JP4394301B2 - 限流装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、交流及び直流の電力系統において短絡事故が発生した際に、短絡電流を制限するとともに短絡事故が発生した電力系統を高速で切り離すための限流装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
低圧、高圧、特別高圧及び超高圧の系統など全ての電力系統において、その大容量化と系統の連系範囲の拡大に伴って、電力系統に短絡事故が発生したときに流れる短絡電流が増大する傾向にある。この短絡電流を抑制し短絡が発生した電力系統を電源から切り離すために、電力系統に限流装置を設ける必要がある。
【０００３】
従来の複合型の限流装置の一例を図８に示す。図８の限流装置１００は、高速遮断器１０１に、スイッチング素子として働くゲートターンオフサイリスタ（以下、ＧＴＯと略記する）１０２と限流インピーダンス素子１０４を組み合わせたものである。２つのＧＴＯ１０２は、互いに極性を逆にして並列接続されたいわゆる逆並列接続になされている。ＧＴＯ１０２には、それぞれＧＴＯへの過渡電流を吸収したり、過電圧を抑制するためのコンデンサや抵抗で構成されるスナバ装置１０３が並列に接続されている。ＧＴＯ１０２の逆並列接続体には、ＺｎＯ素子からなる避雷素子あるいは抵抗体等による限流インピーダンス素子１０４、及び高速遮断器１０１がそれぞれ並列に接続されている。発電機等の電源１０７から限流装置１００を経て負荷１０５に電力が供給されている電力系統において、短絡事故等が発生しておらず正常に電力が供給されている状態（以下通常時という）では、電流は閉となっている高速遮断器１０１を通って電源１０７から負荷１０５に流れる。このとき２つのＧＴＯ１０２はいずれもオフの状態にある。図８の回路図は単相の電力系統を示しているが、三相の電力系統では各相に限流装置１００を設ければよい。
【０００４】
次に負荷１０５の近傍の事故点Ｋで短絡事故が発生した場合について限流装置の動作を説明する。短絡事故が発生すると、通常時の電流より大幅に大きい電流（以下過電流という）が高速遮断器１０１を経て流れる。過電流は図示を省略した電流検出装置により検出され、その出力の検出信号によって高速遮断器１０１が開く。高速遮断器１０１の接点は機械的手段により開くので、両接点１０１Ａ、１０１Ｂ間にアークが発生する。このアークによりアーク電圧（遮断時電圧）が発生する。アーク電圧は定格６ｋＶの遮断器では２０Ｖ程度である。また、過電流を検出した電流検出装置は両ＧＴＯ１０２のゲートにゲート電流を流し、ＧＴＯ１０２はオンとなる。その結果、アーク電圧により高速遮断器１０１を流れていた過電流はＧＴＯ１０２に転流してアークは消滅する。所定時間後ＧＴＯ１０２をオフにすると、ＧＴＯ１０２に転流した過電流は、今度はＺｎＯ素子等を有する限流インピーダンス素子１０４に転流し最終的に抑制される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
逆並列に接続されたＧＴＯ１０２などの半導体スイッチング素子と、高速遮断器１０１及び限流インピーダンス素子１０４が並列に接続された前記従来の複合型限流装置の動作は次の通りである。短絡事故による過電流を検出して半導体スイッチング素子のゲートにゲート電流が流されたとき、両接点１０１Ａ、１０１Ｂ間のアーク電圧が半導体スイッチング素子のアノードとカソード間に印加されることにより半導体スイッチング素子はオンとなる。高速遮断器１０１のアーク電圧が半導体素子のオン電圧に比べ十分大きければ、高速遮断器１０１を流れる過電流は半導体スイッチング素子に転流する。高電圧の電力系に用いる限流装置では、半導体スイッチング素子を多数直列に接続して高電圧に耐えるようにする必要があるが、多数の半導体スイッチング素子を直列に接続すると、その直列接続体のオン電圧が３０Ｖ以上になることがある。高速遮断器１０１のアーク電圧はせいぜい１５Ｖから２０Ｖであるためアーク電圧がオン電圧より低く、半導体スイッチング素子に過電流を高速に転流することができない。