JP6767644B2 - 直流遮断器の試験装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、直流遮断器の遮断性能を検証するための試験装置に関する。

交流電力系統の落雷等による短絡事故からの系統保護を行うため、大容量の交流遮断器が用いられている。この交流遮断器の遮断試験法には、合成試験法と呼ばれる試験法が知られている（例えば、非特許文献１参照。）。この合成試験法は、試験対象となる交流遮断器に対して、事故電流相当の短絡電流を供給する電流源回路と、高周波電流を供給し回復電圧を印加するための電圧源回路とが、それぞれ並列に接続される試験装置を用いて行われる。

具体的には、次の（１）〜（４）の手順で交流遮断器の遮断試験を行う。
（１）電流源回路から事故電流相当の交流の短絡電流を交流遮断器に供給する。
（２）当該短絡電流の最終零値直前で電圧源回路から高周波電流を供給して、電流源回路及び電圧源回路の２回路から重畳電流を交流遮断器に流す。
（３）電流源回路を、短絡電流が最終零値となる時点で交流遮断器から遮断する。
（４）その後、高周波電流を交流遮断器により遮断し、当該交流遮断器の端子間に回復電圧を生じさせる。

ところで、直流系統の短絡事故から系統保護を行うため、直流遮断器が用いられている。直流遮断器は、短絡等による事故電流を遮断する。このような系統保護を確実に行うため、直流遮断器には、用いられる直流系統に応じて所定の遮断性能が要求される。

直流遮断器の遮断試験方法として、交流の短絡発電機からの短絡事故電流を整流器にて直流電流に整流させて、直流系統事故を模擬した短絡時の事故電流を供給する方法がある。

電気学会 電気規格調査会標準規格 交流遮断器 JEC-2300-1998

しかし、近年、直流遮断器の大容量化が進んでいる。そのため、従来の整流器を用いた試験方法では、大容量の整流器を設ける必要があり、試験設備の大型化や設備導入に莫大な投資を要するという問題がある。さらに、大容量の整流器を用いた試験方法では試験効率に問題がある。そのため、従来の整流器を用いた試験方法を採用することは困難であり、別の試験方法が求められる。

この点につき、交流遮断器の合成試験法に用いる試験装置を、直流遮断器の遮断性能試験に用いることが考えられる。しかし、この場合には、交流と直流の違いにより、上記のような手順で遮断性能試験をすることはできない。すなわち、上記の合成試験法では、直流遮断器に、直流系統の事故に相当する電流、電圧の両方を与えることができず、直流遮断器の遮断性能を検証することはできない。

本発明の実施形態に係る直流遮断器の試験装置は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、直流遮断器の遮断性能を検証する直流遮断器の試験装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本実施形態の直流遮断器の試験装置は、直流電流を遮断する直流遮断器の試験装置において、前記直流遮断器に対して、事故電流相当の電流を供給する電流源回路と、前記直流遮断器に対して、回復電圧を供給する電圧源回路と、を備え、前記電圧源回路は、前記回復電圧を印加するための電圧源コンデンサと、前記電圧源コンデンサと直列接続された第１の抵抗と、を有し、前記第１の抵抗の抵抗値は、前記電圧源回路が前記直流遮断器に対して供給する電流が、前記事故電流相当の電流の１０００分の１以下となる値であること、を特徴とする。

実施形態に係る直流遮断器の試験装置の構成を示す回路図である。 実施形態に係る直流遮断器の試験装置を用いた試験方法の短絡電流遮断を行う過程における電流波形図である。 実施形態に係る直流遮断器の試験装置を用いた試験方法の短絡電流遮断を行う過程における電圧波形図である。

［１．実施形態］
［１−１．全体構成］
以下では、図１〜図３を参照しつつ、本実施形態に係る直流遮断器の試験装置と、当該装置を用いた直流遮断器の試験方法について説明する。図１は、本実施形態に係る直流遮断器の試験装置の構成を示す回路図である。

直流遮断器の試験装置は、試験対象となる直流遮断器１の直流電流の遮断性能を試験する装置である。本試験装置は、直流系統の故障発生を模擬するため、後述する２つの電源回路を備える。直流系統としては、例えば、長距離送電や電力会社間などの直流送電系統や、ビルや大型商業施設などの直流配電、電気鉄道等の直流系統などが挙げられる。

直流遮断器１は、直流遮断器１内を流れる直流電流を遮断する遮断器である。直流遮断器１は、例えば、定格遮断電流が数ｋＡ〜数十ｋＡ、定格電圧が数十ｋＶ〜数百ｋＶの直流遮断器１を対象とすることができる。直流遮断器１は、遮断部１０１と、エネルギー吸収部１０２とを備える。遮断部１０１とエネルギー吸収部１０２とは並列に設けられる。

