JP6029772B2 - 直流遮断装置 - Google Patents

Description

この発明は、直流電力系統において使用される直流遮断装置に関し、例えば、正常時に負荷電流を開閉し、事故時に事故電流を遮断するために用いられるものである。

直流電力系統で用いられる直流遮断装置は、交流電力系統で用いられる交流遮断装置と比べてその構成および動作が大きく異なる。交流電力系統で一般的に使用されるガス遮断器、真空遮断器、および空気遮断器などの機械式交流遮断器は、電流値が零にならなければ遮断することはできない。このため、機械式交流遮断器は、事故電流が交流の半周期ごとに訪れる電流値が零のタイミングで電流を遮断する。

一方、機械式の直流遮断装置の場合には、直流電流は自然に零点を迎えることがないため、強制的に電流値を零にする工夫が必要になる。さらに、直流電力系統の運用に際して、直流電流の通電方向を逆方向に切り替えて運用する場合がある。このため、直流遮断装置は、通常、双方向の電流に対応できるようにする必要がある。

双方向の電流方向に対応できるとともに、強制的に電流を零にするための工夫を施した機械式の直流遮断装置の例として、例えば、特開昭５９−１２８７１４号公報（特許文献１）の図２に記載された直流遮断装置が知られている。この文献の直流遮断装置は、互いに直列接続された２つの機械式遮断器と、２つの機械式遮断器に並列接続されるとともに互いに直列接続された２つの逆電流発生回路とを含む。各逆電流発生回路は、互いに直列接続されたコンデンサとリアクトルとを有する。２つの機械式遮断器の接続点と２つの逆電流発生回路の接続点との間に投入スイッチが接続される。事故発生時には投入スイッチを投入すると事故電流と逆方向の電流が流れる側の機械式遮断器において電流を零にでき、電流を遮断することができる。

上記のような機械式直流遮断装置と異なり、半導体スイッチを使用した直流遮断装置の場合には、電流値を強制的に零にする工夫は不要であり、半導体スイッチを開極することによって電流を遮断することができる。しかしながら、半導体スイッチの場合、正常時の通電状態すなわち閉極状態における電力ロスが問題となる。機械式遮断器のような金属接点の通電と異なり、半導体スイッチに負荷電流を通電すると半導体スイッチの抵抗成分によってジュール熱が発生するからである。なお、半導体スイッチは通常一方向の通電性能を持つので、双方向の通電が可能なように、通常、２つの半導体スイッチが互いに逆方向に直列に接続される。

半導体スイッチにおける電力ロスの問題を避けるために、機械式遮断器を半導体スイッチに並列に設置した構成の直流遮断装置が知られている。例えば、特開平１０−１２６９６１号公報（特許文献２）に記載の限流装置では、正常時には機械式遮断器に電流が流れているが、事故発生時には機械式遮断器で電流を遮断して半導体スイッチに転流し、最終的に半導体スイッチにて直流電流を限流する。限流素子として避雷器など非常に大きな抵抗素子を使うことで、実質的に遮断するのと同じ効果をもたらすことが可能である。

特開昭５９−１２８７１４号公報 特開平１０−１２６９６１号公報

上記の特開昭５９−１２８７１４号公報（特許文献１）の図２に記載の直流遮断装置の場合、事故電流を遮断するときに２つの機械式遮断器を同時に開極すれば、最初は双方の機械式遮断器にアークが発生する。その後、逆電流発生回路からの逆電流によって電流零点が生成されることにより消弧するのは片側の機械式遮断器のみである。このとき、電流零点が生成されない側の機械式遮断器には２倍の電流が流れており、大きなアーク熱が発生し接点を損傷させるだけでなく絶縁性能を劣化させる。これを回避するために、電流零点が生成される片側の機械式遮断器のみを開極した場合には、開極した片側の機械式遮断器のみで遮断直後の回復電圧に耐える必要がある。このため、絶縁性能が高い高価な機械式遮断器が必要になる。

上記の特開平１０−１２６９６１号公報（特許文献２）に記載の直流遮断装置の場合、直流電流を機械式遮断器で遮断することによって半導体スイッチに転流するようにしている。しかしながら、機械式遮断器は電流値が零にならなければ電流を遮断することができないため、半導体スイッチへの転流が十分には行われないという問題がある。特に半導体スイッチのオン抵抗が比較的大きい場合には、転流過程中における機械式遮断器の接点間のアーク抵抗が半導体スイッチのオン抵抗よりも大きくならないために、転流が行われないという問題がある。

この発明は上記の問題点を考慮してなされたものであり、その目的は、双方向の直流電流を遮断し、アークによる消耗や損傷を低減しながら、高い絶縁性能を有した安価な直流遮断装置を提供することである。

この発明による直流遮断装置は、第１および第２の半導体スイッチと、第１および第２のダイオードと、第１および第２の機械式遮断器と、第１および第２の逆電流発生回路と、投入スイッチと、制御器とを備える。第１および第２の半導体スイッチは、主回路線路上の第１および第２のノード間に互いの通電方向が逆方向となるように直列に接続される。第１のダイオードは、第１の半導体スイッチと並列に接続され、第１の半導体スイッチの通電方向と逆方向に電流を流す。第２のダイオードは、第２の半導体スイッチと並列に接続され、第２の半導体スイッチの通電方向と逆方向に電流を流す。第１および第２の機械式遮断器は、第１および第２のノード間に順に直列に接続されかつ第１および第２の半導体スイッチの全体と並列に接続される。第１および第２の逆電流発生回路は、第１および第２のノード間に順に直列に接続されかつ第１および第２の半導体スイッチの全体ならびに第１および第２の機械式遮断器の全体と並列に接続される。第１および第２の逆電流発生回路は、第１および第２の機械式遮断器にそれぞれ逆電流を流すために設けられる。投入スイッチは、第１および第２の機械式遮断器間の第３のノードと第１および第２の逆電流発生回路間の第４のノードとの間に接続される。制御器は、第１および第２の半導体スイッチ、第１および第２の機械式遮断器、ならびに投入スイッチの開閉タイミングを制御する。

