JP2019145456A - 電力用開閉装置、送配電システム、発電システム、負荷システム、機械式スイッチ、及び電力用開閉装置の制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
機械式スイッチと半導体スイッチの並列接続体を有する電力用開閉装置であって、
前記半導体スイッチをオン状態で、前記機械式スイッチを接続状態とする制御を行うことにより、前記電力用開閉装置を不通状態から導通状態に移行させる制御部を有することを特徴とする。
前記機械式スイッチは、一対の電極を有し、前記一対の電極が離間可能に設けられており、
前記半導体スイッチのオン電圧は、前記機械式スイッチの前記電極間のアーク発生電圧よりも低いことを特徴とする。
前記機械式スイッチは、一対の電極を有し、前記一対の電極が離間可能に設けられており、
前記一対の電極が離間した非接続状態で、前記電極間の電子雪崩の電子増倍が1となる最低電圧よりも、前記半導体スイッチのオン電圧が小さいことを特徴とする。
また、本発明の発電システムは、上記本発明の電力用開閉装置を介して発電装置が電力系統に接続されていることを特徴とする。
また、本発明の負荷システムは、電力用開閉装置を介して負荷が電力系統に接続されていることを特徴とする。
機械式スイッチと半導体スイッチの並列接続体を有する電力用開閉装置の制御方法であって、
前記半導体スイッチがオン状態であり、前記機械式スイッチが非接続状態である第1のステップと、
制御部が、前記機械式スイッチを非接続状態から接続状態とする制御を行うことにより、前記電力用開閉装置を不通状態から導通状態に移行させる第2のステップと、を有することを特徴とする。
また、本発明の電力用開閉装置の制御方法によれば、簡単に、事故点をいち早く切離すことができる。
また、制御部は、半導体スイッチをオン状態で、機械式スイッチを非接続状態とした後、半導体スイッチをオフ状態とする制御を行うことにより、電力用開閉装置を導通状態から不通状態に移行させる。
または、メンテナンス時に、同様に電力用開閉装置100(3、4)は、電力(電流等)を遮断する(不通状態)。また、メンテナンス終了時や正常時に、電力用開閉装置100(3、4)は、導通状態となり、電力源1や電力源2から電力供給先の負荷5へ電力が供給される。
本発明の一実施形態に係る電力用開閉装置100(3、4)は、例えば、交流系統等の同時同量を維持することができる。
本発明の一実施形態に係る送配電システムは、電力源と配電線との間、又は配電線と負荷との間に設けられた電力用開閉装置を有する。
また、本発明の一実施形態に係る発電システムは、電力用開閉装置を介して発電装置(発電機)等の電力源が電力系統に接続されている。
また、本発明の一実施形態に係る負荷システムは、電力用開閉装置を介して一つ又は複数の負荷が電力系統に接続されているものである。
例えば、比較例として、第1駆動部710用電源、第2駆動部720用電源を設ける場合と比べて、図2に示した例のように、第1駆動部710と第2駆動部720とで共通の制御用電源75を用いることで、駆動部用電源の数を低減することができる。
なお、第1駆動部710と第2駆動部720それぞれに、駆動用電源を設けてもよい。
また、制御部71は、機械式スイッチ10をオン状態又はオフ状態とする制御信号を、第1駆動部710(機械式スイッチ用駆動部)に出力した場合、第1駆動部710は、その制御信号に応じて、制御用電源75からの電力により機械式スイッチ10をオン状態(接続状態)又はオフ状態(非接続状態)とする。
例えば、制御部71は、制御線L3を介して、非接続状態又は接続状態とする制御信号を機械式スイッチ10に出力する。
図3に示した、機械式スイッチ10は、例えば、高真空の真空容器である絶縁容器101に、固定側電極111と固定側電極棒112が固設されている。また、絶縁容器101には、可動側電極121と可動側電極棒122が移動自在に設けられている。導電線L1に可動側電極棒122、固定側電極棒112が設けられている。可動側電極121と固定側電極111とが当接した場合、導電線L1が接続状態となり、可動側電極121と固定側電極111が離間した場合、導電線L1が非接続状態となる。
