JP2019204607A - 直流遮断器 - Google Patents

Abstract

【課題】直流電源を短絡事故時においても負荷電流を設定値に限流してから機械的スイッチを開極する直流遮断器を提供する。【解決手段】直流電源と負荷との間に直流電路を開閉する機械的スイッチと磁心に巻線を巻回した限流リアクトルを直列に配し、この限流リアクトルに直流定電流源から負荷電流とは逆方向に、保護すべき設定値に等しい直流電流を流し続け、設定値内の負荷状態においては、磁心を磁気飽和状態とし、損失少なく負荷電流を流す。設定値以上の電流が流れようとすると限流リアクトルの巻線のアンペアターンが保持電流以下となり限流リアクトルが高インダクタンスとなり、負荷電流が設定値以上にならないようにする。逆起電圧により磁心が逆方向に磁気飽和する前に、機械的スイッチを開極することでアーク放電の発生なく開極できる。また、限流リアクトルの第２の巻線を設け、これに設定電流を流すことで直流定電流源の負担を軽減できる。【選択図】図５

Description

本発明は、直流電源と直流負荷との間に設けられ、設定した電流以上に流れようとする電気系統の事故電流に対し、設定電流近傍に抑制した上で機械的スイッチを開極するようにした直流遮断器に関する。

従来、電気系統の事故電流に対する保護として、短絡のような場合に回路定数に従って急速に増大する電流を、その最大事故電流以上の遮断能力を有するアーク消弧機構を有する機械的スイッチあるいは導電体の溶断によるヒューズにより回路を開く方式が用いられている。機械式スイッチによるものは開極するまでの時間に限度があり、遮断器直下での短絡事故時には非常に大きな電流に達してしまい、開極接点間に発生するアークを処理するための機構が複雑で小形化・低コスト化に限界があり、またヒューズによる保護は、復旧に手間と時間を要するという問題がある。

また、特許文献１では、機械的開極による主の遮断器に並列に補助の半導体スイッチと抵抗器などの減流器を直列にしたものを接続し、短絡事故時等の際には主遮断器を開極後に、半導体スイッチをオンにし半導体スイッチ側に分流させ、減流器の作用によりアーク電流を下げるとともに再起電圧を低くすることで主遮断器の負担を軽減するようにしている。この方式では機械的開極動作遅れによる短絡電流の増大する問題は解決できない。

また特許文献２では主遮断器を半導体スイッチに置き換えたもので半導体スイッチによる高速遮断により短絡電流の上昇を抑制できる。しかし主スイッチ半導体に流れる電流による電圧降下があり、これによる電力損失は大きく熱処理が問題となる。また、特許文献１および２ともに電流遮断後に直流電源と負荷との間の電気的絶縁がなされないため、遮断器の使命の一つである電気的絶縁を確保するために、別に機械的開放装置が必要となり、遮断器の構造の複雑化、コスト高となる。

特許文献３では短絡事故が生じても、過大電流が流れないように限流する方法を提案したもので、回路電流が設定値に達するまでは低インダクタンスとなる磁心を有する限流リアクトルを直流電源と負荷の間に設けておき、設定値以上の電流が流れると限流リアクトルが逆方向に励磁されることで限流リアクトルが高インピーダンスとなることを利用し電流を十分に限流し、過大な電流になる前に機械式スイッチによってアークの発生無く回路を開くようにしたものである。

特開平５−１４４３６３号公報 特開２０１４−４４９０４号公報 特開２０１３−１８７１２２号公報

ところで、上述した特許文献３に記載の直流遮断器に用いられる限流リアクトルは電流が設定値以下の場合には、この電流により生じる磁束を打ち消すために磁石を用いて、磁心を磁気飽和状態にし、限流リアクトルを低インダクタンスとする方法を利用している。これによる限流リアクトルは磁心に磁石を挟み込む技術的な難しさ、磁石の磁気特性が温度に敏感に影響される点、過大事故電流による磁石の減磁の問題が存在する。これにより回路電流を遮断すべき設定値の変動や磁石の減磁による機能の消失が懸念される。

