JP7224558B2

JP7224558B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP7224558B2
Application number: JP2022566541A
Authority: JP
Inventors: 涼子笹原; 学吉村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-12-02
Filing date: 2020-12-02
Publication date: 2023-02-17
Anticipated expiration: 2040-12-02
Also published as: US20230378885A1; WO2022118391A1; JPWO2022118391A1; EP4258531A1; EP4258531A4

Description

本開示は、電力変換装置に関するものである。

高電圧直流（ＨＶＤＣ：High Voltage Direct Current）送電システムに用いられる電力変換装置には、交直電力変換装置がある。交直電力変換装置では、直流および交流の運転電圧ならびにスイッチ開閉および落雷等によって電力系統からサージ電圧として交直電力変換装置に侵入する電圧に対する耐電圧性能を確保する必要がある。このため、交直電力変換装置には、電力変換機能を備えた少なくとも１つの電力変換ユニットを保護するために少なくとも１つの電界緩和シールドを備えたものがある。少なくとも１つの電界緩和シールドは電界緩和を目的として、少なくとも１つの電力変換ユニットと対地の間に配置されている。交直電力変換装置が複数の電力変換ユニットを備えている場合、複数の電力変換ユニット同士には電位差が生じる。また、交直電力変換装置が複数の電界緩和シールドを備えている場合、複数の電界緩和シールドは互いに異なる電位を有していることがある。複数の電界緩和シールドは、互いに異なる電位を有する第１電界緩和シールドおよび第２電界緩和シールドを含んでいる。

例えば、第１電界緩和シールドの電位が第１電界緩和シールドに近い電力変換ユニットの電位と同じまたはそれに近い浮遊電位になり、第２電界緩和シールドの電位が第２電界緩和シールドに近い電力変換装置ユニットの電位と同じになった場合には、電位差が生じることがある。第１電界緩和シールドと第２電界緩和シールドとの電位差は、複数の電力変換ユニットの個数および電位によって大きくなることがある。さらに、第１電界緩和シールドと第２電界緩和シールドとの間には、電位差や接地電位との距離に起因した高電界が発生することがある。

また、サージ電圧が印加された場合には、複数の電力変換ユニット、第１電界緩和シールドおよび第２電界緩和シールドの電位が等しくなる。

従来、サージ電圧が印加された際に生じる電界の緩和のために、第１電界緩和シールドと接地物との間（対地間）に配置された第３電界緩和シールドをさらに備えた電力変換装置がある。例えば、実開平０３－８６７９０号公報（特許文献１）には、複数のサイリスタモジュール（電力変換ユニット）を取り囲む複数のシールド（第１電界緩和シールドおよび第２電界緩和シールド）と、シールドと接地物との間（対地間）に配置された別のシールド（第３電界緩和シールド）とを備えた高電圧サイリスタバルブ（電力変換装置）が記載されている。シールドおよび対地間に配置された別のシールドによって、サージ電圧が印加された際に生じる電界が緩和される。

実開平０３－８６７９０号公報

上記公報に記載された電力変換装置（高電圧サイリスタバルブ）では、第３電界緩和シールドが複数の電力変換ユニットの外周の全周にわたって配置されている。このため、第１電界緩和シールドと第２電界緩和シールドとの間に電位差に起因した高電界が発生した場合、高電界は第３電界緩和シールドによってさらに強調される。

本開示は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、高電界が強調されることを抑制することができる電力変換装置を提供することである。

本開示の電力変換装置は、複数の電力変換ユニットと、第１電界緩和シールドと、第２電界緩和シールドと、第３電界緩和シールドとを備えている。複数の電力変換ユニットは、接地電位である接地物から離れて配置されている。第１電界緩和シールドは、接地物と複数の電力変換ユニットとの間に配置されている。第１電界緩和シールドは、第１端を含んでいる。第２電界緩和シールドは、第２端を含んでいる。第２端は、第１端と隙間を空けて向かい合っている。第２電界緩和シールドは、接地物と複数の電力変換ユニットとの間に配置されている。第３電界緩和シールドは、接地物と第１電界緩和シールドとの間において第１電界緩和シールドに重なるように配置されている。第３電界緩和シールドは、第３端を含んでいる。第１電界緩和シールドと第３電界緩和シールドとが重なる方向から見たときに第１電界緩和シールドと第２電界緩和シールドとは、複数の電力変換ユニットを取り囲んでいる。第３端は、第１電界緩和シールドと第３電界緩和シールドとが重なる方向から見たときに第１端と重なる位置から第２端と重なる位置までのいずれかに配置されている。

本開示の電力変換装置によれば、第３端は、第１電界緩和シールドと第３電界緩和シールドとが重なる方向に第１端と重なる位置から第２端と重なる位置までのいずれかに配置されている。このため、第１電界緩和シールドおよび第２電界緩和シールドの電位が第３電界緩和シールドの第３端に分担されることで、電界が緩やかに広がる。したがって、高電界が強調されることを抑制することができる。

