第２機械遮断器ＣＢ１，ＣＢ２の共通接続点と第１，第２半導体スイッチング素子Ｔ１，Ｔ２の共通接続点との間にコンデンサＣが接続される。コンデンサＣに第１リアクトルＬ１が直列接続される。第１，第２半導体スイッチング素子Ｔ１，Ｔ２の共通接続点と第１，第２直流系統１，２の−端子との間にインピーダンスが接続される。【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。

交流電流を遮断する交流遮断装置は、機械遮断器閉極時（定常時）は導体として機能するため通電しており、事故発生時は機械遮断器を開極する。機械遮断器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。この交流遮断装置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、直流電流を遮断する直流遮断装置の場合は交流電流と異なり電流零点が生じないため、機械遮断器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が開示されている。特許文献１の装置は単方向の電流遮断に対応した構成である。

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、双方向電流遮断技術が必要となる。

特開２０１６−２８３７８号公報 特許第６０４９９５７号公報

特許文献１において電流を迂回させる補助回路の構成は、コンデンサとダイオードである。しかし、電流がダイオードを通過する際には電圧降下が生じる。この電圧降下がアーク維持電圧よりも大きい場合、電流は開極した機械遮断器を流れ続けアークを消弧できず電流遮断に失敗してしまう。

特に高圧系統に適用する場合、耐圧の高いダイオードや複数のダイオードを直列接続して用いると、ダイオードでの電圧降下が大きくなり、電流遮断に失敗する恐れが増大する。

さらに、ダイオードの他にも補助回路には寄生抵抗や寄生インダクタンス成分があり、機械遮断器の開極と同時にすべての電流を補助回路に迂回させるのは困難である。開極から少しでも時間がたつと、機械遮断器から一部だけ迂回した電流が補助回路に流れコンデンサを充電してしまい、コンデンサ電圧とダイオード電圧降下分の電圧の和が機械遮断器に印加され、アーク消弧が困難になってしまう。

図２６に問題となる動作を示す。図２６（ａ）は直流遮断装置から、第２直流系統２の短絡電流を遮断する際に関係する素子のみを抽出し、補助回路に寄生インダクタンスを加えた回路図である。

図２６（ｂ）は補助回路におけるダイオードの電圧降下やインダクタンスを無視した時の各波形を示すタイムチャートである。時刻ｔ１で機械遮断器ＣＢを開極すると、機械遮断器両端電圧Ｖｃｂにはコンデンサ電圧のみが印加され、時刻ｔ１では零である。そのため、アークは発生せず電流はすべて補助回路に迂回され、電流を遮断することができる。

図２６（ｃ）は補助回路におけるダイオードの電圧降下やインダクタンスを考慮したときの各波形を示すタイムチャートである。時刻ｔ１において、機械遮断器両端電圧Ｖｃｂには補助回路のコンデンサ電圧の他にダイオードの電圧降下と寄生インダクタンス電圧の和が印加される。また、寄生インダクタンスにより補助回路電流Ｉａｕｘは有限の傾きで増加し、機械遮断器通過電流Ｉｃｂも同じ傾きで減少する。

時刻ｔ１以降は補助回路電流ＩａｕｘによりコンデンサＣが充電され、機械遮断器両端電圧Ｖｃｂはさらに増加する。ここで、機械遮断器通過電流Ｉｃｂが十分小さくなる前に機械遮断器両端電圧Ｖｃｂがアーク保持電圧を超えてしまうと（図２６では時刻ｔ２）、アークを消弧できなくなり電流は機械遮断器ＣＢを通過し続け、遮断に失敗してしまう。

対策として、補助回路のコンデンサ容量を増加し、機械遮断器開極時の両端電圧を緩やかに上昇させる方法がある。しかし、これは図２６において時刻ｔ１以降の機械遮断器両端電圧Ｖｃｂ増加量を低減するだけであり、時刻ｔ１における機械遮断器両端電圧Ｖｃｂ増加を低減する効果はない。また、コンデンサ容量を増加すると、コスト・装置容積が増加してしまう問題点もある。

以上示したようなことから、直流遮断装置において、コンデンサ容量を増加させずにより確実に双方向の電流を遮断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＋端子と第２直流系統の＋端子との間に直列接続された第１，第２機械遮断器と、第１半導体スイッチング素子を有し、前記第１直流系統の＋端子と前記第１機械遮断器の共通接続点に一端が接続された第１補助回路電流スイッチ部と、第２半導体スイッチング素子を有し、前記第１補助回路電流スイッチ部の他端に一端が接続され、他端が前記第２直流系統の＋端子と前記第２機械遮断器の共通接続点に接続された第２補助回路電流スイッチ部と、前記第１，第２機械遮断器の共通接続点と前記第１，第２補助回路電流スイッチ部の共通接続点との間に接続されたコンデンサと、前記コンデンサに直列接続された第１リアクトルと、前記第１，第２補助回路電流スイッチ部の共通接続点と前記第１，第２直流系統の−端子との間に接続されたインピーダンスと、を備えたことを特徴とする。

また、その一態様として、前記インピーダンスは、抵抗であることを特徴とする。

また、その一態様として、前記第１，第２半導体スイッチング素子はサイリスタであることを特徴とする。

また、他の態様として、前記第１，第２補助回路電流スイッチ部は、前記第１，第２半導体スイッチング素子に直列接続されたダイオードを有し、前記第１，第２半導体スイッチング素子は、自己消弧能力を有することを特徴とする。

また、その一態様として、前記抵抗と、前記第１，第２直流系統の−端子との間にツェナーダイオードが接続されたことを特徴とする。

また、他の態様として、前記抵抗と、前記第１，第２直流系統の−端子との間に第３半導体スイッチング素子が接続されたことを特徴とする。

また、他の態様として、前記インピーダンスは第２リアクトルであり、前記第２リアクトルに対して並列接続されたダイオードと、前記第２リアクトルと前記第１，第２直流系統の−端子との間に接続された第３半導体スイッチング素子と、を備えたことを特徴とする。

また、他の態様として、第１直流系統の−端子と第２直流系統の−端子との間に直列接続された第１，第２機械遮断器と、第１半導体スイッチング素子を有し、前記第１直流系統の−端子と前記第１機械遮断器の共通接続点に一端が接続された第１補助回路電流スイッチ部と、第２半導体スイッチング素子を有し、前記第１補助回路電流スイッチ部の他端に一端が接続され、他端が前記第２直流系統の−端子と前記第２機械遮断器の共通接続点に接続された第２補助回路電流スイッチ部と、前記第１，第２機械遮断器の共通接続点と前記第１，第２補助回路電流スイッチ部の共通接続点との間に接続されたコンデンサと、前記コンデンサに直列接続された第１リアクトルと、前記第１，第２補助回路電流スイッチ部の共通接続点と前記第１，第２直流系統の＋端子との間に接続されたインピーダンスと、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は、前記第１半導体スイッチング素子をオンし、前記第１機械遮断器に流れる電流が所定値以下になった後、前記第１機械遮断器を遮断し、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は、前記第２半導体スイッチング素子をオンし、前記第２機械遮断器に流れる電流が所定値以下になった後、前記第２機械遮断器を遮断することを特徴とする。

また、その一態様として、前記第１，第２機械遮断器の共通接続点にアノードが接続され、前記第１機械遮断器と前記第１補助回路電流スイッチ部の共通接続点にカソードが接続された第３ダイオードと、前記第１，第２機械遮断器の共通接続点にアノードが接続され、前記第２機械遮断器と前記第２補助回路電流スイッチ部の共通接続点にカソードが接続された第４ダイオードと、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直流系統で短絡が発生した場合は、前記第１半導体スイッチング素子をＯＮして補助回路電流を流し、前記補助回路電流が短絡電流より大きい期間に、前記第１機械遮断器を遮断し、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直流系統で短絡が発生した場合は、前記第２半導体スイッチング素子をＯＮして補助回路電流を流し、前記補助回路電流が短絡電流より大きい期間に、前記第２機械遮断器を遮断することを特徴とする。

また、他の態様として、前記第１，第２機械遮断器に自己消弧能力を有する第４，第５半導体スイッチング素子を並列接続し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直流系統で短絡が発生した場合は、前記第４半導体スイッチング素子をＯＮした後、前記第１機械遮断器の開極指令を行い、その後、前記第１半導体スイッチング素子をＯＮ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直流系統で短絡が発生した場合は、前記第５半導体スイッチング素子をＯＮした後、前記第２機械遮断器の開極指令を行い、その後、前記第２半導体スイッチング素子をＯＮすることを特徴とする。

