JP7018959B2 - 直流遮断装置 - Google Patents

Description

本発明は、直流電流を遮断する直流遮断装置に関する。

電力送配電網（以下では電力網とよぶ）に事故電流が発生した場合、電力網に接続された機器と電力網を保護するため、故障発生箇所を電力網から迅速に切り離す必要がある。事故電流の遮断には、一対の接点を備え、接点を開極させて事故電流を遮断する遮断器が用いられる。

電極の開放によって遮断を行なう遮断器は、電流が流れている状態で電極を開放すると、電極間にアーク放電が発生して通電が継続し電流を遮断できない。そのため、電流の遮断には電流値が零となる瞬間である電流零点の発生が必要である。交流電流と異なり、直流電流を遮断する場合には、強制的に電流零点を発生させる必要がある。

直流電流に電流零点を発生させる装置として、たとえば限流ヒューズがある。限流ヒューズは、通電電流によって溶断される。より詳細には、限流ヒューズの備えるヒューズエレメントと呼ばれる金属の可溶部が通電電流によって発熱して溶断される。そして、限流ヒューズの端子間に電源電圧以上の電圧降下が発生し、電流が減少して電流零点を形成する。

限流性能の高い限流ヒューズとは、事故電流が発生してから限流が開始されるまでの時間及び事故電流が発生してから電流零点が形成されるまでの時間が短く、事故電流発生後に限流ヒューズを流れる最大電流値が小さい限流ヒューズを意味する。ヒューズエレメントの線径が小さいほど、限流ヒューズの溶断までの時間は短くなり限流性能が向上する。

一方、限流ヒューズはヒューズエレメントの線径が小さいほど、事故電流が発生していないとき（以下、定常時とよぶ）の誤溶断が発生しやすい。定格電流を超える電流が流れることによる定常時の限流ヒューズの劣化を抑制する方法として、複数の限流ヒューズを並列接続し、各限流ヒューズを流れる電流を小さくする方法がある。

しかしながら、複数の限流ヒューズを並列接続した直流遮断器は、事故電流発生時に各限流ヒューズに流れる電流が減少する。そのため、事故電流の発生からヒューズエレメントの溶断までにかかる時間が長くなり、直流遮断器の限流性能が低下してしまうという課題がある。

特許文献１に開示された遮断装置は、転流用開閉器と断路用開閉器とが直列に接続されている。また、転流用開閉器に対し限流素子が並列に接続されている。定常時には、遮断装置を流れる電流は、閉状態の転流用開閉器と閉状態の断路用開閉器を通過する。

特許文献１に開示された遮断装置に過電流が発生すると、まず転流用開閉器が開状態となり、転流用開閉器に並列に接続された限流素子に過電流が流れる。次に、限流素子の抵抗又は限流素子のリアクトルにより過電流が限流される。さらに、断路用開閉器によって、限流された過電流が遮断される。

実開昭６２－８２５３８号公報

特許文献１の遮断装置は、限流素子が溶断された際に限流素子の両端の電圧が大きくなるため、転流用開閉器にアークが発生して通電が継続され、十分に限流を行うことができないという課題があった。

この発明は、以上に説明した遮断装置の課題を解決するためになされたものであり、定常時における限流ヒューズの誤溶断が発生しにくく、かつ事故電流発生時には高い限流性能を発揮する直流遮断装置を提供することを目的とする。

この発明に係る直流遮断装置は、第ｋ－１限流ヒューズ（ｋは２以上Ｎ以下の整数、Ｎは２以上の整数）を含む第ｋ－１電流経路と、第ｋ－１電流経路に並列接続され、第ｋ－１電流経路のインダクタンス成分よりもインダクタンス値の大きいインダンクタンス成分を有し、第ｋ限流ヒューズを含む第ｋ電流経路とを備える。

本発明によれば、事故電流の発生していない定常時における限流ヒューズの誤溶断が発生しにくく、かつ事故電流発生時に高い限流性能を発揮する直流遮断装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る直流遮断装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る直流遮断装置を流れる電流の時間依存性を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る３以上の電流経路を備える直流遮断装置の構成図である。 本発明の実施の形態２に係る直流遮断装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る直流遮断装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態４に係る直流遮断装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態４に係る直流遮断装置を流れる電流の時間依存性を示す図である。

本発明を実施するための形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態は例示であって、以下の実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る直流遮断装置の構成を示す図である。図１（ａ）及び図１（ｂ）は、いずれも直流遮断装置１００を図示する。電流経路１０と電流経路２０の範囲をわかりやすく示すため、図１（ａ）及び図１（ｂ）にそれぞれ、電流経路１０及び電流経路２０を点線の枠で囲って図示した。

直流遮断装置１００は電流経路１０と、電流経路１０に対して接続点Ｃ_１及び接続点Ｃ_２において並列に接続された電流経路２０を備える。インダクタンス成分ＩＣ_１及び抵抗成分ＲＣ_１はそれぞれ、電流経路１０全体のインダクタンス及び電流経路１０全体の抵抗成分である。直流遮断装置１００は、端子のいずれか一方又は両方が電力網（図示せず）に接続されている。

直流遮断装置１００では、接続点Ｃ_１及び接続点Ｃ_２において第１電流経路と第２電流経路が接続されているがこのような構成に限定されるものではない。第１電流経路と第２電流経路が並列に接続され、そして、各電流経路のインダクタンス成分の間の関係及び抵抗成分の間の関係が直流遮断装置１００のようになっていれば本発明の効果を奏する。

