JP7054600B2 - 直流遮断装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、直流遮断装置に関する。

直流遮断装置は、直流では交流のようにゼロクロスしないため、遮断時のエネルギの処理をどのようにするか、さまざま方式が検討され、提案されている（たとえば特許文献１等）。

機械遮断器は、両端の電圧が十分低下したときに遮断動作をすれば、アークが発生しないようにすることができる。半導体スイッチは、オフ時にアーク放電を生じないので、機械遮断器と組み合わせて、機械式遮断器の両端電圧が十分低下するまで遮断エネルギを転流する。

このような半導体スイッチは、機械遮断器に並列に設けられ、通常運転時には、オフ状態である。半導体スイッチは、オフ時に直流線路の電圧に応じた高電圧が印加されるため、遮断する直流線路の電圧に応じて半導体スイッチ素子を多数個直列接続して用いられる。

直流遮断装置が遮断動作を開始すると、直列に接続された半導体スイッチ素子は、すべて一旦オンして、その後ターンオフして遮断時のエネルギを処理する。半導体スイッチ素子の直列数は、直流線路の電圧および印加される転流のエネルギにもとづいて設定されるが、通常の場合には、十分な耐圧が保証されるように設定されている。そのため、直列接続された多数の半導体スイッチ素子のうち、いくつかが短絡故障等しても、他の大多数の素子が正常であれば、直流遮断装置としての機能は充足される。

しかしながら、電力系統等に用いられる直流遮断装置においては、正常な動作は長期的に保障される必要があり、いくつかの素子に故障が生じたままでは、将来的に正常な動作を保障するのが困難である。そこで、直流遮断装置が機能不具合に至る前に、微細な不具合を検出して、点検、修理等を行うことが望ましい。

特開２０１６－１２７０２６号公報

実施形態は、機能が正常なうちに、各半導体スイッチ素子の故障の有無を判定することができる直流遮断装置を提供する。

実施形態に係る直流遮断装置は、機械遮断器と、前記機械遮断器と並列に接続され、遮断電流を検出したことにより前記機械遮断器が遮断する前に前記遮断電流を流しその後遮断する遮断回路と、前記機械遮断器および前記遮断回路の導通状態および遮断状態を制御する制御部と、を備える。前記遮断回路は、直列に接続された複数の半導体スイッチ素子と、前記複数の半導体スイッチ素子のそれぞれに並列に接続され、遮断動作時の両端電圧を保持するように設けられたコンデンサを含むスナバ回路と、前記複数の半導体スイッチ素子に並列に接続されたアレスタと、前記複数の半導体スイッチ素子の直列回路の途中の接続ノードの電圧とあらかじめ設定された基準電圧との電圧差を入力し、前記電圧差とあらかじめ設定された第１しきい値とを比較する第１レベル検出回路と、を含む遮断ユニットを含む。前記基準電圧および前記第１しきい値は、前記複数の半導体スイッチ素子のすべてが正常に前記遮断電流を遮断し前記アレスタが正常に動作した場合に前記接続ノードに現れる電圧にもとづいて設定される。前記第１レベル検出回路は、前記電圧差の絶対値が前記第１しきい値以下の場合に、アクティブな検出信号を出力し、前記電圧差の絶対値が前記第１しきい値よりも大きい場合に、非アクティブな検出信号を出力する。

本実施形態では、機能が正常なうちに、各半導体スイッチ素子の故障の有無を判定することができる直流遮断装置が実現される。

実施形態に係る直流遮断装置の主要部を例示するブロック図である。 図２（ａ）は、実施形態の直流遮断装置を例示するブロック図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）の直流遮断装置を備えた直流送電システムを例示するブロック図である。 実施形態の直流遮断装置の動作を説明するための模式的なブロック図である。 実施形態の直流遮断装置の動作を説明するための模式的なブロック図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

図１は、実施形態に係る直流遮断装置の主要部を例示するブロック図である。
図１に示すように、実施形態の直流遮断装置は、遮断回路２０を備える。遮断回路２０は、後に詳述するが、機械遮断器と並列に接続され、機械遮断器の両端の電圧が十分低下してアークが切れる電圧に達するまで、遮断時のエネルギを転流する。