また、他の態様として、前記第３ダイオードに逆並列接続された自己消弧能力を有さない第６半導体スイッチング素子と、前記第４ダイオードに逆並列接続された自己消弧能力を有さない第７半導体スイッチング素子と、を有することを特徴とする。

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直流系統で短絡が発生した場合は、前記第６半導体スイッチング素子をＯＮした後、前記第１機械遮断器の開極指令を行い、その後、前記第６半導体スイッチング素子のオフ指令を行い、その後、前記第１半導体スイッチング素子をＯＮ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直流系統で短絡が発生した場合は、前記第７半導体スイッチング素子をＯＮした後、前記第２機械遮断器の開極指令を行い、その後、前記第７半導体スイッチング素子のオフ指令を行い、その後、前記第２半導体スイッチング素子をＯＮすることを特徴とする。

また、他の態様として、前記第１，第２機械遮断器の共通接続点にカソードが接続され、前記第１機械遮断器と前記第１補助回路電流スイッチ部の共通接続点にアノードが接続された第３ダイオードと、前記第１，第２機械遮断器の共通接続点にカソードが接続され、前記第２機械遮断器と前記第２補助回路電流スイッチ部の共通接続点にアノードが接続された第４ダイオードと、を備えたことを特徴とする。

また、他の態様として、前記第１，第２機械遮断器に自己消弧能力を有する第４，第５半導体スイッチング素子を並列接続したことを特徴とする。

また、他の態様として、前記第３ダイオードに逆並列接続された自己消弧能力を有さない第６半導体スイッチング素子と、前記第４ダイオードに逆並列接続された自己消弧能力を有さない第７半導体スイッチング素子と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、直流遮断装置において、コンデンサ容量を増加させずにより確実に双方向の電流を遮断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回路図。 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におけるコンデンサ放電時の直流遮断装置を示す図。 実施形態１における第１機械遮断器アーク消弧後の直流遮断装置を示す図。 実施形態１における系統再投入時の直流遮断装置を示す図。 実施形態１における第２直流系統短絡時の各波形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回路図。 実施形態３における直流遮断装置を示す回路図。 実施形態４における直流遮断装置を示す回路図。 実施形態４における定常時の直流遮断装置を示す図。 実施形態４におけるコンデンサ放電時の直流遮断装置を示す図。 実施形態４における第１機械遮断器アーク消弧後の直流遮断装置を示す図。 実施形態４における系統再投入時の直流遮断装置を示す図。 特許文献１における遮断失敗時の電流波形を示すタイムチャート。 実施形態５における直流遮断装置を示す回路図。 実施形態５における各部の動作および電流波形を示すタイムチャート。 実施形態６における直流遮断装置を示す回路図。 実施形態６における各部の動作および電流波形を示すタイムチャート。 実施形態６における実験結果を示すタイムチャート。 実験波形の測定箇所を示す図。 実施形態７における直流遮断装置を示す回路図。 実施形態７における各部の動作および電流波形を示すタイムチャート。 第１，第２直流系統１，２の−端子間に実施形態５の直流遮断装置を接続した構成を示す図。 第１，第２直流系統１，２の−端子間に実施形態６の直流遮断装置を接続した構成を示す図。 第１，第２直流系統１，２の−端子間に実施形態７の直流遮断装置を接続した構成を示す図。 従来の直流遮断装置の各波形を示す図。

以下、本願発明における直流遮断装置の実施形態１〜７を図１〜図２５に基づいて詳述する。

［実施形態１］
図１に本実施形態１における直流遮断装置を示す。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、コンデンサＣと、第１リアクトルＬ１と、第１，第２補助回路電流スイッチ部４，５と、抵抗（インピーダンス）Ｒと、を備える。

第１，第２補助回路電流スイッチ部４，５は、第１，第２半導体スイッチング素子Ｔ１，Ｔ２を有する。図１では、第１，２半導体スイッチング素子Ｔ１，Ｔ２としてサイリスタを示しているが、サイリスタ以外の半導体スイッチング素子でも良い。また、第１，第２半導体スイッチング素子Ｔ１，Ｔ２にダイオードを直列接続しても良い。

第１直流系統１の＋端子と第２直流系統２の＋端子との間には第１，第２機械遮断器ＣＢ１，ＣＢ２が直列接続される。

第１直流系統１の＋端子と第１機械遮断器ＣＢ１の共通接続点に第１半導体スイッチング素子Ｔ１の一端（アノード）が接続される。第１半導体スイッチング素子Ｔ１の他端（カソード）には、第２半導体スイッチング素子Ｔ２の一端（カソード）が接続される。第２半導体スイッチング素子Ｔ２の他端（アノード）は第２直流系統２の＋端子と第２機械遮断器ＣＢ２の共通接続点に接続される。

第１，第２機械遮断器ＣＢ１，ＣＢ２の共通接続点と第１，第２半導体スイッチング素子Ｔ１，Ｔ２の共通接続点との間にはコンデンサＣが接続される。また、コンデンサＣには第１リアクトルＬ１が直列接続される。ここで、コンデンサＣと第１リアクトルＬ１との接続順序はどちらでも良い。

また、第１，第２半導体スイッチング素子Ｔ１，Ｔ２の共通接続点と第１，第２直流系統１，２の−端子との間には抵抗（インピーダンス）Ｒが接続される。

図２に、本実施形態１の定常状態における直流遮断装置３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、電流は双方向に流れる。このとき、第１半導体スイッチング素子Ｔ１及び第２半導体スイッチング素子Ｔ２はオフ状態である。コンデンサＣは第１リアクトルＬ１，抵抗Ｒを介して充電電流が流れ系統電圧まで充電されるとコンデンサＣに流れる電流が零になる。また、定常時は、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１半導体スイッチング素子Ｔ１をオンすることで、コンデンサＣからの放電電流が補助回路電流として第１機械遮断器ＣＢ１→第１半導体スイッチング素子Ｔ１→第１リアクトルＬ１を経由して流れ、第１直流系統１から第１機械遮断器ＣＢ１に流れる短絡電流を打ち消す。

このとき、補助回路電流（放電電流）はコンデンサＣ、第１リアクトルＬ１により決定する周波数の共振電流となる。共振周波数が高すぎると第１機械遮断器ＣＢ１開極前に共振が終わり、第１機械遮断器ＣＢ１に流れる短絡電流が元の大きさに戻ってしまう。共振周波数が低すぎると補助回路電流（放電電流）の増加速度よりも短絡による第１機械遮断器通過電流Ｉｃｂ１の増加速度の方が大きくなり、短絡電流を打ち消すことができなくなる。そのため、共振周波数は第１機械遮断器ＣＢ１動作時間と同程度か少し長めに設定する必要がある。

機械遮断器通過電流が所定値よりも小さくなったら、第１機械遮断器ＣＢ１を開極する。なお、第１，第２機械遮断器ＣＢ１，ＣＢ２が遮断指定を受けてから実際に開極となるまでは時間遅れがある。本明細書で遮断、または、開極すると記載している場合、実際に開極した時を示すものとする。

図４に、第１機械遮断器ＣＢ１のアーク消弧後の直流遮断装置３を示す。アーク消弧後は第１半導体スイッチング素子Ｔ１→第１リアクトルＬ１→コンデンサＣ→第２機械遮断器ＣＢ２を介して補助回路電流が流れ、コンデンサＣが図２に示す場合とは逆向きに充電される。

コンデンサＣの充電が完了すると、第２直流系統２へ流れる電流が零となり、電流遮断が完了する。電流遮断が完了したら第１半導体スイッチング素子Ｔ１がオフとなる。第１半導体スイッチング素子Ｔ１をサイリスタとした場合、サイリスタには自己消弧能力はないが、図４に示すように、コンデンサＣの充電が完了すると第２直流系統２に流れる電流が零となるため、サイリスタをオフにすることができる。

このとき、遮断に不必要な電流が第１半導体スイッチング素子Ｔ１と抵抗Ｒを介して第１，第２直流系統１，２の−端子側へ流れ損失が発生する。また、第１半導体スイッチング素子（サイリスタ）Ｔ１をオフするためには、ゲート電流零及び順方向電流を保持電流より小さくする必要がある。そのため、損失を小さくする、第１半導体スイッチング素子Ｔ１をオフするためには、抵抗Ｒに流れる電流が十分小さくなるように抵抗Ｒの抵抗値を大きくしなければならない。

