JP2020087775A - DC breaker - Google Patents

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Abstract

To provide a DC breaker that suppresses a surge voltage to a semiconductor switch element.SOLUTION: A DC breaker according to an embodiment includes a semiconductor switch circuit, a snubber circuit that is connected in parallel to the semiconductor switch circuit and commutates a current when the semiconductor switch circuit is cut off, a first arrester connected in parallel to the semiconductor switch circuit via a first wiring, and a second arrester that is connected in parallel to the first arrester via a second wiring different from the first wiring and connected to the semiconductor switch circuit via the first wiring and the second wiring.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明の実施形態は、直流遮断装置に関する。 Embodiments of the present invention relate to a direct current interruption device.

直流遮断装置は、直流では交流のようにゼロクロスしないため、遮断時のエネルギーの処理をどのようにするか、さまざま方式が検討され、提案されている(たとえば特許文献1等)。 Since the DC blocking device does not zero-cross unlike AC in the case of DC, various methods have been studied and proposed as to how to process energy at the time of blocking (for example, Patent Document 1).

多くの直流遮断装置では、遮断時のエネルギーを適切に転流し、処理することとしている。半導体素子からなるスイッチ回路によって遮断されたエネルギーをスナバ回路で吸収し、遮断エネルギーの余剰分をアレスタのようなサージ防護回路で吸収する直流遮断装置がある。 In many DC interrupting devices, the energy at the time of breaking is properly commutated and processed. There is a direct current circuit breaker in which a snubber circuit absorbs energy interrupted by a switch circuit composed of a semiconductor element and a surge protection circuit such as an arrester absorbs an excess of the interrupted energy.

直流送電を含む直流電力系統向けの直流遮断装置では、系統事故時の遮断エネルギーが大きく、単一のアレスタで遮断エネルギーを吸収することが困難なため、複数個のアレスタを並列接続して用いることがある。 In a DC circuit breaker for a DC power system including DC power transmission, it is difficult to absorb the breaking energy with a single arrester when a system fault occurs, so use multiple arresters in parallel. There is.

遮断エネルギーに応じて、アレスタ等の部品の外形サイズは大きくなり、互いの配線が長くなる。配線に生ずる寄生インダクタンスによって、スイッチ回路からスナバ回路に流れる電流や、スナバ回路からアレスタに流れる電流が制限され、スイッチ回路の両端に高いサージ電圧が印加されることが問題となる。 Depending on the breaking energy, the external size of parts such as an arrester becomes large and the mutual wiring becomes long. The parasitic inductance generated in the wiring limits the current flowing from the switch circuit to the snubber circuit and the current flowing from the snubber circuit to the arrester, which causes a problem that a high surge voltage is applied to both ends of the switch circuit.

このようなスイッチ回路へのサージ電圧を抑制するためには、スイッチ回路と、スナバ回路との配線の長さを短くするとともに、スイッチ回路とアレスタとの配線の長さも短くして寄生インダクタンスを小さくする必要がある。しかし、アレスタを複数個配置するとなると、スイッチ回路とスナバ回路の配線長を最短にすることと、スイッチ回路と、すべてのアレスタとの間の配線を最短とすることを両立するのは困難となる。 In order to suppress the surge voltage to such a switch circuit, the wiring length between the switch circuit and the snubber circuit is shortened, and the wiring length between the switch circuit and the arrester is also shortened to reduce the parasitic inductance. There is a need to. However, when multiple arresters are arranged, it is difficult to achieve both the shortest wiring length of the switch circuit and the snubber circuit and the shortest wiring between the switch circuit and all the arresters. ..

特開2016−127026号公報JP, 2016-127026, A

実施形態は、スイッチ回路へのサージ電圧を抑制する直流遮断装置を提供する。 Embodiments provide a DC interrupting device that suppresses a surge voltage to a switch circuit.

実施形態に係る直流遮断装置は、半導体スイッチ回路と、前記半導体スイッチ回路に並列に接続され、前記半導体スイッチ回路が遮断したときの電流を転流するスナバ回路と、第1配線を介して、前記半導体スイッチ回路に並列に接続された第1アレスタと、前記第1配線とは異なる第2配線を介して、前記第1アレスタに並列に接続されるとともに、前記第1配線および前記第2配線を介して、前記半導体スイッチ回路に並列に接続された第2アレスタと、を備える。 The direct-current interruption device according to the embodiment includes a semiconductor switch circuit, a snubber circuit that is connected in parallel to the semiconductor switch circuit and commutates a current when the semiconductor switch circuit is interrupted, and a first wiring, A first arrester connected in parallel to the semiconductor switch circuit and a second wiring different from the first wiring are connected in parallel to the first arrester, and the first wiring and the second wiring are connected to each other. And a second arrester connected in parallel to the semiconductor switch circuit.

本実施形態では、半導体スイッチ素子へのサージ電圧を抑制する直流遮断装置が実現される。 In the present embodiment, a DC cutoff device that suppresses surge voltage to the semiconductor switch element is realized.

実施形態に係る直流遮断装置を例示する回路図である。It is a circuit diagram which illustrates the direct-current interruption device concerning an embodiment. 図2(a)は、実施形態の直流遮断装置を例示するブロック図である。図2(b)は、図2(a)の直流遮断装置を備えた直流送電システムを例示するブロック図である。FIG. 2A is a block diagram illustrating the direct current interruption device of the embodiment. FIG. 2B is a block diagram illustrating a DC power transmission system including the DC interrupting device of FIG. 図3(a)および図3(b)は、図1の直流遮断装置の各要素を実体的に例示した模式的な配線図である。FIG. 3A and FIG. 3B are schematic wiring diagrams which substantially illustrate the respective elements of the DC interrupting device of FIG. 図4(a)は、比較例の直流遮断装置を例示する回路図である。図4(b)は、図4(a)の直流遮断装置の各要素を実体的に例示した模式的な配線図である。FIG. 4A is a circuit diagram illustrating a DC interrupting device of a comparative example. FIG. 4B is a schematic wiring diagram exemplifying each element of the DC interrupting device of FIG. 4A.