この発明によれば、半導体スイッチ、機械式遮断器、および逆電流発生回路の各々を２個直列に設けることによって、双方向の直流電流を遮断することができる。

さらに、第１のノードから第２のノードの方向に流れる第１の直流電流を遮断する場合には、第１の逆電流発生回路によって第１の機械式遮断器に逆電流を流した状態で前記第１の機械式遮断器を開放し、その後、半導体スイッチおよびダイオードに主電流が転流してから第２の機械式遮断器を開放することができる。逆に、第２のノードから第１のノードの方向に流れる第２の直流電流を遮断する場合には、第２の逆電流発生回路によって第２の機械式遮断器に逆電流を流した状態で前記第２の機械式遮断器を開放し、その後、半導体スイッチおよびダイオードに主電流が転流してから第１の機械式遮断器を開放することができる。この発明によれば、上記の順序で第１および第２の機械式遮断器を開放することができるので、アークによる消耗や損傷を低減しながら、高い絶縁性能を有した安価な直流遮断装置を提供することができる。

実施の形態１による直流遮断装置１００を表わす回路図である。 図１の直流遮断装置１００の定常時から遮断状態に至る動作例を示すタイミング図である。 定常時における直流遮断装置１００を流れる電流を示す図である。 投入スイッチ８を投入したときの電流の流れを示す図である。 機械式遮断器４Ｌを流れる電流が遮断されたときの電流の流れを示す図である。 電流ＩＬを遮断した状態を示す図である。 機械式遮断器４Ｒを開極した状態を示す図である。 半導体スイッチ２Ｌを開極した状態を示す図である。 直流遮断装置の動作手順を示すフローチャートである。 直流遮断装置１００の定常時から遮断状態に至る他の動作例を示すタイミング図である（半導体スイッチ２Ｒを予め開極した場合）。 実施の形態１の変形例による直流遮断装置の構成を示す回路図である。 実施の形態２による直流遮断装置１０１の回路図である。 図１に示す直流遮断装置１００において、機械式遮断器４Ｌの遮断後のノードＡにおける電流波形を示す図である。 実施の形態３による直流遮断装置１０２の回路図である。 実施の形態３の変形例による直流遮断装置１０３の回路図である。 図１に示す実施の形態１の直流遮断装置１００においてコンデンサ５Ｌおよび５Ｒを充電する方法の一例を示す図である。 実施の形態５による直流遮断装置１０４を示す回路図である。 図１７の直流遮断装置１０４の定常時から遮断状態に至る動作例を示すタイミング図である。 図１７の直流遮断装置１０４の定常時から遮断状態に至る他の動作例を示すタイミング図である（半導体スイッチ２Ｒを予め開極した場合）。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰返さない。

＜実施の形態１＞
［直流遮断装置の構成］
図１は、実施の形態１による直流遮断装置１００を表わす回路図である。図１では、直流遮断装置１００に事故電流が流れていない定常時の状態が示されている。

図１に示すように、直流遮断装置１００は、主回路線路２０上に設けられ、半導体スイッチ２Ｌおよび２Ｒと、ダイオード３Ｌおよび３Ｒと、機械式遮断器４Ｌおよび４Ｒと、逆電流発生回路７Ｌおよび７Ｒと、投入スイッチ８と、制御器９と、抵抗素子１０Ｌおよび１０Ｒと、避雷器１１とを含む。

半導体スイッチ２Ｌおよび２Ｒは、この並び順で主回路線路２０上のノードＮ１およびＮ２間に互いに直列に接続される。半導体スイッチ２Ｒは、半導体スイッチ２Ｌの通電方向と逆向きの電流を遮断する。例えば、図１に示すＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）の場合、半導体スイッチ２Ｌと２Ｒの接続ノードＡが各ＩＧＢＴのエミッタ側に相当する。したがって、図１の場合には、半導体スイッチ２ＬはノードＮ１からノードＡの方向に電流を流したり遮断したりすることができ、半導体スイッチ２ＲはノードＮ２からノードＡの方向に電流を流したり遮断したりすることができる。

ダイオード３Ｌは、半導体スイッチ２Ｌと並列に接続され、半導体スイッチ２Ｌの通電方向と逆向きに電流を流すことができる。図１の場合には、ダイオード３ＬのアノードがＩＧＢＴのエミッタに接続される。同様に、ダイオード３Ｒは、半導体スイッチ２Ｒと並列に接続され、半導体スイッチ２Ｒの通電方向と逆向きに電流を流すことができる。図１の場合には、ダイオード３ＲのアノードがＩＧＢＴのエミッタに接続される。

半導体スイッチ２Ｌおよび２Ｒの各々は、例えばＩＧＢＴ、ＧＴＯ（Gate Turn-Off）、サイリスタ、またはＳｉＣを用いたパワーＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタなどの半導体素子によって構成されている。半導体スイッチ２Ｌおよび２Ｒの各々に代えて、これらの半導体素子を複数個直列または並列に接続することよって構成してもよい。ダイオード３Ｌおよび３Ｒの各々も同様に、複数個のダイオードによって構成されていてもよい。さらには、半導体スイッチ２Ｌとダイオード３Ｌとの対を複数個直列に接続してもよく、半導体スイッチ２Ｒとダイオード３Ｒとの対を複数個直列に接続してもよい。

