JP6223887B2 - 直流遮断装置、直流遮断方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、直流電流を遮断するために用いられる直流遮断装置および直流遮断方法に関する。

一般に電力を送るには、事故等に備え送電電流を遮断する機能を系統として有していることが求められる。この目的で遮断装置が用いられるが、特に直流送電では、送電される直流に電流ゼロ点がないため交流遮断の場合にはない困難さがある。

直流遮断装置には、公知の基本的構成として、例えば、開閉器（スイッチ）を有する通電路と、通電路と並列に設けられた、電流を漸減させることができる電流遮断路とが備えられる。通常時は、通電路上の開閉器を閉じて通電路を通して電流を流す。事故時は、電流遮断路を一時的に導通させることにより通電路に代わって事故時の電流を流せる状態にする。その一方で開閉器を開き通電路の電流を不通にすることにより電流遮断路の側に事故時の電流を転流し、その後速やかに電流遮断路の電流を限流させて遮断を完了する。

直流遮断装置の通電路は、電気抵抗が小さいほど好ましい。この電気抵抗は、通常時の電力損失になるためである。また、直流遮断装置の通電路から電流遮断路への電流切り替えは速いほど好ましい。遅くなるほど事故時の電流が増加していき、電流遮断路が遮断すべき電流の値が大きくなるためである。遮断すべき電流が大きくなると電流遮断路として大容量のものが必要になり、遮断装置として大型化する。

Juergen Haefner, Bjoern Jacobson,"Proactive Hybrid HVDC Breakers ‐ A key innovation for reliable HVDC grids", The electric power system of the future ‐ Integrating supergrids and microgrids International Symposium in Bologna, Italy 13-15 September, 2011

本発明が解決しようとする課題は、通常時の通電損失を低く抑えかつ大型化を回避することが可能な直流遮断装置および直流遮断方法を提供することである。

実施形態の直流遮断装置は、通電路と該通電路に並列に接続された電流遮断路とを持つ。通電路は、第１の開閉器と第２の開閉器とが直列に接続され、抵抗器が第２の開閉器に並列に接続されている。第１の開閉器は、半導体スイッチによらずに電流の通、不通を切り替え、所定の第１の耐圧性を有する。第２の開閉器は、半導体スイッチによらずに電流の通、不通を切り替え、前記第１の耐圧性より耐圧性が低い第２の耐圧性を有する。抵抗器は、前記第２の開閉器に印加され得る電圧から該第２の開閉器を保護する。また、電流遮断路は、半導体スイッチと電流源とが直列に接続され、かつ、該半導体スイッチと該電流源との直列接続に対して並列に接続された非線形抵抗器を有する。

また、実施形態の電流遮断方法は、上記の直流遮断装置による電流遮断方法であって次のような方法である。すなわち、（１）通電路を流れる電流である通電路電流を検出する。（２）通電路電流をゼロに近い所定の閾電流値以下まで減じるように電流源の出力電流を制御する。（３）通電路電流が閾電流値以下にされたあとに第１または第２の開閉器の電極開制御を開始する。（４）第１または第２の開閉器の電極開制御の時点より少なくとも後に半導体スイッチをオフに切り替え制御する。実施形態の電流遮断方法は、このほかにもいくつか開示される。

実施形態１の直流遮断装置を示す構成図。 図１に示した直流遮断装置の変形例を示す構成図。 図１、図２中に示した開閉器１２に含まれ得る要素である真空バルブを模式的に示す断面図。 図１に示した直流遮断装置の動作を説明する標準的なタイミングチャート。 図１に示した直流遮断装置の動作を説明する改変的なタイミングチャート。 図５に示したものとは異なる、図１に示した直流遮断装置の動作を説明する改変的なタイミングチャート。 図５、図６に示したものとは異なる、図１に示した直流遮断装置の動作を説明する改変的なタイミングチャート。 図５ないし図７に示したものとは異なる、図１に示した直流遮断装置の動作を説明する改変的なタイミングチャート。 図８に示したタイミングチャートを実現するための一例である実施形態６の直流遮断装置を示す構成図。 図５ないし図８に示したものとは異なる、図１に示した直流遮断装置の動作を説明する改変的なタイミングチャート。 図１０に示したタイミングチャートを実現するための一例である実施形態８の直流遮断装置を示す構成図。

（実施形態１）
以上を踏まえ、以下では実施形態の直流遮断装置を図面を参照しながら説明する。図１は、実施形態１の直流遮断装置の構成を示している。図１に示すように、この直流遮断装置は、通電路１０、電流遮断路３０、およびこれらを制御する制御部５０を有する。通電路１０には、開閉器１１、開閉器１２、抵抗器１３、電流検出部２１が備えられる。電流遮断路３０には、半導体スイッチ３１、電流源４１、非線形抵抗器３２が備えられる。

通常時は、通電路１０上の開閉器１１、１２を閉じて通電路１０を通して電流を流す。事故等で電流遮断を要する時は、半導体スイッチ３１をオン状態にしかつ電流源４１に電流を流す指令を制御部５０から発して電流遮断路３０を強制的かつ一時的に通電させる。その一方で開閉器１１、１２を開き通電路１０の電流を不通にすることにより電流遮断路３０の側に電流を転流し、その後速やかに電流遮断路３０に流れている電流を限流させて遮断を完了する。

図１において、通常時の直流電流は、一般的には、図示左から右の場合、図示右から左の場合、両者が考えられるが、その両者の場合にこの直流遮断器は対応している。以下では、説明便宜のため、通常時の直流電流は図示左から右へ流れているものとして説明する。

開閉器１１は、半導体スイッチによらずに電流の通、不通を切り替える開閉器であり、所定の大きな耐圧性（後述）を有している。開閉器１２も、半導体スイッチによらずに電流の通、不通を切り替える開閉器であるが、耐圧性は、開閉器１１の耐圧性より低い開閉器である。開閉器１１と開閉器１２とはこのように特性の異なる開閉器になっており役割を分担している。開閉器１１と開閉器１２とは直列に接続されており、ともにその有する電極の開閉が制御部５０により制御される。