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
It should be noted that the drawings are schematic or conceptual, and the relationship between the thickness and width of each portion, the size ratio between the portions, and the like are not always the same as the actual ones. Even when the same portion is shown, the dimensions and ratios may be different depending on the drawings.
In the specification and the drawings of the application, components similar to those described in regard to a drawing thereinabove are marked with like reference numerals, and a detailed description is omitted as appropriate.

図1は、実施形態に係る直流遮断装置を例示する回路図である。
図1に示すように、実施形態の直流遮断装置10は、遮断回路20を備える。直流遮断装置10は、端子11a〜11cを有しており、端子11a,11bに遮断すべき直流配線が接続される。端子11cには、直流配線に流れる電流値のデータが入力され、直流遮断装置10は、電流値があらかじめ設定されたしきい値以上となった場合に、遮断動作を開始する。直流遮断装置10は、直流配線に流れる電流がしきい値よりも小さい場合には、回路を閉じて、直流電流を流す。
FIG. 1 is a circuit diagram illustrating a direct current interruption device according to an embodiment.
As shown in FIG. 1, the direct-current interruption device 10 of the embodiment includes an interruption circuit 20. The DC interrupting device 10 has terminals 11a to 11c, and DC wirings to be interrupted are connected to the terminals 11a and 11b. The data of the current value flowing in the DC wiring is input to the terminal 11c, and the DC interrupting device 10 starts the interrupting operation when the current value becomes equal to or higher than a preset threshold value. When the current flowing through the DC wiring is smaller than the threshold value, the DC interrupting device 10 closes the circuit and allows the DC current to flow.

遮断回路20は、半導体スイッチ回路21と、スナバ回路23と、複数のアレスタ26〜29と、を含む。半導体スイッチ回路21は、端子22a,22bを有する。半導体スイッチ回路21は、端子22aを介して、直流遮断装置10の端子11aに接続され、端子22bを介して、直流遮断装置10の端子11bに接続されている。 The cutoff circuit 20 includes a semiconductor switch circuit 21, a snubber circuit 23, and a plurality of arresters 26 to 29. The semiconductor switch circuit 21 has terminals 22a and 22b. The semiconductor switch circuit 21 is connected to the terminal 11a of the DC interrupting device 10 via the terminal 22a and to the terminal 11b of the DC interrupting device 10 via the terminal 22b.

スナバ回路23は、半導体スイッチ回路21に並列に接続されている。なお、詳細には、後述するように、半導体スイッチ回路21では、複数個の半導体スイッチ素子が直列に接続され、半導体スイッチ素子ごとに並列に接続されたスナバ回路が設けられている。半導体スイッチ素子の直列数は、半導体スイッチ素子の耐圧と直流遮断装置10が設けられる直流回路の直流電圧に応じて決定される。 The snubber circuit 23 is connected in parallel with the semiconductor switch circuit 21. In addition, in detail, as will be described later, in the semiconductor switch circuit 21, a plurality of semiconductor switch elements are connected in series, and a snubber circuit in which each semiconductor switch element is connected in parallel is provided. The number of semiconductor switch elements in series is determined according to the breakdown voltage of the semiconductor switch elements and the DC voltage of the DC circuit in which the DC interrupter 10 is provided.

アレスタ26〜29は、並列に接続されている。並列に接続されたアレスタ26〜29は、半導体スイッチ回路21に並列に接続されている。 The arresters 26 to 29 are connected in parallel. The arresters 26 to 29 connected in parallel are connected to the semiconductor switch circuit 21 in parallel.

アレスタ26〜29では、電流を流して電圧の上昇を制限する制限電圧は、半導体スイッチ回路21およびスナバ回路23の耐圧よりも低い値に設定されている。アレスタ26〜29の制限電圧は、同一の電流値において、たとえばすべて同一の値を有する。アレスタ26〜29の制限電圧は、同一の値に限らず、異なる値であってもよい。 In the arresters 26 to 29, the limit voltage that limits the increase in voltage by passing a current is set to a value lower than the withstand voltage of the semiconductor switch circuit 21 and the snubber circuit 23. The limiting voltages of the arresters 26 to 29 have, for example, the same value at the same current value. The limiting voltages of the arresters 26 to 29 are not limited to the same value and may be different values.

アレスタ(第1アレスタ)26は、他のアレスタ(第2アレスタ)27〜29よりも半導体スイッチ回路21の近傍に配置されている。アレスタ26は、配線31aおよび配線31b(第1配線)を介して、半導体スイッチ回路21の一方の端子22aおよび他方の端子22bに接続されている。 The arrester (first arrester) 26 is arranged closer to the semiconductor switch circuit 21 than the other arresters (second arresters) 27 to 29. The arrester 26 is connected to one terminal 22a and the other terminal 22b of the semiconductor switch circuit 21 via the wiring 31a and the wiring 31b (first wiring).

アレスタ26と、アレスタ27〜29とでは、外形寸法が異なっている。好ましくは、アレスタ26は、アレスタ27〜29よりも小形の外形寸法を有している。アレスタ26の外形寸法をより小さいものとすることによって、アレスタ26を半導体スイッチ回路21のよい近傍に配置することができる。 The external dimensions of the arrester 26 and the arresters 27 to 29 are different. Preferably, arrester 26 has a smaller outer size than arresters 27-29. By making the external dimensions of the arrester 26 smaller, the arrester 26 can be arranged near the semiconductor switch circuit 21.

アレスタ27〜29は、この例では、すべて同じ外形サイズを有している。アレスタ27aは、配線32a,32bを介して他のアレスタ28,29に接続されている。アレスタ28は、配線33a,33bを介して他のアレスタ27,29に接続されている。アレスタ29は、配線34a,34bを介して他のアレスタ27,28に接続されている。 In this example, the arresters 27 to 29 all have the same outer size. The arrester 27a is connected to the other arresters 28 and 29 via the wirings 32a and 32b. The arrester 28 is connected to the other arresters 27 and 29 via the wirings 33a and 33b. The arrester 29 is connected to the other arresters 27 and 28 via the wirings 34a and 34b.