機械式遮断器４Ｌおよび４Ｒは、この並び順でノードＮ１およびＮ２間に直列に、半導体スイッチ２Ｌおよび２Ｒの全体と並列に接続される。機械式遮断器４Ｌおよび４Ｒをそれぞれ複数の機械式遮断器で置き換えてもよい。

機械式遮断器４Ｌおよび４Ｒの各々は、例えば、ガス遮断器、真空遮断器、または空気遮断器などによって構成される。これらの遮断器は、金属製の接点を持ち、機械式開閉動作を行うための操作装置によって接点を駆動するように構成されている。電流通電中に開極動作を行うと接点間にアークが発生する。交流電流のように電流値が零になった瞬間にアークが消弧し、電流が遮断される。

アークは２００００Ｋに至る極めて高温のプラズマである。点弧した状態が長時間継続すると大電流が長時間流れるため、機械式遮断器の接点が消耗し損傷する。さらに、ガス遮断器または空気遮断器などの場合には、消弧媒体であるガスまたは空気が高温となるため、アークが無点弧で開極した場合に比べて消弧直後の絶縁性能が低下する。真空遮断器の場合には、消弧ガスを有しないが、接点が高温になることにより接点からの熱電子放出が増加した状態となるため、やはり無点弧で開極した場合に比べて消弧直後の絶縁性能が低下する。

抵抗素子１０Ｌ、逆電流発生回路７Ｌおよび７Ｒ、抵抗素子１０Ｒは、この並び順でノードＮ１およびＮ２間に直列に、上記の半導体スイッチ２Ｌおよび２Ｒの全体ならびに機械式遮断器４Ｌおよび４Ｒの全体と並列に接続される。逆電流発生回路７Ｌは、互いに直列接続されたコンデンサ５Ｌおよびリアクトル６Ｌを含む。同様に、逆電流発生回路７Ｒは、互いに直列接続されたコンデンサ５Ｒおよびリアクトル６Ｒを含む。図１の場合、コンデンサ５Ｌおよび５Ｒは互いに隣接して配置されている。

リアクトル６Ｌおよび６Ｒは、回路の線路のもつインダクタンス分によって代用が可能な場合もある。抵抗素子１０Ｌおよび１０Ｒは、逆電流を減衰させるためにリアクトル６Ｌおよび６Ｒにそれぞれに直列に接続されている。抵抗素子１０Ｌおよび１０Ｒも、線路またはリアクトルなどが持つ抵抗分で代用することができるので、必ずしも設けなくてもよい。

投入スイッチ８は、機械式遮断器４Ｌと４Ｒとの間のノードＮ３と、コンデンサ５Ｌと５Ｒとの間のノードＮ４とを結ぶ線路上に設けられる。投入スイッチ８はたとえば機械式スイッチによって構成される。

制御器９は、半導体スイッチ２Ｌおよび２Ｒ、機械式遮断器４Ｌおよび４Ｒ、ならびに投入スイッチ８の開閉タイミングを制御する。

避雷器１１は、ノードＮ１およびＮ２間に上記の各要素と並列に接続される。避雷器１１は、直流電流を遮断した後に回路のエネルギーを吸収するために設けられているが、省略しても構わない。

［直流遮断装置の動作］
図２は、図１の直流遮断装置１００の定常時から遮断状態に至る動作例を示すタイミング図である。図２では、上から順に、機械式遮断器４Ｌを流れる電流、機械式遮断器４Ｒを流れる電流、および半導体スイッチ２Ｌおよび２Ｒの接続ノードＡを流れる電流が示されており、さらに、機械式遮断器４Ｌ、投入スイッチ８、半導体スイッチ２Ｒ、機械式遮断器４Ｒ、および半導体スイッチ２Ｌの各々の開閉状態が示されている。以下、図２の各時点における直流遮断装置１００を流れる電流を示す図３〜図８を併せて参照しながら、直流遮断装置１００の動作について説明する。

（定常時）
図３は、定常時における直流遮断装置１００を流れる電流を示す図である。図２、図３を参照して、定常時（図２の時刻ｔ１より前）には、半導体スイッチ２Ｌおよび２Ｒが閉極し、機械式遮断器４Ｌおよび４Ｒが閉極し、投入スイッチ８が開極している。コンデンサ５Ｌおよび５Ｒは、図に示されていない充電装置によって互いに逆極性になるように充電されている。例えば、図３においてコンデンサ５Ｌの右側（ノードＮ４側）の極およびコンデンサ５Ｒの左側（ノードＮ４側）の極が共に正極になるように充電されている。

定常時に主回路線路２０を流れる直流電流Ｉｏは、厳密には半導体スイッチ２Ｌおよび２Ｒと機械式遮断器４Ｌおよび４Ｒとに分流して流れる。しかしながら、直流遮断装置１００を超高圧直流系統に用いる場合には、高電圧に耐えるために半導体スイッチ２Ｌおよび２Ｒを構成する半導体素子を多段に直列にする必要がある。このため半導体スイッチ２Ｌおよび２Ｒの閉極時の抵抗値（「オン抵抗」とも称する）は機械式遮断器４Ｌおよび４Ｒが閉極時の金属接点の抵抗値よりもはるかに大きい。このため、ほとんどの電流は機械式遮断器４Ｌおよび４Ｒに流れているとしてよい。