実施の形態１に係る電力変換装置の構成を概略的に示す斜視図である。実施の形態１に係る電力変換装置の構成を概略的に示す側面図である。実施の形態１の変形例に係る電力変換装置の構成を概略的に示す側面図である。実施の形態１に係る電力変換装置の構成を概略的に示す正面図である。図１のＶ－Ｖ線に沿った断面図である。図１のＶＩ－ＶＩ線に沿った断面図である。図４のＶＩＩ領域を示す拡大図である。実施の形態１に係る電力変換装置の第１電界緩和シールド、第２電界緩和シールドおよび第３電界緩和シールドの構成を概略的に示す斜視図である。実施の形態１に係る電力変換装置の第１電界緩和シールド、第２電界緩和シールドおよび第３電界緩和シールドの周囲に生じた電界を概略的に示すコンター図である。第１の比較例に係る電力変換装置の第１電界緩和シールド、第２電界緩和シールドおよび第３電界緩和シールドの構成を概略的に示す斜視図である。第１の比較例に係る電力変換装置の第１電界緩和シールド、第２電界緩和シールドおよび第３電界緩和シールドの周囲に生じた電界を概略的に示すコンター図である。第２の比較例に係る電力変換装置の第１電界緩和シールドおよび第２電界緩和シールドの周囲に生じた電界を概略的に示すコンター図である。実施の形態１に係る電力変換装置の第３電界緩和シールドの第３端の位置が移動した場合における第３電界緩和シールドの第３端の位置と電界の電界値との関係を概略的に示すグラフである。実施の形態２に係る電力変換装置の構成を概略的に示す斜視図である。図１４のＸＶ－ＸＶ線に沿った断面図である。図１４のＸＶＩ領域を示す拡大図である。実施の形態２に係る電力変換装置の第３電界緩和シールドの半径と電界の電界値との関係を概略的に示すグラフである。実施の形態３に係る電力変換装置の構成を概略的に示す拡大図である。

以下、実施の形態について図に基づいて説明する。なお、以下では、同一または相当する部分に同一の符号を付すものとし、重複する説明は繰り返さない。

実施の形態１．
図１～図８を用いて、実施の形態１に係る電力変換装置１００の構成を説明する。

図１に示されるように、電力変換装置１００は、複数の電力変換ユニット１と、第１電界緩和シールド５１と、第２電界緩和シールド５２と、第３電界緩和シールド５３とを含んでいる。電力変換装置１００は、支持台２と、支持部３と、支柱４と、第４電界緩和シールド５４と、第５電界緩和シールド５５とをさらに含んでいてもよい。電力変換装置１００は、例えば、交流と直流とを変換する交直電力変換装置である。

本実施の形態において、第１方向ＤＲ１は、第１電界緩和シールド５１と第３電界緩和シールド５３とが重なる方向に沿った方向である。第２方向ＤＲ２は、第１電界緩和シールド５１と第２電界緩和シールド５２とが向かい合う方向に沿った方向である。第３方向ＤＲ３は、第１方向ＤＲ１および第２方向ＤＲ２の各々に交差する方向である。望ましくは、第２方向ＤＲ２は、第１方向ＤＲ１に直交している。望ましくは、第３方向ＤＲ３は、第１方向ＤＲ１および第２方向ＤＲ２に直交している。

電力変換装置１００は、接地物ＧＰ上あるいは近傍に配置されている。接地物ＧＰは、例えば、床、天井または壁等である。本実施の形態において、接地物ＧＰは、床として図示する。接地物ＧＰは、接地電位にある。接地物ＧＰの電位（接地電位）は、接地物ＧＰがアースに電気的に接続されることで、ゼロ電位であることが望ましい。

複数の電力変換ユニット１は、接地電位である接地物ＧＰから離れて配置されている。複数の電力変換ユニット１同士は、互いに電気的に接続されていてもよい。なお、図１では、複数の電力変換ユニット１同士を電気的に接続するための接続端子は、図示されていない。図１では、電力変換装置１００は、例えば、８個の電力変換ユニット１を含んでいる。具体的には、８個の電力変換ユニット１は、４個の第１電力変換ユニット部１１と、４個の第２電力変換ユニット部１２とを含んでいる。４個の第２電力変換ユニット部１２は、第１方向ＤＲ１に沿って４個の第１電力変換ユニット部１１に重ねられている。４個の第１電力変換ユニット部１１は、後述される第１支持台部２１の上に並べられている。４個の第２電力変換ユニット部１２は、後述される第２支持台部２２の上に並べられている。なお、複数の電力変換ユニット１の個数および配置は、これに限られない。本実施の形態では８個の電力変換ユニット１が４個ずつ上下２段１列に配置された構成が図示されているが、これに限られない。例えば、第３方向ＤＲ３に２列以上の電力変換ユニット１が配置されていてもよい。また、複数の電力変換ユニット１は、上下３段以上で配置されていてもよい。電力変換ユニット１の個数および配置に応じて、以下に説明する支持台２、支持部３、支柱４、電界緩和シールドの個数や配置が変化する場合もある。