アレスタ26は、配線35a,35bを介して、他のアレスタ27〜29に接続されている。したがって、小形のアレスタ26は、配線31a,31bで半導体スイッチ回路21に接続され、他のアレスタ27〜29は、それぞれの自己の配線に加えて、配線31a,31bおよび配線(第2配線)35a,35bを介して、半導体スイッチ回路21に接続されている。 The arrester 26 is connected to the other arresters 27 to 29 via the wirings 35a and 35b. Therefore, the compact arrester 26 is connected to the semiconductor switch circuit 21 by the wirings 31a and 31b, and the other arresters 27 to 29 have the wirings 31a and 31b and the wiring (second wiring) 35a in addition to their own wirings. , 35b are connected to the semiconductor switch circuit 21.

図では、各配線に破線でインダクタンスの回路図記号が示されている。破線のインダクタンスの記号は、各配線の長さに応じて発生する寄生インダクタンスであることを表している。アレスタ26と半導体スイッチ回路21との間の配線の長さは、他のアレスタ27〜29と半導体スイッチ回路21との間の配線の長さに比べて短い。そのため、アレスタ26と半導体スイッチ回路21との間の配線31a,31bによる寄生インダクタンスを他の配線による寄生インダクタンスよりも低い値とすることができる。 In the drawing, the circuit diagram symbol of the inductance is shown by a broken line in each wiring. The symbol of the inductance of the broken line represents that it is a parasitic inductance generated according to the length of each wiring. The length of the wiring between the arrester 26 and the semiconductor switch circuit 21 is shorter than the length of the wiring between the other arresters 27 to 29 and the semiconductor switch circuit 21. Therefore, the parasitic inductance of the wirings 31a and 31b between the arrester 26 and the semiconductor switch circuit 21 can be made lower than the parasitic inductance of the other wirings.

スナバ回路23は、半導体スイッチ回路21の近傍に設けられており、したがって、十分に短い配線長で接続されている。この図では、スナバ回路23の両端の配線36a,36bのみが描かれているが、半導体スイッチ回路21を構成する各半導体スイッチへの配線も短い配線長となる。 The snubber circuit 23 is provided in the vicinity of the semiconductor switch circuit 21, and is therefore connected with a sufficiently short wiring length. In this figure, only the wires 36a and 36b at both ends of the snubber circuit 23 are drawn, but the wires to each semiconductor switch forming the semiconductor switch circuit 21 also have a short wire length.

アレスタ26と他のアレスタ27〜29とは、好ましくは、近接して配置され、互いを接続する配線長は短く寄生インダクタンスも小さく設定される。これによって、アレスタ26で吸収した遮断エネルギーの余剰分は、遮断電流として他のアレスタ27〜29に容易に転流される。 The arrester 26 and the other arresters 27 to 29 are preferably arranged close to each other, and the length of wiring connecting them is short and the parasitic inductance is set small. As a result, the surplus of the breaking energy absorbed by the arrester 26 is easily commutated to the other arresters 27 to 29 as a breaking current.

アレスタ26〜29の制限電圧を異ならせる場合には、半導体スイッチ回路21との配線長が短く、寄生インダクタンスが小さく設定されているアレスタ26の制限電圧を他のアレスタ27〜29の制限電圧よりも低く設定することができる。このように設定することによって、より確実に遮断電流をアレスタ26に最初に転流することができる。 When the limiting voltages of the arresters 26 to 29 are made different, the limiting voltage of the arrester 26 in which the wiring length with the semiconductor switch circuit 21 is short and the parasitic inductance is set to be smaller than that of the other arresters 27 to 29. Can be set low. By setting in this way, the breaking current can be more surely commutated to the arrester 26 first.

アレスタ26の制限電圧を他のアレスタ27〜29の制限電圧よりも低く設定する場合には、好ましくは、アレスタ26の制限電圧比を他のアレスタ27〜29よりも大きく設定する。これによって、確実にアレスタ26に遮断電流を転流した後、他のアレスタ27〜29に余剰の遮断電流を円滑に転流することができる。アレスタの制限電圧比とは、異なる電流値における制限電圧の比であり、制限電圧比は、大電流時の制限電圧/小電流時の制限電圧と定義される。 When the limiting voltage of the arrester 26 is set lower than the limiting voltages of the other arresters 27 to 29, the limiting voltage ratio of the arrester 26 is preferably set to be higher than that of the other arresters 27 to 29. As a result, after the breaking current is surely commutated to the arrester 26, the surplus breaking current can be smoothly commutated to the other arresters 27 to 29. The limiting voltage ratio of the arrester is a ratio of limiting voltages at different current values, and the limiting voltage ratio is defined as a limiting voltage at a large current/a limiting voltage at a small current.

図2(a)は、実施形態の直流遮断装置を例示するブロック図である。図2(b)は、図2(a)の直流遮断装置を備えた直流送電システムを例示するブロック図である。
図2(a)には、より具体的な直流遮断装置10の構成例が示されている。図2(a)に示すように、実施形態の直流遮断装置10は、遮断回路20のほか、主スイッチ回路40と、機械遮断器50と、制御部60と、をさらに備える。
FIG. 2A is a block diagram illustrating the direct current interruption device of the embodiment. FIG. 2B is a block diagram illustrating a DC power transmission system including the DC interrupting device of FIG.
FIG. 2A shows a more specific configuration example of the DC interrupting device 10. As shown in FIG. 2A, the DC interrupting device 10 of the embodiment further includes a breaking circuit 20, a main switch circuit 40, a mechanical breaker 50, and a control unit 60.

主スイッチ回路40および機械遮断器50は、直列に接続されている。主スイッチ回路40および機械遮断器50の直列回路は、端子11a,11b間に接続されている。 The main switch circuit 40 and the mechanical breaker 50 are connected in series. The series circuit of the main switch circuit 40 and the mechanical breaker 50 is connected between the terminals 11a and 11b.

主スイッチ回路40は、たとえばIGBT等の自己消弧型の半導体素子である。主スイッチ回路40は、通常には導通しており、直流配線において短絡事故等を生じた場合には、遮断される。なお、主スイッチ回路40は、この例のように遮断後には、遮断電流は、遮断回路20に流れ、両端に高電圧が印加されないので、多くの場合には、直列数は1つとされる。 The main switch circuit 40 is, for example, a self-turn-off type semiconductor element such as an IGBT. The main switch circuit 40 is normally conducting, and is shut off when a short-circuit accident or the like occurs in the DC wiring. In the main switch circuit 40, the cutoff current flows to the cutoff circuit 20 after the cutoff as in this example, and a high voltage is not applied to both ends. Therefore, in many cases, the number of series is one.

