JP7212341B2 - Power switchgear, power transmission and distribution system, power generation system, load system, and control method for power switchgear - Google Patents
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Description
本発明は、電力用開閉装置、機械式スイッチ、送配電システム、発電システム、負荷システム、及び電力用開閉装置の制御方法に関する。 The present invention relates to a power switchgear, a mechanical switch, a power transmission and distribution system, a power generation system, a load system, and a control method for a power switchgear.
電力系統では、発電電力と消費電力が同時同量である必要があり、そのバランスが崩れると周波数が変動したり発電機が脱調することがある。したがって、短絡・地絡などの系統事故や装置故障による短絡・地絡が起きた場合、いち早く事故箇所(事故点)を系統から切離して、事故範囲を最小限に留める必要がある。そのため、地絡や短絡などの事故発生時に、電流路を遮断する真空遮断器などの遮断器や回路遮断装置が電力系統などに配置されている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1で開示されるような機械式の遮断器は、電極を引き離すことによって電流を遮断する。 In a power system, the generated power and the consumed power must be the same at the same time, and if the balance is lost, the frequency may fluctuate or the generator may step out. Therefore, when a system accident such as a short-circuit or ground fault or a short-circuit or ground fault due to equipment failure occurs, it is necessary to quickly isolate the accident location (accident point) from the system and minimize the accident area. For this reason, breakers such as vacuum circuit breakers and circuit breakers for breaking current paths when accidents such as ground faults and short circuits occur are installed in electric power systems and the like (see, for example, Patent Document 1). A mechanical circuit breaker such as that disclosed in Patent Document 1 interrupts current by separating electrodes.
しかしながら、特許文献1で開示されるような機械式の遮断器では、電流がゼロにならないとアークが発生・継続して電流を遮断するのが困難であり、電流がゼロになるのを待つ必要がある他、電極を必要な絶縁距離に引き離す時間も必要であり、遮断に時間を要する。さらに、例えば、特別高圧(22kV、66kV、110kV等)、又はそれ以上の高電圧に用いられる遮断器は、高い耐電圧性が必要であるので、電極間距離をより大きく引き離す必要があり、さらに電流遮断に時間を要する。 However, in the mechanical circuit breaker disclosed in Patent Document 1, if the current does not become zero, an arc occurs and continues, making it difficult to interrupt the current, and it is necessary to wait until the current becomes zero. In addition, it takes time to separate the electrodes to the required insulation distance, and it takes time to cut off. Furthermore, for example, circuit breakers used for extra high voltages (22 kV, 66 kV, 110 kV, etc.) or higher voltages require high voltage resistance, so the distance between the electrodes needs to be further increased. It takes time to cut off the current.
特許文献2に記載の回路遮断装置のような遮断器を用いれば、電流がゼロになるのを待たずに電流を遮断できるが、回路構成が複雑である。 If a breaker such as the circuit breaking device described in Patent Document 2 is used, the current can be broken without waiting for the current to become zero, but the circuit configuration is complicated.
本発明の電力用開閉装置は、少なくとも以下の構成を具備するものである。
機械式スイッチと半導体スイッチの並列接続体を有する電力用開閉装置であって、
前記半導体スイッチを接続状態とする制御を行い、次いで、前記機械式スイッチを接続状態とする制御を行うことにより、前記電力用開閉装置を不通状態から導通状態に移行させる制御部を有し、
前記制御部は、導通状態の間、前記半導体スイッチ及び前記機械式スイッチのいずれもオン状態であるように維持するものであり、かつ、
前記制御部は、前記電力用開閉装置を導通状態から不通状態に移行させる場合、前記半導体スイッチがオン状態であることを確認する制御を行った後に、前記機械式スイッチを非接続状態とする制御を行い、次いで、前記半導体スイッチをオフ状態とする制御を行い、
前記半導体スイッチは、金属体に実装され、
前記半導体スイッチが実装された金属体の熱容量は、当該熱容量と前記半導体スイッチに許容される温度上昇による温度変化との積としての熱量が、前記半導体スイッチの遮断時に発生する熱量よりも大きくなるような熱容量の値に設定されていることを特徴とする。
A power switchgear according to the present invention has at least the following configuration.
A power switching device having a parallel connection body of a mechanical switch and a semiconductor switch,
a control unit that controls the semiconductor switch to be in a connected state and then controls the mechanical switch to be in a connected state, thereby shifting the power switchgear from a non-conducting state to a conducting state;
The control unit maintains both the semiconductor switch and the mechanical switch in an ON state during the conduction state, and
When the power switchgear is to be shifted from the conducting state to the non-conducting state, the control unit performs control for confirming that the semiconductor switch is in the ON state, and then controls the mechanical switch to be in the non-connecting state. and then control to turn off the semiconductor switch,
The semiconductor switch is mounted on a metal body,
The heat capacity of the metal body on which the semiconductor switch is mounted is such that the amount of heat as the product of the heat capacity and the temperature change due to the temperature rise allowed for the semiconductor switch is larger than the amount of heat generated when the semiconductor switch is cut off. It is characterized in that it is set to a value of a sufficient heat capacity.
また、本発明の電力用開閉装置は、機械式スイッチと半導体スイッチの並列接続体を有し、
前記機械式スイッチは、一対の電極を有し、前記一対の電極が離間可能に設けられており、
前記半導体スイッチのオン電圧は、前記機械式スイッチの前記電極間のアーク発生電圧よりも低いことを特徴とする。
Further, the power switchgear of the present invention has a parallel connection body of a mechanical switch and a semiconductor switch,
The mechanical switch has a pair of electrodes, and the pair of electrodes are provided so as to be separated,
An on-voltage of the semiconductor switch is lower than an arc-generating voltage between the electrodes of the mechanical switch.
本発明の送配電システムは、上記本発明の電力用開閉装置を有する。
また、本発明の発電システムは、上記本発明の電力用開閉装置を介して発電装置が電力系統に接続されていることを特徴とする。
また、本発明の負荷システムは、電力用開閉装置を介して負荷が電力系統に接続されていることを特徴とする。
A power transmission and distribution system of the present invention has the power switchgear of the present invention.
A power generation system of the present invention is characterized in that a power generation device is connected to an electric power system via the power switchgear of the present invention.
Further, the load system of the present invention is characterized in that the load is connected to the power system via the power switchgear.
また、本発明の電力用開閉装置の制御方法は、少なくとも以下の構成を具備するものである。
機械式スイッチと半導体スイッチの並列接続体を有する電力用開閉装置において、前記半導体スイッチが金属体に実装され、かつ、前記半導体スイッチの実装された金属体の熱容量は、当該熱容量と前記半導体スイッチに許容される温度上昇による温度変化との積としての熱量が、前記半導体スイッチの遮断時に発生する熱量よりも大きくなるような熱容量の値に設定されている電力用開閉装置の制御方法であって、
前記制御部は、前記半導体スイッチを接続状態とする制御を行い、次いで、前記機械式スイッチを接続状態とする制御を行うことにより、前記電力用開閉装置を不通状態から導通状態に移行させるものであり、かつ、
前記制御部は、導通状態の間、前記半導体スイッチ及び前記機械式スイッチのいずれもオン状態であるように維持するものであり、かつ
前記制御部は、前記半導体スイッチがオン状態であることを確認する制御を行った後に、前記機械式スイッチを非接続状態とする制御を行い、次いで、前記半導体スイッチをオフ状態とする制御を行うことにより、前記電力用開閉装置を導通状態から不通状態に移行させるものである。
Further, a control method for a power switchgear according to the present invention includes at least the following configurations.
In a power switching device having a parallel-connected body of a mechanical switch and a semiconductor switch, the semiconductor switch is mounted on a metal body, and the heat capacity of the metal body on which the semiconductor switch is mounted is the same as the heat capacity and the semiconductor switch. A control method for a power switchgear, wherein a heat capacity value as a product of a temperature change due to an allowable temperature rise is set to a value greater than a heat quantity generated when the semiconductor switch is cut off,
The control unit controls the semiconductor switch to be in a connected state, and then controls the mechanical switch to be in a connected state, thereby shifting the power switchgear from the non-conducting state to the conducting state. Yes, and
The control unit maintains both the semiconductor switch and the mechanical switch in an ON state during the conduction state, and
After performing control to confirm that the semiconductor switch is on, the control unit performs control to disconnect the mechanical switch, and then performs control to turn off the semiconductor switch. As a result, the power switchgear is switched from the conducting state to the non-conducting state .
