JP3971089B2 - 限流遮断装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電力系統における短絡事故等による過電流を抑制しつつ電力系統を遮断する限流遮断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力を供給する電力系統においては、系統における短絡などの事故による過電流、変圧器やコンデンサ設備投入時のインラッシュ電流、低圧系統での負荷投入時のインラッシュ電流等を抑制したり、あるいは抑制後に電力系統を遮断するための限流装置や限流遮断装置が用いられている。
【０００３】
この種の従来の限流遮断装置として、電気学会論文誌Ｂ、１２０巻６号８５８頁〜８６３頁、（２０００年）に整流型限流器が開示されている。図５に前記整流型限流器１００の要部の回路構成を示す。図５の回路図は、３相の電力系統の内の１相分のみを図示しており、他の２相分については同様の回路図であるので図示を省略している。図５において、２つの電力系統１０１及び１０２は、例えば互いに独立した２つの発電装置を有する電力系統である。各電力系統１０１、１０２はそれぞれ送電線等のインダクタ１０１Ａ、１０２Ａを含んでいる。電力系統１０１、１０２はそれぞれの電力線１０１Ｂ及び１０２Ｂを経て整流型限流器１００により連結されている。電力線１０１Ｂ、１０２Ｂには図示を省略した多数の負荷が接続されており、電力系統１０１、１０２は相互に電力を融通しあって、それらの負荷に電力を供給している。整流型限流器１００は、サイリスタ等のスイッチング素子１０７、１０８とダイオード１０９、１１０によるブリッジ整流回路を有し、ブリッジ整流回路の一方の交流端子１０３に半導体スイッチング素子１０７のアノードと１０８のカソードが接続され、他方の交流端子１０４にはダイオード１０９のカソードと１１０のアノードが接続されている。ブリッジ整流回路の直流端子１０５と１０６の間には直流リアクトル１１１が接続されている。
【０００４】
この整流型限流器１００を起動するには、スイッチング素子１０７と１０８のそれぞれのゲートＧに図示を省略した制御回路からゲート信号を供給してスイッチング素子１０７、１０８をオンにする。スイッチング素子１０７、１０８がオンになると、電力系統１０１から、スイッチング素子１０７、直流リアクトル１１１、ダイオード１０９を経て電力系統１０２側へ電流が流れるか、または電力系統１０２からダイオード１１０、直流リアクトル１１１、スイッチング素子１０８を経て電力系統１０１側へ電流が流れる。そのため直流リアクトル１１１は直流磁化され飽和状態となる。この状態では、ブリッジ整流回路を一点鎖線の矢印Ａで示す方向の電流が流れる。その結果、整流型限流器１００を流れる電流は、スイッチング素子１０７、１０８及びダイオード１０９、１１０を矢印Ｂ又は矢印Ｃに示すように２分して流れる。電流が矢印Ｂ又はＣで示す経路、すなわち直流リアクトル１１１を含まない経路を流れるので、直流リアクトル１１１は整流型限流器１００のインピーダンスに影響を与えない。スイッチング素子１０７と１０８のゲート信号の供給を停止して、両者をオフにすることにより、電力系統１０１と電力系統１０２との間を流れる電流を遮断できる。
【０００５】
例えば、電力系統１０２側において矢印１１２で示す短絡事故が発生し、電力系統１０１から電力系統１０２側へ流れる電流が急増して、整流型限流器１００を流れる交流の過渡電流が直流リアクトル１１１を流れている直流電流を上回ると、電流は、スイッチング素子１０７、直流リアクトル１１１、ダイオード１０９を経て流れる。すなわち直流リアクトル１１１が交流の電流路に直列に挿入されることになる。そのため、直流リアクトル１１１のインピーダンスが増加して端子電圧が上昇するとともに、限流が開始される。限流の開始後、スイッチング素子１０７と１０８のゲート信号の供給を停止することにより両スイッチング素子をオフにして、電力系統１０１から電力系統１０２に向かって流れる短絡事故による過渡電流を遮断する。このようにして限流及び遮断を行う。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記の従来の整流型限流器１００は、１相当たり２個のスイッチング素子１０７、１０８を用いるために、装置構成が複雑でありかつ高価であるという問題があった。すなわち、１相当たり２個のスイッチング素子１０７、１０８のために、２組の図示を省略したスイッチング素子のゲート制御回路や、スイッチング素子には通常必要となる保護回路及びスナバ回路を設ける必要があり、これらは３相交流用では６組必要となる。
【０００７】