開閉器１２と並列に接続された抵抗器１３は、開閉器１２に印加され得る電圧を低電圧に抑制して開閉器１２を保護する抵抗器である。すなわち、開閉器１１および開閉器１２が開状態に制御された状態では、この直流遮断装置に印加されている電圧は、ほぼ、開閉器１１の両端間に発生する電圧と開閉器１２の両端間に発生する電圧とで負担された状態になる。このとき、開閉器１１には抵抗器が並列に接続されていない（＝等価的に非常に大きな抵抗器がある）ので、抵抗分圧として、この直流遮断装置に印加されている電圧のほとんどは開閉器１１の側が負担することになる。ただ抵抗器１３の抵抗値の下限目安については、半導体スイッチ３１のオン時の抵抗値と関連する点があるので後述する。

電流検出部２１は、通電路１０に流れている電流を検出しこれを制御部５０に伝える。このため、電流検出部２１は、開閉器１１、１２と直列接続になるように通電路１０に設けられている。電流検出の具体例として、例えば、ごく小さい抵抗値を有する抵抗器を継電路１０に挿入しその両端電圧を検出する構成が考えられる。

半導体スイッチ３１は、電流の通、不通を切り替えるスイッチであり、切り替えの制御は制御部５０による。半導体スイッチの具体例として、図示するように、ここでは、ＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）とダイオードとの逆並列接続（順方向が互いに逆になる並列接続）要素を２つ逆方向に直列に向い合せに接続して単位要素を構成し、この単位構成を多数直列に接続して全体として２つの端子を有するようにした構成物を用いている。ＩＧＢＴそれぞれのゲートに制御部５０からの制御信号に起因する電圧が印加されると各単位要素は、いずれの方向にも電流が流れる状態（つまりオン状態）になる。

半導体スイッチの具体的構成物については、図示以外にも種々採用することが可能である。半導体スイッチは一般にオン状態において等価的に抵抗（オン抵抗）があり、通電により電圧降下が生じる。この電圧降下は、図１中に示した半導体スイッチ３１の場合で言えば、上記の単位要素の直列数に依存して大きくなり、つまり半導体スイッチ３１全体のオン抵抗もこの直列数に依存して大きくなる。

単位要素の直列数については、その必要な数は、この半導体スイッチ３１が電流遮断のためオフ状態に至ったとき以降においてこの遮断装置に印加され得る高電圧に耐えられることを条件に決め得る。これは、一般にある程度大きな数（例えば数百）になる。

また、オン抵抗については、電流遮断路３０として一時的に電流を流すという必要的機能上、通電路１０に設けられた抵抗器１３のそれより十分に低いことが要求される。実際には、上記の単位要素の直列数が、耐圧の点から最低限必要な数が決まっており、それにより半導体スイッチ３１としてオン抵抗が決まることから、その結果、これを基準にそれより相当に大きな抵抗値として、通電路１０にある抵抗器１３の方の抵抗値を決めることができる。一例として、抵抗器１３の抵抗値は、半導体スイッチ３１のオン抵抗より少なくも１０００倍以上大きくする。

半導体スイッチ３１を切り替える制御部５０による制御は、通常時は半導体スイッチ３１をオフ、遮断動作時には一度オンに切り替えてその後速やかにオフに戻すことが標準的な移行である。ただし、これに限らず、通常時に半導体スイッチ３１をオンとするように制御しても実際にはそのオン抵抗のため電流遮断路３０には電流は流れず、通電路１０の側に全電流が流れることになるのでこのように通常時に半導体スイッチ３１をオンとする制御も採り得る選択である。

電流源４１は、半導体スイッチ３１と直列に接続され、これによりさらに、電流源４１と半導体スイッチ３１との直列接続要素が、導電路１０と並列に接続される。電流源４１の出力電流は、制御部５０により所望に制御される。この点、特にその時系列的な制御は種々の例をさらに後述する。端的には、電流源４１は、事故等により電流遮断が必要になった場合において、通電路１０に流れている電流を、電流源４１による強制的な電流の流れで電流遮断路３０の側を流れる電流として素早く転流するための構成物である。電流源４１による強制的な電流のことを、通電路１０の電流を減じさせるための電流であることから、以下では「逆電流」と称する場合がある。

非線形抵抗器３２は、電流源４１と半導体スイッチ３１との直列接続要素と並列に接続されている。非線形抵抗器３２は、この直流遮断器の遮断動作の最終段階で機能するものであり、具体的には通電路１０が電流不通になり、半導体スイッチ３１および電流源４１の直列接続要素も電流不通になった状態において電流が一時的に流れる。一時的に流れる最初の段階では、その直前に半導体スイッチ３１と電流源４１との直列接続要素に流れていた電流と同じ値の電流が流れる。それにより非線形抵抗器３２に比較的大きな電圧降下が生じることから電流は減少し、電流が減少すると抵抗の非線形性により抵抗値が増大し、増大した抵抗値により実質的に電流ゼロに至って電流遮断が完了する。

なお、制御部５０には、以上の説明でも言及したように、電流検出部２１で検出した電流が伝えられる。そして、制御部５０は、開閉器１１、１２の電極開閉を制御し、半導体スイッチ３１のオンオフを切り替え制御し、電流源４１の出力電流を制御する。制御部５０の内部には、これらの各制御に対応してそれぞれ下位の制御部が存在するが、それらの下位の制御部は互いに接続され、それらの制御に必要な情報が互いに共有されるように伝え合えられている。

次に、図２は、図１に示した直流遮断装置の変形例としての構成を示している。図２において、図１中に示した構成要素と同一または同一相当のものには同一符号を付し、その説明は省略する。図２に示す構成の、図１に示したものとの違いは、電流遮断路３０に直列に挿入されるように電流検出部４２を設けていることである。電流検出部４２によって検出された電流の値は、制御部５０に伝えられる。そのほかの構成は図１に示したものと同じである。電流検出部４２を設けた理由は以下である。

図１に示した構成においては、電流源４１が出力する電流の制御は、制御部５０からの指令により行われるところ、この指令は制御部５０から電流源４１へ一方的に伝えられるのみであり、指令の通り電流源４１が電流を出力しているかどうかは制御部５０では感知できない。特に動的に指令の変更がある場合には、時間的に指令と実際とが乖離している状態が生じると考えられるがこれに対して制御部５０は関われない。そこで、電流検出部４２を図示するように挿入、設置すれば、制御部５０は、指令の結果としての電流源４１が出力している電流の値を了知することができる。したがって、全体として制御の質を向上できると考えられる。