本発明によれば、事故点をいち早く切離す電力用開閉装置や機械式スイッチを提供することができる。また、その電力用開閉装置や機械式スイッチを用いた、電力変換システムなどの電気機器を提供することができ、電力系統のロバスト性(外的要因による変化に対する頑強性)の向上に貢献できる。
また、本発明の電力用開閉装置の制御方法によれば、簡単に、事故点をいち早く切離すことができる。
Advantageous Effects of Invention According to the present invention, it is possible to provide a power switchgear or a mechanical switch that quickly isolates an accident point. In addition, it is possible to provide electrical equipment such as a power conversion system using the power switchgear and mechanical switch, and contribute to improving the robustness of the power system (robustness against changes due to external factors).
Further, according to the control method of the power switchgear of the present invention, the fault point can be isolated quickly and easily.
本発明の実施形態に係る電力用開閉装置は、機械式スイッチと半導体スイッチの並列接続体を有する。また、該電力用開閉装置は、半導体スイッチをオン状態で、機械式スイッチを接続状態とする制御を行うことにより、電力用開閉装置を不通状態から導通状態に移行させる制御部を有する。
また、制御部は、半導体スイッチをオン状態で、機械式スイッチを非接続状態とした後、半導体スイッチをオフ状態とする制御を行うことにより、電力用開閉装置を導通状態から不通状態に移行させる。
A power switchgear according to an embodiment of the present invention has a parallel connection body of a mechanical switch and a semiconductor switch. The power switchgear also has a control unit that shifts the power switchgear from the non-conducting state to the conducting state by controlling the semiconductor switch to be in the ON state and the mechanical switch to be in the connected state.
In addition, the control unit turns the semiconductor switch on, disconnects the mechanical switch, and then turns off the semiconductor switch, thereby causing the power switchgear to shift from the conducting state to the non-conducting state. .
以下、図面を参照しながら本発明の一実施形態を説明する。本発明の実施形態は図示の内容を含むが、これのみに限定されるものではない。尚、以後の各図の説明で、既に説明した部位と共通する部分は同一符号を付して重複説明を一部省略する。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. Embodiments of the present invention include, but are not limited to, the illustrated content. In the following description of each figure, the same reference numerals are given to the parts that are common to the already described parts, and redundant description is partly omitted.
先ず、図1に示した、本発明の実施形態に係る電力用開閉装置100(3、4)を採用した電力系統の一例を説明する。電力系統は、発電機(発電装置)等の電力源、配電線(送電線)を含む送配電設備、電力供給先としての負荷を有する。なお、図1は、電力系統の一部を占める配電系統を抜き出したものである。 First, an example of a power system employing the power switchgear 100 (3, 4) according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 1 will be described. An electric power system has a power source such as a generator (power generating device), power transmission and distribution facilities including distribution lines (transmission lines), and loads as power supply destinations. In addition, FIG. 1 extracts a power distribution system that occupies a part of the power system.
図1に示した交流配電システムの複数本の配電線6には、例えば、電力源1としての交流電源が変圧器(不図示)や電力用開閉装置3(100)等を介して接続されている。また、複数本の配電線6には、電力源2としての直流電源がDC/AC変換器(不図示)、変圧器(不図示)、電力用開閉装置4(100)等を介して接続されている。また、複数本の配電線6には、電力供給先としての負荷5が複数接続されている。
For example, an AC power supply as a power source 1 is connected to a plurality of distribution lines 6 of the AC power distribution system shown in FIG. there is A DC power source as a power source 2 is connected to the plurality of distribution lines 6 via a DC/AC converter (not shown), a transformer (not shown), a power switching device 4 (100), and the like. ing. A plurality of
例えば、配電線6(送電線)の事故発生、電力源1や電力源2の事故発生、過電流や過電圧の発生、又は大きい電圧変動・電流変動の発生時に、他の正常な部分を保護するために、電力用開閉装置100(3、4)は、電力(電流等)を短時間に確実に遮断して、他の機器への波及を防ぎ、電力系統の周波数変動を抑制し、電力源1,2などの発電機(発電装置)が脱調することを防ぐ。
または、メンテナンス時に、同様に電力用開閉装置100(3、4)は、電力(電流等)を遮断する(不通状態)。また、メンテナンス終了時や正常時に、電力用開閉装置100(3、4)は、導通状態となり、電力源1や電力源2から電力供給先の負荷5へ電力が供給される。
本発明の一実施形態に係る電力用開閉装置100(3、4)は、例えば、交流系統等の同時同量を維持することができる。
本発明の一実施形態に係る送配電システムは、電力源と配電線との間、又は配電線と負荷との間に設けられた電力用開閉装置を有する。
また、本発明の一実施形態に係る発電システムは、電力用開閉装置を介して発電装置(発電機)等の電力源が電力系統に接続されている。
また、本発明の一実施形態に係る負荷システムは、電力用開閉装置を介して一つ又は複数の負荷が電力系統に接続されているものである。
For example, when an accident occurs in the distribution line 6 (transmission line), an accident occurs in the power source 1 or 2, an overcurrent or overvoltage occurs, or a large voltage fluctuation or current fluctuation occurs, other normal parts are protected. For this reason, the power switchgear 100 (3, 4) reliably cuts off power (current, etc.) in a short time, prevents it from spreading to other devices, suppresses frequency fluctuations in the power system, and To prevent the generators (generators) such as 1 and 2 from stepping out.
Alternatively, during maintenance, the power switchgear 100 (3, 4) similarly cuts off power (such as current) (disconnected state). In addition, when maintenance is completed or in normal operation, the power switchgear 100 (3, 4) is in a conductive state, and power is supplied from the power source 1 or the power source 2 to the
The power switchgear 100 (3, 4) according to one embodiment of the present invention can maintain, for example, simultaneous equality of an AC system or the like.
A power transmission and distribution system according to an embodiment of the present invention has a power switchgear provided between a power source and a distribution line or between a distribution line and a load.
Further, in the power generation system according to one embodiment of the present invention, a power source such as a power generation device (generator) is connected to the power system via the power switchgear.
A load system according to an embodiment of the present invention is one in which one or more loads are connected to a power system via a power switchgear.
