JP3581219B2

JP3581219B2 - 複合型スイッチング装置

Info

Publication number: JP3581219B2
Application number: JP18470996A
Authority: JP
Inventors: 邦夫横倉
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-07-15
Filing date: 1996-07-15
Publication date: 2004-10-27
Anticipated expiration: 2016-07-15
Also published as: JPH1031924A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、遮断器等に用いる複合型スイッチング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力系統で短絡等の事故が発生すると回路には数１０ｋＡにも及ぶ大きな事故電流が流れ、事故点ではその大電流によるアークが発生する。この大電流が系統に流れることにより、系統の機器には大きな電磁力が加わり、大電流が流れたことによるジュール損等による発熱で機器の温度が上昇し絶縁物の特性劣化の原因となる。また、事故点で発生したアークは高温であるため機器を溶融するなど、事故が進展、拡大するおそれがある。このような事故拡大を防止するために電力系統では遮断器が設置され、系統に異常な電流が流れると遮断器でその電流を遮断することが行われる。現在の一般的な遮断器では大電流が流れ始めてから電流遮断が完了するまでに数１０ｍｓの時間を要するため、事故の進展、拡大を皆無にすることは困難であり、結果として事故復旧に時間と費用を要することになる。
【０００３】
大電流を従来の遮断器より速く切ることを目的とした半導体遮断器や、大電流通電を検出して回路インピーダンスを増大させる限流器等の提案がなされている。半導体遮断器は、すでに電気鉄道の直流回路用の遮断器として実際の系統に適用されているが高電圧交流系統用の遮断器として使用された事例は知られていない。限流器は低電圧回路用が製品化されているが、高電圧回路用としては超電導限流器が試作された段階であり、実際の系統で使用された事例は知られていない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
半導体遮断器を高電圧回路に用いるためには、ＧＴＯ（ＧａｔｅＴｕｒｎ−Ｏｆｆｔｈｙｒｉｓｔｏｒ），ＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のパワー半導体素子の多数を直並列接続し、高電圧・大電流に耐えられる構成にしなければならない。パワー半導体素子を多数使用することで半導体遮断器のコストは、従来の遮断器と比較して非常に高価なものになる。また、パワー半導体素子に通電すると、１素子当たり数Ｖの電圧降下が生じ、この電圧降下は損失となりパワー半導体素子の発熱につながる。多数のパワー半導体素子を直並列にして使用することは、その素子数に比例した発熱を処理するための冷却装置が必要になる。パワーエレクトロニクス機器では冷却システムに要する費用、スペースファクタは大きな値を占めている。さらに、電力系統では多数の遮断器が用いられているが、これらを半導体遮断器化することを想定すると、全体としての遮断器部で消費されるエネルギーは大きなものになることが想定される。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、パワー半導体素子の使用個数が少ないにも関わらず高電圧・大電流化が達成でき、発熱量が少なく冷却装置の不要と相まって低コスト化が達成でき、さらには高速遮断性及び高信頼性を有する複合型スイッチング装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、少なくとも２個の自己消弧能力を有する半導体スイッチの極性を逆方向にして並列接続したパワー半導体逆並列回路と直列に第１の真空バルブを接続して直並列回路とし、該直並列回路と各々並列に第２の真空バルブ及び非直線抵抗体を接続してなることを要旨とする。