図１、図２に示した実施形態１の直流遮断装置によれば、通電路１０には半導体スイッチを用いた開閉器が使われないことから、通電時の電力損失を大きく減じることができる。また、電流遮断路３０に電流源４１を挿入しているので、通電路１０の電流を強制的に素早く（一例として数ｍｓで）電流遮断路３０の側に遮断すべき電流として転流することができる。したがって、電流遮断路３０が遮断すべき電流の値を小さくすることが可能になり、遮断装置として大型化を回避できる。より具体的には、半導体スイッチ３１の電流定格を小さく抑えることにより大型化を回避できる。

次に、図３は、図１、図２中に示した開閉器１２に含まれ得る要素である真空バルブを模式的に示す断面図である。図３に示すように、この真空バルブ１２０は、碍管１２１、固定側電極１２２、可動側電極１２３、固定側通電軸１２４、可動側通電軸１２５、ベローズ１２６を主たる構成要素として有している。

図１、図２の説明においては開閉器１２の具体例について言及しなかったが、開閉器１２としては、真空開閉器を利用することができる。真空開閉器は、一般に耐圧性が高い開閉器とは言えないが絶縁回復特性は優れている。そこで、開閉器１２として真空開閉器を用いても、通電路１０の電流をゼロに減じた後に生じ得る、オン状態の半導体スイッチ３１の電圧降下分による低印加電圧には開閉器１２は耐えることができる上に、直流遮断装置として優れた絶縁回復特性を得ることができる。

真空開閉器は、図３に示すような真空バルブ１２０を有しており、これ以外に、可動側通電軸１２５をその軸方向に所望に移動させるための機構（不図示）などが備えられる。円筒状の碍管１２１の内部はほぼ真空に保たれ、この真空を外と遮断するため、可動側通電軸１２５および碍管１２１に固定してベローズ１２６が設けられている。真空バルブ１２０の構成について以下説明する。

碍管１２１の円筒上面に貫通するように固定側通電軸１２４が設けられ、固定側通電軸１２４は、碍管１２１への貫通部で碍管１２１に固定されている。碍管１２１の円筒上面を貫通して突起している固定側通電軸１２４の部分が開閉器としての一方の端子になる。碍管１２１の内部に位置する固定側通電軸１２４の端部には、その軸と共通する軸を有するような、扁平な円盤状の固定側電極１２２が設けられている。固定側通電軸１２４が位置する側とは反対の側の固定側電極１２２の面に対向して、固定側電極１２２と同様な形状を有しかつその軸と共通する軸を有する可動側電極１２３の面が位置している。

可動側電極１２３の、固定側電極１２２と対向する面の側とは反対の側には、固定側通電軸１２４、固定側電極１２２、可動側電極１２３のそれぞれと軸を共通に可動側通電軸１２５が設けられている。可動側通電軸１２５は、碍管１２１の円筒下面を貫通するように設けられ、その貫通して飛び出している部分が開閉器としての他方の端子になる。なお、すでに説明したようにベローズ１２６はその一方の側が可動側通電軸１２５に固定して設けられているとともに、その他方の側が碍管１２１に固定されている。ベローズ１２６により、可動側通電軸１２５が電流の開閉のためその軸方向に移動されても、常に碍管１２１内は気密が保たれる。

直流遮断装置を、例えば直流３００ｋＶ程度の系統に使用した場合を考えると、半導体スイッチ３１はその耐圧を確保するため、すでに説明したようにその単位要素の数が膨大になっているが、開閉器１２としては最大で、オン状態の半導体スイッチ３１による電圧降下分の電圧に耐えられれば足りる。この電圧降下は数ｋＶと見積もられ、真空開閉器である開閉器１２でもこの程度の電圧には耐えられる。そして、真空開閉器である開閉器１２により、直流遮断装置として優れた絶縁回復特性を得ることができる。

一方、図１、図２の説明において開閉器１１の具体例にも言及しなかったが、開閉器１１としては、例えば絶縁ガスとしてＳＦ_６が封入されたガス開閉器を利用することができる。ガス開閉器は、一般に耐圧性が高い。そこで、開閉器１１としてガス開閉器を用いれば、電流遮断後に生じ得る直流遮断装置への高印加電圧を受け止めて耐えることが可能である。なおすでに説明したが、このとき、開閉器１２の側は抵抗器１３が並列に設けられているため、直流遮断装置への高印加電圧はほぼ開閉器１１の側が負担している。

直流遮断装置を、例えば直流３００ｋＶ程度の系統に使用した場合を考えると、直流遮断装置として、半導体スイッチ３１がオフ状態に移行した直後において、最大で５００ｋＶ程度の電圧が印加された状態に至ると見積もられる。ガス開閉器である開閉器１１を用いることでこのような高電圧に耐えることが可能である。

次に、図４を参照して、図１、図２に示した直流遮断装置についてその時系列的な動作をさらに説明する。図４は、図１に示した直流遮断装置の動作を説明する標準的なタイミングを示している。なお、以下の説明では、図１に示した直流遮断装置の場合について説明するが、図２に示した直流遮断装置の場合であっても、すでに説明した優位点が存在することを加味すればそれ以外はほぼ同様の動作である。

図４（ａ）には、全電流（つまり、通電路１０に流れる電流と電流遮断路３０に流れる電流との和の電流）の時系列的な変化が示されている。図示の最初の段階（時刻Ａ以前の段階）は、通常時の電流が流れている状態を示している。その内訳は、すべて通電路１０の側に流れている電流でこの点は図４（ｃ）に示されているとおりである。当然ながら、この段階では図４（ｂ）に示すように半導体スイッチ３１の側（および電流遮断路３０）に電流は流れていない。

時刻Ａにおいて直流送電系統に事故が発生すると、図４（ａ）に示すように全電流は増加していく。事故発生の旨は不図示の事故検出装置により検出され（時刻Ｂ）、その情報は制御部５０に伝えられる。これを受けて制御部５０は、電流源４１を制御して電流出力を開始させる（時刻Ｃ：逆電流通電開始）。これにより、図４（ｂ）に示すように半導体スイッチ３１を流れる電流が電流源４１の駆動能力に応じてまたは制御された結果として漸増していく一方、図４（ｃ）に示すようにその反射的作用として通電路１０の電流は漸減していく。