図2に示したように、本発明の実施形態に係る電力用開閉装置100は、機械式スイッチ10、FET(F1)等の半導体スイッチ20、及び制御部71等を有する。また、図2に示された、電力用開閉装置100は、検出部72、及び操作部73を有する。
As shown in FIG. 2, the
検出部72は、導電線L1に設けられており、例えば、導電線L1の電流や電圧などをモニタし、過電流、過電圧、大きい電圧変動・電流変動などを検出し、検出結果を示す信号を制御部71に出力する。
The
操作部73は、例えば、タッチパネル式入力表示装置や、操作ボタン、操作スイッチ、キーボードなどの入力装置(表示装置を備えていても良い)であり、例えば、操作者による操作に応じて、オン指令(導通指示)又はオフ指令(不通指示)を示す信号を制御部71に出力する。なお、操作部73は上位システムの制御部であってもよい。また、該上位システムの制御部は、直接人間が操作できることを要件とはしない。
The
制御部71は、機械式スイッチ10や半導体スイッチ20等を統合的に制御する。制御部71は、例えば、制御部71内の記憶部に記憶されている制御プログラムを実行することにより、本発明に係る機能を実現する。
The
制御部71は、例えば、端子T1と端子T2間を不通状態から導通状態とする場合、半導体スイッチ20をオン状態で、機械式スイッチ10を接続状態とする制御を行う。
For example, when the state between the terminal T1 and the terminal T2 is changed from the disconnected state to the conductive state, the
また、制御部71は、例えば、端子T1と端子T2間を導通状態から不通状態とする場合、半導体スイッチ20をオン状態で、機械式スイッチ10を非接続状態とした後、半導体スイッチ20をオフ状態とする制御を行う。
Further, for example, when switching the connection between the terminals T1 and T2 from the conduction state to the non-conduction state, the
第1駆動部710(機械式スイッチ用駆動部)と第2駆動部720(半導体スイッチ用駆動部)は、共通の制御用電源75に接続されている。つまり、制御用電源75から、第1駆動部710、第2駆動部720へ電力が供給される。
例えば、比較例として、第1駆動部710用電源、第2駆動部720用電源を設ける場合と比べて、図2に示した例のように、第1駆動部710と第2駆動部720とで共通の制御用電源75を用いることで、駆動部用電源の数を低減することができる。
なお、第1駆動部710と第2駆動部720それぞれに、駆動用電源を設けてもよい。
The first drive section 710 (mechanical switch drive section) and the second drive section 720 (semiconductor switch drive section) are connected to a common
For example, as a comparative example, compared with the case where the power supply for the
A driving power supply may be provided for each of the
制御部71は、半導体スイッチ20をオン状態又はオフ状態とする制御信号を、第2駆動部720(半導体スイッチ用駆動部)に出力した場合、第2駆動部720は、その制御信号に応じて、半導体スイッチ20をオン状態もしくはオフ状態とする。
また、制御部71は、機械式スイッチ10をオン状態又はオフ状態とする制御信号を、第1駆動部710(機械式スイッチ用駆動部)に出力した場合、第1駆動部710は、その制御信号に応じて、制御用電源75からの電力により機械式スイッチ10をオン状態(接続状態)又はオフ状態(非接続状態)とする。
When the
Further, when the
また、図2に示した電力用開閉装置100では、機械式スイッチ10に、半導体スイッチ20が並列接続されている。機械式スイッチ10と半導体スイッチ20とが並列接続されているものを並列接続体30という。その並列接続体30の導電線L1の一方の端部に端子T1が設けられており、他方の端部に端子T2が設けられている。端子T1、端子T2には配電線6(図1参照)が接続される。なお、接続先は、配電線にかぎらず、送電線などに接続されてもよい。
Further, in the
次に、機械式スイッチ10について説明する。詳細には、機械式スイッチ10の内部には、一対の電極が離間可能に設けられており、例えば、制御部71の制御又は手動により、遮断時(非接続時)に両電極が離間し、接続時に両電極が当接し接続状態となる。従来の電力用開閉装置の機械式スイッチでは、離間した電極間に印加されている電圧が高いと、アーク放電(電弧)が生じ易いので、消弧を考慮すると、機械式スイッチ10としては、真空遮断器、ガス遮断器など絶縁性の高い雰囲気内に該離間可能な電極を押し込める必要があった。
例えば、制御部71は、制御線L3を介して、非接続状態又は接続状態とする制御信号を機械式スイッチ10に出力する。
Next, the
For example, the
図3を参照しながら、本発明の実施形態に係る電力用開閉装置の機械式スイッチ10の一例を詳細に説明する。
図3に示した、機械式スイッチ10は、例えば、高真空の真空容器である絶縁容器101に、固定側電極111と固定側電極棒112が固設されている。また、絶縁容器101には、可動側電極121と可動側電極棒122が移動自在に設けられている。導電線L1に可動側電極棒122、固定側電極棒112が設けられている。可動側電極121と固定側電極111とが当接した場合、導電線L1が接続状態となり、可動側電極121と固定側電極111が離間した場合、導電線L1が非接続状態となる。
An example of the
The
また、機械式スイッチ10は、半導体スイッチ20のオン電圧が高い場合、もしくは、半導体スイッチ20と機械式スイッチ10の近接実装が難しい場合、一対の電極111、121と、絶縁容器101との間に、アーク放電に対するシールド130を有していると、アークに対する耐性が向上する。
In addition, when the ON voltage of the
第1駆動部710(機械式スイッチ用駆動部)は、制御用電源75より電力の供給を受け、制御部71の制御により、例えば、絶縁容器101から突出している可動側電極棒122に対して軸方向に、可動側電極棒122や可動側電極121を移動させることで、固定側電極111と可動側電極121とを離間又は当接させるように構成されている。
The first drive unit 710 (mechanical switch drive unit) receives power from the
なお、機械式スイッチ10は、図3に示したものに限られるものではない。機械式スイッチ10としては、例えば、容器内に不活性ガスが充填されたガス遮断器、容器内に油が充填された油遮断器、容器内に空気が充填された遮断器、磁気遮断器なども採用することができる。例えば、半導体スイッチ20のオン電圧が低く、半導体スイッチ20の耐熱性が高く、半導体スイッチ20を機械式スイッチ10に近接配置できる場合(又はそれら何れか1つ以上の場合)、容器内の雰囲気の管理が厳密でなくてもアーク発生を抑制できる。その原理については後述する。
Note that the
また、図2に示した電力用開閉装置100では、半導体スイッチ20としてパワー半導体を採用しており、図2は、パワー半導体がGaNをSiチップ上に積層して、双方向FETを形成したものを一例として示している。例えば、半導体スイッチ20としては、FET(F1)の他、MOSFET、GaN、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ等を採用することができる。なお、半導体スイッチ20としては、この実施形態に限られるものではない。
図2に示した例では、半導体スイッチ20としてのFETのゲートは、制御線L2を介して制御部71に接続されており、ソース、ドレインは、導電線L1に接続された機械式スイッチ10に並列接続されている。
In addition, the
In the example shown in FIG. 2, the gate of the FET as the
また、MOS-FETやFETなどの双方向デバイスであれば、上述した半導体スイッチ20は一つのデバイスで構成できるが、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)などの一方向デバイスを採用する場合、半導体スイッチ20Bは、例えば、図4に示すように、IGBTとダイオードとを組み合わせた構成とすることもできる。
Further, if a bidirectional device such as a MOS-FET or FET is used, the
図4に示した電力用開閉装置100Bは、半導体スイッチ20B(20)と機械式スイッチ10の並列接続体30B(30)を有する。
並列接続体30B(30)には、半導体スイッチ20B(20)として、2つの絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)BT1,BT2と、2つのダイオードD1,D2とを有する。
また、電力用開閉装置100Bは、機械式スイッチ用駆動部としての第1駆動部710、IGBT(BT1)用駆動部としての第2駆動部720a、その第2駆動部720a及び第1駆動部710に電力を供給する制御用電源75a、IGBT(BT2)用駆動部としての第2駆動部720b、その第2駆動部720aに電力を供給する制御用電源75bを有する。
A
In addition, the
詳細には、一方のIGBT(BT1)のゲートが第2駆動部720a、制御線L2を介して制御部71に接続され、コレクタが機械式スイッチ10の一方の端部に接続され、エミッタが一方のダイオードD1のアノードに接続され、そのダイオードD1のカソードが機械式スイッチ10の他方の端部に接続されている。
他方のIGBT(BT2)のゲートが第2駆動部720b、制御線L2を介して制御部71に接続され、コレクタが機械式スイッチ10の他方の端部に接続され、エミッタが他方のダイオードD2のアノードに接続され、そのダイオードD2のカソードが機械式スイッチ10の一方の端部に接続されている。
すなわち、図4に示した例では、IGBTとダイオードとを組み合わせた簡単な構造で安価な半導体スイッチを実現することができる。なお、本実施形態のように駆動部を共通化したほうが小型化できるが、IGBT(BT1)用駆動部としての第2駆動部720a、その第2駆動部720a及び第1駆動部710は個別の駆動用電源に接続されてもよい。
Specifically, the gate of one IGBT (BT1) is connected to the
The gate of the other IGBT (BT2) is connected to the
That is, in the example shown in FIG. 4, an inexpensive semiconductor switch can be realized with a simple structure combining an IGBT and a diode. It should be noted that sharing the driving section as in the present embodiment makes it possible to reduce the size. It may be connected to a separate drive power supply.