この構成により、常時の通電電流は、第２の真空バルブを流れ、半導体スイッチを含む直並列回路には流れないので発熱量が少なくなる。大電流が流れたことが検知されると第２の真空バルブが開極し、そのアーク電圧で第２の真空バルブを流れていた電流は直並列回路に転流する。転流後、第１の真空バルブを開極した後、半導体スイッチで強制的に電流遮断が行われる。半導体スイッチで電流を遮断するため、交流電流の零点を待たずに電流の遮断が行われて遮断時間が短くなる。強制的な電流遮断により、回路に発生する過電圧がある値以上に上昇するが、非直線抵抗体を介してそのエネルギーが放勢され、過電圧上昇が抑制される。電流遮断後に現れる回復電圧は第１の真空バルブの極間で耐えることができ、パワー半導体逆並列回路には殆ど電圧が加わらない。したがって、半導体スイッチの直列数を最小にすることが可能となる。
【０００７】
請求項２記載の発明は、上記請求項１記載の複合型スイッチング装置において、前記第１の真空バルブ及び前記パワー半導体逆並列回路の各々と並列に当該パワー半導体逆並列回路への過電圧印加防止用の抵抗体を接続してなることを要旨とする。この構成により、大電流が流れたときの半導体スイッチによる強制的な電流遮断で発生する過電圧は非直線抵抗体でその上昇が抑制される。このとき、非直線抵抗体による制限電圧は、第１の真空バルブとパワー半導体逆並列回路の各々に加わるが、半導体スイッチの漏れ抵抗、浮遊キャパシタンスからなるインピーダンスより小さい値の抵抗体を第１の真空バルブとパワー半導体逆並列回路の各々に並列に接続することで、半導体スイッチに加わる電圧を制御することが可能となる。
【０００９】
請求項３記載の発明は、第１の真空バルブと第２の真空バルブを直列接続して直列回路とし、少なくとも２個の自己消弧能力を有する半導体スイッチの極性を逆方向にして並列接続したパワー半導体逆並列回路を前記第２の真空バルブと並列に接続し、前記直列回路と並列に非直線抵抗体を接続してなることを要旨とする。この構成により、常時の通電電流は、第１の真空バルブと第２の真空バルブの直列回路を流れ、半導体スイッチからなるパワー半導体逆並列回路には流れないので発熱量が少なくなる。大電流が流れたことが検知されると第１の真空バルブと第２の真空バルブが同時に開極し、第２の真空バルブに現れたアーク電圧で第２の真空バルブを流れていた電流はパワー半導体逆並列回路に転流する。転流後、半導体スイッチで強制的に電流遮断が行われる。半導体スイッチで電流を遮断するため、交流電流の零点を待たずに電流の遮断が行われて遮断時間が短くなる。
【００１０】
請求項４記載の発明は、上記請求項１乃至３のいずれかに記載の複合型スイッチング装置を、非接地３相交流系統の２相の線路の各々に遮断器として設置してなることを要旨とする。この構成により、負荷側で３相短絡事故が発生した場合、非接地３相交流系統では、遮断器で、その２相の電流を遮断すると、残りの相電流も零になる。
【００１１】
請求項５記載の発明は、上記請求項１乃至３のいずれかに記載の複合型スイッチング装置において、前記真空バルブと前記半導体スイッチとが直列に接続された回路構成部において、前記真空バルブの固定軸側を前記半導体スイッチに接続してなることを要旨とする。この構成により、真空バルブの可動軸は駆動時の操作エネルギーを少なくするため、その径は小さく、また、この可動軸に接続されている可撓導体も断面積が小さい。このため、可動軸側は固定軸側に比べると伝熱抵抗が大きく、電流通電時の温度上昇は固定軸側の方が少ない。半導体スイッチを、この固定軸側に接続することで、温度上昇を抑制することが可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１３】