主回路電流Ｉｏは、直流系統の運用状態により、図３の右方向（ノードＮ１からノードＮ２の方向）に流れている場合も左方向（ノードＮ２からノードＮ１の方向）に流れている場合もある。以下では、図３に示すように右方向（ノードＮ１からノードＮ２の方向）に流れている場合について説明する。左方向の場合は以下の説明を丁度左右対称に反転させた場合と同じになる。

（投入スイッチ８の投入）
図２の時刻ｔ２に投入スイッチ８が投入される。機械式遮断器４Ｌは、投入スイッチ８の開極と同時か、開極以前、または、自身を流れる電流値が零になるまでの間に開極開始させる。図２では、投入スイッチ８の開極以前の時刻ｔ１に機械式遮断器４Ｌの開極を開始させている。

図４は、投入スイッチ８を投入したときの電流の流れを示す図である。投入スイッチ８を投入すると、定常時にコンデンサ５Ｌおよび５Ｒに充電されていた電荷が放電されて電流が流れる。このとき機械式遮断器４Ｌには主回路直流電流Ｉｏと逆向きの電流ＩＬが流れる。機械式遮断器４Ｒには主回路直流電流Ｉｏと同じ向きの電流ＩＲが流れる。

電流ＩＬは、コンデンサ５Ｌのキャパシタンスとリアクトル６Ｌのインダクタンスとで決まる周波数の振動電流となる。電流ＩＬの絶対値は投入スイッチ８の投入直後から増加するが、主回路直流電流Ｉｏと逆方向なので図２の電流波形ではマイナスで表わされている。電流ＩＬの絶対値が主回路電流Ｉｏと同じ値になったときに、機械式遮断器４Ｌを流れる電流値は零となる。この電流零の瞬間（図２の時刻ｔ３）に、機械式遮断器４Ｌを流れる電流が遮断される（すなわち、消弧する）。

（機械式遮断器４Ｌの消弧）
図５は、機械式遮断器４Ｌを流れる電流が遮断されたときの電流の流れを示す図である。図５に示すように、図２の時刻ｔ３において機械式遮断器４Ｌが消弧することによって、主回路電流Ｉｏは半導体スイッチ２Ｌおよびダイオード３Ｒに転流される。

一方、電流ＩＬは、機械式遮断器４Ｒを通り、半導体スイッチ２Ｒとダイオード３Ｌを通過してコンデンサ５Ｌに戻る経路を流れる。仮に、機械式遮断器４Ｒが機械式遮断器４Ｌと同時に開極を開始していると機械式遮断器４Ｒには、初め直流電流Ｉｏと電流ＩＲの和が流れ、機械式遮断器４Ｌが遮断した時刻ｔ３より後は、電流ＩＬと電流ＩＲの和の電流が流れることになるため大きな電流のアークが点弧することになる。こうなると上述したように接点の消耗や損傷が生じ、絶縁性能が低下する。したがって、この時刻ｔ３の時点では、まだ機械式遮断器４Ｒは開極しないように制御する。

しかしながら、機械式遮断器４Ｒが早期に開極して絶縁耐力を得ることにより、現時点では機械式遮断器４Ｌのみで維持している回復電圧を機械式遮断器４Ｌおよび４Ｒの両方で保持することができ、高い絶縁性能を得ることができる。さらには、一方の機械式遮断器の絶縁性能を高くする必要がないため安価な構成が可能となる。そのためには、少なくとも電流ＩＬを早期に遮断すればよい。

なお、上記のように機械式遮断器４Ｒ，４Ｌを同時に開極すると問題が生じるという点は、図１の構成の直流遮断装置１００に特有の問題である。

（半導体スイッチ２Ｒの開極）
電流ＩＬを早期に遮断するために、図２の時刻ｔ３直後の時刻ｔ４に半導体スイッチ２Ｒを開極する。可能なら定常時に予め半導体スイッチ２Ｒを開極しておいてもよいが、運用上の問題で閉極が必要な場合にはこの時点で開極する。これにより電流ＩＬが遮断される。電流ＩＲについては抵抗素子１０Ｒによって減衰させる。

図６は、電流ＩＬを遮断した状態を示す図である。電流ＩＲが減衰すると、半導体スイッチ２Ｌとダイオード３Ｒに流れているのは主回路電流Ｉｏのみとなる。

（機械式遮断器４Ｒの開極）
電流ＩＲが減衰した図２の時刻ｔ５に機械式遮断器４Ｒを開極する。図７は、機械式遮断器４Ｒを開極した状態を示す図である。機械式遮断器４Ｒにはアークが点弧することがないため高い絶縁性能が得られる。もし、点弧したとしても絶縁性能に問題ない程度の小電流のアークであれば点弧することは許される。すぐに接点が乖離していなければ、時刻ｔ５の前の時点で開極にむけて駆動装置は駆動開始していてもよい。

（半導体スイッチ２Ｌの開極）
図８は、半導体スイッチ２Ｌを開極した状態を示す図である。機械式遮断器４Ｌおよび４Ｒが、半導体スイッチ２Ｌを開極しても主回路電流遮断後の再起電圧に耐えられるような絶縁耐力を得た状態、すなわち、十分な開極距離を得ることができた状態で（図２の時刻ｔ６）、図８に示すように半導体スイッチ２Ｌを開極する。これによって、電流遮断が完了する。避雷器１１は、遮断によって生じる再起電圧を制限するとともに系統の残留エネルギーを吸収する。

