JP6591210B2 - 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。

現状の直流遮断装置には、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 Per Skarby, Ueli Steiger "An Ultra-fast Disconnecting Switch for a Hybrid HVDC Breaker - a technical breakthrough", Ciger, Canada conference, Calgary, Canada 9-11 September, 2013

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器は、通信路と、第１の半導体スイッチを有する転流要素と、第２の半導体スイッチと、導電経路と、非線形抵抗器とを持つ。通電路は、機械式のデバイスである、所定の第１の耐圧性を有する第１の開閉器と、機械式のデバイスである、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て構成される。

転流要素は、前記第１の開閉器と前記第２の開閉器との接続ノードに一端が接続された、充放電機能を有する機能素子と第１の半導体スイッチとが直列に接続された要素である。第２の半導体スイッチは、前記転流要素の他端と、前記第２の開閉器に接続される側の端部とは反対の側の前記第１の開閉器の端部と間に接続して設けられている。導電経路は、前記転流要素の前記他端と、前記第１の開閉器に接続される側の端部とは反対の側の前記第２の開閉器の端部との間に接続して設けられている。非線形抵抗器は、前記第２の半導体スイッチと並列に接続して設けられている。

また、実施形態の直流遮断装置は、上記の直流遮断装置による直流遮断方法であって次のような方法である。すなわち、（１）前記転流要素の前記機能素子にあらかじめ充電し、（２）前記第１の開閉器の電極開制御の開始および前記第２の開閉器の電極開制御の開始より後に、前記機能素子を放電し、（３）前記機能素子を放電した後に、前記第１の半導体スイッチをオフに移行し、（４）前記第１の半導体スイッチをオフに移行した後に、前記第２の半導体スイッチをオフに移行する。

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動作を説明するタイミングチャート。 図１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３に示した真空バルブが有する電極の変形例を模式的に示す斜視図。 実施形態２（その１）の直流遮断装置を示す構成図。 実施形態２（その２）の直流遮断装置を示す構成図。 実施形態３の直流遮断装置を示す構成図。 実施形態４の直流遮断装置を示す構成図。 図８に示した直流遮断装置の動作を説明するタイミングチャート。 実施形態５の直流遮断装置を示す構成図。 図１０に示した直流遮断装置の動作を説明するタイミングチャート。

（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、転流要素２１、半導体スイッチ２２、リアクトル２３、非線形抵抗器２４、電流検出部３１、制御部４０を有する。転流要素２１は、充放電機能素子２１ａと半導体スイッチ２１ｂとが直列に接続され構成されている。

通電路１０は、所定の大きな耐圧性（後述）を有する開閉器１１と、それより耐圧性が低い開閉器１２とが直列に接続され構成されている。開閉器１１、１２は、両者とも非半導体デバイスであり、開閉器１１と開閉器１２と比較すると開閉器１２の方が電極開制御に対する応答が速い。ただし、開閉器１２とはいえども非半導体デバイスであるため、半導体デバイスほどには高速に応答できない。以下の説明で開閉器１１と開閉器１２とを合わせて開閉器群と称する場合がある。

この直流遮断装置の概略の動作は以下である。通常時は、開閉器１１、１２を閉じて通電路１０に電流を流す。事故等で電流遮断を要するときは、速やかに開閉器１１、１２の電極開制御を開始するが、先に電極開の状態に至る開閉器１２に対応して、その流れていた電流を転流要素２１を機能させて素早く転流要素２１を通る経路に転流する。

この転流直後は開閉器１１の電極開制御は完了しておらず開閉器１１に電流が流れている。そこで、その後速やかに転流要素２１にある半導体スイッチ２１ｂをオフに移行すると、開閉器１１に引き続き流れていた電流が、電流が流れるように制御されている半導体スイッチ２２を通る経路に転流する。そして、さらにその後半導体スイッチ２２をオフに移行することによりその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。まず、図１中に示した各構成物について説明する。

開閉器１１は、電流の通、不通を切り替えることができる、すでに述べたように非半導体デバイス（機械式のデバイス）である。開閉器１２も非半導体デバイスで、電流の通、不通を切り替えることができる。開閉器１１と開閉器１２とは、耐圧性と電極開制御に対する応答速度とにおいて互いに利点を補完し合う関係になっており、このように特性の異なる開閉器を直列に接続して役割を分担している。開閉器１１と開閉器１２とは、ともにその有する電極の開閉が制御部４０により制御される。

