JP6683716B2 - 対向電流の発生を有するｄｃ回路遮断器 - Google Patents

Description

本発明は、高電圧直流（ＨＶＤＣ）電力伝送に使用される回路遮断器装置に関する。

送電網事業者は、高い電力を長距離にわたって効率的に運ぶために高電圧直流（ＨＶＤＣ）をますます使用している。主な理由は、このような高電力長距離リンクの場合には、直流（ＤＣ）は容量性または誘導性の損失なしに電力を伝送できるので、交流（ＡＣ）より優れているということである。

ＤＣコンバータステーションはまた、ＡＣ回路網の周波数および位相を切り離すことによって、関連するＡＣ回路網の安定性を改善する。したがって、ＨＶＤＣリンクは、風力や太陽エネルギーなどの分散型供給源および間欠型供給源からの電力の寄与が増加することによって挑戦される送電網の安定化に非常に有用である。

電力回路網の重要な要素は、回路遮断器である。その役割は、誤動作した要素（例えば、落雷または海底ケーブルの破損に続く）の電流を急速に切断することによって、回路網を保護し、障害および停電を防止することである。このようにして、障害を残りの送電網から分離する。回路遮断器は、複雑な相互接続された送電網をＡＣまたはＤＣとして保護するために不可欠である。

ＡＣ回路網では、電流は周期的にゼロを通って（５０Ｈｚ回路網では１００回／秒）駆動され、電流ゼロは遮断の理想的な瞬間である。

しかし、ＤＣ回路網では、自然な電流ゼロが存在せず、１つの大きな技術的課題は、障害電流が上昇を止めないということである。

電流ゼロが存在しない場合には、回路遮断器のスイッチによって分離される接点の間に電気アークが発生する。これは接点を侵食して劣化させ、それによって絶縁耐性に悪影響を及ぼし、スイッチの寿命を低下させる可能性がある。

したがって、人工的な電流ゼロを生成することができる素子を備えたＤＣ遮断器が開発されている。

図１に示すように、例えばＤａｇ Ａｎｄｅｒｓｓｏｎ博士とＡｎｄｅｒｓ Ｈｅｎｒｉｋｓｓｏｎの論文「Ｐａｓｓｉｖｅ ａｎｄ Ａｃｔｉｖｅ ＤＣ Ｂｒｅａｋｅｒｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｔｈｒｅｅ Ｇｏｒｇｅｓ−Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ ＨＶＤＣ Ｐｒｏｊｅｃｔ」（Ｃｉｇｒｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｗｕｈａｎ，Ｃｈｉｎａ，３−５ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，２００１，Ｐａｇｅ ３９１）に記載されているように、そのような人工的な電流ゼロは、回路遮断器ＢにＬＣ発振回路を並列に付加することによって達成することができる。ここで、ＬＣ回路は、インダクタＬ、断続器Ｉ、および永久にプリチャージされるキャパシタＣの直列配置を含む。

図１のＤＣ遮断器は、電流が定常状態で流れる遮断器Ｂを有する低インピーダンス分岐（主分岐）と、ＬＣ回路を有する補助分岐と、サージアレスタＰを有するエネルギー吸収器分岐と、の３つの分岐を含む。

スイッチングのシナリオは、２つのステップのプロセスである。

ステップ１：遮断器Ｂの閉鎖位置では、電流は主分岐を通って流れ、補助分岐およびエネルギー吸収器分岐は何の役割も果たさない。トリップの順序では、主分岐から補助分岐への電流の転流を開始するために、電流が依然として主分岐を流れる間に遮断器の接点が分離される。これにより、遮断器の接点の間に長さが増大するアークが生じる。接点が十分に分離されると、補助分岐の断続器Ｉが閉じられる。プリチャージされたキャパシタＣは、この発振回路のキャパシタンスおよびインダクタンスによって課される周波数でインダクタＬおよび遮断器Ｂを介して放電する。キャパシタの電圧が十分に高い場合には、放電電流は直流電流を超え、電流はゼロを横切り、主分岐の電流は１周期未満で中断される。さもなければ、放電は主分岐および補助分岐によって形成されるループ内で電流振動を開始する。発振電流が増加し、最終的には遮断されるべき直流電流を超える。ここで、主分岐を流れる電流はゼロ交差を有し、遮断器は電流を遮断することができる。