電流経路１０には限流ヒューズＨ_１が挿入されている。電流経路１０を通過する電流を電流Ｉ_１とする。インダクタンス成分ＩＣ_２及び抵抗成分ＲＣ_２はそれぞれ、電流経路２０全体のインダクタンス及び電流経路２０全体の抵抗である。電流経路２０には限流ヒューズＨ_２が挿入されている。

電流経路２０を通過する電流を電流Ｉ_２とする。直流遮断装置１００全体を流れる電流を全電流Ｉとする。電流はすべて接続点Ｃ_１から接続点Ｃ_２に向かって流れる。

インダクタンス成分ＩＣ_１の値及び抵抗成分ＲＣ_１の値をそれぞれ、インダクタンス値Ｌ_１及び抵抗値Ｒ_１とする。インダクタンス成分ＩＣ_２の値及び抵抗成分ＲＣ_２の値をそれぞれ、インダクタンス値Ｌ_２及び抵抗値Ｒ_２とする。インダクタンス値Ｌ_２はインダクタンス値Ｌ_１より大きい。また、抵抗値Ｒ_１と抵抗値Ｒ_２は等しい。

インダクタンス値Ｌ_１及びインダクタンス値Ｌ_２は、リアクトルなどのインダクタンス成分を有する回路素子を挿入することによって調整することができる。また、配線の寄生インダクタンスを利用して、電流経路１０及び電流経路２０の配線の長さを変化させてインダクタンス値Ｌ_１及びインダクタンス値Ｌ_２を調整してもよい。

図２は本発明の実施の形態１に係る直流遮断装置を流れる電流の時間依存性を示す図である。図２の縦軸は全電流Ｉ、電流Ｉ_１及び電流Ｉ_２である。横軸は時刻ｔである。図２（ａ）の３つの図は、直流遮断装置１００の事故電流発生時の遮断動作における、全電流Ｉ、電流Ｉ_１及び電流Ｉ_２の時間依存性を図示している。

図２（ａ）及び図２（ｂ）に示された時刻は３つの横軸の間で共通である。例えば、事故発生時刻Ｔ_Ｆは、全電流Ｉを示す図、電流Ｉ_１を示す図及び電流Ｉ_２を示す図において同時刻をあらわす。また、縦軸と平行に延びる点線上の点は同時刻を示す。例えば、図２（ａ）の全溶断時刻Ｔ_Ｌ１の位置の点線上の点は、図２（ａ）の３つの図の中では同時刻である。

図２（ｂ）は直流遮断装置１０１の電流の時間依存性である。直流遮断装置１０１は、説明中で直流遮断装置１００と対比するために示された構成であり、本発明の実施の形態に係る直流遮断装置ではない。直流遮断装置１０１の構成は、インダクタンス値Ｌ_１とインダクタンス値Ｌ_２が等しくなるように設定されている点を除き、直流遮断装置１００と同一である。

図２（ａ）及び図２（ｂ）を用いて実施の形態１に係る直流遮断装置１００の動作と効果について説明する。

事故電流が発生していない状態を定常時とする。図２（ａ）の定常時は事故電流が発生する時刻である事故発生時刻Ｔ_Ｆより前である。定常時には、直流遮断装置１００を流れる全電流Ｉ、電流Ｉ_１及び電流Ｉ_２は時間に依存して変化しない。そのため、インダクタンス成分ＩＣ_１及びインダクタンス成分ＩＣ_２に起因する電圧降下は発生しない。

前述のように、抵抗値Ｒ_１と抵抗値Ｒ_２が同じ値となるように構成されていることにより定常時の電流Ｉ_１と定常時の電流Ｉ_２は等しい。すなわち、定常時の電流Ｉ_１及び定常時の電流Ｉ_２は定常時の全電流Ｉの２分の１となる。例えば、ケーブルの線径及びケーブルの長さを調整することにより、抵抗値Ｒ_１と抵抗値Ｒ_２を等しくすることができる。

直流遮断装置１００においては、定常時に全電流Ｉが電流Ｉ_１と電流Ｉ_２に分流され、限流ヒューズＨ_１及び限流ヒューズＨ_２に流れる電流が全電流Ｉの半分となる。そのため、ひとつの電流経路にひとつの限流ヒューズが設けられた直流遮断装置に比べて、定常時のヒューズエレメント可溶部の熱劣化を抑制し、ヒューズエレメントの誤溶断の発生を抑制することができる。

直流遮断装置１００が挿入された電力網において、図２（ａ）の事故発生時刻Ｔ_Ｆに事故が発生し、事故発生時刻Ｔ_Ｆ直後から全電流Ｉが増大する。インダクタンス値Ｌ_１よりインダクタンス値Ｌ_２の方が大きいため、電流経路１０のインピーダンスに比べ電流経路２０のインピーダンスの方が大きくなる。

このインピーダンスの差により、全電流Ｉの増大に伴い、電流Ｉ_１は増大し、電流Ｉ_２は減少する。ここで、抵抗値Ｒ_１及び抵抗値Ｒ_２は事故電流発生時の電流経路１０のインピーダンスに比べて十分小さく設定されているため、事故電流発生直後の電流Ｉ_１と電流Ｉ_２の分流比に影響を与えない。

事故電流発生時の電流経路１０と電流経路２０の間の分流比は、インダクタンス値Ｌ_１とインダクタンス値Ｌ_２の比に近い値となる。

限流ヒューズには以下に述べるような性質がある。限流ヒューズを流れる電流値が定格電流を越えた時間を積分区間とし、限流ヒューズを流れる電流値をこの積分区間、時間積分して積分値を求める。この積分値がしきい値を超えた場合に限流ヒューズが溶断する。 この性質により、限流ヒューズＨ_１が限流ヒューズＨ_２より先に溶断する。

