JP7214893B2 - 直流遮断器 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、直流遮断器に関する。

近年、複数の直流送電線が格子状に構成された直流送電網による電力の送電が行われている。直流送電網においては事故が発生した場合、特定の送電線のみを遮断し、残りの送電線によって電力の送電を継続する場合がある。これに関して、直流送電線路に流れる電流を遮断する直流遮断装器に関する技術が知られている。

ところで、直流遮断装器には、半導体遮断器を用いる半導体遮断方式と、機械遮断器を用いる機械遮断方式と、半導体遮断器と機械遮断器との両方を用いるハイブリッド遮断方式とが存在する。機械遮断方式の直流遮断装器は、転流スイッチと転流コンデンサと転流リアクトルとを備える転流回路を閉回路にし、直流送電線路に流れる電流に共振電流を発生させてゼロ点を生成することにより、機械遮断器を遮断させ、直流送電線路に流れる電流を遮断する。

また、転流スイッチには、電極の片方または両方を機械的に動かすことにより、電極間を電気的、機械的に導通状態にする機械方式と、サイリスタやＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの半導体素子を用いて導通状態にする半導体方式と、固定された電極間に外的要因を加えることにより、絶縁性能を下げることで電気的に導通状態にする放電方式とが存在する。更に、機械方式の転流スイッチには、一対の電極を有し、電極のうち少なくとも一方を移動させて電極間の距離を近づけ、電極間の絶縁性能を開状態よりも下げて絶縁破壊させることで閉状態にさせる接触方式と、固定された一対の電極を有し、電極間の絶縁性能を開状態よりも下げて絶縁破壊させることで閉状態にさせる非接触方式とが存在する。

ここで、機械方式の転流スイッチは、閉状態において、電極間の絶縁破壊によってアークが発生し、電気的な導通状態になる。したがって、機械方式の転流スイッチは、絶縁破壊によってサージを発生させて周辺回路素子や他の周辺機器が誤動作、又は故障する可能性があるという課題があった。

また、直流遮断装器は、再閉路の責務が求められる場合がある。ハイブリッド遮断方式や半導体遮断方式の直流遮断装器では、事故電流を遮断した際の回復電圧にて転流コンデンサが充電されるので、再閉路が行われた以降も、機械遮断器を遮断させ、直流送電線路に流れる電流を遮断することが可能であった。

これに対して、機械方式の転流スイッチを用いる直流遮断装器は、転流スイッチの電極間の絶縁性能が回復することによって電極間を流れる電流が遮断され、または電流ゼロ点にて消弧されるため、転流コンデンサの充電状態が適切でないまま、電気的な導通状態を終えてしまう場合があった。この場合、転流コンデンサは、十分に充電されない、又は所定の電圧以上に充電され、適切に再閉路ができないという課題があった。

国際公開第２０１５／１６６６００号

本発明が解決しようとする課題は、サージを抑制しつつ、適切に再閉路を行うことができる直流遮断器を提供することである。

実施形態の直流遮断器は、機械式遮断器と、避雷器と、転流回路とを持つ。機械式遮断器は、第１端が第１直流送電線路に接続され、第２端が第２直流送電線路に接続される。転流回路は、第１スイッチと、第２スイッチと、リアクトルと、コンデンサと、抵抗とを有する。前記転流回路と、前記避雷器と、前記機械式遮断器とは、前記第１直流送電線路と、前記第２直流送電線路との間に互いに並列に接続される。前記第１スイッチと、前記コンデンサと、前記リアクトルとは、前記第１直流送電線路と、前記第２直流送電線路との間に直列に接続される。前記第２スイッチと前記抵抗とが直列に接続されたものが、前記第１スイッチと並列に設けられている。

実施形態の直流遮断器１の構成の一例を示す図である。 直流系統に発生した異常を模式的に示す図である。 機械式遮断器１０が機械的開状態に制御された直流遮断器１の状態を示す図である。 サージスイッチ８０が閉状態に制御された直流遮断器１の状態を示す図である。 転流スイッチ５０が閉状態に制御された直流遮断器１の状態を示す図である。 機械式遮断器１０が電気的に開状態に制御された直流遮断器１の状態を示す図である。 避雷器１５が動作した直流遮断器１の状態を示す図である。 転流コンデンサ６０を充電する状態に制御された直流遮断器１の状態を示す図である。 転流スイッチ５０が開状態に制御された直流遮断器１の状態を示す図である。 サージスイッチ８０が開状態に制御された直流遮断器１の状態を示す図である。 第１断路器２０、及び第２断路器３０が開状態に制御された直流遮断器１の状態を示す図である。 直流遮断器１に係る経時変化の一例を示すグラフである。 直流遮断器１の動作の一例を示すフローチャートである。

以下、実施形態の直流遮断器を、図面を参照して説明する。

（実施形態）
［直流遮断器１の構成］
図１は、実施形態の直流遮断器１の構成の一例を示す図である。直流遮断器１は、直流系統を構成する直流送電線路のうち、第１直流送電線路ＬＮ１と、第２直流送電線路ＬＮ２とを電気的に導通させ、または遮断する装置である。以降の説明において、第１直流送電線路ＬＮ１における直流電圧を第１電圧ＶＤＣ１と記載し、第２直流送電線路ＬＮ２における直流電圧を第２電圧ＶＤＣ２と記載する。第１電圧ＶＤＣ１や第２電圧ＶＤＣ２は、例えば、数十～数百［ｋＶ］程度の電圧である。例えば、第１直流送電線路ＬＮ１側には、送電設備が存在し、第２直流送電線路ＬＮ２側には、需要家が存在する。この場合、通常、第１電圧ＶＤＣ１が第２電圧ＶＤＣ２よりも大きい電圧となる。したがって、通常であれば第１直流送電線路ＬＮ１から第２直流送電線路ＬＮ２の方向に直流系統電流が流れる。