複数の電力変換ユニット１の各々の電位は、互いに異なることがある。具体的には、隣り合う電力変換ユニット１同士の電位は、互いに異なることがある。例えば、第２電界緩和シールド５２よりも第１電界緩和シールド５１に近い側に配置された電力変換ユニット１の電位は、第１電界緩和シールド５１よりも第２電界緩和シールド５２に近い側に配置された電力変換ユニット１の電位よりも高いことがある。この場合、第１電界緩和シールド５１の電位は、第２電界緩和シールド５２の電位よりも高い。

支持台２は、複数の電力変換ユニット１の各々を支持している。支持台２は、支柱４に固定されている。このため、複数の電力変換ユニット１の各々は、支持台２によって支柱４に支持されている。支持台２には、複数の電力変換ユニット１の各々が載置されている。支持台２の材料は、絶縁物である。支持台２の材料は、例えば、ガラスエポキシ樹脂、注型用のエポキシ樹脂、ポリエチレン、塩化ビニル、珪素（Ｓｉ）もしくはフッ素（Ｆ）製の合成ゴム、ナイロン、絶縁性セラミックまたはその他の電気絶縁性を有する材料である。このため、複数の電力変換ユニット１の各々は、支持台２によって絶縁されている。１つの支持台２が複数の電力変換ユニット１の各々を支えている場合もあれば、複数の支持台２が複数の電力変換ユニット１の各々を支えている場合もある。

本実施の形態において、支持台２は、第１支持台部２１と、第２支持台部２２とを含んでいる。第２支持台部２２は、第１方向（ＤＲ１）に沿って第１支持台部２１に重ねられている。第１支持台部２１は、４個の第１電力変換ユニット部１１の各々を支持している。第２支持台部２２は、４個の第２電力変換ユニット部１２の各々を支持している。支持部３は、第１支持部３１と、第２支持部３２と、第３支持部３３と、第４支持部３４と、第５支持部３５とを含んでいる。

第１支持部３１は、支柱４に固定されている。第１支持部３１には、第１電界緩和シールド５１が固定されている。このため、第１電界緩和シールド５１は、第１支持部３１によって支柱に固定されている。

第２支持部３２は、支柱４に固定されている。第２支持部３２には、第２電界緩和シールド５２が固定されている。このため、第２電界緩和シールド５２は、第２支持部３２によって支柱に固定されている。

第３支持部３３は、支柱４に固定されている。第３支持部３３には、第３電界緩和シールド５３が固定されている。このため、第３電界緩和シールド５３は、第３支持部３３によって支柱に固定されている。

第４支持部３４は、支柱４に固定されている。第４支持部３４には、第４電界緩和シールド５４が固定されている。このため、第４電界緩和シールド５４は、第４支持部３４によって支柱に固定されている。

第５支持部３５は、支柱４に固定されている。第５支持部３５には、第５電界緩和シールド５５が固定されている。このため、第５電界緩和シールド５５は、第５支持部３５によって支柱に固定されている。

第１支持部３１および第２支持部３２の各々は、複数の電力変換ユニット１の各々に電気的に接続されている。第１支持部３１および第２支持部３２の各々は、電力変換ユニット１の電極として構成されている。第１支持部３１および第２支持部３２の各々は、電力変換ユニット１に直接接続されていてもよい。第１支持部３１、第２支持部３２および第３支持部３３は、間接的に浮遊電位を有していてもよい。

第１支持部３１、第２支持部３２および第３支持部３３の材料は、導電体である。第１支持部３１、第２支持部３２および第３支持部３３の材料は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、ステンレスもしくはこれらの合金、その他の金属、炭素系物質（カーボン、グラファイト、カーボンナノチューブ、グラフェン等）が混合された導電性プラスチック、金属物質（銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、スズ（Ｓｎ）、ステンレス、鉄（Ｆｅ））が混合された導電性プラスチック、その他の導電性を有する材料である。

支柱４には、支持台２、第１支持部３１、第２支持部３２および第３支持部３３が支持されている。支柱４は、接地物ＧＰ上に配置されている。支柱４は、支持台２を空中に保持している。このため、支持台２に載置された複数の電力変換ユニット１の各々の電極は、接地物ＧＰから離れて配置されている。

支柱４は、主に絶縁物から構成されている。支柱４の絶縁物は、例えば、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Fiber Reinforced Plastics）、ガラスエポキシ樹脂、その他のエポキシ樹脂、ポリエチレン、塩化ビニル、珪素（Ｓｉ）もしくはフッ素（Ｆ）製の合成ゴム、ナイロン、ポリマー硝子、セラミック硝子またはその他の電気絶縁性の材料である。