転流要素２１は、開閉器１１と開閉器１２との接続ノードに一端が接続された、開閉器１２に流れていた電流を素早く転流要素２１（およびリアクトル２３）を通る経路に転流するための要素である。転流要素２１は、充放電機能素子２１ａ（例えばキャパシタ）と半導体スイッチ２１ｂとが直列に接続され構成されている。

充放電機能素子２１ａには、制御部４０によってあらかじめ充電がされており、この状態で半導体スイッチ２１ｂをオンに移行すると、充放電機能素子２１ａの両電極間の電圧をゼロに向かわせるように充電電荷が放電され、これにより開閉器１２に流れていた電流が素早く転流要素２１を通過する電流として転流する。転流要素２１の充電および放電の制御は制御部４０によりなされる。

半導体スイッチ２２は、転流要素２１の他端と、開閉器１２に接続される側の端部とは反対の側の開閉器１１の端部と間に接続して設けられている。半導体スイッチ２２は、電流の通、不通を切り替える半導体のスイッチであり、切り替えの制御（オンオフ制御）は制御部４０による。

半導体スイッチ２２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、この単位要素を多数直列に接続して全体として２つの主電極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４０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２２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。例えば、逆並列接続のサイリスタを単位要素として、これを多数直列に接続して全体として２つの主電極端子を有するようにした構成物も採用できる。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、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２２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２２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。このためには、一般にある程度大きな（例えば数百）の直列数が必要になる。

半導体スイッチ２２を切り替える制御部４０による制御は、通常時は半導体スイッチ２２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２２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２２をオンとする制御も採り得る選択である。

リアクトル２３は、転流要素２１の他端と、開閉器１１に接続される側の端部とは反対の側の開閉器１２の端部との間に接続して設けられている。リアクトル２３は、転流要素２１の放電が開始されてから開閉器１２の電流をゼロに至らせるまでの時間を調整するため挿入されている。開閉器１２の電流をゼロに至らせるタイミングは、その電極開制御が完了、確立した後が好ましいので、リアクトル２３を図示するように設けそのリアクタンスを加減することで放電電流を抑制し上記の調整が可能になる。調整の必要性が低い場合には、リアクトル２３を設けず単なる導線に代えることもできる。

非線形抵抗器２４は、半導体スイッチ２２と並列に接続して設けられている。非線形抵抗器２４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２２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２２に流れていた電流と同じ値の電流が流れる。電流が流れ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。

電流検出部３１は、この直流遮断器に流れる電流を検出し、これを制御部４０に伝える。このため、電流検出部３１は、開閉器１１、２１と半導体スイッチ２２と非線形抵抗器２４との並列接続の外側に直列に設けられている。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挿入しその両端電圧を検出する構成や、電流によって生じる磁束を検出する構成（直流ＣＴ）などが挙げられる。

制御部４０は、開閉器１１、２１の電極開、電極閉の制御、転流要素２１の充放電の制御、および半導体スイッチ２２のオンオフ制御を行う。制御部４０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間では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られる。また、制御部４０は、不図示の事故検出装置から事故に関する情報を得るが、事故発生の旨は、電流検出部３１からの検出電流を活用することにより制御部４０において判断するようにしてもよい。

図２は、図１に示した直流遮断装置の動作をタイミングチャートで示している。図２をも参照して、図１に示した直流遮断装置についてその動作を時系列的に説明する。

図２（ａ）には、全電流（つまり、電流検出部３１により検出される電流）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であり、その内訳はすべて開閉器１１、１２に流れている電流である。当然と言えるが時刻Ａ以前の段階で半導体スイッチ２２、そして転流要素２１、リアクトル２３、非線形抵抗器２４には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２（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または電流検出部３１からの検出電流により制御部４０で了知される（時刻Ｂ）。これを受けて制御部４０は、開閉器１１、２１の電極開制御を開始する（時刻Ｃ）。電極開制御を開始しても、開閉器１１、１２にはアーク電流が流れ続ける。その状態において制御部４０からの制御で転流要素２１の放電を開始する（時刻Ｄ）。