そして、制御部５０により電流源４１の出力電流が漸増されている途上において、制御部５０は、開閉器１１、１２に対して電極開制御を開始する（時刻Ｄ）。開閉器１１、１２の電極開制御が開始されると、それらの開閉器１１、１２において電極間は物理的に離間していくが当初は離間距離が短いためアーク電流が流れる。アーク電流で電極間にアーク抵抗が生じるため電流源４１の駆動能力が限られている場合には、その出力電流の漸増速度は時刻Ｄ以降やや増加する可能性がある。

電流源４１の出力電流の、上記のような漸増状態は、半導体スイッチ３１を流れる電流の作用で通電路１０を流れる電流がゼロになるまで（時刻Ｅまで）続けられる。この電流がゼロに至ったことは、通電路１０に設けられた電流検出部２１により検出結果が制御部５０に伝えられて了知される。これにより通電路１０を流れる電流の電流遮断路３０への転流が完了する。

通電路１０の電流の値がゼロまで減じたあとは、通電路１０の電流の値をゼロに保つように、制御部５０は電流源４１に対してその出力電流の制御を行う（時刻Ｅから時刻Ｆ）。これも電流検出部２１により検出結果が制御部５０に伝えられてなされる制御である。時刻ＥからＦまでの期間においては、半導体スイッチ３１に流れる電流によりそのオン抵抗のためある程度の電圧降下が生じており、これがこの直流遮断装置への印加電圧になっている（図４（ｄ）を参照）。

すでに説明したように、この印加電圧（例えば数ｋＶ）に対して開閉器１２は耐圧性を有している。時刻ＥからＦまでは、可能性として半導体スイッチ３１の両端間の電圧がほぼそのまま開閉器１２に印加され得る状態になっている。開閉器１１の側の電極開状態がまだ最終的に確立していない可能性があるためである。

時刻Ｅのあと、開閉器１１、１２の電極開状態が最終的に確立したと考えられる時点以後（時刻Ｆ）で、半導体スイッチ３１をオフ状態にすべく制御部５０は半導体スイッチ３１を制御する。すでに時刻Ｅで通電路１０が電流不通であり、時刻Ｆで半導体スイッチ３１および電流源４１の直列接続要素も電流不通に変換されるため、時刻Ｆ以降、非線形抵抗器３２に電流が一時的に流れる。

一時的に流れる最初の段階では、その直前に半導体スイッチ３１と電流源４１との直列接続要素に流れていた電流と同じ値の電流が流れる。それにより非線形抵抗器３２に比較的大きな電圧降下（例えば５００ｋＶ）が生じることから電流は減少し、電流が減少すると抵抗の非線形性により抵抗値が増大し、増大した抵抗値により実質的に電流ゼロに至って電流遮断が完了する（時刻Ｇ）。時刻Ｇ以降は、この直流送電系統に応じた直流電圧（例えば３００ｋＶ）がこの直流遮断装置に印加された状態になる（図４（ｄ）を参照）。

図４に示したような標準的なタイミングによる直流遮断装置の動作によれば、開閉器１１または開閉器１２において、その電極開制御後に電極間にアーク電流が流れて、電気抵抗が増加する。したがって、その分だけ、電流源４１の側ではその出力電流をゼロから漸増する漸増速度をより速められる可能性が生じ、その結果、通電路１０の電流をより素早く電流遮断路３０の側に遮断すべき電流として転流することができる。すなわち、その分だけ高速性のある直流遮断器になる。

（実施形態２）
次に、実施形態２について図５を参照して説明する。図５は、図１に示した直流遮断装置の動作を説明する改変的なタイミングを示している。この形態は、物理的な構成として図１、図２に示したものとほぼ同じと捉えてよいが、制御部５０による制御のタイミングの点で図４に示したものと多少異ならせている。このため、重複する説明は省略し図４との比較上異なる点を中心に以下説明を行う。

この形態は、図示する時刻Ｄのタイミングである開閉器の電極開制御開始のタイミングに特徴がある。このタイミングは、制御部５０によって通電路１０の電流をゼロに近い所定の閾電流値以下まで減じるように（図５（ｃ）における時刻Ｄを参照）電流源４１の電流が制御されているときのタイミングである。この時点において開閉器１１、１２の電極開制御が開始される。

したがって、この形態によれば、通電路１０の電流がゼロに近い所定の電流値以下になってから電極開制御が開始されるため、開閉器１１、１２の電極間にアーク電流が生じることが大きく抑制され電極の損傷を効果的に軽減することができる。なお、開閉器１１、１２の電極開制御の開始は互いに多少前後しても効果の点ではほぼ同様と考えられる。

この形態では、開閉器１２として、真空開閉器のうちでも特に平板電極を有する真空開閉器を用いると好適である。平板電極を有する真空開閉器は閉状態での電気抵抗が低く、これにより通電時の電力損失をさらに低減することができるためである。平板電極とは、すでに説明した図３に示した模式図を参照して、固定側電極１２２、通電側電極１２３の対向するそれぞれの面（接点）が平面状にされている電極である。平板電極は一般にアーク電流が局在して電極が損傷しやすいが、上記のような制御を行うことによりアーク電流による電極の損傷が大きく軽減される。

（実施形態３）
次に、実施形態３について図６を参照して説明する。図６は、図５に示したものとは異なる、図１に示した直流遮断装置の動作を説明する改変的なタイミングを示している。この形態も、物理的な構成として図１、図２に示したものとほぼ同じと捉えてよいが、制御部５０による制御のタイミングの点で図４、図５に示したものと多少異ならせている。このため、重複する説明は省略し図４、図５との比較上異なる点を中心に以下説明を行う。

この形態も、図示する時刻Ｄのタイミングである開閉器の電極開制御開始のタイミングに特徴がある。すなわち、このタイミング（時刻Ｄ）を、逆電流通電開始のタイミングである時刻Ｃよりあとのごく近いタイミングとしている。図４においてすでに説明したが、このように通電路１０の電流が流れているタイミングで開閉器１１、１２の電極開制御開始を行うとその電極開制御後に電極間にアーク電流が流れて、電気抵抗が増加する。