図２（ａ）に示すように、限流ヒューズＨ_１に溶断が発生する時刻を溶断時刻Ｔ_１とする。次に電流Ｉ_２が増大し、限流ヒューズＨ_２が溶断する。限流ヒューズＨ_２が溶断する時刻を全溶断時刻Ｔ_Ｌ１とする。全溶断時刻Ｔ_Ｌ１における全電流Ｉを遮断電流Ｉ_ｐ１とする。ここで、遮断電流Ｉ_ｐ１は、事故発生から遮断完了までに直流遮断装置１００を流れる最大の電流値となる。

全溶断時刻Ｔ_Ｌ１以降は、限流ヒューズＨ_１及び限流ヒューズＨ_２にアークが発生することにより通電が継続し、遮断時刻Ｔ_Ｉ１においてアークの発生が停止し遮断が完了する。以上が、直流遮断装置１００の事故電流発生から遮断までの動作である。

次に、直流遮断装置１０１の事故電流発生時の動作について説明する。図２（ｂ）に示す直流遮断装置１０１の説明には、直流遮断装置１００の構成要素に付された名称及び符号を使用する。図２（ｂ）の事故発生時刻Ｔ_Ｆにおいて事故電流が発生し、事故発生時刻Ｔ_Ｆ直後から全電流Ｉが増大する。

直流遮断装置１０１は、インダクタンス値Ｌ_１とインダクタンス値Ｌ_２とがほぼ等しいため、事故電流発生時の電流Ｉ_１と電流Ｉ_２はほぼ等しくなる。そのため、限流ヒューズＨ_１及び限流ヒューズＨ_２がほぼ同時に溶断する。この溶断時刻を全溶断時刻Ｔ_Ｌ２とする。また、全溶断時刻Ｔ_Ｌ２における直流遮断装置１０１を流れる全電流Ｉを遮断電流Ｉ_ｐ２とする。

全溶断時刻Ｔ_Ｌ２以降は、限流ヒューズＨ_１、限流ヒューズＨ_２のいずれか一方又は両方にアークが発生することにより通電が継続し、遮断時刻Ｔ_Ｉ２においてアークの発生が停止し遮断が完了する。以上が、直流遮断装置１０１の事故発生から遮断までの動作である。

以下に、直流遮断装置１００と直流遮断装置１０１を比較することにより、直流遮断装置１００の特徴について説明する。第一に、事故発生時刻Ｔ_Ｆと全溶断時刻Ｔ_Ｌ１との間の時間に比べ、事故発生時刻Ｔ_Ｆと全溶断時刻Ｔ_Ｌ２との間の時間が長い。

すなわち、事故発生時、直流遮断装置１００は、２つの電流経路のインダクタンス値の間に差を設けた。そのため、電流が分散されずに各電流経路に順次集中し、限流ヒューズの溶断に要する時間を短くし、すべての限流ヒューズを溶断させるまでに要する時間を短くすることができる。

また、直流遮断装置１００では、限流を２段階に分けて行うため、遮断電流Ｉｐ_２よりも遮断電流Ｉｐ_１を小さくすることができる。すなわち、実施の形態１に係る直流遮断装置１００は、直流遮断装置１０１に比べて限流の際に流れる事故電流の最大値を小さくすることができるという効果を奏する。

さらに、直流遮断装置１００は直流遮断装置１０１に比べ、事故発生から直流遮断装置１００を流れる全電流Ｉが零点を迎えるまでの時間も短縮される。すなわち、事故発生時刻Ｔ_Ｆと遮断時刻Ｔ_Ｉ１ の間の時間が、事故発生時刻Ｔ_Ｆと遮断時刻Ｔ_Ｉ２の間の時間より短い。

以上、述べたように、直流遮断装置１００は、定常時においては、複数の電流経路の抵抗成分を等しくすることによって、均等に電流を分流し、限流ヒューズの劣化の進行を抑制することができる。

さらに、インダクタンス値Ｌ_１とインダクタンス値Ｌ_２が等しい場合に比べ、実施の形態１に係る直流遮断装置１００は、各電流経路に対して、順次電流を集中して各限流ヒューズを溶断させ、より短い時間で事故電流を遮断又は限流することができる。

すなわち、直流遮断装置１００は、事故発生時刻Ｔ_Ｆから事故電流の限流が開始される時刻となる全溶断時刻Ｔ_Ｌ１までの時間を短くする効果を奏する。また、遮断電流Ｉ_ｐ１を小さくすることができる。そのため、事故発生箇所に直流遮断装置を介して接続されていた機器への損傷又は電力網への損傷を軽減できる効果がある。

以上により、本発明の実施の形態１に係る直流遮断装置は、定常時における限流ヒューズの誤溶断が発生しにくく、かつ事故電流発生時には高い限流性能を発揮することができる直流遮断装置を提供することができる。

また、図１に係る直流遮断装置１００は２つの限流ヒューズが並列接続される構成であるが、３以上の限流ヒューズが並列接続される構成とし、定常時のヒューズ可溶部の劣化をさらに抑制し、かつより高い限流性能を備える直流遮断装置１００ａを構成できる。図３は本発明の実施の形態１に係る３以上の電流経路を備える直流遮断装置の構成図である。

図３を用いて、Ｎ個（Ｎは３以上）の電流経路を備える直流遮断装置１００ａの構成及び動作について説明する。図１と構成が同じ部分については説明を省略する。直流遮断装置１００ａは電流経路１０から電流経路１０Ｎを備える。電流経路１０から電流経路１０Ｎは互いに接続点Ｃ_１及び接続点Ｃ_２において並列に接続されている。