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、磁石を用いないため設定値の変動が無く、減磁の問題も無い限流方式を簡単な方法で構成し、装置の小形化、低コスト化、および保守の軽減が図れる直流遮断器を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明は磁心に巻回した巻線（２巻線以上ある場合もある）よりなる限流リアクトルを磁気スイッチとして直流電源と負荷の間に設け、この磁気スイッチの巻線に直流電源から負荷に流れる電流により発生する磁束を打ち消す方向に外部の定電流源装置から負荷電流と逆方向に直流電流を流すようにし、この定電流源装置から供給される電流の値をこれ以上流れれば過電流と判断すべき設定値（定格電流）とすることを基本とする。したがって、負荷電流が設定値以下であれば磁心は磁気飽和状態にあり磁気スイッチは非常に低いインダクタンスとなり、磁気スイッチとしてオン状態を呈する。負荷電流が設定値に達すると磁心は磁気非飽和状態の非常に高いインダクタンスとなり磁気スイッチとしてオフ状態を呈し、過大電流が流れるのを阻止する。

本発明の核となるのはこの磁気スイッチであるので、この動作を磁心の磁化特性を示す図６を用いて説明する。図６の横軸は磁界Hで磁心の単位長当りのアンペア-ターンであり、巻線のターン数をn、巻線に流れる電流をＩ(A)、磁心の磁路長をｌ(m)とするとＨ＝nＩ/ｌ（AT/m）、 縦軸は磁心の単位面積当たりの磁束密度Ｂで、磁束密度と磁界の関係はＢ=μ_Sμ₀Ｈ（Ｗｂ/m²）である。μ₀は真空の透磁率、μ_Sは磁心の比透磁率で磁心の材質により大きく変わり、中には１００、０００程度になるものもある。磁心が無い場合あるいは磁心の飽和時に比透磁率μ_Sは略１となる。
図６の（ロ）点から（ハ）点の間あるいは（ホ）点から（ヘ）点の間の軌跡が磁心の非飽和状態を示し、この間は比透磁率が大きいため、巻線のインダクタンスＬ（＝μ_Sμ₀ｎ²Ｓ/ｌ、Ｓは磁心の断面積）は極めて高くなり、磁気スイッチとしてオフ状態となる。

例えば、磁心が磁気飽和状態（磁気スイッチがオン状態）の図６の（イ）点の状態にあり、励磁電流をプラス方向に、つまり磁化力Ｈをプラス方向に増加させていくと図６の（ロ）点に達し飽和状態を脱して磁気スイッチオフの状態に入る。これにより磁気スイッチには回路定数で決まる電圧eが印加され、励磁電流i(i＝1/Ｌ∫edt)が流れる。Ｌが非常に大きいため、励磁電流の増加は僅かであるが時間の経過とともに磁心の磁束密度Ｂ（Ｂ=μ_Sμ₀in/l）が増加して行き、図６の（ハ）点で反対方向に磁束飽和状態に入り、Ｌ（=μ₀ｎ^２Ｓ/l）と極めて低いインダクタンスとなる。この状態は磁気スイッチがオン状態となる。以上の説明で磁心の非飽和時のインダクタンスは飽和時のμ_S倍となり比透磁率の高い材質の磁心を用いればスイッチの役目を十分に果たすことが明らかである。

ここで、磁心に用いるコアは保持力Ｈ_Cが小さく、また飽和磁束密度（Ｂ_S）と残留磁束密度（Ｂ_r）の差が小さい、いわゆる角形の磁気特性（Ｂ−Ｈカーブ）が望ましいが、必ずしもこの特性を必要とするものではない。

本発明に係る直流遮断器によれば、負荷電流が設定値（定格電流）に達し、巻線（１巻線のみならず複数の場合もある）の総アンペアターンが保持電流（Ｉ_C）内になると磁心が非飽和状態となり限流リアクトルが急激に高インダクタンスの磁気スイッチオフ状態となり、負荷側で短絡事故のような事態が発生しても、直流電源からの電流を設定値近傍に抑制できる。しかしこの状態を継続すると前述したように磁心が逆方向に磁気飽和して仕舞うので、磁気飽和に到る前に機械的スイッチを開極しなければならないが開極時の電流は設定電流程度の低い電流のため機械的スイッチに大きなアーク電流を流さずに開極できるため電極の消耗を防止できる。このため、大きなアーク電流を消弧させるための特殊な機構を必要とせず、小形で低コストの直流遮断器を提供できる。