遮断器１０１は、回路を流れる電流の遮断／投入を行うスイッチである。遮断部１０１としては、半導体を用いた半導体遮断部を含み構成される。この遮断部１０１には、半導体遮断部の他、機械的に遮断／投入を行う機械式の遮断部を含んでいても良い。

エネルギー吸収部１０２は、所謂サージアブソーバ（以下、サージアブソーバ１０２ともいう）である。サージアブソーバ１０２は、サージアブソーバ１０２に印加される過渡的な高電圧のエネルギーの吸収を行う。サージアブソーバ１０２は、遮断部１０１遮断後の電圧の大きさを制限する。

直流遮断器１には、２つの異なる電源回路が並列に接続される。すなわち、本実施形態に係る試験装置は、直流遮断器１に対し、交流の電流を供給する電流源回路Ａと、直流遮断器１に対し、回復電圧を印加する電圧源回路Ｂとを備え、これらの回路Ａ、Ｂが直流遮断器１に対して並列に接続される。

［１−２．詳細構成］
（電流源回路）
電流源回路Ａは、直流遮断器１に対して、交流の電流を供給する。電流源回路Ａは、短絡発電機２、保護遮断器３、投入スイッチ４、リアクトル５、抵抗６、コンデンサ７、及び補助遮断器８を含み構成される。

短絡発電機２は、短絡電流を発生させる発電機である。短絡発電機２から発生される短絡電流は交流の電流である。この交流電流の周波数は、交流電流の１／４周期の時間が直流遮断器１の遮断時間以上となる周波数である。短絡発電機２で発生した短絡電流は、リアクトル５を介して直流遮断器１に対して出力される。

短絡発電機２と直流遮断器１との間には、保護遮断器３と投入スイッチ４とリアクトル５とが設けられている。投入スイッチ４は、短絡発電機２を試験回路に接続するための開閉器であり、直流遮断器１に対する短絡発電機２の接続と遮断を切り替える。保護遮断器３は、電流源回路Ａを流れる交流の短絡電流の遮断を行う遮断器である。保護遮断器３は、この交流の短絡電流の電流零点で遮断を行う。

さらに電流源回路Ａには、補助遮断器８と、サージ吸収部４１とが設けられている。補助遮断器８は、短絡発電機２と接続されており、試験対象である直流遮断器１と短絡発電機２との接続と遮断を切り替える。補助遮断器８は、例えば機械式の遮断器である。補助遮断器８は、電流源回路Ａにおいて、各機器のうち最も直流遮断器１側に設けられている。補助遮断器８が投入状態にあるときは、直流遮断器１に短絡発電機２から電流を供給可能であり、補助遮断器８が遮断状態にあるときは、電流源回路Ａが直流遮断器１から切り離されており、短絡発電機２から電流は直流遮断器１に供給されない。但し、補助遮断器８が機械式遮断器である場合、補助遮断器８が開状態となった後も、所定時間電極間にアークが発生する。

サージ吸収部４１は、補助遮断器８と接続されており、補助遮断器８で遮断された際に発生するサージを吸収する。サージ吸収部４１は、前述の抵抗６とコンデンサ７とが直列接続されてなり、コンデンサ７が抵抗６を介してサージを吸収し、補助遮断器８による遮断をしやすくする。

（電圧源回路）
電圧源回路Ｂは、直流遮断器１に対して回復電圧を印加する。電圧源回路Ｂは、電圧源コンデンサ１０、充電装置９、始動スイッチ１１、抵抗１２、抵抗１３及びコンデンサ１４を含み構成される。

電圧源コンデンサ１０は、電圧源回路Ｂの電圧源となる直流コンデンサである。電圧源コンデンサ１０は、始動スイッチ１１が投入状態である場合に、抵抗１２を介して直流遮断器１に対して回復電圧を印加する。電圧源コンデンサ１０は、直流遮断器１が設けられる直流系統事故時の短絡電流の一部を供給する容量を有する。また、回復電圧は、他のコンデンサを過渡回復電圧の調整用として併用しても良い。

充電装置９は、電圧源コンデンサ１０と並列接続され、電圧源コンデンサ１０を充電する装置である。始動スイッチ１１は、電圧源コンデンサ１０からの電圧印加のオンとオフを切り替える機器である。