直流遮断装置１００ａでは、接続点Ｃ_１及び接続点Ｃ_２において第１電流経路から第Ｎ電流経路までが接続されているがこのような構成に限定されるものではない。第１電流経路から第Ｎ電流経路までが並列に接続され、そして、各電流経路のインダクタンス成分の間の関係及び抵抗成分の間の関係が直流遮断装置１００ａのようになっていれば本発明の効果を奏する。

図３には複数の電流経路のうち、電流経路１０（ｋ－１）及び電流経路１０ｋが個別に図示されている。一方、電流経路１０から電流経路１０（ｋ－２）までで構成される並列電流経路は並列電流経路２５０としてまとめて図示されている。ここで、ｋは２以上Ｎ以下であり、以下の説明でのｋは２以上Ｎ以下の任意のｋを意味する。

また、電流経路１０（ｋ＋１）から電流経路１０Ｎまでで構成される並列電流経路は並列電流経路３５０としてまとめて図示されている。ｋ＝２の場合、並列電流経路２５０はない。ｋ＝３の場合、並列電流経路２５０は電流経路１０のみである。また、ｋ＝Ｎ－１の場合、並列電流経路３５０は電流経路１０Ｎのみとなる。ｋ＝Ｎの場合、並列電流経路３５０はない。

電流経路１０（ｋ－１）は、インダクタンス成分ＩＣ_ｋ－１、抵抗成分ＲＣ_ｋ－１を備える。電流経路１０ｋは、インダクタンス成分ＩＣ_ｋ、抵抗成分ＲＣ_ｋを備える。直流遮断装置１００と同様に、抵抗値Ｒ_ｋと抵抗値Ｒ_ｋ－１は等しく、インダクタンス値Ｌ_ｋはインダクタンス値Ｌ_ｋ－１より大きい。

また、電流経路１０（ｋ－１）及び電流経路１０ｋにはそれぞれ、限流ヒューズＨ_ｋ－１及び限流ヒューズＨ_ｋが挿入されている。直流遮断装置１００ａ全体を流れる電流を全電流Ｉ_ａとする。電流経路１０（ｋ－１）を流れる電流を電流Ｉ_{ｋ－１、ａ}とする。電流経路１０ｋを流れる電流を電流Ｉ_ｋ、ａとする。

以下に、事故電流発生時の直流遮断装置１００ａの動作について説明する。事故電流が発生し、並列電流経路２５０に含まれる電流経路がすべて溶断された状態を考える。この場合、アークによる通電を除き通電が可能な電流経路は、電流経路１０（ｋ－１）、電流経路１０ｋ及び並列電流経路３５０である。

ここで、前述のように、インダクタンス値Ｌ_ｋ－１に比べてインダクタンス値Ｌ_ｋの方が大きい。さらに好ましくは、インダクタンス値Ｌ_ｋ－１に比べて、電流経路１０ｋ及び並列電流経路３５０の構成する電流経路のインダクタンス成分のインダクタンス値の方が大きい。このように構成されている場合、事故電流は電流経路１０（ｋ－１）に集中することにより、限流ヒューズＨ_ｋ－１が短い時間で溶断される。

その後、電流経路１０（ｋ－１）と同様に、事故電流が電流経路１０ｋに集中することにより限流ヒューズＨ_ｋが溶断される。このように、第１電流経路から第Ｎ電流経路まで、次々と各電流経路に事故電流が集中することにより、各限流ヒューズが溶断され短い時間で限流を完了することができる。

また、限流が完了した際に電流零点が形成され、限流ヒューズにアークが再度発生しなかった場合には、事故電流の遮断を完了することができる。以上が実施の形態１に係る直流遮断装置１００ａの動作である。

実施の形態１に係る直流遮断装置１００ａは、限流ヒューズ及び電流経路の数を３以上に増加させたため、各限流ヒューズを流れる定常時の電流値を電流経路が２本の場合より小さくすることができる。そのため、電流経路が２本の場合より誤溶断が発生しにくくすることができる。

また、電流経路が２本の場合より線径の小さいヒューズ可溶部を使用すれば、誤溶断の発生しやすさを電流経路が２本の場合と同じ程度に保ちながら、より高い限流性能を実現することもできる。

並列接続される電流経路の数が３以上の場合においても、各電流経路のインダクタンス値が全て異なるように、することにより、各電流経路に対して時間をずらして電流を集中させ、短い時間で限流ヒューズを溶断させることができる。

さらに好適には、２以上Ｎ以下の任意のｋに対し、電流経路１０（ｋ－１）のインダクタンス値を、電流経路１０ｋから電流経路１０Ｎによって構成される並列回路のインダクタンス値より小さく設定する。その結果、各電流経路に対して時間をずらして電流を集中させ、短い時間で限流ヒューズを溶断させることができる。

２個以上の限流ヒューズを用いた直流遮断装置１００は、次のように構成される。第ｋ－１限流ヒューズ（ｋは２以上Ｎ以下の整数、Ｎは２以上の整数）を含む第ｋ－１電流経路と、第ｋ－１電流経路に並列接続され、第ｋ－１電流経路のインダクタンス成分よりもインダクタンス値の大きいインダンクタンス成分を有し、第ｋ限流ヒューズを含む第ｋ電流経路とを備える。

さらに、第１電流経路から第Ｎ電流経路までの各電流経路の抵抗成分が等しい構成とする。抵抗成分が等しいことにより、定常時、各電流経路に流れる電流を等しくすることによって各電流経路に流れる電流値を小さくすることができる。そして、限流ヒューズの定常時の劣化を軽減し、限流ヒューズの誤溶断を発生しにくくすることができる。

