JP6919808B2

JP6919808B2 - 過電流抑制装置及び直流配電システム

Info

Publication number: JP6919808B2
Application number: JP2017160758A
Authority: JP
Inventors: 和宏黒田
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 2017-08-24
Filing date: 2017-08-24
Publication date: 2021-08-18
Anticipated expiration: 2037-08-24
Also published as: JP2019040710A

Description

本発明は、過電流抑制装置及び当該過電流抑制装置を備えた直流配電システムに関するものである。

従来、特許文献１に示すように、直流き電回路に接続された蓄電システムにおいて、蓄電池と、当該蓄電池を充放電するスイッチング回路部と、当該スイッチング回路部と並列に接続される直流コンデンサと、蓄電池及び直流コンデンサの間で、蓄電池と直流き電回路を接続する電気経路を開放する蓄電池側遮断器とを備えたものがある。

この蓄電システムでは、蓄電池及びスイッチング回路部の間に蓄電池側リアクトルが接続されており、直流コンデンサ及び直流き電回路の間に電線側リアクトルが接続されている。そして、蓄電池側リアクトルは、蓄電池側遮断器により事故電流が遮断されるまでの遮断時間内に飽和しないように構成されている。また、電線側リアクトルは、前記遮断時間内に飽和しないように構成されている。

この蓄電システムでは、系統事故時に遮断時間内に飽和しないように構成されるリアクトルにより、直流コンデンサ又は蓄電池からの事故電流を抑制することができる。

しかしながら、上記の蓄電システムでは、リアクトルが飽和する前に高速で遮断する必要があるため、蓄電システムが健全であっても、直流き電回路上にある他の直流負荷が短絡故障した場合にも遮断されてしまう。そのため、健全な蓄電システムなどの直流負荷を継続して運転させることができなくなってしまう。

特開２０１６−２０１９２０号公報

そこで本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、事故電流等の過電流の原因となった直流負荷を遮断しつつ、健全な直流負荷を継続して運転できるようにすることをその主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係る過電流抑制装置は、直流電力を供給するための直流線路に直流負荷及びコンデンサを並列接続した複数の直流負荷部をそれぞれ主遮断器を介して接続してなる直流配電システムに用いられ、前記直流負荷部から出力される過電流を抑制する過電流抑制装置であって、前記主遮断器及び前記直流負荷部の間に設けられた限流素子と、前記限流素子に並列接続された半導体遮断器と、前記直流負荷部から出力される過電流を検出する過電流検出部と、前記過電流検出部により検出された電流値が所定の条件を満たす場合に、前記半導体遮断器を開放する半導体遮断器制御部とを備えることを特徴とする。

このような過電流抑制装置であれば、過電流検出部により過電流が検出された場合に半導体遮断器制御部が半導体遮断器を開放するので、過電流は限流素子によりその立ち上がりと最大値とが抑制される。これにより、故障箇所の検出時間を確保することができる。その結果、事故電流等の過電流の原因となった直流負荷を遮断しつつ、健全な直流負荷を継続して運転できるようになる。

限流素子の具体的な実施の態様としては、抵抗器を用いることが考えられる。

半導体遮断器制御部による具体的な制御内容としては、前記半導体遮断器制御部は、前記検出された電流値の絶対値と前記検出された電流値の時間変化率とがそれぞれ所定の閾値を超えた場合に、前記半導体遮断器を開放するものであることが望ましい。この構成であれば、過電流の誤検出を防止して、より精度良く過電流を検出することができ、その結果、事故電流等の過電流の原因となった直流負荷を確実に遮断できるようになる。

過電流抑制装置は、前記限流素子に並列接続されるとともに前記遮断器に直列接続された開閉器と、前記開閉器の開閉を制御する開閉器制御部とを備え、前記開閉器制御部は、前記半導体遮断器が開放された場合に前記開閉器を開放するとともに、その後、前記直流負荷部の直流電圧が回復した場合に前記開閉器を閉じるものであることが望ましい。
この構成であれば、直流電圧が回復した時に流れる突入電流を限流素子によって抑制することができる。

また、直流配電システムにおいて、複数の直流負荷部それぞれに対応して上記の過電流抑制装置が設けられていることが望ましい。

このように構成した本発明によれば、事故電流等の過電流の原因となった直流負荷を遮断しつつ、健全な直流負荷を継続して運転できるようになる。

本実施形態の直流配電システムの回路構成を模式的に示す図である。同実施形態の過電流抑制装置の構成を模式的に示す図である。短絡電流の抑制効果を示すシミュレーション条件を示す図である。短絡電流の抑制効果を示すシミュレーション結果を示す図である。