［動作手順のフローチャート］
図９は、直流遮断装置の動作手順を示すフローチャートである。上記に示した直流遮断装置の動作手順を以下にフローチャートとして示す。制御器９は以下のフローチャートで示した手順に従って、直流遮断装置を構成する機器が開閉動作を行う信号を送出する。

まず、ステップＳ１にて、時間ｔが上記ｔ１の時間となったときに、ステップＳ２に移行する。ステップＳ２では機械式遮断器４Ｌが開動作を行う。ステップＳ３では時間ｔが上記ｔ２の時間となったことを制御器９が判断したときにステップＳ４に移行する。ステップＳ４では投入スイッチ８が閉動作を行う。この後、機械式遮断器４Ｌでは電流が遮断される。そして、ステップＳ５で時間ｔが上記ｔ４となったことを制御器９が判断したときにステップＳ６に移行する。ステップＳ６では半導体スイッチ２Ｒが開動作を行う。ステップＳ７では時間ｔが上記ｔ５の時間となったことを制御器９が判断したときにステップＳ８に移行する。ステップＳ８では機械式遮断器４Ｒが開動作を行う。ステップＳ９では時間ｔが上記ｔ６の時間となったことを制御器９が判断したときにステップＳ１０に移行する。ステップＳ１０では半導体スイッチ２Ｌが開動作を行う。

上記のように実施の形態１の直流遮断装置１００によれば、双方向の直流電流を遮断し、アークによる消耗や損傷を低減しながら、高い絶縁性能を有した安価な直流遮断装置を提供することができる。

＜実施の形態１の変形例＞
上記では、定常時には、半導体スイッチ２Ｌおよび２Ｒが閉極しているとしたが、定常時には開極しており、投入スイッチ８を投入する直前に閉極してもよい。

投入スイッチ８は、例えば、機械式スイッチだけでなく、ギャップスイッチのような放電スイッチ、もしくはサイリスタまたはＩＧＢＴなどの半導体スイッチでもよい。また、投入スイッチ８があまり高価にならない場合には、投入スイッチ８に電流遮断能力をもつスイッチを適用してこれにより電流ＩＬと電流ＩＲを遮断してもよい。

上記では、定常時には、半導体スイッチ２Ｒを閉極している。この理由は、半導体スイッチ２Ｒを常時開極しておくと、ダイオードの電圧降下分ではあるが半導体スイッチ２Ｒに常時電圧がかかるので、この電圧ストレスを避けることができるというメリットがあるからである。さらには、雷など外部からの誘導などによる過電圧や過電流が印加された場合に、半導体スイッチ２Ｒを常時閉にしておけば、ダイオード３Ｌと半導体スイッチ２Ｒとによる閉ループでそのような過電圧や過電流を吸収し、半導体スイッチ２Ｒとダイオード３Ｌを保護することができるというメリットがあるからである。

しかしながら、定常時に半導体スイッチ２Ｒを開極しておくことも可能である。以下、この場合の直流遮断装置１００の動作について補足する。

図１０は、直流遮断装置１００の定常時から遮断状態に至る他の動作例を示すタイミング図である（半導体スイッチ２Ｒを予め開極した場合）。図１０を参照して、半導体スイッチ２Ｒを予め開極した場合には、機械式遮断器４Ｌが消弧した時刻ｔ３において、逆電流ＩＬも遮断される。逆電流ＩＬのエネルギーは避雷器１１によって吸収される。その他の点は、図２の場合と同様であるので説明を繰り返さない。

実施の形態１では、図１などに示すように、半導体スイッチ２Ｌ，２Ｒの各々をＩＧＢＴで構成した場合、ＩＧＢＴのエミッタ側で両半導体スイッチ２Ｌ，２Ｒが接続されていた。これとは逆に、ＩＧＢＴのコレクタ側で両半導体スイッチ２Ｌ，２Ｒを接続するようにすることもできる。以下、図面を参照して説明を補足する。

図１１は、実施の形態１の変形例による直流遮断装置の構成を示す回路図である。図１１の直流遮断装置１００Ａでは、半導体スイッチ２Ｌおよびダイオード３Ｌの対と半導体スイッチ２Ｒおよびダイオード３Ｒの対とが、図１の直流遮断装置１００の場合とは逆に配置されている。すなわち、半導体スイッチ２Ｌは、ノードＮ１からノードＮ２の方向が通電方向となるようにノードＡとノードＮ２との間に接続される。半導体スイッチ２Ｒは、ノードＮ２からノードＮ１の方向が通電方向となるようにノードＡとノードＮ１との間に接続される。ダイオード３Ｌおよび３Ｒは半導体スイッチ２Ｌおよび２Ｒにそれぞれ対応し、各ダイオードは対応する半導体スイッチの通電方向と逆方向に電流を流すように、対応する半導体スイッチと並列に接続される。図１１のその他の構成要素の接続は、図１の場合と同じである。

図１１の直流遮断装置１００Ａの動作手順は、図１の直流遮断装置１００の動作手順と同様である。たとえば、図２のタイミング図および図９のフローチャートは、図１１の直流遮断装置１００Ａの場合にもそのまま当てはまる。ただし、時刻ｔ４（ステップＳ６）で開極するのは、ノードＮ１に近接する側の半導体スイッチ２Ｒであり、時刻ｔ６（ステップＳ１０）で開極するのは、ノードＮ２に近接する側の半導体スイッチ２Ｌである。この点で、図１１の直流遮断装置１００Ａは図１の直流遮断装置１００と異なる。