図2に示した例では、半導体スイッチ20としてのFETのゲートは、制御線L2を介して制御部71に接続されており、ソース、ドレインは、導電線L1に接続された機械式スイッチ10に並列接続されている。
並列接続体30B(30)には、半導体スイッチ20B(20)として、2つの絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)BT1,BT2と、2つのダイオードD1,D2とを有する。
また、電力用開閉装置100Bは、機械式スイッチ用駆動部としての第1駆動部710、IGBT(BT1)用駆動部としての第2駆動部720a、その第2駆動部720a及び第1駆動部710に電力を供給する制御用電源75a、IGBT(BT2)用駆動部としての第2駆動部720b、その第2駆動部720aに電力を供給する制御用電源75bを有する。
他方のIGBT(BT2)のゲートが第2駆動部720b、制御線L2を介して制御部71に接続され、コレクタが機械式スイッチ10の他方の端部に接続され、エミッタが他方のダイオードD2のアノードに接続され、そのダイオードD2のカソードが機械式スイッチ10の一方の端部に接続されている。
すなわち、図4に示した例では、IGBTとダイオードとを組み合わせた簡単な構造で安価な半導体スイッチを実現することができる。なお、本実施形態のように駆動部を共通化したほうが小型化できるが、IGBT(BT1)用駆動部としての第2駆動部720a、その第2駆動部720a及び第1駆動部710は個別の駆動用電源に接続されてもよい。
アークは、電極から飛び出した電子が、電極間に存在する気体に衝突して、その気体を電離させ、それが雪崩式に増倍することにより発生する。したがって、雪崩の増倍係数が1より小さければアークは発生しない。すなわち、該半導体スイッチ20のオン電圧は低い方が好ましい。詳細には、機械式スイッチ10の一対の電極が離間した非接続状態で、電極間の電子雪崩の電子増倍が1となる最低電圧よりも、半導体スイッチ20のオン電圧が小さいことが好ましい。
例えば、SiCやGaNなどのワイドギャップ半導体は、Si系の半導体よりもオン電圧が低いことが知られている。十分にオン電圧の低い半導体スイッチ20を用いれば、機械式スイッチ10の電極間を真空にしたり、絶縁ガス下に封じ込める必要がなくなり、機械式スイッチ10の簡易化・低コスト化を実現することができる。
詳細には、ターンオフ制御では、制御部71は、例えば、半導体スイッチ20のオン状態をチェックする信号を送信し(ST12)、半導体スイッチ20からオン状態を示すアンサーバック信号を受信して、半導体スイッチ20がオン状態であることを、制御部71が確認した後(ST13、ST14)、機械式スイッチ10をオフ状態(非接続状態)に移行させるために、オフ指令を機械式スイッチ10へ出力する(ST15)。
半導体スイッチ20と機械式スイッチ10との間のインダクタンスをL、機械式スイッチ10の遮断時の電流減少率をdi/dt、機械式スイッチ10のアーク発生電圧をVaとしたとき、インダクタンスLは、数式(1)を満たすことが好ましい。
また、半導体スイッチ20の遮断直前に、該インダクタンスに蓄えられているエネルギーが大きい場合、それを処理するスナバ回路(例えば抵抗とコンデンサ(キャパシタ)が直列接続されたもの)や、アレスタ等のサージ防護デバイスを、該半導体スイッチ20に並列に接続することが好ましい。
導通状態においては、半導体スイッチ20、機械式スイッチ10のいずれもオン状態(接続状態)である。
そして、ステップST122において、制御部71は、半導体スイッチ20及び機械式スイッチ10がオフ状態となったことを確認した後、例えば、異常検出等により非常時オフ状態となったことを示す信号(非常オフ確認信号)を操作部73へ出力し、操作部73の表示装置等に、その旨を表示する処理を行う(ST123)。