機械遮断器50は、通常には閉じており、直流配線において短絡事故等を生じた場合には、遮断電流が半導体スイッチ回路21に転流された後に開放される。 The mechanical breaker 50 is normally closed, and when a short circuit accident occurs in the DC wiring, the breaking current is commutated to the semiconductor switch circuit 21 and then opened.

遮断回路20は、主スイッチ回路40および機械遮断器50の直列回路に並列に接続されている。遮断回路20の半導体スイッチ回路21は、通常には導通している。半導体スイッチ回路21は、直流配線2において短絡事故等を生じた場合に、遮断される。主スイッチ回路40が遮断されたときには、両端に直流回路1a,1bが入出力する直流電圧に加えて、アーク放電による電圧が印加される。そのため、上述したように、半導体スイッチ回路21を構成する半導体スイッチは、多数個が直列接続されている。 The breaker circuit 20 is connected in parallel to the series circuit of the main switch circuit 40 and the mechanical breaker 50. The semiconductor switch circuit 21 of the cutoff circuit 20 is normally conducting. The semiconductor switch circuit 21 is cut off when a short circuit accident occurs in the DC wiring 2. When the main switch circuit 40 is cut off, a voltage due to arc discharge is applied to both ends in addition to the DC voltage input and output by the DC circuits 1a and 1b. Therefore, as described above, a large number of semiconductor switches forming the semiconductor switch circuit 21 are connected in series.

図2(b)に示すように、直流遮断装置10は、直流回路1a,1bの間の直流配線2に直列に接続されて用いられる。直流回路1a,1bは、たとえば電力系統等の交流電圧を直流電圧に変換する交直電力変換器や、太陽光発電パネル、蓄電池等の直流電源等である。直流回路1a,1bは、直流電源で動作する直流負荷を含んでもよい。直流配線2は、たとえば直流送電線である。直流配線2には、電流検出器3が設けられており、直流遮断装置10は、電流検出器3によって検出された電流値Isを入力して、電流値Isがあらかじめ設定されたしきい値以上の場合に、遮断動作を開始する。 As shown in FIG. 2B, the DC interrupting device 10 is used by being connected in series to the DC wiring 2 between the DC circuits 1a and 1b. The DC circuits 1a and 1b are, for example, an AC/DC power converter for converting an AC voltage of a power system or the like into a DC voltage, a DC power source such as a photovoltaic power generation panel, a storage battery, or the like. The DC circuits 1a and 1b may include a DC load operated by a DC power supply. DC wiring 2 is, for example, a DC transmission line. A current detector 3 is provided on the DC wiring 2, and the DC interrupting device 10 inputs the current value Is detected by the current detector 3 so that the current value Is is equal to or more than a preset threshold value. In the case of, the interruption operation is started.

制御部60において、電流値Isがしきい値以上であると判定した場合には、まず遮断信号S1を生成して、主スイッチ回路40を遮断する。主スイッチ回路40が遮断されたことによって、遮断電流は、半導体スイッチ回路21に転流される。 When the control unit 60 determines that the current value Is is equal to or more than the threshold value, first, the cutoff signal S1 is generated to cut off the main switch circuit 40. Since the main switch circuit 40 is cut off, the cutoff current is commutated to the semiconductor switch circuit 21.

その後、制御部60は、遮断信号S2を生成して、機械遮断器50を遮断する。機械遮断器50が遮断された後に制御部60は、遮断信号S3を生成して、遮断回路20の半導体スイッチ回路21を遮断する。 Then, the control unit 60 generates the cutoff signal S2 to cut off the mechanical breaker 50. After the mechanical breaker 50 is cut off, the control unit 60 generates a cutoff signal S3 to cut off the semiconductor switch circuit 21 of the cutoff circuit 20.

なお、実施形態の直流遮断装置10は、半導体スイッチ回路21を備えていればよく、上述の図2(a)の構成例に限られない。また、直流遮断装置が電流検出器を含んでいてもよいし、直流遮断装置が制御部を含まず、たとえば、交直電力変換器を制御する制御装置によって、遮断制御を行うようにしてもよい。 The DC interrupting device 10 of the embodiment only needs to include the semiconductor switch circuit 21, and is not limited to the configuration example of FIG. 2A described above. Further, the DC interrupting device may include a current detector, or the DC interrupting device may include no control unit, and the interrupting control may be performed by, for example, a control device that controls the AC-DC power converter.

図3(a)および図3(b)は、図1の直流遮断装置の各要素を実体的に例示した模式的な配線図である。
図3(a)は、遮断回路20の正面図であり、図3(b)は、遮断回路20の平面図である。
図3(a)に示すように、遮断回路20では、基板30上に、コンデンサ24a〜24dおよびダイオード25a〜25dを含むスナバ回路、半導体スイッチ回路21およびアレスタ26〜29が設けられている。基板30は、絶縁性の材料で形成された板状の部材である。
FIG. 3A and FIG. 3B are schematic wiring diagrams which substantially illustrate the respective elements of the DC interrupting device of FIG.
3A is a front view of the breaking circuit 20, and FIG. 3B is a plan view of the breaking circuit 20.
As shown in FIG. 3A, in the cutoff circuit 20, a snubber circuit including capacitors 24a to 24d and diodes 25a to 25d, a semiconductor switch circuit 21, and arresters 26 to 29 are provided on a substrate 30. The substrate 30 is a plate-shaped member made of an insulating material.

遮断回路20の実体的な配置を説明するために、XYZの三次元座標を用いることがある。X軸およびY軸は、基板30が設けられる面に平行な面を含むように設定される。X軸は、コンデンサ24a〜24d、ダイオード25a〜25d、半導体スイッチ回路21およびアレスタ26〜29が配列された方向に沿って設定されている。Y軸は、X軸に直交する軸であり、Y軸に沿って、半導体スイッチ回路21の半導体スイッチ21a〜21dが直列に接続されて配置されている。 XYZ three-dimensional coordinates may be used to describe the actual arrangement of the cutoff circuit 20. The X axis and the Y axis are set so as to include a plane parallel to the plane on which the substrate 30 is provided. The X axis is set along the direction in which the capacitors 24a to 24d, the diodes 25a to 25d, the semiconductor switch circuit 21, and the arresters 26 to 29 are arranged. The Y axis is an axis orthogonal to the X axis, and the semiconductor switches 21a to 21d of the semiconductor switch circuit 21 are arranged in series along the Y axis.