直流遮断器１は、例えば、一以上の機械式遮断器１０と、一以上の断路器と、避雷器１５と、転流回路４０と、制御部１００を備える。本実施形態では、直流遮断器１が、第１断路器２０と第２断路器３０との２つの断路器を備える場合について説明する。以降の説明において、第１断路器２０と、第２断路器３０とを区別しない場合、単に「断路器」と記載する。転流回路４０は、例えば、転流スイッチ５０と、転流コンデンサ６０と、転流リアクトル７０と、サージスイッチ８０と、サージ抵抗９０とを備える。

制御部１００は、例えば、直流系統の異常を検出する検出装置（不図示）から第１直流送電線路ＬＮ１と、第２直流送電線路ＬＮ２とを電気的に遮断させることを示す信号（以下、遮断指示信号）を受信する。制御部１００は、遮断指示信号を受信した場合、第１直流送電線路ＬＮ１と、第２直流送電線路ＬＮ２とを電気的に遮断するように、機械式遮断器１０、第１断路器２０、第２断路器３０、転流スイッチ５０、及びサージスイッチ８０の開閉状態を制御する。直流系統の異常とは、例えば、直流送電線路に生じる地絡や短絡等の事故によって生じる異常である。

機械式遮断器１０は、第１端子１０ａと、第２端子１０ｂとを備える。第１断路器２０は、第１端子２０ａと、第２端子２０ｂとを備える。第２断路器３０は、第１端子３０ａと、第２端子３０ｂとを備える。転流回路４０は、第１端子４０ａと、第２端子４０ｂとを備える。転流スイッチ５０は、第１端子５０ａと、第２端子５０ｂとを備える。サージスイッチ８０は、第１端子８０ａと、第２端子８０ｂとを備える。

第１断路器２０と、機械式遮断器１０と、第２断路器３０とは、第１直流送電線路ＬＮ１と、第２直流送電線路ＬＮ２との間に、記載の順に直列に接続される。具体的には、第１断路器２０の第１端子１０ａは、第１直流送電線路ＬＮ１に接続され、第１断路器２０の第２端子２０ｂと、機械式遮断器１０の第１端子１０ａとが接続され、機械式遮断器１０の第２端子１０ｂと第２断路器３０の第１端子３０ａとが接続され、第２断路器３０の第２端子３０ｂは、第２直流送電線路ＬＮ２に接続される。

避雷器１５と、転流回路４０とは、機械式遮断器１０に互いに並列に接続される。具体的には、機械式遮断器１０の第１端子１０ａと、避雷器１５の一端と、転流回路４０の第１端子４０ａとが互いに接続され、機械式遮断器１０の第２端子１０ｂと、避雷器１５の他端と、転流回路４０の第２端子４０ｂとが互いに接続される。

転流回路４０において、転流スイッチ５０と、転流コンデンサ６０と、転流リアクトル７０とは、記載の順に第１端子４０ａと、第２端子４０ｂとの間に直列に接続される。具体的には、第１端子４０ａと、転流スイッチ５０の第１端子５０ａとが接続され、転流スイッチ５０の第２端子５０ｂと、転流コンデンサ６０の一端（図示では、正極端子）とが接続され、転流コンデンサ６０の他端（図示では、負極端子）と、転流リアクトル７０の一端とが接続され、転流リアクトル７０の他端と第２端子４０ｂとが接続される。また、転流回路４０において、サージスイッチ８０と、サージ抵抗９０とは、記載の順に直列に接続され、且つ転流スイッチ５０に並列に接続される。具体的には、サージスイッチ８０の第１端子８０ａは、転流スイッチ５０の第１端子５０ａと接続され、サージスイッチ８０の第２端子８０ｂは、サージ抵抗９０の一端に接続され、サージ抵抗９０の他端は、転流スイッチ５０の第２端子５０ｂに接続される。

なお、上述では、転流回路４０が、第１端子４０ａ、及び第２端子４０ｂを備える場合について説明したが、これに限られず、転流回路４０は、第１端子４０ａ、及び第２端子４０ｂを備えていなくてもよい。この場合、上述した構成において、第１端子４０ａ、及び第２端子４０ｂを介して接続されている各部は、直接接続される。以下、説明の便宜上、転流回路４０が、第１端子４０ａ、及び第２端子４０ｂを備えるものとして説明する。

避雷器１５は、機械式遮断器１０が閉状態に制御されたことにより発生するサージ電圧を吸収する。避雷器１５の制限電圧は、直流系統に事故等の異常が発生していない状態における第１電圧ＶＤＣ１や第２電圧ＶＤＣ２を基準とした場合、１．５［ｐ．ｕ］程度の大きさである。

転流スイッチ５０は、例えば、機械式スイッチである。具体的には、転流スイッチ５０は、一対の電極を有し、制御部１００の制御に基づいて電極のうち少なくとも一方を移動させて電極間の距離を近づけ、電極間の絶縁性能を開状態よりも下げて絶縁破壊させることで閉状態にさせる接触方式スイッチである。転流スイッチ５０は、「第１スイッチ」の一例である。

