JP4120540B2 - 直流給電回路網の保護方法及び直流給電回路網の保護システム - Google Patents

Description

本発明は、短絡事故が発生した場合に直流給電回路網に接続された発電機等の電気機器を保護する直流給電回路網の保護方法及び直流給電回路網の保護システムに関する。

直流を電源とする直流給電回路網として、例えば、直流電流を電源とする船舶向け電気システムがある。電気推進船舶等の電気システムとしては、一次電源としての蓄電池と、蓄電池を充電する発電機からなる電源装置と、推進に必要な推進電動機と、運航に必要な補機電動機等の機器類とを備えたものがある。
このような電気システムには、短絡事故が発生したときの対策が施されている。従来方式では、回路網に配置した気中遮断器（ＡＣＢ）或いはヒューズ等の保護装置により短絡事故時の保護が行われている。

これらの保護装置は、過電流を検出して遮断動作により保護動作をする過電流検出動作型の保護装置である。この保護装置は、当該保護装置を通過する電流値に基づいて遮断動作（開路動作）して、短絡事故時の発電機等の電気機器を保護している。

電気推進船舶等の電気システムでは、電路長が短く、かつ回路（電路）インピーダンスが微小である。このような電気システムの場合、短絡事故発生時には、短絡発生点に急峻な電流上昇を伴い大きな短絡電流が流れるため、高速・大遮断容量性能をもつ保護装置が必要となる。
また、低インピーダンス電路であるため、保護装置相互間で協調動作して個々が選択的に遮断動作することが困難である。これを図７乃至図９を用いて説明する。

図７は、電路系統図（直流給電回路網）の一部を示す。
図７に示すように、直流電源をなす蓄電池１０１を備える回路（主回路）に、動力系１０２が接続されており、その動力系１０２の前後には動力系保護装置として第１及び第２遮断器（気中遮断器又は超限流遮断器）１１１，１１２が配置されている。また、図７に示すように、主回路上に主回路保護装置として第３及び第４遮断器（気中遮断器又は超限流遮断器）１１３，１１４が配置されている。これら遮断器１１１〜１１４は、動力系回路の定格電流Ｉ１や主回路の定格電流Ｉ２に応じて選定されている。

図８は、遮断器の保護動作特性を示す。
一般的には、遮断器の過電流設定値は、定格電流を１００％としたときの電流倍率で決定される。例えば、定格電流を１００％としたとき、過電流検出開始電流は１２５％となり、過電流瞬時動作電流は５００％となるように設定する。図８に示す保護動作特性は、動力系回路の定格電流Ｉ１が１ｋＡあり、主回路の定格電流Ｉ２が１０ｋＡである場合の保護動作特性を示す。

ここで、図７に示すように主回路の一部ｃ１，ｃ２間で短絡が発生した場合を考える。
この場合、図９に示すように、短絡発生直後に急峻な上昇を示す推定短絡電流が発生する。推定短絡電流とは、回路電圧を回路抵抗で除した流れるであろう短絡電流の最大値である。この推定短絡電流は、回路インピーダンスが小さければ小さいほど大きくなる。また、短絡発生直後の短絡電流の上昇は電流突進率（ｄｉ／ｄｔ）で示され、この電流突進率は、回路インダクタンスＬを回路抵抗Ｒで除した値（Ｌ／Ｒ）によって決定される。よって、回路インダクタンスＬが小さければ、短絡電流は急峻な上昇を示すことになる。

このようなことから、短絡が発生した場合、第１及び第２遮断器１１１，１１２を流れる短絡電流はＩＳ１となり、第３及び第４遮断器１１３，１１４を流れる短絡電流はＩＳ１＋ＩＳ２となるが、それぞれの短絡電流経路の抵抗が小さいほど、その短絡電流ＩＳ１，ＩＳ１＋ＩＳ２は大きくなり、また、インダクタンスが小さければ、短絡電流ＩＳ１，ＩＳ１＋ＩＳ２は短時間で大電流値に到達することになる。

一方、遮断器の保護動作は、短絡発生による過電流を検出してから接点を開いて（接点を開極して）短絡電流（事故電流）を限流遮断するようになっているので、過電流検出から接点開極開始までの時間遅れがほぼ２０〜数十ｍsec.存在する。このようなことから、接点が開いてから短絡電流が限流（減少）するときには、構成回路に配置した各遮断器（保護装置）が既に短絡電流を検出し、遮断動作を開始してしまう。なお、過電流の検出は、変流器（電流検出器）が設定値（しきい値）を超えているか否かで検出している。

よって、本来であれば、各遮断器（保護装置）の設定に従って、各遮断器が選択的に保護動作するのが理想であるが、インピーダンスが小さい回路網では、瞬時に大短絡電流に到達してしまい、かつ各遮断器の遮断動作の遅れにより、各遮断器の定格及び設定値にかかわらず、全ての遮断器がほぼ同時に動作してしまう。この結果、前述したように、低インピーダンスの回路では、保護装置（遮断器）相互間で協調動作して個々が選択的に遮断動作することが困難となる。このような事態に至ってしまうと、一ヶ所で発生した短絡事故が回路網に配置した全ての保護装置を動作させてしまう可能性があり、この場合には、システム全体の停電を招いてしまう。

このように、従来方式の過電流検出による短絡保護方式では、高速・大遮断容量の保護装置が必要であり、また、保護装置相互間で協調動作して選択的に遮断保護動作を得ることが極めて困難である。
さらに、近年の電源容量増大に伴い、保護装置の遮断容量向上が望まれる。しかし、保護装置の遮断容量向上が技術的に限界である状況となっている。