図２に示されるように、支柱４は、複数の支柱部４０を含んでいてもよい。複数の支柱部４０は、支持台２を支持している。複数の支柱部４０の各々は、第１支柱部分４１と、第２支柱部分４２と、第３支柱部分４３とを有している。第１支柱部分４１は、接地物ＧＰ上に配置されている。第１支柱部分４１は、第３支持部３３によって第２支柱部分４２に機械的に接続されている。第２支柱部分４２は、第１電界緩和シールド５１と第３電界緩和シールド５３とが重なる方向（第１方向ＤＲ１）に沿って、第１支柱部分４１に重ねられている。第２支柱部分４２は、第１支持部３１によって第３支柱部分４３に機械的に接続されている。第３支柱部分４３は、第１電界緩和シールド５１と第３電界緩和シールド５３とが重なる方向（第１方向ＤＲ１）に沿って、第２支柱部分４２に重ねられている。

図３に示されるように、第１支持部３１は、隣り合う支柱部４０同士を接続していてもよい。また、第３支持部３３は、隣り合う支柱部４０同士を接続していてもよい。この場合、支柱４の耐震性が向上する。

電力変換装置１００には、サージ電圧が印加される可能性がある。サージ電圧は、例えば、電力変換装置１００の運転の影響または周辺機器の動作もしくは落雷等の影響によって生じる。サージ電圧や運転時の電圧が電力変換装置１００に印加された場合、電位を有する複数の電力変換ユニット１および支持台２等から放電が発生する可能性がある。放電は、接地物ＧＰに向かって進む可能性がある。電力変換ユニット１から放電が発生して地絡した場合、電力変換ユニット１が電気的に破壊される可能性がある。電力変換ユニット１の保護のために第１電界緩和シールド５１～第５電界緩和シールド５５が設けられている。

図４に示されるように、第１電界緩和シールド５１、第２電界緩和シールド５２および第３電界緩和シールド５３は、接地物ＧＰに対する放電の抑制のために、複数の電力変換ユニット１と接地物ＧＰとの間（対地間）に配置されている。第１電界緩和シールド５１～第５電界緩和シールド５５は、電界を緩和するための電界緩和シールドとして構成されている。

第１電界緩和シールド５１は、接地物ＧＰと複数の電力変換ユニット１との間に配置されている。第２電界緩和シールド５２は、接地物ＧＰと複数の電力変換ユニット１との間に配置されている。第３電界緩和シールド５３は、接地物ＧＰと第１電界緩和シールド５１との間において第１電界緩和シールド５１に重なるように配置されている。第１電界緩和シールド５１、第２電界緩和シールド５２および第３電界緩和シールド５３は、複数の電力変換ユニット１の下端よりも接地物ＧＰ側に配置されている。

第１電界緩和シールド５１、第２電界緩和シールド５２および第３電界緩和シールド５３は、互いに離れて配置されている。すなわち、第１電界緩和シールド５１、第２電界緩和シールド５２および第３電界緩和シールド５３は、互いに接触していない。第１電界緩和シールド５１、第２電界緩和シールド５２および第３電界緩和シールド５３は、互いに別体である。

第１電界緩和シールド５１および第２電界緩和シールド５２は、図示されていない接続部材によって複数の電力変換ユニット１に電気的に接続されている。このため、複数の電力変換ユニット同士の電位差によって、第１電界緩和シールド５１と第２電界緩和シールド５２との間に電位差が生じることがある。

本実施の形態では、第１電界緩和シールド５１は、第２電界緩和シールド５２よりも高い電位を有している。具体的には、第１電界緩和シールド５１の電位は、複数の電力変換ユニット１の運転時において、第２電界緩和シールド５２の電位よりも高い。なお、第１電界緩和シールド５１および第２電界緩和シールド５２は、複数の電力変換ユニット１の運転時において、向かい合う２つの電界緩和シールドのうちいずれが高い電位を有するかによって相対的に定まる。また、３つ以上の電界緩和シールドによって複数の電力変換ユニット１が取り囲まれる場合にも、向かい合う２つの電界緩和シールド同士の相対的な電位の大小によって、第１電界緩和シールド５１および第２電界緩和シールド５２が定まる。

第３電界緩和シールド５３は、望ましくは、第１電界緩和シールド５１および第２電界緩和シールド５２よりも低い電位を有している。具体的には、第３電界緩和シールド５３の電位は、複数の電力変換ユニット１の運転時において、第１電界緩和シールド５１および第２電界緩和シールド５２の電位よりも低い。第３電界緩和シールド５３は、複数の電力変換ユニット１に対して絶縁されている。すなわち、第３電界緩和シールド５３は、複数の電力変換ユニット１に電気的に接続されていない。このため、第３電界緩和シールド５３は、浮遊電位を有している。

例えば第４電界緩和シールド５４および第５電界緩和シールド５５は、第２電力変換ユニット部１２の周囲に配置されている。第４電界緩和シールド５４は、第５電界緩和シールド５５と隙間を空けて向かい合っている。第４電界緩和シールド５４および第５電界緩和シールド５５は、第１電界緩和シールド５１および第２電界緩和シールド５２と同様の形状を有している。第４電界緩和シールド５４および第５電界緩和シールド５５の各々は、第４支持部３４（図１参照）および第５支持部３５（図１参照）の各々によって支柱４に接続されている。第４電界緩和シールド５４および第５電界緩和シールド５５は対地間の電界緩和のために配置されている。第１電界緩和シールド５１と第２電界緩和シールド５２のように、第４電界緩和シールド５４と第５電界緩和シールド５５の間に電位差が生じることがある。しかしながら、第４電界緩和シールド５４と第５電界緩和シールド５５は、第１電界緩和シールド５１と第２電界緩和シールド５２よりも接地物ＧＰから離れている。また、第４電界緩和シールド５４と第５電界緩和シールド５５との電位差が小さい。このため、第４電界緩和シールド５４と第５電界緩和シールド５５の周囲には、第１緩和シールドと第２緩和シールドの間ほど、高電界は発生していない。

