JP5199739B2 - 半導体電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、直流送電や電力系統の周波数変換などに用いる高電圧の半導体電力変換装置に係わり、特に光エネルギおよび光信号を伝送するライトガイドの支持についての半導体電力変換装置に関する。

従来、電力の安定供給を目的とした大容量直流送電や異周波数系統間の電力融通において、高効率な半導体電力変換装置が多方面で使用されている。現在、国内でも系統を連系する直流送電、周波数変換設備が稼動しており、これらの設備はさらなる高電圧・大容量化に対応できることが望ましい。
運転実績、保守・点検作業の容易さから、半導体電力変換装置の主流となっている空気絶縁方式サイリスタバルブは、複数の半導体素子を直列または直並列に接続した半導体スタックを含むモジュールが、互いに絶縁を確保して多段積みされる構造となっている。

これら複数のモジュール間や各モジュールと対地間には、大容量であることから大きな電位差が生じるため、装置の制御・監視に必要なエネルギおよび信号の授受には光を用い、この光は絶縁性能の高いライトガイドによって伝送されている。
また、変電設備の高電圧・大容量化に伴い、ライトガイドの表面電位を安定させることを目的として、各モジュールの電位を該各モジュールに近接するライトガイドへ強制的に与える電位固定が行なわれている(例えば、特許文献１等)。
特開昭５１−８１６５７号公報(２頁右欄１９行〜右下欄９行等) 実開昭５４−１１２１４６号公報(実用新案登録の範囲) 特開昭６３−８０７６１号公報(３頁左下欄９行〜右下欄１０行、図１等)

ところで、半導体電力変換装置に用いられるライトガイドは、高電圧部位と低電圧部位の間に布設されるため、両端の電位差が大きく、ライトガイドの表面電位が不安定であると部分放電が発生して寿命劣化の可能性がある。
この部分放電を抑制するために、従来から金具を用いてライトガイドを固定することで、モジュールフレームの電位をライトガイド表面に与え、表面電位の安定化を図っている(例えば、特許文献３)。しかし、強制的にライトガイドに電位を与えることで、ライトガイドにおいて電界の集中を招く可能性があり、より安全な方法での電位安定化が求められている。

また、長期運用の過程でライトガイド表面に汚損物質が付着して低抵抗域が現出し絶縁性能が低下することが考えられる。そこで、汚損物質等の付着抑制のために周囲へ絶縁ダクトを設置する方法があるが、ライトガイドと絶縁ダクト間で電位差が生じた場合、ここで部分放電が発生するといった問題がある。
本発明は上記実状に鑑み、長期間の運用が求められる半導体電力変換器に対して、光の授受に用いるライトガイドの絶縁性能および長期信頼性を向上し得る半導体電力変換装置の提供を目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明に関わる半導体電力変換装置は、オン・オフ動作する複数の半導体素子を接続した半導体スタックを含むモジュールが、互いに絶縁され多段積みされる半導体電力変換装置であって、アース電位に設置される制御装置とモジュールとの間で授受される光を伝送するためのライトガイド部材と、ライトガイド部材の周囲を覆うとともに、ライトガイド部材が密着され固定される内面を有する絶縁ダクト部材とを備えている。

本発明に関わる半導体電力変換装置によれば、光エネルギおよび光信号の授受に用いるライトガイドの絶縁性能および長期信頼性を向上できる半導体電力変換装置を実現できる。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係る実施形態の半導体電力変換装置Ｓのライトガイド束１の配設構造を示す正面図である。図２(ａ)は、図１のＡ−Ａ線拡大断面図であり、図２(ｂ)は、図２(ａ)に示すライトガイド束１の配設構造の組み立てを示す分解図である。

＜＜半導体電力変換装置Ｓの全体構成＞＞
実施形態の半導体電力変換装置Ｓ(図１参照)は、空気絶縁方式サイリスタバルブを用いたものであり、複数の半導体素子(図示せず)を直列または直並列に接続した半導体スタック９を含むモジュールＭが、図１に示すように、空間１１を間におくことにより空気によって互いに絶縁を確保して、鉛直方向(図１の紙面上下方向)に多段積みされる構造を有している。すなわち、半導体電力変換装置Ｓは、図１に示すモジュールＭが地面から上方(図１の紙面上方向)に向かって鉛直方向に空間１１を介在して多段に積層されている。
なお、半導体電力変換装置Ｓの全体構成は、図示を省略している。