図５に系統再投入時の直流遮断装置３を示す。再投入時は、第１機械遮断器ＣＢ１を閉極することで第１直流系統１側から第１機械遮断器ＣＢ１→第２機械遮断器ＣＢ２を介し第２直流系統２側へ電流が流れる。また、第１機械遮断器ＣＢ１→コンデンサＣ→第１リアクトルＬ１→抵抗Ｒを介して充電電流が流れ、図４において逆向きに充電されていたコンデンサＣを元の向きに充電し直す。充電が完了すると、図２の状態になり再投入が完了する。

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，第２機械遮断器ＣＢ１，ＣＢ２の開閉と第１，第２半導体スイッチング素子Ｔ１，Ｔ２のオン及びオフを行う。

図６に第２直流系統２側の短絡電流を遮断する際の波形を示す。時刻ｔ１で短絡が発生し、第１機械遮断器通過電流Ｉｃｂ１が増加する。時刻ｔ２で第１半導体スイッチング素子Ｔ１をオンすると、コンデンサＣから放電電流が補助回路電流Ｉａｕｘとして流れ、第１機械遮断器通過電流Ｉｃｂ１を打ち消す。

第１機械遮断器通過電流Ｉｃｂ１が所定値よりも小さくなったら、第１機械遮断器ＣＢ１を開極する。図６では時刻ｔ３で開極している。時刻ｔ３では第１機械遮断器通過電流Ｉｃｂ１が残っているため多少のアークが発生するが、第１機械遮断器通過電流Ｉｃｂ１は補助回路電流Ｉａｕｘにより零となるため、アークを消弧できる。

その後、コンデンサＣの電圧Ｖｃは補助回路電流Ｉａｕｘおよび短絡電流により逆向きに充電され、−の第１系統電圧−Ｖｄｃを超えると充電が完了し補助回路電流Ｉａｕｘは零になり遮断が完了する。

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記載したが、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、第２機械遮断器ＣＢ２及び第２半導体スイッチング素子Ｔ２を開極、オン動作させることで第２機械遮断器ＣＢ２のアークを消弧し遮断を行う。

以上示したように、本実施形態１によれば、双方向の直流電流を遮断することができ、再投入動作により繰り返し直流電流の遮断が可能である。また、補助回路のコンデンサ放電電流により第１機械遮断器通過電流Ｉｃｂ１に零点を作り、より確実に電流を遮断することができる。さらに、定常時は常に第１，第２機械遮断器ＣＢ１，ＣＢ２を通電するため、電力損失がほとんどない。

また、第１，第２機械遮断器ＣＢ１，ＣＢ２の開極時の両端電圧を緩やかに上昇させる必要がないため、補助回路のコンデンサ容量が小さくてもよく、装置の小型化を図ることが可能となる。また、補助回路の寄生インピーダンス成分の多少の増加を許容できる。

［実施形態２］
図７に本実施形態２の直流遮断装置３を示す。本実施形態２の直流遮断装置３は実施形態１に対し、抵抗Ｒと第１，第２直流系統１，２の−端子との間にツェナーダイオードＺＤなどの電圧を制限できる素子を追加したものである。

ツェナーダイオードＺＤを接続することにより、抵抗Ｒの両端電圧が下がる。そのため、本実施形態２における直流遮断装置３によれば、コンデンサＣ充電時の不要電流による損失が低減することが可能となる。

［実施形態３］
図８に本実施形態３の直流遮断装置３を示す。本実施形態３は、実施形態２のツェナーダイオードＺＤを自己消弧可能な第３半導体スイッチング素子Ｔ３に置き換え、不要電流をブロックできるようにしたものである。第３半導体スイッチング素子Ｔ３は自己消弧可能な半導体スイッチング素子以外のスイッチでもよい。

定常状態では第３半導体スイッチング素子Ｔ３をオンし、図２と同様に示すようにコンデンサＣを充電する。

コンデンサＣの充電が完了するか短絡事故などにより遮断指令が来たら、第３半導体スイッチング素子Ｔ３をオフする。コンデンサＣの充電完了は、コンデンサＣの両端電圧を検出し、系統電圧に等しくなったことを条件とする。または、コンデンサＣの容量値と抵抗Ｒの抵抗値と第１リアクトルＬ１のインダクタンス値よりコンデンサＣの充電が完了する時間を事前に計算しておき、その計算値の時間の経過をもって充電完了と判定してもよい。

アーク消弧後は第３半導体スイッチング素子Ｔ３がオフであり、図４とは異なり、第１半導体スイッチング素子Ｔ１→抵抗Ｒを経由して流れる不要電流は第３半導体スイッチング素子Ｔ３によりブロックされる。そのため、損失を小さくすることができる。

また、抵抗Ｒの抵抗値が小さくても不要電流は流れないため、第１半導体スイッチング素子（サイリスタ）Ｔ１を確実にオフすることができる。抵抗Ｒの抵抗値を小さくするメリットとして、図５における系統再投入時のコンデンサＣ再充電速度が向上する。よって、遮断準備完了までにかかる時間を短縮できる。

再投入時は第１機械遮断器ＣＢ１を閉極するとともに第３半導体スイッチング素子Ｔ３をオンすることで、実施形態１と同様にコンデンサＣを充電し再投入完了となる。

以上示したように、本実施形態３の直流遮断装置３によれば、実施形態１，２と同様の作用効果を奏する。また、電流遮断後の抵抗Ｒに生じる損失を零にすることができる。

［実施形態４］
図９に本実施形態４の直流遮断装置３を示す。本実施形態４の直流遮断装置３は、実施形態３の抵抗Ｒの代わりに、第２リアクトル（インピーダンス）Ｌ２と、第２リアクトルＬ２に並列接続したダイオードＤと、を設けたものである。

図１０に、本実施形態４の定常状態における直流遮断装置３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、電流は双方向に流れる。なお、定常時は第１機械遮断器ＣＢ１，ＣＢ２に電流が流れるため、電力損失はほとんどない。

このとき、第１，第２半導体スイッチング素子Ｔ１，Ｔ２はオフ状態であるため、第１，第２半導体スイッチング素子Ｔ１，Ｔ２に電流は流れない。また、第３半導体スイッチング素子Ｔ３はオン状態であり、コンデンサＣ→第１リアクトルＬ１→第２リアクトルＬ２→第３半導体スイッチング素子Ｔ３を介して充電電流が流れ、系統電圧まで充電されるとコンデンサＣに流れる電流が零になる。

充電が完了したら、第３半導体スイッチング素子Ｔ３をオフする。充電完了は、コンデンサＣの両端電圧を検出し、系統電圧に等しくなったことを条件とする。

第２リアクトルＬ２に蓄えられたエネルギーは、第３半導体スイッチング素子Ｔ３オフ後、第２リアクトルＬ２とダイオードＤとを循環して流れることにより、エネルギーが消費される。

図１１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１半導体スイッチング素子Ｔ１をオンすることで、コンデンサＣからの放電電流が補助回路電流として第１機械遮断器ＣＢ１→第１半導体スイッチング素子Ｔ１→第１リアクトルＬ１を経由して流れ、第１直流系統１から第１機械遮断器ＣＢ１に流れる短絡電流を打ち消す。

このとき、補助回路電流（放電電流）はコンデンサＣ、第１リアクトルＬ１により決定する周波数の共振電流となる。共振周波数が高すぎると第１機械遮断器ＣＢ１の開極前に共振が終わり、第１機械遮断器ＣＢ１に流れる短絡電流が元の大きさに戻ってしまう。共振周波数が低すぎると補助回路電流の増加速度よりも短絡による第１機械遮断器通過電流Ｉｃｂ１の増加速度の方が大きくなり、短絡電流を打ち消すことができなくなる。そのため、共振周波数は第１機械遮断器ＣＢ１の動作時間と同程度か少し長めに設定する必要がある。

第１機械遮断器通過電流が所定値よりも小さくなったら、第１機械遮断器ＣＢ１を開極する。図１２に、第１機械遮断器ＣＢ１のアーク消弧後の直流遮断装置３を示す。アーク消弧後は第１半導体スイッチング素子Ｔ１→第１リアクトルＬ１→コンデンサＣ→第２機械遮断器ＣＢ２を介して短絡電流が流れ、コンデンサＣが図１０とは逆向きに充電される。コンデンサＣの充電が完了すると、第２直流系統２へ流れる電流が零となり、電流遮断が完了する。電流遮断が完了したら第１半導体スイッチング素子Ｔ１がオフとなる。

