JP6457339B2 - 直流遮断器 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、直流線路に流れる直流電流を遮断する直流遮断器に関する。

近年、交流送電に比べ、直流送電の方が高効率であること、長距離送電の場合には経済性が良いことなどから、直流送電に関心が集まっている。直流線路を流れる直流電流は、交流電流と異なり電流零点が存在しない。そのため、直流遮断器では、コンデンサとリアクトルを用いた転流回路を設け、共振性電流を重畳することで電流零点を形成し、その電流零点で直流電流の遮断が行われる。

直流送電の中でも、特に高電圧直流送電（ＨＶＤＣ：High-Voltage Direct Current）が注目されているが、高電圧直流送電を普及させるには、遮断時間を短くする必要がある。一般的には、高電圧直流送電においては、送電網で事故が発生してから５ｍｓｅｃ以内に事故経路と切り離すことが求められる。従来から、高電圧直流送電において、高電圧・大電流の直流電流を遮断可能な直流遮断器等の開発が進められている。

特開平９−１７２９４号公報

ところで、機械式の遮断器では、遮断器に高電圧が印加されるほど遮断器の絶縁距離が必要となる。そのため、高電圧が印加されると絶縁距離が長くなる分、絶縁時間も長くなる問題があった。よって、高電圧が印加される高電圧直流送電においては、開閉速度が速い遮断器を用いる必要があった。開閉速度が速い遮断器としては、半導体素子を用いて構成された高速動作が可能な半導体遮断器が用いられている。ただし、開閉速度が速い遮断器を用いた場合、その分コストが高騰するという問題があった。そのため、従来の開閉速度の遅い機械式の遮断器を用いて低コスト化を図りたいという要望があり、遮断器の絶縁距離を短くすることが求められていた。

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、絶縁距離を短くすることで高速な事故点の切り離しを可能とし、低コスト化された直流遮断器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器は、直流線路に流れる直流電流を遮断する直流遮断器であって、それぞれ複数のリアクトルと複数のコンデンサを含み、多段で構成される２つの直列回路が逆並列に接続されるブリッジ回路と、前記２つの直列回路の、前記リアクトルと前記コンデンサの各接続点間に接続される複数の第１の遮断器と、前記ブリッジ回路に直列に接続される第２の遮断器と、を有し、前記複数の第１の遮断器は、前記直流線路に定常電流が流れているときは閉状態であり、前記直流線路において事故が発生したときにおいて、前記リアクトルと前記コンデンサを流れる電流により電流零点が発生した場合に開状態とされ、前記第２の遮断器は、前記直流線路に定常電流が流れているときは閉状態であり、前記複数の第１の遮断器の遮断後に、前記電流零点が発生した場合に開状態とされること、を特徴とする。

第１の実施形態の直流遮断器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器において、事故発生前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器において、事故発生後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器において、第１の遮断器を遮断した後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器において、事故発生後に電流経路および第１の遮断器に流れる電流の波形を示すグラフである。 第１の実施形態の直流遮断器において、第１の遮断器の遮断後に第２の遮断器に流れる電流の波形を示すグラフである。 第１の実施形態の直流遮断器と、直列回路を１段構成とした直流遮断器において、印加される電圧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器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器において、負荷リアクトルのインダクタンス値を変更した場合に、第１の遮断器に流れる電流の波形を示すグラフである。 第３の実施形態の直流遮断器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器において、事故発生前後の電流経路を示す経路図であり、（ａ）は事故発生前の電流経路を、（ｂ）は事故発生後の電流経路を、（ｃ）は第１の遮断器を遮断した後の電流経路を示す。 第３の実施形態の直流遮断器において、事故発生後に電流経路および第１の遮断器に流れる電流の波形を示すグラフである。 第３の実施形態の直流遮断器において、第１の遮断器の遮断後に第２の遮断器に流れる電流の波形を示すグラフである。 第３の実施形態の直流遮断器と、直列回路を１段構成とした直流遮断器において、印加される電圧を測定した結果を示すグラフである。 第４の実施形態の直流遮断器の構成の一例を示す回路図である。 第４の実施形態の直流遮断器において、第１の遮断器の遮断後に第２の遮断器に流れる電流の波形を示すグラフである。 第４の実施形態の直流遮断器において、第１の遮断器の遮断後に第２の遮断器に流れる電流の波形を示すグラフである。 第４の実施形態の直流遮断器と、直列回路を１段構成とした直流遮断器において、印加される電圧を測定した結果を示すグラフである。 第５の実施形態の直流遮断器の構成の一例を示す回路図である。 第５の実施形態の直流遮断器において、第１の遮断器の遮断後に第２の遮断器に流れる電流の波形を示すグラフである。 第５の実施形態の直流遮断器において、第１の遮断器の遮断後に第２の遮断器に流れる電流の波形を示すグラフである。

