JP6382757B2 - 直流遮断装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、直流送電系統における事故点を切り離す直流遮断装置に関する。

環境負荷低減や電源の多様化の観点から、風力発電や太陽光発電などの再生可能エネルギーを利用した発電の普及が進んでいる。これらの風力・太陽光発電は、大規模化が進んでおり、洋上風力発電や、砂漠地帯での太陽光、太陽熱発電などで実用化され始めている。洋上や砂漠は都市部等の需要地から地理的に離れているため、長距離において大電力を送電することとなる。このような長距離大電力の送電には、交流送電システムに比べて送電コストが安い高電圧直流送電（ＨＶＤＣ：High-Voltage Direct Current）が適用されている。

ＨＶＤＣを長距離大電流送電に適用した場合、交流送電システムに比べて、低コストとなる上、送電損失が少ない高効率システムを構築することが可能である。しかし、落雷などに起因した系統事故が生じた場合、事故個所を切り離すことが困難となる。例えば機械式接点を用いた場合、交流送電システムでは、周波数５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの半サイクルごとに生じる電流ゼロ点で電流遮断ができる。しかし、直流電流では電流ゼロ点が生じないため、機械式接点では電流を遮断することができない。

従って、従来のＨＶＤＣにおいては、機械式遮断器に並列にＬＣ回路を接続した構成を有する直流遮断装置が提案されている。この遮断装置では、遮断の際に断路器を閉じることでＬＣ回路から機械式遮断器へ共振電流を流し、機械式遮断器に対して電流ゼロ点を生じさせて遮断を実現する。しかし、共振電流の振幅が一定以上ない場合には電流ゼロ点がつくれないため、振幅が得られるまでに時間がかかり、遮断に時間を要するおそれがある。このような背景から、半導体素子を用いて、高速遮断を行う方式が提案されている。

国際公開第２０１２／０４５３６０号明細書 欧州特許出願公開０８６７９９８号明細書

しかしながら、半導体素子を用いた遮断方式では、送電する電力の全てが、常時複数の半導体素子を通過することになる。そのため、半導体素子の抵抗により大きな導通損失が発生する。半導体素子による損失増加により、通常運転時においては送電効率の低下を招くこととなる。従って、送電効率の低下をカバーするために、装置が大型化したり高コスト化したりしていた。

本発明の実施形態は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものである。その目的は、事故点の遮断を可能とし、低コスト化された直流遮断装置を提供することである。

上記のような目的を達成するための実施形態の直流遮断装置は、２本の送電線により接続される直流送電系統における事故点を切り離す直流遮断装置であって、第１の送電線に直列接続される、第１のリアクトルと、機械式接点を有する第１のメカ断路器と、前記第１のリアクトルと、前記第１のメカ断路器と、に並列接続される第１の半導体遮断器と、前記第１のリアクトルと前記第１のメカ断路器との接続点と、第２の送電線に接続される第２の半導体遮断器と、を有し、前記直流送電系統の定常動作時においては、前記第１のメカ断路器をオン状態とし、前記第１の半導体遮断器および前記第２の半導体遮断器をオフ状態とすることを特徴とする。

第１の実施形態の直流遮断装置の構成の一例を示す回路図である。 第１の実施形態の直流遮断装置において、定常動作時の電流経路を示す経路図である。 第１の実施形態の直流遮断装置において、地絡事故が発生した場合の電流経路を示す経路図である。 第１の実施形態の直流遮断装置において、事故発生後に半導体遮断器を閉極した場合の電流経路を示す経路図である。 第１の実施形態の直流遮断装置において、事故発生後に第１の半導体遮断器とメカ断路器を開極した場合の電流経路を示す経路図である。 第１の実施形態の直流遮断装置において、事故発生後に第２の半導体遮断器を開極した場合の電流経路を示す経路図である。 第１の実施形態の直流遮断装置において、各構成部の電流を測定した結果を示すグラフである。 第２の実施形態の直流遮断装置の構成の一例を示す回路図である。 第２の実施形態の直流遮断装置の他の構成を示す回路図である。 第３の実施形態の直流遮断装置の構成の一例を示す回路図である。 第３の実施形態の直流遮断装置の他の構成を示す回路図である。 第４の実施形態の直流遮断装置の他の構成を示す回路図である。 半導体遮断装置の他の構成例を示す回路図である。