発明の直流遮断器の第１の実施例を示す回路構成図。 発明の直流遮断器の第２の実施例を示す回路構成図。 発明の直流遮断器の第３の実施例を示す回路構成図。 発明の直流遮断器の第４の実施例を示す回路構成図。 発明の直流遮断器の第５の実施例を示す回路構成図。 本発明に使用される磁気スイッチに用いる磁心の動作を説明するための磁気特性の一例を示す図である。

本発明の実施の形態を図に示す実施例について説明する。

図１に本発明の直流遮断器の第１の実施例を示す。直流遮断器１は配電盤等への設置を容易にする外囲器２を備えている。外囲器２の外面には、直流電源３に接続される端子T1、T2と、負荷回路４に接続される端子T3、T4とが設けられている。外囲器２の内部には端子T1、T3との間に機械式開放スイッチ５および限流装置６の直列体を導体で接続する。限流装置６は磁心８に第１の巻線９をnターン巻回してなる限流リアクトル（磁気スイッチ）７および第１の巻線９に並列に接続される直流定電流装置１１よりなる。端子T2、T4との間は導体で接続されている。

直流定電流装置１１が図１に示す矢印の方向に、これ以上流れると過負荷と判断される設定電流（定格電流）I_Rを流すようにする。ここで直流定電流装置１１は具体的な回路で示して無いが公知の技術で色々な方法があるので、それを利用すれば良い。負荷に流れる電流をI_LとするとI₁ (I₁＝I_L−I_R) の電流が第１の巻線９に直流電源側から負荷側へ流れる。これが限流リアクトル（磁気スイッチ）７の励磁電流となり、負荷電流I_Lが設定電流I_Rより低い場合にはI₁はマイナスとなり保持電流-I_Cより低ければ磁心８はマイナス方向に磁気飽和し、無負荷の場合には図６の(イ)点の状態になる。

負荷電流I_Lが増加し、I_L＝I_R＋I_Cに達するとI₁＝I_Cとなり図６の（ロ）点に到る。この時の第1の巻線のアンペアターンはnI_Cであり、磁心８は飽和状態から脱し、限流リアクトル（磁気スイッチ）７は非飽和状態、つまり磁気スイッチがオフ状態になる。この状態では第１の巻線９の電流はI_Cのみとなり、負荷電流I_Lのほとんどが定電流装置１１から供給され負荷電流I_LはI_L＝I_R＋I_Cに抑制される。I_Cは保持電流と呼ばれる非常に小さい値なので、負荷が短絡事故等が生じても負荷電流はほぼ設定電流I_Rに抑制（限流）され過大な電流が流れるのを阻止する。この時、当然第１の巻線９には電圧eが印加される。

この電圧eは過負荷率をk（定格負荷時k＝１、負荷短絡時k＝∞）および直流電源電圧をＥとするとe＝Ｅ-(I_R＋I_C)Ｅ/(kI_R)となるがI_C≪I_Rよりe≒Ｅ(１-１/k)と見做せる。この電圧の時間積分に応じて磁心８の磁束密度が増大し、遂には図６の（ハ）点に到達し反対方向に磁気飽和し、磁気スイッチはオン状態になり限流能力を喪失して過大電流が流れて仕舞う。負荷短絡時にはk＝∞であるからe≒Ｅとなり磁気飽和に到る時間は短くなるので注意が必要である。このため磁心８の磁束密度が図６の（ハ）点に到達する前に機械的スイッチ５を開極す必要がある。

本発明によれば機械的スイッチ５を開極する時の電流は短絡事故時においても設定電流近傍に限流されるのでアークの発生もなく容易に遮断が可能となる。
したがって、大きなアークを消弧するための複雑な機構を必要とせず小型で低コストの直流遮断器１が提供できる。

機械的スイッチ５を開極する方法は公知の技術が色々あるので、図示していない。また、機械的スイッチ５は図１ではプラス側に１極のみ配されているが、マイナス側に１極のみ、あるいはプラス・マイナスの両方に２極のスイッチを設けても良いことは言うまでもない。

図２に本発明の直流遮断器の第２の実施例を示す。
第１の実施例では直流定電流装置１１は設定電流I_Rを出力する必要があるが、直流遮断器１としては設定電流が数十アンペア以上になる例が多く第１の実施例では直流定電流装置１１が数十Ａ電流を出力するのは非常に負担が重く、小形化、低コスト化の妨げになる。