転流要素２１の放電は、具体的には、半導体スイッチ２１ｂをオンに移行して開始する。半導体スイッチ２１ｂをオンに移行すると、あらかじめ充放電機能素子２１ａに充電されていた電荷が、充放電機能素子２１ａの両電極間の電圧をゼロに向かわせるように放電され、これにより開閉器１２に流れていた電流が素早く転流要素２１を通る電流として転流する。さらに具体的に説明すると以下である。

充放電機能素子２１ａの図示下側の電極をプラス、図示上側をマイナスの電荷であらかじめ充電しておくと、半導体スイッチ２１ｂがオフになっている間は、充放電機能素子２１ａの片方の電極が電気的にオープンにされているのと等価でありほぼ放電は起こらない。この状態から半導体スイッチ２１ｂをオンに移行すると、充放電機能素子２１ａの図示下側電極から、半導体スイッチ２１ｂ、リアクトル２３、開閉器１２を経て充放電機能素子２１ａの図示上側の電極へと放電が生じる。

この放電電流は開閉器１２においてはそれまで流れていた電流とは逆向きであり、したがって、開閉器１２に流れていた電流が素早く転流要素２１を通る電流として転流する。これにより開閉器１２の電流遮断は完了する（時刻Ｅ：図２（ｂ）を参照）。

なお、転流要素２１の放電が開始される時刻Ｄ以降は、半導体スイッチ２１ｂのオン抵抗により、開閉器１２の両端に電圧が生じ始める（図２（ｄ）参照）。ここで時刻Ｄから時刻Ｅまでの時間はリアクトル２３のインダクタンスにより調整可能である点はすでに概略説明している。しかし、時刻Ｄ以降であれば開閉器１２の両端に電圧が生じ得るので、時刻Ｄは、開閉器１２の電極間距離が所定の距離になったと想定される開極時以降であることが好ましい。

上記の時刻Ｅ後も、開閉器１１の側はその電極開制御に対する応答が遅いことにも起因して電流が流れ続ける（図２（ｃ）を参照）。その状態において、次に、制御部４０からの制御により転流要素２１の半導体スイッチ２１ｂをオフに切り替える（時刻Ｆ）。すなわち、制御部４０は、時刻Ｄから時刻Ｅまでの時間を想定して、開閉器１２を流れる電流がゼロに至ったと想定される転流時（時刻Ｅ）以降に、半導体スイッチ２１ｂのオフ移行制御を行う。

制御部４０による半導体スイッチ２１ｂのオフ移行制御により、半導体スイッチ２１ｂにつながる開閉器１１を通過する電流経路が遮断される。よって、今度はそれまで開閉器１１に流れていた電流が、電流が流れる状態にされている半導体スイッチ２２の側の電流として転流する（時刻Ｆ；図２（ｃ）を参照）。おおよそ時刻Ｆから次に説明する時刻Ｇまでの期間においては、半導体スイッチ２２のオン抵抗のため半導体スイッチ２２に一定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る（図２（ｄ）を参照）。

時刻Ｆのあと、開閉器１１の電極間距離が所定の距離になったと想定される開極時以降（時刻Ｇ）に、半導体スイッチ２２をオフ状態にすべく制御部４０は半導体スイッチ２２を制御する。このときすでに、時刻Ｆから間もないタイミングで遮断器群１１、１２を有する通電路１０が電流不通であり、かつ、時刻Ｇで半導体スイッチ２２も電流不通に変換されるため、時刻Ｇ以降、非線形抵抗器２４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２２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２４に比較的大きな電圧降下（例えば５００ｋＶ）が生じる。非線形抵抗器２４に電流が流れ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Ｈ；時刻Ａから例えば数ｍｓ）。時刻Ｈ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２（ｄ）を参照）。

以上のような制御部４０による時系列的な制御により、直流遮断装置として一連の遮断制御を行うことが可能になる。この制御手順は、この直流遮断装置において基本的な手順と言えるものであり、これを逸脱しないようにさらに厳密に好ましいタイミングで遮断時の制御を行うことも可能である（後述する）。