この形態は、この作用を積極的に利用している。すなわち、電気抵抗の増加の分だけ、電流源４１の側ではその出力電流をゼロから漸増する漸増速度をより速められる可能性が生じ、その結果、通電路１０の電流をさらに素早く電流遮断路３０の側に遮断すべき電流として転流することができる。すなわち、その分だけさらに高速性のある直流遮断器にすることができる。なお、開閉器１１、１２の電極開制御の開始は互いに多少前後しても効果の点ではほぼ同様と考えられる。

この形態では、開閉器１２として、真空開閉器のうちでも特に縦磁界電極を有する真空開閉器を用いると好適である。縦磁界電極を有する真空開閉器は、その電極開制御後に電極間に流れるアーク電流を縦磁界により拡散制御して電極の損傷が抑制されるためである。縦磁界電極とは、すでに説明した図３に示した模式図を参照して、固定側電極１２２、通電側電極１２３それぞれの電極自体にコイルを取り付けてアークと平行に強力な磁界を加えられるようにした電極である。これにより、荷電粒子を磁界中に閉じ込めてこれを電極全体に平等に分散させ、電極の損傷を大きく抑制することができる。

（実施形態４）
次に、実施形態４について図７を参照して説明する。図７は、図５、図６に示したものとは異なる、図１に示した直流遮断装置の動作を説明する改変的なタイミングを示している。この形態も、物理的な構成として図１、図２に示したものとほぼ同じと捉えてよいが、制御部５０による制御のタイミングの点で図４ないし図６に示したものと多少異ならせている。このため、重複する説明は省略し図４ないし図６との比較上異なる点を中心に以下説明を行う。

この形態も、図示する時刻Ｄのタイミングである開閉器の電極開制御開始のタイミングに特徴があり、このタイミング（時刻Ｄ）を、逆電流通電開始のタイミングである時刻Ｃよりも前のタイミングとしている。すなわち、この形態は、図６において説明した作用をさらに積極的に利用した形態である。

このように時刻Ｄを前に移行することで、さらに大きなアーク抵抗によって電流源４１の側ではその出力電流をゼロから漸増する漸増速度をより速められる可能性が生じる。その結果、通電路１０の電流をさらに素早く電流遮断路３０の側に遮断すべき電流として転流することができる。すなわち、その分だけさらに高速性のある直流遮断器にすることができる。なお、開閉器１１、１２の電極開制御の開始は互いに多少前後しても効果の点ではほぼ同様と考えられる。

この形態も、図６での説明と同様に、開閉器１２として、電極の損傷を抑制するため真空開閉器のうちでも特に縦磁界電極を有する真空開閉器を用いることが好適である。

（実施形態５）
次に、実施形態５について図８を参照して説明する。図８は、図５ないし図７に示したものとは異なる、図１に示した直流遮断装置の動作を説明する改変的なタイミングを示している。この形態も、物理的な構成として図１、図２に示したものとほぼ同じと捉えてよいが、制御部５０による制御のタイミングの点で図４ないし図７に示したものと多少異ならせている。このため、重複する説明は省略し図４ないし図７との比較上異なる点を中心に以下説明を行う。

この形態は、開閉器１２への電極開制御の開始の時刻Ｄから予想される、開閉器１２の電極距離が所定の距離に到達する時刻Ｄ１を考慮に入れて制御を行う。この時刻Ｄ１より遅い時点で通電路１０から電流遮断路３０への転流が完了するように（転流完了は時刻Ｅ）、電流源４１の出力電流が制御部５０によって制御される。つまり、電流源４１の出力電流の漸増の程度は制御部５０によってそのように調整される。

このように制御することで、開閉器１２の耐圧性が十分に確保されるような状態になってから、半導体スイッチ３１による電圧降下分の開閉器１２への電圧印加が生じることになるので（その期間は時刻Ｅ以降時刻Ｆまで）、開閉器１２の運用上非常に好ましい結果がもたらされる。

（実施形態６）
図９は、図８に示したタイミングチャートを実現するための一例である実施形態６の直流遮断装置を示している。図９において、図１中に示した構成要素と同一または同一相当のものには同一符号を付し、その説明は省略する。図９に示す構成の、図１に示したものとの違いは、開閉器１２に、開閉器１２の電極間距離を検出して制御部５０に伝える電極間距離検出部２２を設けた点である。そのほかの構成は図１に示したものと同じである。

この形態は、考え方として図８を参照して説明した形態と同じである。図８での説明では、開閉器１２の電極距離が所定の距離に到達する時刻Ｄ１を開閉器１２への電極開制御の開始の時刻Ｄから予想していたが、この形態では、電極間距離検出部２２によって開閉器１２の電極間距離が制御部５０に伝えられるので、これに基づき、制御部５０は時刻Ｄ１を了知できる。その後は、図８での説明と同じである。効果の点でも図８での説明と同じである。

（実施形態７）
次に、実施形態７について図１０を参照して説明する。図１０は、図５ないし図８に示したものとは異なる、図１に示した直流遮断装置の動作を説明する改変的なタイミングを示している。この形態も、物理的な構成として図１、図２に示したものとほぼ同じと捉えてよいが、制御部５０による制御のタイミングの点で図４ないし図８に示したものと多少異ならせている。このため、重複する説明は省略し図４ないし図８との比較上異なる点を中心に以下説明を行う。

この形態は、開閉器１１への電極開制御の開始の時刻Ｄから予想される、開閉器１１の電極距離が所定の距離に到達する時刻Ｄ２を考慮に入れて制御を行う。この時刻Ｄ２より遅い時点で半導体スイッチ３１をオフ状態に切り替え制御するように（そのタイミングは時刻Ｆ）、半導体スイッチ３１のオンオフが制御部５０によって制御される。

このように制御することで、開閉器１１の耐圧性が十分に確保されるような状態になってから、直流遮断装置への高印加電圧が生じることになるので（その期間は時刻Ｆ以降）、開閉器１１の運用上非常に好ましい結果がもたらされる。