図１は、本発明の第１の実施の形態を示す図である。まず、本実施の形態の複合型スイッチング装置の構成を説明する。図１において、パワー半導体素子であるＧＴＯ１とＧＴＯ２が互いに極性を逆方向にして並列接続されてパワー半導体並列回路が形成され、このパワー半導体並列回路と直列に第１の真空バルブ３が接続されて直並列回路が形成されている。そして、この直並列回路にそれぞれ並列に、第２の真空バルブ４及び非直線抵抗体５が接続されている。
【００１４】
次に、上述のように構成された第１の実施の形態の作用を説明する。常時の通電中は第１の真空バルブ３及び第２の真空バルブ４は閉じた状態であり、ＧＴＯ１及びＧＴＯ２のゲート信号は入力されていない。この状態で回路に流れる電流は第２の真空バルブ４を流れている。大電流が流れたことが検知されると、第２の真空バルブ４が高速に開極されるとともにＧＴＯ１及びＧＴＯ２にゲート信号が入力される。そして、第２の真空バルブ４の極間にはアークが発生し、第２の真空バルブ４の端子間には数１０Ｖの電圧が発生する。この電圧発生により、第２の真空バルブ４を流れている電流は第１の真空バルブ３とＧＴＯ１，ＧＴＯ２からなる直並列回路側に転流する。第２の真空バルブ４を流れていた電流が全て直並列回路側に転流した後に第１の真空バルブ３を開極し、第１の真空バルブ３の極間はアークで橋絡される。次いでＧＴＯ１及びＧＴＯ２のゲート端子に遮断信号が入力され、ＧＴＯ１或いはＧＴＯ２に流れている電流は強制的に遮断される。ＧＴＯ１或いはＧＴＯ２で電流が遮断されたため、第１の真空バルブ３の極間を橋絡していたアークは消滅し、極間は絶縁が回復する。強制的な電流遮断により回路に発生する過電圧がある値以上に上昇するが、非直線抵抗体５を介して、そのエネルギーが放勢され、過電圧上昇が抑制される。
【００１５】
上述したように、第１の実施の形態によれば、常時の通電電流は、第２の真空バルブ４を流れ、ＧＴＯ１及びＧＴＯ２には流れないため、ＧＴＯ部での発熱がなくなる。第２の真空バルブ４の極間は金属接触であるから、その接触抵抗はＧＴＯ通電時の等価的な抵抗値と比較して非常に小さい。したがって、スイッチング装置が全てＧＴＯで構成された時の発熱量に比べ、本方式での発熱量は非常に小さい。このため、冷却装置は不要となる。
【００１６】
一般の交流遮断器での電流遮断は、交流電流の零点で行われる。それ以外の点で交流遮断器が開極しても、極間はアークで橋絡され、交流電流の零点が来てから遮断される。本実施の形態では、ＧＴＯで電流を遮断するため交流電流の零点を待たずに、ＧＴＯゲートに遮断信号が入力されると、その時点で電流が遮断されるため、遮断時間が短くなる。電流が遮断されると、本実施の形態のスイッチング装置の両端には回復電圧が現れ、遮断が成功するためには、この回復電圧にスイッチング装置が耐えられなければならない。従来の半導体遮断器では、この回復電圧を考慮し、半導体素子の直列接続数を増やしていた。しかし、本実施の形態では、ＧＴＯと直列に第１の真空バルブ３が接続されているため、電流遮断後に現れる回復電圧は第１の真空バルブ３の極間で耐えることができ、ＧＴＯ端子間には殆ど電圧が加わらない。本実施の形態では、ＧＴＯの直列数は１でよい。したがって、本実施の形態では、パワー半導体素子の必要数を最小にすることができる。
【００１７】
図２には、本発明の第２の実施の形態を示す。本実施の形態では、第１の実施の形態の複合型スイッチング装置の構成において、さらに、第１の真空バルブ３と並列に抵抗体６を接続し、ＧＴＯ１とＧＴＯ２からなるパワー半導体並列回路と並列に抵抗体７を接続したものである。
【００１８】
次に、上述のように構成された第２の実施の形態の作用を説明する。スイッチング装置が遮断状態では、スイッチング装置端子間に回路電圧が常時加わっている。また、電流遮断時には、過渡的に回路に発生した過電圧がスイッチング装置端子間に加わる。スイッチング装置端子間に加わる過電圧は非直線抵抗体５で制限されるため、スイッチング装置端子間に加わる最大過電圧は非直線抵抗体５の最大許容インパルス電流通電時の制限電圧Ｖｍｘになる。この制限電圧Ｖｍｘは第１の真空バルブ３とＧＴＯ１、ＧＴＯ２の直並列回路にも加わるが、第１の真空バルブ３に加わるＶｍｘ_２とＧＴＯ１，ＧＴＯ２に加わるＶｍｘ_１は、
