JP6570488B2

JP6570488B2 - サイリスタ変換装置および同装置のサイリスタ故障検出方法

Info

Publication number: JP6570488B2
Application number: JP2016152228A
Authority: JP
Inventors: 飛鳥大竹
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2016-08-02
Filing date: 2016-08-02
Publication date: 2019-09-04
Anticipated expiration: 2036-08-02
Also published as: JP2018023206A

Description

本発明は、サイリスタ変換装置および同装置のサイリスタ故障検出方法に関する。

たとえば１００ｋＶ級の高電圧で直流を送電する直流送電システムに適用されるサイリスタ変換装置では、３０〜４０個といった多くのサイリスタが直列に接続された多直列サイリスタが用いられる。従来、多直列サイリスタの中の故障しているサイリスタを特定するために、サイリスタ1個1個に順方向電圧検出回路（ＦＶＤ：Forward Voltage Detector）を取り付け、順方向電圧検出回路に印加される電圧で、順方向電圧検出回路に搭載されるたとえばＬＥＤ（light emitting diode）を発光させ、順電圧信号（ＦＶ信号）をライトガイド（光ファイバ）により光信号検出器に送信していた。多直列サイリスタの中の故障しているサイリスタは、一定時間を超えて、順電圧信号が喪失していることで、故障していることが判定されていた。

特開２００３―８８０９６号公報

サイリスタ1個1個に順方向電圧検出回路を取り付ける場合、前述したように、たとえば１００ｋＶ級の高電圧で直流を送電する直流送電システムに適用されるサイリスタ変換装置では、３０〜４０個といった多くのサイリスタが直列に接続された多直列サイリスタが用いられるため、これらのサイリスタと同数の３０〜４０本ものライトガイドが必要であった。

本発明が解決しようとする課題は、ライトガイドの本数を削減することができるサイリスタ変換装置および同装置のサイリスタ故障検出方法を提供することである。

本発明の観点に従ったサイリスタ変換装置は、ｎ（ｎ≧３）個のサイリスタが直列に接続された多直列サイリスタと、前記ｎ個のサイリスタの中の連続かつ互いに異なる組み合わせのｍ（２≦ｍ＜ｎ）個のサイリスタ毎に設けられ、前記ｍ個のサイリスタ両端間の電圧により発光素子を発光させて順電圧信号を出力する２以上の順方向電圧検出回路と、前記２以上の順方向電圧検出回路と一対に設けられ、前記順電圧信号を転送するための２以上のライトガイドと、前記２以上のライトガイドにより転送されてくる前記順電圧信号に基づき、前記多直列サイリスタの中のサイリスタの故障を検知し、かつ、故障しているサイリスタを特定するサイリスタ故障検出回路と、を具備する。連続する前記ｍ個のサイリスタを含む２以上の組み合わせは、各々に含まれるサイリスタを前記ｎ個のサイリスタの先頭のサイリスタから１個ずつ異ならせて形成される。前記サイリスタ故障検出回路は、予め定められた基準時間内に検出されない順電圧信号が存在した場合、前記多直列サイリスタの中のサイリスタの故障を検知し、かつ、前記基準時間内に前記順方向電圧信号が検出されなかった順方向電圧検出回路の組合せにより、故障しているサイリスタを特定する。

本発明によれば、ライトガイドの本数を削減することができる。

本発明の実施形態に係るサイリスタ変換装置の一適用例を示す図。同実施形態のサイリスタ変換装置における多直列サイリスタに対して順方向電圧検出回路を取り付ける一例を示す図。従来のサイリスタ変換装置における多直列サイリスタに対して順方向電圧検出回路を取り付ける一例を示す図。同実施形態のサイリスタ変換装置が有する多直列サイリスタの中のサイリスタの一故障例を示す図。同実施形態のサイリスタ変換装置が有する光信号検出器が故障サイリスタを特定する仕組みを説明するための図。同実施形態のサイリスタ変換装置がライトガイドの本数を最大限に削減する順方向電圧検出回路の設け方を示す図。同実施形態のサイリスタ変換装置におけるサイリスタ故障検出の手順を示すフローチャート。

