JP6706834B2 - Circuit breaker - Google Patents

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本発明は、地絡や短絡などの事故発生時に電流路を遮断する回路遮断装置に関し、特に、機械スイッチ方式と半導体スイッチ方式とを併用したハイブリッド方式の回路遮断装置に関する。 The present invention relates to a circuit breaker that breaks a current path when an accident such as a ground fault or a short circuit occurs, and more particularly to a hybrid circuit breaker that combines a mechanical switch method and a semiconductor switch method.

近年、直流を用いた給電システムが注目されている。直流給電システムは、既存の交流給電システムと比較して変換器損失、送電損失および設置コストを低減できる利点がある。日本では、例えば、直流380[V]、変換器容量500[kW]クラスの直流給電システム、路面電車(600[V]、750[V])や直流電車(1000[V]、1500[V])用の直流給電システムなどが実用化されている。また、数10[kV]以上の高圧用途では、例えば将来の大規模洋上風力発電システムの導入を想定し、電圧形変換器を用いた多端子直流送電システム(HVDC:high−voltage direct−current)の導入が期待されている。 In recent years, a power supply system using direct current has attracted attention. The DC power supply system has an advantage that converter loss, power transmission loss and installation cost can be reduced as compared with the existing AC power supply system. In Japan, for example, DC power supply system of DC 380 [V], converter capacity 500 [kW] class, tram (600 [V], 750 [V]) and DC train (1000 [V], 1500 [V] ) For DC power supply system has been put to practical use. Further, in high-voltage applications of several tens of kV or more, for example, assuming the introduction of a large-scale offshore wind power generation system in the future, a multi-terminal direct current transmission system (HVDC) using a voltage source converter (HVDC: high-voltage direct-current) Is expected to be introduced.

直流給電システムにおいて地絡事故や短絡事故が発生した場合、過電流が発生する。事故発生からの電流の増加率([A/s])は、直流給電システムが有する直流インダクタンスに反比例する。例えば電圧形変換器を用いて直流電圧を生成した場合、直流インダクタンスが小さいため、過電流が生じる恐れがあるので、高速に動作可能な直流遮断器を設置する必要がある。 When a ground fault or short circuit occurs in the DC power supply system, overcurrent occurs. The rate of increase in current ([A/s]) from the occurrence of an accident is inversely proportional to the DC inductance of the DC power supply system. For example, when a DC voltage is generated by using a voltage source converter, since the DC inductance is small and an overcurrent may occur, it is necessary to install a DC circuit breaker that can operate at high speed.

直流遮断器は、機械スイッチ方式、半導体スイッチ方式、およびハイブリッド方式の3種類に分類できる。 DC circuit breakers can be classified into three types: mechanical switch type, semiconductor switch type, and hybrid type.

このうち、機械スイッチ方式は、例えば、真空遮断器、ガス遮断器もしくは空気吹付遮断器などの機械的遮断器(サーキットブレーカ:Circuit Breaker)とLC共振回路とを用いて電流を遮断するものである(例えば、非特許文献1参照。)。機械スイッチ方式では、パワーデバイスを使用しないため定常損失は発生しない。 Of these, the mechanical switch system is one that interrupts the current using a mechanical breaker (circuit breaker: Circuit Breaker) such as a vacuum breaker, a gas breaker, or an air blower breaker, and an LC resonance circuit. (See, for example, Non-Patent Document 1). The mechanical switch method does not use power devices, so steady loss does not occur.

また、半導体スイッチ方式は、パワーデバイス(電力用半導体素子)を用いて遮断器を構成することで、高速な遮断時間(1[ms]以下)を実現する(例えば、非特許文献2参照。)。 Further, in the semiconductor switching method, a high-speed breaking time (1 [ms] or less) is realized by configuring a circuit breaker using a power device (power semiconductor element) (for example, see Non-Patent Document 2). ..

また、ハイブリッド方式は、高速動作可能な機械的遮断器とパワーデバイスとを併用することで、電流の高速遮断と損失低減を両立する点に特長があり、各種回路が提案されている(例えば、非特許文献3参照。)。図15は、一般的なハイブリッド方式の回路遮断装置を例示する回路図である。例えば図15に示すように、ハイブリッド方式の回路遮断装置100は、電流制限用インダクタ151、機械的遮断器(サーキットブレーカ:Circuit Breaker)152、転流補助半導体スイッチ153、主半導体スイッチ154、アレスタ(非線形抵抗)155より主回路を構成する。正常時は電流制限用インダクタ151、機械的遮断器152、転流補助半導体スイッチ153を介して負荷に電力を供給し、地絡や短絡などの事故時には転流補助半導体スイッチ153をターンオフすることで主半導体スイッチ154に転流する。転流補助半導体スイッチ153の必要耐圧は主半導体スイッチ154の数%程度であるため、半導体スイッチ方式と比較し定常損失を低減できる利点がある。また、転流に必要な時間は0.2[ms]以下であり、1[ms]以内に開極可能な機械的遮断器152を用いることで、遮断時間を2[ms]以下にすることができる。 In addition, the hybrid system is characterized in that it uses both a mechanical breaker capable of high-speed operation and a power device in combination to achieve both high-speed current interruption and loss reduction, and various circuits have been proposed (for example, See Non-Patent Document 3.). FIG. 15 is a circuit diagram illustrating a general hybrid circuit breaker. For example, as shown in FIG. 15, a hybrid type circuit breaker 100 includes a current limiting inductor 151, a mechanical breaker (circuit breaker) 152, a commutation auxiliary semiconductor switch 153, a main semiconductor switch 154, and an arrester (circuit breaker). The non-linear resistance) 155 constitutes the main circuit. Power is supplied to the load through the current limiting inductor 151, the mechanical circuit breaker 152, and the commutation auxiliary semiconductor switch 153 during normal operation, and the commutation auxiliary semiconductor switch 153 is turned off during an accident such as a ground fault or short circuit. Commutated to the main semiconductor switch 154. Since the required withstand voltage of the commutation auxiliary semiconductor switch 153 is about several percent of that of the main semiconductor switch 154, there is an advantage that the steady loss can be reduced as compared with the semiconductor switch system. Further, the time required for commutation is 0.2 [ms] or less, and the breaking time is 2 [ms] or less by using the mechanical breaker 152 capable of opening the contact within 1 [ms]. You can

B・バックマン(B.Bachmann)、G・モーザ(G.Mauthe)、E・ルーオス(E.Ruoss)、H・P・リップス(H.P.Lips)著、「500kV風冷式高圧直流給電回路遮断装置(Development of a 500kV Airblast HVDC Circuit Breaker)」、(米国)、米国電気電子学会トランザクション(IEEE Transactions)、電気機器およびシステム(Power Apparatus and Systems)、Vol.PAS−104、No.9、pp.2460−2466、1985年9月B. Bachmann, G. Mauthe, E. Ruoss, H.P. Lips, "500 kV wind-cooled high-voltage DC power supply" Circuit breaker (Deployment of a 500 kV Airblast HVDC Circuit Breaker), (United States), Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE Transactions), electrical equipment and systems (Power Apparatus and No. Systems, 104, Systems. 9, pp. 2460-2466, September 1985 C・メイヤーズ(C.Meyer)、S・シュレーダー(S.Schroder)、R・W・デドンカー(R.W.De Doncker)著、「分散電力システムを有する中電圧システムのためのソリッドステート回路遮断装置および電流制限器(Solid−State Circuit Breakers and Current Limiters For Medium−Voltage Systems Having Distributed Power Systems)」、(米国)、米国電気電子学会トランザクション(IEEE Transactions)、パワーエレクトロン(Power Electron)、Vol.19、No.5、pp.1333-1340、2004年9月C. Meyer, S. Schroder, RW De Doncker, "Solid State Circuit Breaker for Medium Voltage Systems with Distributed Power Systems" Devices and Current Limiters (Solid-State Circuit Breakers and Current Limiters For Medium-Voltage Systems Having Hauling Distributed Power Systems, United States), E-Electrical Electronic Transactions (I-E). 19, No. 5, pp. 1333-1340, September 2004 M・シュトイラー(M.Steurer)、K・フレーリッヒ(K.Frohlich)、W・ホラウス(W.Holaus)、K・カルテネッガー(K.Kaltenegger)著、「新しい中電圧用ハイブリッド電流制限回路遮断装置:原理および試験結果(A Novel Hybrid Current−Limiting Circuit Breaker For Medium Voltage:Principle and Test Results」、(米国)、米国電気電子学会トランザクション(IEEE Transactions)、パワーデリ(Power Deli)、Vol.18、No.2、pp.460−467、2003年4月M. Steuer, K. Frorich, W. Holaus, K. Kaltenegger, "New Hybrid Current Limiting Circuit Breaker for Medium Voltage: Principle And test results (A Novel Hybrid Current-Limiting Circuit Breaker for Medium Voltage: Principle and Test Results", (United States), Institute of Electrical and Electronics Engineers, No. 2 (IEEE)Transaction, Power Delivery (Die. pp.460-467, April 2003

機械スイッチ方式による回路遮断装置は、パワーデバイスを使用しないため定常損失は発生しない利点があるものの、電流遮断までの所要時間(開極時間)が30〜100[ms]と長いため、直流インダクタンスが大きい電流形変換器には適用できるが、電圧形変換器への適用は困難である。 The circuit breaker using the mechanical switch method has the advantage that steady loss does not occur because it does not use a power device, but since the time required to break the current (opening time) is as long as 30 to 100 [ms], the DC inductance is Although it can be applied to a large current source converter, it is difficult to apply it to a voltage source converter.

また、半導体スイッチ方式による回路遮断装置は、内部の半導体スイッチには定常的に電流が流れるため、定常損失が発生する問題がある。また、電流遮断時には内部の半導体スイッチに直流電圧以上の高電圧が印加されるため、複数のパワーデバイスを直列接続することで高耐圧化を図る必要がある。この場合、半導体スイッチのオン電圧増加が問題となる。例えば、直流320[kV]の場合、半導体スイッチのオン電圧は100[V]以上となる。半導体スイッチには定常的に電流が流れるため、オン電圧に起因する損失低減が課題となる。 In addition, the circuit breaker using the semiconductor switch method has a problem that a steady loss occurs because a current constantly flows through the internal semiconductor switch. Further, since a high voltage equal to or higher than the DC voltage is applied to the internal semiconductor switch when the current is cut off, it is necessary to increase the breakdown voltage by connecting a plurality of power devices in series. In this case, an increase in the ON voltage of the semiconductor switch becomes a problem. For example, when the direct current is 320 [kV], the on-voltage of the semiconductor switch is 100 [V] or more. Since a current constantly flows through the semiconductor switch, reducing the loss due to the on-voltage is an issue.

また、上述のハイブリッド方式の回路遮断装置は、転流補助半導体スイッチの必要耐圧は主半導体スイッチの数%程度であるため半導体スイッチ方式と比較して定常損失を低減でき、また、機械スイッチ方式と比較しても遮断時間を短縮することができる利点がある。しかしながら、転流補助半導体スイッチには正常時に依然として定常電流が流れるため、定常損失をゼロにはできない。 Further, the hybrid circuit breaker described above can reduce the steady loss as compared with the semiconductor switch system because the required withstand voltage of the commutation auxiliary semiconductor switch is about several% of the main semiconductor switch, and it is also different from the mechanical switch system. Even if compared, there is an advantage that the interruption time can be shortened. However, since a steady-state current still flows through the commutation auxiliary semiconductor switch during normal operation, the steady-state loss cannot be zero.

また、今後の高電圧直流給電システムの適用範囲の拡大に伴い、直流高電圧を遮断可能な低コストの直流遮断システムの開発が望まれる。 Further, with the expansion of the application range of the high-voltage DC power supply system in the future, it is desired to develop a low-cost DC interruption system capable of interrupting the DC high voltage.

従って本発明の目的は、上記問題に鑑み、正常時には定常損失がゼロであり事故発生時には高速に電流路を遮断することができる、直流高電圧を遮断可能な低コストの回路遮断装置を提供することにある。 Therefore, in view of the above problems, an object of the present invention is to provide a low-cost circuit breaker capable of interrupting a DC high voltage, which has a steady loss of zero in a normal state and can interrupt a current path at high speed when an accident occurs. Especially.

上記目的を実現するために、本発明においては、回路遮断装置は、第1の外部接続端子を有する第1のインダクタと、第1のインダクタに対して直列に接続され、第1のインダクタが接続される側とは反対側に第2の外部接続端子を有する開閉器であって、指令に応じて開極して電流路を遮断する機械的遮断器と、機械的遮断器に対して並列に接続されるスナバ回路と、機械的遮断器とスナバ回路とからなる並列回路に対して直列に接続され、指令に応じて開極して電流路を遮断する機械的断路器とからなる開閉器と、第1のインダクタと開閉器とを接続する配線から分岐した配線上に設けられる、1個もしくは互いにカスケード接続された複数個の半導体電力変換器であって、内部に設けられた半導体スイッチを指令に応じてスイッチング動作させることにより、所定の直流電流を出力する半導体電力変換器と、半導体電力変換器に対して直列に接続される第2のインダクタと、を備え、半導体電力変換器および第2のインダクタが同一配線上に位置してなるユニットが、開閉器に対して並列に接続される。 In order to achieve the above object, in the present invention, a circuit breaker is connected in series with a first inductor having a first external connection terminal, and the first inductor is connected. A switch having a second external connection terminal on the side opposite to the side that is opened, the mechanical breaker opening in response to a command to cut off the current path, and the mechanical breaker in parallel. A switch composed of a snubber circuit to be connected and a mechanical circuit breaker which is connected in series to a parallel circuit composed of a mechanical circuit breaker and a snubber circuit and which opens a circuit in accordance with a command to cut off a current path. , A semiconductor power converter provided on a wiring branched from a wiring connecting the first inductor and the switch, or a plurality of semiconductor power converters cascade-connected to each other. And a second inductor connected in series to the semiconductor power converter, the semiconductor power converter outputting a predetermined direct current by performing a switching operation in accordance with the semiconductor power converter and the second power converter. Units whose inductors are located on the same wiring are connected in parallel to the switch.