Ｖｍｘ＝Ｖｍｘ_１＋Ｖｍｘ_２（１）
であり、Ｖｍｘ_１，Ｖｍｘ_２は、第１の真空バルブ３の漏れ抵抗、浮遊キャパシタンスとＧＴＯ１，ＧＴＯ２のスナバー回路、漏れ抵抗、浮遊キャパシタンスで決まってくる。ＧＴＯなどの半導体素子は定格オフ電圧等の規定電圧値を超えた過電圧が加わると素子破壊に至ってしまう。このため、Ｖｍｘ_１がＧＴＯの規定値を超えない設計が要求される。しかし、漏れ抵抗や浮遊キャパシタンスは部品配置や環境の影響を受け、精度の良い管理が困難である。このため、第１の真空バルブ３とＧＴＯ１，ＧＴＯ２からなるパワー半導体並列回路との各々に並列に抵抗体６、抵抗体７を接続し、これらの抵抗値を漏れ抵抗や浮遊キャパシタンスからなるインピーダンスより小さくすることで、並列に接続した抵抗体６，７でＧＴＯ１，ＧＴＯ２に加わる過電圧Ｖｍｘ_１を制御することができる。
【００１９】
上述したように、第２の実施の形態によれば、ＧＴＯ１，ＧＴＯ２に過電圧が加わるのを防止することができる。
【００２０】
図３には、本発明の第３の実施の形態を示す。まず、構成を説明すると、真空バルブ３は、内部に対向する１対の電極と、これと別にトリガ電極３１を有している。対向する電極の一方はパワー半導体素子であるＧＴＯ１に接続されている。また、トリガ電極３１は外部のトリガ電源８に接続されている。
【００２１】
次に、上述のように構成された第３の実施の形態の作用を説明する。ＧＴＯ１のゲート端子にオン信号が入力しＧＴＯ１がオン状態で、トリガ電源８からトリガ電極３１にトリガ信号が入力されると、トリガ電極３１と電極間で放電が起き、その影響で真空バルブ３の対向電極間で主放電が起き、電極間はアークで橋絡し、複合型スイッチング装置はオン状態になる。複合型スイッチング装置に流れている電流を遮断するときには、ＧＴＯ１のゲート端子にオフ信号を入力することでＧＴＯ１を流れている電流が強制的に遮断される。これにより、真空バルブ３の対向電極間を橋絡していたアークが消滅し、電極間の絶縁が回復する。
【００２２】
上述したように、第３の実施の形態によれば、複合型スイッチング装置の開閉に合わせて真空バルブ３の対向する電極の開閉動作を機械的に駆動する操作機構が不要になり、複合型スイッチング装置の開閉を短時間で行うことができる。
【００２３】
図４には、本発明の第４の実施の形態を示す。本実施の形態は、直流回路へ適用する複合型スイッチング装置としたものであり、前記図２の構成からＧＴＯ２を除いた構成としたものである。
【００２４】
上述の構成からなる第４の実施の形態の作用を説明する。常時の通電時は第１の真空バルブ３及び第２の真空バルブ４は閉路状態にあり、通電電流は第２の真空バルブ４を図４中、上から下へ流れる。大電流が流れたことが検知されると、第２の真空バルブ４が開極し、極間はアークで橋絡され、第２の真空バルブ４の端子間にはアーク電圧数１０Ｖが発生する。これと同時にＧＴＯ１にはオン信号が入力される。第２の真空バルブ４の端子間に現れたアーク電圧により、第２の真空バルブ４を流れていた電流は第１の真空バルブ３とＧＴＯ１の直列回路側に転流する。第２の真空バルブ４を流れていた電流が全て直列回路側に転流した後に、第１の真空バルブ３を開極させ、極間をアークで橋絡させる。その後、ＧＴＯ１にオフ信号を入力すると、第１の真空バルブ３とＧＴＯ１を流れていた電流は遮断され、第１の真空バルブ３の極間を橋絡していたアークは消滅し、第１の真空バルブ３の極間は絶縁が回復する。
【００２５】
上述したように、第４の実施の形態によれば、直列回路では電流の流れる方向が一定であるから、ＧＴＯの極性をそれに合わせることができ、交流回路用の複合型スイッチング装置より素子数を減らすことができる。
【００２６】