従って過電流を高速遮断器１０１から半導体スイッチング素子へ転流できなかったり、転流に要する時間が長くなったりする。本発明はこの点を改良することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の限流装置は、電源と負荷との間に接続された、電源と負荷との間の電路を遮断する遮断器と転流用装置との直列接続体、及び前記遮断器と転流用装置との直列接続体に並列に接続された限流インピーダンス素子を有する。本発明によれば、異常時の大電流は転流装置により限流インピーダンス素子に転流されて限流される。本発明の他の観点の限流装置は、電源と負荷との間に接続された、電源と負荷との間の電路を遮断する遮断器と、前記電路に規定値以下の電流が流れる正常時には抵抗が極めて小さく、電路に短絡による異常な大電流が流れ遮断器が電路を遮断する異常時には抵抗が増加する転流用装置との直列接続体、前記電源と負荷との間に接続され前記異常時にオンになされる、半導体スイッチング素子の逆並列接続体、及び前記半導体スイッチング素子に並列に接続され、前記異常時にオンになった半導体スイッチング素子が所定時間後オフになされた後、電流を限流する限流インピーダンス素子を有する。本発明によれば、短絡により異常な大電流が流れたとき、転流用装置の抵抗が増大するので、転流用装置の両端子間の電圧が大きくなる。その結果半導体スイッチング素子に印加される電圧が大きくなる。従って複数の半導体スイッチング素子を直列に接続して高耐電圧にした限流装置において、半導体スイッチング素子の直列接続体のオン電圧が高い場合でも、前記半導体スイッチング素子の直列接続体をオンにして、遮断器を流れる電流を半導体スイッチング素子に転送させることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な実施例を図１から図６を参照して説明する。
《第１実施例》
図１は本発明の第１実施例の限流装置１の回路図である。図において、限流装置１は電源１０７と負荷１０５との間に設けられている。限流装置１の端子１Ａ、１Ｂの間には、逆阻止型半導体スイッチング素子の一種である２つのＧＴＯ（ゲートターンオフサイリスタ）２が逆並列に接続されている。２つのＧＴＯ２にはそれぞれスナバ装置３が接続されている。端子１Ａと１Ｂとの間には、転流用装置である逆並列接続の２つのダイオード５と、高速遮断器１０の直列接続体が接続されている。ＧＴＯ２にはさらに、避雷素子や抵抗等による限流インピーダンス素子４が並列に接続されている。本実施例の限流装置１では、短絡事故等が発生しておらず正常に電力が供給されている通常時には、高速遮断器１０及び逆並列接続のダイオード５を経て電流が負荷１０５に流れる。このとき、ダイオード５のオン抵抗により損失が発生するが、オン抵抗の低いダイオードを用いれば損失は少ない。
【０００８】
負荷１０５の近くの事故点Ｋで短絡事故が発生すると、高速遮断器１０及びそれに直列に接続された逆並列接続のダイオード５を通常時より大幅に大きい電流（過電流）が流れる。過電流は図示を省略した既知の検出器で検出され、その検出出力により高速遮断器１０の接点１０Ａと１０Ｂが開離する。この開離によって高速遮断器１０の接点１０Ａと１０Ｂ間にアークが発生し、アーク電流により接点１０Ａと１０Ｂとの間にアーク電圧が発生する。例えば高速遮断器１０が定格６ｋＶの真空遮断器の場合、アーク電圧は約２０Ｖである。過電流がダイオード５を流れると、ダイオード５のオン抵抗によりオン電圧が大幅に増加する。ダイオード５として例えば、耐圧１５００ＶのＳｉＣショットキーダイオードを用いる場合、通常時にはそのオン電圧が約１Ｖであるのに対し、過電流が流れるときはオン電圧は約１０Ｖになる。過電流によりダイオード５の温度が上昇すればさらにオン電圧は高くなる。ダイオード５のオン電圧が１０Ｖのとき、高速遮断器１０の約２０Ｖのアーク電圧とあわせて約３０Ｖの電圧（以下、遮断時電圧という）がＧＴＯ２のアノードとカソード間に印加される。ＧＴＯ２のアノードとカソード間に印加される遮断時電圧が前記従来のものの２０Ｖから３０Ｖへ増加すると、それにより、高速遮断器１０とダイオード５を流れる過電流がＧＴＯ２に転流するために要する時間、すなわち転流完了時間が短くなる。転流完了時間は、高速遮断器１０に接点を開くための信号が印加されてから、実際に接点が開くまでの時間の開極時間と、ＧＴＯ２への転流時間の合計で表される。遮断時電圧が２０Ｖのとき０．５５ミリ秒であった転流完了時間は、遮断時電圧が約３０Ｖになると０．４７ミリ秒になり、０．０８ミリ秒短縮された。本実施例の高速遮断器１０の開極時間は０．２５ミリ秒である。