［第１の実施形態］
［１．構成］
以下、本発明の第１の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態の直流遮断装置の構成の一例を示す回路図である。直流遮断装置は、直流送電系統に流れる直流電流を遮断するものである。本実施形態では、直流送電系統Ｄ１，Ｄ２が、２本の送電線Ｗ１，Ｗ２により接続されている。直流送電系統Ｄ１において、送電線Ｗ１が接続される側が正側であり、送電線Ｗ２が接続される側が負側である。定常動作時において、電流は、送電線Ｗ１を介して直流送電系統Ｄ１から直流送電系統Ｄ２に流れる。直流遮断装置は、２本の送電線Ｗ１，Ｗ２に接続されている。図中の系統インピーダンスはケーブルや架空線の抵抗等を示す。

直流送電装置は、リアクトルＬ１，Ｌ２、機械接点式電流断路器Ｍ１（以下メカ断路器Ｍ１という）、半導体遮断器Ｓ１，Ｓ２を有する。送電線Ｗ１には、リアクトルＬ１，Ｌ２、メカ断路器Ｍ１を直列接続した回路が接続されている。具体的には、直流送電系統Ｄ１側から、リアクトルＬ１、メカ断路器Ｍ１、リアクトルＬ１の順で配置されている。リアクトルＬ１、メカ遮断器Ｍ１には、半導体遮断器Ｓ１が並列接続されている。半導体遮断器Ｓ２は、リアクトルＬ１とメカ断路器Ｍ１の接続点と、送電線Ｗ２の間に接続されている。

メカ断路器Ｍ１は、機械式接点を有する。メカ断路器Ｍ１は、この機械式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有するように構成される。半導体遮断器Ｓ１，Ｓ２は、ＩＧＢＴ等の自己消弧型のスイッチング素子を用いることができる。半導体遮断器Ｓ１，Ｓ２のそれぞれには、一定電圧以上が印加されると導通する非線形素子アレスタＡ１，Ａ２が並列接続されている。非線形素子アレスタＡ１，Ａ２は、半導体を過電圧から保護する。

半導体遮断器Ｓ１，Ｓ２、及びメカ断路器Ｍ１の接点の開閉は、ＣＰＵやメモリを含み所定のプログラムで動作するコンピュータや専用の電子回路で構成される不図示の制御装置で行われる。制御装置は、直流送電系統Ｄ１，Ｄ２の状態を検知して自動で接点の開閉を行う構成とするが、制御装置を介してオペレータにより手動操作されることもできる。

［２．動作］
本実施形態の直流遮断装置の動作について、図２〜６を参照して説明する。また、図７に示すグラフを用いて、各構成部における電流の状態を合わせて説明する。図７の横軸は時間を示し、縦軸は電流値を示す。なお、以下の説明では、接点を閉じた状態をオン状態と表現し、接点を開いた状態をオフ状態として表現する。

（１）定常動作時
まず、定常動作時では、図２に示す通り、メカ断路器Ｍ１をオン状態、半導体遮断器Ｓ１，Ｓ２をオフ状態として動作させる。従って、直流送電系統Ｄ１から直流送電系統Ｄ２に電力融通する場合、図中太い矢印で示す通り、電力はリアクトルＬ１、メカ断路器Ｍ１、リアクトルＬ２を通過して流れる。すなわち、電力損失が大きい半導体を通過すること無く、電力融通される。図７では、Ａ点までの値が定常動作時の各構成部の電流値を示している。

（２）事故発生時
次に、図３に示す通り、直流送電系統Ｄ２側において、送電線地絡事故が起きた場合の動作について説明する。送電線地絡事故等の系統事故が発生した場合、系統インピーダンスおよびリアクトルＬ１，Ｌ２に系統電圧が印加される。図７では事故発生時点をＡ点として示す。この場合、送電電力の特性インピーダンスに対して、系統インピーダンスおよびリアクトルＬ１，Ｌ２の％インピーダンスは小さく、抵抗が小さくなるため、図７のＡ点からＢ点の間に示されるように、メカ断路器Ｍ１およびリアクトルＬ１，Ｌ２の系統電流は瞬時に上昇する。