特に系統電圧が数１０ＫＶ以上の高電圧の場合には、スイッチング素子が高電圧に耐えるようにするために、多数のスイッチング素子を積層し直列接続したスイッチング・スタックを使用する。スイッチング・スタックにはそれを構成する各スイッチング素子毎にゲート制御回路や保護回路、スナバ回路を設ける必要があるので、部品点数が激増して構造が極めて複雑になるとともに、その設備価格も極めて高価になる。また、電力系統の電流が大きい場合には、大電流を流せるようにするために多数のスイッチング素子を並列接続して使用する。この場合も各スイッチング素子毎にゲート制御回路や保護回路、スナバ回路を設ける必要があり、構成が更に複雑になるとともに高価になる。
【０００８】
短絡事故発生時の遮断速度は速い方が望ましく、遮断速度が速いほど整流型限流器を設けた効果が大きい。しかしスイッチング素子の数が多くなるとそれにともなってゲート制御回路や保護回路、スナバ回路の数が多くなり、これらの回路での信号伝送時間や信号遅延時間のばらつきが増大する。そのため信号伝送時間や信号遅延時間のばらつきを補償する協調動作が必要となる。しかしスイッチング素子の数が多くなればなるほど高速・高精度の協調動作が困難になり、遮断速度を速くすることができない。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明はスイッチング素子の数を減らし、結果的にゲート制御回路や保護回路、スナバ回路を少なくすることにより、装置構成を簡単にし且つ安価にするとともに遮断速度の速い整流型の限流遮断装置を提供することを目的としている。
【００１０】
本発明の整流型の限流遮断装置は、互いに独立した２つの交流電力系統間を接続するダイオードブリッジ整流回路、及び前記ダイオードブリッジ整流回路の両直流端子間に接続された、直流リアクトルとスイッチング素子の直列接続体を有する。
ダイオードブリッジ整流回路の直流端子間に直流リアクトルと１つのスイッチング素子の直列接続体を接続して、整流型の限流遮断装置を構成するので、従来例では１相につき２つ用いていたスイッチング素子が１つになって半減する。従ってスイッチング素子の制御回路や保護回路、スナバ回路の数も従来のものの半分になる。これにより装置構成がシンプルになり且つ安価になるとともに、制御回路の高精度の協調動作が容易になり、結果として遮断速度が向上する。
【００１１】
本発明の他の観点の整流型の限流遮断装置は、互いに独立した２つの第１及び第２の交流電力系統間を接続するダイオードブリッジ整流回路、前記ダイオードブリッジ整流回路の両直流端子間に接続された、直流リアクトルとスイッチング素子の直列接続体、前記直流リアクトルを流れる電流を検出する検出回路、及び前記検出回路が検出した電流の検出値に基づいて前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御するスイッチング制御回路を有する。
この整流型の限流遮断装置では、スイッチング素子をオンにすると、交流電流が、第１又は第２の電力系統から、順方向ダイオード、直流リアクトル、スイッチング素子、順方向ダイオード、第２又は第１の電力系統への経路で流れる。直流リアクトルには、常に一方向の直流電流のみが流れるので電磁エネルギーが蓄積される。定常運転時には、上記の蓄積電磁エネルギーにより直流電流が、直流リアクトル、スイッチング素子、双方の順方向ダイオード、交流端子、双方の順方向ダイオード、直流リアクトルの経路で還流する。このため、交流電流は第１又は第２の電力系統から、順方向ダイオード、直流端子、逆方向ダイオード、第２又は第１の電力系統への経路と、逆方向ダイオード、直流端子、順方向ダイオード、第１又は第２の電力系統への経路の２経路に分かれて流れる。直流リアクトルとスイッチング素子には常に直流電流のみが流れているで、交流成分は０となりインピーダンスのリアクタンス成分はほぼ零になり、電力損失は極めて小さくなる。この状態でスイッチング素子の制御信号の供給を停止してオフにすると、第１の電力系統と第２の電力系統間を遮断できる。
【００１２】
第２の電力系統に短絡事故が発生し、第１の電力系統から第２の電力系統に流入する過渡電流が直流リアクトルに流れている電流を上回ると、交流電流が直流リアクトルを流れ、直流リアクトルが交流回路に直列に挿入されることになる。これにより限流遮断装置のインピーダンスが増加し直流リアクトルの両端子の電圧が上昇するとともに限流が行われる。限流時に、直流リアクトルの電流変化を検出回路で検出し、検出値に基づいてスイッチング素子をオフにして交流過渡電流を遮断する。
【００１３】