図１３に系統再投入時の直流遮断装置３を示す。再投入時は、第１機械遮断器ＣＢ１を閉極することで第１直流系統１側から第１機械遮断器ＣＢ１→第２機械遮断器ＣＢ２を介し第２直流系統２側へ電流が流れる。

また、第３半導体スイッチング素子Ｔ３をオンすることで、第１機械遮断器ＣＢ１→コンデンサＣ→第１リアクトルＬ１→第２リアクトルＬ２→第３半導体スイッチング素子Ｔ３を介して充電電流が流れ、図１２で逆向きに充電されていたコンデンサＣを元の向きに充電し直す。

充電が完了すると、図１０の状態になり再投入が完了する。なお、本実施形態４は第２リアクトルＬ２とダイオードＤを第３半導体スイッチング素子Ｔ３に接続することにより、抵抗Ｒを必要としない。

そのため、コンデンサ充電電流が抵抗Ｒを流れないため、充電時の抵抗損失がなくなる。さらに、第１半導体スイッチング素子Ｔ１をオンしている期間は第３半導体スイッチング素子Ｔ３がオフしており、第１，第２直流系統２の−端子へ電流が流れない。そのため、自己消弧不可能な第１半導体スイッチング素子Ｔ１は確実にオフできる。また、抵抗によって電流が抑制されないため、容量が小さい系統へも適用が可能である。

本実施形態４では、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の開閉と第１，第３半導体スイッチング素子Ｔ１，Ｔ３のオン及びオフを行う。

本実施形態４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記載したが、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、第２機械遮断器ＣＢ２及び第２半導体スイッチング素子Ｔ２を開極、オン動作させることで第２機械遮断器ＣＢ２のアークを消弧し遮断を行う。

［実施形態５］
実施形態１は、第１機械遮断器通過電流Ｉｃｂ１に対して補助回路電流Ｉａｕｘを逆方向に流すことで零点を作りだし第１，第２機械遮断器ＣＢ１，ＣＢ２を開極するものである。第１，第２機械遮断器ＣＢ１，ＣＢ２は機械遮断器通過電流を零にしたタイミングを狙って開極する。

第１機械遮断器ＣＢ１では開極直後にいったんアークが発生する場合もあるが、その時第１機械遮断器ＣＢ１の接点間に発生するアーク電圧は大きくない。そして第１機械遮断器ＣＢ１の接点間距離が開いていくとともにアークが消弧され、アークのない第１機械遮断器通過電流Ｉｃｂ１＝０の状態で第１機械遮断器ＣＢ１の接点が完全に開いて、遮断が完了する。

しかし、第１，第２機械遮断器ＣＢ１，ＣＢ２の開極時にある程度の大きさのアークが一旦発生すると、その後アークを消弧できずに第１，第２機械遮断器ＣＢ１，ＣＢ２に電流が流れ続け遮断に失敗してしまう場合がある。図１４に実施形態１で遮断に失敗した場合の電流波形を示す。実施形態１の回路でアークを消弧できない要因として、以下の（１），（２）が考えられる。

（１）第１，第２機械遮断器ＣＢ１，ＣＢ２は、開極指令を出してから実際に開極を開始するまでに遅延とばらつきがある。よって、図１４の時刻ｔ３（第１機械遮断器ＣＢ１の開極開始時）のタイミングにおける第１機械遮断器通過電流Ｉｃｂ１にもばらつきが生じる。この時刻ｔ３時の第１機械遮断器通過電流Ｉｃｂ１の電流傾きが大きいときには第１機械遮断器ＣＢ１の接点間に印加されるアーク電圧も大きくなるため、アークを消弧しにくくなる。

（２）第１，第２機械遮断器ＣＢ１，ＣＢ２は、開極を開始してから接点間距離が十分開ききるまで時間がかかる。また、その時間もばらつきがある。開極を開始してから接点間距離が十分開ききるまでの時間が長い場合には、アークを消弧しにくくなる。

対策として、ＬＣ共振周波数を下げて第１，第２機械遮断器ＣＢ１，ＣＢ２の開極開始時の電流の傾きを緩やかにすることで発生するアーク電圧を抑制し、アークの消弧をしやすくする方法がある。しかし、これは第１リアクトルＬ１，コンデンサＣの容積・重量・コスト増加につながる。

そこで、本実施形態５では、以上の問題点を解決することができる直流遮断装置を説明する。図１５に本実施形態５の直流遮断装置を示す。本実施形態５は実施形態１の回路構成に第３，第４ダイオードＤ３，Ｄ４を追加したものである。

第３ダイオードＤ３は、第１機械遮断器ＣＢ１に並列接続される。第３ダイオードＤ３のアノードは第１，第２機械遮断器ＣＢ１，ＣＢ２の共通接続点に接続され、カソードは第１半導体スイッチング素子Ｔ１と第１機械遮断器ＣＢ１の共通接続点に接続される。第４ダイオードＤ４は、第２機械遮断器ＣＢ２に並列接続される。第４ダイオードＤ４のアノードは第１，第２機械遮断器ＣＢ１，ＣＢ２の共通接続点に接続され、カソードは第２半導体スイッチング素子Ｔ２と第２機械遮断器ＣＢ２の共通接続点に接続される。

また、本実施形態５の第１補助回路電流スイッチ部４は、第１半導体スイッチング素子Ｔ１と第１ダイオードＤ１の直列接続とする。第１半導体スイッチング素子Ｔ１は自己消弧能力を有する素子とし、例えば、ＩＧＢＴが用いられる。第１半導体スイッチング素子Ｔ１のコレクタ端子は第１直流系統１の＋端子と第１機械遮断器ＣＢ１の共通接続点に接続される。第１半導体スイッチング素子Ｔ１のエミッタ端子側には、第１ダイオードＤ１のアノード端子が接続される。第１ダイオードＤ１のカソード端子は第１リアクトルＬ１と抵抗Ｒの共通接続点に接続される。なお、第１半導体スイッチング素子Ｔ１と第１ダイオードＤ１の接続順序は逆でも良い。

また、第２補助回路電流スイッチ部５は、第２半導体スイッチング素子Ｔ２と第２ダイオードＤ２の直列接続とする。第２半導体スイッチング素子Ｔ２は自己消弧能力を有する素子とし、例えば、ＩＧＢＴが用いられる。第２半導体スイッチング素子Ｔ２のコレクタ端子は第２直流系統２の＋端子と第２機械遮断器ＣＢ２の共通接続点に接続される。第２半導体スイッチング素子Ｔ２のエミッタ端子側には、第２ダイオードＤ２のアノード端子が接続される。第２ダイオードＤ２のカソード端子は第１リアクトルＬ１と抵抗Ｒの共通接続点に接続される。なお、第２半導体スイッチング素子Ｔ２と第２ダイオードＤ２の接続順序は逆でも良い。

なお、第１，第２補助回路電流スイッチ部４，５は、実施形態１と同様にサイリスタとしても良い。

本実施形態５の作用・動作は以下の通りである。実施形態１との差異を説明する。本実施形態５の直流遮断装置の動作および各部に流れる電流を図１６にまとめた。

動作は実施形態１と変わらない。第１機械遮断器ＣＢ１を開極後、第１半導体スイッチング素子Ｔ１をオンすると短絡電流とは逆向きに補助回路電流Ｉａｕｘが流れ、短絡電流を打ち消す。

補助回路電流Ｉａｕｘは正弦波で、その振幅を短絡電流より大きく設計するため、短絡電流を打ち消した後の過剰な電流は負の値となる。そのため、過剰な負の電流は第１機械遮断器ＣＢ１に並列に接続した第３ダイオードＤ３を通って流れる。補助回路電流Ｉａｕｘが小さくなると、短絡電流は第１半導体スイッチング素子Ｔ１→第１ダイオードＤ１→第１リアクトルＬ１→コンデンサＣを介して電流が流れ、コンデンサＣが逆向きに充電される。コンデンサＣの充電が完了すると第２直流系統２に流れる電流は零となり遮断が完了する。

前述のように、第１機械遮断器ＣＢ１の開極指令を受信してから実際に第１機械遮断器ＣＢ１が開極するまでには時間遅れがある。この時間遅れが原因で、第１機械遮断器ＣＢ１の開極開始が第１半導体スイッチング素子Ｔ１オンよりも遅れ、短絡電流と補助回路電流Ｉａｕｘの合成電流の１回目の零点（図１６のＡ点：以下、第１零点Ａと称する）よりも後となってしまった場合でも、第１機械遮断器ＣＢ１の開極開始を短絡電流と補助回路電流Ｉａｕｘの合成電流の２回目の零点（図１６のＢ点：以下、第２零点Ｂと称する）より早く行うことができれば、短絡電流と補助回路電流Ｉａｕｘの合成電流はすぐに（１００μｓ程度）第３ダイオードＤ３に転流する。よってアークは発生しない。その後の動作は実施形態１と同じである。