図５に示されるように、第１電界緩和シールド５１と第３電界緩和シールド５３とが重なる方向（第１方向ＤＲ１）から見たときに第１電界緩和シールド５１と第２電界緩和シールド５２とは、複数の電力変換ユニット１を取り囲んでいる。すなわち、第１電界緩和シールド５１から第３電界緩和シールド５３に向かって電力変換装置１００を見た場合、第１電界緩和シールド５１と第２電界緩和シールド５２とは、複数の電力変換ユニット１を取り囲んでいる。第１電界緩和シールド５１は、第２電界緩和シールド５２と隙間を空けて向かい合っている。第３電界緩和シールド５３は、第１電界緩和シールド５１以上の長さを有している。第１電界緩和シールド５１と第２電界緩和シールド５２との隙間は、第２方向ＤＲ２に沿って設けられている。

第１電界緩和シールド５１は、第１端Ｅ１および第４端Ｅ４を含んでいる。第４端Ｅ４は、第１端Ｅ１の反対側の端である。

第２電界緩和シールド５２は、第２端Ｅ２および第５端Ｅ５を含んでいる。第２端Ｅ２は、第１端Ｅ１と隙間を空けて向かい合っている。第１端Ｅ１と第２端Ｅ２とが向かい合う方向（第２方向ＤＲ２）は、第２方向ＤＲ２に沿った方向である。第５端Ｅ５は、第２端Ｅ２の反対側の端である。第５端Ｅ５は、第４端Ｅ４と隙間を空けて向かい合っている。

第３電界緩和シールド５３は、第３端Ｅ３および第６端Ｅ６を含んでいる。第３端Ｅ３は、第１端Ｅ１および第２端Ｅ２よりも接地物ＧＰ側に配置されている。第６端Ｅ６は、第３端Ｅ３の反対側の端である。第６端Ｅ６は、第４端Ｅ４および第５端Ｅ５よりも接地物ＧＰ側に配置されている。

第３電界緩和シールド５３の第３端Ｅ３は、第１電界緩和シールド５１と第３電界緩和シールド５３とが重なる方向（第１方向ＤＲ１）から見たときに第１端Ｅ１と重なる位置から第２端Ｅ２と重なる位置までのいずれかに配置されている。第６端Ｅ６は、第１電界緩和シールド５１と第３電界緩和シールド５３とが重なる方向（第１方向ＤＲ１）から見たときに第４端Ｅ４と重なる位置から第５端Ｅ５と重なる位置までのいずれかに配置されている。

図６に示されるように、第３電界緩和シールド５３には、第１電界緩和シールド５１が重なっている。なお、図６では、第１電界緩和シールド５１および第２電界緩和シールド５２の外形が破線によって示されている。

図７に示されるように、第１端Ｅ１と第２端Ｅ２との間には、第１端Ｅ１と第２端Ｅ２との第２方向ＤＲ２に沿った中点ＣＰを通る第１方向ＤＲ１に沿った中心線ＣＬが位置している。図７では、中心線ＣＬは、一点鎖線によって図示されている。望ましくは、第３電界緩和シールド５３の第３端Ｅ３は、第１電界緩和シールド５１と第３電界緩和シールド５３とが重なる方向（第１方向ＤＲ１）から見たときに第１端Ｅ１と重なる位置から第１端Ｅ１および第２端Ｅ２の中点ＣＰに重なる位置までのいずれかに配置されている。なお、図７では、説明の便宜のため、支持台２が図示されていない。

さらに望ましくは、第３電界緩和シールド５３の第３端Ｅ３は、第１電界緩和シールド５１と第３電界緩和シールド５３とが重なる方向（第１方向ＤＲ１）から見たときに第１端Ｅ１と重なる位置よりも第２端Ｅ２と重なる位置に向かって突出している。また、さらに望ましくは、第３電界緩和シールド５３の第３端Ｅ３は、第１電界緩和シールド５１と第３電界緩和シールド５３とが重なる方向（第１方向ＤＲ１）に中点ＣＰに重なる位置よりも第１端Ｅ１側に配置されている。

第１電界緩和シールド５１は、第１端部Ｔ１を含んでいる。第１端Ｅ１は、第１端部Ｔ１の先端である。第１端部Ｔ１は、第１側面Ｓ１を有している。第１側面Ｓ１は、第３電界緩和シールド５３と向かい合っている。