以上説明したように、この実施形態の直流遮断装置によれば、通電路１０に半導体スイッチ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。開閉器１１は、その電極開制御に対する応答として、開閉器１２のそれより遅いが、耐圧性が高い。逆に、開閉器１２は、その電極開制御に対する応答として、開閉器１１のそれより速いが、耐圧性が低い。高耐圧の開閉器１１を開閉器１２と直列に接続して設けることにより、直流遮断装置として必要な高耐圧性を確保している。

また、一方の開閉器１２に並列に転流要素２１を挿入しているので、転流要素２１のはたらきにより、速い応答の開閉器１２に応じてその電流を強制的に素早く転流要素２１の側に転流することができる。しかる後、転流要素２１にある半導体スイッチ２１ｂをオフに移行することにより、今度は開閉器１１の電流を素早く遮断すべき電流として半導体スイッチ２２の側に転流することができる。したがって、半導体スイッチ２２に移った遮断すべき電流においてその値があまり増大しないうちに半導体スイッチ２２をオフに移行することが可能であり、遮断装置として大型化を回避できる。

次に、図３は、図１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５０は、碍管５１、固定側電極５２、可動側電極５３、固定側通電軸５４、可動側通電軸５５、ベローズ５６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応答性は比較的優れている。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２１ｂを含む転流要素２１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、開閉器１２の転流までに要する時間を短縮できる点が利点になる。

真空開閉器は、図３に示すような真空バルブ５０を有しており、これ以外に、可動側通電軸５５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５１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５５および碍管５１に固定してベローズ５６が設けられている。真空バルブ５０の構成について以下説明する。

碍管５１の円筒上面に貫通するように固定側通電軸５４が設けられ、固定側通電軸５４は、碍管５１への貫通部で碍管５１に固定されている。碍管５１の円筒上面を貫通して突起している固定側通電軸５４の部分が開閉器としての一方の端子になる。碍管５１の内部に位置する固定側通電軸５４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５２が設けられている。固定側通電軸５４が位置する側とは反対の側の固定側電極５２の面に対向して、固定側電極５２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５３の面が位置している。

可動側電極５３の、固定側電極５２と対向する面の側とは反対の側には、固定側通電軸５４、固定側電極５２、可動側電極５３のそれぞれと軸を共通に可動側通電軸５５が設けられている。可動側通電軸５５は、碍管５１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５６はその一方の側が可動側通電軸５５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５１に固定されている。ベローズ５６により、可動側通電軸５５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５１内は気密が保たれる。

図１に示した直流遮断装置を、例えば直流３００ｋＶ程度の系統に使用した場合を考えると、開閉器１２に対して高耐圧の開閉器１１が直列に設けられている等のこの装置の構成上、開閉器１２としては、オン状態の半導体スイッチ２１ｂを含む転流要素２１による電圧降下分に耐えられればほぼ足りると考えられる。この電圧降下は大きくとも数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容易に耐えられる。そして、真空開閉器である開閉器１２の使用により、開閉器１２の転流までに要する時間を短縮することができる。

なお、真空開閉器の中でも特に電極５２、５３として平板電極を有するもの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低減できることが利点になる。また、特に電極５２、５３として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遮断性能を向上させまた電極の損傷を抑制することができる。

縦磁界電極とは、例えば、図４に示した模式図を参照して、固定側電極５２ａ、通電側電極５３ａのそれぞれの側面にスリットを設けて、電流の向きに周方向成分を加えるように構成した電極である。電極５２ａ、５３ａ間の電流が周方向成分を持つと電極５２ａ、５３ａ間のアーク電流に縦磁界が加わり、これにより、荷電粒子が磁界中に閉じ込められて電極５２ａ、５３ａ全体に平等に分散するため、遮断性能が向上しまた電極の損傷を抑制することができる。

なお、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、このとき、他方の開閉器１２の側はオフ状態の転流要素２１（高抵抗ではあるが無限大ではない）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主に開閉器１１の側が負担することになる。

（実施形態２）
次に、実施形態２の直流遮断装置について図５（その１）、図６（その２）を参照して説明する。図５は、実施形態２（その１）の直流遮断装置の構成を示している。同図において、図１中に示した構成物と同一のものには同一符号を付しその説明は省略する。

