JP7203236B2 - 直流配電システム - Google Patents

Description

本願は、直流配電システムに関する。

複数の負荷に直流電力を供給する直流配電システムが知られている。このような直流配電システムには、システム全体を保護するための遮断器が設置されている。複数の負荷の中の１つの負荷で短絡故障が発生した場合、過大な短絡電流が流れて遮断器が遮断動作し直流配電システム全体が停止する場合がある。直流配電システム全体が停止すると、正常動作可能な負荷も停止することになる。
短絡故障が発生したときに直流配電システム全体が停止することを防ぐために、短絡電流を限流する限流回路を備えた直流配電システムが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平７－１８６７８８号公報

従来の直流配電システムにおいては、限流回路が抵抗とリアクトルとの直列回路で構成されていた。しかしながら、短絡電流は過大な電流であるため限流回路を構成する抵抗およびリアクトルの通電容量を大きくする必要があり、直流配電システムが高コスト化および大型化になるという問題があった。

本願は、上述の課題を解決するためになされたもので、短絡電流を限流することができる直流配電システムの高コスト化および大型化を抑制することを目的とする。

本願に係る直流配電システムは、入力される交流電力を異なる電圧の交流電力に変換して出力する変圧器と、この変圧器から出力される交流電力を直流電力に変換して出力する整流装置と、この整流装置から出力される直流電力が流れる直流母線と、この直流母線から分岐された複数の直流分岐線と、変圧器の入力側に接続された交流遮断部と、整流装置と直流母線との間に接続された第１直流遮断部と、複数の直流分岐線にそれぞれ備えられた複数の第２直流遮断部とを備えている。そして、第２直流遮断部の遮断動作時間は交流遮断部の遮断動作時間および第１直流遮断部の遮断動作時間よりも短く設定されており、変圧器の短絡インピーダンスのインダクタンス値は、この直流配電システムに短絡電流が流れたときに整流装置に流れる電流を整流装置が許容する最大電流値以下に限流することができる値に設定されている。

本願の直流配電システムは、変圧器の短絡インピーダンスのインダクタンス値が、この直流配電システムに短絡電流が流れたときに整流装置に流れる電流を整流装置が許容する最大電流値以下に限流することができる値に設定されているので、短絡電流を限流するための限流回路が不要となる。その結果、直流配電システムの高コスト化および大型化を抑制することができる。

実施の形態１に係る直流配電システムの構成図である。 実施の形態１の整流装置の構成図である。 実施の形態１に係る直流配電システムの構成図である。 実施の形態１の直流配電システムに流れる短絡電流の経路を示す説明図である。 実施の形態５に係る直流配電システムの構成図である。 実施の形態５の直流配電システムに流れる短絡電流および回り込み電流の経路を示す説明図である。 実施の形態６に係る直流配電システムの構成図である。 実施の形態６に係る直流配電システムの構成図である。

以下、本願を実施するための実施の形態に係る直流配電システムについて、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一符号は同一もしくは相当部分を示している。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る直流配電システムの構成図である。本実施の形態の直流配電システム１は、配電系統２から入力される交流電力を異なる電圧の交流電力に変換して出力する変圧器１１と、この変圧器１１から出力される交流電力を直流電力に変換して出力する整流装置１２と、この整流装置１２から出力される直流電力が流れる直流母線１３と、この直流母線１３から分岐された複数の直流分岐線１４と、変圧器１１の入力側に接続された交流遮断部１５と、整流装置１２と直流母線１３との間に接続された第１直流遮断部１６と、複数の直流分岐線１４にそれぞれ備えられた複数の第２直流遮断部１７とを備えている。直流配電システム１の複数の直流分岐線１４には、それぞれ複数の負荷３が接続されている。直流配電システム１は、配電系統２から入力される交流電力を直流電力に変換し、この直流電力を複数の負荷３のそれぞれに供給する機能を備えている。複数の負荷３は、直流配電システム１の直流母線１３に対して並列に接続された関係である。

変圧器１１は１次巻線と２次巻線とを備えており、１次巻線は交流遮断部１５を介して配電系統２に接続されており、２次巻線は整流装置１２に接続されている。交流遮断部１５が変圧器１１の１次巻線側に接続されているので、変圧器の巻線の短絡故障時に交流遮断部１５が遮断動作するため、直流配電システム１の信頼性が向上する。