次に、図2、図3等に示した本電力用開閉装置100の電圧阻止状態(不通状態)から導通状態への移行時の動作(以後、ターンオンと呼ぶ)の一例について、図5等を参照しながら説明する。なお、図5に示した例では、機械式スイッチ10は、機械式スイッチ用の駆動部を含み、半導体スイッチ20は、半導体スイッチ用の駆動部を含む。
Next, FIG. 5 and the like will be referred to as an example of the operation (hereinafter referred to as turn-on) of the
電圧阻止時(不通状態)においては、半導体スイッチ20、機械式スイッチ10のいずれもオフ状態である。
When the voltage is blocked (disconnected state), both the
例えば、操作部73を操作者の操作により、操作部73からオン指令を示す信号が出力される(ST1)。制御部71は、操作部73からオン指令を示す信号を受信した場合、半導体スイッチ20へオン指令を示す信号を出力し、半導体スイッチ20をオン状態に移行(ターンオン)させる処理を行う(ST2、ST3)。半導体スイッチ20はオン状態に移行する。
For example, when the operator operates the
次に、半導体スイッチ20がオン状態に移行後、もしくは半導体スイッチ20からオン状態を示すアンサーバック信号を受信してオン状態に移行したことを制御部71が確認した後(ST4、ST5)、機械式スイッチ10へオン指令を示す制御信号を出力して、機械式スイッチ10をターンオンさせる(ST6、ST7)。
Next, after the
機械式スイッチ10がオン状態に移行後、もしくは機械式スイッチ10からオン状態を示すアンサーバック信号を受信してオン状態に移行したことを制御部71が確認した後(ST8、ST9)、制御部71は、半導体スイッチ20及び機械式スイッチ10がオン状態となったことを示す信号(オン確認信号)を出力し、操作部73の表示装置等に、その旨を表示する処理を行う(ST10)。
After the
上述したように、機械式スイッチ10がオンすると、半導体スイッチ20よりも機械式スイッチ10の方が、抵抗が小さいので、電流は機械式スイッチ10を流れる。詳細には、半導体スイッチ20を先にオン状態に移行させると、機械式スイッチ10に印加される電圧は半導体スイッチ20のオン電圧となる。該オン電圧がアーク発生に必要な電圧(アーク発生電圧)よりも低ければアークは発生せず、機械式スイッチの接点は劣化しないというメリットがある。
アークは、電極から飛び出した電子が、電極間に存在する気体に衝突して、その気体を電離させ、それが雪崩式に増倍することにより発生する。したがって、雪崩の増倍係数が1より小さければアークは発生しない。すなわち、該半導体スイッチ20のオン電圧は低い方が好ましい。詳細には、機械式スイッチ10の一対の電極が離間した非接続状態で、電極間の電子雪崩の電子増倍が1となる最低電圧よりも、半導体スイッチ20のオン電圧が小さいことが好ましい。
例えば、SiCやGaNなどのワイドギャップ半導体は、Si系の半導体よりもオン電圧が低いことが知られている。十分にオン電圧の低い半導体スイッチ20を用いれば、機械式スイッチ10の電極間を真空にしたり、絶縁ガス下に封じ込める必要がなくなり、機械式スイッチ10の簡易化・低コスト化を実現することができる。
As described above, when the
An arc is generated by the electrons emitted from the electrodes colliding with the gas existing between the electrodes to ionize the gas, which is multiplied in an avalanche manner. Therefore, if the avalanche multiplication factor is less than one, no arc will occur. That is, it is preferable that the ON voltage of the
For example, wide-gap semiconductors such as SiC and GaN are known to have a lower on-voltage than Si-based semiconductors. If a
次に、電力用開閉装置100の導通状態から電圧阻止状態(不通状態)へ移行する、通常のオフ動作(以後、ターンオフと呼ぶ)の一例について、図6等を参照しながら説明する。導通状態においては、半導体スイッチ20、機械式スイッチ10のいずれもオン状態(接続状態)である。
Next, an example of a normal OFF operation (hereinafter referred to as turn-off) in which the
制御部71は、例えば、操作部73からオフ指令(不通指示)を示す信号が入力された場合(ST11)、ターンオフ制御を開始する。
詳細には、ターンオフ制御では、制御部71は、例えば、半導体スイッチ20のオン状態をチェックする信号を送信し(ST12)、半導体スイッチ20からオン状態を示すアンサーバック信号を受信して、半導体スイッチ20がオン状態であることを、制御部71が確認した後(ST13、ST14)、機械式スイッチ10をオフ状態(非接続状態)に移行させるために、オフ指令を機械式スイッチ10へ出力する(ST15)。
For example, when a signal indicating an off command (disconnection command) is input from the operation unit 73 (ST11), the
Specifically, in the turn-off control, the
ステップST16において、機械式スイッチ10が、制御部71からオフ指令を示す信号を受信した場合、オン状態からオフ状態に移行する(ターンオフ)。
In step ST16, when the
制御部71は、機械式スイッチ10からオフ状態を示すアンサーバック信号を受信して、機械式スイッチ10がオフ状態であることを、制御部71が確認する(ST17、ST18)。
The
上記したステップST16において、半導体スイッチ20がオン状態の時に機械式スイッチ10をオフさせれば、理想的には機械式スイッチ10には半導体スイッチ20のオン電圧しか印加されないので、アークによる電極の損傷を受けづらい。実際は、半導体スイッチ20と機械式スイッチ10の間にインダクタンスが存在するので、機械式スイッチ10の電流減少率と該インダクタンスの積に相当する電圧が機械式スイッチ10に印加される。したがって、この電流減少に伴う電圧を抑制するには、半導体スイッチ20をできるだけ機械式スイッチ10に近づけて実装することが重要である。すなわち、半導体スイッチ20が機械式スイッチ10に近設されている場合、半導体スイッチ20と機械式スイッチ10の間のインダクタンスが小さくなり、機械式スイッチ10に印加される、上記電流減少に伴う電圧を低減することができる。
In step ST16 described above, if the
また、半導体スイッチ20と機械式スイッチ10とがブスバー(金属導体)のように幅広い導体を介して接続されていても良い。ブスバーとしては、例えば、平板状の金属導体を、絶縁体を介して積層して形成(ラミネート加工)されたラミネートブスバーを採用してもよい。対向電流が流れるブスバーを近接配置できるので上記インダクタンスを小さくすることができ、機械式スイッチ10に印加する電圧を低減することができる。
半導体スイッチ20と機械式スイッチ10との間のインダクタンスをL、機械式スイッチ10の遮断時の電流減少率をdi/dt、機械式スイッチ10のアーク発生電圧をVaとしたとき、インダクタンスLは、数式(1)を満たすことが好ましい。
Also, the
Letting L be the inductance between the
また、半導体スイッチ20が機械式スイッチ10に近づけて実装するとごくわずかに発生したアークで半導体スイッチ20が熱せされる。したがって、半導体スイッチ20は耐熱性の高い半導体、例えば、SiCやGaNなどのワイドギャップ半導体であることがより好ましい。
Also, when the
次に、電流が半導体スイッチ20に移行した後、もしくは、電流が半導体スイッチ20に転流したことを制御部71が確認した後に、制御部71は半導体スイッチ20をオフさせる(ST19、ST20)。詳細には、制御部71は、半導体スイッチ20をオフ状態に移行させるために、オフ指令を示す制御信号を半導体スイッチ20へ出力する(ST19)。ステップST20において、半導体スイッチ20が、制御部71からオフ指令を示す信号を受信した場合、オン状態からオフ状態に移行する(ターンオフ)。このとき、電流が変化する配電経路のインダクタンスと電流減少率の積に相当する電圧が半導体スイッチ20に印加される。したがって、半導体スイッチ20は過電圧抑制機能を有することが好ましい。該過電圧抑制機能は外付けでも差し支えない。また、半導体スイッチ20の遮断動作時に、半導体スイッチ20は大きな熱ストレスがかかる。この熱ストレスは瞬間的なものであるので、該半導体スイッチ20は熱容量の大きな金属、例えば、バルク状の金属に実装されることが好ましい。該実装用の金属体の熱容量と許容される温度上昇による温度変化との積は、半導体スイッチ20の遮断時に発生する熱量よりも大きくなくてはならない。
また、半導体スイッチ20の遮断直前に、該インダクタンスに蓄えられているエネルギーが大きい場合、それを処理するスナバ回路(例えば抵抗とコンデンサ(キャパシタ)が直列接続されたもの)や、アレスタ等のサージ防護デバイスを、該半導体スイッチ20に並列に接続することが好ましい。
Next, after the current has transferred to the
In addition, if the energy stored in the inductance is large immediately before the
そして、半導体スイッチ20がオフ状態に移行後、もしくは半導体スイッチ20からオフ状態を示すアンサーバック信号を受信してオフ状態に移行したことを制御部71が確認した後(ST21、ST22)、制御部71は、半導体スイッチ20及び機械式スイッチ10がオフ状態となったことを示す信号(オフ確認信号)を操作部73へ出力し、操作部73の表示装置等にその旨を表示する処理を行う(ST23)。
After the
次に、図7を参照しながら、過電流等の異常を検出部72で検出した場合のターンオフ動作の一例を、図7等を参照しながら説明する。
導通状態においては、半導体スイッチ20、機械式スイッチ10のいずれもオン状態(接続状態)である。
Next, an example of the turn-off operation when an abnormality such as an overcurrent is detected by the
In the conductive state, both the
過電流等の異常を検出部72で検出した場合、検出部72から異常を検出したことを示す信号(異常信号)が制御部71へ出力される(ST31)。制御部71は、その信号に基づいて、電力用開閉装置を遮断(ターンオフ)するか否かを判断し(ST32)、遮断する場合には、ST112~ST123の処理を行う。なお、図7に示したST112~ST122の処理は、図6に示したST12~ST22の処理と同じであるので説明を省略する。
そして、ステップST122において、制御部71は、半導体スイッチ20及び機械式スイッチ10がオフ状態となったことを確認した後、例えば、異常検出等により非常時オフ状態となったことを示す信号(非常オフ確認信号)を操作部73へ出力し、操作部73の表示装置等に、その旨を表示する処理を行う(ST123)。
When an abnormality such as overcurrent is detected by the
Then, in step ST122, after confirming that the
以下、図面を参照しながら本発明の他の一実施形態を説明する。尚、以後の各図の説明で、既に説明した部位と共通する部分は同一符号を付して重複説明を一部省略する。 Another embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following description of each figure, the same reference numerals are given to the parts that are common to the already described parts, and redundant description is partly omitted.