そこで、本発明は、前述の問題に鑑みてなされたものであり、高速・大遮断容量性能をもつ保護装置を必要とすることなく、かつシステム全体を停電させることなく、直流給電回路網の短絡事故時の保護を図ることができる直流給電回路網の保護方法及び直流給電回路網の保護システムの提供を目的とする。

請求項１記載の発明に係る直流給電回路網の保護方法は、複数の電気機器と、当該複数の電気機器に対応させて配置され、かつ過電流を検出して遮断動作する遮断装置とを備えた直流給電回路網を保護する直流給電回路網の保護方法において、前記遮断装置を、外部からの遮断指令によっても遮断動作させることができるものとし、前記直流給電回路網の主回路における電圧低下に基づいて短絡点を検出し、その検出した短絡点に基づいて各遮断装置の遮断動作を制御するとともに、前記電圧低下に基づいて前記短絡点近傍の遮断装置を遮断動作させる。

また、請求項２記載の発明に係る直流給電回路網の保護方法は、請求項１記載の発明に係る直流給電回路網の保護方法において、前記短絡点近傍の遮断装置以外の遮断装置の遮断動作を禁止する。
また、請求項３記載の発明に係る直流給電回路網の保護システムは、複数の電気機器と、当該複数の電気機器に対応させて配置され、かつ過電流を検出して遮断動作する遮断装置とを備えた直流給電回路網を保護する直流給電回路網の保護システムにおいて、前記遮断装置を、外部からの遮断指令によっても遮断動作させることができるものとし、前記直流給電回路網の主回路における各位置の電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段の検出結果に基づいて前記直流給電回路網の主回路における電圧低下から短絡点を検出し、その検出した短絡点に基づいて各遮断装置の遮断動作を制御するとともに、前記電圧低下に基づいて前記短絡点近傍の遮断装置を遮断動作させる制御手段と、を備える。

また、請求項４記載の発明に係る直流給電回路網の保護システムは、請求項３記載の発明に係る直流給電回路網の保護システムにおいて、前記制御手段が、前記短絡点近傍の遮断装置以外の遮断装置の遮断動作を禁止する。
短絡事故が発生した場合、短絡電流が上昇し始める前に、短絡点では急峻な電圧降下が発生する。このようなことから、請求項１及び請求項３記載の発明では、直流給電回路網の主回路における電圧低下に基づいて短絡点を検出し、その検出した短絡点に基づいて各遮断装置の遮断動作を制御する。そして、請求項１及び請求項３記載の発明では、前記電圧低下に基づいて短絡点近傍の遮断装置を遮断動作させる。

すなわち、短絡事故が発生した場合、通常であれば、短絡電流をそれぞれの短絡装置が個別に検出してしまい、全ての短絡装置が遮断動作してしまうことがあるが、本発明では、前記直流給電回路網における電圧低下に基づいて短絡点を検出し、その検出した短絡点に基づいて各遮断装置の遮断動作を制御することで、直流給電回路網の全ての遮断装置が遮断動作してしまうことを防止する。

そして、特に請求項２及び４に記載の発明では、前記短絡点近傍の遮断装置を遮断動作させ、それ以外の遮断装置の遮断動作を禁止する。

本発明によれば、短絡事故が発生しても直流給電回路網の全ての遮断装置が遮断動作してしまうことを防止できるので、直流給電回路網の短絡事故時の保護を図りつつ、システム全体が停電してしまうことを防止できる。
また、遮断動作させる場合でも、短絡事故から早い時期にその遮断動作を開始させることができるので、結果的に、遮断装置が高速・大遮断容量性能をもたなくてもよくなる。

本発明を実施するための最良の形態（以下、実施の形態という。）を図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は本発明が適用される直流給電回路網の電路系統図を示す。図２は図１の電路系統図に対応するインピーダンスマップを示す。
図１に示すように、直流電源をなす第１及び第２（１号及び２号）蓄電池１，２を備える回路（主回路）に、第１及び第２動力（１号系動力及び２号系動力）３，４、第１及び第２（１号及び２号）発電機５，６、並びに電動機７が接続されている。

ここで、第１及び第２蓄電池１，２を備える回路に、第１及び第２接続点ａ１，ａ２により第１動力３が接続されており、第３及び第４接続点ａ３，ａ４により第２動力４が接続されており、第５及び第６接続点ａ５，ａ６により第１発電機５が接続されており、第７及び第８接続点ａ７，ａ８により第２発電機６が接続されており、第９及び第１０接続点ａ９，ａ１０により電動機７が接続されている。これにより直流給電回路網が構成されている。

なお、この回路網において、第１蓄電池１、第１動力３及び第１発電系５により１号系の回路網を構成し、第２蓄電池２、第２動力４及び第２発電系６により２号系の回路網を構成している。
第１及び第２動力３，４並びに第１及び第２発電機５，６それぞれの前後には、第１乃至第８遮断器（気中遮断器）１１〜１８及び第１乃至第８超限流遮断器３１〜３８が設置されている。また、前記第１及び第２蓄電池１，２を備える回路上、第１接続点ａ１と第５接続点ａ５との間に、第９遮断器１９、並びに第９及び第１０超限流遮断器３９，４０を備え、第２接続点ａ２と第６接続点ａ６との間に、第１０遮断器２０、並びに第１１及び第１２超限流遮断器４１，４２を備え、第３接続点ａ３と第７接続点ａ７との間に、第１１遮断器２１、並びに第１３及び第１４超限流遮断器４３，４４を備え、第４接続点ａ４と第８接続点ａ８との間に、第１２遮断器２２、並びに第１５及び第１６超限流遮断器４５，４６を備え、第５接続点ａ５と第９接続点ａ９との間に、第１７超限流遮断器４７を備え、第６接続点ａ６と第１０接続点ａ１０との間に、第１８超限流遮断器４８を備え、第７接続点ａ７と第９接続点ａ９との間に、第１９超限流遮断器４９を備え、第８接続点ａ８と第１０接続点ａ１０との間に、第２０超限流遮断器５０を備えている。