本実施の形態において、交流遮断部１５、第１直流遮断部１６および第２直流遮断部１７は、例えば半導体素子を有する半導体遮断器、機械的な接点を開閉することで電流経路を遮断するノーヒューズブレーカー、大電流が流れた際にジュール熱により導体を溶断することで電流経路を遮断するヒューズなどで構成される。なお、これらの遮断部を適切に設計することで後述する各遮断部の遮断動作時間を調整することができる。

図２は、本実施の形態の整流装置１２の構成図である。本実施の形態の整流装置１２はダイオード整流器であり、６個のダイオード２１と三相交流電力が入力される交流端子２２と直流電力を出力する直流端子２３とを備えた三相ブリッジ整流回路である。交流端子２２には変圧器１１から出力される三相交流電力が入力される。整流装置１２は、交流端子２２に入力された三相交流電力を直流電力に変換し、この直流電力を直流端子２３から第１直流遮断部１６を経由して直流母線１３に出力する。なお、本実施の形態の整流装置１２として三相交流電力を直流電力に変換する三相ブリッジ整流回路を示したが、ダイオードを使用して交流電力を直流電力に変換するダイオード整流器であればこれに限定されるものではない。なお、ダイオード整流器は、大電流化のために必要に応じて複数個のダイオードを並列接続した構成としてもよい。

変圧器１１の１次巻線および２次巻線の巻数比は、直流配電システム１の出力電圧、変圧器１１の１次巻線側の交流電圧、２次巻線側の交流電圧などの関係から決定される。また、変圧器１１の１次巻線には、配電系統の電圧が変動した場合に２次巻線の電圧が一定になるようにタップを備えている。ダイオード整流器は直流電圧制御機能を持たないため、配電系統の交流電圧の変動に伴って変圧器１１から入力される交流電圧が変動すると、直流配電システム１の出力電圧も変動することになる。仮に直流配電システム１の出力電圧が変動し負荷３の動作電圧範囲外になった場合、負荷３は動作が不可能になる。しかし、１次巻線にタップを設けることで２次巻線側の交流電圧は一定に保たれるため、直流配電システム１の出力電圧は配電系統２の電圧変動の影響を受けず一定となり、直流配電システム１の信頼性が向上する。

一般に変圧器には、漏れ磁束が１次巻線および２次巻線にそれぞれ鎖交するため、短絡インピーダンスが存在する。変圧器の２次巻線側を短絡して、１次巻線から電圧を上げていくと２次巻線に電流が流れる。この２次巻線の電流は、１次巻線の電流に比例する。２次巻線側で定格電流に達したときの１次巻線側の電圧を定格電圧の百分率で表した値が短絡インピーダンスと定義されている。なお、短絡インピーダンスは、漏洩インピーダンス、漏れインピーダンスなどと呼ばれる場合もある。

図３は、本実施の形態の直流配電システムの構成図である。図３においては、変圧器１１の短絡インピーダンス１８を変圧器１１と分けて図示している。図３に示すように、配電系統２から変圧器１１を介して整流装置１２に入力される電力は、交流遮断部１５、変圧器１１および短絡インピーダンス１８を介して入力されることになる。

図４は、本実施の形態の直流配電システム１に流れる短絡電流の経路を示す説明図である。図４に示す破線の矢印は、直流母線１３から分岐される複数の直流分岐線１４のうちの１つの直流分岐線で短絡故障が発生した場合に配電系統２から直流配電システム１に流入する短絡電流を示している。図４の破線の矢印が示すように、短絡電流は配電系統２から交流遮断部１５、短絡インピーダンス１８を含む変圧器１１、整流装置１２、第１直流遮断部１６、直流母線１３、直流分岐線１４および第２直流遮断部１７を経由して短絡故障が発生した箇所へ流れる。このときの短絡電流Ｉは、交流回路の過渡現象を解くことで算出することができ、以下の式で表される。