遮断回路２０は、複数のユニット１２０を含む。複数のユニット（遮断ユニット）１２０のそれぞれは、高電圧側の端子１２１ａと、低電圧側の端子１２１ｂを、を含み、これらの端子１２１ａ，１２１ｂを介して、直列に接続されている。この例では、ユニット１２０は、ｍ個直列に接続されている。ここで、ｍは２以上の整数である。

複数のユニット１２０は、半導体スイッチ素子２１と、スナバ回路２３と、アレスタ２６と、抵抗器２７ａ，２７ｂと、整流回路２８ａ，２８ｂと、レベル検出回路２９ａ，２９ｂと、をそれぞれ含む。

半導体スイッチ素子２１は、複数個直列に接続されている。半導体スイッチ素子２１は、自己消弧形の半導体素子であり、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。この例では、１つのユニット１２０について、半導体スイッチ素子２１が高電位側にＮ個、低電位側にＮ個、それぞれ直列に接続されている。つまり、１つのユニット１２０は、直列接続された２Ｎ個の半導体スイッチ素子２１を含んでいる。なお、図示しないが、各半導体スイッチ素子２１の制御端子は、駆動回路等を介して、後述する制御部に接続されている。半導体スイッチ素子２１は、制御部から送信される制御信号にもとづいてオンし、オフする。

各半導体スイッチ素子２１には、並列にスナバ回路２３が接続されている。スナバ回路２３は、この例では、ダイオード２３ｄ、コンデンサ２３ｃおよび抵抗器２３ｒを含んでいる。ダイオード２３ｄおよび抵抗器２３ｒは並列接続されており、コンデンサ２３ｃはこの並列回路に直列に接続されている。ダイオード２３ｄは、高電位側がアノード、低電位側がカソードとなるように接続されている。したがって、半導体スイッチ素子２１がオフするときの遮断時のエネルギによって、半導体スイッチ素子２１の両端の電圧、つまりコレクタ－エミッタ間の電圧が上昇して、コンデンサ２３ｃが充電される。

スナバ回路２３は、遮断電流を流している半導体スイッチ素子２１がオフしたときの電流を転流する。転流された電流は、コンデンサ２３ｃを充電する。抵抗器２３ｒは、半導体スイッチ素子２１の主端子間に印加されるｄｖ／ｄｔを抑制するために設けられている。ダイオード２３ｄによって、コンデンサ２３ｃに充電された電荷は保持される。

アレスタ２６は、２Ｎ個の半導体スイッチ素子２１の直列回路に並列に接続されている。半導体スイッチ素子２１がオフすることによって、転流された電流で充電されたすべてのコンデンサ２３ｃの両端電圧がさらに上昇し、アレスタ２６の制限電圧を超えると、アレスタ２６は、導通して、転流された電流を流して、残りのエネルギを吸収する。

抵抗器２７ａ，２７ｂは直列に接続されている。直列に接続された抵抗器２７ａ，２７ｂは、半導体スイッチ素子２１の直列回路およびアレスタ２６と並列に接続されている。抵抗器２７ａ，２７ｂの抵抗値は、たとえば等しい値とされる。つまり、端子１２１ａ，１２１ｂ間に印加されている電圧を１／２に分圧する。端子１２１ａ，１２１ｂを分圧した電圧は、２Ｎ個の半導体スイッチ素子２１のうち少なくとも１つが短絡故障しているか否かを判定するための基準電圧とされる。

整流回路２８ｂの一方の入力は、半導体スイッチ素子２１の高電位側のＮ個と低電位側のＮ個との接続ノードに接続されている。整流回路２８ｂの他方の入力は、抵抗器２７ａ，２７ｂの接続ノードに接続されている。つまり、整流回路２８ｂの他方の入力には、端子１２１ａ，１２１ｂ間に印加されている電圧を１／２に分圧した電位が入力される。整流回路２８ｂは、半導体スイッチ素子２１の中間の接続ノードの電位と、端子１２１ａ，１２１ｂ間に印加されている電圧の１／２に相当する電位との電位差の絶対値を出力する。