以下に、本発明に係る直流配電システムの一実施形態について、図面を参照して説明する。

＜装置構成＞
本実施形態の直流配電システム１００は、図１に示すように、直流電力を供給するための直流線路２ｐ、２ｎを有しており、当該直流線路２ｐ、２ｎに直流負荷３１及びコンデンサ３２を並列接続した複数の直流負荷部３をそれぞれ主遮断器４を介して接続して構成されている。

なお、直流線路２ｐ、２ｎは、交流電力系統からの交流電圧を直流電圧に変換する交流−直流変換回路に接続されたものであっても良いし、直流電源に接続されたものであっても良い。

また、直流負荷３１として、図１には蓄電池を例示しているが、これに限られず種々の直流負荷が考えられる。

然して、直流配電システム１００には、直流負荷部３から出力される短絡電流などの過電流を抑制する過電流抑制装置５を備えている。この過電流抑制装置５は、複数の直流負荷部３それぞれに対応して設けられている。

この過電流抑制装置５は、図２に示すように、主遮断器４及び直流負荷部３の間に設けられた限流素子５１と、この限流素子５１に並列接続された半導体遮断器５２と、直流負荷部３から出力される過電流を検出する過電流検出部５３と、過電流検出部５３により検出された電流値が所定の条件を満たす場合に、半導体遮断器５２を開放する半導体遮断器制御部５４とを備えている。なお、半導体遮断器制御部５４等の制御部は演算制御回路５０によりその機能が構成されている。

本実施形態の限流素子５１は抵抗器である。この抵抗器は、コンデンサ３２からの故障電流を適切なレベルまで抑制できる抵抗を有し、直流コンデンサ３２及び直流線路２ｎ、２ｐを過電流から保護するものである。

そして、半導体遮断器制御部５４は、過電流検出部５３により検出された電流値の絶対値と検出された電流値の時間変化率とがそれぞれ所定の閾値を超えた場合に、半導体遮断器５２を開放する。なお、半導体遮断器制御部５４は、前記検出された電流を微分することによって当該電流の時間変化率を演算する。

また、本実施形態の過電流抑制装置５は、限流素子５１に並列接続されるとともに半導体遮断器５２に直列接続された開閉器５５と、当該開閉器５５の開閉を制御する開閉器制御部５６とを備えている。なお、開閉器５５は、機械式スイッチであってもいし、半導体スイッチであってもよい。

そして、開閉器制御部５６は、半導体遮断器５２が開放された場合に開閉器５５を開放するとともに、その後、直流負荷部３の直流電圧が回復した場合に開閉器５５を閉じる。

次にこのように構成された過電流抑制装置５の動作について説明する。

何れかの直流負荷部３又は直流線路２ｐ、２ｎに接続されて直流負荷部３に電力を供給する配線（フィーダ回路）で短絡故障が発生した場合には、その他の健全な直流負荷部３のコンデンサ３２から故障電流が流れる。この故障電流は過電流検出部５３により検出される。

そして半導体遮断器制御部５４は、検出された電流の絶対値及び時間変化率に基づいて半導体遮断器５２を開放する。そうすると、故障電流は抵抗器５１に流れて故障電流の立ち上がりと最大値が抑制される。その後、直流負荷部３の直流電圧の回復を検出すると、半導体遮断器５２をリセットする。なお、直流電圧が回復するまでは半導体遮断器５２はリセットしない。

また、開閉器制御部５６は、半導体遮断器制御部５４の開放指令と連動して、開閉器５５を開放する。その後、開閉器制御部５６は、半導体遮断器５２がリセットされた後に、開閉器５５を閉じる。これにより、直流電圧が回復して半導体遮断器５２をリセットする際に流れる突入電流を抑制することができる。

次に、本実施形態の過電流抑制装置５による短絡電流の抑制結果を示す。
図３に過電流抑制装置の抑制効果を示すシミュレーション条件を示している。
直流線路２ｐ、２ｎの直流電圧は１５００Ｖであり、抵抗器５１の抵抗は１０Ωであり、コンデンサ３２の静電容量は５０００μＦであり、直流負荷３１である蓄電池の出力電圧は４００Ｖであり、直流線路２ｐ、２ｎの抵抗は０．０３Ωであり、直流線路２ｐ、２ｎのインダクタンスは０．０５ｍＨである。この条件において、至近端の直流負荷部３へのフィーダ回路において短絡事故が発生した場合をシミュレーションした。