なお、図8に示すように、第1駆動部(7101,7102,・・・,710n)と第2駆動部(7201,7202,・・・,720n)はそれぞれ共通の制御用電源(751,752,・・・,75n)に接続されている。つまり、制御用電源(751,752,・・・,75n)から、各第1駆動部(7101,7102,・・・,710n)、各第2駆動部(7201,7202,・・・,720n)へ電力が供給される。
また、電力用開閉装置100C(100)では、並列接続体30(301,・・・,30n)が、複数直列接続された、複数直列接続構造体40を有する。その構造体40の導電線L1の一方の端部に端子T1が設けられており、他方の端部に端子T2が設けられている。端子T1、端子T2には配電線6(図1参照)が接続される。
電圧阻止時においては、半導体スイッチ201〜20n、機械式スイッチ101〜10nのいずれもオフ状態である。まず、電圧阻止状態から導通状態への移行時の動作(ターンオンと呼ぶ)について説明する。
電源兼駆動部Vは、複数のスイッチSW1,SW2,SW3,SW4、キャパシタC1,C2、抵抗R1,R2、ダイオードD11,D12、ツェナーダイオードZD1,ZD2を有し、それぞれ図9に示すように接続されている。スイッチSW1,SW2,SW3,SW4は、制御部71により接続状態、又は非接続状態に制御される。このスイッチSW1,SW2,SW3,SW4は、例えば、トランジスタやMOS−FET等の半導体スイッチである。
ノードN2とノードN3との間には、電源兼駆動部VのダイオードD11、抵抗R1、キャパシタC1(コンデンサ)、キャパシタC2、抵抗R2、ダイオードD12が直列に接続されている。キャパシタC1,C2の間の接続ノードN4は、ノードN1を介して各FET(F21,F22)のドレインに接続されている。
一方のキャパシタC1の両端には、直列接続されたスイッチSW1,SW2と、ツェナーダイオードZD1が並列接続されている。一方のFET(F21)のゲートは、スイッチSW1とスイッチSW2の間(接続ノード)に接続されている。
他方のキャパシタC2の両端には、直列接続されたスイッチSW3,SW4と、ツェナーダイオードZD2が並列接続されている。他方のFET(F22)のゲートは、スイッチSW3とスイッチSW4の間(接続ノード)に接続されている。
上述した一方のツェナーダイオードZD1のアノードは、スイッチSW2に接続され、カソードがスイッチSW1に接続されている。他方のツェナーダイオードZD2のアノードは、スイッチSW3に接続され、カソードがスイッチSW4に接続されている。
つまり、上述したように、隣接する半導体スイッチ20D1,20D2(20)の直列体のMOS−FETやFET(F21,F22)等のドレインと、ゲートが、共通の電源兼駆動部Vに接続されており、電力用開閉装置全体の電源回路や駆動部の数を低減することができる。本実施例では、特にノードN1とN4を結ぶ導体が共通となっていてその共通導体を削減できる。
他方のIGBT(B21)のゲートが、第2駆動部720b1、制御線L2を介して制御部71に接続され、コレクタが機械式スイッチ101(10)の他方の端部に接続され、エミッタが他方のダイオードD31のアノードに接続され、そのダイオードD31のカソードが機械式スイッチ101(10)の他方の端部に接続されている。
他方のIGBT(B2n)のゲートが制御線L2、第2駆動部720bnを介して制御部71に接続され、コレクタが機械式スイッチ10n(10)の他方の端部に接続され、エミッタが他方のダイオードD3nのアノードに接続され、そのダイオードD3nのカソードが機械式スイッチ10n(10)の他方の端部に接続されている。
他方のIGBT(BT51)のゲートが電源兼駆動部Vに接続され、コレクタがダイオードD51のカソードに接続され、ダイオード51のアノードが機械式スイッチ101(10)の他方の端部に接続され、IGBT(BT51)のエミッタが機械式スイッチ101(10)の一方の端部(ノードN1)に接続されている。
他方のIGBT(BT52)のコレクタが他方のダイオードD52のカソードに接続され、ダイオードD52のアノードが機械式スイッチ102(10)の他方の端部(ノードN1に接続されている端部)に接続され、IGBT(BT52)のエミッタが機械式スイッチ102(10)の一方の端部に接続されている。
