JP5074325B2 - 直流給電装置 - Google Patents

Description

本発明は、直流給電装置に係り、特に、複数の整流器の出力をそれぞれ複数の母線に接続し、その複数の母線を並列接続して複数の負荷に直流電力を供給する冗長化された直流給電装置における地絡事故時の電流を限流する技術に関する。

従来の直流給電装置としては、異なる電力系統にそれぞれ接続された複数の整流器の出力を、それぞれ第１の直流遮断器を介して複数の母線に出力し、それらの母線を並列接続して複数の負荷に直流電力を供給する構成のものが知られている。例えば、特許文献１に記載の直流給電装置は、ダイオードで構成された複数の整流器の直流出力側にそれぞれ直流遮断器を接続し、各直流遮断器に接続されたき電線に電車のパンタグラフを接触させて電力をレールを介して再び整流器に戻す回路を形成している。

このような直流給電装置においては、ダイオード及びサイリスタなど半導体素子の性能向上に伴い、低損失化や大容量化が実現されたことから、一旦、地絡事故が発生すると、並列接続された母線を介して複数の整流器から事故点に電流が供給されて、瞬時に大きな地絡電流が流れるという問題が生じた。

そこで、特許文献１では、整流器への帰線に抵抗、リアクトル、あるいはその両者で構成される限流装置を挿入することにより地絡電流を抑制することが提案されている。

しかし、直流給電装置の帰線に限流装置を接続すると、通常の給電時においても常に損失が発生することから、同文献では、限流装置に直流遮断器を並列接続し、通常時は直流遮断器を閉じて限流装置を短絡して損失の発生を防止するようにしている。

特開平７−１８６７８８号公報

しかしながら、特許文献１の方法によれば、限流装置を短絡する直流遮断器が必要となるため、装置が大型化し、かつコストアップを余儀なくされるという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、通常運転時の損失を抑えつつ、かつ地絡事故時の電流を限流できる直流給電装置を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、異なる電力系統にそれぞれ接続された複数の整流器と、該各整流器の出力にそれぞれ第１の直流遮断器を介して接続された複数の母線と、該各母線にそれぞれ第２の直流遮断器を介して接続された複数の負荷に直流電力を供給する直流給電装置において、前記各母線を互いに限流手段を介して並列接続する構成としたことを特徴とする。

このように構成することにより、一の母線の負荷側の系統に地絡事故が発生した場合、並列接続された母線を介して複数の整流器から事故点に電流が供給されても、事故点に接続された母線以外の母線から供給される事故電流は限流手段によって限流される。したがって、地絡電流を抑えることができるから、第１又は第２の直流遮断器の遮断容量を低く設定しても、安全に地絡電流を遮断して、直流給電装置の信頼性を向上できる。また、通常の運転時には、限流手段に流れる電流は小さいため、損失の発生を低減できるから、効率を損なうことがない。

この場合において、限流手段は、抵抗、リアクトル、リアクトルと抵抗の直列回路のいずれか１つを用いることができる。

また、第１の直流遮断器は、遮断用スイッチと可飽和リアクトルの直列回路と、該直列回路に並列接続された非線形抵抗と、前記直列回路に並列接続されたコンデンサと転流スイッチの直列回路からなる転流式直流遮断器を用いることができる。

本発明によれば、通常運転時の損失を抑えつつ、かつ地絡事故時の電流を限流できる直流給電装置を提供することができる。

以下、本発明を実施形態に基づいて説明する。

（実施形態１）
図１に、本発明の一実施形態の直流給電装置のシステム構成図を示す。本実施形態は、電車のき電線に直流電力を供給する冗長化された直流給電装置である。一般に、電車のき電線には、２つの系統から並列にき電（電力供給）される。き電線は、電圧降下を回避するために、一定区間ごとに区分され、区分ごとに電力供給される。また、一方の系統がダウンしても、他方の系統から電力を融通できるように冗長化されている。