（実施形態８）
図１１は、図１０に示したタイミングチャートを実現するための一例である実施形態８の直流遮断装置を示している。図１１において、図１中に示した構成要素と同一または同一相当のものには同一符号を付し、その説明は省略する。図１１に示す構成の、図１に示したものとの違いは、開閉器１１に、開閉器１１の電極間距離を検出して制御部５０に伝える電極間距離検出部２３を設けた点である。そのほかの構成は図１に示したものと同じである。

この形態は、考え方として図１０を参照して説明した形態と同じである。図１０での説明では、開閉器１１の電極距離が所定の距離に到達する時刻Ｄ２を開閉器１１への電極開制御の開始の時刻Ｄから予想していたが、この形態では、電極間距離検出部２３によって開閉器１１の電極間距離が制御部５０に伝えられるので、これに基づき、制御部５０は時刻Ｄ２を了知できる。その後は、図１０での説明と同じである。効果の点でも図１０での説明と同じである。

以上説明したように、各実施形態の直流遮断装置によれば、通電路１０には半導体スイッチを用いた開閉器が使われないことから、通電時の電力損失を大きく減じることができる。また、電流遮断路３０に電流源４１を挿入しているので、通電路１０の電流を強制的に素早く電流遮断路３０の側に遮断すべき電流として転流することができる。したがって、電流遮断路３０が遮断すべき電流の値を小さくすることが可能になり、遮断装置として大型化を回避できる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…通電路、１１…開閉器（高耐圧）、１２…開閉器（低耐圧）、１３…抵抗器、２１…電流検出部、２２…電極間距離検出部、２３…電極間距離検出部、３０…電流遮断路、３１…半導体スイッチ、３２…非線形抵抗器、４１…電流源、４２…電流検出部、５０…制御部、１２０…真空バルブ、１２１…碍管、１２２…固定側電極、１２３…可動側電極、１２４…固定側通電軸、１２５…可動側通電軸、１２６…ベローズ。

Claims (17)