以下、実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るサイリスタ変換装置１の一適用例を示す図である。

サイリスタ変換装置１は、たとえば直流送電システム１００などに適用され得る。図１に示されるように、直流送電システム１００は、たとえば、サイリスタバルブ（整流器）１０、ＰＧ（Pulse Generator）盤２０および制御盤３０により構成される。このような構成の直流送電システム１００に適用されるサイリスタ変換装置１は、たとえば、サイリスタバルブ１０とＰＧ盤２０とに分離して構築される。なお、サイリスタ変換装置１の用途は、直流送電システム１００に限定されるものではない。

サイリスタバルブ１０は、複数のサイリスタが直列に接続された多直列サイリスタ１１を有する。多直列サイリスタ１１内には、後述するいくつかの順方向電圧検出回路（ＦＶＤ：Forward Voltage Detector）が取り付けられており、順方向電圧検出回路の順電圧信号（ＦＶ信号）は、同じく後述する、順方向電圧検出回路と同数のライトガイドによりサイリスタバルブ１０からＰＧ盤２０へと転送される。

ＰＧ盤２０は、サイリスタバルブ１０からライトガイドにより転送されてくる順電圧信号を検出する光信号検出器２１を有している。また、光信号検出器２１は、多直列サイリスタ１１の中のいずれかのサイリスタの故障を検知する機能および故障しているサイリスタを特定する機能を実現する故障検出回路２１１を有している。

図２は、本実施形態のサイリスタ変換装置１における多直列サイリスタ１１に対して順方向電圧検出回路の取り付ける一例を示す図である。ここでは、多直列サイリスタ１１が５個のサイリスタ（サイリスタＴＨＹ−１〜ＴＨＹ−５）により構成されていることを想定する。

図２に示されるように、本実施形態のサイリスタ変換装置１は、５個のサイリスタＴＨＹ−１〜ＴＨＹ−５により構成される多直列サイリスタ１１に対して、連続かつ互いに異なる組み合わせの３個のサイリスタ（サイリスタＴＨＹ１〜ＴＨＹ３，サイリスタＴＨＹ２〜ＴＨＹ４，サイリスタＴＨＹ３〜ＴＨＹ５）毎に、計３個の順方向電圧検出回路ＦＶＤ−１〜ＦＶＤ−３を取り付ける。連続する３個のサイリスタを含む（この例では、３組みの）組み合わせは、図２に示されるように、各々に含まれるサイリスタを先頭のサイリスタＴＨＹ−１から１個ずつ異ならせて形成される。順方向電圧検出回路ＦＶＤ−１〜ＦＶＤ−３は、たとえばＬＥＤなどの発光素子を有しており、印加される電圧で発光素子を発光させることにより、順電圧信号ＦＶ−１〜ＦＶ−３を出力する。

また、本実施形態のサイリスタ変換装置１は、順電圧信号ＦＶ−１〜ＦＶ−３を光信号検出器２１へ送信するための、順方向電圧検出回路と同数、すなわち３本のライトガイド４０−１〜４０−３を設ける。

ここで、本実施形態のサイリスタ変換装置１と比較するために、図３に、従来のサイリスタ変換装置における、５個のサイリスタにより構成される多直列サイリスタ（多直列サイリスタ１９）に対して順方向電圧検出回路を取り付ける一例を示す。図３中、本実施形態のサイリスタ変換装置１と同一の構成要素については同一の符号を付している。

図３に示されるように、従来のサイリスタ変換装置は、多直列サイリスタ１９を構成するサイリスタＴＨＹ−１〜ＴＨＹ−５のそれぞれに対して、計５個の順方向電圧検出回路ＦＶＤ−１〜ＦＶＤ−５を取り付ける。これに伴い、従来のサイリスタ変換装置は、順方向電圧検出回路と同数、すなわち５本のライトガイド４０−１〜４０−５を設ける。