ここで、半導体電力変換器は、半導体スイッチのスイッチング動作により、第2のインダクタまたは当該半導体電力変換器とは異なる他の半導体電力変換器が接続される第1の直流側とこの第1の直流側とは反対側の第2の直流側とのうち一方から入力された直流電流を所望の大きさおよび極性の直流電流に変換してもう一方に出力するDCDCコンバータであって、直流電流の入出力方向を第1の直流側と第2の直流側との間で双方向に切換え可能なDCDCコンバータと、DCDCコンバータの第2の直流側に並列に接続されるエネルギー蓄積部と、エネルギー蓄積部に並列に接続され、エネルギー蓄積部に印加された直流電圧が、予め設定された電圧以下の場合は所定の抵抗値を示し、それ以外の場合は所定の抵抗値よりも低い抵抗値を示す非線形抵抗と、を有するようにしてもよい。 Here, the semiconductor power converter includes the first DC side to which the second inductor or another semiconductor power converter different from the semiconductor power converter is connected by the switching operation of the semiconductor switch, and the first DC side. A DC/DC converter that converts a DC current input from one of a second DC side on the side opposite to the side to a DC current of a desired magnitude and polarity and outputs the DC current to the other side. A DCDC converter capable of bidirectionally switching the output direction between a first DC side and a second DC side, an energy storage section connected in parallel to the second DC side of the DCDC converter, and an energy storage section Connected in parallel with the DC voltage applied to the energy storage unit is less than or equal to a preset voltage, and exhibits a predetermined resistance value; otherwise, a non-linearity that exhibits a resistance value lower than the predetermined resistance value. And a resistor.

また、エネルギー蓄積部は、コンデンサと、このコンデンサに対して直列に接続され、コンデンサに流入する充電電流を阻止する逆阻止ダイオードとからなるようにしてもよい。 Further, the energy storage unit may include a capacitor and a reverse blocking diode that is connected in series with the capacitor and blocks a charging current flowing into the capacitor.

また、エネルギー蓄積部は、非線形抵抗に並列に接続される第1のコンデンサと、第1のコンデンサの静電容量より大きい静電容量と第1のコンデンサの充電電圧よりも低い充電電圧とを有する第2のコンデンサと、第2のコンデンサに対して直列に接続され、第2のコンデンサに流入する充電電流を阻止する逆阻止ダイオードと、を有し、第2のコンデンサと逆阻止ダイオードとからなる直列回路が、第1のコンデンサに対して並列に接続されるようにしてもよい。 The energy storage unit has a first capacitor connected in parallel with the non-linear resistance, an electrostatic capacitance larger than the electrostatic capacitance of the first capacitor, and a charging voltage lower than the charging voltage of the first capacitor. A second capacitor and a reverse blocking diode that is connected in series to the second capacitor and blocks a charging current flowing into the second capacitor, and includes a second capacitor and a reverse blocking diode. The series circuit may be connected in parallel to the first capacitor.

また、第2のインダクタは、互いにカスケード接続された複数個の半導体電力変換器のうちのいずれかの半導体電力変換器に直列に接続されるようにしてもよい。 In addition, the second inductor may be connected in series to any one of the plurality of semiconductor power converters cascade-connected to each other.

また、回路遮断装置は、第1の外部接続端子もしくは第2の外部接続端子に接続された外部配線上において過電流が発生したか否かを検知する過電流検知部と、機械的遮断器および機械的断路器に対する開極動作ならびに半導体電力変換器の電力変換動作を制御する制御部と、を備え、制御部は、過電流検知部による過電流の検知後、機械的遮断器に対して開極動作の開始を指令する機械的遮断器用開極指令を出力する第1の指令手段と、過電流検知部による過電流の検知後、機械的遮断器用開極指令に基づき機械的遮断器の開極動作が完了するまでの間に機械的遮断器に流れる電流を略ゼロに収束させる直流電流を、半導体電力変換器に出力させる電力変換指令を出力する第2の指令手段と、機械的遮断器用開極指令が出力されてから所定の期間経過後、機械的断路器に対して開極動作の開始を指令する機械的断路器用開極指令を出力する第3の指令手段と、機械的遮断器の開極動作が完了した時に、半導体電力変換器内の半導体スイッチをオフするオフ指令を出力する第4の指令手段と、を有する。 In addition, the circuit breaker includes an overcurrent detection unit that detects whether an overcurrent has occurred on the external wiring connected to the first external connection terminal or the second external connection terminal, a mechanical circuit breaker, and A control unit for controlling the opening operation of the mechanical disconnector and the power conversion operation of the semiconductor power converter, and the control unit opens the mechanical breaker after the overcurrent is detected by the overcurrent detection unit. First command means for outputting a mechanical circuit breaker opening command for commanding the start of the pole operation, and opening of the mechanical circuit breaker based on the mechanical circuit breaker opening command after the overcurrent is detected by the overcurrent detection unit. Second command means for outputting a power conversion command for causing the semiconductor power converter to output a DC current that converges the current flowing through the mechanical breaker to substantially zero until the pole operation is completed, and for mechanical breaker Third command means for outputting a mechanical disconnector opening command for instructing the mechanical disconnector to start an opening operation after a predetermined period has elapsed since the opening command was output, and a mechanical circuit breaker. And a fourth command means for outputting an off command for turning off the semiconductor switch in the semiconductor power converter when the contact opening operation is completed.

また、上述のスナバ回路は、スナバ用コンデンサとスナバ用抵抗との直列回路からなるようにしてもよい。 Further, the above snubber circuit may be composed of a series circuit of a snubber capacitor and a snubber resistor.

また、半導体スイッチは、オン時に一方向に電流を通す半導体スイッチング素子と、この半導体スイッチング素子に逆並列に接続された帰環ダイオードと、を有するようにしてもよい。 Further, the semiconductor switch may include a semiconductor switching element that passes a current in one direction when turned on, and a return diode that is connected in antiparallel to the semiconductor switching element.

また、機械的遮断器は、固定接触子と、固定接触子に接触する閉路位置と固定接触子から分離される開路位置との間を移動可能な可動接触子と、を有するようにしてもよい。 Further, the mechanical breaker may have a fixed contact and a movable contact movable between a closed position in contact with the fixed contact and an open position separated from the fixed contact. ..

本発明によれば、正常時には定常損失がゼロであり事故発生時には高速に電流路を遮断することができる、直流高電圧を遮断可能な低コストの回路遮断装置を実現することができる。 According to the present invention, it is possible to realize a low-cost circuit breaker capable of interrupting a DC high voltage, which has a steady loss of zero in a normal state and can interrupt a current path at high speed when an accident occurs.

本発明による回路遮断装置は、機械的遮断器および機械的断路器ならびに半導体電力変換器を備えるいわゆるハイブリッド遮断器であるが、正常時は機械的遮断器および機械的断路器はオンされて電源側から負荷側に電力が供給され、半導体電力変換器はダイオード動作するのみであるので、正常時の回路遮断装置の定常損失をゼロにすることができる。 The circuit breaker according to the present invention is a so-called hybrid circuit breaker including a mechanical circuit breaker, a mechanical circuit breaker, and a semiconductor power converter, but in a normal state, the mechanical circuit breaker and the mechanical circuit breaker are turned on and the power source side is turned on. Since the power is supplied to the load side from the semiconductor power converter and the semiconductor power converter only operates as a diode, it is possible to reduce the steady loss of the circuit breaker in a normal state to zero.

また、本発明によれば、地絡事故や短絡事故により過電流が発生した場合、機械的遮断器および機械的断路器ならびに半導体電力変換器の動作を適宜制御することにより、高速に電流路を遮断することができる。 Further, according to the present invention, when an overcurrent occurs due to a ground fault accident or a short circuit accident, the current path can be quickly switched by appropriately controlling the operations of the mechanical breaker, the mechanical disconnector, and the semiconductor power converter. Can be shut off.

また、本発明によれば、電流路の機械的遮断手段として、機械的遮断器と機械的断路器とスナバ回路との組合せを用いるので、機械的遮断器および機械的断路器がともに開極した状態においては、スナバ回路が並列に接続された機械的遮断器の機械接点間に印加される電圧は、機械的断路器の機械的接点間に印加される電圧より小さくなる。すなわち、本発明によれば、回路遮断時において開閉器に印加される電圧の大部分を、価格の安い機械的断路器に印加させるので、直流高電圧を遮断可能な低コストの回路遮断装置を実現することができる。 Further, according to the present invention, a combination of a mechanical circuit breaker, a mechanical circuit breaker and a snubber circuit is used as a mechanical circuit breaker for the current path, so that both the mechanical circuit breaker and the mechanical circuit breaker are opened. In the state, the voltage applied between the mechanical contacts of the mechanical breaker with the snubber circuits connected in parallel is less than the voltage applied between the mechanical contacts of the mechanical disconnector. That is, according to the present invention, most of the voltage applied to the switch at the time of circuit interruption is applied to the mechanical disconnector which is inexpensive, so that a low-cost circuit interruption device capable of interrupting high DC voltage is provided. Can be realized.

また、本発明によれば、カスケード接続する半導体電力変換器の個数を適宜調整することによっても回路遮断装置の高耐圧化が可能である。 Further, according to the present invention, the breakdown voltage of the circuit breaker can be increased by appropriately adjusting the number of semiconductor power converters connected in cascade.

また、本発明によれば、半導体電力変換器内のDCDCコンバータを4象限DCDCコンバータとして構成することにより、直流電流の振幅および極性に関わりなく電流路を遮断することができる。 Further, according to the present invention, by configuring the DCDC converter in the semiconductor power converter as a four-quadrant DCDC converter, the current path can be cut off regardless of the amplitude and polarity of the DC current.

本発明の第1の実施例による回路遮断装置を示す回路図である。1 is a circuit diagram showing a circuit breaker according to a first exemplary embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施例による回路遮断装置における半導体電力変換器を説明する回路図である。It is a circuit diagram explaining the semiconductor power converter in the circuit breaker by the 1st Example of this invention. 本発明の第1の実施例による回路遮断装置における第2のインダクタの配置例を説明する回路図(その1)である。It is a circuit diagram (the 1) explaining the example of arrangement of the 2nd inductor in the circuit breaker by the 1st example of the present invention. 本発明の第1の実施例による回路遮断装置における第2のインダクタの配置例を説明する回路図(その2)である。It is a circuit diagram (the 2) explaining the example of arrangement of the 2nd inductor in the circuit breaker by the 1st example of the present invention. 本発明の第1の実施例による回路遮断装置における第2のインダクタの配置例を説明する回路図(その3)である。It is a circuit diagram (the 3) explaining the example of arrangement of the 2nd inductor in the circuit interrupting device by the 1st example of the present invention. 本発明の第1の実施例による回路遮断装置における制御系を説明するブロック図である。It is a block diagram explaining the control system in the circuit breaker by the 1st example of the present invention. 本発明の第1の実施例による回路遮断装置の動作フローを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the operation|movement flow of the circuit breaker by the 1st Example of this invention. 本発明の第1の実施例による回路遮断装置内の半導体電力変換器における変換器電流を制御するための電力変換指令を説明する制御ブロック図である。It is a control block diagram explaining the electric power conversion command for controlling the converter electric current in the semiconductor power converter in the circuit breaker by the 1st Example of this invention. シミュレーションおよび実験に用いた回路パラメータを説明する図である。It is a figure explaining the circuit parameter used for simulation and experiment. 本発明の第1の実施例による回路遮断装置の実験波形を示す図である。It is a figure which shows the experimental waveform of the circuit breaker by the 1st Example of this invention. 図10の拡大波形(機械的遮断器および機械的断路器が開極する前後の波形)を示す図である。It is a figure which shows the expanded waveform (waveform before and behind opening of a mechanical breaker and a mechanical disconnector) of FIG. 本発明の第1の実施例による回路遮断装置のシミュレーション波形を示す図である。It is a figure which shows the simulation waveform of the circuit breaker by the 1st Example of this invention. 図12の拡大波形(機械的遮断器および機械的断路器が開極する前後の波形)を示す図である。It is a figure which shows the expanded waveform (waveform before and behind opening of a mechanical breaker and a mechanical disconnector) of FIG. 本発明の第2の実施例による回路遮断装置を説明する回路図である。It is a circuit diagram explaining the circuit breaker by the 2nd Example of this invention. 一般的なハイブリッド方式の回路遮断装置を例示する回路図である。It is a circuit diagram which illustrates a general hybrid type circuit breaker.

