JP6223803B2 - 直流遮断装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、直流送電系統の事故点を切り離す直流遮断装置に関する。

環境への負荷低減や、電源の多様化といった観点から、風力発電や太陽光発電などの再生可能エネルギーの普及が進んでいる。また、それら電源の大規模化が進んでおり、例えば、洋上での風力発電や、砂漠地帯での太陽光又は太陽熱発電などが実用化され始めている。洋上や砂漠は、電力需要地となる都市部から地理的に離れていることが多く、送電距離が長くなる。このような長距離の送電には、一般的に用いられている交流送電システムに代わって、高圧直流送電(ＨＶＤＣ；high-voltage, direct current)が適用されることがある。

ＨＶＤＣは、長距離大電力送電に適用した場合に、従来の交流送電システムに比べて、低コストで送電損失が少ないシステムを構築することが可能である。しかしながら、ＨＶＤＣにおいては、落雷等に起因する系統事故が生じた場合、事故点を切り離すことが容易ではない。というのも、交流では、電流が周波数５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの半サイクルごとにゼロを横切る点で電流遮断ができるが、直流電流では電流がゼロを横切る点がない。そのため、系統に設けられた断路器の接点を単に切り離しても、接点間にアークが生じて電流が流れ続けてしまう。

ＨＶＤＣにおける直流遮断装置として、例えば、機械式断路器に並列にＬＣ回路を接続した構成が提案されている。この遮断装置は、電流遮断の際にＬＣ回路から機械式断路器へ共振電流を流し、機械式断路器に流れる電流のゼロ点をつくり遮断を実現している。しかし、共振のゼロ点で遮断を行うため、ゼロ点が継続せず、遮断が完了するまでに時間がかかっていた。

一方、機械式断路器の代わりに半導体遮断器を用いることで、高速遮断を行うことが提案されている。半導体遮断器は、送電系統に直列に接続された半導体素子と、半導体素子に対して並列に接続されたアレスタとを有する。半導体遮断器は、系統事故が生じて事故電流が流れ込んだ際に、半導体素子を非導通に切り換える。流れ込んだ電流はアレスタによって吸収され、電流遮断が実現する。

国際公開ＷＯ２０１０／０４５３６０号公報 欧州特許０８６７９９８Ｂ１

しかしながら、半導体遮断器を用いた場合、送電系統に複数の半導体素子を設ける必要がある。そのため、通常運転時であっても、送電される電力が常時複数の半導体素子を通過することになり、導通損失が発生して送電効率の低下を招く可能性があった。

上記目的を達成するために、実施形態の直流遮断器は、直流送電系統に設けられる機械式断路器と、前記機械式断路器に並列に接続される並列回路と、を備え、前記並列回路は、当該並列回路への前記直流送電系統の電流の供給及び遮断を切り換える半導体遮断器と、前記半導体遮断器に直列に接続され、複数のスイッチング素子及びコンデンサを有し、前記並列回路に前記直流送電系統の電流が供給されると、出力電圧の制御により、前記機械式断路器に流れる電流の量を制御するＨブリッジ回路と、を備え、前記並列回路は、前記Ｈブリッジ回路に並列接続する抵抗を有する。

上記目的を達成するために、実施形態の直流遮断器は、直流送電系統に設けられる機械式断路器と、前記機械式断路器に並列に接続される並列回路と、を備え、前記並列回路は、当該並列回路への前記直流送電系統の電流の供給及び遮断を切り換える半導体遮断器と、前記半導体遮断器に直列に接続され、複数のスイッチング素子及びコンデンサを有し、前記並列回路に前記直流送電系統の電流が供給されると、出力電圧の制御により、前記機械式断路器に流れる電流の量を制御するＨブリッジ回路と、を備える。

第１の実施形態に係る直流遮断装置の構成を示す図である。 第２の実施形態に係る直流遮断装置の構成を示す図である。 第３の実施形態に係る直流遮断装置の構成を示す図である。 第４の実施形態に係る直流遮断装置の構成を示す図である。