本発明の整流型限流遮断装置では、従来例のものに比べてダイオードの数は増えるがスイッチング素子の数は半減する。ダイオードはスイッチング素子のようなゲート制御回路や保護回路、スナバ回路が不要であるので、装置構成をシンプルにでき且つ安価に出来る。ダイオード素子はスイッチング素子に比べて素子構造が単純で製作が容易なために素子自体の価格が大幅に安価であることがコスト低減の効果を大きくする。また、限流動作に入った後、スイッチング素子は短絡事故の検出信号を利用してオフさせるが、１相当たりのスイッチング素子は１個であるので、複数のスイッチング素子を用いる場合のように素子や制御回路および保護回路の協調制御動作が不要である。従ってスイッチング素子のオフ時間が短縮され事故に伴い別系統から流入する交流電流の遮断速度を速くできる。
一般に事故の継続時間が長くスイッチング素子の遮断時間も遅いと、直流リアクトルを流れる直流電流が増加するので限流効果が低下し限流遮断装置を通過する連系線電流が徐々に増大してしまう。このために直流リアクトルやスイッチング素子の電流容量を大きく設定しなければならず装置が大型になる。しかし遮断速度を速くできると所定の限流効果がある間に停止させることが可能であり、直流リアクトルやスイッチング素子の電流容量を小さく設定できる。その結果装置の大幅な小型化ができるとともに安価にもなる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施例について図１から図４を参照して詳細に説明する。
《第１実施例》
図１は、本発明の第１実施例の整流型の限流遮断装置５０の回路図である。図１の回路図は、３相の電力系統の内の１相分のみを図示しており、他の２相分については同様の回路図であるので図示を省略している。図において、電力系統１および２は、例えば互いに独立した２つの発電装置を有する電力系統である。各電力系統１および２はそれぞれ送電線等のインダクタ１Ａ、２Ａを含んでいる。電力系統１及び２はそれぞれの電力線１Ｂ及び２Ｂを経て整流型の限流遮断装置５０により連結されている。電力線１Ｂ、２Ｂには図示を省略した多数の負荷が接続されており、電力系統１、２は相互に電力を融通しあって、それらの負荷に電力を供給している。限流遮断装置５０は、ダイオード７、８、９及び１０によるダイオードブリッジ整流回路を有している。ダイオードブリッジ整流回路の交流端子３及び４はそれぞれ電力系統１及び２に接続されている。直流端子５と６の間には、直流リアクトル１１と、スイッチング素子としてのシリコン（Ｓｉ）の半導体材料による光サイリスタ１２との直列接続体が接続されている。光サイリスタ１２のアノードＡとカソードＫ間には保護回路及びスナバ回路１４が接続されている。保護回路としてはアレスタ、電圧分担抵抗等が用いられる。光サイリスタ１２のゲートＧとゲート制御回路１３の光出力端１３Ａは光ファイバを用いて接続されている。ゲート制御回路１３の検出入力端１３Ｂには検出回路１５の出力端１５Ａが接続されている。検出回路１５の入力端１５Ｂには直流リアクトル１１を流れる電流を検出する例えば検出コイル１５Ｃが接続されている。制御回路１３の制御入力端１３Ｄは図示を省略した電力制御所の制御装置に接続され、系統制御信号が入力される。
【００１５】
次にこの限流遮断装置の動作を説明する。限流遮断装置の起動時には、ゲート制御回路１３の光出力端１３Ａから光ゲート信号をゲートＧに供給して光サイリスタ１２をオンにする。交流端子３の電位が交流端子４の電位よりも高い時は、電流は、交流端子３から、ダイオード７、直流リアクトル１１、光サイリスタ１２、ダイオード９、交流端子４の経路で流れる。交流端子３の電位が交流端子４の電位よりも低い時は、交流端子４、ダイオード１０、直流リアクトル１１、光サイリスタ１２、ダイオード８、交流端子３の経路で電流が流れる。従って直流リアクトル１１には常に（端子５から端子６へと向かう）一方向の直流電流が流れ電磁エネルギーが蓄積される。
【００１６】
起動後の正常な定常運転時には、上記の蓄積された電磁エネルギーにより、直流電流が、直流リアクトル１１、光サイリスタ１２、ダイオード８、ダイオード７、直流リアクトル１１の第１の環状の経路で環流するとともに、直流リアクトル１１、光サイリスタ１２、ダイオード９、ダイオード１０、直流リアクトル１１の第２の環状の経路でも還流している。このため交流電流は、交流端子３、ダイオード７、ダイオー１０、交流端子４の経路と、交流端子３、ダイオード８、ダイオード９、交流端子４の経路とに２分して流れる。このように、直流リアクトル１１と光サイリスタ１２には交流電流は流れず直流電流のみが流れるので、直流端子５、６間の電流の交流周波数成分は０となり、電力系統１又は２からみた限流遮断装置５０のインピーダンスのリアクタンス成分ははほぼ零になる。この状態で光サイリスタ１２の光ゲート信号の供給を停止して光サイリスタ１２をオフにすると、電力系統１と電力系統２間を流れる電流を遮断できる。