また、第ｋ－１電流経路（ｋは２以上Ｎ以下の整数、Ｎは２以上の整数）のインダクタンス成分のインダクタンス値に比べ、第ｋ電流経路から第Ｎ電流経路によって構成される並列電流経路のインダクタンス成分のインダクタンス値が２倍以上となるよう構成することにより次のような効果を奏する。

第１電流経路から第ｋ－２電流経路までが溶断された場合において、第ｋ－１電流経路のインピーダンス値が、第ｋ電流経路から第Ｎ電流経路によって構成される並列電流経路のインピーダンス値の半分以下となる。そのため、第ｋ電流経路に電流が集中し、より短時間の間にすべての電流経路を溶断させることができる。

以上、本実施の形態の直流遮断装置によれば、複数の電流経路を備え、定常時の電流が複数の電流経路に分散される。また、電流経路ごとにインダクタンス成分が異なるため、事故電流発生時に、電流経路ごとに異なるインピーダンスが発生する。

そのため、インダクタンス成分が最も小さい電流経路から順番に電流の集中が発生し、事故発生から遮断完了までに直流遮断装置に流れる最大の電流値である遮断電流を抑制することができる。さらに、事故電流の発生から電流の遮断が完了するまでの時間を短縮できる。

そのため、本実施の形態の直流遮断装置によれば、事故電流の発生していない定常時における限流ヒューズの誤溶断が発生しにくく、かつ事故電流発生時に高い限流性能を発揮するという顕著な効果を奏する。

実施の形態２．
実施の形態２に係る直流遮断装置１００ｂは、実施の形態１に係る直流遮断装置１００に対して直列に遮断器３を接続したものである。図４は本発明の実施の形態２に係る直流遮断装置の構成を示す図である。電流経路１０及び電流経路２０の配置及び範囲は図１と同様である。電流経路１０及び電流経路２０の構成する並列電流経路を並列電流経路１５０とする。

実施の形態１の図１に示した直流遮断装置１００と同じ構成については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。電流経路１０を通過する電流及び電流経路２０を通過する電流をそれぞれ、電流Ｉ_１ｂ及び電流Ｉ_２ｂとする。実施の形態２に係る直流遮断装置１００ｂ全体を流れる電流を全電流Ｉ_ｂとする。直流遮断装置１００ｂはさらに遮断器３を備える。

直流遮断装置１００ｂは、電流経路の数が２である直流遮断装置１００に対して直列に遮断器３を接続したものである。電流経路の数が３以上である直流遮断装置１００ａに対して直列に遮断器３を接続して直流遮断装置を構成しても直流遮断装置１００ｂと同様に本発明の効果を奏する。

直流遮断装置１００ｂの動作について説明する。事故電流が発生すると、事故電流を検知した過電流検出装置４から遮断器３に遮断器開極信号が入力される。遮断器開極信号を受け取った遮断器３の接点が開極する。

遮断器は、その遮断器の備える接点間に生じるアークに流れる電流が小さくなると、アーク温度が低下して遮断器の接点間の抵抗が増大し電流が遮断される(電流裁断現象)。この電流裁断現象が発生する電流値である裁断可能電流値は遮断器ごとに異なる。

遮断器３の開極動作と並行して、事故電流によって限流ヒューズＨ_１及び限流ヒューズＨ_２が順次溶断され全電流Ｉ_ｂが限流される。全電流Ｉ_ｂが遮断器３の裁断可能電流値まで減少すると、遮断器３の接点間の抵抗によって全電流Ｉ_ｂが遮断される。以上が事故電流発生時の直流遮断装置１００ｂの動作である。

ここで限流ヒューズＨ_１及び限流ヒューズＨ_２が溶断されることによって全電流Ｉ_ｂに電流零点が形成されてもよい。また、全電流Ｉ_ｂが裁断可能電流値以下に低下することによって遮断器３によって遮断を完了することができれば電流零点が形成されなくてもよい。

限流ヒューズの端子間に数ｋＶ以上の高電圧が発生するシステムでは、限流ヒューズの作用によって電流を限流し電流零点を形成しても、零点形成後、端子間にアークが発生して通電が継続する場合が多い。そのため、限流ヒューズのみで電流遮断を行うことは困難とされている。

直流遮断装置１００ｂによれば、並列電流経路１５０に対して直列に遮断器３が接続されているため、限流ヒューズの溶断による限流を行った上で、遮断器３により直流電流の遮断を行う。そのため、限流ヒューズ単独では遮断が難しい、高電圧が発生する電路においても事故電流の遮断が可能である。

事故電流の遮断を行うことのできる直流遮断装置１００ｂを構成するためには、例えば以下のような設計を行う。まず、安全係数を含めて直流遮断装置１００ｂを設置する電力網に発生しうる事故電流の電流値、電流波形等を想定する。次に、想定した事故電流に基づき、限流ヒューズＨ_１及び限流ヒューズＨ_２による限流を行った後の電流値を予測する。

さらに、予測した限流後の電流値が裁断可能電流値以下となるように、遮断器３、限流ヒューズＨ_１及び限流ヒューズＨ_２を設計するか、又は市販品の中から選択する。このようにして、安全係数を含めて、事故電流の遮断を行うことのできる直流遮断装置１００ｂを構成することができる。

電流裁断現象が生じるアークの種類はガスアークでもよく真空アークでもよい。遮断器３の絶縁媒体又は消弧媒体は遮断器に求められる特性に応じて選択することができる。絶縁媒体又は消弧媒体はガスを選択してもよい。また、遮断器に求められる特性に応じて遮断器３に真空遮断器を用いてもよい。