本発明による回路遮断装置は、第1のインダクタと、機械的遮断器と、半導体電力変換器と、第2のインダクタと、を備える。第1のインダクタは、一端に第1の外部接続端子を有する。機械的遮断器は、指令に応じて開極して電流路を遮断するものであり、第1のインダクタに対して直列に接続され、第1のインダクタが接続される側とは反対側に第2の外部接続端子を有する。半導体電力変換器は、内部に設けられた半導体スイッチを指令に応じてスイッチング動作させることにより所定の直流電流を出力するものであり、第1のインダクタと機械的遮断器とを接続する配線から分岐した配線上に、単独でもしくは複数個が互いにカスケード接続された状態で設けられる。第2のインダクタは、半導体電力変換器もしくは機械的遮断器に対して直列に接続される。第1のインダクタおよび第2のインダクタのうち、いずれか一方が事故電流制限用インダクタであり、もう一方が電流制御用インダクタである。以下、具体的な回路構成について、第1〜第3の実施例にて説明する。 The circuit breaker according to the present invention includes a first inductor, a mechanical breaker, a semiconductor power converter, and a second inductor. The first inductor has a first external connection terminal at one end. The mechanical circuit breaker opens the pole in response to a command and breaks the current path, is connected in series to the first inductor, and is connected to the side opposite to the side to which the first inductor is connected. It has two external connection terminals. The semiconductor power converter outputs a predetermined DC current by performing a switching operation of a semiconductor switch provided inside according to a command, and branches from a wiring connecting the first inductor and the mechanical breaker. These wirings are provided individually or in a state where a plurality of them are connected in cascade. The second inductor is connected in series with the semiconductor power converter or the mechanical breaker. One of the first inductor and the second inductor is the fault current limiting inductor, and the other is the current controlling inductor. Hereinafter, specific circuit configurations will be described in the first to third embodiments.

図1は、本発明の第1の実施例による回路遮断装置を示す回路図であり、図2は、本発明の第1の実施例による回路遮断装置における半導体電力変換器を説明する回路図である。以降、異なる図面において同じ参照符号が付されたものは同じ機能を有する構成要素であることを意味するものとする。 1 is a circuit diagram showing a circuit breaker according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a circuit diagram illustrating a semiconductor power converter in the circuit breaker according to a first embodiment of the present invention. is there. Hereinafter, components having the same reference numeral in different drawings mean that the components have the same function.

本発明の第1の実施例による回路遮断装置1は、第1のインダクタ11と、開閉器12と、半導体電力変換器13と、第2のインダクタ14と、を備える。本発明の第1の実施例による回路遮断装置1は、適用される直流給電システムに対して半導体電力変換器13が直列になるよう設置される。本実施例では、回路遮断装置1が直流遮断器として動作する場合について説明する。この場合、回路遮断装置1は、第1のインダクタ11が電源側になり、かつ開閉器12が負荷側になるよう、直流給電システム上に設置される。 The circuit breaker 1 according to the first embodiment of the present invention includes a first inductor 11, a switch 12, a semiconductor power converter 13, and a second inductor 14. The circuit breaker 1 according to the first embodiment of the present invention is installed such that the semiconductor power converter 13 is in series with the DC power supply system to which it is applied. In this embodiment, a case where the circuit breaker 1 operates as a DC breaker will be described. In this case, the circuit breaker 1 is installed on the DC power supply system such that the first inductor 11 is on the power supply side and the switch 12 is on the load side.

第1のインダクタ11は、一端に第1の外部接続端子T1を有する。第1の外部接続端子T1には電源側の回路が接続される。 The first inductor 11 has a first external connection terminal T 1 at one end. A circuit on the power supply side is connected to the first external connection terminal T 1 .

開閉器12は、第1のインダクタ11に対して直列に接続され、第1のインダクタ11が接続される側とは反対側に第2の外部接続端子T2を有する。第2の外部接続端子T2には負荷側の回路が接続される。開閉器12は、機械的遮断器(Circuit Breaker)24と、スナバ回路25と、機械的断路器(Disconnecting Switch)26とを備える。 The switch 12 is connected in series to the first inductor 11, and has a second external connection terminal T 2 on the side opposite to the side to which the first inductor 11 is connected. A circuit on the load side is connected to the second external connection terminal T 2 . The switch 12 includes a mechanical breaker (Circuit Breaker) 24, a snubber circuit 25, and a mechanical disconnector (Disconnecting Switch) 26.

機械的遮断器24は、機械的遮断器用指令に応じて開極して電流路を遮断する。機械的遮断器24は、固定接触子とこの固定接触子に接触する閉路位置と固定接触子から分離される開路位置との間を移動可能な可動接触子とを有し、指令に応じて可動接触子が固定接触子から分離して開極し、電流路を遮断する。機械的遮断器24の例としては、真空遮断器、ガス遮断器もしくは空気吹付遮断器などがある。 The mechanical breaker 24 opens in accordance with the mechanical breaker command to break the current path. The mechanical breaker 24 has a fixed contact and a movable contact that can move between a closed position in contact with the fixed contact and an open position separated from the fixed contact, and is movable according to a command. The contactor separates from the fixed contact and opens the contact, interrupting the current path. Examples of the mechanical circuit breaker 24 include a vacuum circuit breaker, a gas circuit breaker or an air blow circuit breaker.

スナバ回路25は、機械的遮断器24に対して並列に接続される。本実施例では、スナバ回路25を、スナバ用コンデンサ51(静電容量CS)とスナバ用抵抗52(抵抗値RS)とを直列に接続したRCスナバ回路で構成するが、これ以外の構成でスナバ回路を実現してもよい。スナバ回路25をRCスナバ回路とした場合、各回路パラメータはシミュレーションや実験により適宜設定すればよいが、一例を挙げると、スナバ用コンデンサ51の静電容量CSは9.6[nF]、スナバ用抵抗52の抵抗値RSは1560[Ω]に設定される。 The snubber circuit 25 is connected in parallel to the mechanical breaker 24. In the present embodiment, the snubber circuit 25 is composed of an RC snubber circuit in which a snubber capacitor 51 (electrostatic capacitance C S ) and a snubber resistor 52 (resistance value R S ) are connected in series, but other configurations. The snubber circuit may be realized by. When the snubber circuit 25 is an RC snubber circuit, each circuit parameter may be appropriately set by simulation or experiment, but as an example, the capacitance C S of the snubber capacitor 51 is 9.6 [nF], The resistance value R S of the application resistor 52 is set to 1560 [Ω].

機械的断路器26は、機械的断路器用指令に応じて開極して電流路を遮断する。機械的断路器26は、機械的遮断器24とは異なり、消弧能力を持たず、電流路に電流が流れているときは開閉を行わず、無負荷状態で電流路を開閉するものである。機械的断路器26は、DSもしくはジスコンとも称される。 The mechanical disconnector 26 is opened in response to a mechanical disconnector command to interrupt the current path. Unlike the mechanical circuit breaker 24, the mechanical disconnector 26 does not have an arc extinguishing ability, does not open and close when a current is flowing in the current path, and opens and closes the current path in a no-load state. .. The mechanical disconnector 26 is also referred to as DS or DISCON.

このように、本発明では、開閉器12内の電流路遮断手段として、機械的遮断器24および機械的断路器26を組み合わせて用いる。このような構成をとることで、開閉器12全体として印加される電圧は、機械的遮断器24に印加される電圧と機械的断路器26に印加される電圧とに分圧されることになる。機械的遮断器24および機械的断路器26がともに開極した状態においては、スナバ回路25が並列に接続された機械的遮断器24の機械接点間に印加される電圧は、機械的断路器26の機械的接点間に印加される電圧よりも小さくなる。また、一般に機械的断路器26の価格は機械的遮断器24の価格よりも大幅に安い。したがって、回路遮断時において開閉器12に印加される電圧の大部分を、価格の安い機械的断路器26に印加させる本発明による回路遮断装置1は、直流電圧が超高圧の場合(例えば250[kV])にも対応することができる。 As described above, in the present invention, the mechanical circuit breaker 24 and the mechanical circuit breaker 26 are used in combination as the current circuit breaking means in the switch 12. With such a configuration, the voltage applied to the switch 12 as a whole is divided into the voltage applied to the mechanical breaker 24 and the voltage applied to the mechanical disconnector 26. .. When the mechanical breaker 24 and the mechanical disconnector 26 are both open, the voltage applied between the mechanical contacts of the mechanical breaker 24 to which the snubber circuit 25 is connected in parallel is equal to the mechanical breaker 26. Is less than the voltage applied across the mechanical contacts of. Also, the price of the mechanical disconnector 26 is generally much lower than the price of the mechanical breaker 24. Therefore, the circuit breaker 1 according to the present invention in which most of the voltage applied to the switch 12 at the time of circuit breakage is applied to the mechanical breaker 26 that is inexpensive, when the DC voltage is extremely high (for example, 250[ kV]) can also be supported.

半導体電力変換器13は、第1のインダクタ11と開閉器12とを接続する配線から分岐した配線上に、単独でもしくは複数個が互いにカスケード接続された状態で設けられる。なお、本明細書では、半導体電力変換器13が1個の場合は第2のインダクタ14が接続される側を「第1の直流側」と称し、複数個の半導体電力変換器13が互いにカスケード接続される場合は当該半導体電力変換器13とは異なる他の半導体電力変換器13が接続される側を同じく「第1の直流側」と称する。また、「第1の直流側」とは反対側の直流側を、「第2の直流側」と称する。一例として、図1では、複数個(N個、ただしNは2以上の整数)の半導体電力変換器13が第1の直流側にて互いにカスケード接続された場合を示している。カスケード接続する半導体電力変換器13の個数を適宜調整するだけで回路遮断装置1の高耐圧化を容易に実現できる。 The semiconductor power converter 13 is provided alone or in a state where a plurality of semiconductor power converters 13 are cascade-connected to each other on a wiring branched from a wiring connecting the first inductor 11 and the switch 12. In the present specification, when the number of semiconductor power converters 13 is one, the side to which the second inductor 14 is connected is referred to as “first DC side”, and a plurality of semiconductor power converters 13 are cascaded with each other. When connected, the side to which another semiconductor power converter 13 different from the semiconductor power converter 13 is connected is also referred to as “first DC side”. Further, the DC side opposite to the "first DC side" is referred to as "second DC side". As an example, FIG. 1 shows a case where a plurality of (N, where N is an integer of 2 or more) semiconductor power converters 13 are cascade-connected to each other on the first DC side. The high breakdown voltage of the circuit breaker 1 can be easily realized simply by appropriately adjusting the number of the semiconductor power converters 13 connected in cascade.

半導体電力変換器13は、DCDCコンバータ21と、エネルギー蓄積部22と、非線形抵抗23と、を有し、DCDCコンバータ21の内部に設けられた半導体スイッチを指令に応じてスイッチング動作させることにより所定の直流電流を出力する。 The semiconductor power converter 13 includes a DCDC converter 21, an energy storage unit 22, and a non-linear resistance 23, and a semiconductor switch provided inside the DCDC converter 21 performs a switching operation in response to a command to perform a predetermined operation. Outputs DC current.

半導体電力変換器13内のDCDCコンバータ21は、いわゆる4象限DCDCコンバータとして構成される。すなわち、DCDCコンバータ21は、半導体スイッチSのスイッチング動作により、第1の直流側および第2の直流側のうち一方から入力された直流電流を所望の大きさおよび極性の直流電流に変換してもう一方に出力するものであり、直流電流の入出力方向は、第1の直流側と第2の直流側との間で双方向に切換え可能である。半導体電力変換器13内のDCDCコンバータ21を4象限DCDCコンバータとして構成することにより、直流電流の振幅および極性に関わりなく電流路を遮断することができる。半導体スイッチは、オン時に一方向に電流を通す半導体スイッチング素子Sと、この半導体スイッチング素子Sに逆並列に接続された帰環ダイオードDとで構成される。半導体スイッチング素子Sの例としては、IGBT、サイリスタ、GTO(Gate Turn−OFF thyristor:ゲートターンオフサイリスタ)、トランジスタなどがあるが、スイッチング素子の種類自体は本発明を限定するものではなく、その他の半導体素子であってもよい。 The DCDC converter 21 in the semiconductor power converter 13 is configured as a so-called four-quadrant DCDC converter. That is, the DCDC converter 21 converts the DC current input from one of the first DC side and the second DC side into a DC current having a desired magnitude and polarity by the switching operation of the semiconductor switch S. The output is to one side, and the input/output direction of the direct current can be switched bidirectionally between the first direct current side and the second direct current side. By configuring the DCDC converter 21 in the semiconductor power converter 13 as a four-quadrant DCDC converter, the current path can be cut off regardless of the amplitude and polarity of the DC current. The semiconductor switch includes a semiconductor switching element S that passes a current in one direction when turned on, and a return diode D that is connected to the semiconductor switching element S in antiparallel. Examples of the semiconductor switching element S include an IGBT, a thyristor, a GTO (Gate Turn-OFF thyristor), and a transistor, but the type of the switching element itself does not limit the present invention, and other semiconductors. It may be an element.

半導体電力変換器13内のエネルギー蓄積部22は、DCDCコンバータ21の第2の直流側に並列に接続される。本実施例では、エネルギー蓄積部22は、直流コンデンサ53と、直流コンデンサ53に対して直列に接続され、直流コンデンサ53に流入する充電電流を阻止する逆阻止ダイオード54と、の直列回路からなる。直流コンデンサ53を初期充電するために、初期充電回路を別途設ける必要があるが、ここでは図示を省略している。 The energy storage unit 22 in the semiconductor power converter 13 is connected in parallel to the second DC side of the DCDC converter 21. In this embodiment, the energy storage unit 22 includes a series circuit of a DC capacitor 53 and a reverse blocking diode 54 that is connected in series to the DC capacitor 53 and blocks a charging current flowing into the DC capacitor 53. An initial charging circuit needs to be additionally provided to initially charge the DC capacitor 53, but is not shown here.