【００１７】
例えば、電力系統２側に矢印１１２で示す短絡事故が発生し、電力系統１から電力系統２側に流入する交流の過渡電流が直流リアクトル１１を流れている直流電流を上回ると、ダイオード７と１０を経由する経路、またはダイオード８と９を経由する経路の導通がなくなる。そのため交流の過渡電流は直流リアクトル１１、光サイリスタ１２を流れ、直流リアクトル１１が交流回路に直列に挿入されることになる。すなわち、交流の過渡電流は交流端子３から、ダイオード７、直流リアクトル１１、光サイリスタ１２、ダイオード９、交流端子４の経路、または交流端子４から、ダイオード１０、直流リアクトル１１、光サイリスタ１２、ダイオード８、交流端子３の経路で流れる。その結果直流リアクトル１１の両端子間の端子電圧が上昇し自動的に限流が行われる。限流により変化する直流リアクトル１１の端子電圧を検出回路１５で検出し、検出信号をゲート制御回路１３の検出入力端子１３Ｂに印加する。この検出信号により、ゲート制御回路１３の光出力端子１３Ａから光サイリスタ１２のゲートＧへ印加されるゲート制御信号を停止し光サイリスタ１２をオフにして、電力系統１から２への交流電流を遮断する。
【００１８】
以下に、図５に示す従来例の構成と本実施例の構成とを比較する。図５の従来例で例えば電圧１２ｋＶ、電流４００Ａの３相６０Ｈｚの系統に適用する整流型限流器を構成する場合、１個の３２．５ｍＨの直流リアクトル、２４個の６ｋＶ・４００Ａ級ダイオード（３相分の６個のダイオードスタックに相当）、２４個の６ｋＶ・４００Ａ級サイリスタ（３相分の６個のサイリスタスタックに相当）、２４個のサイリスタ用ゲート制御回路、２４個のサイリスタ用保護回路及びスナバ回路、６個の端子電圧検出回路を必要とした。
これに対して、本実施例の整流型の限流遮断装置５０の場合は、１個の２９から３１ｍＨの直流リアクトル１１、４８個の６ｋＶ・４００Ａ級ダイオード７〜１０（３相分の１２個のダイオードスタックに相当）、１２個の６ｋＶ・４００Ａ級光サイリスタ１２（３相分の３個のサイリスタスタックに相当）、１２個の光サイリスタ用ゲート制御回路１３、１２個の光サイリスタ用保護回路及びスナバ回路１４、３個の端子電圧の検出回路１５で構成することができた。
【００１９】
本実施例の限流遮断装置５０では、安価なダイオードは従来例のものより２４個増えるが、光サイリスタなど高価なサイリスタは逆に１２個減少する。サイリスタのゲート制御回路やスナバ回路も各々１２個減少する。以上のように、装置の構成が簡単になり、その分全体の構成が安価になる。協調動作を必要とするサイリスタ用ゲート制御回路やスナバ回路が各々２４個から１２個に減るのでより高精度の協調動作が可能となり遮断速度を速くすることができる。遮断速度が速くなる結果、直流リアクトル１１の電流容量を約５％から約１０％低減でき、そのぶん直流リアクトル１１を小型化できるとともに安価になる。
【００２０】
《第２実施例》
図２は、本発明の第２実施例の整流型の限流遮断装置５１の回路図である。第１実施例と同様の電力系統１及び２にそれぞれつながる交流端子３と４の間にダイオード７，８，９，１０によるダイオードブリッジ整流回路を接続し、直流端子５と６の間には直流リアクトル１１と絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）１６の直列接続体を接続して整流型の限流遮断装置５１を構成している。ゲート制御回路１３、保護回路及びスナバ回路１４、検出回路１５は、ゲート制御回路１３が電気信号の出力端子１３Ｃから電気信号を出力することを除いて、第１実施例と同様の構成であり同様の動作をするので重複する説明を省略する。スナバ回路１４の代わりにクランプ回路を用いてもよい。
【００２１】
第２実施例の整流型の限流遮断装置５１の起動時の動作は第１実施例と実質的に同じである。起動後の正常な定常運転時には、直流リアクトル１１の蓄積電磁エネルギーにより、直流電流が、直流リアクトル１１、ＩＧＢＴ１６、ダイオード８、ダイオード７、直流リアクトル１１の経路を環流するとともに、直流リアクトル１１、ＩＧＢＴ１６、ダイオード９、ダイオード１０、直流リアクトル１１の経路でも還流している。このため交流電流は、交流端子３からダイオード７、ダイオー１０、交流端子４の経路と、交流端子３からダイオード８、ダイオード９、交流端子４の経路とに２分して流れる。このように、直流リアクトル１１とＩＧＢＴ１６には直流電流のみが流れるので、電流の交流成分は０となり、電力系統１又は２からみた限流遮断装置５１のインピーダンスのリアクタンス成分はほぼ零になる。この状態でＩＧＢＴ１６のゲート信号の供給を停止してＩＧＢＴ１６をオフにすると、電力系統１と電力系統２間に流れる電流を遮断できる。