以上説明したように、実施の形態２に係る直流遮断装置１００ｂによれば、事故電流の発生していない定常時における限流ヒューズの誤溶断が発生しにくく、かつ事故電流発生時に高い限流性能を発揮する直流遮断装置を提供することができる。

さらに、実施の形態２の直流遮断装置１００ｂによれば、並列電流経路１５０に対して直列に遮断器３が接続されている。そのため、限流ヒューズの溶断による限流を行った上で、遮断器３により電流の遮断を行うことにより、単独の限流ヒューズでは実現が難しかった数ｋＶ以上の電圧が端子間に発生する事故電流に対しても電流遮断を行うことができる直流遮断装置を提供できる。

実施の形態３．
実施の形態３に係る直流遮断装置１００ｃは、実施の形態２において説明した直流遮断装置１００ｂに対して、並列電流経路１５０に対して並列に接続された避雷器５をさらに備える。図５は本発明の実施の形態３に係る直流遮断装置の構成を示す図である。実施の形態２において図４に示した直流遮断装置１００ｂと同じ構成については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

避雷器５は並列電流経路１５０に対して、接続点Ｃ_１と接続点Ｃ_２において並列に接続されている。避雷器５を含み、接続点Ｃ_１と接続点Ｃ_２の間を結ぶ電流経路を電流経路３０とよぶ。直流遮断装置１００ｃ全体を流れる電流を全電流Ｉ_ｃとする。

電流経路１０及び電流経路２０を通過する電流をそれぞれ、電流Ｉ_１ｃ及び電流Ｉ_２ｃとする。電流経路３０を通過する電流を電流Ｉ_３とする。

実施の形態３においては、並列電流経路１５０に対して避雷器５が、接続点Ｃ_１及び接続点Ｃ_２において並列に接続されているが、本発明はこのような構成に限定されるものではない。避雷器５が、並列電流経路１５０に対して並列に接続されていれば本発明の効果を奏する。

さらに、限流ヒューズＨ_１又は限流ヒューズＨ_２の端子間に生じる電圧が避雷器５の両端に印加されるよう構成されていれば同様の効果を奏する。実施の形態２において説明したように、事故電流発生時、限流ヒューズＨ_１及び限流ヒューズＨ_２が順次溶断されることにより限流されて遮断器３による電流遮断が可能となる。

このとき、限流ヒューズが溶断された際の限流ヒューズの端子間の電圧が高いほど、事故電流が発生してから限流が開始しされるまでの時間は短くなり、事故電流が発生してから電流零点が形成されるまでの時間も短くなる。すなわち、発生する限流ヒューズの端子間の電圧が高いほど限流ヒューズの限流性能が高くなる。

並列電流経路１５０によって限流が行われたとき、限流ヒューズＨ_１又は限流ヒューズＨ_２の端子間に生じる電圧が電力網の制限電圧値を超過すると、電力網の構成機器を損壊するおそれがある。ここで電力網の構成機器とは、例えば交流/直流変換装置（交流と直流の間で変換を行う装置）、直流/直流変換装置（直流の電圧を変換する装置）である。

並列電流経路１５０による限流動作において、限流ヒューズＨ_１又は限流ヒューズＨ_２の端子間に発生する電圧が放電開始電圧を超えた場合に避雷器５に電流Ｉ_３が流れる。避雷器５に電流Ｉ_３が流れることによって、限流ヒューズＨ_１又は限流ヒューズＨ_２の端子間の電圧が低減される。

以上説明したように、直流遮断装置１００ｃによれば、事故電流の発生していない定常時における限流ヒューズの誤溶断が発生しにくく、かつ事故電流発生時に高い限流性能を発揮する直流遮断装置を提供することができる。

さらに、直流遮断装置１００ｃによれば、並列電流経路１５０に対して直列に遮断器３が接続されている。そのため、並列電流経路１５０に含まれる限流ヒューズの溶断による限流を行った上で、遮断器３の端子間電圧により直流電流の遮断を行うことにより、単独の高電圧ヒューズでは実現が難しかった数ｋＶ以上の直流電流でも電流遮断を行うことができる。

さらに、直流遮断装置１００ｃは避雷器５を備えたため、限流ヒューズＨ_１又は限流ヒューズＨ_２の端子間に発生する電圧が放電開始電圧を超えた場合に、避雷器５に電流が流れることによって、限流ヒューズＨ_１又は限流ヒューズＨ_２の端子間の電圧を低減する。

この避雷器５の動作によって、限流ヒューズＨ_１又は限流ヒューズＨ_２の端子間の電圧を放電開始電圧以下に抑制することができ、電力網に含まれる機器の損壊を避けることができる効果を奏する。

実施の形態４．
実施の形態４に係る直流遮断装置は、実施の形態２に説明した構成に加えてさらにスイッチ６を備える。図６は本発明の実施の形態４に係る直流遮断装置の構成を示す図である。実施の形態２において図４に示した直流遮断装置１００ｂと同じ構成については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

実施の形態４に係る直流遮断装置１００ｄは、実施の形態２に説明した構成を備える。さらに、並列電流経路１５０に対し、接続点Ｃ_１及び接続点Ｃ_２において、スイッチ６が並列に接続されている。スイッチ６を含み、接続点Ｃ_１と接続点Ｃ_２を結ぶ電流経路を電流経路４０とよぶ。電流経路４０に流れる電流をＩ_４とする。

直流遮断装置１００ｄは遮断器３を備えるが、遮断器３がなくとも本発明の効果を奏する。また、直流遮断装置１００ｃのように避雷器５が並列電流経路１５０に対して並列に接続されていても、本発明の効果を奏する。