【０００９】
例えば、限流装置１がない場合の短絡事故時の推定過電流が１２．５ｋＡである電力系統に、図８に示す従来の高速遮断器１０１に直列にダイオードを接続していない限流装置１００を設けると、過電流は１．７ｋＡになる。しかし図１の本実施例の限流装置１を設けると１．４５ｋＡに低減できた。また、低圧の４００Ｖ電力系統の例では、推定過電流が６０ｋＡの電力系統に、図８の従来例のものを設けると、過電流は８．２ｋＡになるが、本実施例の限流装置１を設けると、過電流は７ｋＡに低減される。すなわち本実施例では従来例より過電流が１．２ｋＡ減少する。
【００１０】
《第２実施例》
本発明の第２実施例の限流装置２０を図２から図４を参照して説明する。図２は本実施例の限流装置２０の回路図である。図２において、高速遮断機１０に直列に転流用装置６が接続されている。その他の構成は前記の第１実施例と同じであるので重複する説明は省略する。本実施例における転流用装置６は、例えば図３に示す電圧−電流特性を有する双方向通電型素子８である。図３に示すように、転流用装置６を流れる電流Ｉが所定の電流±Ｉ１以下の範囲では、電流−電圧特性の勾配が大きく従って抵抗は小さい。そこで通常時の電流を、電流±Ｉ１以下に設定すると、オン電圧は電圧±Ｖ１以下となり、十分に低い値となる。前記の電流±Ｉ１を超える大きな電流の過電流が流れると、電流−電圧特性の勾配が小さくなり、抵抗が大きくなって電流値がほとんど増加しない飽和特性を示す。この飽和特性により過電流をＧＴＯ２に転流あるいは高速に転流することができる。
【００１１】
双方向通電型素子８の具体例としては、炭化珪素（ＳｉＣ）などのワイドギャップ半導体材料を用いた半導体素子がある。ワイドギャップ半導体材料を用いる半導体素子は、シリコン（Ｓｉ）を用いる半導体素子に比べて通電時の電力損失が大幅に低く、耐熱性もすぐれている。ＳｉＣを用いた双方向通電型素子８の一例を図４の断面図に示す。以下図４を参照してＳｉＣ双方向通電型素子８の構成及び製作方法を説明する。図４において、厚さ約３５０μｍの高不純物濃度の窒素を含むｎ型のＳｉＣ基板であるカソード領域１１の上に、厚さ約１０μｍの低不純物濃度の窒素を含むｎ型のＳｉＣのドリフト層１２を形成する。ドリフト層１２の上部領域に、イオン打ち込み法等により、ホウ素又はアルミニウム等のｐ型不純物を所定の間隔を隔てて深さ約１．５μｍまで打ち込み、ｐ型領域１３を形成する。さらに、ｐ型領域１３の間に、窒素などのｎ型不純物をイオン打ち込み法などにより深さ約０．２μｍまで打ち込み、ｎ型領域１４を形成する。カソード領域１１の下面にカソード電極１５を形成し、ｐ型領域１３及びｎ型領域１４の上面にアルミニウム等の金属によりアノード電極１６を形成する。図４に示す例のＳｉＣ双方向通電型素子８は紙面に垂直な方向に長いストライプ状であるが、他の例の形状は例えば円形や四角形等であってもかまわない。２つの双方向通電型素子８を逆向きに直列接続することにより、図３の電流−電圧特性を有する転流用装置６が得られる。
【００１２】
本実施例において、通常時に限流装置２０を３００Ａの電流が流れているときの双方向通電型素子８のオン電圧は０．２Ｖである。短絡事故時の推定過電流が６０ｋＡの電力系統に本実施例の限流装置２０を設けた場合、短絡事故が発生すると約０．２ミリ秒の間約３ｋＡの過電流が流れる。そのときの双方向通電型素子８のオン電圧は約２５Ｖとなり、高速遮断器１０の約２０Ｖのアーク電圧より大きくなる。従って、高速遮断器１０が開極する直前のアーク電圧が発生していないときでも、双方向通電型素子８のオン電圧がＧＴＯ２のオン電圧を上回り、ＧＴＯ２にゲート電流を流し、ＧＴＯをオン状態にすると、過電流はＧＴＯ２に転流する。転流に要する時間は高速遮断器１０の開極時間の０．２５ミリ秒とほぼ同じである。