なお、転流スイッチ５０は、非接触方式スイッチであってもよい。この場合、転流スイッチ５０は、固定された一対の電極を有し、制御部１００の制御に基づいて電極間の絶縁性能を開状態よりも下げて絶縁破壊させることで閉状態にさせる。

転流コンデンサ６０は、例えば、初期状態において不図示の充電装置によって、正極端子と負極端子との間に生じる電圧（以下、コンデンサ電圧）が、直流系統に事故等の異常が発生していない状態における第１電圧ＶＤＣ１や第２電圧ＶＤＣ２と一致、又は略一致するように充電される。初期状態とは、例えば、直流遮断器１の設置時や、直流遮断器１の運用開始時である。充電装置は、例えば、直流系統の系統電圧を印加することによって転流コンデンサ６０を充電してもよく、直流系統の系統電圧以外の外部電源によって転流コンデンサ６０を充電してもよい。転流コンデンサ６０は、例えば、数～数十［μＦ］程度の充電容量を有するコンデンサである。

転流コンデンサ６０と、転流リアクトル７０とは、転流スイッチ５０が閉状態に制御されることに伴い、ＬＣ共振回路を構成し、転流コンデンサ６０のコンデンサ成分と、転流リアクトル７０のリアクトル成分とに応じた共振周波数によって直流系統電流を共振させ、直流系統電流が０［Ａ］となるタイミングを生成する。以下、直流系統電流が０［Ａ］となるタイミングを生成することを、「ゼロ点を生成する」とも記載する。転流リアクトル７０は、後述する時刻ｔｇ～ｔｈまでの再閉路時間が、所定の再閉路時間を確保しつつ、予め定められた再閉路時間の最大値を超えない範囲となるように、転流コンデンサ６０の容量に応じた値が設定される。

サージスイッチ８０は、例えば、機械式スイッチである。サージスイッチ８０は、「第２スイッチ」の一例である。

サージ抵抗９０は、サージスイッチ８０が閉状態に制御された状態において、転流スイッチ５０が絶縁破壊によって閉状態に制御されることに伴い発生するサージを低減する。サージ抵抗９０は、例えば、数百～数ｋ［Ω］程度の抵抗値の抵抗である。

以下、図２～図１１を参照して、直流遮断器１の各状態を説明する。また、図１２を参照して、直流遮断器１の各部の開閉状態の経時的変化、又は各部の電気的な経時変化を説明する。図１２は、直流遮断器１に係る経時変化の一例を示すグラフである。図１２において、横軸は、時間を示す。波形Ｗ１０は、機械式遮断器１０の開閉状態を示し、波形Ｗ１２は、サージスイッチ８０の開閉状態を示し、波形Ｗ１４は、転流スイッチ５０の開閉状態を示し、波形Ｗ１６は、断路器の開閉状態を示す。波形Ｗ１０～Ｗ１６において、「Ｃ」は、閉状態（Ｃｌｏｓｅ）を表し、「Ｏ」は、開状態（Ｏｐｅｎ）を表す。

また、波形Ｗ２０～Ｗ２６は、直流遮断器１に係る電流の経時変化を示す波形であり、波形Ｗ２０～Ｗ２６の縦軸は、電流の大きさを示す。波形Ｗ２０～Ｗ２６において、第１直流送電線路ＬＮ１から第２直流送電線路ＬＮ２の方向に流れる直流系統電流の値を正の値で示し、第２直流送電線路ＬＮ２から第１直流送電線路ＬＮ１の方向に流れる直流系統電流の値を負の値で示すものとする。

波形Ｗ２０は、直流系電流の経時変化を示す波形である。波形Ｗ２２は、機械式遮断器１０に流れる電流の経時変化を示す波形である。波形Ｗ２４は、転流コンデンサ６０に流れる電流の経時変化を示す波形である。波形Ｗ２６は、避雷器１５に流れる電流の経時変化を示す波形である。

波形Ｗ３０，Ｗ３２は、直流遮断器１に係る電圧の経時変化を示す波形であり、波形Ｗ３０，Ｗ３２の縦軸は、電圧の大きさを示す。波形Ｗ３０は、機械式遮断器１０の電極間にかかる電圧の経時変化を示す波形である。波形Ｗ３４は、コンデンサ電圧の経時変化を示す波形である。

［導通状態から異常発生まで］
図１に示す通り、直流遮断器１によって第１直流送電線路ＬＮ１と、第２直流送電線路ＬＮ２とが電気的に導通されている状態（以下、導通状態）において、制御部１００は、各部を以下のような状態に制御する。図１２において導通状態とは、時刻ｔ０～ｔａの間である。
・機械式遮断器１０：閉状態
・避雷器１５：停止状態
・第１断路器２０：閉状態
・第２断路器３０：閉状態
・転流スイッチ５０：開状態
・サージスイッチ８０：開状態
・転流コンデンサ６０：充電された状態

図２は、直流系統に発生した異常を模式的に示す図である。図２において、第２直流送電線路ＬＮ２には、地絡事故が発生し、第２電圧ＶＤＣ２が接地電位となっている。図１２に示す通り、地絡事故は、時刻ｔａに発生する。このため、波形Ｗ２０～Ｗ２２が示す通り、直流系統電流、及び機械式遮断器１０に流れる電流は、時刻ｔ０から時刻ｔａまでの間、所定の値を保持し、時刻ｔａから転流回路４０が動作するまで（後述する時刻ｔｄまで）の間、上昇する。