直流遮断装置１００ｄに流れる電流を全電流Ｉ_ｄとする。電流経路１０及び電流経路２０に流れる電流をそれぞれ、Ｉ_１ｄ及びＩ_２ｄとする。図７は本発明の実施の形態４に係る直流遮断装置を流れる電流の時間依存性を示す図である。図７には、事故電流が発生したときの、電流経路１０、電流経路２０及び電流経路４０に流れる電流の時間波形が図示されている。

図７に図示された符号について説明する。Ｔ_Ｆは電力網に事故電流が発生する事故発生時刻である。Ｔ_Ｓは、スイッチが開極を開始する時刻である開極開始時刻である。Ｔ_４はスイッチ６の接点の間が物理的に離間する瞬間である接点離間時刻である。Ｔ_１は限流ヒューズＨ_１が溶断する溶断時刻である。

Ｔ_Ｌは限流ヒューズＨ_２が溶断する全溶断時刻である。Ｉ_ｐは全溶断時刻Ｔ_Ｌにおける電流である遮断電流である。図７に示された時刻は３つの横軸の間で共通である。例えば、事故発生時刻Ｔ_Ｆは、全電流Ｉ_ｄを示す図、電流Ｉ_１ｄを示す図及び電流Ｉ_２ｄを示す図において同時刻をあらわす。また、縦軸と平行に延びる点線上の点は同時刻を示す。

以下に図６と図７を併用して直流遮断装置１００ｄの動作を説明する。定常時にはスイッチ６は閉じており、電流経路４０の抵抗成分よりも、並列電流経路１５０の抵抗成分が大きくなるように設定されているため、全電流Ｉ_ｄと電流Ｉ_４はほぼ同じである。

そのため、定常時の電流Ｉ_１ｄ及び定常時の電流Ｉ_２ｄは小さく、定常時における限流ヒューズＨ_１及び限流ヒューズＨ_２のヒューズエレメント可溶部の熱劣化の進行は大きく抑制される。

スイッチ６は、接触と離間が可能で開極指令信号２を受けて開極するように構成された一対の接点を備える。遮断器３に対して出力される開極指令信号を開極指令信号１とし、スイッチ６に対して出力される開極指令信号を開極指令信号２とする。開極指令信号１と開極指令信号２は同時に発生してもよく、また、事故電流を検知してから開極指令信号１と開極指令信号２を発生するまでの時間をずらしてもよい。

直流遮断装置１００ｄが挿入された電力網において事故発生時刻Ｔ_Ｆに事故電流が発生すると、全電流Ｉ_ｄが増大する。過電流検出装置４は事故電流を検知し、スイッチ６に開極指令信号２を出力する。ここで開極指令信号２を受け取ったスイッチ６は開極開始時刻Ｔ_Ｓに一対の接点の離間動作を開始する。

スイッチ６の接点が開離動作を開始するとスイッチ６の接点間の電気抵抗が増大する。この抵抗増大の原因を例示すると、スイッチ６の接点の接触面積の減少、スイッチ６の接点間の接触圧の減少、スイッチ６の接点の溶融等である。その後、接点離間時刻Ｔ_４において２つの接点が物理的に離間する。

ここで、直流遮断装置１００ｄにおいては、接点離間時刻Ｔ_４における電流Ｉ_４がスイッチ６の裁断可能電流値より小さく設定されているため、接点離間時刻Ｔ_４にスイッチ６は裁断される。

上述したように、開極開始時刻Ｔ_Sから接点離間時刻Ｔ_４の間、スイッチ６の接点間の抵抗が増大する。実施の形態１において説明したように、インダクタンス値Ｌ_２はインダクタンス値Ｌ_１より大きく、電流経路４０の電気抵抗は抵抗値Ｒ_１より大きく設定されている。

また、上述のように、接点離間時刻Ｔ_４の電流Ｉ_４は、スイッチ６が裁断することが可能な最大の電流値である裁断可能電流値以下となるように設定されている。接点離間時刻Ｔ_４の電流Ｉ_４を裁断可能電流値以下とするには、スイッチ６の接点間の抵抗、電流経路１０の抵抗成分ＲＣ_１の大小関係を調整すればよい。

また、裁断可能電流値は、スイッチによって異なる。スイッチの仕様及び電力網に発生しうる事故電流の特性などを考慮して、計算又は試験により接点離間時刻Ｔ_４の電流Ｉ_４を裁断可能電流値以下とすればよい。

接点離間時刻Ｔ_４に電流Ｉ_４が０となり、電流経路４０を流れていた電流は電流経路１０に転流され、スイッチ６の接点間のアークの発生が抑制される。そのため、直流遮断装置１００ｄにおいては、定常時のヒューズエレメントの熱劣化の進行の抑制と高速電流遮断を両立することができる。

電流経路４０を流れる電流を並列電流経路１５０へ転流した際に、スイッチ６の接点間にアークが発生した場合、スイッチ６の接点間の絶縁性能は劣化する。この絶縁性能が劣化した状態は一定時間の間継続する。接点間の絶縁性能が劣化した状態とは、アークが発生しやすい状態、すなわち、接点間の電圧が低い状態でも接点間にアークが発生する状態を意味する。

一方、アークの発生しやすい状態にあるスイッチ６の接点間に並列電流経路１５０に発生する電圧が印加され、スイッチ６の接点間にアークが再発生し事故電流が流れ続ける可能性がある。並列電流経路１５０に発生する電圧とは、溶断時刻Ｔ_１において、限流ヒューズＨ_１の両端に発生する電圧、又は全溶断時刻Ｔ_Ｌには限流ヒューズＨ_１及び限流ヒューズＨ_２の両端に発生する電圧のことである。