半導体電力変換器13内の非線形抵抗23は、エネルギー蓄積部22に並列に接続され、エネルギー蓄積部22に印加された直流電圧が、予め設定された電圧(以下、「動作電圧」と称する。)以下の場合は所定の抵抗値を示し、それ以外の場合は所定の抵抗値よりも低い抵抗値を示す素子である。非線形抵抗23の例としては、MOV(Metal Oxide Variable Resistor)(「バリスタ」あるいは「アレスタ」とも称する)がある。非線形抵抗23の動作電圧は、使用するパワーデバイスの電圧定格に制限される。例えば、3.3[kV]耐圧のパワーデバイスを使用する場合、非線形抵抗23の動作電圧VClampは3.3[kV]以下に設定する必要がある。 The non-linear resistance 23 in the semiconductor power converter 13 is connected in parallel to the energy storage unit 22, and the DC voltage applied to the energy storage unit 22 is a preset voltage (hereinafter referred to as “operating voltage”). In the following cases, the element exhibits a predetermined resistance value, and in other cases, the element exhibits a resistance value lower than the predetermined resistance value. An example of the non-linear resistance 23 is a MOV (Metal Oxide Variable Resistor) (also referred to as “varistor” or “arrestor”). The operating voltage of the non-linear resistor 23 is limited to the voltage rating of the power device used. For example, when using a power device having a withstand voltage of 3.3 [kV], the operating voltage V Clamp of the non-linear resistor 23 needs to be set to 3.3 [kV] or less.

直流コンデンサ22と非線形抵抗23とは並列に接続されているので、第1のインダクタ11および第2のインダクタ14に蓄積されたエネルギーによって直流コンデンサ22が充電される際には、直流コンデンサ22の充電電圧が徐々に上昇して非線形抵抗23の動作電圧に達すると、その後は直流コンデンサ22の充電電圧は非線形抵抗23の動作電圧にてクランプされ、第1のインダクタ11および第2のインダクタ14に蓄積されたエネルギーは非線形抵抗23にて消費される。なお、エネルギー蓄積部22および非線形抵抗23については、上述のような直流コンデンサ22の充電および非線形抵抗23による消費の一連の動作を行うものであれば他の素子で実現してもよく、例えば、2次電池あるいは電気二重層キャパシタなどに置き換えてもよい。 Since the DC capacitor 22 and the non-linear resistance 23 are connected in parallel, when the DC capacitor 22 is charged by the energy stored in the first inductor 11 and the second inductor 14, the DC capacitor 22 is charged. When the voltage gradually rises and reaches the operating voltage of the non-linear resistance 23, the charging voltage of the DC capacitor 22 is thereafter clamped by the operating voltage of the non-linear resistance 23 and accumulated in the first inductor 11 and the second inductor 14. The generated energy is consumed by the non-linear resistance 23. The energy storage unit 22 and the non-linear resistance 23 may be realized by other elements as long as they perform a series of operations of charging the DC capacitor 22 and consuming the non-linear resistance 23 as described above. It may be replaced with a secondary battery or an electric double layer capacitor.

第2のインダクタ14は、半導体電力変換器13に対して直列に接続される。複数個の半導体電力変換器13が互いにカスケード接続される場合は、第2のインダクタ14は、互いにカスケード接続された複数個の半導体電力変換器13のうちのいずれかの半導体電力変換器に直列に接続される。図3〜図5は、本発明の第1の実施例による回路遮断装置における第2のインダクタの配置例を説明する回路図である。例えば、図3および図4に示すように、第2のインダクタ14は、カスケード接続の両端に位置する半導体電力変換器13のうちのいずれかの半導体電力変換器13の、当該半導体電力変換器13が接続されていない側に設置される。また例えば、図5に示すように、第2のインダクタ14は、互いに隣接した半導体電力変換器13の間に設置される。 The second inductor 14 is connected in series with the semiconductor power converter 13. When the plurality of semiconductor power converters 13 are cascade-connected to each other, the second inductor 14 is connected to any one of the plurality of semiconductor power converters 13 cascade-connected to each other in series. Connected. 3 to 5 are circuit diagrams illustrating an arrangement example of the second inductor in the circuit breaker according to the first embodiment of the present invention. For example, as shown in FIGS. 3 and 4, the second inductor 14 is the semiconductor power converter 13 of any one of the semiconductor power converters 13 located at both ends of the cascade connection. Is installed on the side not connected. Further, for example, as shown in FIG. 5, the second inductor 14 is installed between the semiconductor power converters 13 adjacent to each other.

なお、半導体電力変換器13が1個の場合は、第2のインダクタ14は単に当該半導体電力変換器13に直列に接続される。 When the number of semiconductor power converters 13 is one, the second inductor 14 is simply connected to the semiconductor power converter 13 in series.

複数個の半導体電力変換器13がカスケード接続される場合および半導体電力変換器13が1個の場合のいずれの場合であっても、半導体電力変換器13および第2のインダクタ14が同一配線上に位置してなるユニットは、開閉器12に対して並列に接続される。すなわち、半導体電力変換器13および第2のインダクタ14が同一配線上に位置してなるユニットは、第1のインダクタ11と開閉器12との接続点Aに接続される。 Regardless of whether a plurality of semiconductor power converters 13 are cascade-connected or one semiconductor power converter 13, the semiconductor power converter 13 and the second inductor 14 are on the same wiring. The located units are connected in parallel to the switch 12. That is, the unit in which the semiconductor power converter 13 and the second inductor 14 are located on the same wiring is connected to the connection point A between the first inductor 11 and the switch 12.

本発明の第1の実施例では、上述のように第1のインダクタ11、開閉器12、半導体電力変換器13および第2のインダクタ14を結線する。第1の外部接続端子T1および第2の外部接続端子T2それぞれに対応してグランド端子G1およびG2が設けられる。 In the first embodiment of the present invention, the first inductor 11, the switch 12, the semiconductor power converter 13, and the second inductor 14 are connected as described above. Ground terminals G 1 and G 2 are provided corresponding to the first external connection terminal T 1 and the second external connection terminal T 2, respectively.

なお、本実施例では、回路遮断装置1が直流遮断器として動作する場合について説明したが、回路遮断装置2は直流遮断器として動作するほかに交流遮断器としても動作可能であり、この場合は、端子G1およびG2は第1の外部接続端子T1および第2の外部接続端子T2の極性とは反対の極性を有する端子となる。また、回路遮断装置1が交流遮断器として動作する場合、半導体電力変換器13内のDCDCコンバータ21は、DCACコンバータ(直流交流変換器)として動作する。この場合、DCACコンバータの直流側は上述の「第2の直流側」に相当し、交流側は上述の「第1の直流側」に相当する。 Although the circuit breaker 1 operates as a DC breaker in this embodiment, the circuit breaker 2 can operate as an AC breaker as well as a DC breaker. In this case, , G 1 and G 2 are terminals having polarities opposite to the polarities of the first external connecting terminal T 1 and the second external connecting terminal T 2 . When the circuit breaker 1 operates as an AC circuit breaker, the DCDC converter 21 in the semiconductor power converter 13 operates as a DCAC converter (DC/AC converter). In this case, the DC side of the DCAC converter corresponds to the above-mentioned "second DC side", and the AC side corresponds to the above-mentioned "first DC side".

図1に示す例では、第1の外部接続端子T1およびグランド端子G1からなる側を電源側とし、第2の外部接続端子T2およびグランド端子G2からなる側を負荷側としている。したがって、第1のインダクタ11は事故電流制限用インダクタとして機能し、第2のインダクタ14は電流制御用インダクタとして機能する。 In the example shown in FIG. 1, the side formed by the first external connection terminal T 1 and the ground terminal G 1 is the power supply side, and the side formed by the second external connection terminal T 2 and the ground terminal G 2 is the load side. Therefore, the first inductor 11 functions as a fault current limiting inductor, and the second inductor 14 functions as a current controlling inductor.

これ以降、電源側直流電圧をVdc、負荷電圧をvL、機械的遮断器24の両端に現れる電圧をvCB、機械的断路器26の両端に現れる電圧をvDS、半導体電力変換器13のカスケード接続される側の半導体電力変換器13の合計電圧をvHBで表す。また、各半導体電力変換器13に並列に接続された直流コンデンサの電圧をvC1、・・・、vCNで表す(ただし、Nは自然数)。非線形抵抗23の両端に現れる電圧をvMOVで表す。また、第1の外部接続端子T1から接続点Aに流れる電流を電源電流iSとし、接続点Aから第2の外部接続端子T2に流れる電流を負荷電流iCBとし、接続点Aから半導体電力変換器13へ流れる電流を変換器電流iConとする。なお、図中の電圧および電流については、それぞれ矢印の向きを正としている。 Thereafter, the DC voltage on the power source side is V dc , the load voltage is v L , the voltage appearing at both ends of the mechanical breaker 24 is v CB , the voltage appearing at both ends of the mechanical disconnector 26 is v DS , the semiconductor power converter 13 The total voltage of the semiconductor power converters 13 on the side connected in cascade is represented by v HB . Further, the voltage of the DC capacitor connected in parallel to each semiconductor power converter 13 is represented by v C1 ,..., V CN (where N is a natural number). The voltage appearing across the nonlinear resistor 23 is represented by v MOV . Also, the current flowing from the first external connection terminal T 1 to the connection point A is the power supply current i S , the current flowing from the connection point A to the second external connection terminal T 2 is the load current i CB , and the connection point A is The current flowing to the semiconductor power converter 13 is referred to as converter current i Con . Regarding the voltage and current in the figure, the direction of each arrow is positive.

図6は、本発明の第1の実施例による回路遮断装置における制御系を説明するブロック図である。回路遮断装置1は、その制御系として、過電流検出部31および制御部32を有する。 FIG. 6 is a block diagram illustrating a control system in the circuit breaker according to the first embodiment of the present invention. The circuit breaker 1 has an overcurrent detector 31 and a controller 32 as its control system.

過電流検知部31は、第2の外部接続端子T2に接続された負荷側の外部配線上において過電流が発生したか否かを検知する。本実施例では、第2の外部接続端子T2およびグランド端子G2からなる側を負荷側としたので、過電流検知部31は、第2の外部接続端子T2に接続された負荷側の外部配線上の過電流の発生の有無を検知するものとしたが、第1の外部接続端子T1およびグランド端子G1からなる側を負荷側とした場合は、過電流検知部31は、第1の外部接続端子T1に接続された負荷側の外部配線上の過電流の発生の有無を検知するようにすればよい。過電流検出部31による過電流発生の検知は公知の方法で実現すればよい。例えば、地絡や短絡などの事故が発生すると電源電流iSが増加するので、電流検出器(図示せず)を用いて電源電流iSを常時監視し、電源電流iSが定格電流より所定の値だけ大きくなった場合に「過電流発生」と判定する。過電流発生の判断に用いられる基準電流値は、例えば定格電流120%に設定するなど、必要に応じて適宜設定すればよい。 The overcurrent detection unit 31 detects whether an overcurrent has occurred on the load-side external wiring connected to the second external connection terminal T 2 . In the present embodiment, the side composed of the second external connection terminal T 2 and the ground terminal G 2 is set as the load side. Therefore, the overcurrent detection unit 31 includes the load side connected to the second external connection terminal T 2 . Although the presence or absence of overcurrent on the external wiring is detected, if the side composed of the first external connection terminal T 1 and the ground terminal G 1 is the load side, the overcurrent detection unit 31 detects The presence or absence of overcurrent on the load-side external wiring connected to the external connection terminal T 1 of No. 1 may be detected. The detection of overcurrent generation by the overcurrent detection unit 31 may be realized by a known method. For example, when an accident such as a ground fault or a short circuit occurs, the power supply current i S increases. Therefore, the power supply current i S is constantly monitored using a current detector (not shown), and the power supply current i S is higher than the rated current. When the value becomes larger than, it is determined that "overcurrent has occurred". The reference current value used to determine the occurrence of overcurrent may be appropriately set as necessary, for example, set to a rated current of 120%.

制御部32は、開閉器12内の機械的遮断器24および機械的断路器26に対する開極動作ならびに半導体電力変換器13の電力変換動作を制御する。すなわち、制御部32は、過電流検知部31による過電流の検知後、機械的遮断器24に対して開極動作の開始を指令する機械的遮断器用開極指令を出力する第1の指令手段41と、過電流検知部31による過電流の検知後、機械的遮断器用開極指令に基づき機械的遮断器24の開極動作が完了するまでの間に機械的遮断器24に流れる電流を略ゼロに収束させる直流電流を、半導体電力変換器13に出力させる電力変換指令を出力する第2の指令手段42と、機械的遮断器用開極指令が出力されてから所定の期間経過後、機械的断路器26に対して開極動作の開始を指令する機械的断路器用開極指令を出力する第3の指令手段43と、機械的遮断器24の開極動作が完了した時に、半導体電力変換器13内の半導体スイッチSをオフする指令を出力する第4の指令手段44と、を有する。 The controller 32 controls the opening operation of the mechanical breaker 24 and the mechanical disconnector 26 in the switch 12, and the power conversion operation of the semiconductor power converter 13. That is, the control unit 32 outputs the mechanical circuit breaker opening command for instructing the mechanical circuit breaker 24 to start the opening operation after the overcurrent detection unit 31 detects the overcurrent. 41 and the current flowing through the mechanical breaker 24 after the overcurrent is detected by the overcurrent detector 31 until the opening operation of the mechanical breaker 24 is completed based on the mechanical breaker opening command. Second command means 42 that outputs a power conversion command that causes the DC power to be converged to zero to be output to the semiconductor power converter 13, and a predetermined period after the mechanical circuit breaker opening command is output. When the opening operation of the mechanical circuit breaker 24 and the third command means 43 for outputting the opening command of the mechanical disconnector for instructing the disconnector 26 to start the opening operation, the semiconductor power converter is completed. And a fourth command means 44 for outputting a command to turn off the semiconductor switch S in 13.