ここで、Ａおよびφは以下の式で定義される。

ここで、θは短絡故障発生時の位相角、ωはω＝２πｆでありｆは配電系統２から入力される交流電力の周波数、Ｖは変圧器１１の２次巻線の線間電圧実効値、Ｌは短絡電流が流れる電流経路のインダクタンス値、Ｒは短絡電流が流れる電流経路の抵抗値である。ただし、直流配電システムにおいて、変圧器以外の電流経路の寄生インダクタンス成分および寄生抵抗成分は電力損失を抑制するためにそれぞれ非常に小さな値に設計される。そのため、インダクタンス値Ｌおよび抵抗値Ｒはそれぞれ変圧器１１の短絡インピーダンス１８のインダクタンス成分および抵抗成分の値とほぼ同じになる。なお、上記の（１）式から（３）式は、三相交流電力の一相分の電流を示した式であり、三相交流電力が直流配電システムに入力される場合は、各相で１２０°位相がずれた短絡電流Ｉがそれぞれ発生する。

短絡電流Ｉはインダクタンス値Ｌと抵抗値Ｒとにそれぞれ反比例している。通常、直流配電システムにおいては、抵抗成分に電流が流れると電力消費が発生してしまうため、抵抗成分は極力小さくなるように設計される。したがって、短絡電流Ｉの最大値は直流配電システムのインダクタンスに大きく依存することになる。

短絡故障が発生した場合に、配電系統２から供給される短絡電流は、交流遮断部１５および第１直流遮断部１６を通過した後に第２直流遮断部１７を通過することになる。この場合、交流遮断部１５および第１直流遮断部１６が第２直流遮断部１７よりも早く遮断動作すると、直流配電システムのすべての直流分岐線１４に電力を供給することが不可能となる。したがって、第２直流遮断部１７が最も早く遮断動作する必要がある。第２直流遮断部１７の遮断動作時間を交流遮断部１５の遮断動作時間および第１直流遮断部の遮断動作時間よりも短く設定することにより、直流配電システム１において短絡故障の発生箇所の直流分岐線１４のみが電力供給経路から分離され他の健全な直流分岐線１４には電力を供給することが可能となる。その結果、直流配電システム１の信頼性が向上することになる。

また、第１直流遮断部１６は直流電流を遮断する必要があるが、一般に直流の遮断は、交流のように電流がゼロとなる瞬間が存在しないため、交流の遮断よりも難易度が高いことが知られている。したがって、第１直流遮断部１６は交流遮断部１５に比べて高価になることが想定される。また、第１直流遮断部１６は遮断する電流容量が大きくなるにしたがって高価になる。したがって、コストの観点から、第１直流遮断部１６を交流遮断部１５よりも低容量にすることが好ましい。その結果、第１直流遮断部１６は交流遮断部１５よりも早く遮断動作することになる。このような構成とすることで、直流配電システム１の機器コストの上昇を抑制することができる。

さらに、直流配電システム１において、短絡故障が発生した場合でも整流装置１２は電流の供給を継続する必要がある。言い換えると、整流装置１２は、短絡故障の発生箇所の直流分岐線１４が電力供給経路から分離されるまでに流れる短絡電流を供給する容量を備えることが必要となる。整流装置１２が短絡電流を供給する容量を備えることで、短絡故障が発生しても整流装置１２が故障に至ることはなく、短絡故障の発生箇所の直流分岐線１４が電力供給経路から分離された後も他の健全な直流分岐線１４には電力を供給することが可能となる。その結果、直流配電システム１の信頼性が向上することになる。

一般に、ダイオードには短絡故障などが発生して大電流が流れる場合に対して、サージ順電流などと呼ばれる通電可能な電流の上限値が規定されている。一方で、短絡電流Ｉの最大値は直流配電システムのインダクタンスに大きく依存する。したがって、短絡電流Ｉの最大値をダイオードが通電可能な電流値以下となるように直流配電システムのインダクタンスを決定することで、直流配電システムにおいて短絡故障が発生した場合においても整流装置の故障を避けることが可能となる。上述のように、直流配電システムのインダクタンスは、変圧器１１の短絡インピーダンス１８のインダクタンス成分と同じである。したがって、短絡電流Ｉの最大値がダイオードが通電可能な電流値以下となるように変圧器１１の短絡インピーダンス１８のインダクタンス値を決定することで、直流配電システムの信頼性を向上させることが可能となる。

通常、直流配電システム内の電流経路のインダクタンスは変圧器の短絡インピーダンスに比べて非常に小さい。必要なインダクタンスを得るために、例えばインダクタンス素子を整流装置１２の入力端子側または出力端子側に接続することが考えられる。しかしながら、インダクタンス素子を接続することで新たに抵抗成分も増加することになるため、直流配電システムの損失が増加することになる。また、同時に部品を追加することで直流配電システムの高コスト化および大型化を招く。