また、図11に示した、IGBT(BT51)のゲートが電源兼駆動部VのスイッチSW1とスイッチSW2の間(接続ノード)に接続されている。IGBT(BT42)のゲートが電源兼駆動部VのスイッチSW3とスイッチSW4の間(接続ノード)に接続されている。スイッチSW2とスイッチSW3の間の接続ノードN4が、半導体スイッチ20F1,20F2の接続ノード(ノードN1)に接続されている。
つまり、隣接する半導体スイッチ20F1のIGBT(BT51)と、半導体スイッチ20F2のIGBT(BT42)とで、電源兼駆動部Vを共有することができる。すなわち、電力用開閉装置100F(100)の他の隣接する並列接続体30F(30)でも同様に、電源兼駆動部を共有することで、電源兼駆動部を間引くことが可能となり、電力用開閉装置100F(100)全体の電源兼駆動部、制御用電源、各駆動部の数を低減することができる。
また、電源兼駆動部Vは、上述したように、各半導体スイッチの制御用電源であったが、各機械式スイッチの駆動部の駆動用電源を兼ねていてもよい。つまり、半導体スイッチと機械式スイッチが共通の制御用電源等に接続されていてもよい。
なお、IGBT(BT52)は、並列接続体30F2(30)の隣(図11の右側)の並列接続体(不図示)の上部のIGBT(不図示)と、共通の電源権駆動部で駆動される。
詳細には、機械式スイッチ10(101,102,・・・,10n)と、FET(F11,F12,・・・,F1n等)の半導体スイッチ20(201,202,・・・,20n)の並列接続体30(301,302,・・・,30n)それぞれに、直列接続されたキャパシタC21と抵抗R21,キャパシタC22と抵抗R22,・・・,キャパシタC2nと抵抗R2nがそれぞれ並列に接続されていてもよい。
また、図12に示すように、各並列接続体30(301,302,・・・,30n)の直列接続構造体40の両端に、直列接続されたキャパシタC4と抵抗R4が並列に接続されていてもよい。キャパシタと抵抗の並列体に並列にサージ保護デバイス(アレスタ)を並列に接続してもよい(不図示)。
また、図12に示すように、各並列接続体30(301,302,・・・,30n)の直列接続構造体40の両端に、アレスタ(避雷器)等のサージ防護デバイスSP(アレスタ)が並列接続されていてもよい。このアレスタは、サージ侵入時のみインピーダンスを小さくして、過電圧をサージ電流として通過させるとともに、半導体スイッチ20や機械式スイッチ10にかかるサージ電圧を抑制し、半導体スイッチ20や機械式スイッチ10を保護することができる。
すなわち、事故点をいち早く切離すことが可能な電力用開閉装置や機械式スイッチを提供することができる。
また、その電力用開閉装置や機械式スイッチを用いた、電力変換システムなどの電気機器を提供することができ、電力系統のロバスト性(外的要因による変化に対する頑強性)の向上に貢献できる。
また、上述の各図で示した実施形態は、その目的及び構成等に特に矛盾や問題がない限り、互いの記載内容を組み合わせることが可能である。
また、各図の記載内容はそれぞれ独立した実施形態になり得るものであり、本発明の実施形態は各図を組み合わせた一つの実施形態に限定されるものではない。
3、4、100、100B、100C、100D、100E、100F、100G…電力用開閉装置
5…負荷
6…配電線(送電線)
10…機械式スイッチ
20…半導体スイッチ
30…並列接続体
40…構造体(複数直列接続構造体)
71…制御部
72…検出部
73…操作部
75…制御用電源(電源)
101…絶縁容器
111…固定側電極
112…固定側電極棒
121…可動側電極
122…可動側電極棒
130…シールド
710…機械式スイッチ用駆動部(第1駆動部)
720…半導体スイッチ用駆動部(第2駆動部)
C…キャパシタ(コンデンサ)
D…ダイオード
IGBT…絶縁ゲートバイポーラトランジスタ
L1…導電線
L2…制御線
L3…制御線
R…抵抗
SP…サージ防護デバイス(アレスタ)
V…電源兼駆動部
Claims (19)
- 機械式スイッチと半導体スイッチの並列接続体を有する電力用開閉装置であって、