レベル検出回路２９ｂは、整流回路２８ｂの出力に接続されている。レベル検出回路２９ｂは、入力された電位差が０Ｖの場合に、アクティブな検出信号Ｄｉ１（ｉ＝１～ｍの整数）を出力する。レベル検出回路２９ｂは、入力された電位差が０Ｖよりも大きい場合には、検出信号Ｄｉ１を非アクティブとする。

レベル検出回路２９ｂは、出力する検出信号Ｄｉ１がアクティブであるか否かによって、そのユニット１２０内の２Ｎ個の半導体スイッチ素子２１がすべて正常であるか、２Ｎ個の半導体スイッチ素子２１のうちいずれか１つが短絡故障であるか、を示すことができる。

つまり、ｉ番目のユニット１２０の検出信号Ｄｉ１がアクティブである場合には、２Ｎ個すべての半導体スイッチ素子２１が正常で、２Ｎ個のコンデンサ２３ｃの両端には電圧が保持されている。一方、ｉ番目のユニット１２０の検出信号Ｄｉ１が非アクティブである場合には、２Ｎ個のうち少なくとも１つの半導体スイッチ素子２１が短絡故障であると判定される。

整流回路２８ａは、端子１２１ａ，１２１ｂ間に印加されている電圧の合計値を入力して、その絶対値を出力する。

なお、整流回路２８ａには、端子１２１ｂの電位に対して端子１２１ａの電位が入力される。そのため、この正の電位差が逆転して負の電位差となることは通常にはないので、必ずしも整流回路２８ａを設けなくてもよく、生成された正の電位差は、直接後述するレベル検出回路に入力されるようにしてもよい。

レベル検出回路２９ａは、整流回路２８ａの出力に接続されている。レベル検出回路２９ａは、あらかじめ設定されたしきい値を有する。レベル検出回路２９ａは、入力された電位差が、しきい値以上の場合に、アクティブな検出信号Ｄｉ２（ｉ＝１～ｍの整数）を出力する。レベル検出回路２９ａは、入力された電位差がしきい値よりも小さい場合には、検出信号Ｄｉ２を非アクティブとする。

レベル検出回路２９ａは、出力する検出信号Ｄｉ２がアクティブであるか否かによって、そのユニット１２０の端子１２１ａ，１２１ｂ間に印加される電圧が十分に高い電圧であるか否かを示すことができる。

直流遮断装置１０が遮断動作を行った直後には、各スナバ回路２３のコンデンサ２３ｃに充電された電圧の合計値は、アレスタ２６の制限電圧にほぼ等しい。つまり、検出信号Ｄｉ２がアクティブである場合には、少なくとも、アレスタ２６は、スナバ回路２３に転流された電流がさらに転流されて、制限電圧に達しており、アレスタ２６が正常に動作していたことが示される。また、検出信号Ｄｉ２がアクティブである場合には、２Ｎ個の半導体スイッチ素子２１のうち、いくつかが短絡故障していたとしても、残りの半導体スイッチ素子２１およびコンデンサ２３ｃ等が、アレスタ２６の制限電圧まで耐圧を維持していたことが示される。

検出信号Ｄｉ２が非アクティブである場合には、アレスタ２６が短絡故障しているか、２Ｎ個すべての半導体スイッチ素子２１が短絡故障しているか、が示される。

上述では、レベル検出回路２９ｂは、２Ｎ個の半導体スイッチ素子２１の直列回路の中点の接続ノードの電圧によって、半導体スイッチ素子２１の短絡故障の有無について判定する場合について説明したが、接続ノードの位置は、基準電圧を適切に設定することによって任意に設定することができる。

たとえば、半導体スイッチ素子２１の直列数が奇数（２Ｎ＋１）個である場合には、高電位側Ｎ個、低電位側Ｎ＋１個としてもよい。この場合には、基準電圧をＶｐ×｛（Ｎ＋１）／（２Ｎ＋１）｝に設定し、この基準電圧と、すべての半導体スイッチ素子２１が正常である場合の接続ノードの電圧との電圧差をしきい値である０Ｖと比較するようにしてもよい。また、基準電圧の設定も、抵抗器による分圧に限らず、レベル検出回路内に持たせるようにしてもよい。