図５には、本発明の第５の実施の形態を示す。本実施の形態は、３相非接地電源１１から負荷１２へ３相３線式で給電する系統において、給電線路の２相に、前記第１の実施の形態乃至第３の実施の形態のうちの何れかの交流用複合型スイッチング装置１０を設置したものである。
【００２７】
次に、上述のように構成された第５の実施の形態の作用を説明する。図５おいて、複合型スイッチング装置１０と負荷１２との間で３相短絡事故が発生したとすると、各相には電源１１より、２相は複合型スイッチング装置１０を介し、他の１相は複合型スイッチング装置を介さずに事故点に向けて短絡電流が流れると、Ｒ，Ｓ，Ｔ各相に流れる電流をＩｒ，Ｉｓ，Ｉｔとすると、電源１１が非接地であることから、
Ｉｒ＋Ｉｓ＋Ｉｔ＝０（２）
が成り立つ。ここで、複合型スイッチング装置１０がＲ相、Ｓ相に設置されているとし、短絡電流を複合型スイッチング装置１０で遮断すると、Ｉｒ＝０，Ｉｓ＝０となるから、これを（２）式に代入すると、Ｉｔ＝０となり、２相の電流が遮断されると残りの相電流も零になる。
【００２８】
上述したように、第５の実施の形態によれば、非接地３相交流系統に使用する場合は、複合型スイッチング装置１０を２相だけに設置することで電流遮断ができ、複合型スイッチング装置の設置数を減らすことができる。
【００２９】
図６には、本発明の第６の実施の形態を示す。本実施の形態は、第２の真空バルブ４側を、直列接続した複数個の真空バルブで構成したものであり、前記図２の構成において、第２の真空バルブ側が、第２の真空バルブ４ａ、第３の真空バルブ４ｂ及び第４の真空バルブ４ｃの直列接続構成となっている。
【００３０】
次に、上述のように構成された第６の実施の形態の作用を説明する。図６において、複合型スイッチング装置が常時の通電状態にある場合、第１の真空バルブ３及び第２〜第４の真空バルブ４ａ，４ｂ，４ｃは閉路状態にあり、通電電流は第２〜第４の真空バルブ４ａ，４ｂ，４ｃの直列回路上を流れている。大電流が流れたことが検知されると、第２〜第４の真空バルブ４ａ，４ｂ，４ｃが開極し、第２〜第４の真空バルブ４ａ，４ｂ，４ｃの各極間はアークで橋絡され、第２〜第４の真空バルブ４ａ，４ｂ，４ｃの各端子間にはアーク電圧が発生する。これと同時にＧＴＯ１，ＧＴＯ２のゲート端子にはオン信号が入力される。第２〜第４の真空バルブ４ａ，４ｂ，４ｃのアーク電圧発生により、第２〜第４の真空バルブ４ａ，４ｂ，４ｃの直列回路上を流れている電流は、第１の真空バルブ３とＧＴＯ１，ＧＴＯ２の直並列回路側に転流する。第２〜第４の真空バルブ４ａ，４ｂ，４ｃを流れていた電流が全て直並列回路側に転流すると、第１の真空バルブ３が開極し、第１の真空バルブ３の極間はアークで橋絡される。その後、ＧＴＯ１，ＧＴＯ２のゲート端子にオフ信号が入力され、第１の真空バルブ３とＧＴＯ１，ＧＴＯ２の直並列回路を流れている電流が遮断される。電流遮断により第１の真空バルブ３の極間を橋絡していたアークは消滅し、第１の真空バルブ３の極間の絶縁が回復する。
【００３１】
上述したように、第６の実施の形態によれば、次のような効果が得られる。即ち、真空バルブのアーク電圧は数１０Ｖで、アーク長に殆ど影響されない。したがって、真空バルブ極間長を長くして、発生するアーク長を長くしてもアーク電圧は殆ど上昇しない。そこで、本実施の形態のように、複数個の真空バルブを直列接続し、各真空バルブ毎に数１０Ｖのアーク電圧を発生させることで、直列接続された複数個の真空バルブ全体で大きなアーク電圧が得られる。アーク電圧が大きくなると、第２〜第４の真空バルブ４ａ，４ｂ，４ｃを流れていた電流は第１の真空バルブ３とＧＴＯ１，ＧＴＯ２の直並列回路に転流する時間が短くなる。
【００３２】