本実施形態５では、過剰な補助回路電流Ｉａｕｘを第１機械遮断器ＣＢ１に並列接続された第３ダイオードＤ３に迂回させることができる。第１機械遮断器ＣＢ１の開極後第１零点Ａの後は第３ダイオードＤ３に電流が転流される。印加される接点電圧はアーク電圧よりも低い第３ダイオードＤ３の電圧降下分のみであるため、第３ダイオードＤ３の導通中（つまり図１６の第１零点Ａ〜第２零点Ｂの期間）にはアークは発生しない。すなわち、第１零点Ａ〜第２零点Ｂ（補助回路電流Ｉａｕｘ＞短絡電流）の期間に第１機械遮断器ＣＢ１を開極することが望ましい。

第２零点Ｂでは第１機械遮断器ＣＢ１の接点距離が広がり、かつ、第１零点Ａと第２零点Ｂの間はアークが発生していないため接点間の気体温度が下がり絶縁破壊を起こしにくくなるので、図１６の第２零点Ｂ以降に第１機械遮断器ＣＢ１の接点間に電圧が印加されてもアークが発生するおそれはほとんどない。

そのため、（１）の問題であった第１零点Ａにおける大きな電流の傾きを許容できるため、ＬＣ共振周波数を増加できる。このことは第１リアクトルＬ１とコンデンサＣの小型化、さらに、直流遮断装置の小型化・低コスト化につながる。

また、過剰な補助回路電流Ｉａｕｘの振幅も許容できるため、想定よりも小さな短絡電流（補助回路電流Ｉａｕｘの振幅よりも小さい短絡電流）の遮断にも対応できる。

以上示したように、本実施形態５によれば、第１，第２機械遮断器ＣＢ１，ＣＢ２の接点開極が第１零点Ａに間に合わない場合、第１，第２機械遮断器ＣＢ１，ＣＢ２に並列接続した第３，第４ダイオードＤ３，Ｄ４の動作によってアークの発生を抑制できる。これにより、実施形態１と比較して、短絡電流を遮断できる確度を高めることができる。

アークは接点摩耗による定常損失増加、接点癒着による遮断失敗の原因となるため、アークを低減することにより第１，第２機械遮断器ＣＢ１，ＣＢ２の交換・メンテナンスの手間を削減することができる。

また、アークは接点間の温度上昇や絶縁破壊の原因となるため、アークを低減する本実施形態５はより確実な遮断を行うことができる。よって装置の信頼性を向上させることが可能となる。

［実施形態６］
実施形態５では、ＬＣ共振周波数を大きく設計して短絡電流と補助回路電流Ｉａｕｘの合成電流の第１零点Ａで開極すると、第１零点Ａと第２零点Ｂ間の時間が短くなるため、第２零点Ｂでも接点間距離が不足する。また、接点間の気体温度の低下が不十分となる。そのため、開極中に絶縁破壊が起こり、再びアークが発生する危険性が残る。

さらに、第１機械遮断器ＣＢ１の開極が短絡電流と補助回路電流Ｉａｕｘの合成電流の第１零点Ａより前になった場合には、実施形態１と同様にアークが発生し消弧できないおそれがある。

そのため、実施形態５は、ＬＣ共振周波数や短絡事故検出から第１，第２機械遮断器ＣＢ１，ＣＢ２の開極指令までの遅れ時間の設計が容易ではない。

図１７に本実施形態６の直流遮断装置を示す。本実施形態６は、実施形態５の第３，第４ダイオードＤ３，Ｄ４の代わりに、自己消弧能力のある第４，第５半導体スイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ）Ｔ４，Ｔ５を設けた回路構成である。すなわち、第４半導体スイッチング素子Ｔ４は、第１機械遮断器ＣＢ１に並列接続される。第４半導体スイッチング素子Ｔ４のエミッタ端子は第１，第２機械遮断器ＣＢ１，ＣＢ２の共通接続点に接続され、コレクタ端子は第１半導体スイッチング素子Ｔ１と第１機械遮断器ＣＢ１の共通接続点に接続される。第５半導体スイッチング素子Ｔ５は、第２機械遮断器ＣＢ２に並列接続される。第５半導体スイッチング素子Ｔ５のエミッタ端子は第１，第２機械遮断器ＣＢ１，ＣＢ２の共通接続点に接続され、コレクタ端子は第２半導体スイッチング素子Ｔ２と第２機械遮断器ＣＢ２の共通接続点に接続される。

なお、第４，第５半導体スイッチング素子Ｔ４，Ｔ５には、図１７に示すようにダイオードが逆並列接続されている半導体スイッチを適用する。また、第１，第２補助回路電流スイッチ部４，５は実施形態１と同様にサイリスタとしても良い。

以下、本実施形態６の動作、作用について、実施形態１との差異を説明する。本実施形態６における直流遮断装置の動作および各部分に流れる電流を図１８にまとめた。

定常状態では、第４，第５半導体スイッチング素子Ｔ４，Ｔ５はゲート指令によってオフしており、実施形態１と動作は変わらない。短絡事故などにより遮断指令が来た際の動作は、第１機械遮断器ＣＢ１の開極指令前にゲート指令によって第４半導体スイッチング素子Ｔ４をオンする（第２機械遮断器ＣＢ２を開極する場合は第５半導体スイッチング素子Ｔ５をオンする）。

その後、第１機械遮断器ＣＢ１の開極指令によって第１機械遮断器ＣＢ１を開極する。なお、第１機械遮断器ＣＢ１がオンしている場合、第４半導体スイッチング素子Ｔ４をオンしても半導体スイッチング素子のオン抵抗成分があるため第４半導体スイッチング素子Ｔ４には電流は転流しない。そのため、定常状態で第４半導体スイッチング素子Ｔ４は常時オンしていても問題ない。

第４半導体スイッチング素子Ｔ４がオンしている状態で第１機械遮断器ＣＢ１の開極を開始すると、第１機械遮断器ＣＢ１の接点間にアーク電圧が印加される。その電圧が第４半導体スイッチング素子Ｔ４のオン電圧（第４半導体スイッチング素子Ｔ４のゲート指令オン中のコレクタ−エミッタ間電圧）を超えると、第４半導体スイッチング素子Ｔ４に電流が転流される。

電流が完全に転流されると第１機械遮断器ＣＢ１のアークが消弧される。第４半導体スイッチング素子Ｔ４への転流が完了したら、ゲート指令によって第１半導体スイッチング素子Ｔ１をオンすることで、コンデンサＣからの放電電流（補助回路電流Ｉａｕｘ）が第４半導体スイッチング素子Ｔ４→第１半導体スイッチング素子Ｔ１→第１ダイオードＤ１→第１リアクトルＬ１を経由して流れ、第１直流系統１から第４半導体スイッチング素子Ｔ４に流れる短絡電流（電流Ｉ_T4）を打ち消す。

第４半導体スイッチング素子Ｔ４は補助回路電流Ｉａｕｘがピークになるタイミングでゲート指令によってオフする。これは第１半導体スイッチング素子Ｔ１オンからＬＣ共振周期の１／４経過後であるため、第４半導体スイッチング素子Ｔ４のオフ動作に通過電流や補助回路電流Ｉａｕｘを検出する必要がない。

第１機械遮断器ＣＢ１開極後、第１半導体スイッチング素子Ｔ１→第１ダイオードＤ１→第１リアクトルＬ１→コンデンサＣを介して短絡電流が流れ、コンデンサＣが逆極性に充電される。コンデンサＣの充電が完了すると、第２直流系統２へ流れる電流が零となり、電流遮断が完了する。その後、ゲート指令によって第１半導体スイッチング素子Ｔ１をオフする。電流遮断完了後の動作は、実施形態１と同じである。

本実施形態６では、第１機械遮断器ＣＢ１を開極後、すぐに（１００μｓ程度）短絡電流が第４半導体スイッチング素子Ｔ４に転流されるのでアークがほとんど発生しない。そのため、第１機械遮断器ＣＢ１の開極指令を早め（第４半導体スイッチング素子Ｔ４オン指令の直後）に出すことができ、前述の実施形態５の留意点を気にする必要がなく、確実に遮断動作を行える。さらに、実施形態５よりもＬＣ共振周波数・補助回路電流Ｉａｕｘの振幅を高く設計することができる。