【００２２】
電力系統２の側に短絡事故が発生し、電力系統１の側から電力系統２の側に流入する交流の過渡電流が直流リアクトル１１を流れている直流電流を上回ると、ダイオード７と１０を経由する経路、またはダイオード８と９を経由する経路の導通がなくなる。そのため電流は直流リアクトル１１、ＩＧＢＴ１６を流れ、直流リアクトル１１が交流回路に直列に挿入されることになる。すなわち、電流は交流端子３から、ダイオード７、直流リアクトル１１、ＩＧＢＴ１６、ダイオード９、交流端子４の経路、または交流端子４から、ダイオード１０、直流リアクトル１１、ＩＧＢＴ１６、ダイオード８、交流端子３の経路で流れる。その結果直流リアクトル１１の両端子間の端子電圧が上昇し自動的に限流が行われる。限流により変化する直流リアクトル１１の端子電圧を検出回路１５で検出し、検出信号をゲート制御回路１３の検出入力端子１３Ｂに印加する。この検出信号により、ゲート制御回路１３を制御して、ＩＧＢＴ１６のゲートへのゲート制御信号の出力を停止し、ＩＧＢＴ１６をオフにして電力系統１から電力系統２側へ流入する交流電流を遮断する。
【００２３】
この第２実施例ではＩＧＢＴ１６を用いることにより、第１実施例に比べて遮断時間を大幅に低減できる。というのは、第１実施例の光サイリスタ１２は自己消弧機能を持っていない。それ故ゲート信号の供給を停止しても、交流電圧がゼロ近くになり導通電流が光サイリスタ１２の保持電流以下になるまではオフにならない。このため、第１実施例では遮断時間は最悪の場合１サイクル（約２０ｍｓ）程度になってしまう。
【００２４】
本第２実施例の場合はＩＧＢＴ１６が自己消弧機能を持っているので、ゲート信号の供給を停止すると２０μｓ以下の短時間でオフになる。このようにオフになる時間が大幅に短くなる結果、短絡事故の発生から遮断完了までに供給される電力を少なくすることができる。この電力の減少により、直流リアクトル１１やスイッチング素子のＩＧＢＴ１６の電流容量を小さくできる。すなわちより小型の直流リアクトルやＩＧＢＴを用いることができる。その結果この第２実施例の装置は、前記第１実施例の装置に比べて更に大幅な小型化ができ、且つ安価になる。
【００２５】
協調制御動作を必要とするＩＧＢＴ１６のゲート制御回路１３の数が、前記第１実施例と同様に、従来例のものの半分に減るので、ＩＧＢＴ１６のゲート信号における遅延時間も従来例に比べて低減できる。上記のようにＩＧＢＴ１６のオフになる時間が短いので、前記遅延時間が限流遮断装置５１の遮断時間に占める割合が大きくなる。従ってゲート制御回路１３の数の半減による遅延時間の低減が遮断時間の短縮に寄与する効果は大きい。この遮断時間の短縮により、直流リアクトル１１やスイッチング素子のＩＧＢＴ１６の更なる電流容量低減が可能となり、その結果装置の更なる小型化や価格低減が可能となる。
【００２６】
第２実施例の限流遮断装置５１と従来例のものとを比較すると以下のようになる。従来例の構成で電圧６．６ｋＶ、電流２００Ａの３相５０Ｈｚ系統に適用する整流型限流器を構成した場合、１個の２５ｍＨの直流リアクトル、１２個の６ｋＶ・２５０Ａ級ダイオード（３相分の６個のダイオードスタックに相当）、１２個の６ｋＶ・２５０Ａ級サイリスタ（３相分の６個のサイリスタスタックに相当）、１２個のサイリスタゲート制御回路、１２個のサイリスタスナバ回路、６個の端子電圧検出回路を必要とする。
これに対して第２実施例の場合は、１個の１１．３ｍＨの直流リアクトル１１、２４個の６ｋＶ・２００Ａ級ダイオード（３相分のダイオードスタックに相当）、６個の６ｋＶ・２００Ａ級ＩＧＢＴ（３相分のＩＧＢＴスタックに相当）、６個のＩＧＢＴゲート制御回路１３、６個のＩＧＢＴスナバ回路１４、３個の端子電圧検出回路１５で構成できる。
【００２７】
本実施例の場合、従来例のものに比べて、安価なダイオードは１２個増えるが、高価な６ｋＶ級ＩＧＢＴは半分の６個でよい。ＩＧＢＴ１５のゲート制御回路１３やスナバ回路１４も各々６個でよい。その結果、装置の構成が簡単になりかつ価格も安価になる。
【００２８】