ステップ２：アーク電流が遮断されると、電流は補助分岐だけに流れる。ライン（またはケーブル）のエネルギーは依然として高すぎ、キャパシタを充電し続ける。サージアレスタのニーポイント電圧に達すると、それは導通を開始し、エネルギーを吸収し、電圧をクランプする。この電圧は、ラインがゼロ電流に対応するエネルギーをそれ以上持たないようになるまで、回路遮断器を流れる電流に対抗する。電圧がサージアレスタのニーポイント電圧まで低下し、電流が確実に遮断される。

ＬＣ回路による人工的な電流ゼロ生成を伴うＤＣ遮断器の別の例は、図２に示してあり、Ｙｅｑｉ ＷａｎｇとＲａｉｎｅｒ Ｍａｒｑｕａｒｄｔの論文「Ａ ｆａｓｔ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ， ｓｃａｌａｂｌｅ ＤＣ−Ｂｒｅａｋｅｒ ｆｏｒ ｍｅｓｈｅｄ ＨＶＤＣ−Ｓｕｐｅｒ−Ｇｒｉｄｓ」、ＰＣＩＭ−Ｅｕｒｏｐｅ、２０−２２ Ｍａｙ ２０１４に記載されている。

主分岐上の２つの遮断器Ｂ_in、Ｂ_outの閉位置において、キャパシタＣ_PGは回路網電圧に充電される。この回路遮断器が遮断に設定されると、機構は遮断器Ｂ_inおよびＢ_outを開き、それによって両方の遮断器に電気アークを生成する。接点の分離が電圧安定性を保証するのに十分大きい場合には、サイリスタＴ_PGは閉じられ、キャパシタＣ_PG（プリチャージされた）およびインダクタＬ_PGによって形成されるループ内で電流を発生させる。電流が反転しようとすると（すなわち、半周期後）、サイリスタは、ターンオフ命令を必要とせずに自然にターンオフする。サイリスタがブロックした後、キャパシタＣ_PGはほぼ同じ充電で終わるが、電圧は逆転する。次に、キャパシタＣ_PGと、回路遮断器の外部のインダクタンスＬ_inおよびＬ_outとの間で、第２の電流振動が開始される。キャパシタＣ_PGに向かう回路遮断器の左右の回路網の一部の高い突入電流は、障害の側にある遮断器にゼロ電流を生成する。突入電流がスイッチングの瞬間に流れる電流よりもはるかに高い場合には、遮断器と並列のダイオードＤ_in、Ｄ_outはアークの再点弧なしに電流を流すことができ、ＤＢとラベル付けされた分岐は、回路を閉じてループインダクタンスを低くし、突入電流を高く保つ。回路網のインダクタンスＬ_in、Ｌ_outが依然として磁気エネルギーを有する場合には、それはサージアレスタＶＤＲ_PG内で散逸することができる。電流がゼロに減少し、障害が分離される。

これらの従来技術の解決策は、切断される電流よりも高い対向電流を生成するという欠点を有する。実際に、対向電流は、｛ｊ｝図１の回路遮断器ではキロアンペアの大きさを超え、図２の回路ブレーカでは１０キロアンペアを超えなければならない。電流が流れなければならないループ内のインダクタンスのために、大きな量のキャパシタを必要とする一定量のエネルギーを蓄えなければならない。このようなキャパシタは、第２の従来技術では、それらを接地から絶縁して取り付け、かつ、互いに絶縁しなければならないという点で特に厄介である。

米国特許出願公開第２０１５／００２９７７号明細書

本発明は、従来技術の解決策の欠点を克服しつつ、ＨＶＤＣ回路遮断器におけるアーク消滅を加速することを目的とする。この目的のために、本発明は、回路遮断器装置を提案し、回路遮断器装置は、主分岐と、主分岐と電気的に並列な補助分岐と、を含み、主分岐は、少なくとも１つの半導体スイッチで構成された遮断器セルと直列の少なくとも１つの機械的スイッチ−断路器と、少なくとも１つの遮断器セルと並列であって、エネルギー蓄積素子を含むスナバ回路と、を含み、機械的スイッチ−断路器は、第１の動作モードでは主分岐に電流を選択的に流すことができ、または第２の動作モードでは主分岐から補助分岐に電流を転流するように切り替えることができ、スナバ回路は、エネルギー蓄積素子を放電することによって電流が主分岐から補助分岐へ転流された場合に、主分岐に対向電流を生成するように構成されたブリーダ抵抗器をさらに含むことを特徴とする。