［異常発生後］
図３は、機械式遮断器１０が機械的開状態に制御された直流遮断器１の状態を示す図である。検出装置は、直流系統に異常が発生することに伴い、遮断指示信号を直流遮断器１に送信する。制御部１００は、時刻ｔｂにおいて検出装置から遮断指示信号を受信し、機械式遮断器１０を開状態に制御する。この時の直流遮断器１の各部の状態は、以下のとおりである。
・機械式遮断器１０：機械的開状態
・避雷器１５：停止状態
・第１断路器２０：閉状態
・第２断路器３０：閉状態
・転流スイッチ５０：開状態
・サージスイッチ８０：開状態
・転流コンデンサ６０：充電された状態

図１２の波形Ｗ１０が示す通り、機械式遮断器１０は、時刻ｔｂにおいて閉状態に制御され、電極間が物理的に離される。ただし、機械式遮断器１０は、電極間が物理的に離されても、電極間にアークが生じるため、電気的には遮断されない（つまり、機械的開状態となる）。したがって、波形Ｗ２０～Ｗ２２が示す通り、直流系統電流、及び機械式遮断器１０に流れる電流が時刻ｔｂ～ｔｃの間も、上昇する。

［サージ抑制］
図４は、サージスイッチ８０が閉状態に制御された直流遮断器１の状態を示す図である。制御部１００は、転流スイッチ５０を閉状態にすることに伴うサージを低減させるため、時刻ｔｃにおいて、サージスイッチ８０を閉状態に制御する（図１２参照）。この時の直流遮断器１の各部の状態は、以下のとおりである。
・機械式遮断器１０：機械的開状態
・避雷器１５：停止状態
・第１断路器２０：閉状態
・第２断路器３０：閉状態
・転流スイッチ５０：開状態
・サージスイッチ８０：閉状態
・転流コンデンサ６０：わずかに放電を開始する状態

図４において、サージスイッチ８０は、制御部１００によって機械的に閉状態に制御されて電極間が接する以前に、電極間で絶縁破壊を起こすことによってアークが発生して、電気的に導通状態となる。したがって、サージスイッチ８０が閉状態に制御されることによりサージが発生するが、このサージは、サージ抵抗９０により抑制される。また、サージスイッチ８０が閉状態に制御されることに伴い、直流遮断器１内では、機械式遮断器１０、転流リアクトル７０、転流コンデンサ６０、サージ抵抗９０、及びサージスイッチ８０のループに、予め充電されていた転流コンデンサ６０のコンデンサ電圧と、サージ抵抗９０と、転流リアクトル７０とが作用し、微小な転流電流Ｌ３が流れ始める。

この微小の転流電流Ｌ３が流れることによって、転流コンデンサ６０が放電されるため、図１２の波形Ｗ２４が示す通り、時刻ｔｃから転流回路４０が動作するまでの間、転流コンデンサ６０に流れる電流がわずかに上昇する。また、これに伴い、波形Ｗ３２が示す通り、時刻ｔｃから転流回路４０が動作するまでの間、転流コンデンサ６０のコンデンサ電圧がわずかに減少する。

［転流回路動作］
図５は、転流スイッチ５０が閉状態に制御された直流遮断器１の状態を示す図である。制御部１００は、時刻ｔｄにおいて転流スイッチ５０を閉状態にし、転流回路４０を動作させる（図１２参照）。上述したように、サージ抵抗９０によって既にサージが抑制されているため、転流スイッチ５０が閉状態に制御された場合であっても、サージが発生しない、或いは周辺回路素子や他の周辺機器が誤動作や故障しない程度にサージが十分に抑制される。この時の各部の状態は、以下のとおりである。
・機械式遮断器１０：機械的開状態
・避雷器１５：停止状態
・第１断路器２０：閉状態
・第２断路器３０：閉状態
・転流スイッチ５０：閉状態
・サージスイッチ８０：閉状態
・転流コンデンサ６０：放電状態

転流スイッチ５０が閉状態に制御されることに伴い、直流遮断器１内では、機械式遮断器１０、転流リアクトル７０、転流コンデンサ６０、転流スイッチ５０のループに、予め充電されていた転流コンデンサ６０のコンデンサ電圧と、転流リアクトル７０とが作用し、上述した図４の場面において流れた微小な転流電流Ｌ３に比して大きな転流電流Ｌ３が流れ始める。転流電流Ｌ３の方向は、転流コンデンサ６０の正極端子と負極端子の接続方向や直流系統に発生した事故の場所等によって異なる。転流電流Ｌ３の方向が、直流系統電流の流れる方向と同じ（つまり、同極性）の場合、転流電流Ｌ３には、時刻ｔｄから共振周波数の１／２～３／４周期までの間にゼロ点が生成される。また、転流電流Ｌ３の方向が直流系統電流の流れる方向と違う（つまり、逆極性）の場合、転流電流Ｌ３には、時刻ｔｄから共振周波数の１／４周期までの間にゼロ点が生成される。本実施形態では、転流電流Ｌ３は、直流系統電流と同極性の電流である場合について説明する。