この形態は、非線形抵抗器２４が、半導体スイッチ２２とリアクトル２３との直列要素に対して並列に接続して設けられている点で、図１に示したものと構成が異なる。この非線形抵抗器２４は、図１に示したように半導体スイッチ２２のみに対して並列に接続して設けるほかに、このように、半導体スイッチ２２とリアクトル２３との直列要素に対して並列に接続して設けることもできる。

リアクトル２３を設けた目的は、転流要素２１の放電が開始されてから開閉器１２の電流をゼロに至らせるまでの時間を調整することにあり、一方、非線形抵抗器２４は、直流遮断の最後の段階で一時的に電流が流れるに過ぎないので、いずれのように非線形抵抗器２４を設けても、一時的に電流が流れる機能、ひいては直流遮断動作に対して影響はほぼない。

次に、図６は、実施形態２（その２）の直流遮断装置の構成を示している。同図において、図１中に示した構成物と同一のものには同一符号を付しその説明は省略する。

この形態は、リアクトル２３を設ける位置が、転流要素２１にのみシリーズになるように挿入されている点で、図１に示したものと構成が異なる。すなわち、リアクトル２３は、半導体スイッチ２２とはシリーズの配置関係にはなっておらず、非線形抵抗器２４ともシリーズの配置関係にはなっていない。これは、転流要素２１が充放電機能素子２１ａと半導体スイッチ２１ｂとさらにリアクトル２３とが直列に接続された要素に置き換わっているとも言い得る。リアクトル２３はこのような配置で設けることもできる。

リアクトル２３を設けた目的は、転流要素２１の放電が開始されてから開閉器１２の電流をゼロに至らせるまでの時間を調整することにあり、よって、図６に示す配置でリアクトル２３を設けてもよいことは容易な帰結である。

（実施形態３）
次に、実施形態３の直流遮断装置について図７を参照して説明する。図７は、実施形態３の直流遮断装置の構成を示している。同図において、図１中に示した構成物と同一のものには同一符号を付しその説明は省略する。

この形態は、通電路１０Ａとして、開閉器１２に並列に接続された、開閉器１２に印加され得る最大電圧を軽減させるように機能する付加要素１３をさらに有する点で図１に示したものと構成が異なる。開閉器１２に並列に付加要素１３を設けると、このような付加要素がない開閉器１１との構成上の相違から、開閉器１２の側に印加される最大電圧をさらに明確に低下させることができる。

ここで、付加要素１３は、例えば、抵抗器、非線形抵抗器、キャパシタ、およびキャパシタと抵抗器との直列接続要素の中から、そのひとつまたは２つ以上を並列に接続したものを採用できる。付加要素１３が抵抗器あるいは非線形抵抗器（例えば酸化亜鉛素子など）の場合、開閉器１１との構成上の相違から、抵抗分圧された電圧が開閉器１２に印加される（抵抗小で、印加電圧小）。

同様に、付加要素１３がキャパシタの場合は、開閉器１１との構成上の相違から、容量分圧された電圧が開閉器１２に印加される（静電容量大で、印加電圧小）。付加要素１３がキャパシタと抵抗器との直列接続要素の場合、開閉器１１との構成上の相違から、インピーダンスにより分圧された電圧が開閉器１２に印加される（インピーダンス小で、印加電圧小）。

（実施形態４）
次に、実施形態４の直流遮断装置について図８を参照して説明する。図８は、実施形態４の直流遮断装置の構成を示している。同図において、図１中に示した構成物と同一のものには同一符号を付しその説明は省略する。

この形態は、通電路１０Ｂとして、開閉器１１の電極間距離を検出して制御部４０に伝える距離検出部１４を開閉器１１に設け、かつ、開閉器１２の電極間距離を検出して制御部４０に伝える距離検出部１５を開閉器１２に設けた点で図１に示したものと構成が異なる。

開閉器１２においては、すでに説明したように、転流要素２１に対して制御部４０が放電制御を行うと、開閉器１２に流れる電流が減少し始め、開閉器１２には電圧が印加され始める。したがって、この形態によれば、開閉器１２の電極間距離を検出した結果に基づき転流要素２１に対して制御部４０が放電制御を行うことができるので、発生電圧に対して問題ないような電極間距離を得た開閉器１２に電圧が印加されることになり好ましい。