直流遮断装置１００ｄは、スイッチ６の端子間の電気抵抗を抵抗値Ｒ_１より十分大きく設定し、さらに接点離間時刻Ｔ_４の電流Ｉ_４を最大裁断可能電流値以下としたため、スイッチ６の接点間のアークの再発生を抑制することができる。

以上説明したように、直流遮断装置１００ｄによれば、事故電流の発生していない定常時における限流ヒューズの誤溶断が発生しにくく、かつ事故電流発生時に高い限流性能を発揮する直流遮断装置を提供することができる。

さらに、直流遮断装置１００ｄによれば、並列電流経路１５０に対して直列に遮断器３が接続されている。そのため、並列電流経路１５０に含まれる限流ヒューズの溶断による限流を行った上で、遮断器３の端子間電位差により直流電流の遮断できる。そのため、単独の高電圧ヒューズでは実現が難しかった数ｋＶ以上の直流電流でも電流遮断を行うことができる。

さらに、実施の形態４の直流遮断装置１００ｄは、並列電流経路１５０に対し並列に接続されたスイッチ６を備えたため、定常時に限流ヒューズに流れる電流をさらに抑制することができ、さらに限流ヒューズの劣化を抑制することができる。

さらに、直流遮断装置１００ｄは、スイッチ６の端子間の抵抗、抵抗値Ｒ_１の大小関係を調整し、接点離間時刻Ｔ_４における電流Ｉ_４がスイッチ６の裁断可能電流値より小さくなるように設定した。そのため、並列電流経路１５０への転流時のスイッチ６の接点間のアークの発生を抑制し、並列電流経路１５０による限流が完了した後のスイッチ６の接点間のアークの再発生を抑制できる。

以上に説明した実施の形態は組み合わせて適用することができる。

１０、２０、３０、４０ 電流経路、１００、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ 直流遮断装置、１５０、２５０、３５０ 並列電流経路、Ｃ_１、Ｃ_２ 接続点、Ｈ_１、Ｈ_２、Ｈ_ｋ－１、Ｈ_ｋ 限流ヒューズ、Ｉ、Ｉ_ａ、Ｉ_ｂ、Ｉ_ｃ、Ｉ_ｄ 全電流、Ｉ_１、Ｉ_１ａ、Ｉ_{ｋ－１、ａ}、Ｉ_ｋ、ａ、Ｉ_１ｂ、Ｉ_１ｃ、Ｉ_１ｄ、Ｉ_２、Ｉ_２ａ、Ｉ_２ｂ、Ｉ_２ｃ、Ｉ_２ｄ 電流、ＩＣ_１、ＩＣ_２ インダクタンス成分、Ｌ_１、Ｌ₂、Ｌ_ｋ－１、Ｌ_ｋ インダクタンス値、Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_ｋ－１、Ｒ_ｋ 抵抗値、ＲＣ_１、ＲＣ_２、ＲＣ_ｋ－１、ＲＣ_ｋ 抵抗成分。

Claims (9)

1. 第ｋ－１限流ヒューズ（ｋは２以上Ｎ以下の整数、Ｎは２以上の整数）と第ｋ－１インダクタンス成分とを含む第ｋ－１電流経路と、
   前記第ｋ－１電流経路に並列接続され、第ｋ限流ヒューズと、前記第ｋ－１インダクタンス成分のインダクタンス値よりインダクタンス値が大きい第ｋインダンクタンス成分とを含む第ｋ電流経路とを備える直流遮断装置。
2. 第１限流ヒューズと第１インダクタンス成分とを含む第１電流経路と、
   前記第１電流経路に並列接続され、第２限流ヒューズと、前記第１電流経路の前記第１インダクタンス成分のインダクタンス値よりインダクタンス値が大きい第２インダクタンス成分とを含む第２電流経路とを備える請求項１に記載の直流遮断装置。
3. 前記第１電流経路から前記第Ｎ電流経路までの各電流経路の抵抗成分の抵抗値が等しいことを特徴とする請求項２に記載の直流遮断装置。
4. 前記第ｋ－１インダクタンス成分に比べ、前記第ｋ電流経路から前記第Ｎ電流経路によって構成される並列電流経路のインダクタンス成分のインダクタンス値が大きいことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の直流遮断装置。
5. 前記第ｋ－１インダクタンス成分に比べ、前記第ｋ電流経路から前記第Ｎ電流経路によって構成される並列電流経路のインダクタンス成分のインダクタンス値が２倍以上であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の直流遮断装置。
6. 前記第１電流経路から前記第Ｎ電流経路によって構成される並列電流経路に対して直列に接続され接触と離間の可能な一対の接点を含む遮断器をさらに備える請求項２に記載の直流遮断装置。
7. 前記第１電流経路から前記第Ｎ電流経路によって構成される並列電流経路に対して並列に接続された避雷器をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の直流遮断装置。
8. 前記避雷器は、前記並列電流経路の両端の電圧が放電開始電圧を下回るときには絶縁状態を保ち、前記並列電流経路の両端の電圧が前記放電開始電圧を超えたときには通電状態となることによって前記並列電流経路の両端の電圧を前記放電開始電圧以下に抑制することを特徴とする請求項７に記載の直流遮断装置。
9. 前記第１電流経路から前記第Ｎ電流経路によって構成される並列電流経路に対して並列に接続された一対の接点を含むスイッチを備え、前記スイッチの裁断可能電流値は、前記スイッチの接点が離間する瞬間に前記スイッチを流れる電流より大きいことを特徴とする請求項２に記載の直流遮断装置。

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