また、第１乃至第２０超限流遮断器３１〜５０はそれぞれ、当該第１乃至第２０超限流遮断器３１〜５０を通る電流を検出する変流器（電流検出器）３１ａ〜５０ａと、変流器３１ａ〜５０ａの電流検出結果に基づいて動作する限流ヒューズ３１ｃ〜５０ｃとを備えている。
図３は、さらに詳細な電気系統図を示す。

図３に示すように、第１乃至第１９超限流遮断器３１〜５０は、変流器変流器３１ａ〜５０ａの検出信号が入力される検出部（制御部）３１ｂ〜５０ｂを備えている。検出部３１ｂ〜５０ｂは、変流器３１ａ〜５０ａの検出信号に基づいて遮断動作指令を限流ヒューズ３１ｃ〜５０ｃに出力して、限流ヒューズ３１ｃ〜５０ｃを遮断動作（限流動作）させる。

また、この設備では、第１動力３に並列に接続された第１電圧検出器６１と、第２動力４に並列に接続された第２電圧検出器６２と、第５接続点ａ５と第６接続点ａ６との間の電圧を検出する第３電圧検出器６３と、第７接続点ａ７と第８接続点ａ８との間の電圧を検出する第４電圧検出器６４と、第９接続点ａ９と第１０接続点ａ１０との間の電圧を検出する第５電圧検出器６５とを備えている。

さらに、この設備では、回路上の、第９超限流遮断器３９と第１０超限流遮断器４０との間と、第１１超限流遮断器４１と第１２超限流遮断器４２との間とに接続された第６電圧検出器６６と、回路上の、第１３超限流遮断器４３と第１４超限流遮断器４４との間と、第１５超限流遮断器４５と第１６超限流遮断器４６との間とに接続された第７電圧検出器６７とを備えている。

また、この設備では、選択遮断制御装置７１を備えている。選択遮断制御装置７１は、第１乃至第２０超限流遮断器３１〜５０の遮断を制御するように構成されている。この選択遮断制御装置７１には、第１乃至第８遮断器（気中遮断器）１１〜１８の状態を示す信号、及び第１乃至第７電圧検出器６１〜６７の検出結果が入力されている。選択遮断制御装置７１は、第１乃至第７電圧検出器６１〜６７の検出結果に基づいて第１乃至第２０超限流遮断器３１〜５０の遮断を制御する。

具体的には、選択遮断制御装置７１は、第１乃至第７電圧検出器６１〜６７での検出信号Ｓ１Ａ，Ｓ１Ｂ，Ｓ１Ｃ，Ｓ２Ａ，Ｓ２Ｂ，Ｓ２Ｃ，ＳＤに基づいてロック指令信号Ｌ１〜Ｌ１０、又は遮断指令信号Ｔ１〜Ｔ１０を第１乃至第２０超限流遮断器３１〜５０に出力して、第１乃至第２０超限流遮断器３１〜５０では、そのロック指令信号Ｌ１〜Ｌ１０又は遮断指令信号Ｔ１〜Ｔ１０に応じた動作をする。

第１乃至第２０超限流遮断器３１〜５０では、ロック指令信号Ｌ１〜Ｌ１０又は遮断指令信号Ｔ１〜Ｔ１０が検出部３１ｂ〜５０ｂに入力されている。
ここで、第１乃至第２０超限流遮断器３１〜５０は、前述したように、変流器３１ａ〜５０ａ、検出器３１ｂ〜５０ｂ及び限流ヒューズ３１ｃ〜５０ｃを備えている。
変流器３１ａ〜５０ａでは、設定値（過電流保護設定値）との比較で過電流を検出している。各回路を構成している定格電流（容量）で第１乃至第２０超限流遮断器３１〜５０が選定されているのであり、前記設定値はその定格電流（容量）に応じた値になっている。すなわち、定格値を１００％としたときの電流倍率で設定値が設定されており、よって、変流器３１ａ〜５０ａの設定値は互いに異なる値になっている。

変流器３１ａ〜５０ａがその設定値を超えた過電流を検出すると、検出器３１ｂ〜５０ｂが限流ヒューズ３１ｃ〜５０ｃを遮断動作させるようになっている。この検出部３１ｂ〜５０ｂは、ロック指令信号Ｌ１〜Ｌ１０が入力された場合、変流器３１ａ〜５０ａの検出動作をロックする。これにより、限流ヒューズ３１ｃ〜５０ｃは遮断動作をしないようになる、すなわち遮断動作がロックされる。また、検出部３１ｂ〜５０ｂに遮断指令信号Ｔ１〜Ｔ１０が入力された場合、限流ヒューズ３１ｃ〜５０ｃは強制的に遮断動作を行う。

次に動作を説明する。
ここで、回路上の、第９超限流遮断器３９と第１０超限流遮断器４０との間と、第１１超限流遮断器４１と第１２超限流遮断器４２との間とで短絡事故が発生した場合を考える。すなわち、主に第１動力３、第１発電機５に関する回路網の一部で短絡事故が発生した場合である。

ここで、その短絡発生点をｂ１，ｂ２とする。図４は、短絡事故が発生したときの電路系統図に対応するインピーダンスマップである。この図４には、回路網を流れる各短絡電流を示している。
この場合、各々の回路網からは当該回路網の回路定数によって決まる短絡電流がそれぞれ流出し、短絡発生点ｂ１，ｂ２の間に短絡電流（合計電流）ＩΣが流入する。ここで、短絡電流（合計電流）ＩΣは、下記式のように示すことができる。