この回路遮断器装置の特定の好ましいが限定されない特徴は、以下の通りである。

スナバ回路は、エネルギー蓄積素子と直列に接続されたダイオードを含み、ブリーダ抵抗器はダイオードと並列に配置される。

それはさらに、少なくとも１つの遮断器セルと並列のサージアレスタを含む。

補助分岐は、キャパシタ、抵抗器、およびサージアレスタの並列接続によって構成されたスイッチング支援モジュールと直列の少なくとも１つのサイリスタ（Ｔ１）をさらに含む。

本発明はさらに、直流電流を運ぶように構成された送電線と、送電線における直流電流の流れを制御可能に中断させるために送電線に結合された、本発明による回路遮断器装置と、を含む電力システムに関する。電力システムは、高電圧直流電力送電システムを含むことができる。

本発明の他の態様、目的、利点および特徴は、非限定的な例として、添付の図面を参照して、以下の好ましい実施形態の詳細な説明を読むことにより、より明確になるであろう。

すでに上で議論した、従来技術の回路遮断器装置を示す図である。 すでに上で議論した、従来技術の回路遮断器装置を示す図である。 別の従来技術の回路遮断器装置の動作モードを示す図である。 別の従来技術の回路遮断器装置の動作モードを示す図である。 別の従来技術の回路遮断器装置の動作モードを示す図である。 図２ａ〜図２ｃの従来技術の回路遮断器装置の主分岐から補助分岐への電流転流を示す図である。 本発明の可能な実施形態による回路遮断器装置を示す図である。 図３ａの回路遮断器の主分岐から補助分岐への電流転流を示す図である。

図２ａ〜図２ｃは、アーク消滅を加速するための対向電流の発生のない従来技術の回路遮断器装置１の動作モードを示す。図３ａは、本発明の可能な実施形態による回路遮断器装置１０を示す。以下の説明から明らかなように、回路遮断器装置１０は、従来技術の回路遮断器装置１と同じトポロジーを有するが、対向電流を生成することができる追加のブリーダ抵抗器を有する。このため、回路遮断器装置１、１０における共通の要素は、同じ符号を共有する。

回路遮断器装置１、１０は、送電線における直流電流の流れを制御可能に中断させるために、直流電流を流すように構成された電力システムの送電線に結合されるようにそれぞれ適合される。電力システムは、高電圧直流電力送電システムを含むことができる。

回路遮断器装置１、１０の各々は、使用時に電流が定常状態で流れる主分岐Ｂ_Mと、主分岐と電気的に並列な補助分岐Ｂ_Aと、を含む。主分岐Ｂ_Mおよび補助分岐Ｂ_Aの各々は、使用時にＤＣ電気回路網４に接続される第１の端子２および第２の端子３の間に延在する。

主分岐Ｂ_Mは、少なくとも１つの半導体スイッチＱ_Pによって構成された少なくとも１つの遮断器セルと直列の少なくとも１つの機械的スイッチ−断路器Ｓ１、Ｓ２を含む。少なくとも１つの機械的スイッチ−断路器Ｓ１、Ｓ２は、例えば真空断続器である。各半導体スイッチＱ_Pは、例えば、ケイ素ベースの絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）とすることができる。あるいは、ＪＦＥＴ、ＭＯＳＦＥＴまたはバイポーラトランジスタなどの他のタイプのターンオフ半導体デバイスを使用することもでき、炭化ケイ素または窒化ガリウムなどの他のワイドバンドギャップ半導体材料を使用してもよい。

回路遮断器装置１、１０は、少なくとも１つの機械的スイッチ−断路器Ｓ１、Ｓ２と少なくとも１つの半導体スイッチＱ_Pとのスイッチングを制御するためのスイッチング制御ユニット５をさらに備える。

したがって、スイッチング制御ユニット５によって、少なくとも１つの機械的スイッチ−断路器Ｓ１、Ｓ２は、第１の動作モードでは主分岐Ｂ_Mに電流を選択的に流すことができ、または第２の動作モードでは主分岐から補助分岐Ｂ_Aに電流を転流するように切り替えることができる。