半導体スイッチ回路21の各半導体スイッチ21a〜21dは、たとえば圧接型の半導体素子であり、パッケージの円形の圧接電極の面がX軸に平行に、パッケージの円形の中心軸がY軸に平行になるように配置されている。各半導体スイッチ21a〜21dは、各電極間にたとえばヒートシンクを挟んで、直列接続され、Y軸方向に延伸するスタックとして、基板30上に配置されている。 Each of the semiconductor switches 21a to 21d of the semiconductor switch circuit 21 is, for example, a pressure-contact type semiconductor element, and the surface of the circular pressure-contact electrode of the package is parallel to the X axis, and the circular central axis of the package is parallel to the Y axis. Are arranged as follows. The semiconductor switches 21a to 21d are arranged in series on the substrate 30 as a stack connected in series with a heat sink sandwiched between the electrodes and extending in the Y-axis direction.

半導体スイッチ21a〜21dは、好ましくは、自己消弧型の半導体素子である。たとえば、半導体スイッチ21a〜21dは、IGBTやMOSFET等である。 The semiconductor switches 21a to 21d are preferably self-extinguishing type semiconductor elements. For example, the semiconductor switches 21a to 21d are IGBTs or MOSFETs.

アレスタ26〜29は、円筒形状の外形を有しており、円筒が延伸する方向がY軸方向とほぼ平行するように配置されている。アレスタ26〜29は、X軸方向に沿って、この例では、基板上に2個配置され、配置された2個のアレスタ28,29の上方(Z軸の正方向)にさらに2個のアレスタ26,27が配置されている。 The arresters 26 to 29 have a cylindrical outer shape and are arranged such that the direction in which the cylinder extends is substantially parallel to the Y-axis direction. In this example, two arresters 26 to 29 are arranged on the substrate along the X-axis direction, and two more arresters are arranged above the two arranged arresters 28 and 29 (the positive direction of the Z-axis). 26 and 27 are arranged.

好ましくは、アレスタ26〜29は、無接点型である。無接点型のアレスタ26〜29は、たとえば、ZnOの焼結体を含むZnOサージアブソーバ(ZnO素子)である。 Preferably, arresters 26-29 are contactless. The contactless type arresters 26 to 29 are, for example, ZnO surge absorbers (ZnO elements) containing a sintered body of ZnO.

ZnO素子によるアレスタ26〜29では、円盤形状を有するZnO素子をその円形面が平行かつ円形面の中心をそろえて、重ねて配列されたものが円筒状のケースに収納されている。アレスタ26〜29のそれぞれのケース内には、すべて同一の直径および厚さを有する同一特性のZnO素子が収納されている。ケース内のZnO素子は、電気的には並列に接続されている。つまり、ZnO素子の並列数が多いものほど、円筒形状の高さが高くなり、吸収できる遮断エネルギーも大きい。この例では、半導体スイッチ回路21にもっとも近接して配置されたアレスタ26は、他のアレスタ27〜29よりもZnO素子の並列数が少ない分、小形形状とすることができる。 In the arresters 26 to 29 made of ZnO elements, disk-shaped ZnO elements are arranged in a cylindrical case in which the circular surfaces are arranged in parallel and the centers of the circular surfaces are aligned. In each case of arresters 26 to 29, ZnO elements having the same diameter and thickness and having the same characteristics are housed. The ZnO elements in the case are electrically connected in parallel. That is, as the number of parallel ZnO elements increases, the height of the cylindrical shape increases, and the cutoff energy that can be absorbed increases. In this example, the arrester 26 arranged closest to the semiconductor switch circuit 21 can be formed in a small size because the number of parallel ZnO elements is smaller than that of the other arresters 27 to 29.

各アレスタ26〜29の制限電圧は、ほぼ等しく設定されている。また、各アレスタ26〜29の制限電圧比もほぼ等しく設定されている。ここで、アレスタの制限電圧は、内蔵されるZnO素子の制限電圧であり、あらかじめ設定された電流値におけるZnO素子の両端電極間の電圧である。ZnO素子は、制限電圧において電流特性を有しており、電流が大きいほど制限電圧は高くなる。アレスタ26〜29の制限電圧比は、内蔵されるZnO素子の制限電圧比であり、ZnO素子の制限電圧比とは、あらかじめ設定された異なる電流値におけるZnO素子の制限電圧の比である。制限電圧比を設定する電流値は、たとえば数mA程度の小電流および数kAの大電流に設定されており、制限電圧比は、大電流時の制限電圧/小電流時の制限電圧と定義される。 The limit voltages of the arresters 26 to 29 are set to be substantially equal. Further, the limiting voltage ratios of the arresters 26 to 29 are also set to be substantially equal. Here, the limiting voltage of the arrester is the limiting voltage of the built-in ZnO element, and is the voltage across the electrodes of the ZnO element at a preset current value. The ZnO element has a current characteristic at a limiting voltage, and the higher the current, the higher the limiting voltage. The limiting voltage ratio of the arresters 26 to 29 is the limiting voltage ratio of the built-in ZnO element, and the limiting voltage ratio of the ZnO element is the ratio of the limiting voltages of the ZnO elements at different preset current values. The current value for setting the limiting voltage ratio is set to, for example, a small current of about several mA and a large current of several kA, and the limiting voltage ratio is defined as a limiting voltage at a large current/a limiting voltage at a small current. It

ZnO素子の制限電圧を異ならせることによって、すべてのアレスタ26〜29において等しい場合に限らず、異なる制限電圧とすることができる。たとえば、半導体スイッチ回路21にもっとも近接して配置されるアレスタ26のZnO素子の制限電圧を、他のアレスタ27〜29の制限電圧よりも低く設定することによって、より確実にアレスタ26によって、電圧吸収することができるようになる。 By making the limiting voltage of the ZnO element different, not only the case where all arresters 26 to 29 are equal, but different limiting voltages can be set. For example, by setting the limiting voltage of the ZnO element of the arrester 26 arranged closest to the semiconductor switch circuit 21 lower than the limiting voltage of the other arresters 27 to 29, the arrester 26 can more reliably absorb the voltage. You will be able to.