第２電界緩和シールド５２は、第２端部Ｔ２を含んでいる。第２端Ｅ２は、第２端部Ｔ２の先端である。第２端部Ｔ２は、第２側面Ｓ２を有している。第２側面Ｓ２は、接地物ＧＰ（図１参照）と向かい合っている。

第３電界緩和シールド５３は、第３端部Ｔ３を含んでいる。第３端Ｅ３は、第３端部Ｔ３の先端である。第３端部Ｔ３は、第３側面Ｓ３を有している。第３側面Ｓ３は、接地物ＧＰ（図１参照）と向かい合っている。

第１端部Ｔ１、第２端部Ｔ２および第３端部Ｔ３の形状は、半球状である。また、第１端部Ｔ１、第２端部Ｔ２および第３端部Ｔ３の形状は、円柱の側面のような丸みを帯びた形状であってもよい。第１端部Ｔ１、第２端部Ｔ２および第３端部Ｔ３は、例えば、円柱が丸められることで形成されたリング状の形状であってもよい。第１端部Ｔ１、第２端部Ｔ２および第３端部Ｔ３の形状は、接地電位に向かい合う部分の形状が丸みを帯びた形状であればよい。第１端部Ｔ１、第２端部Ｔ２および第３端部Ｔ３の形状は、互いに同じであってもよいし、異なっていてもよい。

図８に示されるように、第１電界緩和シールド５１、第２電界緩和シールド５２および第３電界緩和シールド５３は、円柱状の部材によって構成されている。第１電界緩和シールド５１、第２電界緩和シールド５２および第３電界緩和シールド５３を構成する部材は、円柱状の部材に限られず、例えば、板状の部材または中空の部材（円筒状の部材）であってもよい。

第１電界緩和シールド５１、第２電界緩和シールド５２および第３電界緩和シールド５３の材料は、導電体である。第１電界緩和シールド５１、第２電界緩和シールド５２および第３電界緩和シールド５３の材料は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、ステンレスもしくはこれらの合金、その他の金属、炭素系物質（カーボン、グラファイト、カーボンナノチューブ、グラフェン等）が混合された導電性プラスチック、金属物質（銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、スズ（Ｓｎ）、ステンレス、鉄（Ｆｅ））が混合された導電性プラスチック、その他の導電性を有する材料である。第１電界緩和シールド５１、第２電界緩和シールド５２および第３電界緩和シールド５３の材料は、互いに同じであってもよいし、異なっていてもよい。

第１電界緩和シールド５１、第２電界緩和シールド５２および第３電界緩和シールド５３は、Ｕ字状の形状を有している。第２電界緩和シールド５２は、第１電界緩和シールド５１と鏡面対称な形状を有していてもよい。第３電界緩和シールド５３は、第１電界緩和シールド５１に対して平行に配置されていることが好ましい。

続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
実施の形態１に係る電力変換装置１００によれば、図４に示されるように、第３端Ｅ３は、第１電界緩和シールド５１と第３電界緩和シールド５３とが重なる方向（第１方向ＤＲ１）から見たときに第１端Ｅ１と重なる位置から第２端Ｅ２と重なる位置までのいずれかに配置されている。このため、図９に示されるように、第１電界緩和シールド５１および第２電界緩和シールド５２によって生じた電界は、緩やかに変化する。特に、第１電界緩和シールド５１と第２電界緩和シールド５２との隙間に生じた電界は、緩やかに変化する。これは、第１電界緩和シールド５１および第２電界緩和シールド５２から生じた電位が浮遊電位である第３電界緩和シールド５３の第３端Ｅ３に分担されるためである。なお、図９、図１１および図１２のコンター図では、灰色の線は、等電位線を示している。また、コンター図は、各領域の色が白から黒に向かって濃くなるにつれて電界の電界値が高くなることを示している。各領域の色の濃さは、１０段階に分けられている。最小の電界値を０．０とし、最大の電界値を５．０としたとき、５段階目の電界値は２．５である。

図９に示されるように、本実施の形態では、第１電界緩和シールド５１および第２電界緩和シールド５２によって生じた電界は、第３端部Ｔ３の第３側面Ｓ３の周囲および第２端部Ｔ２の第２側面Ｓ２の周囲において緩やかに変化する。したがって、高電界が強調されることを抑制することができる。なお、高電界が強調されることを抑制することができるメカニズムは、図１０および図１１に示される第１の比較例ならびに図１２に示される第２の比較例と比較して詳細に後述される。

また、第１電界緩和シールド５１および第２電界緩和シールド５２から生じた電位が浮遊電位である第３電界緩和シールド５３の第３端Ｅ３に分担されるため、第１電界緩和シールド５１と第２電界緩和シールド５２との間の電界の電界値（高電界）を低減することができる。