また、第４，第５半導体スイッチング素子Ｔ４，Ｔ５内には逆並列ダイオードが接続されているため、実施形態５と同じ効果が得られ、第１機械遮断器ＣＢ１の開極開始時刻が第１零点Ａから第２零点Ｂまでの間に遅延しても、アークがほとんど発生しない。

さらに、第４半導体スイッチング素子Ｔ４のターンオフは第１半導体スイッチング素子Ｔ１オンからＬＣ共振周期の１／４経過後に固定する。そのため、「短絡電流＜補助回路電流Ｉａｕｘ」の関係が成立しているならば、第４半導体スイッチング素子Ｔ４ターンオフ時の電流は、第４半導体スイッチング素子Ｔ４内の逆並列ダイオードを通過している。

そのため、第４半導体スイッチング素子Ｔ４は零電流スイッチングが成立する。よって、第４半導体スイッチング素子Ｔ４ではターンオフ時のスイッチング損失が発生しないため熱責務が小さく、ターンオフ時に第４半導体スイッチング素子Ｔ４のコレクタ−エミッタ間のサージ電圧もほとんど発生しない。

そのため、大電流の遮断を行う際に第４半導体スイッチング素子Ｔ４用のＩＧＢＴ直並列数を少なくすることができ、サージ電圧抑制用のスナバ回路も不要となる。

また、「短絡電流＞補助回路電流Ｉａｕｘ」の場合でも、本実施形態６ならば第４半導体スイッチング素子Ｔ４により短絡電流を遮断することができる。この場合でも第４半導体スイッチング素子Ｔ４は第１半導体スイッチング素子Ｔ１のターンオンからＬＣ共振周期の１／４経過後のタイミング（すなわち、第４半導体スイッチング素子Ｔ４の電流が最小となるタイミング）でターンオフするため、スイッチング損失・サージ電圧を最小に抑えることができる。

図１９に、本実施形態６の直流遮断装置で１ｋＡの直流電流の遮断実験を行った際の波形を示す。図２０に図１９の波形測定箇所を示す。

実験条件は、第１機械遮断器ＣＢ１の最大アーク電圧３０Ｖ、ＬＣ共振周波数２ｋＨｚ、第１機械遮断器ＣＢ１の開極指令から第１半導体スイッチング素子Ｔ１オンのゲート指令までの設定時間を約３．６ｍｓとした。また、時刻０ｍｓですでに遮断電流（１ｋＡ）を第１機械遮断器ＣＢ１へ流し、時刻０．５ｍｓでほぼ同時に第４半導体スイッチング素子Ｔ４のゲートオン指令と第１機械遮断器ＣＢ１の開極指令を入力した。また、この実験条件では、第１機械遮断器ＣＢ１の開極指令後にほとんど遅延することなく第１機械遮断器ＣＢ１の開極動作を開始している。

第１機械遮断器ＣＢ１の開極開始直後の時刻０．５ｍｓで、第１機械遮断器ＣＢ１の両端に１３Ｖが印加されているのでアークが発生しているのがわかる。しかし、このときのアーク電圧１３Ｖは、第１機械遮断器ＣＢ１の最大アーク電圧３０Ｖを大きく下回っている。

つまり、アーク消弧が容易な電圧レベルである。その直後、第４半導体スイッチング素子Ｔ４に流れる電流ｉ_T4が遮断電流１ｋＡに一致するので、第１機械遮断器通過電流Ｉｃｂ１が零になっている。さらに、第１機械遮断器両端電圧Ｖｃｂ１の波形もほぼ０Ｖに低下しているため、アークも消弧していることが確認できる。

（実施形態１や実施形態５では、転流用の回路の第４半導体スイッチング素子Ｔ４がないため第１零点Ａまでの３．６ｍｓ間アークが発生し続けてしまう。）
また、第１半導体スイッチング素子Ｔ１オン後、補助回路電流Ｉａｕｘによって第４半導体スイッチング素子Ｔ４に流れる短絡電流が打ち消され、第４半導体スイッチング素子Ｔ４を通過する電流ｉ_T4が逆向きになり、第４半導体スイッチング素子Ｔ４内の逆並列ダイオードに流れるようになった時点でゲート指令によって第４半導体スイッチング素子Ｔ４をオフする。

第４半導体スイッチング素子Ｔ４の第２零点Ｂ後に第１機械遮断器ＣＢ１に最大アーク電圧３０Ｖを超える電圧が印加されている。そのため、第１機械遮断器ＣＢ１にアークが発生せずに第１機械遮断器ＣＢ１の開極動作が完了したことが確認でき、正常に遮断動作が行われたことがわかる。

なお、本実施形態６の類似先行技術として、特許文献２がある。しかし、特許文献２は単方向のみの電流遮断器の発明で、双方向の電流遮断器には対応していない。また、共振コンデンサに別途充電回路が必要である。

また、特許文献２の実施形態８では、段落［００３８］より、半導体スイッチのターンＯＦＦのタイミングを断路器３の接点距離が十分離れたときとしている。このタイミングでの半導体スイッチ通過電流は不明であり、大きな短絡電流を半導体スイッチで遮断しなければならない恐れがある。この場合、非常に大きなスイッチング損失・サージ電圧が発生し、素子が破損する恐れがある。これを防ぐため、半導体スイッチング素子を複数並列接続する、または、大容量のスナバ回路を接続すると、装置のコスト・容積が増加してしまう。一方、本実施形態６では零電流スイッチングが成立するため、半導体スイッチング素子の並列接続数を低減でき、複数並列装置のコスト・容積を低減することができる。

以上示したように、本実施形態６によれば、実施形態５の効果に加えて、第１，第２機械遮断器ＣＢ１，ＣＢ２を開極した際、短絡電流が速やかに第４，第５半導体スイッチング素子Ｔ４，Ｔ５に転流するため、よりアークを抑制することができる。よって、装置の信頼性がさらに高まる。

また、第１，第２機械遮断器ＣＢ１，ＣＢ２を第１零点Ａに対して早めに開極することができ、第１，第２機械遮断器ＣＢ１，ＣＢ２の特性（開極指令から開極動作開始までの遅延時間など）にばらつきがある場合でも、電流を確実に遮断することができる。

また、実施形態５よりもＬＣ共振回路の設計の余裕度が拡がるため、ＬＣ共振周波数の増加、ひいては第１リアクトルＬ１とコンデンサＣの小型化が可能となる。よって、直流遮断装置の小型化を図ることが可能となる。

また、本実施形態６により、後述する実施形態７に対して以下の効果が生じる。短絡電流が補助回路電流Ｉａｕｘより大きくても、電流を遮断することができる。この場合でもスイッチング損失・サージは発生するが最小であるため、第４，第５半導体スイッチング素子Ｔ４，Ｔ５の責務を抑制することができる。

［実施形態７］
図２１に本実施形態７の直流遮断装置を示す。本実施形態７は、実施形態５の第３，第４ダイオードＤ３，Ｄ４に自己消弧能力のない第６，第７半導体スイッチング素子Ｔ６，Ｔ７（例えば、サイリスタ）を逆並列接続したものである。第６半導体スイッチング素子Ｔ６のカソード端子は第１，第２機械遮断器ＣＢ１，ＣＢ２の共通接続点に接続され、アノード端子は第１半導体スイッチング素子Ｔ１と第１機械遮断器ＣＢ１の共通接続点に接続される。同様に、第７半導体スイッチング素子Ｔ７のカソード端子は第１，第２機械遮断器ＣＢ１，ＣＢ２の共通接続点に接続され、アノード端子は第２半導体スイッチング素子Ｔ２と第２機械遮断器ＣＢ２の共通接続点に接続される。

また、本実施形態７では、第１，第２補助回路電流スイッチ部４，５は、自己消弧能力のない第１，第２半導体スイッチング素子Ｔ１，Ｔ２（例えば、サイリスタ）としている。なお、実施形態５，６と同様にＩＧＢＴとダイオードの直列接続でも良い。