1. 半導体スイッチによらずに電流の通、不通を切り替える、所定の第１の耐圧性を有する第１の開閉器と、半導体スイッチによらずに電流の通、不通を切り替える、前記第１の耐圧性より耐圧性が低い第２の耐圧性を有する第２の開閉器とが直列に接続され、かつ、前記第２の開閉器に印加され得る電圧から該第２の開閉器を保護する抵抗器が該第２の開閉器に並列に接続されている通電路と、
   半導体スイッチと電流源とが直列に接続され、かつ、該半導体スイッチと該電流源との直列接続に対して並列に接続された非線形抵抗器を有する、前記通電路に並列に接続された電流遮断路と
   を具備する直流遮断装置。
2. 前記第１の開閉器が、ガス開閉器である請求項１記載の直流遮断装置。
3. 前記第２の開閉器が、真空開閉器である請求項１記載の直流遮断装置。
4. 前記第１の開閉器に接続された、該第１の開閉器の電極開閉を制御する第１の制御部と、
   前記第２の開閉器に接続された、該第２の開閉器の電極開閉を制御する第２の制御部と、
   前記電流源の出力電流を制御しかつ該電流源への制御状態を前記第１、第２の制御部に伝える、前記電流源および前記第１、第２の制御部に接続された第３の制御部と、
   前記通電路を流れる電流である通電路電流を検出して該通電路電流を前記第１、第２、第３の制御部に伝える、前記通電路に設けられた検出部と、をさらに具備し、
   前記第３の制御部が、前記通電路電流をゼロに近い所定の閾電流値以下まで減じるように前記電流源の出力電流を制御する機能を有し、
   前記第１または第２の制御部が、前記第３の制御部によって前記通電路電流が前記閾電流値以下にされたあとに前記第１または第２の開閉器の電極開制御を開始する機能を有する
   請求項１記載の直流遮断装置。
5. 前記第２の開閉器が、平板電極を有する真空開閉器である請求項３記載の直流遮断装置。
6. 前記第１の開閉器に接続された、該第１の開閉器の電極開閉を制御する第１の制御部と、
   前記第２の開閉器に接続された、該第２の開閉器の電極開閉を制御する第２の制御部と、
   前記電流源の出力電流を制御しかつ該電流源への制御状態を前記第１、第２の制御部に伝える、前記電流源および前記第１、第２の制御部に接続された第３の制御部と、をさらに具備し、
   前記第３の制御部が、前記電流源の出力電流をゼロから漸増するように制御する機能を有し、
   前記第１または第２の制御部が、前記第３の制御部によって前記電流源の出力電流が漸増されている途上または前記第３の制御部によって前記電流源の出力電流が漸増される前の時点において、前記第１または第２の開閉器の電極開制御を開始する機能を有する
   請求項１記載の直流遮断装置。
7. 前記第２の開閉器が、縦磁界電極を有する真空開閉器である請求項３記載の直流遮断装置。
8. 前記第１の開閉器に接続された、該第１の開閉器の電極開閉を制御する第１の制御部と、
   前記第２の開閉器に接続された、該第２の開閉器の電極開閉を制御する第２の制御部と、
   前記電流源の出力電流を制御しかつ該電流源への制御状態を前記第１、第２の制御部に伝えかつ前記第２の制御部による前記第２の開閉器への制御状態を前記第２の制御部から受け取る、前記電流源および前記第１、第２の制御部に接続された第３の制御部と、
   前記通電路に設けられた、前記通電路を流れる電流である通電路電流を検出して前記第３の制御部に伝える検出部と、をさらに具備し、
   前記第３の制御部が、前記通電路電流の値がゼロに減じるまで前記電流源の出力電流をゼロから漸増制御する第１の機能と、前記通電路電流の値がゼロまで減じたあと該通電路電流の値をゼロに保つように前記電流源の出力電流を制御する第２の機能と、を有し、
   前記第１または第２の制御部が、前記第３の制御部によって前記電流源の出力電流が漸増制御されている途上において、それぞれ、前記第１または第２の開閉器の電極開制御を開始する機能を有し、
   前記第３の制御部が、前記第２の制御部によって前記第２の開閉器の電極開制御が開始されてから所定の時間の経過のあとに前記通電路電流の値がゼロに減じるように、前記電流源の出力電流の漸増の程度を調整する第３の機能をさらに有する
   請求項１記載の直流遮断装置。
9. 前記第１の開閉器に接続された、該第１の開閉器の電極開閉を制御する第１の制御部と、
   前記第２の開閉器に接続された、該第２の開閉器の電極開閉を制御する第２の制御部と、
   前記電流源の出力電流を制御しかつ該電流源への制御状態を前記第１、第２の制御部に伝える、前記電流源および前記第１、第２の制御部に接続された第３の制御部と、
   前記通電路に設けられた、前記通電路を流れる電流である通電路電流を検出して前記第３の制御部に伝える第１の検出部と、
   前記第２の開閉器に設けられた、前記第２の開閉器の電極間距離を検出して前記第３の制御部に伝える第２の検出部と、をさらに具備し、
   前記第３の制御部が、前記通電路電流の値がゼロに減じるまで前記電流源の出力電流をゼロから漸増制御する第１の機能と、前記通電路電流の値がゼロまで減じたあと該通電路電流の値をゼロに保つように前記電流源の出力電流を制御する第２の機能と、を有し、
   前記第１または第２の制御部が、前記第３の制御部によって前記電流源の出力電流が漸増制御されている途上において、それぞれ、前記第１または第２の開閉器の電極開制御を開始する機能を有し、
   前記第３の制御部が、前記第２の開閉器の電極間距離が所定の距離になったあとに前記通電路電流の値がゼロに減じるように、前記電流源の出力電流の漸増の程度を調整する第３の機能をさらに有する
   請求項１記載の直流遮断装置。
10. 前記第１の開閉器に接続された、該第１の開閉器の電極開閉を制御する第１の制御部と、
    前記第２の開閉器に接続された、該第２の開閉器の電極開閉を制御する第２の制御部と、
    前記電流遮断路が有する前記半導体スイッチをオンオフ制御しかつ前記第１の制御部による前記第１の開閉器への制御状態を前記第１の制御部から受け取る、該半導体スイッチおよび前記第１の制御部に接続された第３の制御部と、
    前記電流源の出力電流を制御しかつ該電流源への制御状態を前記第１、第２の制御部に伝える、前記電流源および前記第１、第２の制御部に接続された第４の制御部と、
    前記通電路に設けられた、前記通電路を流れる電流である通電路電流を検出して前記第４の制御部に伝える検出部と、をさらに具備し、
    前記第４の制御部が、前記通電路電流の値がゼロに減じるまで前記電流源の出力電流をゼロから漸増制御する第１の機能と、前記通電路電流の値がゼロまで減じたあと該通電路電流の値をゼロに保つように前記電流源の出力電流を制御する第２の機能と、を有し、
    前記第１または第２の制御部が、前記第４の制御部によって前記電流源の出力電流が漸増制御されている途上において、それぞれ、前記第１または第２の開閉器の電極開制御を開始する機能を有し、
    前記第３の制御部が、前記第１の制御部によって前記第１の開閉器の電極開制御が開始されてから所定の時間の経過のあと前記半導体スイッチをオフに切り替え制御する機能を有する
    請求項１記載の直流遮断装置。
11. 前記第１の開閉器に接続された、該第１の開閉器の電極開閉を制御する第１の制御部と、
    前記第２の開閉器に接続された、該第２の開閉器の電極開閉を制御する第２の制御部と、
    前記電流遮断路が有する前記半導体スイッチをオンオフ制御する、該半導体スイッチに接続された第３の制御部と、
    前記電流源の出力電流を制御しかつ該電流源への制御状態を前記第１、第２の制御部に伝える、前記電流源および前記第１、第２の制御部に接続された第４の制御部と、
    前記通電路に設けられた、前記通電路を流れる電流である通電路電流を検出して前記第４の制御部に伝える第１の検出部と、
    前記第１の開閉器に設けられた、該第１の開閉器の電極間距離を検出して前記第３の制御部に伝える第２の検出部と、をさらに具備し、
    前記第４の制御部が、前記通電路電流の値がゼロに減じるまで前記電流源の出力電流をゼロから漸増制御する第１の機能と、前記通電路電流の値がゼロまで減じたあと該通電路電流の値をゼロに保つように前記電流源の出力電流を制御する第２の機能と、を有し、