また、開閉器１１においては、すでに説明したように、半導体スイッチ２２をオフに移行する制御を行うと、流れる電流の経路は非線形抵抗器２４を通る経路のみになり、したがって、この直流遮断装置には非常に大きな電圧が印加される。この形態によれば、開閉器１１の電極間距離を検出した結果に基づき半導体スイッチ２２をオフに移行する制御を行うことができるので、耐圧性の高い開閉器１１の電極間距離はその時点で所定の距離に開いており好ましい。

図９は、図８に示した直流遮断装置の動作をタイミングチャートで示している。図９は、図２の図示とほとんど同じであり、同じ点に関してはすでに説明した内容を参照することができる。図８で説明した点をもう一度図９を参照して説明すると、開閉器１２が開極したタイミング（＝耐圧性を得たタイミング；時刻Ｃ１）よりあとのタイミングである時刻Ｄで転流要素２１の放電が開始されており、これは好ましいタイミングである。また、開閉器１１が開極したタイミング（＝耐圧性を得たタイミング；時刻Ｃ２）よりあとのタイミングである時刻Ｇで半導体スイッチ２２をオフ移行しており、これは好ましいタイミングである。

（実施形態５）
次に、実施形態５の直流遮断装置について図１０を参照して説明する。図１０は、実施形態５の直流遮断装置の構成を示している。同図において、図１中に示した構成物と同一のものには同一符号を付しその説明は省略する。

この形態は、通電路１０Ｃとして、開閉器１１を流れる電流を検出して制御部４０に伝える電流検出部１６を開閉器１１と直列に接続して設け、かつ、開閉器１２を流れる電流を検出して制御部４０に伝える電流検出部１７を開閉器１２と直列に接続して設けた点で図１に示したものと構成が異なる。電流検出部１６、１７については、具体的に、電流検出部３１と同様の構成を採用できる。

開閉器１２に直列に電流検出部１７を設けることによる利点は以下である。制御部４０による転流要素２１の機能素子２１ａを放電する制御は、開閉器１２を流れる電流をゼロにするように行う。これにより開閉器１２に流れる電流の転流を完了する。放電制御から実際に開閉器１２に流れる電流をゼロに至らせるまでには多少時間がかかる。したがって、その時間を算入して、次の制御である半導体スイッチ２１ｂのオフ移行制御を行うことが好ましい。この形態によれば、電流検出部１７により電流がゼロに至ったことを了知できるので、より良好にこれに対応できる。

また、開閉器１１に直列に電流検出部１６を設けることによる利点は以下である。このように構成すれば、開閉器１１を流れる電流がゼロに至ったことが電流検出部１１によって検出された時点を、開閉器１１の電極間距離がすでに所定の距離になっている時点と擬制できる。開閉器１１の電極開の応答性は開閉器１２のそれより遅いが、それらの電極開制御の開始は同時であり、開始後に開閉器１２が電極開に至ったことを前提に各制御がなされているため、さらにその後に開閉器１１を流れる電流がゼロに至ったことが電流検出部１６によって検出された時点は、開閉器１１の電極間距離がすでに所定の距離になっている確度が十分に高いと考えられるためである。

図１１は、図１０に示した直流遮断装置の動作をタイミングチャートで示している。図１１は、図２の図示とほとんど同じであり、同じ点に関してはすでに説明した内容を参照することができる。図１０で説明した点をもう一度図１１を参照して説明すると、開閉器１２の遮断が完了したタイミング（＝開閉器１２の電流がゼロ；時刻Ｅ）よりあとのタイミングである時刻Ｆで転流要素２１をオフに制御しており、これは好ましいタイミングである。また、半導体スイッチ２２への転流が完了したタイミング（＝開閉器１１の電流がゼロ＝開閉器１１の電極間距離がすでに所定の距離になっている時点と擬制；時刻Ｆ１）よりあとのタイミングである時刻Ｇで半導体スイッチ２２をオフ移行しており、これは好ましいタイミングである。

以上説明のように、各実施形態の直流遮断装置によれば、通電路に半導体スイッチ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。第１の開閉器は、その電極開制御に対する応答として、第２の開閉器のそれより遅いが、耐圧性が高い。逆に、第２の開閉器は、その電極開制御に対する応答として、第１の開閉器のそれより速いが、耐圧性が低い。高耐圧の開閉器を低耐圧の開閉器と直列に接続して設けることにより、直流遮断装置として必要な高耐圧性を確保している。