【００１３】
本実施例の限流装置２０を定格６ｋＶの電力系統に実際に用いた場合の短絡事故時の過電流は５．２ｋＡであった。第１実施例の限流装置１では同じ定格電圧６ｋＶの電力系統での過電流は８．２ｋＡなので過電流は３ｋＡ減少した。５０ｋＶ以上の特別高圧電力系統において、図８の従来の限流装置１００を用いる場合、逆阻止型半導体スイッチング素子のＧＴＯ１０２を多数直列に接続する必要があった。例えば、電圧７７ｋＶの電力系統に適用する実際の装置では、耐圧６ｋＶのＧＴＯ１０２をを２０個以上直列に接続する必要があった。１つのＧＴＯ１０２のオン電圧は約４Ｖなので、２０個直列に接続すると合計のオン電圧は８０Ｖとなっていた。遮断器１０１のアーク電圧はせいぜい２０Ｖから３０Ｖであるため、ＧＴＯ１０２をオンにすることはできず遮断器１０１を流れる過電流をＧＴＯ１０２に転流できなかった。本実施例の限流装置２０では、４ないし５つの双方向通電型素子８を直列に接続することにより過電流時の遮断時電圧を１００Ｖ以上にすることもできるので、前記電圧７７ｋＶの電力系統においてもＧＴＯ２をオンにして過電流をＧＴＯ２に転流することができる。
【００１４】
《第３実施例》
本発明の第３実施例の限流装置２５を図５を参照して説明する。限流装置２５は転流用装置２６に超電導線材あるいは超電導薄膜等の超電導体２７を用いている。その他の構成は第２実施例と同じである。超電導線材あるいは超電導薄膜などの超電導体２７は、通電電流が一定値を超えると超電導状態から常電導状態になるクエンチを引き起こす。このときの電流を「臨界電流」と呼んでいる。図６は超伝導体２７の電圧電流特性を示すグラフである。図において、超電導体２７を流れる電流Ｉが臨界電流Ｉｃより小さいときは抵抗が零であるので電圧Ｖも零である。電流Ｉが臨界電流Ｉｃを超えると常電導状態の抵抗が生じ、それに応じて電圧Ｖが高くなる。本実施例の限流装置２５を電力系統に用いるときは、臨界電流Ｉｃが通常時の電流より十分大きくなるように、超電導体２７を設計する。超電導状態が保たれている超電導体２７の抵抗は零であるので熱損はない。電力系統に短絡事故が発生し、高速遮断器１０及び超電導体２７を流れる過電流が臨界電流Ｉｃを超えると、超電導体２７はクエンチを引き起こし抵抗を発生する。本実施例の限流装置２５の場合、超電導体２７は過電流を遮断器１０からＧＴＯ２に転流するための電圧を発生すればよい。例えば過電流が５ｋＡのとき、端子２５Ａと２５Ｂ間に電圧１００Ｖを発生するためには、抵抗は２０ｍΩでよい。超電導体２７として線材を用いるときは、線材の１ｍ当たりの抵抗が５０ｍΩのものであれば、０．４ｍですむ。従って、本実施例の限流装置２５では高価な超電導材料の使用量が少なく装置のコストは低い。仮にＧＴＯ２や限流インピーダンス素子４を用いずに超電導の線材だけで構成した限流装置を７７ｋＶの電力系統に適用したとすると、３０ｋＡの短絡電流を１０ｋＡに限流するために必要な抵抗は約１８Ωである。超電導線材の常電導状態における１ｍ当たりの抵抗値が５０ｍΩとすると、上記の限流効果を得るためには約３６０ｍの超電導線材が必要となる。従って、このような装置は極めて高価になる。本実施例で必要な超伝導線材は前記のように０．４ｍなのでそのコストは大幅に低い。
【００１５】
《第４実施例》
図７は本発明の第４実施例の限流装置３５の回路図である。本実施例では、前記の第１から第３実施例の逆阻止型半導体スイッチング素子のＧＴＯ２の代わりに、IGBT、MOSFETなどの逆導通型の半導体スイッチング素子３１を使用している。逆導通型の半導体スイッチング素子３１は逆耐電圧が低いので、逆方向の通電を阻止するために各半導体スイッチング素子３１に直列に順方向のダイオード３２を接続している。転流用装置３６は、第１実施例のダイオード５、第２実施例の双方向導通型通電型素子８、第３実施例の超電導体２７のいずれでもよい。その他の構成は前記第１から第３実施例の構成と同じである。IGBTやMOSFETなどは電圧駆動型のスイッチング素子であるので、過電流が大きく複数のスイッチング素子３１を並列接続する必要がある場合でも、並列接続した複数のスイッチング素子３１間の電流のバランスが自動的にとれる。そのため多くのスイッチング素子３１を並列接続でき、大きな過電流に対応した限流装置を容易に作ることができる。以上の各実施例の限流装置は、高速遮断器に直列に転流用装置を接続した直列接続体に、半導体スイッチング素子及び限流インピーダンス素子を並列に接続しているが、前記直列接続体に限流インピーダンス素子のみを並列に接続し、限流インピーダンス素子に転流させる限流装置も実施可能である。この例では転流時間がやや長くなるが構成が簡単であり、コストが安い。