第1の指令手段41、第2の指令手段42、第3の指令手段43および第4の指令手段44は、例えばソフトウェアプログラム形式で構築されてもよく、あるいは各種電子回路とソフトウェアプログラムとの組み合わせで構築されてもよい。例えばこれらの手段をソフトウェアプログラム形式で構築する場合は、制御部32内の演算処理装置はこのソフトウェアプログラムに従って動作することで上述の各手段の機能が実現される。 The first command means 41, the second command means 42, the third command means 43, and the fourth command means 44 may be constructed in, for example, a software program format, or a combination of various electronic circuits and software programs. May be built with. For example, when these means are constructed in the software program format, the arithmetic processing unit in the control unit 32 operates according to this software program to realize the functions of the respective means described above.

図7は、本発明の第1の実施例による回路遮断装置の動作フローを示すフローチャートである。ここでは一例として、時刻t0で負荷側に地絡もしくは短絡の事故が発生して過電流が発生した場合を考える。 FIG. 7 is a flowchart showing the operation flow of the circuit breaker according to the first embodiment of the present invention. Here, as an example, consider a case where an overcurrent occurs due to a ground fault or a short circuit on the load side at time t 0 .

回路遮断装置1は、負荷側に過電流が発生していないとき、正常動作を行う(ステップS101)。すなわち正常時では開閉器12内の機械的遮断器24および機械的断路器26はオンされて電源側から負荷側に電力が供給される。このとき、半導体電力変換器13内の各ダイオードDが機能することにより、半導体電力変換器13そのものはダイオードとして動作し、変換器電流iConはゼロとなる。したがって、正常時の回路遮断装置1の定常損失はゼロである。なお、半導体電力変換器13内のコンデンサCは初期充電されているものとする。 The circuit breaker 1 operates normally when no overcurrent is generated on the load side (step S101). That is, in a normal state, the mechanical breaker 24 and the mechanical disconnector 26 in the switch 12 are turned on and power is supplied from the power supply side to the load side. At this time, each diode D in the semiconductor power converter 13 functions so that the semiconductor power converter 13 itself operates as a diode, and the converter current i Con becomes zero. Therefore, the steady loss of the circuit breaker 1 under normal conditions is zero. It is assumed that the capacitor C in the semiconductor power converter 13 is initially charged.

正常時においては、キルヒホッフの電流則より、負荷電流iCBと電源電流iSとは等しく、すなわち「iCB=iS」である。また、第1のインダクタL1における電圧降下は、正常時ではゼロとなるため、負荷電圧vLと電源側直流電圧Vdcとは等しく、すなわち「vL=Vdc」である。 Under normal conditions, according to Kirchhoff's current law, the load current i CB and the power supply current i S are equal to each other, that is, “i CB =i S ”. Further, the voltage drop in the first inductor L 1 is zero in a normal state, so that the load voltage v L and the power supply side DC voltage V dc are equal, that is, “v L =V dc ”.

ステップS102において、過電流検知部31は、第2の外部接続端子T2に接続された負荷側の外部配線上において過電流が発生したか否かを検知する。過電流検知部31が過電流を検知しなかったときはステップS101に戻り正常動作を継続する。過電流検知部31が過電流を検知したときはステップS103へ進む。 In step S102, the overcurrent detection unit 31 detects whether an overcurrent has occurred on the load-side external wiring connected to the second external connection terminal T 2 . When the overcurrent detection unit 31 does not detect the overcurrent, the process returns to step S101 to continue the normal operation. When the overcurrent detection unit 31 detects the overcurrent, the process proceeds to step S103.

例えば時刻t1で過電流検知部31が過電流の発生を検知したと仮定する。このとき、回路遮断装置1について、開閉器12における電圧降下を無視すると、式1に示される回路方程式が成立する。 For example, assume that the overcurrent detection unit 31 detects the occurrence of overcurrent at time t 1 . At this time, in the circuit breaker 1, if the voltage drop in the switch 12 is ignored, the circuit equation shown in Expression 1 is established.

Figure 0006706834
Figure 0006706834

式1から、電源電流iSおよび負荷電流iCBは式2のように表される。ただし、式2において、I0は時刻t0における電流を表す。 From Expression 1, the power supply current i S and the load current i CB are expressed as Expression 2. However, in Equation 2, I 0 represents the current at time t 0 .

Figure 0006706834
Figure 0006706834

式2から分かるように、電源電流iSおよび負荷電流iCBは「Vdc/L1」の傾きで1次関数的に増加する。すなわち、第1のインダクタ11のインダクタンスL1を増加させれば事故時の電流増加率を抑制できる。短絡や地絡事故が発生すると電源電流iSは増加するため、過電流検知部31は、電流検出器(図示せず)を用いて電源電流iSを常時監視し、電源電流iSが定格電流より所定の値だけ大きくなった場合(例えば定格電流120%)に「過電流発生」と判定する(時刻t1)。事故発生から事故判断に要する時間「t1−t0」は電源側直流電圧Vdc、第1のインダクタのインダクタンスL1、負荷、基準電流値などに依存する。 As can be seen from Equation 2, the power supply current i S and the load current i CB linearly increase with the slope of “V dc /L 1 ”. That is, if the inductance L 1 of the first inductor 11 is increased, the current increase rate at the time of an accident can be suppressed. Since the power supply current i S increases when a short circuit or a ground fault occurs, the overcurrent detection unit 31 constantly monitors the power supply current i S using a current detector (not shown), and the power supply current i S is rated. If increased by a predetermined value than the current (e.g., rated current 120%) determined in the "overcurrent" (time t 1). The time required from the accident in the accident determination "t 1 -t 0" the power supply-side DC voltage V dc, the inductance L 1 of the first inductor, the load, which depends on the reference current value.

ステップS102において過電流検知部31が過電流を検知したとき、ステップS103において、制御部32の第2の指令手段42は、開極指令が出力されてから機械的遮断器24の開極動作が完了するまでの間に機械的遮断器24に流れる電流を略ゼロに収束させる直流電流を、半導体電力変換器13に出力させる電力変換指令を出力する。 When the overcurrent detection unit 31 detects the overcurrent in step S102, the second command means 42 of the control unit 32 performs the opening operation of the mechanical breaker 24 after the opening command is output in step S103. By the time it is completed, it outputs a power conversion command that causes the semiconductor power converter 13 to output a DC current that causes the current flowing through the mechanical breaker 24 to converge to substantially zero.

また、ステップS102において過電流検知部31が過電流を検知したとき、ステップS103において、制御部32の第1の指令手段41は、機械的遮断器24に対して開極動作の開始を指令する機械的遮断器用開極指令を出力する。 Further, when the overcurrent detection unit 31 detects the overcurrent in step S102, the first command means 41 of the control unit 32 commands the mechanical breaker 24 to start the opening operation in step S103. Outputs the opening command for mechanical circuit breaker.

なお、ステップS103における処理とステップS104における処理は同時に実行してもよく、またあるいは、ステップS103とステップS104の処理の順番を入れ替えて実行してもよい。 The process in step S103 and the process in step S104 may be executed simultaneously, or the order of the processes in step S103 and step S104 may be exchanged.

ステップS104において機械的遮断器24に機械的遮断器用開極指令を与えると、機械的遮断器24は開極動作を開始するが(ステップS105)、しかしながら直ちに開極動作を完了するのではなく、機械的遮断器24の機械的構造に起因する遅れ時間が発生し、実際には第1の指令手段41による機械的遮断器用開極指令の出力から少し遅れて機械的遮断器24は開極動作を完了する。例えば、直流電圧が数10[kV]クラスでは1[ms]以下、数100[kV]クラスでは2[ms]程度の遅れ時間が発生する。上述のように、機械的遮断器24は電流が非常に小さい値(例えば数[mA]〜数十[mA])の時に電流路を遮断することが可能であるため、機械的遮断器24を流れる負荷電流iCBをできるだけゼロになるようにする必要がある。そこで、ステップS103において、制御部32の第2の指令手段42は、開極指令が出力されてから機械的遮断器24の開極動作が完了するまでの間に機械的遮断器24に流れる電流を略ゼロに収束させる直流電流を、半導体電力変換器13に出力させる電力変換指令を出力する。半導体電力変換器13内のDCDCコンバータ21内にある半導体スイッチの半導体スイッチング素子Sは受信した電力変換指令に基づいてPWMスイッチング動作を行う。これにより、半導体電力変換器13は電圧vHBを出力する制御電圧源として動作することと等価になる。このとき、式3のような回路方程式が成立する。 When the mechanical circuit breaker 24 opening command for mechanical circuit breaker is given to the mechanical circuit breaker 24 in step S104, the mechanical circuit breaker 24 starts the electrode opening operation (step S105). However, the mechanical circuit breaker 24 does not immediately complete the electrode opening operation. A delay time occurs due to the mechanical structure of the mechanical circuit breaker 24, and in actuality, the mechanical circuit breaker 24 performs an opening operation a little after the output of the mechanical circuit breaker opening command by the first command means 41. To complete. For example, a delay time of about 1 [ms] or less occurs when the DC voltage is several 10 [kV] class, and about 2 [ms] when the DC voltage is several 100 [kV] class. As described above, the mechanical breaker 24 can break the current path when the current has a very small value (for example, several [mA] to several tens [mA]). The flowing load current i CB needs to be zero as much as possible. Therefore, in step S103, the second command means 42 of the control unit 32 causes the current flowing through the mechanical circuit breaker 24 from the output of the opening command until the completion of the opening operation of the mechanical circuit breaker 24. Is output to the semiconductor power converter 13 as a power conversion command that causes the DC power to converge to approximately zero. The semiconductor switching element S of the semiconductor switch in the DCDC converter 21 in the semiconductor power converter 13 performs PWM switching operation based on the received power conversion command. This is equivalent to the semiconductor power converter 13 operating as a control voltage source that outputs the voltage v HB . At this time, a circuit equation such as Equation 3 holds.

Figure 0006706834
Figure 0006706834

本発明の第1の実施例では、制御電圧源については、一例としてPI制御にて実現し、vHBを式4で与える。式4において、Kpは比例ゲインを表し、KIは積分ゲインを表し、i* Conは変換器電流の指令値を表す。なお、本実施例ではPI制御を適用したが、PI制御以外の電流制御を適用してもよい。 In the first embodiment of the present invention, the control voltage source is realized by PI control as an example, and v HB is given by Equation 4. In Equation 4, K p represents a proportional gain, K I represents an integral gain, and i * Con represents a command value of the converter current. Although PI control is applied in this embodiment, current control other than PI control may be applied.

Figure 0006706834
Figure 0006706834

式4において、右辺はフィードバック制御(PI)に相当する。式4を式3に代入すると式5が得られる。 In Expression 4, the right side corresponds to the feedback control (PI). Substituting equation 4 into equation 3 yields equation 5.

Figure 0006706834
Figure 0006706834

式5に示すように、変換器電流iConはその指令値i* Conに対して2次遅れで応答する。このとき、変換器電流の指令値i* ConをiSに設定して変換器電流iConを電源電流iSに一致させる制御を行えば、負荷電流iCBをゼロにすることができる。負荷電流iCBをゼロにするのに要する時間(すなわち、変換器電流iConを電源電流iSに一致させるのに要する時間)は、半導体電力変換器13のキャリア周波数、等価スイッチング周波数、ディジタル制御手法に依存する。例えば低損失かつ高スイッチング周波数動作を実現可能な高圧SiC MOSFETを用いれば、負荷電流iCBをゼロにするのに要する時間を1[ms]以下に実現することは十分可能である。 As shown in Equation 5, the converter current i Con responds to the command value i * Con with a second-order delay. In this case, by performing control to the converter current command value i * Con a i S set by the converter current i Con to match the source current i S, the load current i CB can be made zero. The time required to reduce the load current i CB to zero (that is, the time required to match the converter current i Con with the power supply current i S ) is the carrier frequency of the semiconductor power converter 13, the equivalent switching frequency, and the digital control. It depends on the method. For example, if a high-voltage SiC MOSFET that can realize low loss and high switching frequency operation is used, it is sufficiently possible to realize the time required to reduce the load current i CB to 1 [ms] or less.

以上を踏まえ、式4に基づく電力変換指令の生成原理を説明すると次の通りである。図8は、本発明の第1の実施例による回路遮断装置内の半導体電力変換器における変換器電流を制御するための電力変換指令を説明する制御ブロック図である。変換器電流の制御では、フィードバック制御を使用する。フィードバック制御に係るブロックB1では、電流検出器(図示せず)によって検出された変換器電流iConと電流検出器(図示せず)によって検出された電源電流iSの差分に対しPI制御を適用することで偏差「iCon−iS」を抑制する。ブロックB1の出力より各半導体電力変換器13に対する電力変換指令v* jが生成される。各半導体電力変換器13に対する電力変換指令v* jは、ブロックB4jにて直流コンデンサ電圧vCj(ただし、j=1〜N)で規格化した後、一般的なPWM変調法(三角波比較)を適用して各半導体電力変換器13内の半導体スイッチSへ与えられる。ここで、各半導体電力変換器13のPWM制御に用いられる三角波キャリアの初期位相を180°/N移相する「位相シフトPWM」を適用すれば、等価スイッチング周波数を増加できる。具体的には、キャリア周波数をfCとすると、等価スイッチング周波数は2NfCとなる。等価スイッチング周波数を高く設定することで、電流制御系の向上と電流制御インダクタとしての第2のインダクタ14のインダクタンスの低減を実現できる。 Based on the above, the principle of generating the power conversion command based on Equation 4 will be described as follows. FIG. 8 is a control block diagram illustrating a power conversion command for controlling the converter current in the semiconductor power converter in the circuit breaker according to the first embodiment of the present invention. Feedback control is used to control the converter current. In the block B1 relating to feedback control, PI control is applied to the difference between the converter current i Con detected by a current detector (not shown) and the power supply current i S detected by a current detector (not shown). By doing so, the deviation “i Con −i S ”is suppressed. A power conversion command v * j for each semiconductor power converter 13 is generated from the output of the block B1. The power conversion command v * j to each semiconductor power converter 13 is standardized by the DC capacitor voltage v Cj (where j=1 to N) in block B4 j , and then the general PWM modulation method (triangular wave comparison). Is applied to the semiconductor switch S in each semiconductor power converter 13. The equivalent switching frequency can be increased by applying “phase shift PWM” that shifts the initial phase of the triangular wave carrier used for PWM control of each semiconductor power converter 13 by 180°/N. Specifically, when the carrier frequency is f C , the equivalent switching frequency is 2Nf C. By setting the equivalent switching frequency high, it is possible to improve the current control system and reduce the inductance of the second inductor 14 as the current control inductor.