［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器の構成の一例を示す回路図である。本実施形態の直流遮断器は、直流線路
に流れる直流電流を遮断するものである。直流遮断器は、ブリッジ回路１を有する。ブリッジ回路１は、２つの直列回路１ａ、１ｂが逆並列に接続されて構成されている。２つの直列回路１ａ、１ｂは、それぞれ複数のリアクトル２と複数のコンデンサ３を含み、多段で構成される。

直列回路１ａは、リアクトル２およびコンデンサ３を、それぞれ２素子ずつ有し、リアクトル２とコンデンサ３が交互に配置されて接続されている。図１の例では、電流が流れる側（図１では左側）から、コンデンサ３、リアクトル２の順で、交互に配置されて接続されている。同様に、直列回路１ｂは、リアクトル２およびコンデンサ３を、それぞれ２素子ずつ有する。ただし、直列回路１ｂでは、リアクトル２とコンデンサ３の配置が直列回路１ａとは逆になる。図１の例では、電流が流れる側（図１では左側）から、リアクトル２、コンデンサ３の順で、交互に配置されて接続されている。

２つの直列回路１ａ、１ｂの、リアクトル２およびコンデンサ３の接続点間には、複数の第１の遮断器４が接続されている。図１に黒丸で示す通り、２つの直列回路１ａ、１ｂのそれぞれにおいて、リアクトル２およびコンデンサ３の接続点が３点存在する。２つの直列回路１ａ、１ｂにおいて、対向する３点の接続点間のそれぞれに、第１の遮断器４が設けられている。よって、本実施形態では、第１の遮断器４が３台設けられることとなる。

また、ブリッジ回路１には、第２の遮断器５が直列に接続されている。第１の遮断器４および第２の遮断器５としては、機械式の遮断器を用いることができる。機械式の遮断器としては、真空遮断器やガス遮断器がある。機械式の遮断器は、そのグレードによって開閉速度が異なるが、絶縁距離に応じ適切な遮断器を選択することができる。また、第２の遮断器５としては、第１の遮断器４よりも開閉速度が遅い遮断器を用いても良い。ただし、事故発生から第２の遮断器５までの遮断時間が５ｍｓｅｃ以内となるように、第１の遮断器４および第２の遮断器５の開閉速度を適宜設定する。

［２．動作］
次に、直流線路において事故が発生した場合の、本実施形態の直流遮断器の動作について、図２〜６を参照して説明する。図２〜４は、直流遮断器を流れる電流の経路を示す図である。図５および６は、事故発生後において、電流の経路ＡおよびＢ、第１の遮断器４、第２の遮断器５に流れる電流の波形を示すグラフであり、横軸を時間、縦軸を電流値として電流波形を示している。

（１）定常電流が流れている場合
図２は、事故発生前の定常電流が流れている直流線路における電流経路を示している。事故発生前の定常電流が流れている場合には、第１の遮断器４および第２の遮断器５は閉状態とされている。電流経路Ａにおいては直流電流が流れているため、コンデンサ３には電流が流れない。従って、実線の太い矢印で示す電流経路Ａにおいて定常電流が流れる。