このような事故が起きた場合、図４に示す通り、半導体遮断器Ｓ１，Ｓ２をオン状態に移行する（図７のＢ点）。すると、図４にて斜線の矢印で示す通り、直流送電系統Ｄ１の正側から、系統インピーダンスを経由し、半導体遮断器Ｓ１、メカ断路器Ｍ１、半導体遮断器Ｓ２を通り、直流送電系統Ｄ１の負側へ至る電流経路Ｐ１が形成される。

電流経路Ｐ１が形成されると、リアクトルＬ１は、半導体遮断器Ｓ１およびメカ断路器Ｍ１により両端を短絡される。よって、リアクトルＬ１の両端に印加される電圧が低下し、図７のＢ点からＣ点の間に示すように、リアクトルＬ１を流れる電流はほとんど変化せず一定値となる。また、メカ断路器Ｍ１、半導体遮断器Ｓ２を介して、地絡事故点と直流送電系統Ｄ１の負側が接続され同電位となる。そのため、リアクトルＬ２の両端に印加される電圧が低下し、図７のＢ点からＣ点の間に示すように、リアクトルＬ２を流れる電流の変化量が小さくなる。

以上のように、半導体遮断器Ｓ１，Ｓ２をオン状態とすることでリアクトルＬ１，Ｌ２が短絡されるため、リアクトルＬ１，Ｌ２に印加されていた電圧は、系統インピーダンスに印加されることとなる。従って、系統インピーダンスを流れる電流は、図７のＢ点からＣ点の間に示すように、さらに増加する。上述の通り、半導体遮断器Ｓ１，Ｓ２をオン状態としたことで、リアクトルＬ１を流れる電流は一定値となっている。そのため、系統インピーダンスに流れる電流の増加分は、半導体遮断器Ｓ１、メカ断路器Ｍ１、半導体遮断器Ｓ２を経由して、直流送電系統Ｄ１の負側へ流れる。

図３および４を比較すると明らかな通り、事故発生時にメカ断路器Ｍ１を流れる電流は、事故発生前にメカ断路器Ｍ１を流れる電流と逆方向の流れとなる。よって、事故発生時に系統インピーダンスに流れる電流が増加した場合、メカ断路器Ｍ１を流れる逆方向の流れの電流が徐々に増加し、それ以前にメカ断路器Ｍ１を流れていた電流を打ち消すこととなる。図７のＢ点からＣ点の間に示すように、メカ断路器Ｍ１を流れる電流は徐々に低下する。その結果、メカ断路器Ｍ１に電流ゼロ点が形成されるため（図７のＺ点）、図５に示すように、電流ゼロ点にてメカ断路器Ｍ１をオフ状態に移行させる。

メカ断路器Ｍ１をオフ状態に移行した後、図５に示すように、半導体遮断器Ｓ１をオフ状態に移行し（図７のＣ点）、リアクトルＬ２を流れる電流を遮断する。リアクトルＬ２に蓄積された誘導性エネルギーは、半導体遮断器Ｓ１とアレスタＡ１で減衰されるため、半導体遮断器Ｓ１に過大な電圧が印加されることはない。

最後に、図６に示す通り、半導体遮断器Ｓ２をオフ状態に移行し（図７のＤ点）、半導体遮断器Ｓ２を流れる電流を遮断する。この動作により、系統インピーダンスおよびリアクトルＬ１を流れる電流が遮断される。以上の動作により、地絡事故点と、健全な直流送電系統Ｄ１が切り離され、事故点除去が可能な状態となる。