この条件下において、短絡故障が発生した場合に、過電流抑制装置５が無いシステムと、過電流抑制装置５が有るシステムとのシミュレーション結果を図４に示す。図４の上図は直流電圧の変動を示し、下図は直流電流の変動を示している。

図４の下図から分かるように、過電流抑制装置５が無い場合には、大きな過電流が発生しているが、過電流抑制装置５が有る場合には、過電流が大幅に抑制されて、短絡事故前後において直流電流がほとんど変動していないことがわかる。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態の直流配電システム１００によれば、過電流検出部５３により過電流が検出された場合に半導体遮断器制御部５４が半導体遮断器５２を開放するので、過電流は抵抗器５１によりその立ち上がりと最大値とが抑制される。これにより、故障箇所の検出時間を確保することができる。その結果、事故電流（過電流）の原因となった直流負荷３１のみを遮断し、健全な直流負荷３１を継続して運転できるようになる。

また、半導体遮断器制御部５４が電流値の絶対値と時間変化率とがそれぞれ所定の閾値を超えた場合に、半導体遮断器５２を開放するので、過電流の誤検出を防止して、より精度良く過電流を検出することができ、その結果、事故電流（過電流）の原因となった直流負荷３１を確実に遮断できるようになる。

さらに、開閉器制御部５６は、半導体遮断器５２が開放された場合に開閉器５５を開放するとともに、その後、直流負荷部３の直流電圧が回復した後に開閉器５５を閉じるので、直流電圧が回復した時（半導体遮断器５２をリセットした時）に流れる突入電流を抵抗器５１によって抑制することができる。

＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、前記実施形態では限流素子５１として抵抗器を用いた場合を示しているが、リアクトルを用いたものであってもよいし、抵抗器及びリアクトルの両方を用いたものであってもよい。

また、半導体遮断器制御部５４は、検出された電流の絶対値と時間変化率とをパラメータとして半導体遮断器５２の開放を制御しているが、それらのうち一方をパラメータとして制御するものであってもよいし、その他、検出された電流から得られる演算値をパラメータとして制御するものであってもよい。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・直流配電システム
２ｐ・・・直流線路
２ｎ・・・直流線路
３・・・直流負荷部
３１・・・直流負荷
３２・・・コンデンサ
４・・・主遮断器
５・・・過電流抑制装置
５０・・・演算制御回路
５１・・・限流素子（抵抗器）
５２・・・半導体遮断器
５３・・・過電流検出部
５４・・・半導体遮断器制御部
５５・・・開閉器
５６・・・開閉器制御部

Claims

直流電力を供給するための直流線路に直流負荷及びコンデンサを並列接続した複数の直流負荷部をそれぞれ主遮断器を介して接続してなる直流配電システムに用いられ、前記直流負荷部から出力される過電流を抑制する過電流抑制装置であって、
前記主遮断器及び前記直流負荷部の間に設けられた限流素子と、
前記限流素子に並列接続された半導体遮断器と、
前記直流負荷部から出力される過電流を検出する過電流検出部と、
前記過電流検出部により検出された電流値が所定の条件を満たす場合に、前記半導体遮断器を開放する半導体遮断器制御部と、
前記限流素子に並列接続されるとともに前記遮断器に直列接続された開閉器と、
前記開閉器の開閉を制御する開閉器制御部とを備え、
前記開閉器制御部は、前記半導体遮断器が開放された場合に前記開閉器を開放するとともに、その後、前記直流負荷部の直流電圧が回復した場合に前記開閉器を閉じるものである、過電流抑制装置。
前記限流素子は抵抗器である、請求項１記載の過電流抑制装置。
前記半導体遮断器制御部は、前記検出された電流値の絶対値と前記検出された電流値の時間変化率とがそれぞれ所定の閾値を超えた場合に、前記半導体遮断器を開放するものである、請求項１又は２記載の過電流抑制装置。
前記複数の直流負荷部それぞれに対応して請求項１乃至３の何れか一項に記載の過電流抑制装置が設けられている直流配電システム。