電圧源回路Ｂは、電圧源コンデンサ１０を直流電圧源として、過渡回路（ＣＲ回路）を備える。すなわち、電圧源コンデンサ１０に対して、抵抗１２、抵抗１３及びコンデンサ１４が直列に接続されており、過渡回路を構成する。この過渡回路は、過渡現象を発生させて直流遮断器１に印加する電圧を調整する。

コンデンサ１４は、電圧源コンデンサ１０が供給する電圧を調整する電圧調整用コンデンサである。ここでは、コンデンサ１４は、電圧源コンデンサ１０と併用して直流系統事故時に直流遮断器１に印加される電圧を調整するコンデンサである。抵抗１３は、過渡現象の調整用の抵抗である。

抵抗１２は、電圧源回路Ｂから直流遮断器１に供給する電流及び電圧を調整する抵抗である。抵抗１２の抵抗値は、電圧源回路Ｂが直流遮断器１に供給する電流値を、電流源回路Ａが直流遮断器１に供給する事故電流相当の電流の１０００分の１以下となる微小な電流値とする値である。例えば、直流遮断器１の定格電圧が５０ｋＶ未満で、電圧源コンデンサ１０の電圧が５０ｋＶとし、事故電流相当の電流を１ｋＡとすると、電圧源回路Ｂから供給する電流は１Ａ以下であり、抵抗１２の抵抗値は５０ｋΩとすることができる。このように、抵抗１２は、数十ｋΩ以上の非常に大きな抵抗値を有しており、事故電流相当の電流に比べて電圧源回路Ｂから微少な電流しか直流遮断器１に供給しないので、電圧源コンデンサ１０の電圧降下を抑制する。なお、抵抗１２の抵抗値は、直流遮断器１に供給する回復電圧及び抵抗１２の定格電力に基づいて決定しても良い。

［１−３．試験方法］
本実施形態の試験方法は、半導体遮断器を含む直流遮断器の、直流系統の短絡事故電流の遮断性能を検証するための方法であり、上記実施形態の試験装置を用いて行う。当該試験方法を図２及び図３を用いて説明する。図２は、本試験方法の短絡電流遮断を行う過程における電流波形図である。図３は、本試験方法の短絡電流遮断を行う過程における電圧波形図である。

試験開始時には、直流遮断器１が試験装置に接続され、保護遮断器３及び補助遮断器８は閉路状態、投入スイッチ４及び始動スイッチ１１は開路状態、短絡発電機２は予め所定の電圧での励磁状態、電圧源コンデンサ１０は充電装置９によって予め所定の電圧まで充電された状態にあるとする。

まず、図２に示すように、時刻Ａにおいて投入スイッチ４を閉路し、短絡発電機２から直流遮断器１の遮断部１０１に交流電流を供給する。この交流電流は、時刻Ａにおいては０Ａであり、その後上昇する。この交流電流は、リアクトル５によりその大きさが調整されている。なお、短絡発電機２によりリアクトル５には、エネルギーが蓄積される。

次に、時刻Ａから時刻Ｂまでの任意の時刻において、始動スイッチ１１を投入する。この始動スイッチ１１の投入タイミングは、直流遮断器１の遮断部１０１による電流遮断以前に行えば良く、当該電流遮断と同時又はその直前を含む。ここでは、図３に示すように、始動スイッチ１１の投入タイミングは、時刻Ａである。

始動スイッチ１１を投入すると、電圧源コンデンサ１０と抵抗１２によって決まる直流電流が遮断部１０１に供給される。すなわち、始動スイッチ１１の投入により電圧源回路Ｂが直流遮断器に接続され、短絡発電機２からの交流電流に電圧源回路Ｂからの直流電流が重畳される。但し、電圧源回路Ｂから供給する直流電流は、電流源回路Ａから供給する交流電流に対して１０００分の１以下、好ましくは１００００分の１以下であり、微小な電流である。この重畳された電流１５は、図２に示すように、遮断部１０１に供給されて上昇していく。

また、始動スイッチ１１が投入されたことで、電圧源回路Ｂが直流遮断器１に接続され、これによって直流遮断器１に電圧が印加される。電圧源回路Ｂの主電源が電圧源コンデンサ１０であるため、電圧源コンデンサ１０の電圧はその放電により下降していく。但し、本実施形態では、抵抗１２が数十ｋΩ程度の非常に大きな抵抗値であるので、図３に示すように、電圧源コンデンサ１０の電圧降下は非常に緩やかである。換言すれば、電圧源コンデンサ１０の電圧は、予め充電された電圧値を維持する。

重畳された電流１５となった後、当該電流１５が事故電流相当以上となる時刻Ｂで、遮断部１０１及び補助遮断器８を開路して電流裁断し、電流１５を遮断する。本実施形態では、事故電流相当の電流に達した時点で電流１５を遮断する。