また、高電界が強調されることを抑制することができるため、高電界に起因した放電を抑制することができる。なお、本実施の形態において、電界値とは、電界の強度である。

本実施の形態に係る電力変換装置１００を図１０に示される第１の比較例に係る電力変換装置と比較して、本実施の形態の作用効果を詳細に説明する。図１０に示されるように、比較例に係る電力変換装置の第３電界緩和シールド５３は、環形状を有している。これにより、第３電界緩和シールド５３は、切れ目なく複数の電力変換ユニット１（図１参照）を取り囲むように配置されている。第３電界緩和シールド５３は、第１電界緩和シールド５１と第３電界緩和シールド５３とが重なる方向（第１方向ＤＲ１）から見たときに第１電界緩和シールド５１と第２電界緩和シールド５２との隙間を覆うように配置されている。

第１の比較例では、図１１に示されるように、第１電界緩和シールド５１および第２電界緩和シールド５２によって生じる高電界は、第３電界緩和シールド５３によって強調される。特に、第１電界緩和シールド５１と第３電界緩和シールド５３との間の高電界は、第３電界緩和シールド５３によって強調される。すなわち、第１電界緩和シールド５１と第３電界緩和シールド５３との間において接地物ＧＰ（図１参照）に向かって並ぶ等電位線の間隔が狭くなることで、電界強調が生じる。これは、第１電界緩和シールド５１および第２電界緩和シールド５２が接地物ＧＰ（図１参照）に対して第３電界緩和シールド５３によって隔てられていることにより、接地物ＧＰ（図１参照）に向かって並ぶ等電位線の間隔が沿って緩やかに広がることが妨げられるためである。また、図１１に示される最も濃い色の（黒い）領域は、図９にはない。このため、図９に示される本実施の形態に係る電力変換装置１００の電界の最大の電界値は、図１１に示される第１の変形例に係る電力変換装置の電界の最大の電界値よりも低い。

これに対して、本実施の形態に係る電力変換装置１００では、図９に示されるように、第１電界緩和シールド５１および第２電界緩和シールド５２から生じた電位が浮遊電位である第３電界緩和シールド５３の第３端Ｅ３に分担される。このため、第１電界緩和シールド５１と第３電界緩和シールド５３との間の等電位線の間隔が緩やかになる。したがって、高電界が強調されることを抑制することができる。

本実施の形態に係る電力変換装置１００を図示されない第２の比較例に係る電力変換装置と比較して、本実施の形態の作用効果を説明する。

第２の比較例に係る電力変換装置は、第３電界緩和シールド５３を含んでいない。このため、図１２に示されるように、第１電界緩和シールド５１および第２電界緩和シールド５２から生じた電位は、第３電界緩和シールド５３に分担されない。よって、電界は、第３電界緩和シールド５３によって緩和されることなく接地物ＧＰに向かう。したがって、第２の比較例では、高電界が強調される。

これに対して、本実施の形態に係る電力変換装置１００では、浮遊電位である第３電界緩和シールド５３に電界が分担される。このため、電界の等電位線の間隔が適度に広がる。具体的には、等電位線の間隔は、第３電界緩和シールド５３から第２電界緩和シールド５２に向かう方向に沿って広がる。したがって、第３電界緩和シールド５３がない場合よりも、高電界が強調されることを抑制することができる。

図７に示されるように、第３端Ｅ３は、第１電界緩和シールド５１と第３電界緩和シールド５３とが重なる方向（第１方向ＤＲ１）から見たときに第１端Ｅ１と重なる位置から第１端Ｅ１および第２端Ｅ２の中点ＣＰに重なる位置までのいずれかに配置されている。これにより、高電界が強調されることをさらに抑制することができる。

図１３に示されるグラフを用いて、第３端Ｅ３が第１電界緩和シールド５１と第３電界緩和シールド５３とが重なる方向（第１方向ＤＲ１）から見たときに第１端Ｅ１と重なる位置から第１端Ｅ１および第２端Ｅ２の中点ＣＰに重なる位置までのいずれかに配置されていることによる効果のメカニズムを詳細に説明する。

図１３は、図７に示される第３電界緩和シールド５３の第３端Ｅ３が第１端Ｅ１と第２端Ｅ２とが向かい合う方向（第２方向ＤＲ２）に沿って移動した場合の電界の変化を示すグラフである。縦軸は、電界値を示す。横軸は、第３電界緩和シールド５３の第３端Ｅ３のｘ軸に沿った位置を示す。図７および図１３に示されるように、第１端Ｅ１と第２端Ｅ２とが向かい合う方向（第２方向ＤＲ２）に沿った第１端Ｅ１の位置は、第１の基準点（ｘ＝０）である。第１端Ｅ１と第２端Ｅ２とが向かい合う方向（第２方向ＤＲ２）に沿った第２端Ｅ２の位置は、第２の基準点（ｘ＝１）である。第１端Ｅ１と第２端Ｅ２とが向かい合う方向（第２方向ＤＲ２）に沿った第１端Ｅ１と第２端Ｅ２との中点ＣＰの位置は、第３の基準点（ｘ＝０．５）である。実線は、第１電界緩和シールド５１の第１端部Ｔ１の第１側面Ｓ１の電界の電界値を示している。二点鎖線は、第１電界緩和シールド５１の第１端Ｅ１の電界の電界値を示している。２つの一点鎖線は、第３電界緩和シールド５３がない場合の第１電界緩和シールド５１の電界の最大の電界値を１００％としたときの、１００％の電界値および９５％の電界値をそれぞれ示している。