（２）事故が発生した場合
図３は、例えば電流が流れる方向において第２の遮断器５の下流側に、地絡事故が発生した場合の電流経路を示している。地絡事故が発生することで、コンデンサ３にも電流が流れる。従って、電流経路Ａに加えて、破線の太い矢印で示す電流経路Ｂにおいても電流が流れる。すなわち、第１の遮断器４を介して各リアクトル２を流れる電流経路Ａと、第１の遮断器４を介して各コンデンサ３を流れる電流経路Ｂと、の２つの電流経路が生じる。

ここで、図５に示す通り、事故発生後、電流経路Ａの電流は、時間の経過とともに徐々に大きくなる。また、電流経路Ｂの電流は、コンデンサ３のキャパシタンス値等により振動する。第１の遮断部４において、この２つの電流が互いに打ち消し合うため、図５に示す通り電流零点が複数発生する。よって、任意の電流零点において、第１の遮断部４を遮断することで、事故点が切り離される。なお、第１の遮断部４の遮断は、図示しない制御回路が第１の遮断部４に開制御信号を出力することにより行われる。

（３）第１の遮断器４が遮断された場合
図４は、第１の遮断器４が遮断された後の電流経路を示している。第１の遮断器４が遮断されると、残留電流が電流経路Ｃと電流経路Ｄを流れる。電流経路Ｃは直列回路１ａに相当し、電流経路Ｄは直列回路１ｂに相当する。電流経路Ｃおよび電流経路Ｄを流れる残留電流が加算されたものが、第２の遮断器５に流れる。第２の遮断器５において、電流経路Ｃおよび電流経路Ｄを流れる２つの残留電流は互いに打ち消し合うため、図６に示す通り電流零点が発生する。なお、図では省略しているが、電流零点は複数発生する。よって、任意の電流零点において、第２の遮断器５を遮断することで、事故点の切り離しが完了する。なお、第２の遮断部５の遮断は、図示しない制御回路が第２の遮断部５に開制御信号を出力することにより行われる。

［３．作用効果］
以上のような本実施形態の作用効果について、図７を参照して説明する。図７は、直列回路１ａ、１ｂが多段で構成される本実施形態の直流遮断器と、２つの直列回路を１段で構成した直流遮断器と、において第１の遮断器４に印加される電圧を測定した結果を示すグラフである。図７からも明らかな通り、本実施形態の直流遮断器では、第１の遮断器４に印加される電圧が、１段構成と比べて抑えられている。

従って、第１の遮断器４および第２の遮断器５に高電圧が印加されることを防止でき、遮断器の絶縁距離を短くすることができる。従来、高電圧直流送電網で使用する遮断器としては、事故発生から５ｍｓｅｃ程度で切り離しが可能となる半導体遮断器等の開閉速度が速い遮断器が用いられていた。一方、本実施形態では、絶縁距離を短くすることが可能となったため、事故発生から５ｍｓｅｃ以内の遮断を可能とする機械式の遮断器について選択の幅を広げることができる。よって、高速な事故点の切り離しを可能とし、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、第２の遮断器５として、第１の遮断器４よりも開閉速度が遅い遮断器を用いることで、さらに低コスト化された直流遮断器を提供することが可能となる。

［第２の実施形態］
第２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８に示す通り、電流が流れる方向において第２の遮断器５の下流側に、負荷リアクトル６が接続されている。負荷リアクトル６は、インダクタンス値を変更可能に設けられている。

以上のような直流遮断器において、負荷リアクトル６のインダクタンス値を決定する方法を以下に説明する。まず、作業者は、負荷リアクトル６のインダクタンス値を複数の値に変更して電流波形を測定する。本実施形態では、負荷リアクトル６のインダクタンス値を、１ｍＨ、１０ｍＨ、および１００ｍＨに変更した場合を例として説明する。図９は、負荷リアクトル６のインダクタンス値を変更した場合に、第１の遮断器４に流れる電流の波形を示すグラフである。