機械式遮断器１０には、時刻ｔｄ以降、転流コンデンサ６０のコンデンサ成分と、転流リアクトル７０のリアクトル成分とに応じた共振周波数によって共振した転流電流Ｌ３が流れる。具体的には、図１２の波形Ｗ２２と波形Ｗ２４が示すように、機械式遮断器１０と転流コンデンサ６０には、時刻ｔｄから共振周波数の３／４周期が経過する時刻ｔｅまでの間、共振周波数の３／４波未満の転流電流Ｌ３が流れ、時刻ｔｅにおいてゼロ点が生成される。また、波形Ｗ３２が示すように、転流コンデンサ６０が作用して転流電流Ｌ３が流れるため、時刻ｔｄから時刻ｔｅまでの間、コンデンサ電圧が減少する。

［機械式遮断器１０の電気的遮断］
図６は、機械式遮断器１０が電気的に開状態に制御された直流遮断器１の状態を示す図である。制御部１００は、時刻ｔｅにおいて機械式遮断器１０に流れる転流電流Ｌ３にゼロ点が生成されたことに伴い、機械式遮断器１０を電気的に開状態に制御する。制御部１００は、例えば、ゼロ点が生成されたことに伴い、ガス遮断や真空遮断によってアークを消弧して、機械式遮断器１０を電気的に開状態に制御する。また、図６に示すように、機械式遮断器１０が電気的に開状態に制御されることに伴い、直流系統電流は、第１直流送電線路ＬＮ１から、第１断路器２０、転流スイッチ５０、転流コンデンサ６０、転流リアクトル７０、及び第２断路器３０の経路を介して第２直流送電線路ＬＮ２に流れる。この時の各部の状態は、以下のとおりである。
・機械式遮断器１０：機械的にも電気的にも開状態
・避雷器１５：停止状態
・第１断路器２０：閉状態
・第２断路器３０：閉状態
・転流スイッチ５０：閉状態
・サージスイッチ８０：閉状態
・転流コンデンサ６０：放電状態

図１２の波形Ｗ１０が示すように、機械式遮断器１０は、時刻ｔｅにおいてアークが消弧され、時刻ｔｅ以降、機械的にも電気的にも開状態に制御される。また、波形Ｗ３０が示すように、機械的にも電気的にも開状態に制御された機械式遮断器１０の電極間には、過渡的な回復電圧が発生するため、時刻ｔｅから避雷器１５が動作するまで（後述する時刻ｔｆまで）の間、機械式遮断器１０の電極間に係る電圧が上昇する。また、波形Ｗ２４が示すように、時刻ｔｅから避雷器１５が動作するまでの間、転流コンデンサ６０には、充電方向に直流系統電流が流れる。このため、波形Ｗ３２が示すように、時刻ｔｅから避雷器１５が動作するまでの間、コンデンサ電圧が上昇する。

［避雷器１５の動作］
図７は、避雷器１５が動作した直流遮断器１の状態を示す図である。上述したように、時刻ｔｅ以降、機械式遮断器１０の電極間には、過渡的な回復電圧が発生するため、機械式遮断器１０の電極間にかかる電圧（つまり、避雷器１５の両端にかかる電圧）が上昇する。そして、機械式遮断器１０の電極間に係る電圧は、避雷器１５の動作電圧に到達し、避雷器１５が動作する。避雷器１５が動作することに伴い、直流系統電流は、第１直流送電線路ＬＮ１から、第１断路器２０、避雷器１５、第２断路器３０の経路を介して第２直流送電線路ＬＮ２に流れる。この時の各部の状態は、以下のとおりである。
・機械式遮断器１０：機械的にも電気的にも開状態
・避雷器１５：動作状態
・第１断路器２０：閉状態
・第２断路器３０：閉状態
・転流スイッチ５０：閉状態
・サージスイッチ８０：閉状態
・転流コンデンサ６０：ほぼ充放電をしていない状態

図１２の波形Ｗ３０が示すように、時刻ｔｆにおいて機械式遮断器１０の電極間に係る電圧は、避雷器１５の動作電圧に到達する。そして、波形Ｗ２６が示すように、時刻ｔｆにおいて避雷器１５が動作を開始し、回復電圧を吸収する。このため、波形Ｗ２６が示すように、時刻ｔｆにおいて急峻に増加した避雷器１５に流れる電流が、時刻ｔｆから時刻ｔｇまでの間徐々に減少し、時刻ｔｇにおいて０［Ａ］となる。これに伴い、波形Ｗ２０が示すように、時刻ｔｆから時刻ｔｇまでの間、直流系統電流が徐々に減少する。

また、この時、第１直流送電線路ＬＮ１から転流回路４０の方向には、直流系統電流がほとんど流れない。そのため、波形Ｗ３０が示す機械式遮断器１０の電極間に係る電圧と、波形Ｗ３２が示すコンデンサ電圧とは、時刻ｔｆから時刻ｔｇまでの間、時刻ｔｆのタイミングにおける値を保持する。波形Ｗ１６が示すように、時刻ｔｆから時刻ｔｇまでの間、転流スイッチ５０の電極間に生じるアークが消弧する。

［転流コンデンサ６０の充電］
図８は、転流コンデンサ６０を充電する状態に制御された直流遮断器１の状態を示す図である。避雷器１５が回復電圧を抑制し終えると、直流系統電流は、第１直流送電線路ＬＮ１から第１断路器２０、転流スイッチ５０、転流コンデンサ６０、転流リアクトル７０、及び第２断路器３０の経路を介して第２直流送電線路ＬＮ２に流れる。この時の各部の状態は、以下のとおりである。
・機械式遮断器１０：機械的にも電気的にも開状態
・避雷器１５：停止状態
・第１断路器２０：閉状態
・第２断路器３０：閉状態
・転流スイッチ５０：閉状態
・サージスイッチ８０：閉状態
・転流コンデンサ６０：充電状態