ＩΣ＝Ｉ１ａΣ＋Ｉ１ｂΣ
Ｉ１ａΣ＝Ｉｂ１＋１ｍａ１
Ｉ１ｂΣ＝Ｉｇ１＋Ｉ１ｃΣ
Ｉ１ｃΣ＝Ｉｍ＋Ｉ２ｃΣ
Ｉ２ａΣ＝Ｉ２ｂΣ＝Ｉｂ２＋１ｍａ２
Ｉ２ｃΣ＝Ｉｇ２＋Ｉ２ｂΣ
ここで、電流Ｉｂ１，Ｉｂ２はそれぞれ、第１及び第２蓄電池１，２から短絡発生点ｂ１，ｂ２に向かう短絡電流であり、電流Ｉｍａ１，Ｉｍａ２は、第１及び第２動力３，４の電動機負荷等に起因して、短絡発生点ｂ１，ｂ２に向かう短絡電流であり、電流Ｉｇ１，Ｉｇ２は、第１及び第２発電機５，６から短絡発生点ｂ１，ｂ２に向かう短絡電流であり、電流Ｉｍは、電動機７から短絡発生点ｂ１，ｂ２に向かう短絡電流である。

例えば、短絡電流Ｉ１ａΣは、第９遮断器１９及び第９超限流遮断器３９を通って短絡発生点ｂ１，ｂ２に流れる電流であり、或いは短絡発生点ｂ１，ｂ２から第１０遮断器２０及び第１１超限流遮断器４１に流れ込む電流である。
このような短絡事故が発生すると、図５中（Ｂ）に示すように、短絡発生点ｂ１，ｂ２の間の電圧（第６電圧検出器６６の検出電圧）は短時間で電圧Ｖｄ（図中ａ点）を通過し、かつ０Ｖ付近の電圧Ｖｓ（図中ｂ点）まで下降する。このとき、短絡発生点ｂ１，ｂ２に流入する短絡電流ＩΣは、図５中（Ａ）に示すようにこの電圧降下に遅れて上昇する。

一方、各々の回路網からは各々の回路定数によって決まる短絡電流が流出するので、第１乃至第５、第７電圧検出器６１〜６５，６７の検出電圧はそれぞれ、図５中（Ｂ）に示すように降下する。このような結果は、各々の回路定数と各々の回路網に流れる電流との積で決まる電圧が決まるからである。
このとき、第６電圧検出器６６は、電圧Ｖｄ以下になったことを検出して、図５中（Ｃ）に示すように、検出信号Ｓ１Ｂを選択遮断制御装置７１に出力する。すなわち、第６電圧検出器６６は、電圧Ｖｄを設定値（しきい値）として、電圧値がこの設定値Ｖｄ以下になったことを検出したとき、その検出信号Ｓ１Ｂを選択遮断制御装置７１に出力する。

選択遮断制御装置７１は、検出信号Ｓ１Ｂが入力されると、図５中（Ｄ）に示すように、遮断指令信号Ｔ５，Ｔ６を第９乃至第１２超限流遮断器３９，４０，４１，４２（検出部３９ｂ，４０ｂ，４１ｂ，４２ｂ）に出力する。このとき、選択遮断制御装置７１は、所定時間ＴＴＳ中、遮断指令信号Ｔ５，Ｔ６を出力する。
第９乃至第１２超限流遮断器３９，４０，４１，４２は、この遮断指令信号Ｔ５，Ｔ６の入力により、遮断動作を開始する。具体的には、図５中（Ａ）に示すように、遮断指令が入力されると、遅れ時間ＴＬ後に、第９及び第１１超限流遮断器３９，４１は、短絡電流Ｉ１ａΣのＩ１ａｂ点から限流動作を開始し、また、第１０及び第１２超限流遮断器４０，４２は、短絡電流Ｉ１ｂΣのＩ１ｂｂ点から限流動作を開始する。

この第９乃至第１２超限流遮断器３９，４０，４１，４２の限流動作により、短絡発生点ｂ１，ｂ２に流入する短絡電流ＩΣは、図５中（Ａ）に示すように、０Ａ（同図中ｄ点）に向かって減少する。また、電圧（第６電圧検出器６６の検出電圧）は、図５中（Ｂ）に示すように、遅れ時間ＴＬ期間中に上昇した電圧値（同図中ｃ点）が、その第９乃至第１２超限流遮断器３９，４０，４１，４２が限流動作を開始すると、０Ｖ（同図中ｄ点）に向って減少し始める。また、第９乃至第１２超限流遮断器３９，４０，４１，４２の限流動作により前述したように短絡電流が減少するので各回路網の流出電流も減少する。これにより、各回路網の電圧（第１乃至第５、第７電圧検出器６１〜６５，６７）は、図５中（Ｂ）に示すように、徐々に上昇し通常電圧Ｖに向かう。

このような限流動作により、０Ａ（同図中ｄ点）で短絡発生点ｂ１，ｂ２が回路網から完全に切り離され、保護動作が終了する。
また、選択遮断制御装置７１は、検出信号Ｓ１Ｂが入力されると、図５中（Ｅ）に示すように、第１及び第２超限流遮断器３１，３２（検出部３１ｂ，３２ｂ）にロック指令信号Ｌ１を出力しない。また、選択遮断制御装置７１は、遮断指令信号Ｔ１も出力しない。これにより、第１及び第２超限流遮断器３１，３２は、非ロック状態となり、通常通りに動作する。