本実施の形態の直流配電システムにおいては、短絡電流の最大値をダイオードが通電可能な電流値以下となるように変圧器の短絡インピーダンスのインダクタンス値を決定しているので、追加の部品を必要とせずに、直流配電システムの高コスト化および大型化を抑制することができる。

実施の形態２．
実施の形態２は、実施の形態１で説明した直流配電システムにおいて、ダイオード整流器を構成するダイオードの通電可能な電流の上限値で決まる最大電流値Ｉ_{ｄ＿ｌｉｍ}に基づいて変圧器の短絡インピーダンスのインダクタンス値を決める方法について説明する。
短絡電流の最大値をＩ_ｐ、ダイオードの通電可能な電流の上限値で決まる最大電流値をＩ_{ｄ＿ｌｉｍ}としたときに、Ｉ_ｐは以下の（４）式で得られることが知られている。また、Ｉ_ｐがＩ_{ｄ＿ｌｉｍ}以下となることを考慮すると、変圧器の短絡インピーダンスのインダクタンス値Ｌは（５）式で定めることができる。

ただし、ｔ_１は以下の式で算出される。

ここで、θは短絡故障発生時の位相角、ωはω＝２πｆでありｆは配電系統２から入力される電力の周波数、Ｖは変圧器１１の２次巻線の線間電圧実効値、Ｒは短絡電流が流れる電流経路の抵抗値である。また、φは実施の形態１の（３）式で表される。

なお、（５）式および（６）式において、三角関数および指数関数に関して２次の項までのマクローリン展開を行うことで、Ｌおよびｔ_１は以下の（７）式および（８）式でそれぞれ近似的に算出することが可能である。

なお、高効率な直流配電システムの実現のために直流配電システムの電流経路の抵抗値Ｒは小さく設計されるため、Ｒを無視すると（４）式および（５）式はそれぞれ以下の（９）式および（１０）式のように近似することができる。

つまり、変圧器１１の短絡インピーダンスのインダクタンス値Ｌを（８）式または（１０）式を満足する値に設定することで、追加の部品を必要とせず、短絡故障発生時に流れる短絡電流をダイオードが通電可能な電流以下に抑制することが可能となる。その結果、直流配電システムの高コスト化および大型化を抑制することができる。

実施の形態３．
実施の形態１の直流配電システムにおいては、短絡電流はインダクタンスに反比例している。そして、実施の形態２においては、ダイオードの通電可能な電流の上限値で決まる最大電流値Ｉ_{ｄ＿ｌｉｍ}に基づいて変圧器の短絡インピーダンスのインダクタンス値Ｌを決定した。しかし、変圧器の短絡インピーダンスを増加させると、一般に変圧器での損失が増加してしまうため、直流配電システムの効率が低下する場合がある。また、短絡インピーダンスを大きくするためには、変圧器の１次巻線および２次巻線の巻数を増加させる、または１次巻線と２次巻線との間にある空間距離を増加させることで漏れ磁束を増加させる必要がある。そのため、変圧器の短絡インピーダンスを増加させると変圧器自体が大型化する。したがって、変圧器の短絡インピーダンスにも上限値が存在する場合がある。

実施の形態３は、実施の形態１で説明した直流配電システムにおいて、変圧器の短絡インピーダンスのインダクタンス値に基づいてダイオード整流器を構成するダイオードの最大電流値Ｉ_{ｄ＿ｌｉｍ}を決める方法について説明する。

変圧器の短絡インピーダンスのインダクタンス値をＬとしたときに、最大電流値Ｉ_{ｄ＿ｌｉｍ}が短絡電流の最大値をＩ_ｐ以上であればよいので、Ｉ_{ｄ＿ｌｉｍ}が次の（１１）式を満足すればよい。この（１１）式は（４）式から導き出すことができる。

変圧器の短絡インピーダンスのインダクタンス値Ｌが決められているときに、（１１）式を満足する最大電流値Ｉ_{ｄ＿ｌｉｍ}を備えたダイオードを用いることで、短絡インピーダンスのインダクタンス値が過度に大きい変圧器を用いる必要がない。その結果、変圧器での損失を増加させることもなく、変圧器を大型化させる必要もない。その結果、直流配電システムの高コスト化および大型化を抑制することができる。