従来のサイリスタ変換装置において、いずれかのサイリスタが故障（短絡故障）した場合、そのサイリスタに対して取り付けられた順方向電圧検出回路に印加される電圧は０となる。そうすると、発光素子は発光しないため、ライトガイド経由で光信号検出器（光信号検出器２９）に送信されるべき当該順方向電圧検出回路の順電圧信号は喪失する。光信号検出器２９は、ある順方向電圧検出回路の順電圧信号が一定時間を超えて喪失している場合、その順方向電圧検出回路が取り付けられたサイリスタが故障していることを検知する。

このように、従来のサイリスタ変換装置では、多直列サイリスタ１９の中の故障サイリスタを検知・特定するために、サイリスタと同数のライトガイドを必要としていた。たとえば１００ｋＶ級の高電圧で直流を送電するためのサイリスタ変換装置では、３０〜４０個といった多くのサイリスタが直列に接続された多直列サイリスタが用いられるため、これらのサイリスタと同数の３０〜４０本ものライトガイドが必要であった。本実施形態のサイリスタ変換装置１は、ライトガイドの本数を削減することができるようにしたものであり、以下、この点について詳述する。

再び、図２を参照する。

本実施形態のサイリスタ変換装置１において、多直列サイリスタ１１を構成するサイリスタの中のいずれかのサイリスタが故障（短絡故障）した場合、そのサイリスタを含む組み合わせに対して取り付けられた順方向電圧検出回路に印加される電圧は、正常時と比較して低下する。そうすると、発光素子の発光が一定レベルに達するまでの時間が遅くなるため、ライトガイド経由で送信される当該順方向電圧検出回路の順電圧信号についての光信号検出器２１側での信号検出が、正常時と比較して遅延する。本実施形態のサイリスタ変換装置１は、この特性を利用して、光信号検出器２１、より詳細には、故障検出回路２１１が、順電圧信号の検出遅れを起こしている順方向電圧検出回路の組み合わせから、故障しているサイリスタを特定する。

図４は、図２に示される多直列サイリスタ１１の中の先頭のサイリスタＴＨＹ−１が故障（短絡故障）した場合における順方向電圧検出回路ＦＶＤ−１〜ＦＶＤ−３の状態を示している。ここでは、多直列サイリスタ１１に印加される電圧を５Ｖと想定する。サイリスタＴＨＹ−１を含むサイリスタＴＨＹ−１〜ＴＨＹ−５すべてが健全な状況下では、順方向電圧検出回路ＦＶＤ−１〜ＦＶＤ−３に印加される電圧は３Ｖである。光信号検出器２１の故障検出回路２１１は、この正常時における順電圧信号の検出時間を基に定められる基準時間を記憶している。

一方、サイリスタＴＨＹ−１が故障（短絡故障）した場合、図４に示されるように、順方向電圧検出回路ＦＶＤ−１に印加される電圧が２．５Ｖ、順方向電圧検出回路ＦＶＤ−２に印加される電圧が３．７５Ｖ、順方向電圧検出回路ＦＶＤ−３に印加される電圧が３．７５Ｖとなる。すなわち、故障したサイリスタＴＨＹ−１を含む組み合わせに対して取り付けられた順方向電圧検出回路ＦＶＤ−１に印加される電圧のみが正常時の３Ｖから低下する。

この順方向電圧検出回路ＦＶＤ−１の順電圧信号ＦＶ−１は、図２に示されるライトガイド４０−１により光信号検出器２１へ送信されるが、この順電圧信号ＦＶ−１についての光信号検出器２１側での信号検出は、正常時と比較して遅延する。順電圧信号の検出遅れが起きていることにより、光信号検出器２１の故障検出回路２１１は、第１に、多直列サイリスタ１１の中のいずれかのサイリスタが故障していることを検知する。

また、故障検出回路２１１は、第２に、順電圧信号の検出遅れを起こしている順方向電圧検出回路の組み合わせから、故障しているサイリスタを特定する。図５を参照して、故障検出回路２１１が故障サイリスタを特定する仕組みを説明する。図５は、あるサイリスタが故障した場合に、どの順方向電圧検出回路の順電圧信号について、光信号検出器２１側において順電圧信号の検出遅れが起きるのかを示している。