以下、実施形態に係る直流遮断装置について、図面を参照して説明する。なお、実施形態の説明において「通常時」とは、直流送電系統において正常な電流が流れている状態をいい、「事故時」とは、雷等に起因する系統事故によって、過大な事故電流が生じた状態をいう。

（第１の実施形態）
（構成）
図１に示すように、直流送電系統において、２つの直流送電網Ａ，Ｂを接続する送電線が設けられている。送電線には正側１００と負側１０１があるが、本実施形態の直流遮断装置１は、正側に設けられている。正側では、直流送電網Ａから直流送電網Ｂへ送電されている。

直流遮断装置１は、送電線１００に直列に接続された機械式断路器２と、この機械式断路器２に並列に接続された並列回路３とを備えている。

機械式断路器２は、公知の種々の構成を用いることができる。本実施形態では、後述するように並列回路３を用いて直流電流の遮断が行われるため、機械式断路器２自体に電流遮断能力は不要である。機械接点を持つものであって、接点が切り離された状態で、事故点を切り離すのに必要な直流電圧に耐える絶縁耐圧を持つものであれば足りる。機械式断路器２は、例えば、回路の端子間に回動接触子を設け、この回動接触子が回動して各端子に取り付けられた固定接触子と接離することによって、回路の切り離しを行う構成とすることができる。

機械式断路器２は、通常時にはオン状態、すなわち接点が接触した状態になるように制御される。直流送電網Ａからの電流は、機械式断路器２を通過して直流送電網Ｂへ流れる。事故時は、後述するが、並列回路３に電流が流れるように制御が行われ、機械式断路器２を流れる電流が略ゼロになったところで、オフ状態に切り換えられ、回路が切り離される。

機械式断路器２に並列に接続された並列回路３には、半導体遮断器４と、Ｈブリッジ群回路５とが直列に設けられている。

半導体遮断器４は、２個以上のスイッチング素子４１を、直列かつ相互に反対方向に接続し、それぞれのスイッチング素子４１に対して整流ダイオード４２を逆並列に接続した構成となっている。スイッチング素子４１は、自己消弧能力を持つものが用いられる。

半導体遮断器４はゲート信号の入力によって、導通状態であるオン状態と非導通状態であるオフ状態が切り換えられる。導通状態では、半導体遮断器４を介して直流送電系統から並列回路３へ電流が供給され、非導通状態では直流送電系統から並列回路３への電流は遮断される。

半導体遮断器４には、一定電圧以上が印加されると導通する非線形素子からなるアレスタ４３が並列に接続されている。アレスタ４３は、半導体遮断器４がオフ状態に切り換えられたときに、サージ電圧を吸収して安全な電流遮断を可能とする。

Ｈブリッジ群回路５は、１以上のＨブリッジ回路５０を直列に接続したものである。本実施形態では、２個のＨブリッジ回路５０が直列に接続されている。各Ｈブリッジ回路５０は、スイッチング素子５１を直列に２個接続した２つのレグ５２を有する。スイッチング素子５１は、それぞれ自己消弧能力を持つものが用いられる。これら２つのレグ５２は並列に接続され、さらにコンデンサ５３が２つのレグ５２と並列接続されている。

半導体遮断器４とＨブリッジ回路５０の間に導線６が接続され、この導線６は負側の送電線１０１に接続されている。導線６には充電用抵抗７が直列に接続されている。負側の直流電流は、この導線６を介して並列回路３に流れ、Ｈブリッジ回路５０のそれぞれのコンデンサ５３を充電する。コンデンサ５３の充電は、通常時に行われている。

事故時、半導体遮断器４をオン状態にして並列回路３に直流送電系統の電流を導通できる状態にし、あらかじめ導線６を介して充電されているＨブリッジ回路５０のコンデンサ５３を急速放電して出力電圧を上げることで、直流送電網Ａからの電流をほぼ全て並列回路３に流れ込ませる。結果として機械式断路器２へ流れ込む電流を略ゼロにすることができる。