本実施例では自己消弧機能を持つＩＧＢＴ１６を用いた。従って、ゲート制御回路１３からＩＧＢＴ１６に印加するゲート制御信号を停止すると、交流の印加電圧に無関係にＩＧＢＴ１６は２０μｓ以下でオフとなる。検出回路１５の検出の遅れや、検出回路１５の検出信号がゲート制御回路１３に入力されＩＧＢＴ１６のゲート制御信号の出力が停止してＩＧＢＴがオフになるまでの各部の遅延時間を加算しても、遮断時間は２ｍｓ以下にできる。また、協調動作を必要とするＩＧＢＴ１６のゲート制御回路１３が６個と少ないことも、第１実施例で説明したように遮断時間を短くするうえで有効である。このように遮断時間が短くなった結果、直流リアクトル１１で限流遮断時に消費される電力が減少するので、その容積を従来のものより約４５％小型化できその分価格を低減できる。ＩＧＢＴ１６の消費電力も減るので電流容量の小さいＩＧＢＴ１６を用いることができる点でも限流遮断装置５１の小型化や価格低減に寄与する。
【００２９】
《第３実施例》
図３は、本発明の第３実施例の整流型の限流遮断装置５２の回路図である。第１実施例と同様の電力系統１及び２にそれぞれつながる交流端子３と４の間にシリコンカーバイト（以下、ＳｉＣと表記）の半導体材料を用いたダイオード１７，１８，１９，２０のダイオードブリッジ整流回路を接続する。直流端子５と６の間には直流リアクトル１１と光サイリスタ１２との直列接続体を接続して、整流型の限流遮断装置５２を構成している。ゲート制御回路１３、保護回路のスナバ回路１４、検出回路１５は第１実施例と同様の構成であり同様の動作をするので重複する説明を省略する。
【００３０】
第３実施例の限流遮断装置５２の起動時及び正常な定常運転時の動作は第１実施例と同じである。また、電力系統に短絡事故が発生したときの限流遮断装置５２の限流及び遮断の動作も第１実施例と同じであるので、これらの重複する説明は省略する。
【００３１】
以下に第３実施例の限流遮断装置と図５の従来例の整流型限流器とを比較する。
図５に示す従来例の構成では、例えば電圧５００ｋＶ、電流３０００Ａの３相６０Ｈｚ系統に適用する整流型限流器を現在容易に入手できる６ｋＶ級Ｓｉダイオードと６ｋＶ級Ｓｉサイリスタとを用いて構成する場合、１個の１９５ｍＨ直流リアクトル、９２４個の６ｋＶ・３８００Ａ級ダイオード（３相分の６個のダイオードスタックに相当、１個のダイオードスタックは１５４個のダイオードを含む）、９２４個の６ｋＶ・３８００Ａ級サイリスタ（３相分の６個のサイリスタスタックに相当、１個のサイリスタスタックは１５４個のサイリスタを含む）、９２４個のサイリスタゲート制御回路、９２４個のサイリスタスナバ回路、６個の検出回路を必要とする。
これに対して、第３実施例の場合は、耐電圧１２ｋＶのＳｉＣダイオード（２０００年２月２２日付の日刊工業新聞（第２４頁）や日経新聞（第１３頁）等で発表した、発明者等が製作した高耐圧ダイオード）と耐電圧８ｋＶの光サイリスタを用いる場合、１個の１７０ｍＨ直流リアクトル、９２４個の１２ｋＶ・３３００Ａ級ＳｉＣダイオード（３相分の１２個のダイオードスタックに相当、１個のダイオードスタックは７７個のダイオードを含む）、３４５個の８ｋＶ・３８００Ａ級光サイリスタ（３相分の３個のサイリスタスタックに相当）、３４５個の光サイリスタゲート制御回路、３４５個の光サイリスタスナバ回路、及び３個の検出回路で整流型限流遮断装置を構成できる。
【００３２】
この第３実施例のものを従来例のものと比較すると、ダイオードの数は変わらないが、本実施例のものではサイリスタの数は５７９個減少し、光サイリスタのゲート制御回路やスナバ回路も各々５７９個減少する。また検出回路も３個減少する。その結果、装置全体の構成をシンプル且つ安価にできる。また、協調動作を必要とするサイリスタのゲート制御回路が９２４個から５７９個に低減できるので協調動作の精度が向上する。その結果遮断速度を速くでき、直流リアクトルの電流容量を低減できる。これにより直流リアクトルの容積を従来のものの約８７％に小型化できその分安価になる。
【００３３】
さらに、この第３実施例の整流型限流遮断装置は以下に説明するように電力損失を大幅に低減できる。すなわち、ＳｉＣはＳｉに比べて絶縁破壊電界が約１０倍高く、またＳｉＣダイオードは３００℃以上の高温でも動作するなどの電気的特性を持っている。高耐電圧のものを比べた場合、以下に説明するようにＳｉＣダイオードでは電流通電時の順電圧を大幅に低減できる。例えば、耐圧６ｋＶのダイオードに１００Ａ／ｃｍ^２の電流密度で通電した場合の順電圧は、Ｓｉダイオード及びＳｉＣダイオードとも約４．５Ｖであるが、耐圧１２ｋＶのものの場合はＳｉダイオードでは約１５Ｖ、ＳｉＣダイオードでは約５Ｖである。Ｓｉ光サイリスタは動作時の接合温度を約１５０℃以下（具体例では約１２５℃以下）にする必要があるが、ＳｉＣダイオードは高温でも動作し、温度が高いほど順電圧が低くなる。特に接合温度を１５０℃以上（具体例では約２５０℃〜約３００℃）に保つのが望ましい。これにより、従来例の整流型限流器の場合、３０００Ａを通電する通常動作時の電力損失は約６．９ＭＷであったが、本実施例の整流型限流遮断装置では約６．０ＭＷであり、従来例のものの約８７％に低減できる。