前述したように、サイリスタＴＨＹ−１が故障した場合、順方向電圧検出回路ＦＶＤ−１の順電圧信号ＦＶ−１について、検出遅れが起きる。また、サイリスタＴＨＹ−２が故障した場合、図５に示されるように、（故障したサイリスタＴＨＹ−２を含む組み合わせに対して取り付けられた）順方向電圧検出回路ＦＶＤ−１の順電圧信号ＦＶ−１と、（同じく故障したサイリスタＴＨＹ−２を含む組み合わせに対して取り付けられた）順方向電圧検出回路ＦＶＤ−２の順電圧信号ＦＶ−２とについて、検出遅れが起きる。同様に、サイリスタＴＨＹ−３が故障した場合、順方向電圧検出回路ＦＶＤ−１の順電圧信号ＦＶ−１、順方向電圧検出回路ＦＶＤ−２の順電圧信号ＦＶ−２および順方向電圧検出回路ＦＶＤ−３の順電圧信号ＦＶ−３について、検出遅れが起きる。サイリスタＴＨＹ−４が故障した場合、順方向電圧検出回路ＦＶＤ−２の順電圧信号ＦＶ−２と、順方向電圧検出回路ＦＶＤ−３の順電圧信号ＦＶ−３とについて、検出遅れが起きる。サイリスタＴＨＹ−５が故障した場合、順方向電圧検出回路ＦＶＤ−３の順電圧信号ＦＶ−３について、検出遅れが起きる。

このように、どのサイリスタが故障したかによって、光信号検出器２１側において順電圧信号の検出遅れが起きる順方向電圧検出回路の組み合わせは異なる。

したがって、順方向電圧検出回路ＦＶＤ−１の順電圧信号ＦＶ−１について検出遅れが起きた場合、故障検出回路２１１は、故障しているサイリスタがサイリスタＴＨＹ−１であると特定することができる。多直列サイリスタが５個のサイリスタで構成されている場合、従来のサイリスタ変換装置では、図３に示されるように、５本のライトガイドが必要なのに対して、本実施形態のサイリスタ変換装置１では、図２に示されるように、３本のライトガイドで済む。すなわち、本実施形態のサイリスタ変換装置１は、ライトガイドの本数を２本削減することができる。

図６は、本実施形態のサイリスタ変換装置１がライトガイドの本数を最大限に削減する順方向電圧検出回路の設け方を示す図である。

たとえば、図２および図４に示されるように、多直列サイリスタ１１が５個のサイリスタにより構成されている場合、３個のサイリスタ毎に、計３個の順方向電圧検出回路を取り付けることにより、ライトガイドの本数を、サイリスタの数よりも２少ない３本とすることができる。すなわち、ライトガイドの本数を２本削減できる。また、多直列サイリスタ１１が９個のサイリスタにより構成されている場合には、５個のサイリスタ毎に、計５個の順方向電圧検出回路を取り付けることにより、ライトガイドの本数を、サイリスタの数よりも４少ない５本とすることができる。すなわち、ライトガイドの本数を４本削減できる。

つまり、本実施形態のサイリスタ変換装置１においては、サイリスタの数が奇数である場合、そのサイリスタの数に１を加えた数を２で割って得られる数毎に順方向電圧検出回路を設ければよく、また、サイリスタの数が偶数である場合、そのサイリスタの数を２で割って得られる数毎に順方向電圧検出回路を設ければよい。なお、たとえば多直列サイリスタ１１が９個のサイリスタにより構成されている場合、必ずしも５個のサイリスタ毎に順方向電圧検出回路を取り付けなくともよく、（５個より少ない）２乃至４個のサイリスタ毎に順方向電圧検出回路を取り付けるようにしてもよい。ライトガイドの削減本数は少なくなるが、ライトガイドの本数は削減できる。