なお、略ゼロとは、機械式断路器２の接点を切り離したときにアークが発生しない程度の電流の量を意味する。

（作用）
以上の構成を有する直流遮断装置１の動作を、通常時と事故時に分けて説明する。通常時は、機械式断路器２をオン状態、半導体遮断器４およびＨブリッジ群回路５をオフ状態に制御する。直流送電網Ａからの電流は、機械式断路器２のみを通過して直流送電網Ｂへ流れ、並列回路３には流れない。

事故時は、まず、半導体遮断器４をオフ状態からオン状態に切り換える。同時に、Ｈブリッジ群回路５をオンにして出力電圧を制御する。すなわち、各コンデンサ５３を急速放電して出力電圧を上げる。これによって、直流送電網Ａからの電流はほぼ全て並列回路３に流れ込み、機械式断路器２を通過する電流は略ゼロになる。

機械式断路器２を通過する電流は略ゼロになったところで、機械式断路器２をオフ状態に切り換える。機械式断路器２には電流が流れていないため、接点を切り離しの際にアークが生じて電流が流れ続けることはない。最後に、半導体遮断器４をオフ状態に切り換えて並列回路３に流れる電流を遮断する。このとき発生するサージ電圧はアレスタ４３に吸収され、電流遮断が完了する。

（効果）
（１）以上のように、本実施形態では、直流遮断装置１に、送電線１００に設けられる機械式断路器２と、機械式断路器２に並列に接続される並列回路３と、を備えた。並列回路３に、並列回路３への送電線１００の電流の供給及び遮断を切り換える半導体遮断器４と、半導体遮断器４に直列に接続されるＨブリッジ回路５０を備えた。Ｈブリッジ回路５０は、複数のスイッチング素子５１及びコンデンサ５３を有し、並列回路３に送電線１００の電流が供給されると、出力電圧の制御により、機械式断路器２に流れる電流の量を制御する。

このような構成とすることによって、通常時には、電流を機械式断路器２のみを通過させることができ、導通損失を低減させることができる。事故時には、Ｈブリッジ回路５０を用いた出力電圧制御により、並列回路３に電流を誘導して機械式断路器２を流れる電流を、アークを生じさせずに回路の切り離しを行うことができる量、例えば略ゼロにすることで、電流遮断能力のない機械式断路器であっても、安全に事故点の切り離しを行うことができる。さらに、並列回路３に設けた半導体遮断器４によって高速の電流遮断を実現することができる。このような効果によって、送電効率の向上、コスト低減及び直流送電における信頼性の向上に寄与することができる。

（２）また、本実施形態では、Ｈブリッジ回路５０を複数直列に接続したＨブリッジ群回路５を構成した。各Ｈブリッジ回路５０に備えられているコンデンサ５３の数が増えることによって充放電量も増えるため、大きな事故電流にも対応することができる。

（３）機械式断路器２及び並列回路３は、直流送電系統の正側の送電線１００に設けられ、並列回路３は、Ｈブリッジ回路５０と機械式断路器２との間で、負側の送電線１０１へ接続され、Ｈブリッジ回路５０のコンデンサ５３は、負側の電力によって充電される。

事故時に放電を行う為には、通常時にＨブリッジ回路５０のコンデンサ５３の充電しておく必要がある。Ｈブリッジ回路５０と機械式断路器２との間から充電用抵抗７を介して負側の送電線１０１に接続するだけで、直流系統の電圧を利用して常に充電動作を実現することができる。これによって、交流系統等か充電用の電源を別途接続する必要がないため、設備コストを低減することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について、図２を用いて説明する。この第２の実施形態では、前述の第１実施形態とは異なる点のみを説明し、前述の第１実施形態と同じ部分については同じ符号を付して詳細な説明は省略する。

本実施形態では、充電用抵抗７が設けられている導線６の、充電用抵抗７と負側の送電線１０１との間に、開閉器８が直列に接続されている。開閉器８は、遮断器又は断路器である。