ここで、モジュールＭとは、複数の半導体素子を接続した半導体スタック９と、該半導体スタック９が支持され固定される例えば鋼板製のモジュールフレーム７とをいう。
これらの複数のモジュールＭ間や各モジュールＭと対地間には大きな電位差が生じるため、半導体電力変換装置Ｓの制御および監視に必要なエネルギおよび信号の授受は、光を用いて行なっている。この光は、絶縁性能が高い図１に示すライトガイド１ｇによって伝送されている。
このライトガイド部材１ｇは、アース電位に設置される制御装置(図示せず)とモジュールＭとの間で授受される光を伝送するための部材である。

光を伝送するライトガイド１ｇは、図１に示すように、半導体スタック９に接続部９ｓで接続され、複数本束ねられライトガイド束１とされて、モジュールフレーム７に固定された支持側絶縁ダクト２の内面２ａ1に束線バンド５で密着固定される(図２(ａ)参照)とともに、支持側絶縁ダクト２およびカバー側絶縁ダクト３内を挿通され、複数のモジュールＭの上下間等に設けられている。
このように、ライトガイド１ｇが、図２(ａ)に示すように、複数本束ねられ互いに密着したライトガイド束１とされるとともに絶縁体である支持側絶縁ダクト２の内面２ａ1に密着されることにより、ライトガイド１ｇ間およびライトガイド１ｇと支持側絶縁ダクト２との間に空隙が生ずることが抑制される。

ライトガイド１ｇ間および支持側絶縁ダクト２とライトガイド１ｇとが互いに接触することにより、ライトガイド１ｇ間および支持側絶縁ダクト２とライトガイド１ｇ間が可及的に同電位になり空間電界に支配されることで、支持側絶縁ダクト２とライトガイド１ｇの間で部分放電が生じることが防止されている。これにより、ライトガイド１ｇが絶縁破壊することがない。
ここで、図１に示すように、支持側絶縁ダクト２における支持側半円筒ダクト２ａとカバー側絶縁ダクト３のカバー側半円筒ダクト３ａとの間には、所定のクリアランスｃを有するように構成されている。

これは、支持側半円筒ダクト２ａとカバー側半円筒ダクト３ａとが接触する構成とした場合、支持側半円筒ダクト２ａとカバー側半円筒ダクト３ａとが、それぞれ製造上、長手方向に沿ってソリが生ずるため、支持側半円筒ダクト２ａとカバー側半円筒ダクト３ａとの間で接触部と非接触部が形成される。この接触部と非接触部の空隙により、モジュールＭによる電界が不安定になる。この電界の不安定さを防止するため、本半導体電力変換装置Ｓでは、支持側半円筒ダクト２ａとカバー側半円筒ダクト３ａとの間に所定のクリアランスｃを形成し一様な空隙を形成し、ライトガイド１ｇ廻りの電界の安定化を図っている。

＜ライトガイド１ｇ＞
図１、図２(ａ)に示す光エネルギおよび光信号を伝送するライトガイド１ｇは、中央部の光信号を伝送するコア(図示せず)が、強度、光信号の減衰等を勘案して例えば石英ガラス、プラスチック等を母材として用いられる。また、このコアを被覆する外周部の被覆材に、例えば、成形が容易であるとともに電気絶縁性に優れる熱可塑性プラスチックのポリエチレンが用いられている。

＜支持側絶縁ダクト２＞
図１に示す支持側絶縁ダクト２は、モジュールＭからのライトガイド１ｇ廻りの電界の形成を回避するために絶縁性能を有した絶縁材が用いられる。材質としては、例えばＦＲＰ(Fiber Reinforced Plastics)等の絶縁性能、強度等の使用条件に耐えられる材料が使用され、支持側絶縁ダクト２が成形されている。
支持側絶縁ダクト２は、図２(ａ)に示すように、ダクトを形成する支持側半円筒ダクト２ａと該支持側半円筒ダクト２ａに接着固定される支持部材の支持側ダクト支持部２ｂとを有している。なお、支持側半円筒ダクト２ａと支持側ダクト支持部２ｂとの間の接着剤としては、経年変化の少ないエポキシ系接着剤等が用いられる。

支持側絶縁ダクト２の支持側半円筒ダクト２ａは、ライトガイド１ｇをモジュールＭからの電界から絶縁し保護する部材であり、図１、図２(ａ)に示すように、所定の肉厚を有した半円筒状のダクトであり、長手方向に一定間隔で束線バンド５を通すための取り付け孔４が複数穿設されている。
図１に示す支持側絶縁ダクト２の支持側半円筒ダクト２ａの表面は、ライトガイド束１と十分に密着し、部分放電が発生しにくいように、面取りおよび表面を滑らかにする例えばウレタン塗装等の表面加工が施されている。なお、支持側半円筒ダクト２ａの表面のうち、少なくともライトガイド束１が密着する内面２ａ1が滑らかな面に形成されることにより、一定の部分放電が発生しにくい効果が得られる。