一般に、高圧用途の半導体電力変換器のスイッチング周波数は、スイッチング損失低減の観点から数100[Hz]に設定される。一方、本発明の第1の実施例による回路遮断装置1内の半導体電力変換器13は事故発生時のみPWM動作を行うため、スイッチング損失の増大は問題とならない。半導体電力変換器13として例えば3.3[kV]/1500[A]のSiCパワーモジュール(SiC MOSFETとSiC SBD(Schottky Barrier Diode))を使用した場合、PWM変調には数[kHz]のキャリア周波数適用が想定され、電流制御性の向上が期待できる。同一キャリア周波数を想定した場合、半導体電力変換器13のカスケード数が多くなるような高圧用途において電流制御性が向上する。 Generally, the switching frequency of a semiconductor power converter for high voltage applications is set to several hundred [Hz] from the viewpoint of reducing switching loss. On the other hand, since the semiconductor power converter 13 in the circuit breaker 1 according to the first embodiment of the present invention performs the PWM operation only when an accident occurs, the increase in switching loss does not pose a problem. For example, when a 3.3 [kV]/1500 [A] SiC power module (SiC MOSFET and SiC SBD (Schottky Barrier Diode)) is used as the semiconductor power converter 13, a carrier frequency of several [kHz] is used for PWM modulation. Application is expected, and improvement in current controllability can be expected. If the same carrier frequency is assumed, the current controllability is improved in high voltage applications where the number of cascades of the semiconductor power converter 13 increases.

図5に戻ると、ステップS105において、機械的遮断器24は、制御部32内の第2の指令手段42からの開極指令に応じて開極動作を開始する。上述のように機械的遮断器24は電流が非常に小さい値(例えば数[mA]〜数十[mA])の時に電流路を遮断することが可能であるが、ステップS103における機械的遮断器24に流れる電流を略ゼロにする処理は、機械的遮断器用開極指令が出力されてから機械的遮断器24の開極動作が完了するまでに要する時間よりも十分短い時間に実行される。 Returning to FIG. 5, in step S105, the mechanical breaker 24 starts the opening operation in response to the opening command from the second command means 42 in the control unit 32. As described above, the mechanical breaker 24 can break the current path when the current has a very small value (for example, several [mA] to several tens [mA]). However, the mechanical breaker in step S103. The process of making the current flowing through 24 substantially zero is executed in a time sufficiently shorter than the time required from the output of the mechanical circuit breaker opening command to the completion of the mechanical circuit breaker 24 opening operation.

機械的遮断器24の開極動作が完了した後(すなわち第1の指令手段41により機械的遮断器用開極指令が出力されてから所定の期間経過後)、制御部32内の第3の指令手段43は、ステップS106において、機械的断路器26に対して開極動作の開始を指令する機械的断路器用開極指令を出力する(時刻t2)。なお、機械的遮断器24が機械的遮断器用開極指令を受信してから開極動作が完了するまでに要する時間は実験や機械的遮断器24の仕様書などにより知ることができるので、第3の指令手段43による機械的断路器用開極指令を出力するタイミングは、その時間を考慮して、第1の指令手段41により機械的遮断器用開極指令が出力されてから所定の期間経過後に設定すればよい。 After completion of the opening operation of the mechanical circuit breaker 24 (that is, after a lapse of a predetermined period from the output of the mechanical circuit breaker opening command by the first command means 41), a third command in the control unit 32 In step S106, the means 43 outputs a mechanical disconnector opening command for instructing the mechanical disconnector 26 to start the opening operation (time t 2 ). The time required for the mechanical circuit breaker 24 to complete the opening operation after receiving the mechanical circuit breaker opening command can be known from experiments and specifications of the mechanical circuit breaker 24. The timing for outputting the mechanical disconnecting switch opening command by the commanding means 43 of No. 3 is, after considering the time, after a predetermined period has elapsed since the mechanical circuit breaker opening command was output by the first commanding means 41. Just set it.

ステップS107において、機械的断路器26は、第3の指令手段43からの機械的断路器用開極指令に応じて開極動作を開始する。 In step S107, the mechanical disconnector 26 starts the opening operation in response to the mechanical disconnector opening command from the third command means 43.

機械的断路器26の開極動作が完了した後、ステップS108において、制御部32内の第4の指令手段44は、半導体電力変換器13内の全ての半導体スイッチSをオフする指令を出力する(時刻t3)。制御部32内の第3の指令手段43によるオフ指令を受信して半導体電力変換器13内の全ての半導体スイッチSはターンオフし、電力変換動作は終了する。これにより、半導体電力変換器13内の各ダイオードDのみが機能することになる。このとき、第1のインダクタ11および第2のインダクタ14の蓄積エネルギーは、帰環ダイオードDを介して直流コンデンサ22および非線形抵抗23に放出される。直流コンデンサ22と非線形抵抗23とは並列に接続されているので、半導体スイッチSのターンオフ後(すなわち時刻t3以降の期間)は、第1のインダクタ11および第2のインダクタ14の蓄積エネルギーによって直流コンデンサ22が充電され、電圧vcは、徐々に上昇した後、非線形抵抗23の動作電圧VClampでクランプされる。直流コンデンサ22が当該動作電圧まで充電された後は、蓄積エネルギーは非線形抵抗23にて消費される。 After the opening operation of the mechanical disconnector 26 is completed, in step S108, the fourth command means 44 in the controller 32 outputs a command to turn off all the semiconductor switches S in the semiconductor power converter 13. (Time t 3 ). Upon receiving the OFF command from the third command means 43 in the controller 32, all the semiconductor switches S in the semiconductor power converter 13 are turned off, and the power conversion operation ends. As a result, only each diode D in the semiconductor power converter 13 functions. At this time, the stored energy of the first inductor 11 and the second inductor 14 is released to the DC capacitor 22 and the non-linear resistance 23 via the return diode D. Since the DC capacitor 22 and the non-linear resistance 23 are connected in parallel, after the semiconductor switch S is turned off (that is, the period after time t 3 ), the direct current is generated by the stored energy of the first inductor 11 and the second inductor 14. The capacitor 22 is charged, the voltage v c gradually rises, and then is clamped by the operating voltage V Clamp of the non-linear resistor 23. After the DC capacitor 22 is charged to the operating voltage, the stored energy is consumed by the non-linear resistance 23.

蓄積エネルギーによって直流コンデンサ22が非線形抵抗23の動作電圧まで充電されるまでは、式6に示す回路方程式が成立する。 The circuit equation shown in Expression 6 is established until the DC capacitor 22 is charged to the operating voltage of the non-linear resistance 23 by the stored energy.

Figure 0006706834
Figure 0006706834

式6より、直流コンデンサ22の電圧vCおよび電源電流iS(=iCon)は2階定数係数線形微分方程式を解くことで算出できる。 From Expression 6, the voltage v C of the DC capacitor 22 and the power supply current i S (=i Con ) can be calculated by solving the second-order constant coefficient linear differential equation.

直流コンデンサ22が当該動作電圧まで充電された後は、式7に示す回路方程式が成立する。式7において、非線形抵抗23の動作電圧をVClampとする。 After the DC capacitor 22 is charged to the operating voltage, the circuit equation shown in Expression 7 holds. In Expression 7, the operating voltage of the non-linear resistor 23 is V Clamp .

Figure 0006706834
Figure 0006706834

式7より、電源電流iSおよび変換器電流iConは1階定数係数線形微分方程式を解くことで算出できる。 From Equation 7, the power supply current i S and the converter current i Con can be calculated by solving the linear differential coefficient first-order coefficient differential equation.

次に、本発明の第1の実施例による回路遮断装置のシミュレーション結果および実験結果について説明する。図9は、シミュレーションおよび実験に用いた回路パラメータを説明する図である。シミュレーションには「PSCAD/EMTDC」を使用した。定格直流電源電圧Vdcは300[V]、定格電源電流ISは150[A]、負荷Rは2[Ω]とした。第1のインダクタ(事故時電流制限用インダクタ)のインダクタンスL1は、電流増加率Vdc/L1が50[A/ms]となるよう6[mH]とした。また、半導体電力変換器13の個数Nは3個とした。半導体電力変換器13の三角波キャリアには位相シフトPWMを適用した。半導体電力変換器13の半導体スイッチング素子にはIGBTを用いた。単位静電定数Hは、直流コンデンサの全静電エネルギーを変換器容量で規格化した値(単位は[s])であり、式8で表せる。式8においてPは定格容量(単位は[W])である。 Next, simulation results and experimental results of the circuit breaker according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 9 is a diagram illustrating circuit parameters used in the simulation and the experiment. "PSCAD/EMTDC" was used for the simulation. The rated DC power supply voltage V dc was 300 [V], the rated power supply current I S was 150 [A], and the load R was 2 [Ω]. The inductance L 1 of the first inductor (current limiting inductor during an accident) was set to 6 [mH] so that the current increase rate V dc /L 1 was 50 [A/ms]. The number N of semiconductor power converters 13 is three. Phase shift PWM is applied to the triangular wave carrier of the semiconductor power converter 13. An IGBT is used as a semiconductor switching element of the semiconductor power converter 13. The unit electrostatic constant H is a value (unit: [s]) obtained by normalizing the total electrostatic energy of the DC capacitor by the converter capacity, and can be expressed by Equation 8. In Expression 8, P is a rated capacity (unit is [W]).

Figure 0006706834
Figure 0006706834

また、半導体スイッチング素子のデッドタイムは4[μs]とした。また、事故発生の判断に用いられる基準電流値は定格電流120%に設定した。また、非線形抵抗23は、動作電圧VClampを300[V]とし、印加される電圧が300[V]以下の場合は無限大の抵抗値を示し、300[V]以上は抵抗値がゼロを示すものとした。 The dead time of the semiconductor switching element was set to 4 [μs]. Also, the reference current value used to judge the occurrence of an accident was set to 120% of the rated current. Further, the non-linear resistance 23 has an operating voltage V Clamp of 300 [V], exhibits an infinite resistance value when the applied voltage is 300 [V] or less, and has a resistance value of zero when the voltage is 300 [V] or more. It has been shown.

図10は、本発明の第1の実施例による回路遮断装置の実験波形を示す図である。また、図11は、図10の拡大波形(機械的遮断器および機械的断路器が開極する前後の波形)を示す図である。図10および後述する図12において、接続点Aから第2の外部接続端子T2に流れる負荷電流iCB、接続点Aから半導体電力変換器13へ流れる変換器電流iCon、機械的遮断器24の両端に現れる電圧vCB、機械的断路器26の両端に現れる電圧vDSを示す。図11および後述する図13において、接続点Aから第2の外部接続端子T2に流れる負荷電流iCB、機械的遮断器24の両端に現れる電圧vCB、機械的断路器26の両端に現れる電圧vDSを示す。回路遮断装置1に抵抗負荷(2[Ω])を接続したときに時刻t0の時点で回路遮断装置1の至近端で短絡事故が発生した場合を考える。 FIG. 10 is a diagram showing experimental waveforms of the circuit breaker according to the first embodiment of the present invention. Further, FIG. 11 is a diagram showing an enlarged waveform of FIG. 10 (waveforms before and after opening of the mechanical breaker and the mechanical disconnector). 10 and FIG. 12 described later, the load current i CB flowing from the connection point A to the second external connection terminal T 2 , the converter current i Con flowing from the connection point A to the semiconductor power converter 13, and the mechanical breaker 24. The voltage v CB appearing across the switch and the voltage v DS appearing across the mechanical disconnector 26 are shown. 11 and FIG. 13 described later, the load current i CB flowing from the connection point A to the second external connection terminal T 2 , the voltage v CB appearing at both ends of the mechanical breaker 24, and the both ends of the mechanical disconnector 26 appearing. The voltage v DS is shown. Consider a case where a short circuit accident occurs at the closest end of the circuit breaker 1 at time t 0 when a resistive load (2 [Ω]) is connected to the circuit breaker 1.

短絡事故が発生する時刻t0以前における半導体電力変換器13は、半導体電力変換器13内の各ダイオードDが機能することにより、半導体電力変換器13そのものはダイオードとして動作する。この場合、負荷電流iCBは電源電流iSと同じ150[A]となり、キルヒホッフの電流則より変換器電流iConは0[A]となる。 In the semiconductor power converter 13 before the time t 0 when the short circuit accident occurs, each diode D in the semiconductor power converter 13 functions, and the semiconductor power converter 13 itself operates as a diode. In this case, the load current i CB becomes 150 [A], which is the same as the power supply current i S, and the converter current i Con becomes 0 [A] according to Kirchhoff's current law.