＜実施の形態２＞
図１２は、実施の形態２による直流遮断装置１０１の回路図である。

図１２の直流遮断装置１０１は、ダイオード３Ｌと直列に接続された高周波カットリアクトル１２Ｌと、ダイオード３Ｒと直列に接続された高周波カットリアクトル１２Ｒとをさらに含む点で、図１の直流遮断装置１００と異なる。ダイオード３Ｌおよび高周波カットリアクトル１２Ｌが半導体スイッチ２Ｌと並列に接続され、ダイオード３Ｒおよび高周波カットリアクトル１２Ｒが半導体スイッチ２Ｒと並列に接続される。高周波カットリアクトル１２Ｌおよび１２Ｒは、直流電流は通電するが、インダクタンスにより高周波の振動電流すなわち時間的に変動する電流はカットして通過しないようにする機能をもつ（このような機能を持つ素子を、この明細書では「インダクタンス素子」と称する）。リアクトル６Ｌおよび６Ｒに代えてフェライトコアなどをインダクタンス素子として設けてもよい。

図１２のその他の点は、図１に示す実施の形態１の場合と同じであるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。以下、高周波カットリアクトル１２Ｌおよび１２Ｒの効果について説明する。

図１３は、図１に示す直流遮断装置１００において、機械式遮断器４Ｌの遮断後のノードＡにおける電流波形を示す図である。図１のＡ点を右向き（ノードＮ１からＮ２の方向）に流れる電流を正としている。

図１３を参照して、図１０の時刻ｔ３に機械式遮断器４Ｌが遮断される。図２では、時刻ｔ３の直後の時刻ｔ４に半導体スイッチ２Ｒを開極したが、図１３の場合には半導体スイッチ２Ｒは閉極したままであるとする。機械式遮断器４Ｌの遮断後は、主回路電流Ｉｏと振動電流である逆電流ＩＬが重畳した電流が点Ａに流れる。半導体スイッチ２Ｒを開極するまでの間、逆電流ＩＬは抵抗素子１０Ｌによって減衰する波形になっている。図１３の時刻ｔ３からｔ１１までの間、および時刻ｔ１２からｔ１３までの間は、点Ａを流れる電流Ｉｏ−ＩＬの値が負となるので半導体スイッチ２Ｒを電流が流れる。一方、その他の時間帯は点Ａを流れる電流Ｉｏ−ＩＬの値が正となるのでダイオード３Ｒを電流が流れる。

したがって、半導体スイッチ２Ｒで逆電流ＩＬを遮断するには点Ａを流れる電流値が負であるときのみに限られる。このため、減衰により負の領域が無くなった場合（時刻ｔ１３より後）には半導体スイッチ２Ｒで逆電流ＩＬを遮断することができないという問題がある。この問題は、図１の構成の直流遮断装置１００に特有の問題であり、特開昭５９−１２８７１４号公報（特許文献１）および特開平１０−１２６９６１号公報（特許文献２）に開示される従来の直流遮断装置では生じない問題である。

図１２に示すように高周波カットリアクトル１２Ｒをダイオード３Ｒに直列に設けると、ダイオード３Ｒには高周波の振動電流である逆電流ＩＬは流れないので、逆電流ＩＬは半導体スイッチ２Ｒを流れることになる。これによって、半導体スイッチ２Ｒで逆電流ＩＬを遮断しやすくなる。同様に、高周波カットリアクトル１２Ｌをダイオード３Ｌに直列に設ける。

上記の構成によって、確実に逆電流ＩＬを遮断することができるので、アークによる消耗や損傷を低減しながら、高い絶縁性能を有した安価な直流遮断装置を提供することができる。

＜実施の形態３＞
図１４は、実施の形態３による直流遮断装置１０２の回路図である。

図１４の直流遮断装置１０２は、逆電流発生回路７Ｌおよび７Ｒの構成が図１の直流遮断装置１０１と異なる。すなわち、図１４の逆電流発生回路７Ｌは、コンデンサ５Ｌおよびリアクトル６Ｌに代えて電池１３Ｌを含む点で図１の逆電流発生回路７Ｌと異なる。同様に、図１４の逆電流発生回路７Ｒは、コンデンサ５Ｒおよびリアクトル６Ｒに代えて電池１３Ｒを含む点で図１の逆電流発生回路７Ｒと異なる。電池１３Ｌは、ノードＮ４側が正極となりノードＮ１側が負極となるように接続される。同様に、電池１３Ｒは、ノードＮ４側が正極となりノードＮ２側が負極となるように接続される。図１４のその他の点は図１の場合と同じであるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。

電池１３Ｌおよび１３Ｒを用いることによっても、それぞれ対応する機械式遮断器４Ｌおよび４Ｒに逆電流を流すことができる。図１のコンデンサ５Ｌおよび５Ｒのように充電するための充電器が不要なため回路構成が簡単になるというメリットがある。

図１４の抵抗素子１０Ｌおよび１０Ｒの各々の抵抗値をｒとすると、電池１３Ｌおよび１３Ｒの各々の出力電圧Ｖは、主回路電流Ｉｏと抵抗値ｒとの積よりも大きくする必要がある。主回路電流Ｉｏの大きさは直流電力系統によって様々であるが、たとえば１ｋＡとすると、抵抗値ｒが１Ωであれば、出力電圧Ｖは１ｋＶよりも大きくする必要がある。