本実施形態７の作用・動作は以下のとおりである。実施形態６との差異を記載する。本実施形態７における直流遮断装置の動作および各部分に流れる電流を図２２にまとめた。

短絡事故などにより遮断指令を受信すると、第６半導体スイッチング素子Ｔ６にＯＮ指令を出力する。第１機械遮断器ＣＢ１を開極後、第１機械遮断器ＣＢ１にアーク電圧が印加される。その電圧が第６半導体スイッチング素子Ｔ６のオン電圧を超えると、第６半導体スイッチング素子Ｔ６に電流が転流される。

第１機械遮断器ＣＢ１の電流が完全に第６半導体スイッチング素子Ｔ６に転流されると第１機械遮断器ＣＢ１のアークが消弧される。第６半導体スイッチング素子Ｔ６への転流が完了したら、ゲート指令によって第１半導体スイッチング素子Ｔ１をオンすることで、コンデンサＣからの放電電流（補助回路電流Ｉａｕｘ）成分が第６半導体スイッチング素子Ｔ６→第１半導体スイッチング素子Ｔ１→第１リアクトルＬ１を経由して流れ、第１直流系統１から第６半導体スイッチング素子Ｔ６に流れる短絡電流を打ち消す。第６半導体スイッチング素子Ｔ６にあらかじめオフ指令を入れておけば、第６半導体スイッチング素子Ｔ６に流れる電流が零になった時点で第６半導体スイッチング素子Ｔ６がオフする。そのため、第１機械遮断器ＣＢ１開極後すぐに第６半導体スイッチング素子Ｔ６のオフ指令を出力する。

第１機械遮断器ＣＢ１に開極指令を出してから実際に開極が開始されるまでの時間にはばらつきがある。第１機械遮断器ＣＢ１が開極する前に第６半導体スイッチング素子Ｔ６がオフしないように、第６半導体スイッチング素子Ｔ６のオフ指令はそのばらつきを考慮し、例えば第１機械遮断器ＣＢ１の開極指令後１〜２ｍｓに設定する。

一般的にサイリスタはＩＧＢＴに比べ高耐圧・大電流に対応した部品がある。短時間（１０ｍｓ）ならば定格電流の１０倍の電流を流せるものも存在する。またサイリスタの方がＩＧＢＴに比べオン電圧が低く、第１，第２機械遮断器ＣＢ１，ＣＢ２の開極時に転流させやすいといった利点がある。

なお、本実施形態７では、短絡電流が補助回路電流Ｉａｕｘより大きくなると、第６半導体スイッチング素子Ｔ６の電流を０Ａ以下にできないため、第６半導体スイッチング素子Ｔ６のターンオフはできない。すなわち、短絡電流の遮断はできない。よって、このような動作にならないようにＬＣ共振回路の設計には留意する必要がある。

以上示したように、本実施形態７によれば、実施形態５，６と同様の作用効果を奏する。また、本実施形態７によれば、実施形態６に対して以下の効果が生じる。

実施形態６と異なり、第１，第２機械遮断器ＣＢ１，ＣＢ２と並列接続する第６，第７半導体スイッチング素子Ｔ６，Ｔ７（サイリスタ）のゲートオフ指令のタイミングをＬＣ共振周期の１／４に設定する必要がない。よってゲート指令の設計が容易になる。

サイリスタならばＩＧＢＴに比べ高耐圧・大電流に対応した部品があるため、高圧・大容量の系統への装置の適用が容易となる。また、サイリスタはＩＧＢＴに比べオン電圧が低いので、複数直列に接続しても電圧降下が大きくならないため機械遮断器通過電流をサイリスタに転流させやすくなり、より高圧の系統に適用することができる。

また、本実施形態７は、特許文献２に対して以下の効果が生じる。双方向に流れる電流を遮断可能である。共振回路のコンデンサに外部電源を必要としない。追加した第６，第７半導体スイッチング素子Ｔ６，Ｔ７ではスイッチング損失が発生しないため、第６，第７半導体スイッチング素子Ｔ６，Ｔ７の熱責務が小さく直並列数を削減することができる。大容量のスナバ回路も不要である。よって、コスト・容積を抑えることができる。

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。

なお、実施形態１〜７では、第１直流系統１の＋端子と第２直流系統２の＋端子との間に第１，第２機械遮断器ＣＢ１，ＣＢ２を直列接続する構成について説明したが、第１直流系統１の−端子と第２直流系統２の−端子との間に第１，第２機械遮断器ＣＢ１，ＣＢ２を直列接続する構成としてもよい。

この場合、第１直流系統１の−端子と第１機械遮断器ＣＢ１の共通接続点に第１半導体スイッチング素子Ｔ１の一端（カソード）が接続される。第１半導体スイッチング素子Ｔ１の他端（アノード）には、第２半導体スイッチング素子Ｔ２の一端（アノード）が接続される。第２半導体スイッチング素子Ｔ２の他端（カソード）は第２直流系統２の−端子と第２機械遮断器ＣＢ２の共通接続点に接続される。

第１，第２機械遮断器ＣＢ１，ＣＢ２の共通接続点と第１，第２半導体スイッチング素子Ｔ１，Ｔ２の共通接続点との間にはコンデンサＣが接続される。また、コンデンサＣには第１リアクトルＬ１が直列接続される。ここで、コンデンサＣと第１リアクトルＬ１との接続順序はどちらでも良い。

さらに、実施形態１の抵抗Ｒ、実施形態２のツェナーダイオードＺＤ、実施形態３，４の第３半導体スイッチング素子Ｔ３は、第１，第２直流系統１，２の＋端子に接続される。

実施形態２〜７でも、第１直流系統１の−端子と第２直流系統２の−端子との間に直流遮断装置を接続する場合は、実施形態１と同様に接続すれば良い。

第１直流系統１の−端子と第２直流系統２の−端子との間に、実施形態５の直流遮断装置を接続した構成を図２３に示す。図２３に示すように、第１直流系統１の−端子と第２直流系統２の−端子との間に第１機械遮断器ＣＢ１と第２機械遮断器ＣＢ２が直列接続される。

第１直流系統１の−端子と第１機械遮断器ＣＢ１の共通接続点に第１半導体スイッチング素子Ｔ１のエミッタ端子が接続される。第１半導体スイッチング素子Ｔ１のコレクタ端子には、第１ダイオードＤ１のカソード端子が接続される。ここで、第１半導体スイッチング素子Ｔ１と第１ダイオードＤ１の接続順序は逆でも良い。

第２直流系統２の−端子と第２機械遮断器ＣＢ２の共通接続点には第２半導体スイッチング素子Ｔ２のエミッタ端子が接続される。第２半導体スイッチング素子Ｔ２にコレクタ端子には第２ダイオードＤ２のカソード端子が接続される。第２ダイオードＤ２のアノード端子は第１ダイオードＤ１のアノード端子に接続される。ここで、第２半導体スイッチング素子Ｔ２と第２ダイオードＤ２の接続順序は逆でも良い。

第１，第２機械遮断器ＣＢ１，ＣＢ２の共通接続点と第１，第２ダイオードＤ１，Ｄ２の共通接続点との間にコンデンサＣが接続される。コンデンサＣに第１リアクトルＬ１が直列接続される。ここで、コンデンサＣと第１リアクトルＬ１との接続順序は逆でも良い。第１，第２ダイオードＤ１，Ｄ２の共通接続点と第１，第２直流系統１，２の＋端子との間に抵抗Ｒが接続される。

第１機械遮断器ＣＢ１に第３ダイオードＤ３が並列接続される。第３ダイオードＤ３のアノード端子は第１直流系統１の−端子と第１機械遮断器ＣＢ１の共通接続点に接続される。第３ダイオードＤ３はカソード端子は第１，第２機械遮断器ＣＢ１，ＣＢ２の共通接続点に接続される。第２機械遮断器ＣＢ２に第４ダイオードＤ４が並列接続される。第４ダイオードＤ４のアノード端子は第２直流系統２の−端子と第２機械遮断器ＣＢ２の共通接続点に接続される。第４ダイオードＤ４のカソード端子は第１，第２機械遮断器ＣＢ１，ＣＢ２の共通接続点に接続される。

第１直流系統１の−端子と第２直流系統２の−端子との間に、実施形態６の直流遮断装置を接続した構成を図２４に示す。図２４は、図２３の第３，第４ダイオードＤ３，Ｄ４を第４，第５半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ）Ｔ４，Ｔ５に置き換えたものである。第４半導体スイッチング素子Ｔ４のエミッタ端子は第１直流系統１の−端子と第１機械遮断器ＣＢ１の共通接続点に接続される。第４半導体スイッチング素子Ｔ４のコレクタ端子は第１，第２機械遮断器ＣＢ１，ＣＢ２の共通接続点に接続される。第５半導体スイッチング素子Ｔ５のエミッタ端子は第２直流系統２の−端子と第２機械遮断器ＣＢ２の共通接続点に接続される。第５半導体スイッチング素子Ｔ５のコレクタ端子は第１，第２機械遮断器ＣＢ１，ＣＢ２の共通接続点に接続される。