前記半導体スイッチをオン状態で、前記機械式スイッチを接続状態とする制御を行うことにより、前記電力用開閉装置を不通状態から導通状態に移行させる制御部を有することを特徴とする電力用開閉装置。 - 前記制御部は、前記電力用開閉装置を導通状態から不通状態に移行させる場合、前記半導体スイッチをオン状態で、前記機械式スイッチを非接続状態とした後、前記半導体スイッチをオフ状態とする制御を行うことを特徴とする請求項1に記載の電力用開閉装置。
- 前記並列接続体が複数直列接続されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電力用開閉装置。
- 前記半導体スイッチのオン電圧は、前記機械式スイッチのアーク発生電圧よりも低いことを特徴とする請求項1から請求項3の何れか1項に記載の電力用開閉装置。
- 前記半導体スイッチは、前記機械式スイッチに近設されていることを特徴とする請求項1から請求項3の何れか1項に記載の電力用開閉装置。
- 前記半導体スイッチと前記機械式スイッチがブスバーを介して接続されていることを特徴とする請求項1から請求項5の何れか1項に記載の電力用開閉装置。
- 前記ブスバーは、ラミネートブスバーであることを特徴とする請求項6に記載の電力用開閉装置。
- 前記半導体スイッチは、金属体に実装され、
前記半導体スイッチが実装された金属体の熱容量と、前記半導体スイッチが実装された金属体に許容される温度上昇による温度変化との積は、前記半導体スイッチの遮断時に発生する熱量よりも大きいことを特徴とする請求項1から請求項8の何れか1項に記載の電力用開閉装置。 - 前記半導体スイッチは、耐熱性のワイドギャップ半導体により形成されていることを特徴とする請求項1から請求項9の何れか1項に記載の電力用開閉装置。
- 前記半導体スイッチと前記機械式スイッチが共通の制御用電源に接続されていることを特徴とする請求項3に記載の電力用開閉装置。
- 直列接続された複数の並列接続体において、隣接する半導体スイッチが共通の制御用電源に接続されていることを特徴とする請求項3に記載の電力用開閉装置。
- 前記機械式スイッチは、一対の電極を有し、前記一対の電極が離間可能に設けられており、
前記一対の電極が離間した非接続状態で、前記電極間の電子雪崩の電子増倍が1となる最低電圧よりも、前記半導体スイッチのオン電圧が小さいことを特徴とする請求項1から請求項12の何れか1項に記載の電力用開閉装置。 - 機械式スイッチと半導体スイッチの並列接続体を有する電力用開閉装置であって、
前記機械式スイッチは、一対の電極を有し、前記一対の電極が離間可能に設けられており、
前記半導体スイッチのオン電圧は、前記機械式スイッチの前記電極間のアーク発生電圧よりも低いことを特徴とする電力用開閉装置。 - 機械式スイッチと半導体スイッチの並列接続体を有する電力用開閉装置の機械式スイッチであって、
前記機械式スイッチは、一対の電極を有し、前記一対の電極が離間可能に設けられており、
前記一対の電極が離間した非接続状態で、前記電極間の電子雪崩の電子増倍が1となる最低電圧よりも、前記半導体スイッチのオン電圧が小さいことを特徴とする機械式スイッチ。 - 請求項1から請求項14の何れか1項に記載の電力用開閉装置を有する送配電システム。
- 請求項1から請求項14の何れか1項に記載の電力用開閉装置を介して発電装置が電力系統に接続されている発電システム。
- 請求項1から請求項14の何れか1項に記載の電力用開閉装置を介して負荷が電力系統に接続されている負荷システム。
- 機械式スイッチと半導体スイッチの並列接続体を有する電力用開閉装置の制御方法であって、
前記半導体スイッチがオン状態であり、前記機械式スイッチが非接続状態である第1のステップと、
制御部が、前記機械式スイッチを非接続状態から接続状態とする制御を行うことにより、前記電力用開閉装置を不通状態から導通状態に移行させる第2のステップと、を有する
ことを特徴とする電力用開閉装置の制御方法。
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