【００３４】
《第４実施例》
図４は、本発明の第４実施例の整流型の限流遮断装置の回路図である。第１実施例と同様の電力系統１及び２にそれぞれつながる交流端子３と４の間にＳｉＣダイオード１７，１８，１９，２０によるダイオードブリッジ整流回路を接続する。端子５と６の間には、直流リアクトル１１とＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ２１の直列接続体を接続して整流型限流遮断装置５３を構成している。ゲート制御回路１３、スナバ回路１４及び検出回路１５は第１実施例と同様の構成であり、同様の動作をするので重複する説明は省略する。
【００３５】
第４実施例の整流型限流遮断装置の起動時及び正常な定常運転時の動作は、電流が光サイリスタの代わりのＧＴＯサイリスタ２１を流れる点を除いて第１実施例と同じであるので説明を省略する。
【００３６】
電力系統に短絡事故が発生し整流型の限流遮断装置５３を流れる交流電流が直流リアクトル１１を流れている直流電流を上回れば、ダイオード１７と２０の経路、またはダイオード１８と１９の経路のいずれかの導通がなくなる。その結果交流端子３と４の間に直流リアクトル１１が直列に挿入されることになり、直流リアクトル１１のリアクタンスにより限流が行われる。限流時に発生する直流リアクトル１１の端子電圧を検出回路１５で検出しゲート制御回路１３のゲート制御信号の出力を停止してＧＴＯサイリスタ２１をオフにし電流を遮断する。
【００３７】
図５に示す従来例では、電圧１２ｋＶ、電流４００Ａの３相６０Ｈｚ系統に適用する整流型限流器を構成した場合、１個の３２．５ｍＨ直流リアクトル、６個の１２ｋＶ・４００Ａ級ダイオード（３相分の６個のダイオードスタックに相当）、６個の１２ｋＶ・４００Ａ級サイリスタ（３相分の６個のサイリスタスタックに相当）、６個のサイリスタゲート制御回路、６個のサイリスタスナバ回路、６個の検出回路を必要であった。
これに対して、第４実施例の場合は、１個の１９から２５ｍＨの直流リアクトル、１２個の１２ｋＶ・４００Ａ級ＳｉＣダイオード（３相分の１２個のダイオードスタックに相当）、３個の１２ｋＶ・４００Ａ級ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタ（３相分の３個のサイリスタスタックに相当）、３個のＧＴＯサイリスタゲート制御回路、３個のＧＴＯサイリスタスナバ回路、３個の検出回路で整流型の限流遮断装置を構成できる。
【００３８】
本第４実施例のものを従来例のものと比較すると、本実施例では安価なダイオードは６個増えるが、高価なサイリスタは３個減少し、サイリスタのゲート制御回路やスナバ回路は各々３個減少する。ＳｉＣダイオードとＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタは、１５０℃以上の接合温度で動作可能なので通電電流密度を高くすることができるとともに、あまり冷却をしないでよいので、冷却用のヒートシンクを小型化できる。ヒートシンクを小型にできるので装置全体を小型にできる。ＳｉＣ−ＧＴＯサイリスタは、Ｓｉのサイリスタはもとより、Ｓｉ−ＧＴＯサイリスタよりも高速であるので遮断時間を大幅に短くできる。その結果、遮断するまでに直流リアクトル１１が消費する電力を小さくできるので、直流リアクトル１１やスイッチング素子の電流容量を小さく設定できる。これにより装置の更なる小型化ができ、且つ安価になる。サイリスタゲート制御回路が６個から３個に減るので、オフ時の協調動作をより高精度で行うことができ遮断速度を速くできる。直流リアクトル１１の電流容量の低減により、その容積を従来のものの約５７％から約７５％に減らすことができ、それにともなって価格も安くなる。
【００３９】
以上、４つの実施例を挙げて説明したが、本発明はさらに多くの適用範囲あるいは派生構造をカバーするものである。例えばスイッチング素子はＭＯＳＦＥＴや接合ＦＥＴ、静電誘導型トランジスタ、ＩＧＢＴ、ＩＥＧＴ、バイポーラトランジスタ等でもよい。ゲートコミュテーテッドサイリスタ、静電誘導型サイリスタ、ＭＯＳサイリスタなどでもよい。また種類の異なるスイッチング素子を組み合わせたスイッチングモジュール、例えばＧＴＯのアノードとゲートの間に接合ＦＥＴを接続し、これを複数個直列接続したスイッチングモジュールや、スイッチイング素子とダイオードを組み合わせたスイッチングモジュール等を用いてもよい。
【００４０】