支持側絶縁ダクト２の支持側ダクト支持部２ｂは、図１、図２(ａ)に示すように、支持側絶縁ダクト２とカバー側絶縁ダクト３とを合わせて固定するための部材であり、その表面は、部分放電が発生しにくいように、面取りおよび表面を滑らかにする例えばウレタン塗装等の表面加工が施されている。
支持側ダクト支持部２ｂは、図１、図２(ａ)に示すように、支持側絶縁ダクト２とカバー側絶縁ダクト３とを固定する所定の強度を有するフランジ状の形状を有しており、２本の絶縁ボルト６がそれぞれ螺着される雌ネジが螺刻される２つのネジ穴２ｂ１(図２(ｂ)参照)が形成されている。

また、図２(ｂ)に示すように、支持側絶縁ダクト２における支持側ダクト支持部２ｂの合わせ面２ｂ2と支持側半円筒ダクト２ａの対向面２ａ2との間には、図１に示すように、対向する支持側半円筒ダクト２ａとカバー側半円筒ダクト３ａとの間に所定のクリアランスｃを形成するために、寸法ｓ１の段差が形成されている。

＜カバー側絶縁ダクト３＞
図１に示すカバー側絶縁ダクト３は、モジュールＭの電界のライトガイド１ｇ廻りへの形成を回避するために、絶縁性能を有した絶縁材が用いられる。材質として、例えばＦＲＰ等の絶縁性能、強度等の使用条件に耐えられる材料が使用され、カバー側絶縁ダクト３が成形される。
カバー側絶縁ダクト３は、ダクトを形成するカバー側半円筒ダクト３ａと該カバー側半円筒ダクト３ａに接着固定される支持部材のカバー側ダクト支持部３ｂとを有している。
なお、カバー側半円筒ダクト３ａとカバー側ダクト支持部３ｂとの接着剤としては、経年変化の少ないエポキシ系接着剤等が用いられる。

カバー側絶縁ダクト３におけるカバー側半円筒ダクト３ａは、ライトガイド１ｇをモジュールＭからの電界から絶縁し保護する部材であり、図１、図２(ａ)に示すように、所定の肉厚を有した半円筒状のダクトである。
カバー側絶縁ダクト３のカバー側半円筒ダクト３ａの表面は、ライトガイド束１との間で部分放電が発生しにくいように、面取りおよび表面を滑らかにする例えばウレタン塗装等の表面加工が施されている。
カバー側絶縁ダクト３のカバー側ダクト支持部３ｂは、図１、図２(ａ)に示すように、支持側絶縁ダクト２とカバー側絶縁ダクト３とを合わせて固定するための部材であり、その表面は、部分放電が発生しにくいように、面取りおよび表面を滑らかにする例えばウレタン塗装等の表面加工が施されている。

カバー側ダクト支持部３ｂは、図１、図２(ａ)に示すように、支持側絶縁ダクト２とカバー側絶縁ダクト３とを固定する所定の強度を有するフランジ状の形状を有しており、２本の絶縁ボルト６がそれぞれ挿通する２つの挿通孔３ｂ１(図２(ｂ)参照)が穿設されている。
また、図２(ｂ)に示すように、カバー側絶縁ダクト３におけるカバー側ダクト支持部３ｂの合わせ面３ｂ2とカバー側半円筒ダクト３ａの対向面３ａ2との間には、図１に示すように、対向する支持側半円筒ダクト２ａとカバー側半円筒ダクト３ａとの間に所定のクリアランスｃを形成するために、寸法ｓ２の段差が形成されている。

＜束線バンド５＞
図１に示す束線バンド５は、図２(ａ)に示すように、ライトガイド１ｇを複数本束ねたライトガイド束１を支持側絶縁ダクト２の内面２ａ1に密着させて固定するための部品であり、ライトガイド１ｇに損傷を与えない柔軟性および弾性とライトガイド束１の自重を支えられる強度とを有し、部分放電が発生しにくい材質・形状を備えている。
束線バンド５は、絶縁体の、例えば熱可塑性ポリウレタンエラストマで形成されており、図２(ｂ)に示すように、ライトガイド束１を支持側絶縁ダクト２の内面２ａ1に密着させて固定するに際して、ライトガイド１ｇに損傷を与えない柔軟性および弾性が得られる弾性係数を有している。このように、束線バンド５は、柔軟性を有する弾性材で形成されている。
図２に示す束線バンド５は、一方端部５ａに係合孔(図示せず)が形成され、他方端部５ｂにはこの係合孔に弾性変形して挿入され係合する係合部(図示せず)が形成されている。