図8に示した、本発明の一実施形態に係る電力用開閉装置100C(100)では、機械式スイッチ10(101,102,・・・,10n)それぞれにFET(F11,F12,・・・,F1n)等の半導体スイッチ20(201,202,・・・,20n)が並列接続されている。
なお、図8に示すように、第1駆動部(7101,7102,・・・,710n)と第2駆動部(7201,7202,・・・,720n)はそれぞれ共通の制御用電源(751,752,・・・,75n)に接続されている。つまり、制御用電源(751,752,・・・,75n)から、各第1駆動部(7101,7102,・・・,710n)、各第2駆動部(7201,7202,・・・,720n)へ電力が供給される。
また、電力用開閉装置100C(100)では、並列接続体30(301,・・・,30n)が、複数直列接続された、複数直列接続構造体40を有する。その構造体40の導電線L1の一方の端部に端子T1が設けられており、他方の端部に端子T2が設けられている。端子T1、端子T2には配電線6(図1参照)が接続される。
In the
As shown in FIG. 8, the first drive units (710 1 , 710 2 , . . . , 710 n ) and the
Also, in the power switchgear 100C (100), the parallel connection bodies 30 (30 1 , . A terminal T1 is provided at one end of the conductive line L1 of the
機械式スイッチ101~10nは、端子T1と端子T2間の導電線L1に接続されている。詳細には、機械式スイッチ101~10nは、一対の電極が離間可能に設けられており、制御部71の制御により、遮断時(非接続時)に両電極が離間し、接続時に両電極が当接し接続状態となる。特高用など高電圧の機械式スイッチは、電圧を阻止するために電極間の距離をより長く確保する必要がある。したがって、電流を遮断するときの電極離間距離が長くなり、遮断に時間を要する。さらに、離間した電極間に印加されている電圧が高いと、アーク放電(電弧)が生じ易く、消弧にかかる時間も長くなる。一方、機械式スイッチ101~10nを直列に接続すれば、各機械式スイッチ101~10nの分担電圧が低くなるので、離間距離は短く、遮断に要する時間は短くなり、アークの発生の可能性が減少するほか、消弧にかかる時間も短くなるというメリットがある。
次に、図8に示した、電力用開閉装置100C(100)の動作の一例を説明する。
電圧阻止時においては、半導体スイッチ201~20n、機械式スイッチ101~10nのいずれもオフ状態である。まず、電圧阻止状態から導通状態への移行時の動作(ターンオンと呼ぶ)について説明する。
Next, an example of the operation of the
During voltage blocking, both the semiconductor switches 20 1 to 20 n and the
制御部71は、半導体スイッチ201~20nをオン状態に移行させ、半導体スイッチ201~20nがオン状態に移行後、もしくはオン状態に移行したことを制御部71が確認後、制御部71は機械式スイッチ101~10nをオンさせる。
The
機械式スイッチ101~10nは開閉に時間がかかり、個体差が大きいので、例えば、半導体スイッチ201~20nをオンすることなく直列接続された機械式スイッチ101~10nをオンさせると、オン動作が遅れた機械式スイッチに全電圧が印加されて過電圧により故障する虞がある。
Since the
一方、図8に示した、本発明の実施形態に係る電力用開閉装置100C(100)では、半導体スイッチ201~20nがオン状態であれば、複数の機械式スイッチ101~10nの動作がばらついても、機械式スイッチ101~10nには半導体スイッチ201~20nのオン電圧しか印加されないので安全に導通状態に移行できる。つまり、半導体スイッチ201~20nをオンさせた後に機械式スイッチ101~10nをオンさせる制御部71を有することが、本発明の大きな特徴の一つである。
On the other hand, in the power switchgear 100C ( 100 ) according to the embodiment of the present invention shown in FIG. Even if the operation varies, only the ON voltage of the semiconductor switches 20 1 to 20 n is applied to the
図8に示した、電力用開閉装置100C(100)のオフ時の動作に関しては、上述した実施例(図6、図7等参照)と同様なので説明を省略する。
The operation when the
なお、上述したように、電力用開閉装置の各並列接続体には、機械式スイッチや半導体スイッチのオン・オフ動作に必要な電源を供給する制御用電源(電源回路)が並列に接続されていることが好ましい。制御用電源(電源回路)は、電圧阻止時には、印加された電圧から電力を取り出し、ターンオン時の動作電力とする。一方、導通時には微小な電流を分流させ、分流した微小電流から電力を取り出し、ターンオフ時の動作電力とする。なお、ターンオフ時の動作電力は各並列接続体にそれぞれ直列に接続された電源回路から取り出してもよい。 As described above, each parallel-connected body of the power switchgear is connected in parallel with a control power supply (power supply circuit) that supplies the power necessary for the on/off operation of the mechanical switches and semiconductor switches. preferably. The control power supply (power supply circuit) extracts power from the applied voltage when the voltage is blocked, and uses it as operating power when turned on. On the other hand, when conducting, a minute current is shunted, and power is extracted from the shunted minute current and used as operating power at turn-off. The operating power at the time of turn-off may be extracted from the power supply circuit connected in series to each parallel connection.
また、例えば図9に示した電力用開閉装置100D(100)のように、複数の半導体スイッチ20において、隣接する半導体スイッチ20(20D1,20D2)の直列体のMOS-FETやFET(F21,F22)等のドレインを隣接させて、それぞれ共通の電源兼駆動部Vとしての電源回路に接続されていてもよい。こうすることで、電源回路や駆動部を間引くことが可能となり、電力用開閉装置全体の電源回路や駆動部の数を低減することができる。詳細には、図9に示した例では、各FET(F21,F22)のドレインに、共通の電源兼駆動部Vが直接又は抵抗(不図示)を介して接続される。なお、図9では、操作部、検出部などについて図示していない。
For example, as in the
図9に示した電源兼駆動部Vの一例を説明する。
電源兼駆動部Vは、複数のスイッチSW1,SW2,SW3,SW4、キャパシタC1,C2、抵抗R1,R2、ダイオードD11,D12、ツェナーダイオードZD1,ZD2を有し、それぞれ図9に示すように接続されている。スイッチSW1,SW2,SW3,SW4は、制御部71により接続状態、又は非接続状態に制御される。このスイッチSW1,SW2,SW3,SW4は、例えば、トランジスタやMOS-FET等の半導体スイッチである。
An example of the power/drive section V shown in FIG. 9 will be described.