図９に示すように、インダクタンス値が低い程、電流周期は短くなる。そのため、電流零点が発生する時間が早くなる。ただし、インダクタンス値が低いと、第１の遮断器４に流れる電流値が高くなる。第１の遮断器４に流れる電流値が高い場合、遮断時に第１の遮断器４に大電流が流れ、アークが引く現象が起こるため遮断が困難になる。

従って、第１の遮断器４に流れる電流値を所定の値以下で最も大きい値とすることが好ましい。第１の遮断器４に流れる電流値を所定の値以下に設定するとは、第１の遮断器４の遮断時にアークが引く電流値未満の値とすることを意味する。アークが引く電流値は、直流遮断器の設計、使用する第１の遮断器の規格等を考慮の上、適宜設定すれば良い。

例えば、図９の例では、負荷リアクトル６のインダクタンス値が１ｍＨの場合、電流振幅の周期が最も短い。しかし、第１の遮断器４に流れる電流が最も高い値となり、アークが引く可能性が高い。一方、負荷リアクトル６のインダクタンス値が１００ｍＨの場合、第１の遮断器４の電流値は低いものの、電流振幅の周期が最も長く、遮断までに時間を要する。従って、図９の例では遮断時にアークが引かない遮断時間の中で、最も遮断時間が早い負荷リアクトル６のインダクタンス値は１０ｍＨとなる。

以上のような本実施形態では、上記実施形態の作用効果に加えて、以下の作用効果を奏することができる。負荷リアクトル６のインダクタンス値を可変とすることで、第１の遮断器４を流れる電流波形を適切な波形に設定することができる。特に、負荷リアクトル６のインダクタンス値を、第１の遮断器４を流れる電流が、所定の値以下で最も大きい値となるように設定することで、第１の遮断器４の遮断時間を速めるとともに、遮断時にアークが引くことを防止できる。従って、高速な事故点の切り離しを可能とし、低コスト化された直流遮断器を提供することができる。

［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１の実施形態と同じである。ただし、図１０に示す通り、コンデンサ３と抵抗７が直列に接続されている。このような本実施形態において、直流遮断器を流れる電流経路について図１１を参照して説明する。図１１（ａ）に示す通り、事故発生前の定常電流が流れている場合の電流経路Ａは、第１の実施形態と同じである。

同様に、図１１（ｂ）は、例えば電流が流れる方向において第２の遮断器５の下流側に、地絡事故が発生した場合の電流経路を示している。地絡事故が発生することで、コンデンサ３および抵抗７にも電流が流れる。従って、電流経路Ａに加えて、破線の太い矢印で示す電流経路Ｂにおいても電流が流れる。ここで、図１２に示す通り、事故発生後、電流経路Ａの電流は、第１の実施形態と同様に、時間経過とともに徐々に大きくなる。

一方、図１２に示す通り、電流経路Ｂの電流については、第１の実施形態と異なる現象が発生する。すなわち、電流経路Ｂにおいては、コンデンサ３に抵抗７が接続されている。そのため、コンデンサ３のみの場合と比較して、電流経路Ｂの電流値のピークが抑えられ、また電流の減衰量を大きくできる。これにより、第１の遮断器４に流れる電流のピークを抑えられる。同様に、図１３に示す通り、第１の遮断器４を遮断した後に、第２の遮断器５を流れる電流のピークも抑えられる。

以上のような本実施形態では、図１４に示す通り、第１の遮断器４に印加される電圧が、１段構成と比べて抑えられている。従って、第１の遮断器４に高電圧が印加されることを防止でき、遮断器の絶縁距離を短くすることができる。