レベル検出回路２９ａに入力する電圧は、上述のように、アレスタ２６および半導体スイッチ素子２１の直列回路の両端の電圧を直接検出するようにしてもよいし、抵抗器２７ａ，２７ｂによって分圧された電圧としてもよい。レベル検出回路２９ａには、入力される電圧に応じて、適切なしきい値が設定される。

上述では、ユニット１２０は、複数個直列に接続されるものとしたが、直列数は、ユニット１２０内の半導体スイッチ素子２１の直列数や、遮断する電流値、遮断時に転流されるエネルギに応じて適切に決定される。これらの諸条件によっては、単一のユニット１２０であってもよいこともある。

レベル検出回路２９ａ，２９ｂは、両方が実装されていることが好ましいが、直流遮断装置が設けられる条件等によっては、いずれか一方が実装されるようにしてもよい。

なお、検出信号Ｄｉ１，Ｄｉ２がアクティブであるとは、たとえば検出信号Ｄｉ１，Ｄｉ２がハイレベルの論理値を有する信号であり、非アクティブであるとは、検出信号Ｄｉ１，Ｄｉ２がローレベルの論理を有する信号であることをいう。アクティブをローレベルとし、非アクティブをハイレベルとしてももちろんよい。そのほか、アクティブである信号を特定の値を有する信号に対応させ、非アクティブの信号を無信号やハイインピーダンスの信号に対応させるようにしてもよい。この例では、検出信号Ｄｉ１，Ｄｉ２がアクティブな場合は、レベル検出回路２９ａ，２９ｂや制御部に設けられた発光素子が点灯する場合に対応し、検出信号Ｄｉ１，Ｄｉ２が非アクティブな場合は、レベル検出回路２９ａ，２９ｂや制御部の発光素子が消灯することに対応する。

図２（ａ）は、実施形態の直流遮断装置を例示するブロック図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）の直流遮断装置を備えた直流送電システムを例示するブロック図である。
図２（ａ）には、より具体的な直流遮断装置１０の構成例が示されている。図２（ａ）に示すように、実施形態の直流遮断装置１０は、遮断回路２０と、機械遮断器５０と、を備える。直流遮断装置１０は、端子１１ａ，１１ｂを含んでおり、遮断回路２０および機械遮断器５０は、端子１１ａ，１１ｂ間で並列に接続されている。

遮断回路２０は、もっとも高い電位に接続された端子１２１ａによって、端子１１ａに接続され、もっとも低い電位に接続された端子１２１ｂによって、端子１１ｂに接続されている。

直流遮断装置１０は、このほか、主スイッチ回路４０と、制御部６０と、をさらに備える。主スイッチ回路４０は、機械遮断器５０と直列に接続されている。主スイッチ回路４０および機械遮断器５０の直列回路は、端子１１ａ，１１ｂ間に接続されている。

主スイッチ回路４０は、たとえばＩＧＢＴ等の自己消弧型の半導体素子である。主スイッチ回路４０は、通常には導通しており、直流送電線等の直流線路において短絡事故等を生じた場合には、最初に遮断される。なお、主スイッチ回路４０は、この例のように遮断後には、遮断電流は、遮断回路２０に流れ、両端に高電圧が印加されないので、多くの場合には、直列数は１つとされる。

機械遮断器５０は、通常には閉じており、直流線路において短絡事故等を生じた場合には、遮断電流が遮断回路２０に転流された後に開放される。機械遮断器５０は、たとえば真空遮断器である。

遮断回路２０は、主スイッチ回路４０および機械遮断器５０の直列回路に並列に接続されている。遮断回路２０の半導体スイッチ素子２１（図１）は、通常には遮断されている。半導体スイッチ素子２１は、直流線路において短絡事故等を生じた場合に、導通した後遮断される。

遮断回路２０は、ｍ個の直列接続されたユニット１２０を含んでいる。たとえば、各ユニット１２０は、ｍ検出信号を出力するので、遮断回路２０全体としては２ｍ個の検出信号Ｄ１１～Ｄｍ２を制御部６０に送信する。検出信号Ｄ１１～Ｄｍ２を受信した制御部６０は、検出信号Ｄ１１～Ｄｍ２を適切な形式に変換し、あるいはそのまま、端子１１ｄに接続された上位制御装置１００に送信する。