この遮断により、リアクトル５による過渡電圧が直流遮断器１の極間に印加される。すなわち、補助遮断器８が機械的遮断器であるため、補助遮断器８の接点間が開離しても接点間にアーク放電が発生するため、リアクトル５により過渡電圧が直流遮断器１の極間に印加される。この過渡電圧は、サージアブソーバ１０２が過電圧を吸収する。この吸収動作は、図２に示すように、サージアブソーバ電流１６となって現れる。つまり、サージアブソーバ電流１６が流れる間は、補助遮断器８でアーク放電が存続する。

なお、リアクトル５による過渡電圧は、コンデンサ１４にも印加される。但し、過渡電圧分のエネルギーの大部分は、サージアブソーバ１０２により吸収される。

時刻Ｃでサージアブソーバ１０２による過電圧の吸収動作が終了すると、電流源回路Ａは補助遮断器８により直流遮断器１から切り離される。時刻Ｃ以降は、図３に示すように、直流遮断器１に、電圧源回路Ｂの電圧源コンデンサ１０、抵抗１２、抵抗１３及びコンデンサ１４によって決まる電圧が直流遮断器１の極間に印加される電圧１７となって印加される。時刻Ｃにおける電圧源コンデンサ１０の電圧は、直流系統の事故による電流遮断時に直流遮断器１に印加される電圧相当の電圧又はそれ以上である。

以上のように、直流遮断器１に事故電流相当未満の電流を供給する段階であって、電流遮断よりも前に、電圧源回路Ｂを直流遮断器１に接続することにより、直流遮断器１に対し、電流供給と電圧印加の両方を行うようにした。これにより、電流遮断時において、直流遮断器１に、直流系統の事故による事故電流相当の電流と、当該事故に伴い印加される相当の電圧である所定の回復電圧とを与えることができるので、直流遮断器１の遮断性能を検証することができる。

特に、抵抗１２を非常に大きな抵抗値としているので、直流遮断器１の遮断部１０１の開路時刻である時刻Ｂより以前に電圧源回路Ｂを直流遮断器１に接続しても、電圧源回路Ｂから直流遮断器１にはほとんど電流は流れない。そのため、電圧源コンデンサ１０の電圧を維持することができ、安定した回復電圧を供給することができる。これにより、電流遮断性能と電流遮断後の耐圧性能とを１度の試験で検証することができる。

［試験方法の変形例］
上記の試験方法では、始動スイッチ１１の投入タイミングを直流遮断器１による電流遮断よりも前とし、当該遮断よりも前に電圧源回路Ｂを直流遮断器１に接続するようにしたが、電流遮断時に、事故電流相当の電流と、事故電流遮断に伴う電圧相当の所定の回復電圧とが直流遮断器１に与えられれば良く、電圧源回路Ｂの直流遮断器１への接続タイミングを当該遮断と同時としても良い。このようにしても電流遮断時に、事故電流相当の電流と、事故電流遮断に伴う電圧相当の所定の回復電圧を与えることができる。

［１−４．効果］
（１）本実施形態の直流遮断器の試験装置は、直流電流を遮断する直流遮断器の試験装置において、直流遮断器１に対して、事故電流相当の電流を供給する電流源回路Ａと、直流遮断器１に対して、回復電圧を供給する電圧源回路Ｂと、を備え、電圧源回路Ｂは、回復電圧を印加するための電圧源コンデンサ１０と、電圧源コンデンサ１０と直列接続された第１の抵抗１２と、を有するようにした。

これにより、電流源回路Ａによって直流遮断器１の電流遮断性能を試験でき、電圧源回路Ｂに抵抗１２を設けたことにより、直流遮断器１に対して安定した回復電圧を印加することができるので、耐圧性能を試験できる。従って、本実施形態によれば、直流遮断器１の電流遮断性能及び電流遮断後の耐圧性能を試験することができる。よって、本実施形態によれば、直流遮断器の遮断性能を検証する直流遮断器の試験装置を提供することができる。

（２）抵抗１２の抵抗値は、電圧源回路Ｂが直流遮断器１に対して供給する電流が、事故電流相当の電流の１０００分の１以下となる値とした。これにより、電圧源コンデンサ１０の電圧降下を抑えることができ、電流遮断後に安定して高い回復電圧を供給できる。そのため、信頼性の高い試験を行うことができる。