主分岐Ｂ_Mは、少なくとも１つの遮断器セルＱ_Pと並列のスナバ回路Ｓｎ１、Ｓｎ２をさらに備える。スナバ回路は、放電抵抗Ｒ１と電気的に並列なキャパシタＣ_Pなどのエネルギー蓄積素子と電気的に直列のダイオードＤ_Pを含む。

エネルギー蓄積素子Ｃ_Pは、スイッチング制御ユニット５によって遮断器セルＱ_Pがオフ状態に切り替えられたときの端子の電圧の上昇率を制御する。ダイオードＤ_Pは、遮断器セルＱ_Pが導通し始めるときにキャパシタＣ_Pの激しい放電を防止する。最後に、放電抵抗Ｒ１はエネルギー蓄積素子Ｃ_Pの放電を遅くすることができる。

したがって、スナバ回路は、それが導通（オン）状態から非導通（オフ）状態に切り替わるときに端子間の電圧が上昇する速度を制御することによって、関連する遮断器セルを保護する。この電圧上昇率のこの制限はまた、前記分岐内の電流のｄｉ／ｄｔの制御に寄与するという意味で、主分岐から補助分岐への電流の切り替えに有益な効果を有する。

また、遮断器セルＱ_Pと電気的に並列に、サージアレスタＲ_Pがある。これは、遮断器セルＱ_Pの耐圧より低い値に電圧を制限するように設計されている。

補助分岐Ｂ_Aは、主分岐Ｂ_Mと並列に設けられ、キャパシタＣとキャパシタを放電するための抵抗ＲとサージアレスタＰとの並列接続により構成されるスイッチング支援モジュールと直列に接続された少なくとも１つのサイリスタＴ１を含む。スイッチング制御モジュール５は、少なくとも１つのサイリスタＴ１を非導通（オフ）状態と導通（オン）状態との間で切り替えるようにさらに構成される。

回路遮断器装置１、１０が主分岐から補助分岐に切り替わるときに、サージアレスタＲ_P、Ｐは両方の分岐で次々に使用される。

図２ａは、主分岐Ｂ_Mに流れる電流Ｉ_Pによる第１の動作モードを示す。

回路網４に電気的な障害が発生すると、主分岐Ｂ_Mにおいて電流Ｉ_Pが増加する。この障害を解消するためには、電流を遮断しなければならない。電流遮断は、スイッチング制御ユニット５が以下の一連の動作を実行することによって行われる。

図２ｂに示すように、まず、主分岐Ｂ_M内の少なくとも１つの遮断器セルＱ_Pがスイッチオフされ、電流がスナバ回路Ｓｎ１に迂回される。スナバ回路Ｓｎ１は、電圧の上昇率を制限し、並列サージアレスタＲ_Pが導通するまでそのエネルギー蓄積素子Ｃ_Pを充電する。

第２のステップでは、図２ｃに示すように、補助分岐Ｂ_Aの少なくとも１つのサイリスタＴ１が導通状態に切り替えられる。同時に、主分岐の少なくとも１つの機械的スイッチ−断路器Ｓ１、Ｓ２の開放が開始される。

したがって、電流は補助分岐Ｂ_Aに迂回される。図２ｄは、主分岐から補助分岐へのこの電流転流を示しており、Ｉ_Mは経時的な主分岐の電流値を表し、Ｉ_Aは経時的な補助分岐の電流値を表す。

この転流に続いて、並列サージアレスタＰが導通するまで、補助分岐Ｂ_AのキャパシタＣが充電される。この最後のサージアレスタＰは、電圧を最初のサージアレスタＲ_Pよりも小さな値に制限する。スナバ回路Ｓｎ１のエネルギー蓄積素子Ｃ_Pは、並列放電抵抗Ｒ１を介してゆっくりと放電する。使用される電圧差および技術（高い非線形過渡電圧サプレッサ対非線形サージアレスタ）に応じて、電流は、第２のステップの前と同じ方向に、従来技術の回路遮断器装置１の主分岐Ｂ_Mの少なくとも１つの機械的スイッチ−断路器Ｓ１、Ｓ２を通って流れ、電気アーク６が形成される。

分岐内に電流ゼロを確立し、アークが消滅することを確実にするために、本発明は、スナバ回路のエネルギー蓄積素子Ｃ_Pに蓄積された電荷を利用して、主分岐に対向電流を生成する。本発明による回路遮断器装置１０を表す図３ａに示すように、スナバ回路Ｓｎ２は、エネルギー蓄積素子Ｃｐを放電することによって電流が主分岐から補助分岐へ転流された場合に、主分岐Ｂ_Mに対向電流Ｉｃを生成するように構成されたブリーダ抵抗器Ｒ２をさらに含む。