また、第１の遮断器４および第２の遮断器５を流れる電流のピーク値を抑制するとともに、電流の減衰量を大きくできる。従って、遮断時間を速めるとともに、遮断器に開制御信号の命令を出してから、第１の遮断器４および第２の遮断器５に大電流が流れることが防止され、アークが引くことを防止できる。従って、高速な事故点の切り離しを可能とし、低コスト化された直流遮断器を提供することができる。

［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１５に示す通り、コンデンサ３と転流リアクトル８が直列に接続されている。このような本実施形態において、直流遮断器を流れる電流経路は、事故発生前後において、第３の実施形態と同様であるため、説明を省略する。

図１６に示す通り、事故発生後、電流経路Ａの電流は、第１の実施形態と同様に、時間経過とともに徐々に大きくなる。一方、電流経路Ｂの電流については、第１の実施形態と異なる現象が発生する。すなわち、電流経路Ｂにおいては、コンデンサ３に転流リアクトル８が接続されている。そのため、コンデンサ３のみの場合と比較して、電流経路Ｂの周波数が低くなる。これにより、第１の遮断器４に流れる電流周波数も低くなるとともに、電流値が抑えられる。同様に、図１７に示す通り、第１の遮断器４を遮断した後に、第２の遮断器５を流れる電流の周波数も低くなる。

以上のような本実施形態では、図１８に示す通り、第１の遮断器４に印加される電圧が、１段構成と比べて抑えられている。従って、第１の遮断器４に高電圧が印加されることを防止でき、遮断器の絶縁距離を短くすることができる。

また、第１の遮断器４および第２の遮断器５を流れる電流の周波数を低くすることができる。例えば、電流零点での遮断時に、遮断器に電流零点からの誤差が生じるとする。電流の周波数が低いと、遮断時の単位時間当たりの電流値も小さくなり、電流零点からの誤差が許容範囲で収まる可能性が高くなる。そのため、安全かつ信頼性の高い遮断を行うことができる。従って、高速な事故点の切り離しを可能とし、低コスト化された直流遮断器を提供することができる。

［第５の実施形態］
第５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１９に示す通り、コンデンサ３とスイッチ９が直列に接続されている。スイッチ９は、事故発生前は開状態に制御されている。事故発生後は、スイッチ９を閉状態とした後、第１の遮断器４を開状態に制御する。このような本実施形態において、直流遮断器を流れる電流経路は、事故発生前後において、第３の実施形態と同様であるため、説明を省略する。

図２０に示す通り、事故発生後、電流経路Ａの電流は、第１の実施形態と同様に、時間経過とともに徐々に大きくなる。一方、電流経路Ｂの電流については、第１の実施形態と異なる現象が発生する。すなわち、電流経路Ｂにおいては、コンデンサ３にスイッチ９が接続されている。このスイッチ９を閉じることで、図２０に示す通り、コンデンサ３およびスイッチ９に電流が流れるため、第１の遮断器４に電流零点を作ることができる。

従って、事故発生が、第１の遮断器４が開状態にできる最短時間を考慮し、第１の遮断器４に電流零点ができるようにスイッチ９を制御する。このようにスイッチ９を制御することで、第１の遮断器４は最初の零点電流で遮断されるため、短時間での遮断が可能と成る。また、コンデンサ３のみの場合と比べ、電流ピーク値が抑えられる。なお、図２１に示す通り、上記実施形態と同様に、第２の遮断器５にも電流零点が発生するため、任意の零点での遮断が可能となる。

以上のような本実施形態でも、上記実施形態と同様に、第１の遮断器４に印加される電圧を抑えることが可能となる。従って、第１の遮断器４および第２の遮断器５に高電圧が印加されることを防止でき、遮断器の絶縁距離を短くすることができる。またスイッチ９により第１の遮断器４に電流零点を作ることにより、高速な事故点の切り離しを可能とし、低コスト化された直流遮断器を提供することができる。