図７には、本発明の第７の実施の形態を示す。図７において、下部導体２１上にはＧＴＯ１とＧＴＯ２及び第２の真空バルブ４が取り付けられている。ＧＴＯ１とＧＴＯ２は極性が逆極性で取り付けられている。第２の真空バルブ４は、その固定軸４１が下部導体２１に取り付けられている。第２の真空バルブ４は、絶縁円筒４４と端部のフランジ４５で覆われて高真空に維持された内部空間に、対向する１対の電極４３が各々固定軸４１と可動軸４２に取り付けられて配置されている。可動軸４２とフランジ４５間はベローズ４６で気密に維持された状態で可動軸４２が外部に導出されている。外部の操作機構からの駆動力により可動軸４２が図中、上下に移動することで、真空中の対向する電極４３が接離するようになっている。可動軸４２には可撓導体２４の一端が固定され、可撓導体２４の他端は上部導体２３に固定されている。また、可動軸４２の端部には絶縁ロッド２６が取り付けられ、絶縁ロッド２６の他端は操作機構に連結されている。一方、ＧＴＯ１，ＧＴＯ２の他端は中間導体２２に接続されている。中間導体２２には第１の真空バルブ３の固定軸３２が固定されている。第１の真空バルブ３の内部構成は、第２の真空バルブ４の内部構成と同じであるため、ここでは説明を省略する。第１の真空バルブ３の可動軸３３には可撓導体２５の一端が固定され、可撓導体２５の他端は上部導体２３に固定されている。可動軸３３の端部には絶縁ロッド２７が取り付けられ、絶縁ロッド２７の他端は操作機構に連結されている。
【００３３】
次に、上述のように構成された第７の実施の形態の作用を説明する。常時の通電時は第１の真空バルブ３の１対の電極３４と第２の真空バルブ４の１対の電極４３は閉路状態にあり、上部導体２３から流入した電流は可撓導体２４から可動軸４２へ流れ、閉路された電極４３を通り固定軸４１から下部導体２１へ流れている。大電流が流れたことが検知されると、操作機構が作動し、絶縁ロッド２６が図中、上方に駆動されるのに伴い、可動軸４２も上方へ動作することで１対の電極４３が開離する。電極４３が開離すると極間にはアークが発生し、電極４３間はアークで橋絡され、電流は引き続き同じ部位を流れる。電極４３の開離とともにＧＴＯ１とＧＴＯ２のゲート端子にオン信号が入力し、ＧＴＯ１とＧＴＯ２の一方がオン状態になる。電極４３間にアークが発生したことで、上部導体２３と下部導体２１間には数１０Ｖのアーク電圧に対応した電圧が現れる。この電圧により、第２の真空バルブ４を流れている電流は第１の真空バルブ３からＧＴＯ１或いはＧＴＯ２側に分流し、ついには全ての電流が第１の真空バルブ３からＧＴＯ１或いはＧＴＯ２側に流れるようになり、転流が完了する。その後、操作機構からの駆動力で絶縁ロッド２７が図中、上方へ駆動され、これにより可動軸３３が動き、電極３４が開離し、電極３４間にはアークが発生し、電極３４間はアークで橋絡される。次に、ＧＴＯ１及びＧＴＯ２のゲート端子にオフ信号が入力され、ＧＴＯ１或いはＧＴＯ２に流れている電流が遮断される。この電流遮断により第１の真空バルブ３の電極３４間を橋絡していたアークが消滅し、電極３４間の絶縁が回復する。
【００３４】
上述したように、第７の実施の形態によれば、次のような効果が得られる。即ち、真空バルブに電流を連続して通電し、可動軸と固定軸の温度上昇を測定すると固定軸側の温度上昇が少ない。これは、駆動時に動作する可動部質量を低減し操作エネルギーを少なくするために可動軸径を小さくし、また図７に示す可動軸３３，４２からの上部導体２３への電路として採用する可撓導体２４，２５の操作性を確保するために、その可撓導体２４，２５の断面積が小さくなり、伝熱抵抗が大きくなるなどが要因としてあげられる。一方、ＧＴＯ等の半導体素子は高い温度環境で使用することができない。このため、半導体素子に接続される真空バルブ端を真空バルブの固定軸側に設定したことでＧＴＯ部の温度上昇を抑制することができる。
【００３５】
図８には、本発明の第８の実施の形態を示す。まず、本実施の形態の構成を説明すると、第１の真空バルブ３と第２の真空バルブ４とが直列接続されている。また、ＧＴＯ１とＧＴＯ２が互いに極性を逆方向にして並列接続され、このパワー半導体並列回路が第２の真空バルブ４と並列接続されている。第１の真空バルブ３と第２の真空バルブ４の直列回路には、並列に非直線抵抗体５が接続されている。
【００３６】