図２（ｂ）に示すように、直流遮断装置１０は、直流回路１ａ，１ｂの間の直流線路２に直列に接続されて用いられる。直流回路１ａ，１ｂは、たとえば電力系統等の交流電圧を直流電圧に変換する交直電力変換器や、太陽光発電パネル、蓄電池等の直流電源等である。直流回路１ａ，１ｂは、直流電源で動作する直流負荷を含んでもよい。直流線路２は、たとえば直流送電線である。直流線路２には、電流検出器３が設けられており、直流遮断装置１０は、電流検出器３によって検出された電流値Ｉｓを入力して、電流値Ｉｓがあらかじめ設定されたしきい値以上の場合に、遮断動作を開始する。

直流遮断装置１０の制御部６０は、電流検出器３に流れる電流値Ｉｓがしきい値以上であると判定した場合には、まず、主スイッチ回路４０を遮断するように遮断信号Ｓ１を生成して、主スイッチ回路４０に供給する。制御部６０は、遮断信号Ｓ１を主スイッチ回路４０に供給するとともに、遮断回路２０をオンするように２Ｎ×ｍ本の遮断信号Ｓ３を遮断回路２０に供給する。

遮断回路２０では、遮断信号Ｓ３によって２Ｎ×ｍ個の半導体スイッチ素子２１がほぼ同時にオンして、遮断回路２０が導通する。

その後、制御部６０は、適切なタイミングで、遮断回路２０を遮断するように遮断信号を供給し、さらにその後、機械遮断器５０を遮断するように遮断信号Ｓ１を機械遮断器５０に供給する。

遮断回路２０は、遮断されたときに、各ユニット１２０の検出信号Ｄ１１～Ｄｍ２を出力する。いずれかユニット１２０において、アレスタ２６が短絡故障であったり、あるいは、すべての半導体スイッチ素子２１が短絡故障している場合には、そのユニット１２０から出力される検出信号Ｄｉ２は非アクティブであり、他のユニット１２０から出力される検出信号はアクティブとなる。

いずれかのユニット１２０において、２Ｎ個の半導体スイッチ素子２１のうちの１つが短絡故障している場合には、そのユニット１２０から出力される検出信号Ｄｊ１は非アクティブとなり、その他のユニット１２０から出力される検出信号はアクティブとなる。

制御部６０が、すべての検出信号を収集し、信号の形式を適切に変換して、端子１１ｄを介して、結果を送信する。上位制御装置１００では、受信した結果にもとづいて、故障の生じたユニット１２０を特定し、故障モードがユニット１２０の全短絡であるか、ユニット１２０内の部分短絡であるかを判定することができる。すべての検出信号を収集した制御部６０が故障したユニット１２０の特定等を行い、結果を上位制御装置１００に送信するようにしてもよい。

なお、実施形態の直流遮断装置１０は、遮断回路２０および機械遮断器５０を備えていればよく、上述の図２（ａ）の構成例に限らない。また、直流遮断装置が電流検出器を含んでいてもよいし、直流遮断装置が制御部を含まず、たとえば、交直電力変換器を制御する制御装置によって、遮断制御を行うようにしてもよい。

実施形態の直流遮断装置１０の動作について説明する。
図３および図４は、実施形態の直流遮断装置の動作を説明するための模式的なブロック図である。
図３は、ｉ番目のユニット１２０の２Ｎ個の半導体スイッチ素子２１のうち、１つの半導体スイッチ素子２１が短絡故障した場合の動作例を示している。
図４は、ｉ番目のユニット１２０のアレスタ２６が短絡故障した場合、または、２Ｎ個の半導体スイッチ素子２１うちすべての半導体スイッチ素子２１が短絡故障した場合の動作例を示している。

まず、図３の場合について説明する。以下の説明では、各部の電圧は、特に断らない限り、端子１２１ｂの電圧を基準とする電圧値を有するものとする。

この例では、抵抗器２７ａ，２７ｂは、同じ抵抗値を有しているものとする。したがって、以下の式（１）に示すように、抵抗器２７ａ，２７ｂの接続ノードの電圧Ｖ１は、端子１２１ａの電圧Ｖｐの１／２に等しい値を有する。