すなわち、第１及び第２超限流遮断器３１，３２は、第９乃至第１２超限流遮断器３９，４０，４１，４２が遮断動作している最中に、第１動力３に関する動力系回路から流出する短絡電流Ｉｍａ１が当該第１及び第２超限流遮断器３１，３２の変流器３１ａ，３２ａの設定値（しきい値）Ｓｍａ１を超えた場合には遮断動作を行う。一方、第１及び第２超限流遮断器３１，３２は、第９乃至第１２超限流遮断器３９，４０，４１，４２が遮断動作している最中に、第１動力３に関する動力系回路から流出する短絡電流Ｉｍａ１が当該第１及び第２超限流遮断器３１，３２の変流器３１ａ，３２ａの設定値（しきい値）Ｓｍａ１に達しない場合には遮断動作を行わない。この場合、動力系（補機系）への給電が継続される。

また、選択遮断制御装置７１は、検出信号Ｓ１Ｂが入力されると、図５中（Ｆ）に示すように、第３乃至第８、第１３乃至第２０超限流遮断器３３〜３８、４３〜５０の検出部３３ｂ〜３８ｂ、４３ｂ〜５０ｂにロック指令信号Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ７，Ｌ８，Ｌ９，Ｌ１０を出力する。このとき、選択遮断制御装置７１は、所定時間ＴＬＳ中、ロック指令信号Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ７，Ｌ８，Ｌ９，Ｌ１０を出力する。

これにより、第３乃至第８、第１３乃至第２０超限流遮断器３３〜３８、４３〜５０の検出部３３ｂ〜３８ｂ、４３ｂ〜５０ｂは変流器３３ａ〜３８ａ、４３ａ〜５０ａの検出動作（検出信号）をロックする。これにより、第３乃至第８、第１３乃至第２０超限流遮断器３３〜３８、４３〜５０は、遮断動作をしないようになる、すなわち遮断動作がロックされる。

ここで、第１及び第２超限流遮断器３１，３２の遮断動作の非ロック状態及び第３乃至第８、第１３乃至第２０超限流遮断器３３〜３８、４３〜５０の遮断動作のロック状態は、前記第９乃至第１２超限流遮断器３９，４０，４１，４２による限流動作が終了するまで継続される。すなわち、前記所定時間ＴＴＳ，ＴＬＳは、第６電圧検出器６６の検出電圧値がこの設定値Ｖｄ以下になった時から限流動作が終了する時までの間の時間とする。

これにより、第９乃至第１２超限流遮断器３９，４０，４１，４２の限流動作により、前述したように短絡電流が減少するので各回路網の流出電流も減少する。このとき、各回路網の電圧（第１乃至第５、第７電圧検出器６１〜６５、６７）は、図５中（Ｂ）に示すように、徐々に上昇し通常電圧Ｖに向かう。
また、第９乃至第１２超限流遮断器３９，４０，４１，４２による限流動作が終了した後には、第１乃至第２０超限流遮断器３１〜５０が通常動作に戻るので、万一短絡電流が継続していたとき（短絡電流が持続している状態のとき）でも、第１乃至第２０超限流遮断器３１〜５０は、変流器３１ａ〜５０ａで設定値を超えた電流値を検出したときに、遮断動作させて、回路網を保護する。

このように、本設備では、いわゆる電圧検出による短絡保護を行っている。
また、本設備は、第１乃至第８遮断器１１〜１８を備えているので、これらの第１乃至第８遮断器１１〜１８が独立して作動する場合（回路断状態にする場合又は開路状態にする場合）がある。遮断器が独立して作動した場合、当該作動した遮断器を回路中に持っている第１乃至第５電圧検出器６１〜６５には電圧が印加されなくなる。この場合、電圧検出器は、電圧低下を誤検出してしまう。この結果、選択遮断制御装置７１は、関連する超限流遮断器に遮断指令信号を誤出力してしまうことになる。このようなことから、選択遮断制御装置７１は、第１乃至第８遮断器１１〜１８から入力される当該第１乃至第８遮断器１１〜１８の状態を示す信号をも参照して、超限流遮断器に遮断指令信号を出力するようにしている。

次に実施の形態における効果を説明する。
先ず、従来方式の過電流検出による短絡保護方式を説明する。ここで、本発明の実施の形態と同様に、短絡発生点ｂ１，ｂ２として短絡が発生したものとする。この場合、例えば次のような限流動作となる。
第９及び第１１超限流遮断器３９，４１の変流器３９ａ，４１ａは、当該第９及び第１１超限流遮断器３９，４１に流れる電流Ｉ１ａΣが設定値（しきい値）Ｓ１ａを超えたとき、遮断動作指令を限流ヒューズ３９ｃ，４１ｃに出力する。これにより、限流ヒューズ３９ｃ，４１ｃは、遮断動作指令を受けて、動作遅れ時間ＴＬ１（短絡発生時から時間Ｔ１ａｏ経過）後の電流Ｉ１ａｏから限流動作を開始する。これにより、短絡発生時から時間Ｔ１ａ経過後、電流Ｉ１ａΣは０Ａになる（図５中（Ａ）参照）。

また、第１０及び第１２超限流遮断器４０，４２の変流器４０ａ，４２ａは、当該第１０及び第１２超限流遮断器４０，４２に流れる電流Ｉ１ｂΣが設定値（しきい値）Ｓ１ｂを超えたとき、遮断動作指令を限流ヒューズ４０ｃ，４２ｃに出力する。これにより、限流ヒューズ４０ｃ，４２ｃは、遮断動作指令を受けて、動作遅れ時間ＴＬ２（短絡発生時から時間Ｔ１ｂｏ経過）後の電流Ｉ１ｂｏから限流動作を開始する。これにより、短絡発生時から時間Ｔ１ｂ経過後、電流Ｉ１ｂΣは０Ａになる（図５中（Ａ）参照）。