＜＜ライトガイド１ｇの組み付け＞＞
次に、ライトガイド１ｇを、図１に示すように、組み付ける方法について説明する。
まず、図１に示すように、モジュールＭの半導体スタック９に接続部９ｓで接続される複数本のライトガイド１ｇを束ねてライトガイド束１とする。
そして、ライトガイド束１を、モジュールフレーム７に固定される支持側絶縁ダクト２の支持側半円筒ダクト２ａの内面２ａ1に沿わせ密接させる(図２(ｂ)参照)。

続いて、図２(ｂ)に示すように、束線バンド５で、ライトガイド束１を支持側半円筒ダクト２ａの内面２ａ1に密着させた後、束線バンド５を、支持側半円筒ダクト２ａの取り付け孔４を挿通させ、一方端部５ａの係合孔に他方端部５ｂの係合部を弾性変形させて挿通させて係合することにより、ライトガイド束１を支持側半円筒ダクト２ａの内面２ａ1に密着させ固定する。
このライトガイド束１を支持側半円筒ダクト２ａの内面２ａ1に束線バンド５によって密着させ固定する作業を、図１に示す複数個所、繰り返し、ライトガイド束１を支持側半円筒ダクト２ａの内面２ａ1に密着させ固定することにより、ライトガイド束１全体が、図１に示す間隔で束線バンド５によって支持側絶縁ダクト２の内面２ａ1に密着され固定される(図２(ｂ)参照)。

ここで、束線バンド５は、前記したように、充分な柔軟性および弾性を有するので、ライトガイド束１を支持側半円筒ダクト２ａの内面２ａ1に密着させ固定するに際して、束線バンド５が伸張し各ライトガイド１ｇは適度な取り付け力で取り付けられ、各ライトガイド１ｇが傷められることはない。
続いて、図２(ｂ)に示すように、ライトガイド束１が密着、固定された支持側絶縁ダクト２の支持側ダクト支持部２ｂに対して、図２(ｂ)の白抜き矢印α１のように、カバー側絶縁ダクト３のカバー側ダクト支持部３ｂを、移動させ合わせる。

続いて、絶縁ボルト６を、図２(ｂ)の矢印α２のように、カバー側ダクト支持部３ｂの挿通孔３ｂ１を挿通させた後、支持側ダクト支持部２ｂのネジ穴２ｂ１に螺着させて、図２(ａ)に示すように、支持側絶縁ダクト２とカバー側絶縁ダクト３とを合わせ固定する。
この絶縁ボルト６による固定を、支持側絶縁ダクト２の支持側ダクト支持部２ｂとこれに対応するカバー側絶縁ダクト３のカバー側ダクト支持部３ｂとが形成される複数箇所(図示せず)で行ない、図１に示すように、組み付けを終了する。

＜まとめ＞
本実施形態の半導体電力変換装置Ｓは、金具によるライトガイド１ｇの強制的な電位固定を行なわず、図１に示すように、半導体素子を集合した半導体スタック９を含むモジュールＭとの接続部分９ｓのみでライトガイド１ｇに電位を与えている。
また、ライトガイド１ｇの周囲を支持側絶縁ダクト２およびカバー側絶縁ダクト３で覆うことにより、ライトガイド１ｇの表面への汚損物質の付着を低減し、絶縁性能の低下を抑制する。
さらに、ライトガイド１ｇと支持側絶縁ダクト２間の部分放電の発生を抑制するため、束線バンド５を用いてライトガイド１ｇを支持側絶縁ダクト２の内面２ａ1に密着させる形で多点で固定している(図１参照)。

なお、絶縁ダクトは、図１に示すように、ライトガイド支持側の支持側絶縁ダクト２とカバー側絶縁ダクト３で構成され、両者の接合には絶縁性を確保するために、絶縁ボルト６を使用する。
以上の手段によって、ライトガイド１ｇと絶縁ダクトである支持側絶縁ダクト２はほぼ同電位となり、高電位部−低電位部間に生じる空間電界でこれらの表面電位を支配させ、支持側絶縁ダクト２およびライトガイド１ｇにおける電気的なストレスを低減させている。