前記各実施例では、ＳｉやＳｉＣのダイオードやサイリスタを用いた場合を説明したが、本発明に適用できるダイオードやサイリスタはこれらに限られるものではなく、ダイヤモンドやガリウムナイトライド、アルミニュウムナイトライド、硫化亜鉛などのワイドギャップ半導体材料を用いたダイオードやサイリスタを用いてもよい。
【００４１】
【発明の効果】
以上の各実施例で詳細に説明したように、本発明によれば、４つのダイオードを用いたダイオードブリッジ整流回路に、直流リアクトルとスイッチング素子の直列接続体を組合せることにより、１相当たり１つのスイッチング素子を用いて整流型の限流遮断装置を構成できる。従来のものに比べてスイッチング素子のゲート制御回路や保護回路のスナバ回路を減らすことができるので、装置構成が簡略化され安価になるとともに遮断速度が速くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の整流型の限流遮断装置の回路構成図
【図２】本発明の第２実施例の整流型の限流遮断装置の主要回路構成図
【図３】本発明の第３実施例の整流型の限流遮断装置の主要回路構成図
【図４】本発明の第４実施例の整流型の限流遮断装置の主要回路構成図
【図５】従来の整流型限流器の要部の回路構成図
【符号の説明】
１、２ 電力系統
１Ａ、２Ａ インダクタ
１Ｂ、２Ｂ 電力線
３ 一方の交流端子
４ 他方の交流端子
５ 一方の直流端子
６ 他方の直流端子
７〜１０ Ｓｉダイオード
１１ 直流リアクトル
１２ 光サイリスタ
１３ ゲート制御回路
１３Ａ 光出力端
１３Ｂ 検出入力端
１３Ｃ 出力端
１３Ｄ 制御入力端
１４ 保護回路及びスナバ回路
１５ 検出回路
１５Ａ 出力端
１５Ｂ 入力端
１５Ｃ 検出コイル
１６ ＩＧＢＴ
１７〜２０ ＳｉＣダイオード
２１ ＳｉＣ-ＧＴＯ
１０１、１０２ 電力系統
１０３、１０４ 交流端子
１０５、１０６ 直流端子
１０７、１０８ スイッチング素子
１０９、１１０ ダイオード
１１２ 短絡事故点
Ａ アノード
Ｇ ゲート
Ｋ カソード

Claims (9)

1. 互いに独立した２つの交流電力系統間を接続するダイオードブリッジ整流回路、及び
   前記ダイオードブリッジ整流回路の両直流端子間に接続された、直流リアクトルとスイッチング素子の直列接続体
   を有する限流遮断装置。
2. 互いに独立した２つの交流電力系統間を接続するダイオードブリッジ整流回路、
   前記ダイオードブリッジ整流回路の両直流端子間に接続された、直流リアクトルとスイッチング素子の直列接続体、
   前記直流リアクトルを流れる電流を検出する検出回路、及び
   前記検出回路が検出した電流の検出値に基づいて前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御するスイッチング制御回路
   を有する限流遮断装置。
3. 前記スイッチング素子が、サイリスタ又はトランジスタであることを特徴とする請求項１又は２記載の限流遮断装置。
4. 前記サイリスタが、電気トリガサイリスタ、光トリガサイリスタ、ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）、ゲートコミュテーテッドサイリスタ（ＧＣＴ）、静電誘導型サイリスタ及びＭＯＳサイリスタの群の中から選択した１種であることを特徴とする請求項３記載の限流遮断装置。
5. 前記トランジスタが、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、接合ＦＥＴ、静電型トランジスタ、ＩＧＢＴ、ＩＥＧＴ及び静電誘導型トランジスタの群の中から選択した１種であることを特徴とする請求項３記載の限流遮断装置。
6. 前記スイッチング素子は、複数のスイッチング素子が直列接続されたスタック構造を有することを特徴とする請求項１又は２記載の限流遮断装置。
7. 前記ダイオードとスイッチング素子の内の少なくとも一方が、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）単結晶を用いて作られ、他方がシリコン（Ｓｉ）単結晶を用いて作られていることを特徴とする請求項１又は２記載の限流遮断装置。
8. 前記ダイオードとスイッチング素子の内の、シリコンカーバイト単結晶を用いたものは接合温度を１２５°以上に保ち、シリコン単結晶を用いたものは接合温度を１２５°以下に保つことを特徴とする請求項７記載の限流遮断装置。
9. 前記検出回路は、前記直流リアクトルの電流を検出する電流トランスを有することを特徴とする請求項２記載の限流遮断装置。

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