［３．作用効果］
以上のような本実施形態の作用効果は以下のとおりである。
（１）本実施形態の直流遮断装置は、２本の送電線Ｗ１，Ｗ２により接続される直流送電系統Ｄ１，Ｄ２における事故点を切り離す直流遮断装置であって、送電線Ｗ１に直列接続される、リアクトルＬ１と、機械式接点を有するメカ断路器Ｍ１と、リアクトルＬ１とメカ断路器Ｍ１とに並列接続される半導体遮断器Ｓ１と、リアクトルＬ１とメカ断路器Ｍ１との接続点と、送電線Ｗ２に接続される半導体遮断器Ｓ２と、を有する。

従って、定常動作の場合には、半導体素子を電流が通過することがないため、半導体素子の抵抗により導通損失が発生することがない。そのため、装置の大型化を抑制し、低コスト化された直流遮断器を提供することができる。また、事故が発生した場合には、電流ゼロ点を形成することが可能となるため、機械式接点を有するメカ断路器Ｍ１を用いて電流を遮断することができる。

（２）直流送電系統Ｄ１，Ｄ２の定常動作時においては、メカ断路器Ｍ１をオン状態とし、半導体遮断器Ｓ１，Ｓ２をオフ状態とする。従って、定常動作の場合には、半導体素子を電流が通過することがないため、半導体素子の抵抗により導通損失が発生することがない。そのため、装置の大型化を抑制し、低コスト化された直流遮断器を提供することができる。

（３）直流送電系統Ｄ１，Ｄ２において事故が発生した場合には、半導体遮断器Ｓ１，Ｓ２をオン状態とし、電流ゼロ点においてメカ断路器Ｍ１をオフ状態とし、その後、半導体遮断器Ｓ１，Ｓ２を順次オフ状態として、事故点を切り離す。従って、事故が発生した場合には、電流ゼロ点を形成することが可能となるため、機械式接点を有するメカ断路器Ｍ１を用いて電流を遮断することができる。また、電流ゼロ点でメカ遮断器Ｍ１の接点をオフ状態に移行させることができるため、直流電流導通時のようにアークを引いて電流が流れ続けるような現象が発生しない。そのため、アーク電流を遮断する能力がないような断路器を用いた場合も開極が可能となる。従って、より低コスト化された直流遮断装置を提供することができる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態の直流遮断装置の構成は、基本的には第１の実施形態と同じである。ただし、本実施形態の直流遮断装置では、図８に示す通り、リアクトルＬ２に、機械接点式電流断路器Ｍ１（以下、メカ断路器Ｍ２という）が直列接続されている。メカ断路器Ｍ２の構成は、メカ断路器Ｍ１と同じである。

以上のような直流遮断装置では、上記実施形態に加え、以下のような作用効果を得ることができる。上述の通り、半導体遮断器Ｓ１は、リアクトルＬ２を流れる電流を遮断する。この遮断時に必要な耐圧は、リアクトルＬ１の両端に生じる電圧程度であり、直流送電系統電圧よりも低い電圧である。しかし、半導体遮断器Ｓ２をオフ状態とした直後は、直流送電系統Ｄ１と地絡事故点間の電圧が半導体遮断器Ｓ１に印加される。従って、遮断時に必要な耐圧は低くとも、最終的には直流送電系統電圧程度の耐圧が必要になる。そのため、従来では、直流送電系統電圧程度の耐圧を得るために、例えば複数の半導体素子を多直列に接続して半導体遮断器Ｓ２を構成することがあった。

しかし、メカ断路器Ｍ２が接続された本実施形態では、事故発生時において、半導体遮断器Ｓ１をオフ状態とした後に、メカ断路器Ｍ２を開極する。よって、半導体遮断器Ｓ２をオフ状態とした後の電圧は、メカ断路器Ｍ２に印加されることになる。以上より、半導体遮断器Ｓ１の耐圧は、リアクトルＬ２を流れる電流を遮断する際に必要な耐圧分のみとなる。

なお、図９に示す通り、メカ断路器Ｍ２は、半導体遮断器Ｓ１に直列接続される構成としても同様の作用効果が得られる。すなわち、図９に斜線で示す通り、半導体遮断器Ｓ２がオフ状態となった後に電圧が印加される回路にメカ断路器Ｍ２を接続することで、同様の作用効果が得られる。