＜＜作用効果＞＞
上記構成によれば、従来の金具によるライトガイド１ｇの固定方法と比べ、多数点でライトガイド１ｇを束線バンド５を用いて容易に支持できるため、ライトガイド１ｇの自重を分散し、該自重に基づく応力によるライトガイド１ｇの損傷を抑制することが可能である。
また、束線バンド５は、ライトガイド１ｇに損傷を与えない柔軟性および弾性が得られる弾性係数を有する弾性材で形成されるので、ライトガイド１ｇへの応力が低減され作業時の締め過ぎ等によるライトガイド１ｇの損傷のリスクを低減できる。また、ライトガイド１ｇを固定する束線バンド５は、一方端部５ａに他方端部５ｂを弾性変形させて係合し取り付けるので、布設および保守時の作業性の改善が図れる。

前記したように、ライトガイド１ｇを束ねてライトガイド束１とし、このライトガイド束１を束線バンド５を用いて複数個所(図１参照)で支持側絶縁ダクト２の支持側半円筒ダクト２ａの内面２ａ1に密着させ固定し、ライトガイド束１が密着固定された支持側絶縁ダクト２にカバー側絶縁ダクト３を絶縁ボルト６にて取り付けることにより、ライトガイド１ｇと支持側絶縁ダクト２とが空間電界に支配され、ライトガイド１ｇの表面の電界集中や汚損物質の付着による絶縁性能の低下が抑制され、部分放電によるライトガイド１ｇの寿命の劣化を低減することが可能である。また、ライトガイド１ｇへの外部からの接触が防止される。

このように、金具による電位固定を行なわない構成なので、製造および保守における作業性が改善される。
以上より、電気的、機械的、および作業性の面から総合的に半導体電力変換装置Ｓの長期信頼性を向上させることが可能である。

本発明に係る実施形態の半導体電力変換装置のライトガイド束の配設構造を示す正面図である。 (ａ)は、図１のＡ−Ａ線拡大断面図であり、(ｂ)は、(ａ)に示すライトガイド束の配設構造の組み立てを示す分解図である。

符号の説明

１ｇ ライトガイド(ライトガイド部材)
２ 支持側絶縁ダクト（絶縁ダクト部材、支持側絶縁ダクト部材）
２ａ1 絶縁ダクトの内面（絶縁ダクト部材の内面）
３ カバー側絶縁ダクト（絶縁ダクト部材、カバー側絶縁ダクト部材）
５ 束線バンド(束線バンド部材)
６ 絶縁ボルト
９ 半導体スタック
ｃ クリアランス(空隙)
Ｍ モジュール
Ｓ 半導体電力変換装置

Claims (9)

1. オン・オフ動作する複数の半導体素子を接続した半導体スタックを含むモジュールが、互いに絶縁され多段積みされる半導体電力変換装置であって、
   アース電位に設置される制御装置と前記モジュールとの間で授受される光を伝送するためのライトガイド部材と、
   前記ライトガイド部材の周囲を覆うとともに、前記ライトガイド部材が密着され固定される内面を有する絶縁ダクト部材とを
   備えることを特徴とする半導体電力変換装置。
2. 前記絶縁ダクト部材は、その表面が滑らかな面に形成される
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体電力変換装置。
3. 前記絶縁ダクト部材は、前記ライトガイド部材が密着固定される支持側絶縁ダクト部材と該支持側絶縁ダクト部材に対向するカバー側絶縁ダクト部材である
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体電力変換装置。
4. 前記支持側絶縁ダクト部材と前記カバー側絶縁ダクト部材とは、絶縁ボルトを用いて接合される
   ことを特徴とする請求項３に記載の半導体電力変換装置。
5. 前記支持側絶縁ダクト部材と前記カバー側絶縁ダクト部材との間に所定の空隙が形成される
   ことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の半導体電力変換装置。
6. 前記ライトガイド部材は、束線バンド部材を用いて前記絶縁ダクト部材の内面に密着され固定される
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のうちの何れか一項に記載の半導体電力変換装置。
7. 前記束線バンド部材は、絶縁体である
   ことを特徴とする請求項６に記載の半導体電力変換装置。
8. 前記束線バンド部材は、柔軟性を有する弾性材である
   ことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の半導体電力変換装置。
9. 前記束線バンド部材は、弾性変形され係合され取り付けられる
   ことを特徴とする請求項８に記載の半導体電力変換装置。

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