The power/drive unit V has a plurality of switches SW1, SW2, SW3, SW4, capacitors C1, C2, resistors R1, R2, diodes D11, D12, and Zener diodes ZD1, ZD2, which are connected as shown in FIG. It is The switches SW1, SW2, SW3, and SW4 are controlled by the
詳細には、図9に示した例では、一方のFET(F21)のドレインと他方のFET(F22)のドレインがノードN1を介して接続されており、ノードN1は基準電位に接続されている。一方のFET(F21)のソースがノードN2に接続され、ノードN1とノードN2の間に一方の機械式スイッチ101(10)が接続されている。他方のFET(F22)のソースがノードN3に接続され、ノードN1とノードN3の間に他方の機械式スイッチ102(10)が接続されている。
ノードN2とノードN3との間には、電源兼駆動部VのダイオードD11、抵抗R1、キャパシタC1(コンデンサ)、キャパシタC2、抵抗R2、ダイオードD12が直列に接続されている。キャパシタC1,C2の間の接続ノードN4は、ノードN1を介して各FET(F21,F22)のドレインに接続されている。
一方のキャパシタC1の両端には、直列接続されたスイッチSW1,SW2と、ツェナーダイオードZD1が並列接続されている。一方のFET(F21)のゲートは、スイッチSW1とスイッチSW2の間(接続ノード)に接続されている。
他方のキャパシタC2の両端には、直列接続されたスイッチSW3,SW4と、ツェナーダイオードZD2が並列接続されている。他方のFET(F22)のゲートは、スイッチSW3とスイッチSW4の間(接続ノード)に接続されている。
Specifically, in the example shown in FIG. 9, the drain of one FET (F21) and the drain of the other FET (F22) are connected via a node N1, and the node N1 is connected to the reference potential. . The source of one FET (F21) is connected to node N2, and one mechanical switch 10 1 (10) is connected between node N1 and node N2. The source of the other FET (F22) is connected to node N3, and the other mechanical switch 10 2 (10) is connected between node N1 and node N3.
A diode D11, a resistor R1, a capacitor C1 (capacitor), a capacitor C2, a resistor R2, and a diode D12 of the power/drive unit V are connected in series between the node N2 and the node N3. A connection node N4 between the capacitors C1 and C2 is connected to the drains of the FETs (F21 and F22) via the node N1.
Series-connected switches SW1 and SW2 and a Zener diode ZD1 are connected in parallel to both ends of one capacitor C1. The gate of one FET (F21) is connected between the switches SW1 and SW2 (connection node).
Series-connected switches SW3 and SW4 and a Zener diode ZD2 are connected in parallel across the other capacitor C2. The gate of the other FET (F22) is connected between the switches SW3 and SW4 (connection node).
詳細には、上述した一方のダイオードD11のアノードは、ノードN2に接続され、カソードが抵抗R1に接続されている。他方のダイオードD12のアノードは、ノードN3に接続され、カソードが抵抗R2に接続されている。なお、T2の電位がT1より高いときは、ダイオードD12と抵抗R2を介してキャパシタC2(コンデンサ)が充電され、一方、T1の電位がT2より高いときは、ダイオードD11と抵抗R1を介してキャパシタC1(コンデンサ)が充電される。キャパシタC1とキャパシタC2の電圧は、それぞれZD1およびZD2のツェナー電圧以上には充電されない。
上述した一方のツェナーダイオードZD1のアノードは、スイッチSW2に接続され、カソードがスイッチSW1に接続されている。他方のツェナーダイオードZD2のアノードは、スイッチSW3に接続され、カソードがスイッチSW4に接続されている。
つまり、上述したように、隣接する半導体スイッチ20D1,20D2(20)の直列体のMOS-FETやFET(F21,F22)等のドレインと、ゲートが、共通の電源兼駆動部Vに接続されており、電力用開閉装置全体の電源回路や駆動部の数を低減することができる。本実施例では、特にノードN1とN4を結ぶ導体が共通となっていてその共通導体を削減できる。
Specifically, one of the diodes D11 mentioned above has an anode connected to the node N2 and a cathode connected to the resistor R1. The other diode D12 has an anode connected to the node N3 and a cathode connected to the resistor R2. When the potential of T2 is higher than T1, capacitor C2 is charged via diode D12 and resistor R2. On the other hand, when the potential of T1 is higher than T2, capacitor C2 is charged via diode D11 and resistor R1. C1 (capacitor) is charged. The voltages on capacitors C1 and C2 do not charge above the Zener voltages on ZD1 and ZD2, respectively.
The anode of one Zener diode ZD1 mentioned above is connected to switch SW2, and the cathode is connected to switch SW1. The other Zener diode ZD2 has an anode connected to the switch SW3 and a cathode connected to the switch SW4.
That is, as described above, the drains and gates of the series-connected MOS-FETs and FETs (F21, F22) of the
また、電源兼駆動部Vは、上述したように、各半導体スイッチ20(20D1,20D2,・・・)の制御用電源であったが、各機械式スイッチ10(101,102,・・・)の駆動部の駆動用電源を兼ねていてもよい。つまり、半導体スイッチ20と機械式スイッチ10が共通の電源兼駆動部Vに接続されていてもよい。
In addition, the power supply/drive unit V was the control power supply for the semiconductor switches 20 ( 20D 1 , 20D 2 , . . . ) may also serve as a driving power supply for the driving unit. In other words, the
図10に示した、本発明の一実施形態に係る電力用開閉装置100E(100)は、図4に示した並列接続体30B(30)が複数直列接続されたものである。
A
図10に示した、電力用開閉装置100E(100)は、半導体スイッチ20(20B1,・・・,20Bn)と機械式スイッチ10(101,・・・,10n)の並列接続体30(30B1,・・・,30Bn)を有する。各並列接続体30(30B1,・・・,30Bn)が直列接続されて構造体40E(40)を形成している。
A
並列接続体30B1(30),・・・,30Bn(30)のうち、並列接続体30B1(30)には、半導体スイッチ20B1(20)として、2つの絶縁ゲートバイポーラトランジスタIGBT(BT11,BT21)、2つのダイオードD21,D31を有する。
. . , 30B n (30), the
また、電力用開閉装置100E(100)は、機械式スイッチ(101,・・・,10n)用の駆動部としての第1駆動部(71011,・・・,7101n)、IGBT(BT11,・・・,BT1n)用の駆動部としての第2駆動部(720a1,・・・,720an)、その第2駆動部(720a1,・・・,720an)及び第1駆動部(71011,・・・,7101n)にそれぞれ電力を供給する制御用電源(75a1、・・・、75an)、IGBT(BT21,・・・,BT2n)用の駆動部としての第2駆動部(720b1,・・・,720bn)、その第2駆動部(720b1,・・・,720bn)に電力を供給する制御用電源(75b1,・・・,75bn)を有する。
In addition, the
詳細には、一方のIGBT(BT11)のゲートが第2駆動部720a1、制御線L2を介して制御部71に接続され、コレクタが機械式スイッチ101(10)の一方の端部に接続され、エミッタが一方のダイオードD21のアノードに接続され、そのダイオードD21のカソードが機械式スイッチ101(10)の他方の端部に接続されている。
他方のIGBT(B21)のゲートが、第2駆動部720b1、制御線L2を介して制御部71に接続され、コレクタが機械式スイッチ101(10)の他方の端部に接続され、エミッタが他方のダイオードD31のアノードに接続され、そのダイオードD31のカソードが機械式スイッチ101(10)の他方の端部に接続されている。
Specifically, the gate of one IGBT (BT11) is connected to the
The gate of the other IGBT (B21) is connected to the
並列接続体の他の構成要素も同様に構成されており、例えば、並列接続体30Bn(30)には、半導体スイッチ20Bn(20)として、2つの絶縁ゲートバイポーラトランジスタIGBT(BT1n,BT2n)、2つのダイオードD2n,D3nを有する。詳細には、一方のIGBT(BT1n)のゲートが、第2駆動部720an、制御線L2を介して制御部71に接続され、コレクタが機械式スイッチ10n(10)の一方の端部に接続され、エミッタが一方のダイオードD2nのアノードに接続され、そのダイオードD2nのカソードが機械式スイッチ10n(10)の他方の端部に接続されている。
他方のIGBT(B2n)のゲートが制御線L2、第2駆動部720bnを介して制御部71に接続され、コレクタが機械式スイッチ10n(10)の他方の端部に接続され、エミッタが他方のダイオードD3nのアノードに接続され、そのダイオードD3nのカソードが機械式スイッチ10n(10)の他方の端部に接続されている。
Other components of the parallel connection are similarly configured. For example, the
The gate of the other IGBT (B2n) is connected to the
また、図11に示したように、本発明の一実施形態に係る電力用開閉装置100F(100)は複数の並列接続体30(30F1,30F2,・・・等)を有する。各半導体スイッチ20(20F1,20F2,・・・等)は、それぞれ2つの絶縁ゲートバイポーラトランジスタIGBT(BT41,BT51,BT42,BT52,・・・等)、2つのダイオード(D41,D51,D42,D52,・・・等)を有し、それぞれ図11に示すような配置とすれば、制御用電源、各駆動部等の数を間引くことが可能になり、電力用開閉装置全体の制御用電源、各駆動部等の数を低減することができる。なお、図11では、操作部、検出部などについて図示していない。
Further, as shown in FIG. 11, the
詳細には、図11に示すように、例えば、一方の並列接続体30F1(30)において、一方のIGBT(BT41)のコレクタが一方のダイオードD41のカソードに接続され、ダイオードD41のアノードが機械式スイッチ101(10)の一方の端部(ノードN1)に接続され、IGBT(BT41)のエミッタが機械式スイッチ101(10)の他方の端部に接続されている。
他方のIGBT(BT51)のゲートが電源兼駆動部Vに接続され、コレクタがダイオードD51のカソードに接続され、ダイオード51のアノードが機械式スイッチ101(10)の他方の端部に接続され、IGBT(BT51)のエミッタが機械式スイッチ101(10)の一方の端部(ノードN1)に接続されている。
Specifically, as shown in FIG. 11, for example, in one
The gate of the other IGBT (BT51) is connected to the power supply/drive unit V, the collector is connected to the cathode of the diode D51, the anode of the diode 51 is connected to the other end of the mechanical switch 10 1 (10), The emitter of the IGBT (BT51) is connected to one end (node N1) of the mechanical switch 10 1 (10).