実施の形態４．
短絡電流を抑制するために変圧器の短絡インピーダンスのインダクタンス値を大きくする場合、インダクタンス値が大きくなるほど変圧器の電圧変動率が大きくなる。実施の形態４は、実施の形態１で説明した直流配電システムにおいて、変圧器の電圧変動率に基づいて短絡インピーダンスのインダクタンス値を決める方法について説明する。

変圧器の電圧変動率εとは、無負荷時の２次巻線の巻線間電圧Ｖ_２０を、定格負荷時の２次巻線の巻線間電圧Ｖ_２ｎを基準に求められる値で、以下の（１２）式で表すことができる。

ここで、Ｉ_２ｎは定格負荷時の電流、αは力率角、ｒは変圧器の短絡インピーダンスにおける抵抗成分である。

変圧器の電圧変動は整流装置が出力する直流電圧に大きく影響を及ぼすことになる。例えば電圧変動率が大きくなると直流配電システムの電圧変動も大きくなり、直流配電システムの出力電圧が負荷の要求する直流電圧範囲から逸脱する場合も発生する。そのため、変圧器の電圧変動は直流配電システムの信頼性に影響を与えるものである。したがって、変圧器の電圧変動率εを直流配電システムで許容できる電圧変動率ε_ｌｉｍ以下にする必要がある。具体的には変圧器の短絡インピーダンスのインダクタンス値Ｌは、次の（１３）式を満足する値とする必要がある。

また、実施の形態１で説明したように、変圧器の抵抗成分ｒは十分に小さいため、ｒを無視すると（１３）式は以下の（１４）式のように近似することができる。

このような条件を満足するように変圧器の短絡インピーダンスのインダクタンス値を決定することで、電圧変動の小さい直流配電システムとすることができる。
さらに、実施の形態２の（５）式と（１３）式とを組み合わせると、以下の（１５）式が得られる。

このような条件を満足するように変圧器の短絡インピーダンスのインダクタンス値を決定することで、短絡電流の最大値をダイオードが通電可能な電流値以下とすることができると共に、電圧変動の小さい直流配電システムとすることができる。

実施の形態５．
直流配電システムでは、出力側に多数の負荷が並列に接続されることが想定される。この場合、ある１つの負荷の動作電圧が他の負荷の動作電圧と異なることもある。他の負荷の動作電圧と異なる負荷が接続される直流分岐線には、直流電力の電圧を変換する電力変換装置とこの電力変換装置の入力側の直流電圧を安定化させるための直流キャパシタとが接続されている場合がある。直流キャパシタの容量は、例えば数１００μＦ～数ｍＦである。

図５は、実施の形態５に係る直流配電システムの構成図である。図５に示すように、複数の直流分岐線１４のうちの１つの直流分岐線には、第２直流遮断部１７の出力側に電力変換装置３１が接続されている。また、電力変換装置３１の入力側には直流キャパシタ３２が接続されている。

図６は、本実施の形態の直流配電システムにおいて、短絡故障が発生したときに流れる電流の経路を示す説明図である。図６に示す破線の矢印は、直流母線１３から分岐される複数の直流分岐線１４のうちの１つの直流分岐線で短絡故障が発生した場合に配電系統２から直流配電システム１に流入する短絡電流を示している。また、図６に示す一点鎖線の矢印は、短絡故障が発生した場合に直流キャパシタ３２から直流母線１３に流入する短絡電流を示している。このような、他の直流分岐線から直流母線１３を経由して短絡故障の発生箇所に流れる電流を回り込み電流とも称する。この回り込み電流は、短絡故障に起因して直流キャパシタ３２に蓄積された電荷が放電することで流れ出す電流であり、直流キャパシタ３２から、第２直流遮断部１７、直流分岐線１４、直流母線１３、直流分岐線１４および第２直流遮断部１７を経由して短絡故障が発生した箇所へ流れる。

本実施の形態の直流配電システムにおいては、実施の形態１で説明したように、短絡故障の発生箇所の第２直流遮断部１７が遮断動作することで、配電系統２からの短絡電流を遮断することができ、交流遮断部１５および第１直流遮断部１６は遮断動作せずに整流装置１２から直流母線１３への直流電力の供給を継続することができる。しかしながら、回り込み電流は直流キャパシタ３２が接続された直流分岐線１４に備えられた第２直流遮断部１７を通り、直流母線１３を経由して短絡故障の発生箇所まで流れる。このとき、直流キャパシタ３２が接続された直流分岐線１４に備えられた第２直流遮断部１７も回り込み電流によって遮断動作する可能性がある。この第２直流遮断部１７が遮断動作すると、短絡故障が発生していないにも係わらず、直流キャパシタ３２が接続された直流分岐線１４も電力供給経路から分離されてしまう。