図１に示すように、直流給電装置は、２つの系統１００、２００にそれぞれ接続された２つの変圧器１a、１ｂを電源とする２つの整流器２ａ、２ｂが備えられている。整流器２ａ、２ｂの直流出力の正極側は、それぞれ整流器保護用遮断器である第１の直流遮断器３ａ、３ｂを介してそれぞれ２つの母線４ａ、４ｂに接続されている。一方の母線４ａには、それぞれき電線保護用遮断器である第２の直流遮断器５ａ１、５ａ２を介して、複数の区間に区分されたき電線６ａ、７ａが接続されている。他方の母線４ｂには、それぞれ第２の直流遮断器５ｂ１、５ｂ２を介して、複数の区間に区分されたき電線６ｂ、７ｂが接続されている。き電線６ａ、７ａは例えば上りの電車８にパンタグラフを介して直流電力を供給し、き電線６ｂ、７ｂは例えば下りの電車８にパンタグラフを介して直流電力を供給するようになっている。電車８に供給された直流電力は、レール９と帰線１０を介して整流器２ａ、２ｂの負極側に帰還されるようになっている。このようにして、系統１００の電力は、主に、上りのき電線６ａと下りのき電線７ａに供給され、系統２００の電力は、上りのき電線６ｂと下りのき電線７ｂに送られる。

また、第１の直流遮断器３ａ、３ｂは整流器保護用であり、それらの直流遮断器の２次側に設けられた電流検出器１２ａ、ｂを介して、保護リレー１１ａ、１１ｂにより逆方向電流が検出されたときトリップするようになっている。同様に、第２の直流遮断器５ａ１、５ａ２、５ｂ１、５ｂ２は、それらの直流遮断器の２次側に設けられた電流検出器１４ａ１、１４ａ２、１４ｂ１、１４ｂ２を介して、保護リレー１３ａ１、１３ａ２、１３ｂ１、１３ｂ２により事故電流が検出されたときトリップされるようになっている。

本発明の特徴は、２つの母線４ａ、４ｂを限流手段２１を介して並列接続したことにある。この限流手段２１は、リアクトル、抵抗、あるいはリアクトルと抵抗の直列回路のいずれかで構成する。但し、一方の系統がダウンしたときの電力供給を考えると、抵抗よりもリアクトルの方が損失が少ないので好ましい。

次に、本実施形態の動作について説明する。まず、通常の運転状態では、２つの系統１００、２００の両方の整流器２ａ、２ｂから、それぞれのき電線６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂに直流電力が並列に供給され、これにより一方の系統がダウンしても、き電線６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂへの直流電力の供給が確保される。なお、通常の運転状態では、限流手段２１に流れる電流は２つの系統１００、２００間で融通する電流程度であるから、限流手段２１における損失は小さく、電力効率を損なう程ではない。また、一方の系統がダウンしたときは、他方の系統から母線を介して直流電流が供給されることになるが、その場合でも通常の負荷電流による限流手段２１の損失で収まる。

次に事故時の動作について説明する。まず、図２に示すように、き電線６ａとレール９と間で地絡事故が発生した場合を考える。この場合、地絡事故点１０１には、系統１００側からの地絡電流Ｉ１と系統２００側からの地絡電流Ｉ２の両者が重畳して流れる。この事故電流は電流検出器１４ａ１を介して保護リレー１３ａ１により検出され、保護リレー１３ａ１が動作して、第２の直流遮断器５ａ１をトリップ（開放）する。これにより、き電線６ａがシステムから切り離されるので、他のき電線には直流電力が継続して供給される。

このときの地絡電流Ｉ１、Ｉ２の時間変化を図３に示す。地絡電流Ｉ２は、限流手段２１を介して流れるため、Ｉ１に比べて小さい。ここで、限流手段２１を設けずに母線４ａ、４ｂを直接並列接続すると、地絡電流Ｉ１とＩ２はほぼ同等になり、地絡事故点１０１の電流はＩ３（≒２×Ｉ１）になる。すなわち、限流手段２１によって、第２の直流遮断器５ａ１に要求される遮断容量が小さくて済む。

次に、図４に示すように、系統１００側の整流器２ａと第１の直流遮断器３ａとの間で地絡故障１０２が発生した場合を考える。この場合、系統２００側から地絡電流Ｉ４が流れ込み、電流検出器１２ａを介して保護リレー１１ａが逆方向電流を検出して動作し、第１の直流遮断器３ａをトリップする。また、変圧器１ａの１次側に設けられた図示していない交流遮断器は、変圧器１aの１次側に設けられた保護リレーでトリップされる。このとき、系統２００側から流れる地絡電流Ｉ４は、限流手段２１を介して流れるため地絡電流は低減されるから、第１の直流遮断器３ａに要求される遮断容量は、限流手段２１を挿入しない場合に比べて、小さくて済む。