並列接続体30F2(30)において、IGBT(BT42)のゲートが電源兼駆動部Vに接続され、コレクタが一方のダイオードD42のカソードに接続され、ダイオードD42のアノードが機械式スイッチ102(10)の一方の端部に接続され、IGBT(BT42)のエミッタが機械式スイッチ102(10)の他方の端部(ノードN1に接続されている端部)に接続されている。
他方のIGBT(BT52)のコレクタが他方のダイオードD52のカソードに接続され、ダイオードD52のアノードが機械式スイッチ102(10)の他方の端部(ノードN1に接続されている端部)に接続され、IGBT(BT52)のエミッタが機械式スイッチ102(10)の一方の端部に接続されている。
In the
The collector of the other IGBT (BT52) is connected to the cathode of the other diode D52, and the anode of diode D52 is connected to the other end of mechanical switch 10 2 (10) (the end connected to node N1). and the emitter of the IGBT (BT52) is connected to one end of the mechanical switch 10 2 (10).
図11に示した電源兼駆動部Vは、図9に示した電源兼駆動部Vと同じ構造であるので、説明を省略する。他の並列接続体30、電源兼駆動部Vについても同様な構成となっている。
また、図11に示した、IGBT(BT51)のゲートが電源兼駆動部VのスイッチSW1とスイッチSW2の間(接続ノード)に接続されている。IGBT(BT42)のゲートが電源兼駆動部VのスイッチSW3とスイッチSW4の間(接続ノード)に接続されている。スイッチSW2とスイッチSW3の間の接続ノードN4が、半導体スイッチ20F1,20F2の接続ノード(ノードN1)に接続されている。
つまり、隣接する半導体スイッチ20F1のIGBT(BT51)と、半導体スイッチ20F2のIGBT(BT42)とで、電源兼駆動部Vを共有することができる。すなわち、電力用開閉装置100F(100)の他の隣接する並列接続体30F(30)でも同様に、電源兼駆動部を共有することで、電源兼駆動部を間引くことが可能となり、電力用開閉装置100F(100)全体の電源兼駆動部、制御用電源、各駆動部の数を低減することができる。
また、電源兼駆動部Vは、上述したように、各半導体スイッチの制御用電源であったが、各機械式スイッチの駆動部の駆動用電源を兼ねていてもよい。つまり、半導体スイッチと機械式スイッチが共通の制御用電源等に接続されていてもよい。
なお、IGBT(BT52)は、並列接続体30F2(30)の隣(図11の右側)の並列接続体(不図示)の上部のIGBT(不図示)と、共通の電源権駆動部で駆動される。
The power supply/drive section V shown in FIG. 11 has the same structure as the power supply/drive section V shown in FIG. 9, so the description thereof will be omitted. The other
Also, the gate of the IGBT (BT51) shown in FIG. 11 is connected between the switch SW1 and the switch SW2 of the power/drive unit V (connection node). A gate of the IGBT (BT42) is connected between the switch SW3 and the switch SW4 of the power/drive unit V (connection node). A connection node N4 between the switches SW2 and SW3 is connected to a connection node (node N1) between the semiconductor switches 20F 1 and 20F 2 .
In other words, the IGBT (BT51) of the adjacent semiconductor switch 20F1 and the IGBT (BT42) of the semiconductor switch 20F2 can share the power supply/drive section V. In other words, by sharing the power source/driving unit in the other adjacent
Further, as described above, the power supply/drive unit V is a control power supply for each semiconductor switch, but it may also serve as a drive power supply for each mechanical switch drive unit. That is, the semiconductor switch and the mechanical switch may be connected to a common control power source or the like.
The IGBT (BT52) and the IGBT (not shown) above the parallel connection (not shown) next to the parallel connection 30F2 (30) (on the right side in FIG. 11) are driven by a common power source driving section. be.
図12に示すように、本発明の一実施形態に係る電力用開閉装置100G(100)では、サージ電流対策のために、半導体スイッチ20や機械式スイッチ10に、直列接続されたキャパシタと抵抗が並列に接続されている。なお、制御用電源や各駆動部は図示していない。
詳細には、機械式スイッチ10(101,102,・・・,10n)と、FET(F11,F12,・・・,F1n等)の半導体スイッチ20(201,202,・・・,20n)の並列接続体30(301,302,・・・,30n)それぞれに、直列接続されたキャパシタC21と抵抗R21,キャパシタC22と抵抗R22,・・・,キャパシタC2nと抵抗R2nがそれぞれ並列に接続されていてもよい。
また、図12に示すように、各並列接続体30(301,302,・・・,30n)の直列接続構造体40の両端に、直列接続されたキャパシタC4と抵抗R4が並列に接続されていてもよい。キャパシタと抵抗の並列体に並列にサージ保護デバイス(アレスタ)を並列に接続してもよい(不図示)。
また、図12に示すように、各並列接続体30(301,302,・・・,30n)の直列接続構造体40の両端に、アレスタ(避雷器)等のサージ防護デバイスSP(アレスタ)が並列接続されていてもよい。このアレスタは、サージ侵入時のみインピーダンスを小さくして、過電圧をサージ電流として通過させるとともに、半導体スイッチ20や機械式スイッチ10にかかるサージ電圧を抑制し、半導体スイッチ20や機械式スイッチ10を保護することができる。
As shown in FIG. 12, in the
Specifically, mechanical switches 10 (10 1 , 10 2 , . . . , 10 n ) and semiconductor switches 20 (20 1 , 20 2 , . . . , 20 n ) connected in series with a capacitor C21 and a resistor R21, a capacitor C22 and a resistor R22, . Each resistor R2n may be connected in parallel.
Also, as shown in FIG. 12, a series-connected capacitor C4 and a resistor R4 are connected in parallel at both ends of the series-connected
Also, as shown in FIG. 12, a surge protection device SP (arrester) such as an arrester (lightning arrester) is provided at both ends of the
以上、説明したように、本発明の電力用開閉装置100は、機械式スイッチ10と半導体スイッチ20の並列接続体30と、制御部71と等を有する。制御部71は、並列接続体30の端子T1、T2間を不通状態から導通状態とする場合、複数直列接続構造体40の半導体スイッチ20それぞれをオン状態で、機械式スイッチ10それぞれを接続状態とする制御を行う。
すなわち、事故点をいち早く切離すことが可能な電力用開閉装置や機械式スイッチを提供することができる。
また、その電力用開閉装置や機械式スイッチを用いた、電力変換システムなどの電気機器を提供することができ、電力系統のロバスト性(外的要因による変化に対する頑強性)の向上に貢献できる。
As described above, the
In other words, it is possible to provide a power switchgear and a mechanical switch capable of quickly isolating the fault point.
In addition, it is possible to provide electrical equipment such as a power conversion system using the power switchgear and mechanical switch, and contribute to improving the robustness of the power system (robustness against changes due to external factors).