図１５は、実施の形態３の変形例による直流遮断装置１０３の回路図である。図１４の回路図は、逆電流発生回路７Ｌおよび７Ｒとしてそれぞれ電池１３Ｌおよび１３Ｒのみを用いた例を示していた。これに代えて、図１および図１２のコンデンサおよびリアクトルに直列に電池を付加した構成としてもよい。たとえば、図１５の逆電流発生回路７Ｌおよび７Ｒの構成は、図１０（実施の形態２）の構成に電池を負荷したものである。この場合にはコンデンサの充電電圧を小さくすることができると共に、電池の出力電圧も小さいもので済むので、安価な電池を用いることが可能となる。

なお、図１４および図１５の逆電流発生回路７Ｌおよび７Ｒの構成は、実施の形態１の直流遮断装置１００，１００Ａおよび実施の形態２の直流遮断装置１０１のいずれにも適用することができる。

＜実施の形態４＞
図１６は、図１に示す実施の形態１の直流遮断装置１００においてコンデンサ５Ｌおよび５Ｒを充電する方法の一例を示す図である。

図１６を参照して、充電器１５は、コンデンサ５Ｌおよび５Ｒ間のノードＮ４と接地ノードＧＮＤとの間に接続される。接地器付き断路器１４Ｌは、直流遮断装置１００のノードＮ１に隣接して主回路線路２０Ｌに挿入される。接地器付き断路器１４Ｒは、直流遮断装置１００のノードＮ２に隣接して主回路線路２０Ｒに挿入される。

コンデンサ５Ｌおよび５Ｒの充電時には、図１６に示すように、直流遮断装置１０４は、接地器付き断路器１４Ｌおよび１４Ｒを開極することによって主回路線路２０Ｌおよび２０Ｒから切り離されて接地されている。すなわち、直流遮断装置１００は課電されていない。投入スイッチ８は開極状態にある。この状態で、充電器１５によってコンデンサ５Ｌおよび５Ｒを両方とも同時に充電することができる。実施の形態２の直流遮断装置１０１も同様にして充電が可能である。

＜実施の形態５＞
図１７は、実施の形態５による直流遮断装置１０４を示す回路図である。

図１７を参照して、直流遮断装置１０４は、機械式スイッチ１６Ｌおよび１６Ｒをさらに含む点で図１の直流遮断装置１００と異なる。機械式スイッチ１６ＬはノードＮ４とコンデンサ５Ｌとの間に接続され、機械式スイッチ１６ＲはノードＮ４とコンデンサ５Ｒとの間に接続される。図１７のその他の構成は図１の直流遮断装置１００と同様であるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。

図１８は、図１７の直流遮断装置１０４の定常時から遮断状態に至る動作例を示すタイミング図である。図１７、図１８を参照して、定常時（時刻ｔ１より前）では、図１７のノードＮ１からＮ２の方向に主回路電流Ｉｏが流れているとする。機械式スイッチ１６Ｌは常時閉極され、機械式スイッチ１６Ｒは常時開極されている。コンデンサ５Ｌはノード４Ｎ側が正となるように予め充電されている。コンデンサ５Ｒは充電されていない。図１８に示すように、定常時（時刻ｔ１より前には）半導体スイッチ２Ｌおよび２Ｒが閉極し、機械式遮断器４Ｌおよび４Ｒが閉極し、投入スイッチ８が開極している。

図２の場合と同様に、時刻ｔ１に機械式遮断器４Ｌを開極し、時刻ｔ２に投入スイッチ８を投入する。これにより、機械式遮断器４Ｌには実施の形態１の場合と同様に逆電流ＩＬが流れるが、機械式スイッチ１６Ｒが開極されているために機械式遮断器４Ｒには電流ＩＲは流れない。

その後、機械式遮断器４Ｌを流れる電流Ｉｏ−ＩＬが零となったときに、機械式遮断器４Ｌは消弧する。これによって、主回路電流Ｉｏは半導体スイッチ２Ｌおよびダイオード３Ｒに転流される。一方、電流ＩＬは、機械式遮断器４Ｒを通り、半導体スイッチ２Ｒとダイオード３Ｌを通過してコンデンサ５Ｌに戻る経路を流れる。

時刻ｔ４に半導体スイッチ２Ｒを開極することによって電流ＩＬが遮断される。この電流ＩＬのエネルギーは避雷器１１によって吸収される。実施の形態５の場合には電流ＩＲが流れないので、この後すぐに（時刻ｔ５に）機械式遮断器４Ｒを開極することができる。機械式遮断器４Ｒを開極した後に半導体スイッチ２Ｌを開極することによって、電流遮断が完了する。

図１９は、図１７の直流遮断装置１０４の定常時から遮断状態に至る他の動作例を示すタイミング図である（半導体スイッチ２Ｒを予め開極した場合）。図１９のタイミング図では、定常時に半導体スイッチ２Ｒを予め開極している点で図１８のタイミング図と異なる。図１９を参照して、半導体スイッチ２Ｒを予め開極した場合には、機械式遮断器４Ｌが消弧した時刻ｔ３において、逆電流ＩＬも遮断される。逆電流ＩＬのエネルギーは避雷器１１によって吸収される。その他の点は、図１８の場合と同様であるので説明を繰り返さない。

なお、機械式スイッチ１６Ｒ，１６Ｌを用いる構成は、実施の形態２の直流遮断装置１０１にも適用可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