（３）電流源回路Ｂは、直流遮断器１に接続され、交流電流を発生させる短絡発電機２と、短絡発電機２と直流遮断器１との間に接続され、電流の遮断及び投入を行う投入スイッチ４と、短絡発電機２と直流遮断器１との間に接続されたリアクトル５と、リアクトル５と直流遮断器１との間に接続された機械式の補助遮断器８と、を有するようにした。

これにより、事故電流相当の電流を直流遮断器１に供給することができる。すなわち、直流遮断器１が設けられる直流系統の事故を模擬でき、直流遮断器１の遮断性能を検証することができる。また、この電流源回路Ｂとしては、一般的な交流遮断器の大電力試験設備の電流源回路と同じ設備を用いることができる。従って、交流遮断器の合成試験法で用いる既存の試験装置で直流遮断器１の遮断試験を行うので、設備投資や設備配置の敷地などを別途準備する必要がない。また、高額で大型化する大容量の直流発電機や整流器を導入する必要がない。従って、安価に直流遮断器１の試験装置が得られ、経済的な利点を得ることができる。

（４）電圧源回路Ｂは、抵抗１２と直列接続された抵抗１３と、抵抗１３と直列接続されたコンデンサ１４と、を有するようにした。これにより、直流遮断器１に供給する回復電圧を調整することができる。

［２．その他の実施形態］
本明細書においては、本発明に係る複数の実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図していない。以上のような実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

他の実施形態としては、上記の遮断瞬時の試験方法や遮断後の試験方法を、作業員によれず、制御部を設けて実現しても良い。すなわち、制御部は、シーケンス管理するためのプログラムが記憶された記録媒体を有するコンピュータであり、当該プログラムを実行することで、各回路Ａ、Ｂのそれぞれの機器に所定のタイミングで接続又は遮断の指令を出力するようにしても良い。

サージアブソーバ１０２は、直流遮断器１の内部に設けたが、遮断部１０１と並列に設けるのであれば、直流遮断器１の外部に設けるようにしても良い。

１ 直流遮断器
１０１ 遮断部
１０２ サージアブソーバ
Ａ 電流源回路
２ 短絡発電機
３ 保護遮断器
４ 投入スイッチ
５ リアクトル
６ 抵抗
７ コンデンサ
８ 補助遮断器
４１ サージ吸収部
Ｂ 電圧源回路
９ 充電装置
１０ 電圧源コンデンサ
１１ 始動スイッチ
１２ 抵抗
１３ 抵抗
１４ コンデンサ
１５ 電流
１６ サージアブソーバ電流
１７ 回復電圧
１８ 電圧源コンデンサ電圧

Claims (4)

1. 直流電流を遮断する直流遮断器の試験装置において、
   前記直流遮断器に対して、事故電流相当の電流を供給する電流源回路と、
   前記直流遮断器に対して、回復電圧を供給する電圧源回路と、
   を備え、
   前記電圧源回路は、
   前記回復電圧を印加するための電圧源コンデンサと、
   前記電圧源コンデンサと直列接続された第１の抵抗と、
   を有し、
   前記第１の抵抗の抵抗値は、前記電圧源回路が前記直流遮断器に対して供給する電流が、前記事故電流相当の電流の１０００分の１以下となる値であること、
   を特徴とする直流遮断器の試験装置。
2. 前記電流源回路は、
   前記直流遮断器に接続され、交流電流を発生させる短絡発電機と、
   前記短絡発電機と前記直流遮断器との間に接続され、電流の遮断及び投入を行う投入開閉部と、
   前記短絡発電機と前記直流遮断器との間に接続されたリアクトルと、
   前記リアクトルと前記直流遮断器との間に接続された機械式遮断器と、
   を有すること、
   を特徴とする請求項１に記載の直流遮断器の試験装置。
3. 前記電圧源回路は、
   前記第１の抵抗と直列接続された第２の抵抗と、
   前記第２の抵抗と直列接続されたコンデンサと、
   前記直流遮断器に対する前記電圧源コンデンサの接続と遮断を切り替えるスイッチと、
   を有すること、
   を特徴とする請求項３に記載の直流遮断器の試験装置。
4. 前記投入開閉部、前記機械式遮断器、及び前記スイッチを制御する制御部を備え、
   前記制御部は、
   前記投入開閉部及び前記機械式遮断器に、前記短絡発電機を前記直流遮断器に接続させ、
   前記スイッチに、前記直流遮断器の遮断以前に前記電圧源コンデンサを前記直流遮断器に接続させ、
   前記直流遮断器の遮断と同時に前記投入開閉部及び前記機械式遮断器を遮断させること、
   を特徴とする請求項４に記載の直流遮断器の試験装置。

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