アレスタ26のZnO素子の並列数を他のアレスタ27〜29のZnO素子の並列数よりも少なく設定することによって、アレスタ26の制限電圧比を他のアレスタ27〜29の制限電圧比よりも大きくすることができる。アレスタ26の制限電圧比を、他のアレスタ27〜29の制限電圧比よりも大きく設定することによって、アレスタ26による電圧吸収を確実にすることができる。 By setting the parallel number of ZnO elements of the arrester 26 smaller than the parallel number of ZnO elements of the other arresters 27 to 29, the limiting voltage ratio of the arrester 26 is made higher than the limiting voltage ratio of the other arresters 27 to 29. be able to. By setting the limit voltage ratio of the arrester 26 larger than the limit voltage ratio of the other arresters 27 to 29, the voltage absorption by the arrester 26 can be ensured.

図3(b)に示すように、スナバ回路23は、コンデンサ24a〜24dとダイオード25a〜25dとを含む。コンデンサ24aおよびダイオード25aの組は、半導体スイッチ21aに接続されている。コンデンサ24bおよびダイオード25bの組は、半導体スイッチ21bに接続されている。コンデンサ24cおよびダイオード25cの組は、半導体スイッチ21cに接続されている。コンデンサ24dおよびダイオード25dの組は、半導体スイッチ21dに接続されている。 As shown in FIG. 3B, the snubber circuit 23 includes capacitors 24a to 24d and diodes 25a to 25d. The set of the capacitor 24a and the diode 25a is connected to the semiconductor switch 21a. The set of the capacitor 24b and the diode 25b is connected to the semiconductor switch 21b. The set of the capacitor 24c and the diode 25c is connected to the semiconductor switch 21c. The set of the capacitor 24d and the diode 25d is connected to the semiconductor switch 21d.

この例では、コンデンサ24aおよびダイオード25aは、直列に接続され、半導体スイッチ21aのコレクタ−エミッタ間の電圧上昇を抑制するように接続されている。より具体的には、コンデンサ24aの一方の端子にダイオード25aのカソード端子が接続されており、ダイオード25aのアノード端子が半導体スイッチ21aのコレクタ端子に接続され、コンデンサ24aの他方の端子が半導体スイッチ21aのエミッタ端子に接続されている。コンデンサ24b〜24dおよびダイオード25b〜25dの各組も、半導体スイッチ21b〜21dと同様に接続されている。 In this example, the capacitor 24a and the diode 25a are connected in series and are connected so as to suppress a voltage increase between the collector and the emitter of the semiconductor switch 21a. More specifically, the cathode terminal of the diode 25a is connected to one terminal of the capacitor 24a, the anode terminal of the diode 25a is connected to the collector terminal of the semiconductor switch 21a, and the other terminal of the capacitor 24a is connected to the semiconductor switch 21a. Connected to the emitter terminal of. Each set of the capacitors 24b to 24d and the diodes 25b to 25d is also connected similarly to the semiconductor switches 21b to 21d.

コンデンサ24a〜24dは、この例では、直方体形状の外形を有しており、Y軸方向に沿って配置されている。ダイオード25a〜25dも、Y軸方向に沿って配置されている。コンデンサ24aおよびダイオード25aの組は、半導体スイッチ21aに近接して配置され、同様に、コンデンサ24b〜24dおよびダイオード25b〜25dの各組も、半導体スイッチ21b〜21dにそれぞれ近接するように配置されている。 In this example, the capacitors 24a to 24d have a rectangular parallelepiped outer shape, and are arranged along the Y-axis direction. The diodes 25a to 25d are also arranged along the Y-axis direction. The set of the capacitor 24a and the diode 25a is arranged close to the semiconductor switch 21a, and similarly, the set of the capacitors 24b to 24d and the diodes 25b to 25d are also arranged close to the semiconductor switches 21b to 21d, respectively. There is.

図3(b)には、各回路素子同士の配線に引き回しの様子が模式的だが実体的に表されている。スナバ回路23のコンデンサ24aおよびダイオード25aの組は、半導体スイッチ21aに近接して配置され、配線も短く設定されている。そのため、半導体スイッチ21a、ダイオード25aおよびコンデンサ24aによって形成される電流のループL1の長さおよび面積を小さくすることができ、ループL1に流れる電流の寄生インダクタンスによる影響を小さくすることができる。半導体スイッチ21aが遮断したときには、スナバ回路23に十分な遮断電流が転流される。スナバ回路23の他のコンデンサ24b〜24dおよびダイオード25b〜25dの組についても同様に、十分な遮断電流を転流することができる。したがって、半導体スイッチ21a〜21dのコレクタ−エミッタ間に過大なサージ電圧が印加されるおそれが少なくなる。 In FIG. 3B, a state in which the wirings of the respective circuit elements are routed to each other is schematically but substantively shown. The set of the capacitor 24a and the diode 25a of the snubber circuit 23 is arranged close to the semiconductor switch 21a, and the wiring is set short. Therefore, the length and area of the current loop L1 formed by the semiconductor switch 21a, the diode 25a, and the capacitor 24a can be reduced, and the influence of the parasitic inductance of the current flowing through the loop L1 can be reduced. When the semiconductor switch 21a is cut off, a sufficient breaking current is commutated to the snubber circuit 23. Similarly, with respect to the other sets of the capacitors 24b to 24d and the diodes 25b to 25d of the snubber circuit 23, a sufficient breaking current can be commutated. Therefore, it is less likely that an excessive surge voltage is applied between the collector and the emitter of the semiconductor switches 21a to 21d.