エネルギー蓄積素子Ｃｐが完全に放電すると、対向電流はゼロに安定する。

図３ａに示すように、ブリーダ抵抗器Ｒ２は、スナバ回路Ｓｎ２のダイオードＤ_Pと並列に配置されてもよい。

ブリーダ抵抗器Ｒ２は、放電抵抗器Ｒ１と同一であってもよいが、対向電流Ｉｃを調整するために、より小さく選択することができる。

ブリーダ抵抗器Ｒ２を少なくとも１つの機械的スイッチ−断路器Ｓ１、Ｓ２の電流に加えることの効果は、経時的な主分岐の電流値Ｉ_Mと経時的な補助分岐の電流値Ｉ_Aとを表す図３ｂに見ることができる。数十アンペアの負の電流のピークが非常に短い持続時間（１ミリ秒未満）で観測され、それは主分岐Ｂ_Mに生成された対向電流Ｉｃに対応する。この対向電流Ｉｃは、遮断すべき電流と比較して非常に低い値であるが、ゼロ交差を生成し、アークの消滅を加速するのには十分な値である。したがって、少なくとも１つの機械的スイッチ−断路器の接点の寿命が改善されるが、対向電流を生成するためには小さいキャパシタのみでよい。

１ 回路遮断器装置
２ 第１の端子
３ 第２の端子
４ ＤＣ電気回路網
５ スイッチング制御ユニット、スイッチング制御モジュール
６ 電気アーク
１０ 回路遮断器装置
Ｂ_M 主分岐
Ｂ_A 補助分岐
Ｉｃ 対向電流
Ｃ_P エネルギー蓄積素子
Ｑ_P 半導体スイッチ

Claims (6)

1. 回路遮断器装置（１０）であって、主分岐（Ｂ_M）と、前記主分岐（Ｂ_M）と電気的に並列な補助分岐（Ｂ_A）と、を含み、前記主分岐（Ｂ_M）は、少なくとも１つの半導体スイッチ（Ｑ_P）で構成された遮断器セルと直列の少なくとも１つの機械的スイッチ−断路器（Ｓ１、Ｓ２）と、前記少なくとも１つの遮断器セルと並列であって、エネルギー蓄積素子（Ｃ_P）を含むスナバ回路（Ｓｎ２）と、を含み、前記機械的スイッチ−断路器（Ｓ１、Ｓ２）は、第１の動作モードでは前記主分岐（Ｂ_M）に電流を選択的に流すことができ、または第２の動作モードでは前記主分岐（Ｂ_M）から前記補助分岐（Ｂ_A）に電流を転流するように切り替えることができ、
   前記スナバ回路（Ｓｎ２）は、前記エネルギー蓄積素子（Ｃ_P）を放電することによって電流が前記主分岐（Ｂ_M）から前記補助分岐（Ｂ_A）へ転流された場合に、前記主分岐（Ｂ_M）に対向電流を生成するように構成されたブリーダ抵抗器（Ｒ２）をさらに含むことを特徴とする回路遮断器装置（１０）。
2. 前記スナバ回路（Ｓｎ）は、前記エネルギー蓄積素子（Ｃ_P）と直列に接続されたダイオード（Ｄ_P）を含み、前記ブリーダ抵抗器（Ｒ２）は前記ダイオードと並列に配置される、請求項１に記載の回路遮断器装置（１０）。
3. 前記少なくとも１つの遮断器セルと並列のサージアレスタ（Ｒ_P）をさらに含む、請求項１または２に記載の回路遮断器装置（１０）。
4. 前記補助分岐（Ｂ_A）は、キャパシタ（Ｃ）、抵抗器（Ｒ）、およびサージアレスタ（Ｐ）の並列接続によって構成されたスイッチング支援モジュールと直列の少なくとも１つのサイリスタ（Ｔ１）をさらに含む、請求項１または２に記載の回路遮断器装置（１０）。
5. 直流電流を運ぶように構成された送電線と、前記送電線における直流電流の流れを制御可能に中断させるために前記送電線に結合された、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の回路遮断器装置（１０）と、を含む電力システム。
6. 高電圧直流電力送電システムを含む、請求項５に記載の電力システム。