時刻t0において短絡事故が発生したとき、開閉器12に流れる電流をゼロに収束させる直流電流を半導体電力変換器13に出力させる電力変換指令を出力する。これにより半導体電力変換器13内の半導体スイッチSは受信した電力変換指令に基づいてPWMスイッチング動作を行い、変換器電流iConは増加する。 When a short-circuit accident occurs at time t 0 , a power conversion command that causes the semiconductor power converter 13 to output a DC current that causes the current flowing through the switch 12 to converge to zero is output. Thereby, the semiconductor switch S in the semiconductor power converter 13 performs the PWM switching operation based on the received power conversion command, and the converter current i Con increases.

図10および図11に示すように、時刻t1で機械的遮断器24が開極すると機械的遮断器24にはサージ電圧が発生するが、機械的遮断器24に並列に接続されたスナバ回路25により、サージ電圧は−40[V]に抑制できる。時刻t2以降も、半導体電力変換器13は電力変換動作を継続するので、スナバ回路25を介して負荷電流iLが流れる。スナバ回路25を流れる電流は、スナバ用コンデンサ51があるため、直流成分は流れず、交流成分のみ流れる。交流電流のpeak−to−zeroの値は約1.5[A]である。時刻t2における負荷電流iCBは0[A]であり、機械的断路器26はサージ電圧を発生することなく開極している。半導体電力変換器13の電力変換動作開始から電流遮断までの所要時間「t4−t0」は6.8[ms]であり、回路遮断装置1により高速遮断を実現できていることがわかる。 As shown in FIGS. 10 and 11, when the mechanical circuit breaker 24 opens at time t 1 , a surge voltage is generated in the mechanical circuit breaker 24, but a snubber circuit connected in parallel to the mechanical circuit breaker 24. 25, the surge voltage can be suppressed to -40 [V]. Since the semiconductor power converter 13 continues the power conversion operation even after the time t 2 , the load current i L flows through the snubber circuit 25. Since there is the snubber capacitor 51, the current flowing through the snubber circuit 25 does not flow a DC component but only an AC component. The value of the peak-to-zero of the alternating current is about 1.5 [A]. The load current i CB at time t 2 is 0 [A], and the mechanical disconnector 26 is open without generating a surge voltage. The required time “t 4 −t 0 ”from the start of the power conversion operation of the semiconductor power converter 13 to the interruption of the current is 6.8 [ms], which shows that the circuit interruption device 1 can realize the high-speed interruption.

図12は、本発明の第1の実施例による回路遮断装置のシミュレーション波形を示す図である。また、図13は、図12の拡大波形(機械的遮断器および機械的断路器が開極する前後の波形)を示す図である。シミュレーションでは、図10および図11を参照して説明した実験の際に使用した回路パラメータと同じものを使用した。図10および図11に示す実験結果と図12および図13に示すシミュレーション結果とを比較すると、変換器電流iConについて、シミュレーションでは傾きが連続的であるのに対して、実験では不連続に変化していることが分かる。その理由として、第2のインダクタ14に使用する鉄心の非線形磁気飽和特性の影響が挙げられる。より詳細にいえば、変換器電流iConが大きくなるほど第2のインダクタ14のインダクタンス値は低減する。第2のインダクタ14の非線形性の影響は変換器電圧vCBと負荷電流iCBにも表れている。図11に示す実験結果と図13に示すシミュレーション結果とを比較すると、変換器電圧vCBと負荷電流iCBの振幅は実験の方が大きい。なお、機械的遮断器24の開極時に発生するサージ電圧のピーク値は開極時の電流値が大きいほど大きくなる。図13から分かるように、実験では電力変換動作を終了(すべての半導体スイッチング素子をターンオフ)した時刻t3で、機械的断路器26の両端に現れる電圧vDSにはサージ電圧が発生している。これは、実験に使用した半導体電力変換器13のIGBTモジュールの内部インダクタンスと回路実装に伴う配線インダクタンスに起因するものである。シミュレーションでは、これらのインダクタンスを考慮していないためサージ電圧は発生していない。 FIG. 12 is a diagram showing a simulation waveform of the circuit breaker according to the first embodiment of the present invention. Further, FIG. 13 is a diagram showing an enlarged waveform of FIG. 12 (waveforms before and after opening of the mechanical breaker and the mechanical disconnector). In the simulation, the same circuit parameters as those used in the experiment described with reference to FIGS. 10 and 11 were used. Comparing the experimental results shown in FIGS. 10 and 11 with the simulation results shown in FIGS. 12 and 13, the converter current i Con has a continuous slope in the simulation, but changes discontinuously in the experiment. You can see that The reason for this is the influence of the nonlinear magnetic saturation characteristic of the iron core used for the second inductor 14. More specifically, as the converter current i Con increases, the inductance value of the second inductor 14 decreases. The influence of the non-linearity of the second inductor 14 also appears in the converter voltage v CB and the load current i CB . Comparing the experimental results shown in FIG. 11 with the simulation results shown in FIG. 13, the amplitudes of the converter voltage v CB and the load current i CB are larger in the experiment. The peak value of the surge voltage generated when the mechanical breaker 24 is opened becomes larger as the current value at the opening becomes larger. As can be seen from FIG. 13, in the experiment, a surge voltage is generated in the voltage v DS appearing across the mechanical disconnector 26 at time t 3 when the power conversion operation is completed (all semiconductor switching elements are turned off). .. This is due to the internal inductance of the IGBT module of the semiconductor power converter 13 used in the experiment and the wiring inductance accompanying the circuit mounting. In the simulation, the surge voltage does not occur because these inductances are not taken into consideration.

図21は、本発明の第2の実施例による回路遮断装置を説明する回路図である。 FIG. 21 is a circuit diagram for explaining the circuit breaker according to the second embodiment of the present invention.

本発明の第2の実施例による回路遮断装置2において、エネルギー蓄積部22は、非線形抵抗23に並列に接続される第1のコンデンサ55と、第1のコンデンサ55の静電容量より大きい静電容量と第1のコンデンサ55の充電電圧よりも低い充電電圧とを有する第2のコンデンサ56と、第2のコンデンサ56に対して直列に接続され、第2のコンデンサ56に流入する充電電流を阻止する逆阻止ダイオード54と、を有する。第2のコンデンサ56と逆阻止ダイオード54とからなる直列回路が、第1のコンデンサ55に対して並列に接続される。第1のコンデンサ55はスナバ用コンデンサとして機能し、第2のコンデンサ56放電用コンデンサとして機能する。 In the circuit breaker 2 according to the second exemplary embodiment of the present invention, the energy storage unit 22 includes a first capacitor 55 connected in parallel with the non-linear resistance 23 and an electrostatic capacitance larger than the electrostatic capacitance of the first capacitor 55. A second capacitor 56 having a capacity and a charging voltage lower than the charging voltage of the first capacitor 55 and a second capacitor 56 connected in series to block a charging current flowing into the second capacitor 56. And a reverse blocking diode 54. A series circuit including the second capacitor 56 and the reverse blocking diode 54 is connected in parallel to the first capacitor 55. The first capacitor 55 functions as a snubber capacitor, and the second capacitor 56 functions as a discharging capacitor.

このように、第2の実施例は、図1に示した第1の実施例におけるエネルギー蓄積部22内の直流コンデンサ53および逆阻止ダイオード54に対して(図14の第2のコンデンサ56および逆阻止ダイオード54に対応)に対して並列に、第1のコンデンサ55を接続したものである。これにより、スナバ用コンデンサとして機能する第1のコンデンサ55の静電容量C1は、放電用コンデンサとして機能する第2のコンデンサ56の静電容量C2のとは無関係にサージ電圧抑制という本来の機能に限定することが可能となり、図1に示した実施例におけるエネルギー蓄積部22に比べて、大幅に小さくすることができる。一例を挙げると、放電用コンデンサとして機能する第2のコンデンサ56の静電容量C2を0.2[F]、充電電圧を40[V]に設定し、スナバ用コンデンサとして機能する第1のコンデンサ55の静電容量C1を0.1[μF]に設定することができる。 As described above, the second embodiment is different from the DC capacitor 53 and the reverse blocking diode 54 in the energy storage unit 22 in the first embodiment shown in FIG. 1 (the second capacitor 56 and the reverse blocking diode in FIG. 14). The first capacitor 55 is connected in parallel to the blocking diode 54). As a result, the electrostatic capacitance C 1 of the first capacitor 55 that functions as a snubber capacitor is essentially the same as that of suppressing surge voltage, regardless of the electrostatic capacitance C 2 of the second capacitor 56 that functions as a discharging capacitor. It becomes possible to limit the functions, and it is possible to make the size much smaller than the energy storage unit 22 in the embodiment shown in FIG. To give an example, the capacitance C 2 of the second capacitor 56 that functions as a discharging capacitor is set to 0.2 [F], the charging voltage is set to 40 [V], and the first capacitor that functions as a snubber capacitor is set. The capacitance C 1 of the capacitor 55 can be set to 0.1 [μF].

本発明の第2の実施例による回路遮断装置2の動作を説明すると次の通りである。半導体電力変換器13内のエネルギー蓄積部22内の第1のコンデンサ55および第2のコンデンサ56について、初期充電回路(図示せず)によって予め充電しておく。短絡事故が発生する時刻t0以前の正常時の回路遮断装置2では、開閉器12内の機械的遮断器24および機械的断路器26はオンされて電源側から負荷側に電力が供給される。このとき、半導体電力変換器13内の各ダイオードDが機能することにより、半導体電力変換器13そのものはダイオードとして動作し、変換器電流iConはゼロとなり、電源電流iSと負荷電流iCBは同一となる。このとき、第1のコンデンサ55および第2のコンデンサ56の電圧はともに初期充電回路によって予め充電された値となる。 The operation of the circuit breaker 2 according to the second embodiment of the present invention will be described below. The first capacitor 55 and the second capacitor 56 in the energy storage unit 22 in the semiconductor power converter 13 are charged in advance by an initial charging circuit (not shown). In the normal circuit breaker 2 before time t 0 when a short-circuit accident occurs, the mechanical breaker 24 and the mechanical disconnector 26 in the switch 12 are turned on and power is supplied from the power supply side to the load side. .. At this time, each diode D in the semiconductor power converter 13 functions so that the semiconductor power converter 13 itself operates as a diode, the converter current i Con becomes zero, and the power supply current i S and the load current i CB become Will be the same. At this time, the voltages of the first capacitor 55 and the second capacitor 56 both have values pre-charged by the initial charging circuit.

時刻t0で過電流検知部31が過電流の発生を検知した直後は、電源電流iSおよび負荷電流iCBは式2に示すように「Vdc/L1」の傾きで1次関数的に増加する。過電流検知部31は、電源電流iSが定格電流より所定の値大きくだけなった場合(例えば定格電流120%)に「過電流発生」と判定する。すると、制御部32の第1の指令手段41は、機械的遮断器24に対して開極動作の開始を指令する機械的遮断器用開極指令を出力する。上述のように、機械的遮断器24に機械的遮断器用開極指令を与えても機械的遮断器24は直ちに開極動作を完了するのではなく、実際には少し遅れて開極動作を完了する。 Immediately after the overcurrent detection unit 31 detects the occurrence of the overcurrent at time t 0 , the power supply current i S and the load current i CB are linear functions with a slope of “V dc /L 1 ”, as shown in Expression 2. Increase to. The overcurrent detection unit 31 determines that “overcurrent has occurred” when the power supply current i S becomes larger than the rated current by a predetermined value (for example, 120% of the rated current). Then, the 1st command means 41 of the control part 32 outputs the mechanical circuit breaker opening command for instructing the mechanical circuit breaker 24 to start the opening operation. As described above, even if the mechanical circuit breaker 24 is given a mechanical circuit breaker opening command, the mechanical circuit breaker 24 does not immediately complete the circuit opening operation, but actually completes the circuit opening operation with a slight delay. To do.