第２の実施例はこの点に鑑み考案されたもので、限流リアクトル（磁気スイッチ）７の磁心８に第２の巻線１０を巻回し、第１の巻線の巻数のｍ倍とする。これにより直流定電流装置１１の出力電流はI_R/ｍで済み、ｍを大きくすればするほど直流定電流装置１１の電流値が小さくなる。しかしｍが大きくなると事故電流が流れ減流リアクトルが非飽和状態になった時に第２の巻線に誘起される電圧が第１巻線のｍ倍となるので注意が必要となる。第２の実施例では第１の巻線９には常に負荷電流I_Lが流れるところが第１の実施例と異なる。

第１の巻線９の巻数をｎターンとすると第２の巻線１０の巻数はｎｍターンであるから、第１の巻線９と第２の巻線１０の総アンペアターンで考えると、負荷電流I_Lが設定電流I_Rより小さい場合には総アンペアターンはｎI_L−ｎｍ(I_R/ｍ)＝ｎ（I_L−I_R)となる。これは実施例１のアンペアターンと同一となり、限流動作は全く等価となる。したがって実施例１と同じ限流動作が電流容量が小さい直流定電流装置１１で実現でき小形・低コストの直流遮断器１を提供できる。

図３に本発明の直流遮断器の第３の実施例を示す。
図２の実施例２に図示した直流定電流装置１１について簡単な構成で実現できる方法について提案する。
図３に示すチョッパ回路１２はスイッチ素子１３、チョッパ用インダクタ１４および還流ダイオード１５から構成され実施例１および２で示した直流定電流装置１１の役割を果たす。

ここでチョッパ回路の動作説明をする。負荷電流が設定電流以下の場合には限流リアクトル（磁気スイッチ）７が磁気飽和状態にあり第２の巻線１０には電圧はほとんど発生しない状態で、スイッチ１３がオンすると還流ダイオード１５には逆電圧が印加され、非導通状態にあるため直流電源３の電圧Ｅがチョッパ用インダクタ１４に印加される。チョッパ用インダクタ１４に流れる電流は増加し磁気エネルギーを蓄積する。また。一方スイッチ素子１３がオフするとチョッパ用インダクタ１４に蓄えられた磁気エネルギーによる電流を流れ続けさせなければならないため、還流ダイオード１５が導通する。第２の巻線１０および還流ダイオード１５よりなる還流回路の電圧降下Ｖ_Dは小さく、チョッパ用インダクタ１４の電流の減衰は僅かである。チョッパ用インダクタ１４に流れる電流の平均値(＝設定電流I_Rのｍ分の１)を一定にするためには、チョッパ用インダクタ１４に印加される電圧の平均値が零となる必要がある。このためチョッパ動作の周期をＴ（sec）およびスイッチ素子１３のオン時間をαＴ (sec) とすると、αＴＥ＝（Ｔ−αＴ）Ｖ_Dよりα＝Ｖ_D/(E＋Ｖ_D)となるようにαを制御する必要がある。この比率でチョッパ用インダクタ１４に流れる電流の平均値がI_R/ｍとなるようにスイッチ素子１３のオン・オフ制御をする。Ｅ≫Ｖ_Dでありαは非常に小さな値となるのでスイッチ素子１３のオンする時間はごく短く、直流電源装置３から供給される電力も非常に少なくて済む。

なお、チョッパ用インダクタ１４に流れる電流は完全な直流電流では無く若干の波高値（＝I_rip）を持った脈流（リップル）が重畳する。このリップルの波高値I_ripはチョッパインダクタ１４のインダクタンスをＬ_CとすればI_rip＝αＴＥ/Ｌ_Cとなるが、αは非常に小さく、チョッパの動作周波数を高くすればその周期Ｔも小さくなりチョッパインダクタ１４のインダクタンスをＬ_Cをある程度大きく選べばI_ripは十分小さく出来、直流定電源装置の役割を果たすのに十分である。定電流を流すためのスイッチ素子１３のオンオフ制御回路は図示していないが公知の技術が応用できる。図３ではスイッチ素子１３はトランジスタで示しているが、ＦＥＴ、ＩＧＢＴ、サイリスタ等のスイッチング素子ならばどのような物でも良く、またスイッチ素子１３の設置位置も正極側ではなく負極側に設置しても良いことは言うまでもない。