図１２の波形Ｗ２０が示すように、直流系統電流は、時刻ｔｇから転流コンデンサ６０が過渡振動を終える時刻ｔｈまでの間、振動する。直流系統電流の振動は、過渡振動が落ち着くにつれて減衰する。このため、直流系統電流は、時刻ｔｇから時刻ｔｈにかけて徐々に収束する。また、波形Ｗ２４が示すように、転流コンデンサ６０には、過渡振動により振動する直流系統電が流れる。このため、波形Ｗ３２が示すように、コンデンサ電圧は、時刻ｔｇから時刻ｔｈまでの間、過渡振動により振動しつつも、徐々に所定の電圧に収束する。所定の電圧とは、第１電圧ＶＤＣ１と一致、又は略一致する電圧である。

時刻ｔｇから時刻ｔｈまでの間は、再閉路時間の一例である。再閉路時間は、直流遮断器１が第１直流送電線路ＬＮ１と、第２直流送電線路ＬＮ２とを電気的に遮断させてから、再度電気的に導通させるまでの時間である。上述したように、転流コンデンサ６０の容量や転流リアクトル７０の値は、所定の再閉路時間を確保しつつ、予め定められた再閉路時間の最大値を超えない範囲で過渡振動が収束するように設定される。

ここで、コンデンサ電圧が所定の電圧に収束するよりも前に、転流スイッチ５０の電極間の絶縁性能が回復し、転流スイッチ５０のアークが裁断され、又は電流のゼロ点によってアークが消弧し、開状態となってしまう場合がある。この場合、転流コンデンサ６０は、第１直流送電線路ＬＮ１からサージスイッチ８０、及びサージ抵抗９０の経路を介して第２直流送電線路ＬＮ２に流れる直流系統電流によって、所定の電圧まで充電される。

［転流スイッチ５０の開状態］
図９は、転流スイッチ５０が開状態に制御された直流遮断器１の状態を示す図である。制御部１００は、時刻ｔｇ以降、転流コンデンサ６０のコンデンサ電圧が所定の電圧であるか否かを判定する。制御部１００は、例えば、直流系統電流の過渡振動が収束している場合、転流コンデンサ６０が所定の電圧まで充電されたと判定する。制御部１００は、転流コンデンサ６０が所定の電圧まで充電されたと判定した場合、転流スイッチ５０を開状態に制御する。この時の各部の状態は、以下のとおりである。
・機械式遮断器１０：機械的にも電気的にも開状態
・避雷器１５：停止状態
・第１断路器２０：閉状態
・第２断路器３０：閉状態
・転流スイッチ５０：開状態
・サージスイッチ８０：閉状態
・転流コンデンサ６０：充電された状態

図１２の波形Ｗ２０が示すように、制御部１００は、時刻ｔｈにおいて転流コンデンサ６０が所定の電圧まで充電されたと判定し、転流スイッチ５０を開状態に制御する。

［直流系統遮断］
図１０は、第１断路器２０、及び第２断路器３０が開状態に制御された直流遮断器１の状態を示す図である。図１１は、サージスイッチ８０が開状態に制御された直流遮断器１の状態を示す図である。制御部１００は、転流スイッチ５０を開状態に制御した後、第１断路器２０、及び第２断路器３０を開状態に制御する。そして、制御部１００は、第１断路器２０、及び第２断路器３０を開状態に制御した後、サージスイッチ８０を開状態に制御する。図１１の場面における各部の状態は、以下のとおりである。
・機械式遮断器１０：機械的にも電気的にも開状態
・避雷器１５：停止状態
・第１断路器２０：開状態
・第２断路器３０：開状態
・転流スイッチ５０：開状態
・サージスイッチ８０：開状態
・転流コンデンサ６０：充電された状態

図１２の波形Ｗ１２が示すように、制御部１００は、時刻ｔｉにおいて第１断路器２０、及び第２断路器３０を開状態に制御する。また、波形Ｗ１２が示すように、制御部１００は、時刻ｔｊにおいてサージスイッチ８０を開状態に制御する。

なお、制御部１００は、サージスイッチ８０を開状態に制御した後、第１断路器２０、及び第２断路器３０を開状態に制御してもよく、第１断路器２０、及び第２断路器３０を順に開状態に制御してもよい。

［動作フロー］
図１３は、直流遮断器１の動作の一例を示すフローチャートである。まず、制御部１００は、検出装置から第１直流送電線路ＬＮ１と、第２直流送電線路ＬＮ２とを電気的に遮断させることを示す遮断指示信号を受信したか否かを判定する（ステップＳ１００）。制御部１００は、検出装置から遮断指示信号を受信するまでの間、待機する。制御部１００は、遮断指示信号を受信した場合、機械式遮断器１０を開状態に制御する（ステップＳ１０２）。次に、制御部１００は、サージスイッチ８０を閉状態に制御する（ステップＳ１０４）。この時、サージスイッチ８０を閉状態に制御することに伴い発生するサージは、サージ抵抗９０によって抑制される。