次に、上述のように構成された第８の実施の形態の作用を説明する。常時の通電時は第１の真空バルブ３と第２の真空バルブ４は閉路状態にあり、複合型スイッチング装置に流れる電流は、第１の真空バルブ３と第２の真空バルブ４を介して流れる。流れる電流が事故等で大電流になったことが検知されると、第１の真空バルブ３と第２の真空バルブ４は開極し、第１の真空バルブ３及び第２の真空バルブ４の極間はアークで橋絡され、同じ部位を電流が流れ、第１の真空バルブ３及び第２の真空バルブ４の各々の両端にはアーク電圧数１０Ｖが現れる。次いで、ＧＴＯ１及びＧＴＯ２のゲート端子にオン信号が入力されると、ＧＴＯ１或いはＧＴＯ２の一方がオン状態になる。第２の真空バルブ４の両端に現れたアーク電圧により、第２の真空バルブ４を流れている電流はＧＴＯ１或いはＧＴＯ２へ転流する。転流が完了すると第２の真空バルブ４の極間を橋絡していたアークは消滅し、第２の真空バルブ４の極間は絶縁が回復する。次に、ＧＴＯ１及びＧＴＯ２のゲート端子にオフ信号が入力されると、流れている電流が強制的に遮断され、第１の真空バルブ３の極間を橋絡していたアークは消滅し、第１の真空バルブ３の極間の絶縁が回復する。
【００３７】
上述したように、第８の実施の形態によれば、第１の真空バルブ３と第２の真空バルブ４は大電流検知後、同時に開極する。このため、第１の実施の形態から第７の実施の形態で示した方式のように、第１の真空バルブ３と第２の真空バルブ４の開極のタイミングをずらす必要がない。この結果、第１の真空バルブ３及び第２の真空バルブ４の操作機構をシンプルな構成にすることができる。
【００３８】
本発明の第９の実施の形態を説明する。本実施の形態は、上記第１の実施の形態から第８の実施の形態の回路構成において、ＧＴＯの直列数を１とするものである。
【００３９】
第９の実施の形態の作用を説明すると、電流遮断をＧＴＯで行い、電流遮断後の絶縁を真空バルブで行う。
【００４０】
上述したように、第９の実施の形態によれば、ＧＴＯの直列数が１であるため、複合型スイッチング装置のＧＴＯの使用個数を極小にすることができる。
【００４１】
なお、上述の各実施の形態において、パワー半導体素子としてＧＴＯを用いたが、ＩＧＢＴを用いることもできる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の発明によれば、少なくとも２個の自己消弧能力を有する半導体スイッチの極性を逆方向にして並列接続したパワー半導体逆並列回路と直列に第１の真空バルブを接続して直並列回路とし、該直並列回路と各々並列に第２の真空バルブ及び非直線抵抗体を接続したため、常時の通電電流は、第２の真空バルブを流れ、半導体スイッチを含む直並列回路には流れないので、大電流化が得られるにも関わらず発熱量が少なくなって冷却装置が不要となる。事故等で大電流が流れたときは、半導体スイッチで強制的に電流遮断が行われるので、交流電流の零点を待たずに電流が遮断されて遮断時間が短くなり高速遮断性能が発揮される。強制的な電流遮断で回路に発生する過電圧の上昇は非直線抵抗体で抑制され、過電圧上昇による半導体スイッチの特性劣化が防止されて高信頼性が得られる。電流遮断後に現れる回復電圧は第１の真空バルブの極間で耐えることができ、パワー半導体逆並列回路には殆ど電圧が加わらないので、半導体スイッチの直列数を最小にすることができ、上記の冷却装置の不要と相まって低コスト化を達成することができる。
【００４３】
請求項２記載の発明によれば、前記第１の真空バルブ及び前記パワー半導体逆並列回路の各々と並列に当該パワー半導体逆並列回路への過電圧印加防止用の抵抗体を接続したため、非直線抵抗体による制限電圧は、第１の真空バルブとパワー半導体逆並列回路の各々に加わるが、半導体スイッチの漏れ抵抗、浮遊キャパシタンスからなるインピーダンスより小さい値の過電圧印加防止用抵抗体を第１の真空バルブとパワー半導体逆並列回路の各々に並列に接続することで、半導体スイッチに加わる電圧を制御することができ、半導体スイッチに過電圧が加わるのを確実に防止することができて信頼性を一層高めることができる。