アレスタ26は、半導体スイッチ回路21にもっとも近接して配置され、短い配線31a,31bによって半導体スイッチ回路21の双方の端子22a,22bに接続されている。このため、アレスタ26、半導体スイッチ回路21および配線31a,31bによって形成される電流のループL2は、他のアレスタ27〜29と半導体スイッチ回路21およびそれぞれの配線によって形成される電流のループよりも小さくすることができる。したがって、ループL2に流れる電流の配線31a,31bによる寄生インダクタンスの影響を小さくすることができる。そのため、半導体スイッチから転流される電流を十分に流すことができ、半導体スイッチ回路21に印加される電圧は、抑制される。 The arrester 26 is arranged closest to the semiconductor switch circuit 21, and is connected to both terminals 22a and 22b of the semiconductor switch circuit 21 by short wirings 31a and 31b. Therefore, the current loop L2 formed by the arrester 26, the semiconductor switch circuit 21, and the wirings 31a and 31b is smaller than the current loop formed by the other arresters 27 to 29, the semiconductor switch circuit 21, and each wiring. can do. Therefore, the influence of the parasitic inductance due to the wirings 31a and 31b on the current flowing through the loop L2 can be reduced. Therefore, the current commutated from the semiconductor switch can sufficiently flow, and the voltage applied to the semiconductor switch circuit 21 is suppressed.

実施形態の直流遮断装置10の効果について、比較例の直流遮断装置と比較しつつ説明する。
図4(a)は、比較例の直流遮断装置を例示する回路図である。図4(b)は、図4(a)の直流遮断装置の各要素を実体的に例示した模式的な配線図である。
図4(a)に示すように、比較例の直流遮断装置110は、遮断回路120を有している。直流遮断装置110は、端子111a,111bを介して、直流配線に直列に接続され、直流配線に流れる電流値のデータを端子111cを介して入力する。遮断回路120の構成は、実施形態の場合と同様であるが、アレスタの構成および配置が相違している。
The effects of the DC interrupting device 10 of the embodiment will be described in comparison with the DC interrupting device of the comparative example.
FIG. 4A is a circuit diagram illustrating a DC interrupting device of a comparative example. FIG. 4B is a schematic wiring diagram exemplifying each element of the DC interrupting device of FIG. 4A.
As shown in FIG. 4A, the direct-current interruption device 110 of the comparative example has an interruption circuit 120. The DC interrupting device 110 is connected in series to the DC wiring via the terminals 111a and 111b, and inputs the data of the current value flowing in the DC wiring via the terminal 111c. The configuration of the cutoff circuit 120 is similar to that of the embodiment, but the configuration and arrangement of the arrester are different.

アレスタ126〜129は、すべて同じ外形寸法を有し、同じ特性を有している。アレスタ126は、配線131a,131bを介して、半導体スイッチ回路21の端子22a,22bにそれぞれ接続されている。アレスタ127は、配線132a,132bを介して、半導体スイッチ回路21の端子22a,22bにそれぞれ接続されている。アレスタ128は、配線133a,133bを介して、半導体スイッチ回路21の端子22a,22bにそれぞれ接続されている。アレスタ129は、配線134a,134bを介して、半導体スイッチ回路21の端子22a,22bにそれぞれ接続されている。 The arresters 126 to 129 all have the same external dimensions and the same characteristics. The arrester 126 is connected to the terminals 22a and 22b of the semiconductor switch circuit 21 via wirings 131a and 131b, respectively. The arrester 127 is connected to the terminals 22a and 22b of the semiconductor switch circuit 21 via wirings 132a and 132b, respectively. The arrester 128 is connected to the terminals 22a and 22b of the semiconductor switch circuit 21 via wirings 133a and 133b, respectively. The arrester 129 is connected to the terminals 22a and 22b of the semiconductor switch circuit 21 via the wirings 134a and 134b, respectively.

図4(b)に示すように、アレスタ126〜129からのそれぞれの配線の長さは、半導体スイッチ回路21の周囲を取り巻くようにアレスタ126〜129を配置することによって、ほぼ等しい長さとし、配線長を短くすることができる。図に示したように、配線133a,133b、アレスタ127および半導体スイッチ回路21からなる電流のループL2’は、配線長、ループの面積とも比較的小さくすることができる。 As shown in FIG. 4B, the lengths of the wirings from the arresters 126 to 129 are made substantially equal by arranging the arresters 126 to 129 so as to surround the semiconductor switch circuit 21. The length can be shortened. As shown in the drawing, the current loop L2' including the wirings 133a and 133b, the arrester 127, and the semiconductor switch circuit 21 can have a relatively small wiring length and loop area.

しかし、スナバ回路23は、アレスタ126〜129に比べて相対的に離れた位置に配置せざるを得ず、各ダイオード25a〜25dのアノード端子から半導体スイッチ21a〜21dのコレクタ端子への配線136a,136bが相対的に長くなる。 However, the snubber circuit 23 has to be arranged at a position relatively distant from the arresters 126 to 129, and the wiring 136a from the anode terminals of the diodes 25a to 25d to the collector terminals of the semiconductor switches 21a to 21d, 136b becomes relatively long.

半導体スイッチ、ダイオード、コンデンサからなる経路L1’が長くなり、寄生インダクタンスが相対的に大きくなる。そのため、遮断電流がスナバ回路23に転流されるときの電流が制限され、半導体スイッチの両端に過大なサージ電圧が印加され得る。 The path L1' including the semiconductor switch, the diode, and the capacitor becomes long, and the parasitic inductance becomes relatively large. Therefore, the current when the breaking current is commutated to the snubber circuit 23 is limited, and an excessive surge voltage can be applied across the semiconductor switch.

本実施形態の直流遮断装置10では、スナバ回路23を半導体スイッチ回路21の近傍に配置し、並列に接続されるアレスタのうち少なくとも1つを半導体スイッチ回路21の近傍に配置する。これによって、スナバ回路23と半導体スイッチ回路21との間の経路を最短にしつつ、アレスタと半導体スイッチ回路21との間の経路も最短にすることができる。そのため、半導体スイッチ回路21が遮断され、遮断電流がスナバ回路23に容易に転流することができる。スナバ回路23への転流によって電圧が上昇しアレスタの降伏電圧を超えたときに、余剰の遮断エネルギーによる電流は、最近傍のアレスタに流れ、つづいて、他のアレスタに転流される。したがって、半導体スイッチ回路21には過大な電圧が印加されることなく、遮断電流が転流されることができる。 In the DC interrupting device 10 of this embodiment, the snubber circuit 23 is arranged near the semiconductor switch circuit 21, and at least one of the arresters connected in parallel is arranged near the semiconductor switch circuit 21. As a result, the path between the snubber circuit 23 and the semiconductor switch circuit 21 can be minimized while the path between the arrester and the semiconductor switch circuit 21 can be minimized. Therefore, the semiconductor switch circuit 21 is cut off, and the cutoff current can be easily commutated to the snubber circuit 23. When the voltage rises due to the commutation to the snubber circuit 23 and exceeds the breakdown voltage of the arrester, the current due to the excess cutoff energy flows to the nearest arrester and is then commutated to another arrester. Therefore, the breaking current can be commutated to the semiconductor switch circuit 21 without applying an excessive voltage.