本実施の形態においては、短絡故障が発生したときに回り込み電流で不要な直流分岐線１４が電力供給経路から分離されないように、直流キャパシタ３２が接続された直流分岐線１４に備えられた第２直流遮断部１７の遮断動作の開始電流値を規定するものである。
本実施の形態において、回り込み電流Ｉ_ｃは、次の（１６）式で求めることができる。

ここで、Ｖ_ｄｃは直流キャパシタ３２の電圧、Ｃ_ｄｃは直流キャパシタ３２が備える静電容量、Ｒ_ｃは直流キャパシタ３２の内部抵抗を含む回り込み電流の電流経路における抵抗成分の合計値である。したがって、直流キャパシタ３２が接続された直流分岐線１４に備えられた第２直流遮断部１７は、（１６）式で求められる電流値では遮断動作せず、実施の形態１の（１）式で求められる短絡電流で遮断動作するようにする。

このように構成された直流配電システムは、複数の直流分岐線１４のうちの１つの直流分岐線に電力変換装置３１および直流キャパシタ３２が接続されていても、短絡故障の発生によって生じる回り込み電流で不要な直流分岐線１４が電力供給経路から分離されることがない。その結果、直流配電システムの信頼性を向上させることができる。

実施の形態６．
図７は、実施の形態６に係る直流配電システムの構成図である。本実施の形態の直流配電システム１は、交流遮断部１５、第１直流遮断部１６および第２直流遮断部１７をそれぞれノーヒューズブレーカーで構成したものである。ノーヒューズブレーカーは、ヒューズとは異なり機械的な接点を開閉することで電流経路を遮断する遮断器であり、遮断後の再投入および繰り返し遮断が可能である。また、ノーヒューズブレーカーおよびヒューズでは、定常時に抵抗の小さい導体を導通しているのに対して、半導体遮断器では、半導体を導通している。そのため、半導体遮断器では定常時に発生する損失が、ノーヒューズブレーカーおよびヒューズに対して大きくなる。したがって、本実施の形態のように交流遮断部１５、第１直流遮断部１６および第２直流遮断部１７をそれぞれノーヒューズブレーカーで構成することで、定常時の損失が小さくなり、高効率な直流配電システム１を実現することができる。また、このように構成された直流配電システム１は、短絡故障などが発生して交流遮断部１５、第１直流遮断部１６および第２直流遮断部１７のいずれかが遮断動作しても、故障の原因を除去したのちに速やかに直流配電システム１を再起動できるので、直流配電システム１の稼働率が向上する。

図８は、本実施の形態に係る別の直流配電システムの構成図である。図８に示す直流配電システム１は、交流遮断部１５をノーヒューズブレーカーで構成し、第２直流遮断部１７をヒューズで構成したものである。それ以外の構成は、実施の形態１の直流配電システムの構成と同様である。一般に、ノーヒューズブレーカーに比べてヒューズの方が早く遮断動作するため、第２直流遮断部１７の方が交流遮断部１５よりも早く遮断動作する。また、図８に示す直流配電システム１では、第１直流遮断部１６はノーヒューズブレーカーまたはヒューズのいずれかとする。実施の形態１で説明したように、第２直流遮断部１７の遮断動作時間が最も早く、交流遮断部１５の遮断動作時間が最も遅く設定されていることが好ましい。したがって、第１直流遮断部１６は、第２直流遮断部１７より遅く遮断動作し、かつ交流遮断部１５より早く遮断動作するように設定されていることが好ましい。

このように構成された直流配電システムは、第２直流遮断部が最も早く遮断動作するので、短絡故障の発生箇所の直流分岐線のみが電力供給経路から分離され、他の健全な直流分岐線には電力の供給を継続することが可能となる。その結果、直流配電システムの信頼性が向上することになる。

本願は、様々な例示的な実施の形態が記載されているが、１つまたは複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１ 直流配電システム、２ 配電系統、１１ 変圧器、１２ 整流装置、１３ 直流母線、１４ 直流分岐線、１５ 交流遮断部、１６ 第１直流遮断部、１７ 第２直流遮断部、１８ 短絡インピーダンス、２１ ダイオード、２２ 交流端子、２３ 直流端子、３１ 電力変換装置、３２ 直流キャパシタ。