第１の実施形態で述べたように、Ｈブリッジ回路５０のコンデンサ５３は、負側の送電線１０１からの電力によって充電されている。本実施形態では、コンデンサ５３が満充電になった時点で開閉器８をオフにして、充電用抵抗７を負側の送電線１０１から切り離す。これによって、負側の送電線１０１の電力を充電に必要な量だけ使うことができ、無駄な電力消費を低減することができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態について、図３を用いて説明する。この第３の実施形態では、前述の第１実施形態とは異なる点のみを説明し、前述の第１実施形態と同じ部分については同じ符号を付して詳細な説明は省略する。

本実施形態では、Ｈブリッジ回路５０のそれぞれに対して、並列接続された抵抗９を備えている。これらの抵抗９は分圧器として機能し、コンデンサ５３への充電電圧を均一化することができる。また、充電電圧の大きさを抵抗値によって管理することが可能となる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態について、図４を用いて説明する。この第４の実施形態では、前述の第１実施形態とは異なる点のみを説明し、前述の第１実施形態と同じ部分については同じ符号を付して詳細な説明は省略する。

本実施形態では、Ｈブリッジ回路５０のコンデンサ５３に対して並列に接続された抵抗１０を設けている。これらの抵抗１０は分圧器として機能し、コンデンサ５３への充電電圧を均一化することができる。また、充電電圧の大きさを抵抗の値によって管理することが可能となる。

（その他の実施形態）
（１）上述の実施形態では、導線６を負側の送電線１０１に接続し、Ｈブリッジ回路５０のコンデンサ５３を負側の送電線１０１の電力によって充電したが、導線６を対地や、交流系統等の別の電源に接続して充電を行っても良い。

（２）本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１ 直流遮断装置
２ 機械式断路器
３ 並列回路
４ 半導体遮断器
５ Ｈブリッジ群回路
６ 導線
７ 充電用抵抗
８ 開閉器
９，１０ 抵抗
４１ スイッチング素子
４２ 整流ダイオード
４３ アレスタ
５０ Ｈブリッジ回路
５１ スイッチング素子
５２ レグ
５３ コンデンサ
１００ 正側の送電線
１０１ 負側の送電線
Ａ，Ｂ 直流送電網

Claims (5)

1. 直流送電系統に設けられる機械式断路器と、
   前記機械式断路器に並列に接続される並列回路と、を備え、
   前記並列回路は、当該並列回路への前記直流送電系統の電流の供給及び遮断を切り換える半導体遮断器と、
   前記半導体遮断器に直列に接続され、複数のスイッチング素子及びコンデンサを有し、前記並列回路に前記直流送電系統の電流が供給されると、出力電圧の制御により、前記機械式断路器に流れる電流の量を制御するＨブリッジ回路と、を備え、
   前記並列回路は、前記Ｈブリッジ回路に並列接続する抵抗を有することを特徴とする直流遮断装置。
2. 直流送電系統に設けられる機械式断路器と、
   前記機械式断路器に並列に接続される並列回路と、を備え、
   前記並列回路は、当該並列回路への前記直流送電系統の電流の供給及び遮断を切り換える半導体遮断器と、
   前記半導体遮断器に直列に接続され、複数のスイッチング素子及びコンデンサを有し、前記並列回路に前記直流送電系統の電流が供給されると、出力電圧の制御により、前記機械式断路器に流れる電流の量を制御するＨブリッジ回路と、を備え、
   前記Ｈブリッジ回路は、前記コンデンサに並列接続する抵抗を有することを特徴とする直流遮断装置。
3. 前記並列回路には、複数の前記Ｈブリッジ回路が直列に接続されていることを特徴とする請求項１または２記載の直流遮断装置。
4. 前記機械式断路器及び前記並列回路は、前記直流送電系統の正側に設けられ、
   前記並列回路は、前記Ｈブリッジ回路と前記半導体遮断機との間で、前記直流送電系統の負側へ充電用抵抗を介して接続され、前記Ｈブリッジ回路のコンデンサは、前記負側の電力によって充電されることを特徴とする請求項１〜３いずれか一項に記載の直流遮断装置。
5. 前記直流送電系統の負側と前記充電用抵抗との間に開閉器が直列に接続されていることを特徴とする請求項４記載の直流遮断装置。

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