２Ｌ，２Ｒ 半導体スイッチ、３Ｌ，３Ｒ ダイオード、４Ｌ，４Ｒ 機械式遮断器、５Ｌ，５Ｒ コンデンサ、６Ｌ，６Ｒ リアクトル、７Ｌ，７Ｒ 逆電流発生回路、８ 投入スイッチ、９ 制御器、１０Ｌ，１０Ｒ 抵抗素子、１１ 避雷器、１２Ｌ，１２Ｒ 高周波カットリアクトル、１３Ｌ，１３Ｒ 電池、１４Ｌ，１４Ｒ 接地器付き断路器、１５ 充電器、１６Ｌ，１６Ｒ 機械式スイッチ、２０，２０Ｌ，２０Ｒ 主回路線路、１００〜１０４ 直流遮断装置。

Claims (11)

1. 主回路線路上の第１のノードと前記主回路線路上の第２のノードとの間に互いの通電方向が逆方向となるように直列に接続される第１の半導体スイッチおよび第２の半導体スイッチと、
   前記第１の半導体スイッチと並列に接続され、前記第１の半導体スイッチの通電方向と逆方向に電流を流す第１のダイオードと、
   前記第２の半導体スイッチと並列に接続され、前記第２の半導体スイッチの通電方向と逆方向に電流を流す第２のダイオードと、
   前記第１のノードと前記第２のノードとの間に順に直列に接続されかつ前記第１の半導体スイッチおよび前記第２の半導体スイッチの全体と並列に接続された第１の機械式遮断器および第２の機械式遮断器と、
   前記第１のノードと前記第２のノードとの間に順に直列に接続されかつ前記第１の半導体スイッチおよび前記第２の半導体スイッチの全体ならびに前記第１の機械式遮断器および前記第２の機械式遮断器の全体と並列に接続され、前記第１の機械式遮断器および前記第２の機械式遮断器にそれぞれ逆電流を流すための第１の逆電流発生回路および第２の逆電流発生回路と、
   前記第１の機械式遮断器と前記第２の機械式遮断器との間の第３のノードと前記第１の逆電流発生回路と前記第２の逆電流発生回路との間の第４のノードとの間に接続された投入スイッチと、
   前記第１の半導体スイッチ、前記第２の半導体スイッチ、前記第１の機械式遮断器、前記第２の機械式遮断器、および前記投入スイッチの開閉タイミングを制御する制御器とを備える、直流遮断装置。
2. 前記第１の逆電流発生回路は、前記第１のノードから前記第２のノードの方向に流れる第１の直流電流を遮断する場合、前記投入スイッチの投入によって前記第１の機械式遮断器に前記第１の直流電流と逆方向の電流を流すように構成され、
   前記第２の逆電流発生回路は、前記第２のノードから前記第１のノードの方向に流れる第２の直流電流を遮断する場合、前記投入スイッチの投入によって前記第２の機械式遮断器に前記第２の直流電流と逆方向の電流を流すように構成される、請求項１に記載の直流遮断装置。
3. 前記制御器は、前記第１の直流電流を遮断する場合、前記投入スイッチを投入した後に前記第１の機械式遮断器の開極を開始し、その後、前記第２の機械式遮断器の開極を開始するように構成される、請求項２に記載の直流遮断装置。
4. 前記制御器は、前記第１の直流電流を遮断する場合、前記投入スイッチの投入によって前記第１の機械式遮断器を流れる電流が零になる遮断時刻より前に、前記第１の機械式遮断器の開極を開始し、前記遮断時刻より後に前記第２の機械式遮断器の開極を開始するように構成される、請求項２に記載の直流遮断装置。
5. 前記第１の半導体スイッチは、前記第１のノードから前記第２のノードの方向が通電方向となるように前記第１のノードと前記第２のノードとの間に接続され、
   前記第２の半導体スイッチは、前記第２のノードから前記第１のノードの方向が通電方向となるように前記第１のノードと前記第２のノードとの間に接続され、
   前記制御器は、前記第２の機械式遮断器の開極を開始する前に、前記第２の半導体スイッチを開極するように構成される、請求項３または４に記載の直流遮断装置。
6. 前記制御器は、前記第２の機械式遮断器を開極した後に、前記第１の半導体スイッチを開極するように構成される、請求項５に記載の直流遮断装置。
7. 前記第１のダイオードと直列かつ前記第１の半導体スイッチと並列に接続された第１のインダクタンス素子と、
   前記第２のダイオードと直列かつ前記第２の半導体スイッチと並列に接続された第２のインダクタンス素子とをさらに備える、請求項１〜６のいずれか１項に記載の直流遮断装置。
8. 前記第１の逆電流発生回路は、前記第４のノードと前記第１のノードとの間に直列に接続される、第１のコンデンサおよび第１のリアクトルを含み、
   前記第２の逆電流発生回路は、前記第４のノードと前記第２のノードとの間に直列に接続される、第２のコンデンサおよび第２のリアクトルを含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の直流遮断装置。
9. 前記第１のノードに隣接して前記主回路線路上に挿入された第１の接地器付き断路器と、
   前記第２のノードに隣接して前記主回路線路上に挿入された第２の接地器付き断路器と、
   前記第４のノードと接地ノードとの間に接続された充電器とをさらに備える、請求項８に記載の直流遮断装置。
10. 前記第１の逆電流発生回路は、前記第４のノード側が正極となり、前記第１のノード側が負極となる第１の電池を含み、
    前記第２の逆電流発生回路は、前記第４のノード側が正極となり、前記第２のノード側が負極となる第２の電池を含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の直流遮断装置。
11. 前記第１の逆電流発生回路と前記第４のノードとの間に接続された第１の機械式スイッチと、
    前記第２の逆電流発生回路と前記第４のノードとの間に接続された第２の機械式スイッチとをさらに備える、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の直流遮断装置。

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