制御部32の第2の指令手段42は、機械的遮断器用開極指令が出力されてから機械的遮断器24の開極動作が完了するまでの間に機械的遮断器24に流れる電流を略ゼロに収束させる直流電流を、半導体電力変換器13に出力させる電力変換指令を出力する。半導体電力変換器13内のDCDCコンバータ21内にある半導体スイッチの半導体スイッチング素子Sは受信した電力変換指令に基づいてPWMスイッチング動作を行う。これにより、エネルギー蓄積部22内の第2のコンデンサ56に蓄積されていたエネルギーがDCDCコンバータ21によって変換されて、半導体電力変換器13から機械的遮断器24に流れる電流を略ゼロに収束させる直流電流が出力される。機械的遮断器24の開極動作が完了した後(すなわち第1の指令手段41により機械的遮断器用開極指令が出力されてから所定の期間経過後)、制御部32内の第3の指令手段43は、機械的断路器26に対して開極動作の開始を指令する機械的断路器用開極指令を出力する。これにより、機械的断路器26は、第3の指令手段43からの機械的断路器用開極指令に応じて開極動作を開始する。機械的断路器26の開極動作が完了したとき、制御部32内の第4の指令手段44は、半導体電力変換器13内の全ての半導体スイッチSをオフする指令を出力する。制御部32内の第4の指令手段44によるオフ指令を受信して半導体電力変換器13内の全ての半導体スイッチSはターンオフし、電力変換動作は終了する。これにより、半導体電力変換器13内の各ダイオードDのみが機能することになる。このとき、第1のインダクタ11および第2のインダクタ14の蓄積エネルギーは、帰環ダイオードDを介して第1のコンデンサ55に放出され、第1のコンデンサ55の電圧は徐々に上昇する。第1のコンデンサ55の電圧が第2のコンデンサ56の電圧よりも大きくなると、逆阻止ダイオード54が第2のコンデンサ56に充電電流が流れ込むことを阻止するので、第2のコンデンサ56をDCDCコンバータ21の第2の直流側から電気的に切り離すことができる。第1のコンデンサ55の静電容量C1は第2のコンデンサ56の静電容量C2よりも小さいので、第1のコンデンサ55の電圧は急速に立ち上がる。第1のコンデンサ55の電圧が上昇し、非線形抵抗23の動作電圧VClampに達すると、第1のインダクタ11および第2のインダクタ14の蓄積エネルギーは非線形抵抗23にて消費される。上述のように、第1のコンデンサ55の電圧は急速に立ち上がるので、非線形抵抗23の動作電圧VClampに到達する時間を、図1の第1の実施例の場合に比べて大幅に短縮でき、結果的に遮断時間を大幅に短縮することが可能となる。上述した以外の回路構成および動作については図1の第1の実施例の場合と同様であるので、説明は省略する。 The second command means 42 of the control unit 32 substantially eliminates the current flowing through the mechanical breaker 24 after the mechanical circuit breaker opening command is output until the opening operation of the mechanical breaker 24 is completed. A power conversion command that causes the semiconductor power converter 13 to output a DC current that converges to zero is output. The semiconductor switching element S of the semiconductor switch in the DCDC converter 21 in the semiconductor power converter 13 performs PWM switching operation based on the received power conversion command. As a result, the energy stored in the second capacitor 56 in the energy storage unit 22 is converted by the DCDC converter 21, and the current flowing from the semiconductor power converter 13 to the mechanical breaker 24 is converged to substantially zero DC. Current is output. After completion of the opening operation of the mechanical circuit breaker 24 (that is, after a lapse of a predetermined period from the output of the mechanical circuit breaker opening command by the first command means 41), a third command in the control unit 32 The means 43 outputs a mechanical disconnector opening command for instructing the mechanical disconnector 26 to start the opening operation. As a result, the mechanical disconnector 26 starts the contact opening operation in response to the mechanical disconnector opening command from the third command means 43. When the opening operation of the mechanical disconnector 26 is completed, the fourth command means 44 in the controller 32 outputs a command to turn off all the semiconductor switches S in the semiconductor power converter 13. Upon receiving the OFF command from the fourth command means 44 in the control unit 32, all the semiconductor switches S in the semiconductor power converter 13 are turned off, and the power conversion operation is completed. Thereby, only each diode D in the semiconductor power converter 13 will function. At this time, the energy stored in the first inductor 11 and the second inductor 14 is released to the first capacitor 55 via the return diode D, and the voltage of the first capacitor 55 gradually rises. When the voltage of the first capacitor 55 becomes higher than the voltage of the second capacitor 56, the reverse blocking diode 54 blocks the charging current from flowing into the second capacitor 56, so that the second capacitor 56 is connected to the DCDC converter 21. Can be electrically disconnected from the second DC side of the. Since the electrostatic capacitance C 1 of the first capacitor 55 is smaller than the electrostatic capacitance C 2 of the second capacitor 56, the voltage of the first capacitor 55 rises rapidly. When the voltage of the first capacitor 55 rises and reaches the operating voltage V Clamp of the non-linear resistance 23, the energy stored in the first inductor 11 and the second inductor 14 is consumed in the non-linear resistance 23. As described above, since the voltage of the first capacitor 55 rises rapidly, the time required to reach the operating voltage V Clamp of the non-linear resistor 23 can be greatly shortened as compared with the case of the first embodiment of FIG. As a result, it is possible to significantly reduce the interruption time. The circuit configuration and operation other than those described above are the same as those in the first embodiment shown in FIG.

1、2 回路遮断装置
11 第1のインダクタ
12 開閉器
13 半導体電力変換器
14 第2のインダクタ
1 第1の外部接続端子
2 第2の外部接続端子
21 DCDCコンバータ
22 エネルギー蓄積部
23 非線形抵抗
24 機械的遮断器
25 スナバ回路
26 機械的断路器
31 過電流検出部
32 制御部
41 第1の指令手段
42 第2の指令手段
43 第3の指令手段
44 第4の指令手段
51 スナバ用コンデンサ
52 スナバ用抵抗
53 直流コンデンサ
54 逆阻止ダイオード
55 第1のコンデンサ
56 第2のコンデンサ
1, 2 Circuit Breaker 11 First Inductor 12 Switch 13 Semiconductor Power Converter 14 Second Inductor T 1 First External Connection Terminal T 2 Second External Connection Terminal 21 DCDC Converter 22 Energy Storage 23 Nonlinear Resistance 24 mechanical breaker 25 snubber circuit 26 mechanical disconnector 31 overcurrent detection unit 32 control unit 41 first command means 42 second command means 43 third command means 44 fourth command means 51 snubber capacitor 52 Snubber resistor 53 DC capacitor 54 Reverse blocking diode 55 First capacitor 56 Second capacitor

Claims (8)

第1の外部接続端子を有する第1のインダクタと、
前記第1のインダクタに対して直列に接続され、前記第1のインダクタが接続される側とは反対側に第2の外部接続端子を有する開閉器であって、指令に応じて開極して電流路を遮断する機械的遮断器と、前記機械的遮断器に対して並列に接続されるスナバ回路と、前記機械的遮断器と前記スナバ回路とからなる並列回路に対して直列に接続され、指令に応じて開極して電流路を遮断する機械的断路器とからなる開閉器と、
前記第1のインダクタと前記開閉器とを接続する配線から分岐した配線上に設けられる、1個もしくは互いにカスケード接続された複数個の半導体電力変換器であって、内部に設けられた半導体スイッチを指令に応じてスイッチング動作させることにより、所定の直流電流を出力する半導体電力変換器と、
前記半導体電力変換器に対して直列に接続される第2のインダクタと、
を備え、
前記半導体電力変換器は、
前記半導体スイッチのスイッチング動作により、前記第2のインダクタまたは当該半導体電力変換器とは異なる他の前記半導体電力変換器が接続される第1の直流側と該第1の直流側とは反対側の第2の直流側とのうち一方から入力された直流電流を所望の大きさおよび極性の直流電流に変換してもう一方に出力するDCDCコンバータであって、直流電流の入出力方向を前記第1の直流側と前記第2の直流側との間で双方向に切換え可能なDCDCコンバータと、
前記DCDCコンバータの前記第2の直流側に並列に接続されるエネルギー蓄積部と、
前記エネルギー蓄積部に並列に接続され、前記エネルギー蓄積部に印加された直流電圧が、予め設定された電圧以下の場合は所定の抵抗値を示し、それ以外の場合は前記所定の抵抗値よりも低い抵抗値を示す非線形抵抗と、
を有し、
前記半導体電力変換器および前記第2のインダクタが同一配線上に位置してなるユニットが、前記開閉器に対して並列に接続されることを特徴とする回路遮断装置。
A first inductor having a first external connection terminal;
A switch which is connected in series to the first inductor and has a second external connection terminal on the side opposite to the side to which the first inductor is connected, the switch being opened in response to a command. A mechanical circuit breaker for breaking a current path, a snubber circuit connected in parallel to the mechanical circuit breaker, and a series circuit connected to a parallel circuit composed of the mechanical circuit breaker and the snubber circuit, A switch consisting of a mechanical disconnector that opens the contact in response to a command to interrupt the current path,
What is claimed is: 1. One or a plurality of semiconductor power converters, which are provided on a wiring branched from a wiring that connects the first inductor and the switch, and which are cascade-connected to each other. A semiconductor power converter that outputs a predetermined direct current by performing a switching operation according to a command,
A second inductor connected in series to the semiconductor power converter;
Equipped with
The semiconductor power converter,
Due to the switching operation of the semiconductor switch, a first DC side to which the second inductor or another semiconductor power converter different from the semiconductor power converter is connected and a side opposite to the first DC side. A DC/DC converter that converts a DC current input from one of a second DC side into a DC current of a desired magnitude and polarity and outputs the DC current to the other, wherein the input/output direction of the DC current is the first direction. A DC/DC converter capable of bidirectionally switching between the DC side and the second DC side of
An energy storage unit connected in parallel to the second DC side of the DCDC converter;
The direct current voltage connected to the energy storage unit in parallel and applied to the energy storage unit exhibits a predetermined resistance value when the voltage is equal to or lower than a preset voltage, and is higher than the predetermined resistance value in other cases. A non-linear resistance showing a low resistance value,
Have
A circuit breaker, wherein a unit in which the semiconductor power converter and the second inductor are located on the same wiring is connected in parallel to the switch.
前記エネルギー蓄積部は、コンデンサと、前記コンデンサに対して直列に接続され、前記コンデンサに流入する充電電流を阻止する逆阻止ダイオードとからなる、請求項1に記載の回路遮断装置。 The circuit breaker according to claim 1, wherein the energy storage unit includes a capacitor and a reverse blocking diode that is connected in series to the capacitor and blocks a charging current flowing into the capacitor. 前記エネルギー蓄積部は、
前記非線形抵抗に並列に接続される第1のコンデンサと、
前記第1のコンデンサの静電容量より大きい静電容量と前記第1のコンデンサの充電電圧よりも低い充電電圧とを有する第2のコンデンサと、
前記第2のコンデンサに対して直列に接続され、前記第2のコンデンサに流入する充電電流を阻止する逆阻止ダイオードと、
を有し、
前記第2のコンデンサと前記逆阻止ダイオードとからなる直列回路が、前記第1のコンデンサに対して並列に接続される、請求項1に記載の回路遮断装置。
The energy storage unit is
A first capacitor connected in parallel with the non-linear resistance;
A second capacitor having a capacitance larger than that of the first capacitor and a charging voltage lower than the charging voltage of the first capacitor;
A reverse blocking diode connected in series to the second capacitor to block a charging current flowing into the second capacitor;
Have
The circuit breaker according to claim 1, wherein a series circuit including the second capacitor and the reverse blocking diode is connected in parallel to the first capacitor.
前記第2のインダクタは、互いにカスケード接続された複数個の前記半導体電力変換器のうちのいずれかの半導体電力変換器に直列に接続される、請求項1〜のいずれか一項に記載の回路遮断装置。 The second inductor is connected in series to one of the semiconductor power converter of a plurality of said semiconductor power converter cascaded with each other, according to any one of claims 1 to 3 Circuit breaker. 前記第1の外部接続端子もしくは前記第2の外部接続端子に接続された外部配線上において過電流が発生したか否かを検知する過電流検知部と、
前記機械的遮断器および前記機械的断路器に対する開極動作ならびに前記半導体電力変換器の電力変換動作を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記過電流検知部による過電流の検知後、前記機械的遮断器に対して開極動作の開始を指令する機械的遮断器用開極指令を出力する第1の指令手段と、
前記過電流検知部による過電流の検知後、前記機械的遮断器用開極指令に基づき前記機械的遮断器の開極動作が完了するまでの間に前記機械的遮断器に流れる電流を略ゼロに収束させる直流電流を、前記半導体電力変換器に出力させる電力変換指令を出力する第2の指令手段と、
前記機械的遮断器用開極指令が出力されてから所定の期間経過後、前記機械的断路器に対して開極動作の開始を指令する機械的断路器用開極指令を出力する第3の指令手段と、
前記機械的遮断器の開極動作が完了した時に、前記半導体電力変換器内の前記半導体スイッチをオフするオフ指令を出力する第4の指令手段と、
を有する、請求項1〜のいずれか一項に記載の回路遮断装置。
An overcurrent detection unit for detecting whether or not an overcurrent has occurred on the external wiring connected to the first external connection terminal or the second external connection terminal,
A control unit that controls an opening operation for the mechanical breaker and the mechanical disconnector and a power conversion operation of the semiconductor power converter;
Equipped with
The control unit is
First command means for outputting a mechanical circuit breaker opening command for commanding the mechanical circuit breaker to start an opening operation after the overcurrent is detected by the overcurrent detector.
After detecting the overcurrent by the overcurrent detection unit, the current flowing through the mechanical breaker is made substantially zero until the opening operation of the mechanical breaker is completed based on the opening command for the mechanical breaker. Second command means for outputting a power conversion command for causing the semiconductor power converter to output the DC current to be converged,
Third command means for outputting a mechanical disconnector opening command for instructing the mechanical disconnector to start an opening operation after a lapse of a predetermined period from the output of the mechanical circuit breaker opening command When,
Fourth command means for outputting an off command for turning off the semiconductor switch in the semiconductor power converter when the opening operation of the mechanical breaker is completed,
The a circuit breaker apparatus according to any one of claims 1-4.
前記スナバ回路は、スナバ用コンデンサとスナバ用抵抗との直列回路からなる、請求項1〜のいずれか一項に記載の回路遮断装置。 The snubber circuit includes a series circuit of a snubber capacitor and a snubber resistor, the circuit breaker apparatus according to any one of claims 1-5. 前記半導体スイッチは、
オン時に一方向に電流を通す半導体スイッチング素子と、
該半導体スイッチング素子に逆並列に接続された帰環ダイオードと、
を有する、請求項1〜のいずれか一項に記載の回路遮断装置。
The semiconductor switch is
A semiconductor switching element that passes current in one direction when turned on,
A return diode connected in anti-parallel to the semiconductor switching element,
The a circuit breaker apparatus according to any one of claims 1-6.
前記機械的遮断器は、
固定接触子と、
前記固定接触子に接触する閉路位置と前記固定接触子から分離される開路位置との間を移動可能な可動接触子と、
を有する、請求項1〜のいずれか一項に記載の回路遮断装置。
The mechanical circuit breaker is
Fixed contactor,
A movable contact movable between a closed position in contact with the fixed contact and an open position separated from the fixed contact;
The a circuit breaker apparatus according to any one of claims 1-7.
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