以上述べたように、本実施形態によれば、限流手段２１を介して２つの母線４ａ、４ｂを並列接続することによって、第１の直流遮断器３ａ、３ｂ及び第２の直流遮断器５ａ１、５ａ２、５ｂ１、５ｂ２に要求される遮断容量が軽減されるから、直流給電装置の小形化及びコスト低減を実現できる。

（実施形態２）
図５に、本発明の他の実施形態の直流給電装置のシステム構成図を示す。本実施形態が実施形態１と異なる点は、実施形態１の第１の直流遮断器３ａ、３ｂ、及び第２の直流遮断器５ａ１、５ａ２、５ｂ１、５ｂ２として、図６に記載の転流式直流遮断器３００を用いたことにある。図５及び図８では、第１の直流遮断器５ａ１の部分にて転流式直流遮断器３００の構成を記載しているが、他の直流遮断器についても同一の転流式直流遮断器が用いられている。その他の点は、実施形態１と同一であることから、同一符号を付して説明を省略する。

転流式直流遮断器３００の構成及び動作原理を図６にて説明する。転流式直流遮断器３００は、予め充電したおいたコンデンサによって直流電流に高周波電流を印加し、強制的に電流のゼロ点を生成することによって遮断する装置である。コンデンサ３０２は、図示していない直流充電装置によって、常時充電された状態になっている。転流式直流遮断器３００は、真空バルブが適用される遮断用スイッチ３０１に可飽和リアクトル３０５を直列に接続して主回路が形成されている。遮断用スイッチ３０１と可飽和リアクトル３０５の直列回路に非線形抵抗３０４が並列接続されている。さらに、遮断用スイッチ３０１と可飽和リアクトル３０５の直列回路にコンデンサ３０２と転流スイッチ３０３の直列回路が並列に接続されている。ここで、非線形抵抗３０４は、遮断用スイッチ３０１が遮断した後、回路のインダクタンスに蓄積されたエネルギーを吸収するための抵抗である。

このように構成される転流式直流遮断器３００では、遮断用スイッチ３０１が開極され、まだ遮断が完了していないときに（遮断用スイッチ３０１の開極がアークで電気的に接続されている状態）、転流スイッチ３０３を投入して、予め充電されたコンデンサ３０２と可飽和リアクトル３０５の共振によって、例えば、周波数１〜２ｋＨｚの高周波電流Ｉｈを地絡電流Ｉに重畳させるようになっている。 一方、遮断用スイッチ３０１の真空バルブスイッチは、１ｋＨｚ以上の周波数領域になると、周波数に比例して遮断性能が劣化する。そこで、珪素鋼板の積層構造となっている可飽和リアクトル３０５を遮断用スイッチ３０１に直列に接続している。可飽和リアクトル３０５は、電流がゼロに近づくについて、鉄心の飽和が解消されてインダクタンスが急激に増加し、電流変化率ｄｉ／ｄｔが低減されて、遮断用スイッチ３０１により遮断しやすくなる。

このように構成される転流式直流遮断器３００の遮断方法について説明する。図７に、地絡電流遮断時の電流波形を示す。例えば、図２と同様に、事故点１０１においてき電線が地絡して地絡電流Ｉが発生すると、保護リレー１３ａ１が動作して転流式直流遮断器３００（図２記載の第２の直流遮断器５ａ１）をトリップさせる。このとき、転流式直流遮断器３００は、遮断用スイッチ３０１を開極し、転流スイッチ３０３を投入する。これにより、コンデンサ３０２から高周波電流Ｉｈが地絡電流Ｉに重畳され、図７に示すように、合成電流（Ｉ＋Ｉｈ）が最初にゼロになる時点で、遮断用スイッチ３０１の遮断が完了する。

また、図４と同様に、系統１００側の整流器２ａで地絡故障が発生した場合の本実施形態の動作を図８を用いて説明する。図８において、事故点１０２には系統２００側からも地絡電流Ｉ４が流れこむ。この場合、転流式直流遮断器３００には、通常の運転時とは逆向きの電流が流れることになる。その地絡電流Ｉ４を保護リレー１１ａが検知して動作し、転流式直流遮断器３００及びトランス１ａの１次側の交流遮断器を開放する。