Ｖ１＝Ｖｐ／２ （１）

ここで、電圧Ｖｐは、端子１２１ａ，１２１ｂ間の電圧であり、アレスタ２６の制限電圧にほぼ等しい。各スナバ回路２３のコンデンサ２３ｃの両端電圧Ｖｃは、アレスタ２６の制限電圧に達するまで上昇した電圧であり、すべての半導体スイッチ素子２１が正常である場合には、

Ｖｐ＝２Ｎ×Ｖｃ （２）

ただし、各半導体スイッチ素子２１のコレクタ－エミッタ間のリーク電流や、各コンデンサ２３ｃの静電容量値、リーク電流等の電気的特性は同一であるものとする。

高電位側のＮ個の半導体スイッチ素子２１と低電位側のＮ個の半導体スイッチ素子２１との中点の接続ノードの電圧Ｖ２は、Ｎ×Ｖｃに等しくなり、式（１）、（２）より、以下の関係となる。

Ｖ１＝（１／２）×Ｖｐ＝（１／２）×２Ｎ×Ｖｃ＝Ｖ２ （３）

つまり、接続ノードの電圧Ｖ２が、設定値Ｖ１に等しいときには、すべての半導体スイッチ素子２１が正常であり、このとき、レベル検出回路２９ｂは、アクティブな検出信号Ｄｉ１を出力する。つまり、Ｖｉｎ１＝｜Ｖ２－Ｖ１｜＝０Ｖ（≦０Ｖ）のときに、検出信号Ｄｉ１はアクティブとなる。

しかし、図３に示すように、２Ｎ個のうちのいずれかの半導体スイッチ素子２１が短絡故障（図の×印）すると、その半導体スイッチ素子２１に接続されたコンデンサ２３ｃに蓄積された電荷は放電されるため、Ｖ２≠Ｖ１となる。このとき、レベル検出回路２９ｂが非アクティブな検出信号Ｄｉ１を出力することによって、制御部６０側では、２Ｎ個中の１つの半導体スイッチ素子２１が短絡故障していることを認識することができる。

より具体的には、Ｖ２は、以下のように表される。

Ｖ２＝｛Ｎ／（２Ｎ－１）｝×Ｖｐ≠Ｖｐ／２（＝Ｖ１） （４）

式（１）、（４）より、レベル検出回路２９ｂの入力電圧Ｖｉｎ１は以下の関係となった場合には、２Ｎ個のうち１個の半導体スイッチ素子２１が短絡故障していることが示される。

Ｖｉｎ１＝｜Ｖ２－Ｖ１｜＝Ｖｐ／｛２×（２Ｎ－１）｝ （５）

したがって、レベル検出回路２９ｂは、入力電圧Ｖｉｎ１が式（５）を満たすような０Ｖ以上の値となる場合には、２Ｎ個のうちのいずれか１つの半導体スイッチ素子２１が短絡故障しているか否かを検出することができる。

なお、上述では、すべてのコンデンサ２３ｃの静電容量値等がすべて同一であるとしたが、実際には、各要素の電気的特性は、個別にばらつきを有しているので、たとえば、事前に特性を取得するなどして、ばらつきを考慮して、式（１）を調整してＶ１を設定したり、式（５）の値にばらつきに応じた範囲を設けるようにしてもよい。

たとえば、式（１）にアンバランス係数Ｋ（Ｋ＞１）を導入して、以下のように定義する。

Ｖ２’＝Ｖｐ／｛２×（Ｋ－１）｝ （１）’
ここで、Ｖ２’は、２Ｎ個すべての半導体スイッチ素子２１が正常な場合の高電位側と低電位側との接続ノードの電圧である。

Ｖ２＞Ｖ１’となり、式（１）’および式（４）より、以下の関係となる。

１／（２Ｎ－１）＞１／（Ｋ－１） （６）

アンバランス係数Ｋは、あらかじめ装置ごとにＶ２を測定等することによって、設定することができる。設定されたアンバランス係数Ｋに対して、式（６）を満たすようにしてしきい値を設定すればよい。