第１直流系統１の−端子と第２直流系統２の−端子との間に、実施形態７の直流遮断装置を接続した構成を図２５に示す。図２５は、図２３の第３，第４ダイオードＤ３，Ｄ４に第６，第７半導体スイッチング素子（サイリスタ）Ｔ６，Ｔ７を逆並列接続したものである。

第６半導体スイッチング素子Ｔ６のカソード端子は、第１直流系統１の−端子と第１機械遮断器ＣＢ１の共通接続点に接続される。第６半導体スイッチング素子Ｔ６のアノード端子は、第１，第２機械遮断器ＣＢ１，ＣＢ２の共通接続点に接続される。第７半導体スイッチング素子Ｔ７のカソード端子は、第２直流系統２の−端子と第２機械遮断器ＣＢ２の共通接続点に接続される。第７半導体スイッチング素子Ｔ７のアノード端子は、第１，第２機械遮断器ＣＢ１，ＣＢ２の共通接続点に接続される。

１…第１直流系統
２…第２直流系統
３…直流遮断装置
ＣＢ１，ＣＢ２…第１，第２機械遮断器
Ｃ…コンデンサ
Ｔ１〜Ｔ３…第１〜第３半導体スイッチング素子
Ｒ…抵抗
ＺＤ…ツェナーダイオード
Ｌ１，Ｌ２…第１，第２リアクトル

Claims (18)

1. 第１直流系統の＋端子と第２直流系統の＋端子との間に直列接続された第１，第２機械遮断器と、
   第１半導体スイッチング素子を有し、前記第１直流系統の＋端子と前記第１機械遮断器の共通接続点に一端が接続された第１補助回路電流スイッチ部と、
   第２半導体スイッチング素子を有し、前記第１補助回路電流スイッチ部の他端に一端が接続され、他端が前記第２直流系統の＋端子と前記第２機械遮断器の共通接続点に接続された第２補助回路電流スイッチ部と、
   前記第１，第２機械遮断器の共通接続点と前記第１，第２補助回路電流スイッチ部の共通接続点との間に接続されたコンデンサと、
   前記コンデンサに直列接続された第１リアクトルと、
   前記第１，第２補助回路電流スイッチ部の共通接続点と前記第１，第２直流系統の−端子との間に接続されたインピーダンスと、
   を備えたことを特徴とする直流遮断装置。
2. 前記インピーダンスは、抵抗であることを特徴とする請求項１記載の直流遮断装置。
3. 前記第１，第２半導体スイッチング素子はサイリスタであることを特徴とする請求項２記載の直流遮断装置。
4. 前記第１，第２補助回路電流スイッチ部は、前記第１，第２半導体スイッチング素子に直列接続されたダイオードを有し、前記第１，第２半導体スイッチング素子は、自己消弧能力を有することを特徴とする請求項２記載の直流遮断装置。
5. 前記抵抗と、前記第１，第２直流系統の−端子との間にツェナーダイオードが接続されたことを特徴とする請求項２〜４のうち何れかに記載の直流遮断装置。
6. 前記抵抗と、前記第１，第２直流系統の−端子との間に第３半導体スイッチング素子が接続されたことを特徴とする請求項３記載の直流遮断装置。
7. 前記インピーダンスは第２リアクトルであり、
   前記第２リアクトルに対して並列接続されたダイオードと、
   前記第２リアクトルと前記第１，第２直流系統の−端子との間に接続された第３半導体スイッチング素子と、
   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。
8. 第１直流系統の−端子と第２直流系統の−端子との間に直列接続された第１，第２機械遮断器と、
   第１半導体スイッチング素子を有し、前記第１直流系統の−端子と前記第１機械遮断器の共通接続点に一端が接続された第１補助回路電流スイッチ部と、
   第２半導体スイッチング素子を有し、前記第１補助回路電流スイッチ部の他端に一端が接続され、他端が前記第２直流系統の−端子と前記第２機械遮断器の共通接続点に接続された第２補助回路電流スイッチ部と、
   前記第１，第２機械遮断器の共通接続点と前記第１，第２補助回路電流スイッチ部の共通接続点との間に接続されたコンデンサと、
   前記コンデンサに直列接続された第１リアクトルと、
   前記第１，第２補助回路電流スイッチ部の共通接続点と前記第１，第２直流系統の＋端子との間に接続されたインピーダンスと、
   を備えたことを特徴とする直流遮断装置。
9. 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１半導体スイッチング素子をオンし、前記第１機械遮断器に流れる電流が所定値以下になった後、前記第１機械遮断器を遮断し、
   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は、前記第２半導体スイッチング素子をオンし、前記第２機械遮断器に流れる電流が所定値以下になった後、前記第２機械遮断器を遮断することを特徴とする請求項１〜７のうち何れかに記載の直流遮断装置。
10. 前記第１，第２機械遮断器の共通接続点にアノードが接続され、前記第１機械遮断器と前記第１補助回路電流スイッチ部の共通接続点にカソードが接続された第３ダイオードと、
    前記第１，第２機械遮断器の共通接続点にアノードが接続され、前記第２機械遮断器と前記第２補助回路電流スイッチ部の共通接続点にカソードが接続された第４ダイオードと、
    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。
11. 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直流系統で短絡が発生した場合は、前記第１半導体スイッチング素子をＯＮして補助回路電流を流し、前記補助回路電流が短絡電流より大きい期間に、前記第１機械遮断器を遮断し、
    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直流系統で短絡が発生した場合は、前記第２半導体スイッチング素子をＯＮして補助回路電流を流し、前記補助回路電流が短絡電流より大きい期間に、前記第２機械遮断器を遮断することを特徴とする請求項１０記載の直流遮断装置。
12. 前記第１，第２機械遮断器に自己消弧能力を有する第４，第５半導体スイッチング素子を並列接続したことを特徴とする請求項１記載の直流遮断装置。
13. 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直流系統で短絡が発生した場合は、前記第４半導体スイッチング素子をＯＮした後、前記第１機械遮断器の開極指令を行い、その後、前記第１半導体スイッチング素子をＯＮ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直流系統で短絡が発生した場合は、前記第５半導体スイッチング素子をＯＮした後、前記第２機械遮断器の開極指令を行い、その後、前記第２半導体スイッチング素子をＯＮすることを特徴とする請求項１２記載の直流遮断装置。
14. 前記第３ダイオードに逆並列接続された自己消弧能力を有さない第６半導体スイッチング素子と、
    前記第４ダイオードに逆並列接続された自己消弧能力を有さない第７半導体スイッチング素子と、
    を有することを特徴とする請求項１０記載の直流遮断装置。
15. 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直流系統で短絡が発生した場合は、前記第６半導体スイッチング素子をＯＮした後、前記第１機械遮断器の開極指令を行い、その後、前記第６半導体スイッチング素子のオフ指令を行い、その後、前記第１半導体スイッチング素子をＯＮ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直流系統で短絡が発生した場合は、前記第７半導体スイッチング素子をＯＮした後、前記第２機械遮断器の開極指令を行い、その後、前記第７半導体スイッチング素子のオフ指令を行い、その後、前記第２半導体スイッチング素子をＯＮすることを特徴とする請求項１４記載の直流遮断装置。
16. 前記第１，第２機械遮断器の共通接続点にカソードが接続され、前記第１機械遮断器と前記第１補助回路電流スイッチ部の共通接続点にアノードが接続された第３ダイオードと、
    前記第１，第２機械遮断器の共通接続点にカソードが接続され、前記第２機械遮断器と前記第２補助回路電流スイッチ部の共通接続点にアノードが接続された第４ダイオードと、
    を備えたことを特徴とする請求項８記載の直流遮断装置。
17. 前記第１，第２機械遮断器に自己消弧能力を有する第４，第５半導体スイッチング素子を並列接続したことを特徴とする請求項８記載の直流遮断装置。
18. 前記第３ダイオードに逆並列接続された自己消弧能力を有さない第６半導体スイッチング素子と、
    前記第４ダイオードに逆並列接続された自己消弧能力を有さない第７半導体スイッチング素子と、
    を有することを特徴とする請求項１６記載の直流遮断装置。

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