このとき転流式直流遮断器３００に流れる電流波形を図９に示す。コンデンサ３０２は、あらかじめ順方向の電流に対応するように充電されているため、逆方向に流れる電流に対しては、高周波電流Ｉｈの第２波目で電流のゼロ点を生成することになる。高周波電流Ｉｈの重畳回路の抵抗分によって、高周波電流Ｉｈは時間とともに減衰するため、逆方向の電流は順方向に比べて遮断しにくくなる。

更に、高周波電流Ｉｈによって地絡電流Ｉのゼロ点を生成しようとしても、電流がゼロに近づくと、可飽和リアクトル３０５のインダクタンスが急激に増加するため、高周波電流Ｉｈの一部Ｉｈ２は、遮断用スイッチ３０１ではなく、図１０に示すように、母線４ａ及び４ｂを介して系統２００の整流器２ｂ側に分流してしまう。この分流により、電流のゼロ点の生成が困難になり、ますます遮断しにくくなってしまう。なお、電車８からレール９側に流れるルートも存在するが、インピーダンスの大きい電車８のモータを介するため無視できる。

しかし、本実施形態によれば、限流手段２１を設けていることから、事故点１０２における地絡事故を遮断することができる。ここで、図９の遮断時における電流波形を用いて、限流手段２１の効果について説明する。限流手段２１がある本発明の場合の電流波形を実線、限流手段２１がない場合の電流波形を点線で示してある。限流手段２１によって系統２００側から流れる地絡電流Ｉが低減され、更に、高周波電流Ｉｈの系統２００の整流器２ｂへの分流を抑制できる。そのため、高周波電流Ｉｈによる電流ゼロ点の生成が容易となり、遮断性能が向上する。すなわち、順方向に比べて逆方向電流が遮断しにくい転流式直流遮断器３００にとって、２つの母線４ａ、４ｂを並列接続する部位に設けた限流手段２１は特に有効に作用する。

以上、２系統に冗長化された直流給電装置の実施形態に基づいて本発明を説明したが、３系統以上に冗長化された直流給電装置に本発明を適用して、同様の効果を奏することができることはいうまでもない。

本発明の直流給電装置の一実施形態のシステム構成図である。 図１の実施形態のき電線における地絡事故時の動作を説明する図である。 図１の実施形態のき電線の地絡事故時における限流手段の効果を説明する図である。 図１の実施形態の整流器における地絡事故時の動作を説明する図である。 本発明の直流給電装置の他の実施形態のシステム構成図である。 図５の実施形態の転流式直流遮断器の構成図である。 図５の実施形態のき電線の地絡事故時における転流式直流遮断器による遮断時の電流波形を示す。 図５の実施形態の整流器における地絡事故時の動作を説明する図である。 図５の実施形態の整流器における地絡事故時の動作において、限流手段により転流式直流遮断器３００の遮断失敗を防げることを説明する電流波形図である。 図５の実施形態の整流器における地絡事故時において、転流式直流遮断器による遮断動作を説明する図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ 変圧器
２ａ、２ｂ 整流器
３ａ、３ｂ 第１の直流遮断器
４ａ、４ｂ 母線
５ａ１、５ａ２、５ｂ１、５ｂ２ 第２の直流遮断器
６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂ き電線
８ 電車
９ レール
１０ 帰線
１１ａ、１１ｂ 保護リレー
１２ａ、１２ｂ 電流検出器
１３ａ１、１３ａ２、１３ｂ１、１３ｂ２ 保護リレー
１４ａ１、１４ａ２、１４ｂ１、１４ｂ２ 電流検出器
２１ 限流手段

Claims (2)

1. 異なる電力系統にそれぞれ接続された複数の整流器と、該各整流器の出力にそれぞれ第１の直流遮断器を介して接続された複数の母線と、該各母線にそれぞれ第２の直流遮断器を介して接続された複数の負荷に直流電力を供給する直流給電装置において、
   前記各母線は、互いに限流手段を介して並列接続され、
   前記第１の直流遮断器は、遮断用スイッチと可飽和リアクトルの直列回路と、該直列回路に並列接続された非線形抵抗と、前記直列回路に並列接続されたコンデンサと転流スイッチの直列回路からなる転流式直流遮断器であることを特徴とする直流給電装置。
2. 請求項１に記載の直流給電装置において、
   前記限流手段は、抵抗、リアクトル、リアクトルと抵抗の直列回路のいずれか１つであることを特徴とする直流給電装置。

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