以上のように、本実施形態では、リアクトルＬ２に直列接続されるメカ断路器Ｍ２（図８）、または、半導体遮断器Ｓ１に直列接続されるメカ断路器Ｍ２（図９）を有する。従って、高い耐圧を有するメカ断路器Ｍ２に、半導体遮断器Ｓ２をオフ状態とした後の電圧を印加することができる。そのため、半導体遮断器Ｓ１は、リアクトルＬ２を流れる電流を遮断する際に必要な耐圧分を有していれば良い。半導体遮断器Ｓ１の耐圧が低減されるため、例えば必要となる半導体素子の数を減らすことができる。メカ断路器Ｍ２は半導体素子に比べ安価であるため、メカ断路器Ｍ２を用いて半導体遮断器Ｓ１にかかるコストを低減することで、低コスト化された直流遮断装置を提供することができる。

［第３の実施形態］
第３の実施形態の直流遮断器の構成は、基本的には第２の実施形態と同じである。ただし、図１０および１１に示す通り、半導体遮断器Ｓ１に代えて、真空遮断器ＶがリアクトルＬ１、メカ遮断器Ｍ１に並列接続されている。すなわち、上記実施形態では、半導体遮断器Ｓ１が遮断していたリアクトルＬ２の電流を、真空遮断器Ｖにより遮断する構成としたものである。

第２の実施形態と同様に、本実施形態では、リアクトルＬ２に直列接続されるメカ断路器Ｍ２（図１０）、または、真空遮断器Ｖに直列接続されるメカ断路器Ｍ２（図１１）を有する。従って、高い耐圧を有するメカ断路器Ｍ２に、半導体遮断器Ｓ２をオフ状態とした後の電圧を印加することができる。そのため、真空遮断器Ｖは、リアクトルＬ２を流れる電流を遮断する際に必要な耐圧分を有していれば良いこととなる。したがって、耐圧が数ｋＶと低い真空遮断器Ｖを、半導体遮断器Ｓ１の代わりに用いることができる。真空遮断器Ｖは、半導体遮断器Ｓ１より安価なため、より低コスト化された直流遮断装置を提供することができる。

［第４の実施形態］
第４の実施形態の直流遮断器の構成は、基本的には第１の実施形態と同じである。ただし、図１２に示す通り、半導体遮断器Ｓ１，Ｓ２として、スイッチング素子と分圧抵抗を並列接続し、スイッチング素子のゲート駆動電源を得るように構成されている。すなわち、半導体スイッチング素子に、分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２が並列接続されている。分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２には、ゲート駆動回路Ｃが接続されている。ゲート駆動回路Ｃは、スイッチング素子のゲートＧを駆動する回路である。

半導体遮断器Ｓ１，Ｓ２は、定常動作時はオフ状態となる。この場合、系統電圧により、スイッチング素子のコレクタ-エミッタ間に電圧が印加される。この電圧は、分圧抵抗器Ｒ１，Ｒ２で分圧して取り込まれ、ゲート駆動に適した電圧へ降圧される。従って、事故時においては、降圧された電圧によりゲート駆動回路ＣがゲートＧを駆動することで、半導体遮断器Ｓ１，Ｓ２はオン状態に移行される。

例えば、複数のスイッチング素子を多直列に接続した場合、各スイッチング素子が電源を必要とする。そのため、数百ｋＶの電源が必要となる場合もある。数百ｋＶの電圧を地上から送る場合、それに対応する耐圧を有するトランス等を配置する必要が生じ、直流遮断装置が高コスト化する。しかし、本実施形態では、スイッチング素子と分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２が並列接続されている。そのため、スイッチング素子がそれぞれの電源を賄うことができるため、低コスト化された直流遮断装置を提供することができる。