Claims (10)

1. 入力される交流電力を異なる電圧の交流電力に変換して出力する変圧器と、
   この変圧器から出力される前記交流電力を直流電力に変換して出力する整流装置と、
   この整流装置から出力される直流電力が流れる直流母線と、
   この直流母線から分岐された複数の直流分岐線と、
   前記変圧器の入力側に接続された交流遮断部と、
   前記整流装置と前記直流母線との間に接続された第１直流遮断部と、
   前記複数の直流分岐線にそれぞれ備えられた複数の第２直流遮断部とを備えた直流配電システムであって、
   前記第２直流遮断部の遮断動作時間は前記交流遮断部の遮断動作時間および前記第１直流遮断部の遮断動作時間よりも短く設定されており、
   前記変圧器の短絡インピーダンスのインダクタンス値は、前記直流配電システムに短絡電流が流れたときに前記整流装置に流れる電流を前記整流装置が許容する最大電流値以下に限流することができる値に設定されていることを特徴とする直流配電システム。
2. 前記整流装置は、ダイオード整流器であり、
   前記整流装置が許容する最大電流値は、前記ダイオード整流器を構成するダイオードの通電可能な電流の上限値で決まる最大電流値であることを特徴とする請求項１に記載の直流配電システム。
3. 前記ダイオード整流器を構成するダイオードは、複数個が並列に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の直流配電システム。
4. 前記変圧器に入力される交流電力の周波数をｆ、前記変圧器の出力側の線間電圧実効値をＶ、前記変圧器の短絡インピーダンスにおける抵抗値と前記直流母線の寄生抵抗値および前記直流分岐線の寄生抵抗値との合計値をＲ、前記ダイオードの通電可能な電流の上限値で決まる最大電流値をＩ_{ｄ＿ｌｉｍ}としたときに、ω＝２πｆであり、前記変圧器の短絡インピーダンスにおけるインダクタンス値Ｌは、次の式を満足することを特徴とする請求項２または３に記載の直流配電システム。
   

   

   ただし、ｔ_１およびφは、それぞれ次の式で算出される。
   

   

   
   

   
5. 前記変圧器の電圧変動率は、前記直流配電システムが許容できる電圧変動率以下であることを特徴とする請求項２に記載の直流配電システム。
6. 前記変圧器に入力される交流電力の周波数をｆ、前記変圧器の出力側の線間電圧実効値をＶ、前記変圧器の定格負荷時の２次巻線の巻線間電圧をＶ_２ｎ、定格負荷時の電流をＩ_２ｎ、力率角をα、前記変圧器の短絡インピーダンスにおける抵抗値と前記直流母線の寄生抵抗値および前記直流分岐線の寄生抵抗値との合計値をＲ、前記ダイオードの通電可能な電流の上限値で決まる最大電流値をＩ_{ｄ＿ｌｉｍ}、前記直流配電システムが許容できる電圧変動率をε_ｌｉｍ、前記変圧器の抵抗値をｒとしたときに、ω＝２πｆであり、前記変圧器の短絡インピーダンスにおけるインダクタンス値Ｌは、次の式を満足することを特徴とする請求項５に記載の直流配電システム。
   

   

   
   ただし、ｔ_１およびφは、それぞれ次の式で算出される。
   

   

   
   

   
7. 複数の前記直流分岐線の少なくとも１つの直流分岐線に電力変換装置とこの電力変換装置の入力側に接続された直流キャパシタとを備えていることを特徴とする請求項１に記載の直流配電システム。
8. 前記電力変換装置が接続された直流分岐線に備えられた複数の前記第２直流遮断部は、前記電力変換装置が接続された直流分岐線以外の直流分岐線に短絡電流が流れたときに、前記直流キャパシタから流れる回り込み電流では遮断動作しないことを特徴とする請求項７に記載の直流配電システム。
9. 前記交流遮断部、第１直流遮断部および複数の前記第２直流遮断部は、ノーヒューズブレーカーであることを特徴とする請求項１に記載の直流配電システム。
10. 前記交流遮断部はノーヒューズブレーカーであり、複数の前記第２直流遮断部はヒューズであることを特徴とする請求項１に記載の直流配電システム。

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