また、高耐電圧の遮断器を用いることなく、小さい耐電圧で安価な機械式スイッチと半導体スイッチを用いて、短時間に確実に不通状態から導通状態とすることができる電力用開閉装置を提供することができる。具体的には、例えば、400V、3.3kV、6.6kV用、又はそれらの間の電圧用の複数の機械式スイッチ10、複数の半導体スイッチ20を用いて、500kV以上、275kV、220kV、187kV、154kV、110kV、77kV、66kV、30kV、20kV、又はそれらの間の電圧の配電線(送電線)用の電力用開閉装置を提供することができる。
In addition, a power switchgear is provided that can reliably switch from a non-conducting state to a conducting state in a short period of time by using inexpensive mechanical switches and semiconductor switches with a low withstand voltage without using a circuit breaker with a high withstand voltage. can do. Specifically, for example, 500 kV or more, 275 kV, 220 kV, 187 kV using a plurality of
また、上述したように、電力用開閉装置の制御方法は、半導体スイッチ20がオン状態であり、機械式スイッチ10が非接続状態である第1のステップと、制御部71が、機械式スイッチ10を非接続状態から接続状態とする制御を行うことにより、電力用開閉装置を不通状態から導通状態に移行させる第2のステップ(図5のST2~ST9)と、を有する。すなわち、簡単な制御により、容易に、事故点をいち早く切離すことが可能な電力用開閉装置の制御方法を提供することができる。
Further, as described above, the method for controlling the power switchgear includes a first step in which the
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。
また、上述の各図で示した実施形態は、その目的及び構成等に特に矛盾や問題がない限り、互いの記載内容を組み合わせることが可能である。
また、各図の記載内容はそれぞれ独立した実施形態になり得るものであり、本発明の実施形態は各図を組み合わせた一つの実施形態に限定されるものではない。
Although the embodiments of the present invention have been described in detail above with reference to the drawings, the specific configurations are not limited to these embodiments, and design changes and the like may be made without departing from the gist of the present invention. are included in the present invention.
Further, the embodiments shown in the respective drawings described above can be combined with each other as long as there is no particular contradiction or problem in the purpose, configuration, or the like.
In addition, the contents described in each drawing can be an independent embodiment, and the embodiment of the present invention is not limited to one embodiment in which each drawing is combined.
なお、上述した実施形態では、本発明に係る電力用開閉装置や機械式スイッチを採用した交流配電システムを説明したが、この実施形態に限られるものではなく、例えば、本発明に係る電力用開閉装置や機械式スイッチを直流配電用途とし、直流配電システムに用いてもよい。 In the above-described embodiment, an AC power distribution system employing the power switchgear and the mechanical switch according to the present invention has been described, but the present invention is not limited to this embodiment. Devices and mechanical switches may be used for DC power distribution and used in DC power distribution systems.
1、2…電力源(発電装置)
3、4、100、100B、100C、100D、100E、100F、100G…電力用開閉装置
5…負荷
6…配電線(送電線)
10…機械式スイッチ
20…半導体スイッチ
30…並列接続体
40…構造体(複数直列接続構造体)
71…制御部
72…検出部
73…操作部
75…制御用電源(電源)
101…絶縁容器
111…固定側電極
112…固定側電極棒
121…可動側電極
122…可動側電極棒
130…シールド
710…機械式スイッチ用駆動部(第1駆動部)
720…半導体スイッチ用駆動部(第2駆動部)
C…キャパシタ(コンデンサ)
D…ダイオード
IGBT…絶縁ゲートバイポーラトランジスタ
L1…導電線
L2…制御線
L3…制御線
R…抵抗
SP…サージ防護デバイス(アレスタ)
V…電源兼駆動部
1, 2... power source (generator)
3, 4, 100, 100B, 100C, 100D, 100E, 100F, 100G...
DESCRIPTION OF
71...
DESCRIPTION OF
720... Drive unit for semiconductor switch (second drive unit)
C ... capacitor (capacitor)
D... Diode IGBT... Insulated gate bipolar transistor L1... Conductive line L2... Control line L3... Control line R... Resistor SP... Surge protective device (arrestor)
V: power supply and driving unit
Claims (15)
前記半導体スイッチを接続状態とする制御を行い、次いで、前記機械式スイッチを接続状態とする制御を行うことにより、前記電力用開閉装置を不通状態から導通状態に移行させる制御部を有し、
前記制御部は、導通状態の間、前記半導体スイッチ及び前記機械式スイッチのいずれもオン状態であるように維持するものであり、かつ、
前記制御部は、前記電力用開閉装置を導通状態から不通状態に移行させる場合、前記半導体スイッチがオン状態であることを確認する制御を行った後に、前記機械式スイッチを非接続状態とする制御を行い、次いで、前記半導体スイッチをオフ状態とする制御を行い、
前記半導体スイッチは、金属体に実装され、
前記半導体スイッチが実装された金属体の熱容量は、当該熱容量と前記半導体スイッチに許容される温度上昇による温度変化との積としての熱量が、前記半導体スイッチの遮断時に発生する熱量よりも大きくなるような熱容量の値に設定されていることを特徴とする電力用開閉装置。 A power switching device having a parallel connection body of a mechanical switch and a semiconductor switch,
a control unit that controls the semiconductor switch to be in a connected state and then controls the mechanical switch to be in a connected state, thereby shifting the power switchgear from a non-conducting state to a conducting state;
The control unit maintains both the semiconductor switch and the mechanical switch in an ON state during the conduction state, and
When the power switchgear is to be shifted from the conducting state to the non-conducting state, the control unit performs control for confirming that the semiconductor switch is in the ON state, and then controls the mechanical switch to be in the non-connected state. and then control to turn off the semiconductor switch,
The semiconductor switch is mounted on a metal body,
The heat capacity of the metal body on which the semiconductor switch is mounted is such that the amount of heat as the product of the heat capacity and the temperature change due to the temperature rise allowed for the semiconductor switch is larger than the amount of heat generated when the semiconductor switch is cut off. A power switchgear, characterized in that it is set to a value of a heat capacity.
前記一対の電極が離間した非接続状態で、前記電極間の電子雪崩の電子増倍が1となる最低電圧よりも、前記半導体スイッチのオン電圧が小さいことを特徴とする請求項1から請求項10の何れか1項に記載の電力用開閉装置。 The mechanical switch has a pair of electrodes, and the pair of electrodes are provided so as to be separated,
2. The ON voltage of the semiconductor switch is lower than the lowest voltage at which the electron multiplication of the electron avalanche between the electrodes is 1 in the non-connected state where the pair of electrodes are spaced apart. 11. The power switchgear according to any one of 10 .
前記制御部は、前記半導体スイッチを接続状態とする制御を行い、次いで、前記機械式スイッチを接続状態とする制御を行うことにより、前記電力用開閉装置を不通状態から導通状態に移行させるものであり、かつ、
前記制御部は、導通状態の間、前記半導体スイッチ及び前記機械式スイッチのいずれもオン状態であるように維持するものであり、かつ
前記制御部は、前記半導体スイッチがオン状態であることを確認する制御を行った後に、前記機械式スイッチを非接続状態とする制御を行い、次いで、前記半導体スイッチをオフ状態とする制御を行うことにより、前記電力用開閉装置を導通状態から不通状態に移行させるものである
ことを特徴とする電力用開閉装置の制御方法。 In a power switching device having a parallel-connected body of a mechanical switch and a semiconductor switch, the semiconductor switch is mounted on a metal body, and the heat capacity of the metal body on which the semiconductor switch is mounted is the same as the heat capacity and the semiconductor switch. A control method for a power switchgear, wherein a heat capacity value as a product of a temperature change due to an allowable temperature rise is set to a value greater than a heat quantity generated when the semiconductor switch is cut off,
The control unit controls the semiconductor switch to be in a connected state, and then controls the mechanical switch to be in a connected state, thereby shifting the power switchgear from the non-conducting state to the conducting state. Yes, and
The control unit maintains both the semiconductor switch and the mechanical switch in an ON state during the conduction state, and
After performing control to confirm that the semiconductor switch is on, the control unit performs control to disconnect the mechanical switch, and then performs control to turn off the semiconductor switch. Thus, the power switchgear is switched from the conducting state to the non-conducting state.
A control method for a power switchgear, characterized by:
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