［他の実施形態］
（１）上記の実施形態では、半導体遮断器Ｓ１、Ｓ２として、自己消弧型の素子を１つ用い、非線形素子アレスタＡ１，Ａ２を並列に接続した。ただし、半導体遮断器Ｓ１，Ｓ２としては種々の構成を採用することができる。例えば、図１３（ａ）に示す通り、自己消弧型の素子のみを用いても良い。図１３（ｂ）に示す通り、自己消弧型のスイッチング素子とダイオードを並列に接続しても良い。図１３（ｃ）に示す通り、自己消弧型のスイッチング素子を逆直列に接続し、双方向の電流を遮断できる構成としても良い。図１３（ｄ）に示す通り、自己消弧型のスイッチング素子を多直列に接続し、半導体遮断器Ｓ１，Ｓ２の耐圧を向上させる構成としても良い。このように構成すれば、より高い電圧の直流送電系統へ上記実施形態の直流遮断装置を適用することが可能となる。

（２）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同様に、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ものである。

Ｄ１，Ｄ２…直流送電系統
Ｗ１，Ｗ２…送電線
Ｌ１，Ｌ２…リアクトル
Ｓ１，Ｓ２…半導体遮断器
Ａ１，Ａ２…アレスタ
Ｍ１，Ｍ２…メカ断路器
Ｖ…真空遮断器
Ｇ…ゲート
Ｃ…ゲート駆動回路
Ｒ１，Ｒ２…分圧抵抗

Claims (8)

1. ２本の送電線により接続される直流送電系統における事故点を切り離す直流遮断装置であって、
   第１の送電線に直列接続される、第１のリアクトルと、機械式接点を有する第１のメカ断路器と、
   前記第１のリアクトルと、前記第１のメカ断路器と、に並列接続される第１の半導体遮断器と、
   前記第１のリアクトルと前記第１のメカ断路器との接続点と、第２の送電線に接続される第２の半導体遮断器と、を有し、
   前記直流送電系統の定常動作時においては、前記第１のメカ断路器をオン状態とし、前記第１の半導体遮断器および前記第２の半導体遮断器をオフ状態とすることを特徴とする直流遮断装置。
2. ２本の送電線により接続される直流送電系統における事故点を切り離す直流遮断装置であって、
   第１の送電線に直列接続される、第１のリアクトルと、機械式接点を有する第１のメカ断路器と、
   前記第１のリアクトルと、前記第１のメカ断路器と、に並列接続される第１の半導体遮断器と、
   前記第１のリアクトルと前記第１のメカ断路器との接続点と、第２の送電線に接続される第２の半導体遮断器と、を有し、
   前記直流送電系統において事故が発生した場合には、
   前記第１の半導体遮断器および前記第２の半導体遮断器をオン状態とし、
   電流ゼロ点において前記第１のメカ断路器をオフ状態とし、
   その後、前記第１の半導体遮断器および前記第２の半導体遮断器を順次オフ状態として、事故点を切り離すことを特徴とする直流遮断装置。
3. 前記直流送電系統において事故が発生した場合には、
   前記第１の半導体遮断器および前記第２の半導体遮断器をオン状態とし、
   電流ゼロ点において前記第１のメカ断路器をオフ状態とし、
   その後、前記第１の半導体遮断器および前記第２の半導体遮断器を順次オフ状態として、事故点を切り離すことを特徴とする請求項１記載の直流遮断装置。
4. 前記第１のメカ断路器に直列接続される第２のリアクトルと、
   前記第２のリアクトルに直列接続される第２のメカ断路器と、をさらに有することを特徴とする請求項１〜３いずれか一項記載の直流遮断装置。
5. 前記第１の半導体遮断器に直列接続される第２のメカ断路器をさらに有することを特徴とする請求項１〜３いずれか一項記載の直流遮断装置。
6. 前記第１の半導体遮断器に代えて、真空遮断器が前記第１のリアクトルと、前記第１のメカ断路器と、に並列接続されることを特徴とする、請求項４または５記載の直流遮断装置。
7. 前記第１の半導体遮断器または前記第２の半導体遮断器は、多直列に接続された複数の自己消弧型のスイッチング素子で構成されることを特徴とする請求項１〜５いずれか一項記載の直流遮断装置。
8. 前記第１の半導体遮断器または前記第２の半導体遮断器は、スイッチング素子と分圧抵抗が並列接続され、前記分圧抵抗によりスイッチング素子のゲート駆動電源を得るように構成されることを特徴とする請求項１〜５、７のいずれか一項記載の直流遮断装置。