図７は、本実施形態のサイリスタ変換装置１におけるサイリスタ故障検出の手順を示すフローチャートである。

光信号検出器２１の故障検出回路２１１は、順電圧信号の検出遅れが起きていないかどうかを監視する（ステップＡ１）、順電圧信号の検出遅れが起きている場合（ステップＡ２のＹＥＳ）、故障検出回路２１１は、順電圧信号の検出遅れを起こしている順方向電圧検出回路の組み合わせにより、多直列サイリスタ１１の中の故障しているサイリスタを特定する（ステップＡ３）。

以上のように、本実施形態のサイリスタ変換装置１は、ライトガイドの本数を削減することができる。

なお、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合せにより、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…サイリスタ変換装置、１０…サイリスタバルブ、１１…多直列サイリスタ、２０…ＰＧ盤、２１…光信号検出器、３０…制御盤、４０…ライトガイド、１００…直流送電システム、２１１…故障検出回路、ＴＨＹ…サイリスタ、ＦＶＤ…順方向電圧検出回路、ＦＶ…順電圧信号。

Claims

ｎ（ｎ≧３）個のサイリスタが直列に接続された多直列サイリスタと、
前記ｎ個のサイリスタの中の連続かつ互いに異なる組み合わせのｍ（２≦ｍ＜ｎ）個のサイリスタ毎に設けられ、前記ｍ個のサイリスタ両端間の電圧により発光素子を発光させて順電圧信号を出力する２以上の順方向電圧検出回路と、
前記２以上の順方向電圧検出回路と一対に設けられ、前記順電圧信号を転送するための２以上のライトガイドと、
前記２以上のライトガイドにより転送されてくる前記順電圧信号に基づき、前記多直列サイリスタの中のサイリスタの故障を検知し、かつ、故障しているサイリスタを特定するサイリスタ故障検出回路と、
を具備し、
連続する前記ｍ個のサイリスタを含む２以上の組み合わせは、各々に含まれるサイリスタを前記ｎ個のサイリスタの先頭のサイリスタから１個ずつ異ならせて形成され、
前記サイリスタ故障検出回路は、予め定められた基準時間内に検出されない順電圧信号が存在した場合、前記多直列サイリスタの中のサイリスタの故障を検知し、かつ、前記基準時間内に順電圧信号が検出されなかった順方向電圧検出回路の組合せにより、故障しているサイリスタを特定する、
サイリスタ変換装置。
前記ｎが奇数である場合、前記ｍは、（ｎ＋１）／２であり、
前記ｎが偶数である場合、前記ｍは、ｎ／２である、
請求項１に記載のサイリスタ変換装置。
ｎ（ｎ≧３）個のサイリスタが直列に接続された多直列サイリスタを有するサイリスタ変換装置のサイリスタ故障検出方法であって、
前記ｎ個のサイリスタの中の連続かつ互いに異なる組み合わせのｍ（２≦ｍ＜ｎ）個のサイリスタ毎に、前記ｍ個のサイリスタ両端間の電圧により発光素子を発光させて順電圧信号を出力することと、
前記ｍ個のサイリスタ毎の順電圧信号を前記ｍ個のサイリスタ毎に設けられるライトガイドで転送することと、
前記ｍ個のサイリスタ毎の順電圧信号を前記ライトガイド経由で受信し、予め定められた基準時間内に検出されない順電圧信号が存在した場合、前記ｎ個のサイリスタの中のいずれかのサイリスタの故障を検知し、かつ、前記基準時間内に検出されなかった順電圧信号の組合せにより、故障しているサイリスタを特定することと、
を具備し、
連続する前記ｍ個のサイリスタを含む２以上の組み合わせは、各々に含まれるサイリスタを前記ｎ個のサイリスタの先頭のサイリスタから１個ずつ異ならせて形成されるサイリスタ故障検出方法。
前記ｎが奇数である場合、前記ｍは、（ｎ＋１）／２であり、
前記ｎが偶数である場合、前記ｍは、ｎ／２である、
請求項３に記載のサイリスタ故障検出方法。