また、第２の開閉器に並列に転流要素を挿入しているので、転流要素のはたらきにより、速い応答の開閉器に応じてその電流を強制的に素早く転流要素の側に転流することができる。しかる後、転流要素にある第１の半導体スイッチをオフに移行することにより、今度は第１の開閉器の電流を素早く遮断すべき電流として第２の半導体スイッチの側に転流することができる。したがって、第２の半導体スイッチに移った遮断すべき電流においてその値があまり増大しないうちに第２の半導体スイッチをオフに移行することが可能であり、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。

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…通電路、１１…開閉器（高耐圧；第１の開閉器）、１２…開閉器（低耐圧；第２の開閉器）、１３…付加要素、１４…電極間距離検出部、１５…電極間距離検出部、１６…電流検出部、１７…電流検出部、２１…転流要素、２１ａ…充放電機能素子、２１ｂ…半導体スイッチ（第１の半導体スイッチ）、２２…半導体スイッチ（第２の半導体スイッチ）、２３…リアクトル、２４…非線形抵抗器、３１…電流検出部、４０…制御部、５１…碍管、５２…固定側平板電極、５２ａ…固定側縦磁界電極、５３…可動側平板電極、５３ａ…可動側縦磁界電極、５４…固定側通電軸、５５…可動側通電軸、５６…ベローズ。

Claims (17)