また、第１３乃至第１６超限流遮断器４３〜４６の変流器４３ａ〜４６ａは、当該第１３乃至第１６超限流遮断器４３〜４６に流れる電流Ｉ２ａΣ（Ｉ２ｂΣ）が設定値（しきい値）Ｓ２ａを超えたとき、遮断動作指令を限流ヒューズ４３ｃ〜４６ｃに出力する。これにより、限流ヒューズ４３ｃ〜４６ｃは、遮断動作指令を受けて、動作遅れ時間ＴＬ３（短絡発生時から時間Ｔ２ａｏ経過）後の電流Ｉ２ａｏから限流動作を開始する。これにより、短絡発生時から時間Ｔ２ａ経過後、電流Ｉ２ａΣ（Ｉ２ｂΣ）は０Ａになる（図５中（Ａ）参照）。

また、第１及び第２超限流遮断器３１，３２の変流器３１ａ，３２ａは、当該第１及び第２超限流遮断器３１，３２に流れる電流Ｉｍａ１が設定値（しきい値）Ｓｍａ１を超えたとき、遮断動作指令を限流ヒューズ３１ｃ，３２ｃに出力する。これにより、限流ヒューズ３１ｃ，３２ｃは、遮断動作指令を受けて、動作遅れ時間ＴＬ４後の電流Ｉｍａ１ｏから限流動作を開始する。これにより、短絡発生時から時間Ｔｍａ１経過後、電流Ｉｍａ１は０Ａになる（図５中（Ａ）参照）。

また、第３及び第４超限流遮断器３３，３４の変流器３３ａ，３４ａは、当該第３及び第４超限流遮断器３３，３４に流れる電流Ｉｍａ２が設定値（しきい値）Ｓｍａ２を超えたとき、遮断動作指令を限流ヒューズ３３ｃ，３４ｃに出力する。これにより、限流ヒューズ３３ｃ，３４ｃは、遮断動作指令を受けて、動作遅れ時間ＴＬ５（短絡発生時から時間Ｔｍａ２ｏ経過）後の電流Ｉｍａ２ｏから限流動作を開始する。これにより、短絡発生時から時間Ｔｍａ２経過後、電流Ｉｍａ２は０Ａになる（図５中（Ａ）参照）。

このように、従来方式の過電流検出による短絡保護方式では、各超限流遮断器が電流値と設定値に基づいて限流動作する。
そして、従来方式の過電流検出による短絡保護方式では、これらの超限流遮断器の相互間で協調動作して選択的に遮断保護動作を得ることが極めて困難となっている。すなわち、短絡電流経路の抵抗が小さいほど短絡電流は大きく、また、インダクタンスが小さければ短時間で大短絡電流に到達する。その一方で、超限流遮断器の保護動作は、短絡発生による過電流を検出してから接点を開いて（接点を開極して）短絡電流（事故電流）を限流遮断するようになっているので、過電流検出から接点開極開始までの時間遅れがほぼ２０〜数十ｍsec.存在する。このようなことから、接点が開いてから短絡電流が限流（減少）するときには、構成回路に配置した他の超限流遮断器が既に短絡電流を検出し、遮断動作を開始してしまう。この結果、超限流遮断器の相互間で協調動作して選択的に遮断保護動作を得ることは極めて困難となる。

これに対し、本発明は電圧検出による短絡保護方式であり、短絡発生点ｂ１，ｂ２で短絡が発生した場合には、第６電圧検出器６６は、電圧Ｖｄ（図５中（Ｂ）のａ点）以下になったことを検出して、検出信号Ｓ１Ｂを選択遮断制御装置７１に出力する。そして、選択遮断制御装置７１は、検出信号Ｓ１Ｂが入力されると、最適な超限流遮断器に遮断指令信号を出力する。本例では、最適な超限流遮断器とは、第９乃至第１２超限流遮断器３９，４０，４１，４２になる。

第９乃至第１２超限流遮断器３９，４０，４１，４２では、その遮断指令信号が入力されると、図５中（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、第６電圧検出器６６による電圧Ｖｄの検出から動作遅れ時間ＴＬ後（短絡発生時から時間ＴＶ経過後）、当該第９乃至第１２超限流遮断器３９，４０，４１，４２に流れる電流Ｉ１ａｂ，Ｉ１ｂｂから限流動作を開始する。

ここで、短絡が発生した短絡発生点の電圧変化に着目する。
導電性物体による短絡形態では、その短絡発生点の電圧は、電源電圧と短絡抵抗・回路インダクタンスから決まる短絡電流と短絡抵抗との積で決まる電圧が発生する（下記式参照）。
Ｖｓ＝ｒｓ×ＩΣ
ここで、Ｖｓは短絡発生点の電圧であり、ｒｓは短絡抵抗であり、ＩΣは短絡点に流れ込む短絡電流である。

このとき、短絡発生時の初期電流は０Ａになるので、図５中（Ｂ）に示すように、短絡発生時の初期電圧（第６電圧検出器６６の検出初期電圧）は０Ｖとなり、その後、短絡電流の増加とともに電圧も上昇する。
また、アークによる短絡形態では、短絡電流とアーク抵抗との積で決まるアーク電圧（＝短絡発生点電圧）が発生するが、いずれの短絡形態であっても、短絡発生時の短絡発生点電圧は、短絡発生から極めて短時間に極めて小さい値に急下降することになる。