次に、制御部１００は、転流スイッチ５０を閉状態に制御する（ステップＳ１０６）。この時、サージ抵抗９０によってサージが十分に抑制されているため、転流スイッチ５０が閉状態となっても、サージが発生しない、或いは周辺回路素子や他の周辺機器が誤動作や故障しない程度にサージが十分に抑制される。また、転流スイッチ５０が閉状態に制御されることに伴い、直流遮断器１内では、機械式遮断器１０、転流リアクトル７０、転流コンデンサ６０、転流スイッチ５０のループに、予め充電されていた転流コンデンサ６０のコンデンサ電圧と、転流リアクトル７０とが作用し、転流コンデンサ６０のコンデンサ成分と、転流リアクトル７０のリアクトル成分とに応じた共振周波数によって共振した転流電流Ｌ３が流れる。

制御部１００は、機械式遮断器１０に流れる共振性の転流電流Ｌ３にゼロ点が生成されたことに伴い、機械式遮断器１０を電気的に開状態に制御する（ステップＳ１０８）。機械式遮断器１０が電気的に開状態に制御されることにより、機械式遮断器１０の電極間には、過渡的な回復電圧が発生するため、機械式遮断器１０の電極間にかかる電圧（つまり、避雷器１５の両端にかかる電圧）が上昇する。そして、機械式遮断器１０の電極間に係る電圧は、避雷器１５の動作電圧に到達し、避雷器１５が動作する（ステップＳ１１０）。

避雷器１５が動作することに伴い、直流系統電流は、第１直流送電線路ＬＮ１から、第１断路器２０、避雷器１５、第２断路器３０の経路を介して第２直流送電線路ＬＮ２に流れる。直流系統電流は、転流コンデンサ６０が過渡振動を終えるまでの間、振動する。直流系統電流は、過渡振動が落ち着くにつれて減衰する。また、転流コンデンサ６０には、充電方向に直流系統電流が流れるため、コンデンサ電圧は、過渡振動により振動しつつも、徐々に所定の電圧に収束する。所定の電圧とは、第１直流送電線路ＬＮ１や第２直流送電線路ＬＮ２等の直流系統が供給する直流電圧と一致、又は略一致する電圧である。

制御部１００は、転流コンデンサ６０のコンデンサ電圧が所定の電圧であるか否かを判定する（ステップＳ１１２）。制御部１００は、例えば、直流系統電流の過渡振動が収束している場合、転流コンデンサ６０が所定の電圧まで充電されたと判定する。制御部１００は、転流コンデンサ６０が所定の電圧まで充電されるまでの間、待機する。制御部１００は、転流コンデンサ６０が所定の電圧まで充電されたと判定した場合、転流スイッチ５０を開状態に制御する（ステップＳ１１４）。次に、制御部１００は、断路器を開状態に制御する（ステップＳ１１６）。次に、制御部１００は、サージスイッチ８０を開状態に制御する（ステップＳ１１８）。これにより、直流遮断器１は、第１直流送電線路ＬＮ１と、第２直流送電線路ＬＮ２とを電気的に遮断させることができる。

［実施形態のまとめ］
以上説明したように、実施形態の直流遮断器１は、機械式遮断器１０と、避雷器１５と、転流回路４０とを持つ。機械式遮断器１０は、第１端子１０ａが第１断路器２０を介して第１直流送電線路ＬＮ１に接続され、第２端子１０ｂが第２断路器３０を介して第２直流送電線路ＬＮ２に接続される。転流回路４０は、転流スイッチ５０と、転流コンデンサ６０と、転流リアクトル７０と、サージスイッチ８０と、サージ抵抗９０とを有する。転流回路４０と、避雷器１５と、機械式遮断器１０とは、第１直流送電線路ＬＮ１と、第２直流送電線路ＬＮ２との間に互いに並列に接続される。転流スイッチ５０と、転流コンデンサ６０と、転流リアクトル７０とは、第１直流送電線路ＬＮ１と、第２直流送電線路ＬＮ２との間に直列に接続される。サージスイッチ８０とサージスイッチ８０とが直列に接続されたものが転流スイッチ５０と並列に設けられている。

ここで、転流スイッチ５０に対して、サージスイッチ８０とサージ抵抗９０との直列回路が並列に設けられていない場合、コンデンサ電圧が所定の電圧に収束するよりも前に、転流スイッチ５０の電極間の絶縁性能が回復し、転流スイッチ５０が開状態となってしまう場合がある。コンデンサ電圧が所定の電圧に収束するよりも前に、転流スイッチ５０が開状態となってしまうと、次回、第１直流送電線路ＬＮ１と、第２直流送電線路ＬＮ２とを遮断する際に、十分な転流電流Ｌ３を流せるだけの電力が転流コンデンサ６０に充電されない、又は余剰な転流電流Ｌ３を流すだけの電力が転流コンデンサ６０に過充電されてしまう場合がある。

コンデンサ電圧が直流系統の電圧に対して大きい（つまり、転流コンデンサ６０が過充電）の場合、共振性の転流電流Ｌ３が大きくなり、時刻ｔｄ～ｔｅの期間の機械式遮断器１０に流れる電流ゼロ点の電流変化率（ｄｉ／ｄｔ）が大きくなる可能性が有る。機械式遮断器１０の性能によっては、電流変化率（ｄｉ／ｄｔ）が大きい転流電流Ｌ３では、電気的に開状態にすることができず、第１直流送電線路ＬＮ１と、第２直流送電線路ＬＮ２との遮断に失敗する可能性が有る。