半導体スイッチ回路21の最近傍に配置するアレスタは、初期の遮断エネルギーを吸収できればよいので、他のアレスタよりもエネルギー容量の小さい小形のものを用いることができる。そのため、遮断回路20を小形形状とすることができ、直流遮断装置10全体の外形サイズを削減することが可能になる。 The arrester arranged in the closest vicinity of the semiconductor switch circuit 21 is only required to be able to absorb the initial cutoff energy, and therefore a small one having a smaller energy capacity than other arresters can be used. Therefore, the cutoff circuit 20 can be made small, and the external size of the DC cutoff device 10 as a whole can be reduced.

半導体スイッチ回路21の最近傍に配置するアレスタは、他のアレスタよりも若干低い降伏電圧を有するものとすることができる。最近傍のアレスタの降伏電圧を他のアレスタよりも低く選定することによって、確実に初期の遮断電流を転流させることができる。あるいは、最近傍に配置するアレスタと端アレスタの降伏電圧をそろえた場合であっても、最近傍のアレスタについて降伏後の電圧の電流に対する動作抵抗を他のアレスタよりも大きく選定することによって、同様の効果を得ることができる。 The arrester arranged closest to the semiconductor switch circuit 21 may have a breakdown voltage slightly lower than that of other arresters. By selecting the breakdown voltage of the nearest arrester to be lower than that of other arresters, the initial breaking current can be surely commutated. Alternatively, even when the breakdown voltages of the arrester and the end arrester arranged in the closest vicinity are aligned, by selecting the operating resistance for the current of the voltage after breakdown in the nearest arrester to be larger than that of other arresters, The effect of can be obtained.

以上説明した実施形態によれば、半導体スイッチ素子へのサージ電圧を抑制する直流遮断装置を実現することができる。 According to the embodiment described above, it is possible to realize the DC interrupting device that suppresses the surge voltage to the semiconductor switch element.

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。 Although some embodiments of the present invention have been described above, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and are included in the scope of the invention described in the claims and equivalents thereof. Further, the above-described respective embodiments can be implemented in combination with each other.

1a,1b 直流回路、2 直流配線、3 電流検出器、10 直流遮断装置、20 遮断回路、21 半導体スイッチ回路、23 スナバ回路、24a〜24d コンデンサ、25a〜25d ダイオード、26〜29 アレスタ、30 基板、31a〜36b 配線、40 主スイッチ回路、50 機械遮断器、60 制御部 1a, 1b DC circuit, 2 DC wiring, 3 current detector, 10 DC interrupting device, 20 interrupting circuit, 21 semiconductor switch circuit, 23 snubber circuit, 24a-24d capacitor, 25a-25d diode, 26-29 arrester, 30 substrate , 31a to 36b wiring, 40 main switch circuit, 50 mechanical circuit breaker, 60 control unit

Claims (6)

半導体スイッチ回路と、
前記半導体スイッチ回路に並列に接続され、前記半導体スイッチ回路が遮断したときの電流を転流するスナバ回路と、
第1配線を介して、前記半導体スイッチ回路に並列に接続された第1アレスタと、
前記第1配線とは異なる第2配線を介して、前記第1アレスタに並列に接続されるとともに、前記第1配線および前記第2配線を介して、前記半導体スイッチ回路に並列に接続された第2アレスタと、
を備えた直流遮断装置。
A semiconductor switch circuit,
A snubber circuit that is connected in parallel to the semiconductor switch circuit and commutates the current when the semiconductor switch circuit is cut off,
A first arrester connected in parallel to the semiconductor switch circuit via a first wiring;
A second parallel wiring connected to the first arrester via a second wiring different from the first wiring, and a parallel connection to the semiconductor switch circuit via the first wiring and the second wiring; 2 arresters
DC interrupting device equipped with.
前記第1アレスタの外形寸法は、前記第2アレスタの外形寸法よりも小形である請求項1記載の直流遮断装置。 The DC interrupting device according to claim 1, wherein the outer dimensions of the first arrester are smaller than the outer dimensions of the second arrester. 前記第1アレスタの制限電圧は、前記第2アレスタの制限電圧よりも低い請求項1または2に記載の直流遮断装置。 The DC interrupting device according to claim 1, wherein the limiting voltage of the first arrester is lower than the limiting voltage of the second arrester. 前記第1アレスタおよび前記第2アレスタは、酸化亜鉛の焼結体を含む非直線性抵抗素子をそれぞれ含む請求項3記載の直流遮断装置。 The DC interrupting device according to claim 3, wherein each of the first arrester and the second arrester includes a non-linear resistance element including a sintered body of zinc oxide. 前記第1アレスタおよび前記第2アレスタは、それぞれ並列に接続された複数の前記非直線性抵抗素子を含み、
前記第1アレスタの前記非直線性素子の並列数は、前記第2アレスタの前記非直線性素子の並列数よりも少ない請求項4記載の直流遮断装置。
The first arrester and the second arrester each include a plurality of the non-linear resistance elements connected in parallel,
The DC interrupting device according to claim 4, wherein the number of parallel non-linear elements of the first arrester is smaller than the number of parallel non-linear elements of the second arrester.
前記第1アレスタの制限電圧比は、前記第2アレスタの制限電圧比よりも大きい請求項4または5に記載の直流遮断装置。 The DC interrupting device according to claim 4 or 5, wherein a limiting voltage ratio of the first arrester is larger than a limiting voltage ratio of the second arrester.
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