次に、図４の場合について説明する。
図４に示すように、ｍ個のユニット１２０のうち、いずれかのユニット（この例では、ｉ番目のユニット）１２０のアレスタ２６が短絡故障した場合には、端子１２１ａ，１２１ｂ間の電圧が十分に低くなる。また、２Ｎ個のすべての半導体スイッチ素子２１が短絡故障した場合にも、端子１２１ａ，１２１ｂ間の電圧が十分に低くなる。

レベル検出回路２９ａのしきい値Ｖｔｈａは、アレスタ２６が正常に動作する場合の制限電圧よりも十分低く、かつ、アレスタ２６が短絡故障した場合もしくは２Ｎ個の半導体スイッチ素子２１が短絡故障した場合の端子１２１ａ，１２１ｂ間の電圧以上に設定されている。これによって、レベル検出回路２９ａに入力される電圧Ｖｉｎ２がしきい値Ｖｔｈａよりも低い場合には、アレスタ２６もしくは２Ｎ個すべての半導体スイッチ素子２１が短絡故障であることが判定される。このとき、レベル検出回路２９ａは、非アクティブな検出信号Ｄｉ２を出力する。

なお、しきい値Ｖｔｈａは、アレスタ２６が短絡故障した場合のアレスタ２６の両端電圧をあらかじめ測定等し、２Ｎ個すべての半導体スイッチ素子２１が短絡故障したときの電圧をあらかじめ測定等することによって、適切な値が設定される。

実施形態の直流遮断装置１０の効果について説明する。
実施形態の直流遮断装置１０では、遮断動作時に動作するレベル検出回路２９ａ，２９ｂを備えている。レベル検出回路２９ａ，２９ｂは、各半導体スイッチ素子２１に設けられたスナバ回路２３のコンデンサ２３ｃに電圧が正常に印加され、保持されているか否かを、遮断動作後に検出することができる。そのため、多数個直列接続されている半導体スイッチ素子２１の短絡故障を確実に判定することができる。

このような直流遮断装置１０では、各半導体スイッチ素子２１が処理する転流時のエネルギは、各半導体スイッチ素子２１の各端子間をすべて短絡するほど大きいとはいえない場合がある。たとえば、過剰なエネルギが印加された半導体スイッチ素子２１では、主端子間が抵抗性を有しつつ、短絡するモードで故障する場合がある。実施形態の直流遮断装置１０では、レベル検出回路２９ａ，２９ｂのしきい値や基準電圧をそれぞれ適切に設定することによって、半導体スイッチ素子２１やアレスタ２６の短絡故障を検出することができる。

また、実施形態の直流遮断装置１０では、遮断動作時に充電されたコンデンサの両端電圧を利用するので、常時電流が流れているとは限らない遮断回路２０の短絡状態を検出することができる。

制御部６０および上位制御装置１００側では、直流遮断装置１０が遮断動作したときに送信されてくる検出信号Ｄ１１～Ｄｍ２のうち、非アクティブ、たとえば送信されてこない検出信号の有無によって、短絡故障の発生有無を判定することができる。

制御部６０および上位制御装置１００側では、非アクティブの検出信号が、何番目のユニット１２０に対応するものであるかによって、短絡故障が発生しているユニット１２０を判別することができる。

制御部６０および上位制御装置１００側では、短絡故障が発生しているユニット１２０のレベル検出回路２９ａが出力する検出信号Ｄｉ２が非アクティブか、レベル検出回路２９ｂが出力する検出信号Ｄｉ１が非アクティブか、によって、発生した短絡故障の度合いを判定することができる。たとえば、検出信号Ｄｉ２が非アクティブの場合には、そのユニット１２０全体が短絡しており、より緊急に点検、修理等を行い、検出信号Ｄｉ１が非アクティブの場合には、次期定期点検時等に点検等を実施するようにすることができる。