よって、電圧検出による短絡保護方式にすることで、短絡発生から短時間にその短絡保護動作を実施することができる。すなわち、前述の実施の形態でいえば、短絡発生から短時間に、短絡点近傍の第９乃至第１２超限流遮断器３９，４０，４１，４２を遮断動作させ、かつ第３乃至第８、第１３乃至第２０超限流遮断器３３〜３８、４３〜５０の遮断動作を強制的に禁止することができる。これにより、短絡点に関する回路網と健全回路網とを切り離すとともに、当該健全回路網での電力給電等の通常状態を維持させることができる。本発明によれば、このように、システム全体を停電させることなく、直流給電回路網の短絡事故時の保護を図ることができる。

また、従来の電流検出による短絡保護方式では、短絡発生から限流開始まで時間（Ｔ１ａｏ，Ｔ１ｂｏ）が長くなる。すなわち、前述したように短絡発生点をｂ１，ｂ２とした場合、第９乃至第１２超限流遮断器３９〜４２（限流ヒューズ３９ｃ〜４２ｃ）が短絡発生から時間Ｔ１ａｏ，Ｔ１ｂｏ経過後に限流動作を開始するので、限流開始時の電流値がＩ１ａｏ，Ｉ１ｂｏになっている。

これに対して、本発明を適用した電圧検出による短絡保護方式では、第９乃至第１２超限流遮断器３９〜４２が、短絡発生時から前記時間Ｔ１ａｏ，Ｔ１ｂｏより短い時間ＴＶ経過後に限流動作を開始する。よって、その限流開始時の電流値Ｉ１ａｂ，Ｉ１ｂｂは、従来方式における限流開始時の電流値Ｉ１ａｏ，Ｉ１ｂｏよりも小さくなる。例えば、図５中（Ａ）に示すように、電流Ｉ１ａΣを発生させる回路では、電流値Ｉ１ａｂと電流値Ｉ１ａｏとの間にＩＸの差分がある。このことから、超限流遮断器（保護装置）の遮断容量を低減できることがわかる。よって、第１乃至第２０超限流遮断器３１〜５０は、高速・大遮断容量性能である必要もなくなる。

また、短絡発生から遮断完了までの保護動作時間を短くできるので、より安全なシステム保護が可能となる。例えば、従来方式では、短絡発生から遮断完了するまでの時間がＴ１ａ，Ｔ１ｂになるところを、本発明を適用することで、短絡発生から遮断完了するまでの時間をＴｖｏとして短縮することができる。これにより、より安全なシステム保護が可能になる。

また、前述したように、選択遮断制御装置７１は、第１乃至第８遮断器１１〜１８から入力される当該第１乃至第８遮断器１１〜１８の状態を示す信号をも参照して、超限流遮断器に遮断指令信号を出力している。これにより、第１乃至第８遮断器１１〜１８の動作と選択遮断制御装置７１の信号出力動作とを連動させることで、選択遮断制御装置７１が関連する超限流遮断器に信号を誤出力してしまうことを防止できる。

以上、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、前述の実施の形態として実現されることに限定されるものではない。
すなわち、前述の実施の形態では、第９超限流遮断器３９と第１０超限流遮断器４０との間と、第１１超限流遮断器４１と第１２超限流遮断器４２との間とで短絡事故が発生した場合を例に挙げて、それに対応する動作を説明した。しかし、これに限定されないことはいうまでもない。本発明は、他の部分で短絡が発生した場合にも適用できる。

例えば、図６に示すような表を参照することで、回路網の任意点で短絡が発生した場合でも、それに応じて超限流遮断器を個別に制御することができる。
例えば、前述したように、第９超限流遮断器３９と第１０超限流遮断器４０との間のｂ１と、第１１超限流遮断器４１と第１２超限流遮断器４２との間のｂ２とで短絡事故が発生した場合、表を参照すれば選択遮断制御装置７１は次のような信号を出力すればよくなる。

先ず、選択遮断制御装置７１は遮断指令信号Ｔ５，Ｔ６を出力する。これにより、第９乃至第１２超限流遮断器３９，４０，４１，４２は、遮断動作するようになる。また、選択遮断制御装置７１は第１及び第２超限流遮断器３１，３２には、遮断指令信号Ｔ１及びロック指令信号Ｌ１のいずれも出力しない。これにより、第１及び第２超限流遮断器３１，３２は、非ロック状態となり、通常通りに動作する。また、選択遮断制御装置７１は、前記第９乃至第１２超限流遮断器３９，４０，４１，４２と第１及び第２超限流遮断器３１，３２とを除く全ての超限流遮断器にロック指令信号を出力する。具体的には、選択遮断制御装置７１は、ロック指令信号Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ７，Ｌ８，Ｌ９，Ｌ１０を出力する。これにより、第３乃至第８、第１３乃至第２０超限流遮断器３３〜３８，４３〜５０は遮断動作をしないようになる、すなわち遮断動作がロックされる。

これにより、第１動力３に関する回路網を自己遮断動作により保護し、第１及び第２電池１，２、第２動力４、第１及び第２発電機５，６並びに電動機７に関する回路網を運転継続状態にする。
また、例えば、第１０超限流遮断器４０と第１７超限流遮断器４７との間のａ５と、第１２超限流遮断器４２と第１８超限流遮断器４８との間のａ６とで短絡事故が発生した場合、前記表を参照すれば選択遮断制御装置７１は次のような信号を出力すればよい。