1. 機械式のデバイスである、所定の第１の耐圧性を有する第１の開閉器と、機械式のデバイスである、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た通電路と、
   前記第１の開閉器と前記第２の開閉器との接続ノードに一端が接続された、充放電機能を有する機能素子と第１の半導体スイッチとが直列に接続された要素である転流要素と、
   前記転流要素の他端と、前記第２の開閉器に接続される側の端部とは反対の側の前記第１の開閉器の端部と間に接続して設けられた第２の半導体スイッチと、
   前記転流要素の前記他端と、前記第１の開閉器に接続される側の端部とは反対の側の前記第２の開閉器の端部との間に接続して設けられた導電経路と、
   前記第２の半導体スイッチと並列に接続して設けられた非線形抵抗器と
   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、平板電極を有する真空開閉器または縦磁界電極を有する真空開閉器である請求項１記載の直流遮断装置。
4. 前記導電経路にシリーズに挿入されたリアクトルをさらに具備する請求項１記載の直流遮断装置。
5. 前記非線形抵抗器が、前記第２の半導体スイッチと前記リアクトルとの直列要素に対して並列に接続して設けられている請求項４記載の直流遮断装置。
6. 前記転流要素が、前記機能素子と前記第１の半導体スイッチとさらにリアクトルとが直列に接続された要素である請求項１記載の直流遮断装置。
7. 前記第２の開閉器に並列に接続された、前記第２の開閉器に印加され得る最大電圧を軽減させるように機能する付加要素をさらに具備する請求項１記載の直流遮断装置。
8. 前記付加要素が、抵抗器、非線形抵抗器、キャパシタ、およびキャパシタと抵抗器との直列接続要素からなる群より選択された１種または２種以上である請求項７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、
   前記転流要素の前記第１の半導体スイッチをオンオフ制御するとともに、該転流要素の前記機能素子にあらかじめ充電しかつ所定のタイミングで放電する制御機能を有する、前記転流要素および前記第１、第２の制御部に接続された第３の制御部と、
   前記第２の半導体スイッチおよび前記第３の制御部に接続された、該第２の半導体スイッチをオンオフ制御する第４の制御部と、をさらに具備し、
   前記第３の制御部が、前記第１の制御部による前記第１の開閉器の電極開制御の開始および前記第２の制御部による前記第２の開閉器の電極開制御の開始より前に、前記機能素子にあらかじめ充電する充電制御を行い、かつ、前記第１の制御部による前記第１の開閉器の電極開制御の開始および前記第２の制御部による前記第２の開閉器の電極開制御の開始より後に、前記機能素子を放電する放電制御を行い、かつ、該放電制御を行った後に、前記第１の半導体スイッチをオフに移行するオフ移行制御を行う各機能を少なくとも有し、
   前記第４の制御部が、前記第３の制御部により前記オフ移行制御がなされた後に、前記第２の半導体スイッチをオフに移行する制御を行う機能を少なくとも有する
   請求項１記載の直流遮断装置。
10. 前記第３の制御部が、前記第１の制御部による前記第１の開閉器の電極開制御の開始および前記第２の制御部による前記第２の開閉器の電極開制御の開始より後で、かつ、前記第２の開閉器の電極間距離が所定の距離になったと想定される開極時以降に、前記放電制御を行う請求項９記載の直流遮断装置。
11. 前記第３の制御部が、前記機能素子を放電する制御を行った後で、かつ、前記第２の開閉器を流れる電流がゼロに至ったと想定される転流時以降に、前記オフ移行制御を行う請求項９記載の直流遮断装置。
12. 前記第４の制御部が、前記第３の制御部による前記オフ移行制御がなされた後で、かつ、前記第１の開閉器の電極間距離が所定の距離になったと想定される開極時以降に、前記第２の半導体スイッチをオフに移行する前記制御を行う請求項９記載の直流遮断装置。
13. 前記第２の開閉器に設けられた、該第２の開閉器の電極間距離を検出して前記第３の制御部に伝える距離検出部をさらに具備し、
    前記第３の制御部が、前記第１の制御部による前記第１の開閉器の電極開制御の開始および前記第２の制御部による前記第２の開閉器の電極開制御の開始より後で、かつ、前記第２の開閉器の電極間距離が所定の距離になったことが前記距離検出部によって検出された開極時以降に、前記放電制御を行う請求項９記載の直流遮断装置。
14. 前記第２の開閉器と直列に接続して設けられた、該第２の開閉器を流れる電流を検出して前記第３の制御部に伝える電流検出部をさらに具備し、
    前記第３の制御部が、前記機能素子を放電する制御を行った後で、かつ、前記第２の開閉器を流れる電流がゼロに至ったことが前記電流検出部によって検出された転流時以降に、前記オフ移行制御を行う請求項９記載の直流遮断装置。
15. 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４の制御部に伝える距離検出部をさらに具備し、
    前記第４の制御部が、前記第３の制御部による前記第１の半導体スイッチをオフに移行する前記オフ移行制御がなされた後で、かつ、前記第１の開閉器の電極間距離が所定の距離になったことが前記距離検出部によって検出された開極時以降に、前記第２の半導体スイッチをオフに移行する前記制御を行う請求項９記載の直流遮断装置。
16. 前記第１の開閉器と直列に接続して設けられた、該第１の開閉器を流れる電流を検出して前記第４の制御部に伝える電流検出部をさらに具備し、
    前記第４の制御部が、前記第３の制御部による前記第１の半導体スイッチをオフに移行する前記オフ移行制御がなされた後で、かつ、前記第１の開閉器を流れる電流がゼロに至ったことが前記電流検出部によって検出された転流時以降に、前記第２の半導体スイッチをオフに移行する前記制御を行う請求項９記載の直流遮断装置。
17. 機械式のデバイスである、所定の第１の耐圧性を有する第１の開閉器と、機械式のデバイスである、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た通電路と；前記第１の開閉器と前記第２の開閉器との接続ノードに一端が接続された、充放電機能を有する機能素子と第１の半導体スイッチとが直列に接続された要素である転流要素と；前記転流要素の他端と、前記第２の開閉器に接続される側の端部とは反対の側の前記第１の開閉器の端部と間に接続して設けられた第２の半導体スイッチと；前記転流要素の前記他端と、前記第１の開閉器に接続される側の端部とは反対の側の前記第２の開閉器の端部との間に接続して設けられた導電経路と；前記第２の半導体スイッチと並列に接続して設けられた非線形抵抗器と；を具備する直流遮断装置による直流遮断方法であって、
    前記転流要素の前記機能素子にあらかじめ充電し、
    前記第１の開閉器の電極開制御の開始および前記第２の開閉器の電極開制御の開始より後に、前記機能素子を放電し、
    前記機能素子を放電した後に、前記第１の半導体スイッチをオフに移行し、
    前記第１の半導体スイッチをオフに移行した後に、前記第２の半導体スイッチをオフに移行する
    直流遮断方法。

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