以上説明した実施形態によれば、機能が正常なうちに、各半導体スイッチ素子の故障の有無を判定することができる直流遮断装置を実現することができる。

以上、本発明のいくつか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り、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１ａ，１ｂ 直流回路、２ 直流線路、３ 電流検出器、１０ 直流遮断装置、２０ 遮断回路、２１ 半導体スイッチ素子、２３ スナバ回路、２３ｃ コンデンサ、２３ｄ ダイオード、２３ｒ 抵抗器、２６ アレスタ、２７ａ，２７ｂ 抵抗器、２８ａ，２８ｂ 整流回路、２９ａ，２９ｂ レベル検出回路、５０ 機械遮断器、６０ 制御部、１００ 上位制御装置

Claims (5)

1. 機械遮断器と、
   前記機械遮断器と並列に接続され、遮断電流を検出したことにより前記機械遮断器が遮断する前に前記遮断電流を流しその後遮断する遮断回路と、
   前記機械遮断器および前記遮断回路の導通状態および遮断状態を制御する制御部と、
   を備え、
   前記遮断回路は、
   直列に接続された複数の半導体スイッチ素子と、
   前記複数の半導体スイッチ素子のそれぞれに並列に接続され、遮断動作時の両端電圧を保持するように設けられたコンデンサを含むスナバ回路と、
   前記複数の半導体スイッチ素子に並列に接続されたアレスタと、
   前記複数の半導体スイッチ素子の直列回路の途中の接続ノードの電圧とあらかじめ設定された基準電圧との電圧差を入力し、前記電圧差とあらかじめ設定された第１しきい値とを比較する第１レベル検出回路と、
   を含む遮断ユニットを含み、
   前記基準電圧および前記第１しきい値は、前記複数の半導体スイッチ素子のすべてが正常に前記遮断電流を遮断し前記アレスタが正常に動作した場合に前記接続ノードに現れる電圧にもとづいて設定され、
   前記第１レベル検出回路は、前記電圧差の絶対値が前記第１しきい値以下の場合に、アクティブな検出信号を出力し、
   前記電圧差の絶対値が前記第１しきい値よりも大きい場合に、非アクティブな検出信号を出力する直流遮断装置。
2. 前記遮断回路は、複数の前記遮断ユニットを含み、
   前記複数の遮断ユニットは、直列に接続された請求項１記載の直流遮断装置。
3. 前記遮断ユニットは、
   前記アレスタの両端電圧を検出するように接続され、前記アレスタの制限電圧よりも低く、前記アレスタが短絡故障したときの両端電圧以上の第２しきい値を有する第２レベル検出回路をさらに含み、
   前記第２レベル検出回路は、
   前記アレスタの両端電圧が前記第２しきい値以上の場合に、アクティブな検出信号を出力し、
   前記アレスタの両端電圧が前記第２しきい値よりも低い場合に、非アクティブな検出信号を出力する請求項２記載の直流遮断装置。
4. 前記第１しきい値は、前記複数の半導体スイッチ素子のそれぞれに接続された前記コンデンサの特性のばらつきに応じて、補正され設定された請求項１～３のいずれか１つに記載の直流遮断装置。
5. 機械遮断器と、
   前記機械遮断器と並列に接続され、遮断電流を検出したことにより前記機械遮断器が遮断する前に前記遮断電流を流しその後遮断する遮断回路と、
   前記機械遮断器および前記遮断回路の導通状態および遮断状態を制御する制御部と、
   を備え、
   前記遮断回路は、
   直列に接続された複数の半導体スイッチ素子と、
   前記複数の半導体スイッチ素子のそれぞれに並列に接続され、遮断動作時の両端電圧を保持するように設けられたコンデンサを含むスナバ回路と、
   前記複数の半導体スイッチ素子に並列に接続されたアレスタと、
   前記アレスタの両端電圧を検出するように接続され、前記アレスタの制限電圧よりも低く、前記アレスタが短絡故障したときの両端電圧以上のしきい値を有するレベル検出回路と、
   をそれぞれ含む複数の遮断ユニットを含み、
   前記複数の遮断ユニットは直列に接続され、
   前記レベル検出回路は、
   前記アレスタの両端電圧が前記しきい値以上の場合に、アクティブな検出信号を出力し、
   前記アレスタの両端電圧が前記しきい値よりも低い場合に、非アクティブな検出信号を出力する直流遮断装置。

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