    前記第１または第２の制御部が、前記第４の制御部によって前記電流源の出力電流が漸増制御されている途上において、それぞれ、前記第１または第２の開閉器の電極開制御を開始する機能を有し、
    前記第３の制御部が、前記第１の開閉器の電極間距離が所定の距離になったあと前記半導体スイッチをオフに切り替え制御する機能を有する
    請求項１記載の直流遮断装置。
12. 半導体スイッチによらずに電流の通、不通を切り替える、所定の第１の耐圧性を有する第１の開閉器と；半導体スイッチによらずに電流の通、不通を切り替える、前記第１の耐圧性より耐圧性が低い第２の耐圧性を有する第２の開閉器と；が直列に接続され、かつ、前記第２の開閉器に印加され得る電圧から該第２の開閉器を保護する抵抗器が該第２の開閉器に並列に接続されている通電路と、半導体スイッチと電流源とが直列に接続され、かつ、該半導体スイッチと該電流源との直列接続に対して並列に接続された非線形抵抗器を有する、前記通電路に並列に接続された電流遮断路と、を具備する直流遮断装置による直流遮断方法であって、
    前記通電路を流れる電流である通電路電流を検出し、
    前記通電路電流をゼロに近い所定の閾電流値以下まで減じるように前記電流源の出力電流を制御し、
    前記通電路電流が前記閾電流値以下にされたあとに前記第１または第２の開閉器の電極開制御を開始し、
    前記第１または第２の開閉器の電極開制御の時点より少なくとも後に前記半導体スイッチをオフに切り替え制御する
    直流遮断方法。
13. 半導体スイッチによらずに電流の通、不通を切り替える、所定の第１の耐圧性を有する第１の開閉器と；半導体スイッチによらずに電流の通、不通を切り替える、前記第１の耐圧性より耐圧性が低い第２の耐圧性を有する第２の開閉器と；が直列に接続され、かつ、前記第２の開閉器に印加され得る電圧から該第２の開閉器を保護する抵抗器が該第２の開閉器に並列に接続されている通電路と、半導体スイッチと電流源とが直列に接続され、かつ、該半導体スイッチと該電流源との直列接続に対して並列に接続された非線形抵抗器を有する、前記通電路に並列に接続された電流遮断路と、を具備する直流遮断装置による直流遮断方法であって、
    前記電流源の出力電流をゼロから漸増するように制御し、
    前記電流源の出力電流が漸増されている途上または前記電流源の出力電流が漸増される前の時点において、前記第１または第２の開閉器の電極開制御を開始し、
    前記第１または第２の開閉器の電極開制御の時点より少なくとも後に前記半導体スイッチをオフに切り替え制御する
    直流遮断方法。
14. 半導体スイッチによらずに電流の通、不通を切り替える、所定の第１の耐圧性を有する第１の開閉器と；半導体スイッチによらずに電流の通、不通を切り替える、前記第１の耐圧性より耐圧性が低い第２の耐圧性を有する第２の開閉器と；が直列に接続され、かつ、前記第２の開閉器に印加され得る電圧から該第２の開閉器を保護する抵抗器が該第２の開閉器に並列に接続されている通電路と、半導体スイッチと電流源とが直列に接続され、かつ、該半導体スイッチと該電流源との直列接続に対して並列に接続された非線形抵抗器を有する、前記通電路に並列に接続された電流遮断路と、を具備する直流遮断装置による直流遮断方法であって、
    前記通電路を流れる電流である通電路電流を検出し、
    前記通電路電流の値がゼロに減じるまで前記電流源の出力電流をゼロから漸増制御し、
    前記電流源の出力電流が漸増制御されている途上において、前記第１または第２の開閉器の電極開制御を開始し、
    前記第２の開閉器の電極開制御が開始されてから所定の時間の経過のあとに前記通電路電流の値がゼロに減じるように、前記電流源の出力電流の漸増の程度を調整し、
    前記通電路電流の値がゼロまで減じたあと該通電路電流の値をゼロに保つように前記電流源の出力電流を制御し、
    前記通電路電流の値がゼロに保たれたあとに前記半導体スイッチをオフに切り替え制御する
    直流遮断方法。
15. 半導体スイッチによらずに電流の通、不通を切り替える、所定の第１の耐圧性を有する第１の開閉器と；半導体スイッチによらずに電流の通、不通を切り替える、前記第１の耐圧性より耐圧性が低い第２の耐圧性を有する第２の開閉器と；が直列に接続され、かつ、前記第２の開閉器に印加され得る電圧から該第２の開閉器を保護する抵抗器が該第２の開閉器に並列に接続されている通電路と、半導体スイッチと電流源とが直列に接続され、かつ、該半導体スイッチと該電流源との直列接続に対して並列に接続された非線形抵抗器を有する、前記通電路に並列に接続された電流遮断路と、を具備する直流遮断装置による直流遮断方法であって、
    前記通電路を流れる電流である通電路電流を検出し、
    前記通電路電流の値がゼロに減じるまで前記電流源の出力電流をゼロから漸増制御し、
    前記電流源の出力電流が漸増制御されている途上において、前記第１または第２の開閉器の電極開制御を開始し、
    前記第２の開閉器の電極間距離を検出し、
    前記第２の開閉器の電極間距離が所定の距離になったあとに前記通電路電流の値がゼロに減じるように、前記電流源の出力電流の漸増の程度を調整し、
    前記通電路電流の値がゼロまで減じたあと該通電路電流の値をゼロに保つように前記電流源の出力電流を制御し、
    前記通電路電流の値がゼロに保たれたあとに前記半導体スイッチをオフに切り替え制御する
    直流遮断方法。
16. 半導体スイッチによらずに電流の通、不通を切り替える、所定の第１の耐圧性を有する第１の開閉器と；半導体スイッチによらずに電流の通、不通を切り替える、前記第１の耐圧性より耐圧性が低い第２の耐圧性を有する第２の開閉器と；が直列に接続され、かつ、前記第２の開閉器に印加され得る電圧から該第２の開閉器を保護する抵抗器が該第２の開閉器に並列に接続されている通電路と、半導体スイッチと電流源とが直列に接続され、かつ、該半導体スイッチと該電流源との直列接続に対して並列に接続された非線形抵抗器を有する、前記通電路に並列に接続された電流遮断路と、を具備する直流遮断装置による直流遮断方法であって、
    前記通電路を流れる電流である通電路電流を検出し、
    前記通電路電流の値がゼロに減じるまで前記電流源の出力電流をゼロから漸増制御し、
    前記電流源の出力電流が漸増制御されている途上において、前記第１または第２の開閉器の電極開制御を開始し、
    前記通電路電流の値がゼロまで減じたあと該通電路電流の値をゼロに保つように前記電流源の出力電流を制御し、
    前記第１の開閉器の電極開制御が開始されてから所定の時間の経過のあと前記半導体スイッチをオフに切り替え制御する
    直流遮断方法。
17. 半導体スイッチによらずに電流の通、不通を切り替える、所定の第１の耐圧性を有する第１の開閉器と；半導体スイッチによらずに電流の通、不通を切り替える、前記第１の耐圧性より耐圧性が低い第２の耐圧性を有する第２の開閉器と；が直列に接続され、かつ、前記第２の開閉器に印加され得る電圧から該第２の開閉器を保護する抵抗器が該第２の開閉器に並列に接続されている通電路と、半導体スイッチと電流源とが直列に接続され、かつ、該半導体スイッチと該電流源との直列接続に対して並列に接続された非線形抵抗器を有する、前記通電路に並列に接続された電流遮断路と、を具備する直流遮断装置による直流遮断方法であって、
    前記通電路を流れる電流である通電路電流を検出し、
    前記通電路電流の値がゼロに減じるまで前記電流源の出力電流をゼロから漸増制御し、
    前記電流源の出力電流が漸増制御されている途上において、前記第１または第２の開閉器の電極開制御を開始し、
    前記第１の開閉器の電極間距離を検出し、
    前記通電路電流の値がゼロまで減じたあと該通電路電流の値をゼロに保つように前記電流源の出力電流を制御し、
    前記第１の開閉器の電極間距離が所定の距離になったあと前記半導体スイッチをオフに切り替え制御する
    直流遮断方法。

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