［他の実施形態］
（１）上記の実施形態では、リアクトル２およびコンデンサ３をそれぞれ２素子ずつ用いた２段構成の直流遮断器を例に説明した。ただし、リアクトル２およびコンデンサ３の素子数はこれに限定されない。直流遮断器は２段構成以上であれば良く、第１の遮断器４および第２の遮断器５に印加される電圧および絶縁距離を考慮し、必要な段数で構成することができる。

（２）上記実施形態では、第１の遮断器４および第２の遮断器５を機械式の遮断器として説明した。ただし、第１の遮断器４および第２の遮断器５として、例えば、ＩＧＢＴやサイリスタ等の半導体素子を用いて構成された半導体遮断器を用いても良い。また、半導体素子と高速断路器とを組み合わせたハイブリッド直流遮断器等を用いても良い。例えば半導体遮断器を用いた場合であっても、遮断器に印加される電圧が遮断器の耐圧を超える場合などに、直流遮断器を多段構成とすることで遮断可能とすることができる。

（３）上記実施形態では、スイッチ９を用いて第１の遮断器４に電流零点を作る例を説明した。ただし、スイッチ９を放電ギャップに置き換えても同様の作用効果を得ることが出来る。また、ブリッジ回路に直列に接続されている第２の遮断器５に代えて、スイッチ９を遮断器にしても、同様の作用効果を期待できる。さらに、第１の遮断器４を半導体スイッチに置き換え、事故発生後にスイッチ９を閉じたと同時に半導体スイッチを開くように制御し、その後、第２の遮断器５に生じる電流零点で遮断器２を遮断する構成としても良い。

（５）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。

１…ブリッジ回路
１ａ、１ｂ…直列回路
２…リアクトル
３…コンデンサ
４…第１の遮断器
５…第２の遮断器
６…負荷リアクトル
７…抵抗
８…転流リアクトル
９…スイッチ

Claims (9)

1. 直流線路に流れる直流電流を遮断する直流遮断器であって、
   それぞれ複数のリアクトルと複数のコンデンサを含み、多段で構成される２つの直列回路が逆並列に接続されるブリッジ回路と、
   前記２つの直列回路の、前記リアクトルと前記コンデンサの各接続点間に接続される複数の第１の遮断器と、
   前記ブリッジ回路に直列に接続される第２の遮断器と、を有し、
   前記複数の第１の遮断器は、
   前記直流線路に定常電流が流れているときは閉状態であり、
   前記直流線路において事故が発生したときにおいて、前記リアクトルと前記コンデンサを流れる電流により電流零点が発生した場合に開状態とされ、
   前記第２の遮断器は、
   前記直流線路に定常電流が流れているときは閉状態であり、
   前記複数の第１の遮断器の遮断後に、前記電流零点が発生した場合に開状態とされること、
   を特徴とする直流遮断器。
2. 前記複数の第１の遮断器は、機械式の遮断器であることを特徴とする請求項１記載の直流遮断器。
3. 前記第２の遮断器は、機械式の遮断器であることを特徴とする請求項１又は２記載の直流遮断器。
4. 前記第２の遮断器は、前記複数の第１の遮断器よりも開閉速度が遅い遮断器であ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器。
5. 前記第２の遮断器には、負荷リアクトルが接続され、
   前記負荷リアクトルは、インダクタンス値が可変であることを特徴とする請求項１〜４いずれか一項記載の直流遮断器。
6. 前記負荷リアクトルのインダクタンス値が、前記第１の遮断器を流れる電流が、所定の値以下で最も大きい値となるように設定されていることを特徴とする請求項５記載の直流遮断器。
7. 前記コンデンサに、抵抗が直列に接続されたことを特徴とする請求項１〜６いずれか一項記載の直流遮断器。
8. 前記コンデンサに、転流リアクトルが直列に接続されたことを特徴とする請求項１〜７いずれか一項記載の直流遮断器。
9. 前記コンデンサに、スイッチが直列に接続され、
   前記スイッチが事故発生後に閉状態とされた後に、前記第１の遮断器が開状態とされること、を特徴とする請求項１〜８いずれか一項記載の直流遮断器。