【００４５】
請求項３記載の発明によれば、第１の真空バルブと第２の真空バルブを直列接続して直列回路とし、少なくとも２個の自己消弧能力を有する半導体スイッチの極性を逆方向にして並列接続したパワー半導体逆並列回路を前記第２の真空バルブと並列に接続し、前記直列回路と並列に非直線抵抗体を接続したため、前記請求項１記載の発明の効果とほぼ同様の効果に加えてさらに、大電流の流れたことが検知されたとき第１の真空バルブと第２の真空バルブが同時に開極するので、第１の真空バルブと第２の真空バルブの開極のタイミングをずらす必要がなく、操作機構の構成がシンプルになって、一層の低コスト化を達成することができる。
【００４６】
請求項４記載の発明によれば、複合型スイッチング装置を、非接地３相交流系統の２相の線路の各々に遮断器として設置したため、複合型スイッチング装置を２相だけに設置することで、３相の電流遮断ができて複合型スイッチング装置の設置数を減らすことができる。
【００４７】
請求項５記載の発明によれば、前記真空バルブと前記半導体スイッチとが直列に接続された回路構成部において、前記真空バルブの固定軸側を前記半導体スイッチに接続したため、真空バルブの可動軸側は駆動時の操作エネルギーを少なくする等のため、固定軸側に比べると伝熱抵抗が大きいので、電流通電時の温度上昇は固定軸側の方が少なくなる。したがって半導体スイッチを、この固定軸側に接続することで温度上昇による特性劣化を防止することができて一層の高信頼性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る複合型スイッチング装置の第１の実施の形態を示す回路図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態を示す回路図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態を示す回路図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態を示す回路図である。
【図５】本発明の第５の実施の形態を示すブロック図である。
【図６】本発明の第６の実施の形態を示す回路図である。
【図７】本発明の第７の実施の形態を示す構成図である。
【図８】本発明の第８の実施の形態を示す回路図である。
【符号の説明】
１，２ＧＴＯ
３第１の真空バルブ
４第２の真空バルブ
５非直線抵抗体
６，７抵抗体
１０複合型スイッチング装置
１１３相非接地電源
３１トリガ電極
３２，４１固定軸
３３，４２可動軸
３４，４３電極

Claims

少なくとも２個の自己消弧能力を有する半導体スイッチの極性を逆方向にして並列接続したパワー半導体逆並列回路と直列に第１の真空バルブを接続して直並列回路とし、該直並列回路と各々並列に第２の真空バルブ及び非直線抵抗体を接続してなることを特徴とする複合型スイッチング装置。
前記第１の真空バルブ及び前記パワー半導体逆並列回路の各々と並列に当該パワー半導体逆並列回路への過電圧印加防止用の抵抗体を接続してなることを特徴とする請求項１記載の複合型スイッチング装置。
第１の真空バルブと第２の真空バルブを直列接続して直列回路とし、少なくとも２個の自己消弧能力を有する半導体スイッチの極性を逆方向にして並列接続したパワー半導体逆並列回路を前記第２の真空バルブと並列に接続し、前記直列回路と並列に非直線抵抗体を接続してなることを特徴とする複合型スイッチング装置。
非接地３相交流系統の２相の線路の各々に遮断器として設置してなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の複合型スイッチング装置。
前記真空バルブと前記半導体スイッチとが直列に接続された回路構成部において、前記真空バルブの固定軸側を前記半導体スイッチに接続してなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の複合型スイッチング装置。