一方、コンデンサ電圧が直流系統の電圧に対して小さい（つまり、転流コンデンサ６０が充電不足）の場合、再閉路を行う際の共振性の転流電流Ｌ３が小さくなり、機械式遮断器１０に流れる転流電流Ｌ３によってゼロ点を生成できず、第１直流送電線路ＬＮ１と、第２直流送電線路ＬＮ２との遮断に失敗する可能性が有る。

実施形態の直流遮断器１によれば、転流スイッチ５０に対して、サージスイッチ８０とサージ抵抗９０との直列回路が並列に設けられていることにより、転流スイッチ５０の電極間の電流が裁断または電流のゼロ点にて消弧しても、転流コンデンサ６０には、サージスイッチ８０とサージ抵抗９０を介して直流系統電流が流れ続けるので、転流コンデンサ６０を確実に所定の電圧まで充電することができる。したがって、本実施形態の直流遮断器１は、サージを抑制しつつ、適切に再閉路を行うことができる。

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。これら実施形態は、その他の様々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同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…直流遮断器、１０…機械式遮断器、１０ａ、２０ａ、３０ａ、４０ａ、５０ａ、８０ａ…第１端子、１０ｂ、２０ｂ、３０ｂ、４０ｂ、５０ｂ、８０ｂ…第２端子、１５…避雷器、２０…第１断路器、３０…第２断路器、４０…転流回路、５０…転流スイッチ、６０…転流コンデンサ、７０…転流リアクトル、８０…サージスイッチ、９０…サージ抵抗、１００…制御部、Ｌ３…転流電流、ＬＮ１…第１直流送電線路、ＬＮ２…第２直流送電線路

Claims (8)

1. 第１端が第１直流送電線路に接続され、第２端が第２直流送電線路に接続される機械式遮断器と、
   避雷器と、
   第１スイッチと、第２スイッチと、リアクトルと、コンデンサと、抵抗とを有する転流回路とを備え、
   前記転流回路と、前記避雷器と、前記機械式遮断器とは、前記第１直流送電線路と、前記第２直流送電線路との間に互いに並列に接続されており、
   前記第１スイッチと、前記コンデンサと、前記リアクトルとは、前記第１直流送電線路と、前記第２直流送電線路との間に直列に接続されており、
   前記第２スイッチと前記抵抗とが直列に接続されたものが、前記第１スイッチと並列に設けられている、
   直流遮断器。
2. 前記第１スイッチの開閉状態を制御する制御部を更に備え、
   前記第１スイッチは、固定された一対の電極を有する非接触方式スイッチであり、
   前記制御部は、前記電極間の絶縁性能を開状態に比して下げて絶縁破壊させることで前記非接触方式スイッチを閉状態に制御する、
   請求項１に記載の直流遮断器。
3. 前記第１スイッチの開閉状態を制御する制御部を更に備え、
   前記第１スイッチは、一対の電極を有する接触方式スイッチであり、
   前記制御部は、前記電極のうち少なくとも一方を移動させて前記電極間の距離を近づけ、前記電極間の絶縁性能を開状態よりも下げて絶縁破壊させることで前記接触方式スイッチを閉状態に制御する、
   請求項１に記載の直流遮断器。
4. 前記制御部は、前記電極のうち少なくとも一方を移動させたときに前記電極間を接触させず、所定の距離だけ離れた位置まで移動させる、
   請求項３に記載の直流遮断器。
5. 前記コンデンサは、前記第１直流送電線路、又は前記第２直流送電線路に供給される直流系統の系統電圧が印加されることで充電される、
   請求項１から４のうちいずれか一項に記載の直流遮断器。
6. 前記コンデンサは、他の装置から供給される電圧であって、前記第１直流送電線路、又は前記第２直流送電線路に供給される直流系統の系統電圧と同等の電圧が印加されることで充電される、
   請求項１から４のうちいずれか一項に記載の直流遮断器。
7. 前記第１スイッチの開閉状態を制御する制御部を更に備え、
   前記リアクトルと、前記コンデンサとは、前記制御部によって前記第１スイッチが閉状態に制御されることに伴い、前記第１直流送電線路、又は前記第２直流送電線路に供給される直流系統の系統電流を共振周波数によって共振させて前記系統電流にゼロ点を生成する、
   請求項１から６のうちいずれか一項に記載の直流遮断器。
8. 前記機械式遮断器、前記第１スイッチ、及び前記第２スイッチの開閉状態を制御する制御部を更に備え、
   前記制御部は、
   前記機械式遮断器を開状態にして前記第１端と前記第２端とを電気的に遮断する制御を開始し、
   前記機械式遮断器を開状態にする制御を開始した後、前記第２スイッチを閉状態に制御し、
   前記第２スイッチを閉状態に制御した後、前記第１スイッチを閉状態に制御し、
   前記第１スイッチを閉状態に制御した後に、前記第１直流送電線路、又は前記第２直流送電線路に供給される直流系統の系統電流を、前記リアクトルと前記コンデンサとが共振周波数によって共振させることに伴い生じたゼロ点において、前記機械式遮断器の前記第１端と前記第２端とを電気的に遮断し、
   前記コンデンサの電圧が、前記直流系統の系統電圧と同等の電圧となった場合に、前記第２スイッチを開状態に制御し、
   前記第２スイッチを開状態に制御した後、前記第１スイッチを開状態に制御し、
   前記避雷器は、前記機械式遮断器が電気的に遮断されたことに伴い前記第１端と前記第２端との間に生じる電圧を制限する、
   請求項１から７のうちいずれか一項に記載の直流遮断器。

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