【００１６】
【発明の効果】
以上各実施例について詳細に説明したところから明らかなように、本発明の限流装置は、高速遮断器に直列に、通常時は抵抗が０あるいは非常に小さく、過電流が流れたときは高抵抗になる転流用装置を備えている。過電流通電時に転流用装置の抵抗が大きくなるため高いオン電圧が発生し、このオン電圧が高速遮断器のアーク電圧に加算されて高い遮断時電圧が得られる。これにより、半導体スイッチング素子は高速でオンになり、過電流を半導体スイッチング素子に転流させることができるので、高速遮断器を流れる過電流を短時間で遮断して限流インピーダンスに転流できる。転流用装置にＳｉＣ等のワイドギャップ半導体素子や超電導材料を用いることにより、限流装置に通常電流が流れるときの損失を極めて小さくできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の限流装置及びその使用状態を示す回路図
【図２】本発明の第２実施例の限流装置及びその使用状態を示す回路図
【図３】本発明の第２実施例の転流用装置の電流電圧特性
【図４】本発明の第２実施例の双方向通電型素子の断面図
【図５】本発明の第３実施例の限流装置及びその使用状態を示す回路図
【図６】本発明の第３実施例の転流用装置の電流電圧特性
【図７】本発明の第４実施例の限流装置及びその使用状態を示す回路図
【図８】従来の限流装置及びその使用状態を示す回路図
【符号の説明】
１、２０、２５、３５、１００ 限流装置
２ ＧＴＯ
３ スナバ装置
４ 限流インピーダンス素子
５ ダイオード
６ 転流用装置
８ 双方向通電型素子
１０、１０１ 高速遮断器
１１ カソード領域
１２ ドリフト領域
１３ ｐ型領域
１４ ｎ型領域
１５ カソード電極
１６ アノード電極
１０２ ＧＴＯ
１０３ スナバ装置
１０４ 限流インピーダンス素子
１０５ 負荷
１０７ 電源

Claims (7)

1. 電源と負荷との間に接続されると共に、電源と負荷との間の電路を、その電路に短絡による異常な大電流が流れたときに遮断する遮断器と、前記電路に規定値以下の電流が流れる正常時には抵抗が極めて小さく、前記電路に前記異常な大電流が流れて、前記遮断器が電路を遮断する異常時には抵抗が増加する転流用装置との直列接続体、
   前記直列接続体に並列に接続され前記異常時にオンになる、半導体スイッチング素子の逆並列接続体、及び
   前記半導体スイッチング素子に並列に接続され、前記異常時にオンになった半導体スイッチング素子が所定時間後オフになった後、電流を限流する限流インピーダンス素子
   を有する限流装置。
2. 前記転流用装置が、複数のダイオードの逆並列接続体である請求項１記載の限流装置。
3. 前記転流用装置が、双方向通電型素子である請求項１記載の限流装置。
4. 前記半導体スイッチング素子が逆導通型半導体素子とダイオードの直列接続体である請求項１記載の限流装置。
5. 前記半導体スイッチング素子が逆阻止型半導体素子である請求項１記載の限流装置。
6. 前記異常時であって、かつ、前記遮断器が開離した後において、前記遮断器内に発生するアークに基づいて前記遮断器の両端の間に生成するアーク電圧と、前記転流用装置の両端間の電圧との和を、前記半導体スイッチング素子の逆並列接続体に印加することを特徴とする請求項１記載の限流装置。
7. 前記電路に短絡による異常な大電流が流れたときを、電流検出器で過電流を検出することによって判断することを特徴とする請求項１記載の限流装置。

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