本発明では直流電源装置３からの僅かな電力で動作する簡単な回路構成で直流定電流装置を実現でき小形・低コストの直流遮断器１を提供できる。

図４に本発明の直流遮断器の第４の実施例を示す。
図３の実施例３に図示したチョッパ回路１２に用いたチョッパ用インダクタ１４を独立して設けるのではなく、限流リアクトル７の漏れインダクタンス１０′を代用するようにした。漏れインダクタンス１０′の設定には技術を必要とするが、小形・低コストの直流遮断器１を提供できる。

図５に本発明の直流遮断器の第５の実施例を示す。
実施例３の説明では言及しなかったが、負荷が過負荷になると限流リアクトル７が不飽和領域に入り限流リアクトル７は変圧作用を有するようになり、第１の巻線９に印加された電圧e、は第２の巻線１０にはｍｅの電圧が誘起される。このため帰還ダイオード１５が導通しチョッパインダクタ１４にｍｅの電圧が印加され、したがってチョッパインダクタ１４の電流は増加一方になりI_R/ｍ+I_rip/２を越えるとスイッチ素子１３はオフのままになりチョッパ回路の定電流機能が停止する。チョッパインダクタ１４の電流の増加率は１秒当たりｍｅ/L_C≒ｍＥ（１−１/ｋ）/Ｌ_Cである。ここでkは前述した過負荷率である。

過負荷の度合いによってこの電流の増加率は大きく変わり、負荷短絡時にはｋ＝∞であるのでチョッパインダクタ１４の電流の増加率は大きくなる。そこでこの電流によりチョッパインダクタ１４に発生する電磁力を利用し、従来の遮断器の電磁引き外しと同じように、図には示して無い機械的スイッチ５の引き外し装置の磁性体を吸引し、接点を開極させるようにする。

このように本発明は専用に引き外し用電磁コイルを用いることなく直定電流源装置の役割をするチョッパ回路１２のチョッパインダクタ１４を利用することで小形・低コストの直流遮断器１を提供できる。

１…直流遮断器 １１…直流定電流源装置
２…外囲器 １２…チョッパ回路
３…直流電源装置 １３…スイッチ素子
４…負荷回路 １４…チョッパインダクタ
５…機械式スイッチ １５…還流ダイオード
６…限流装置
７…限流リアクトル（磁気スイッチ）
８…磁心
９…第1の巻線
１０…第２の巻線
１０′…限流リアクトルの漏れインダクタンス

Claims (5)

1. 直流電源と負荷との間に接続される直流遮断器であって、直流電路を開閉する機械的スイッチと磁心に巻線を巻回した限流リアクトルを直列に配し、この限流リアクトルの巻線に直流定電流源装置から負荷電流とは逆方向に、保護すべき設定値に等しい直流電流を流すことを特徴とする直流遮断器。
2. 請求項１に記載した限流アクトルを負荷電流が流れる磁心に巻回した第１の巻線とは別に第２の巻線を巻回し、第２の巻線の巻き数を第1の巻線の巻き数のｍ倍とした構造とし、第1の巻線に流れる負荷電流により磁心に発生する電磁束を打ち消す方向に、第2の巻線に直流定電流源装置から保護すべき設定値のｍ分の１の直流電流を流すようにしたことを特徴とする直流遮断器。
3. 直流定電流源装置として、直流電源の正極および負極の間に半導体スイッチ素子、チョッパ用インダクタおよび限流リアクトルの第２の巻線の直列回路を接続し、チョッパ用インダクタおよび第2の巻線の直列回路の両端に並列に直流電源の負極側がアノード、正極側がカソードとなるようにダイオードを接続したチョッパ回路を設け、半導体スイッチ素子のオン・オフを制御することで第２の巻線に設定値のｍ分の１を平均値とする直流電流を流すことを特徴とする直流遮断器。
4. 請求項３に記載する直流遮断器に用いられたチョッパ回路のチョッパ用インダクタに限流リアクトルの漏れインダクタンスを代用をしたことを特徴とする直流遮断器。
5. 請求項３に記載する直流遮断器に用いられたチョッパ回路のチョッパ用インダクタに負荷回路が過負荷時に増大して流れる電流により発生する電磁束を利用し機械的スイッチの接点を開極する引き外し装置を作動させることを特徴とする直流遮断器。