この場合、第３電圧検出器６３が電圧降下を検出して、その検出信号Ｓ１Ｃが選択遮断制御装置７１に入力される。これにより、選択遮断制御装置７１は遮断指令信号Ｔ６，Ｔ９を出力する。これにより、第１０、第１２、第１７及び第１８超限流遮断器４０，４２，４７，４８は、遮断動作するようになる。また、選択遮断制御装置７１は前記第１０、第１２、第１７及び第１８超限流遮断器４０，４２，４７，４８と第１発電機５の前後に位置されている第５及び第６超限流遮断器３５，３６とを除く全ての超限流遮断器にロック指令信号を出力する。具体的には、選択遮断制御装置７１は、ロック指令信号Ｌ１，Ｌ２，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ７，Ｌ８，Ｌ１０を出力する。これにより、第１乃至第４、第７乃至第９、第１１、第１３乃至第１６、第１９、第２０超限流遮断器３１〜３４，３７〜３９，４１，４３〜４６，４９，５０は遮断動作をしないようになる、すなわち遮断動作がロックされる。

一方、選択遮断制御装置７１は、第１発電機５の前後に配置されている第５及び第６超限流遮断器３５，３６には、遮断指令信号Ｔ３及びロック指令信号Ｌ３のいずれも出力しない。これにより、第５及び第６超限流遮断器３５，３６は、非ロック状態において、自己遮断して、第１発電機５を保護する。
このように、第１発電機５に関する回路網を遮断動作により保護し、第１及び第２電池１，２、第１及び第２動力３，４、第２発電機６及び電動機７に関する回路網を運転継続状態にする。

なお、この場合、第１発電機５の前後に位置されている第５及び第６超限流遮断器３５，３６に遮断指令信号Ｔ３を出力してもよい。
ここで、表を用いて選択遮断制御装置７１を動作させる場合には、具体的には、選択遮断制御装置７１に前記表を保持させることが考えられる。これにより、選択遮断制御装置７１が当該表を用いて短絡事故の発生点を特定して、それに応じて最適な超限流遮断器に所望の信号を出力するようにする。すなわち、選択遮断制御装置７１は、短絡事故発生点近傍の超限流遮断器に遮断指令信号を与えて速やかに短絡事故点の切離し動作を行なうとともに、短絡事故発生点以外（短絡事故発生点から離れた）の超限流遮断器にロック指令信号を与えて電流検出動作しないようにする。これにより、超限流遮断器が短絡事故の連鎖動作により不必要な保護動作をしてしまうことを防止して、給電可能電路への給電を継続させてシステム運転の安全を図ることができる。

また、前述の実施の形態において、第１及び第２蓄電池１，２、第１及び第２動力３，４、第１及び第２発電機５，６及び電動機７は、複数の電気機器を構成しており、第１乃至第２０超限流遮断器３１〜５０は、当該複数の電気機器に対応させて配置され、かつ過電流を検出して遮断動作する遮断装置を構成しており、第１乃至第７電圧検出器６１〜６７は、前記直流給電回路網の各位置の電圧を検出する電圧検出手段を構成しており、選択遮断制御装置７１は、前記電圧検出手段の検出結果に基づいて前記直流給電回路網における電圧低下から短絡点を検出し、その検出した短絡点に基づいて各遮断装置の遮断動作を制御する制御手段を構成している。

本発明が適用される直流給電回路網の電路系統図を示す。 前記図１の電路系統図に対応するインピーダンスマップを示す。 前記直流給電回路網の詳細を示す前記電路系統図である。 短絡事故が発生したときの電路系統図に対応するインピーダンスマップを示す。 短絡事故時の保護動作の説明に使用した短絡電流変化等を示す特性図である。 短絡発生部に対応する保護動作（信号出力）を示す図である。 電路系統図（直流給電回路網）の一部を示す図である。 遮断器の保護動作特性を示す特性図である。 短絡発生時の電流挙動を示す特性図である。

符号の説明

１，２ 蓄電池
３，４ 動力
５，６ 発電機
７ 電動機
１１〜２２ 遮断器（気中遮断器）
３１〜５０ 超限流遮断器
３１ａ〜５０ａ 変流器（電流検出器）
３１ｂ〜５０ｂ 検出器
３１ｃ〜５０ｃ 限流ヒューズ
６１〜６７ 電圧検出器
７１ 選択遮断制御装置
Ｌ１〜Ｌ１０ ロック指令信号
Ｔ１〜Ｔ１０ 遮断指令信号

Claims (4)

1. 複数の電気機器と、当該複数の電気機器に対応させて配置され、かつ過電流を検出して遮断動作する遮断装置とを備えた直流給電回路網を保護する直流給電回路網の保護方法において、
   前記遮断装置を、外部からの遮断指令によっても遮断動作させることができるものとし、
   前記直流給電回路網の主回路における電圧低下に基づいて短絡点を検出し、その検出した短絡点に基づいて各遮断装置の遮断動作を制御するとともに、前記電圧低下に基づいて前記短絡点近傍の遮断装置を遮断動作させることを特徴とする直流給電回路網の保護方法。
2. 前記短絡点近傍の遮断装置以外の遮断装置の遮断動作を禁止することを特徴とする請求項１記載の直流給電回路網の保護方法。
3. 複数の電気機器と、当該複数の電気機器に対応させて配置され、かつ過電流を検出して遮断動作する遮断装置とを備えた直流給電回路網を保護する直流給電回路網の保護システムにおいて、
   前記遮断装置を、外部からの遮断指令によっても遮断動作させることができるものとし、
   前記直流給電回路網の主回路における各位置の電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記電圧検出手段の検出結果に基づいて前記直流給電回路網の主回路における電圧低下から短絡点を検出し、その検出した短絡点に基づいて各遮断装置の遮断動作を制御するとともに、前記電圧低下に基づいて前記短絡点近傍の遮断装置を遮断動作させる制御手段と、
   を備えたことを特徴とする直流給電回路網の保護システム。
4. 前記制御手段は、前記短絡点近傍の遮断装置以外の遮断装置の遮断動作を禁止することを特徴とする請求項３記載の直流給電回路網の保護システム。

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