本実施の形態では、第３端Ｅ３は、第１電界緩和シールド５１と第３電界緩和シールド５３とが重なる方向（第１方向ＤＲ１）から見たときに第１端Ｅ１と重なる位置から第１端Ｅ１および第２端Ｅ２の中点ＣＰに重なる位置までのいずれかに配置されている。このため、第３端Ｅ３は、第３端Ｅ３が第３の基準点（ｘ＝０．５）よりも第１の基準点（ｘ＝０）側に配置されている。第３端Ｅ３が第３の基準点（ｘ＝０．５）よりも第１の基準点（ｘ＝０）側に配置された場合、第１側面Ｓ１の電界値よりも第１端Ｅ１の電界の方が高い。

仮に、第３端Ｅ３が第３の基準点（ｘ＝０．５）よりも第２の基準点（ｘ＝１）側に配置された場合、第１端Ｅ１の電界よりも第１側面Ｓ１の電界の方が高い。これにより、第１側面Ｓ１から対地方向に沿った放電が起こりやすいため、接地物ＧＰへの放電を十分に抑制することができない。

これに対して、本実施の形態では、第３端Ｅ３は、第１電界緩和シールド５１と第３電界緩和シールド５３とが重なる方向（第１方向ＤＲ１）から見たときに第１端Ｅ１と重なる位置から第１端Ｅ１および第２端Ｅ２の中点ＣＰに重なる位置までのいずれかに配置されているため、第１側面Ｓ１から対地方向に沿った放電が生じることを抑制することができる。したがって、接地物ＧＰへの放電を十分に抑制することができる。

図７に示されるように、第３端Ｅ３は、第１電界緩和シールド５１と第３電界緩和シールド５３とが重なる方向（第１方向ＤＲ１）から見たときに第１端Ｅ１と重なる位置よりも第２端Ｅ２と重なる位置に向かって突出している。このため、図１３に示されるように放電を抑制することができる。

仮に、第３端Ｅ３が第１電界緩和シールド５１と第３電界緩和シールド５３とが重なる方向（第１方向ＤＲ１）から見たときに第１端Ｅ１よりも内側（ｘ＜０）に配置されている場合、第３端Ｅ３の最大の電界値は、第３電界緩和シールド５３がない場合の第１電界緩和シールド５１の最大の電界値の９５％以上１００％未満になる。このため、第３電界緩和シールド５３が配置されたことによる電界緩和効果が不十分になる。

これに対して、本実施の形態では、第３端Ｅ３は、第１電界緩和シールド５１と第３電界緩和シールド５３とが重なる方向（第１方向ＤＲ１）から見たときに第１端Ｅ１と重なる位置よりも第２端Ｅ２と重なる位置に向かって突出しているため、第３電界緩和シールド５３による電界緩和効果が十分に発揮される。したがって、放電を抑制することができる。

実施の形態２．
次に、図１４～図１６を用いて、実施の形態２に係る電力変換装置１００の構成を説明する。実施の形態２は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。

図１４および図１５に示されるように、実施の形態２に係る電力変換装置１００では、第３電界緩和シールド５３の第１電界緩和シールド５１に面した面積は、第１電界緩和シールド５１の面積以上である。具体的には、図１６に示されるように、第３電界緩和シールド５３の外径Ｄ３は、第１電界緩和シールド５１の外径Ｄ１以上である。より具体的には、図１４～図１６に示されるように、第３電界緩和シールド５３の外径Ｄ３は、第１電界緩和シールド５１の外径Ｄ１よりも大きい。このため、第３電界緩和シールド５３の第１電界緩和シールド５１に面した面積は、第１電界緩和シールド５１の面積よりも大きい。第３電界緩和シールド５３の外径が大きくなることによって、第３電界緩和シールド５３の第１電界緩和シールド５１と向かい合う面積が大きくなる。なお、図１５では、第１電界緩和シールド５１および第２電界緩和シールド５２の外形は、破線によって示されている。

本実施の形態の電力変換装置１００に生じる電界について説明する。本実施の形態の第１電界緩和シールド５１および第３電界緩和シールド５３が円筒形状であり、接地物ＧＰが平板形状であるため、第３電界緩和シールド５３と接地物ＧＰとが円筒と平板とが向かい合ういわゆる円筒－平板系を構成していると仮定して電界について説明する。また、第１電界緩和シールド５１と第３電界緩和シールド５３とが円筒と円筒とが向かい合ういわゆる円筒－円筒系を構成していると仮定して電界について説明する。

電界の不平等性を示す不平等率という指標がある。不平等率は、以下の式によって定まる。

不平等率＝（系の空間中で発生する最大の電界値）／（系の空間中で発生する平均の電界値）
例えば、２つの平板が向かい合う平板－平板系では、空間で発生する電界は一様である。このため、平板－平板系では、不平等率は、１である。

これに対して、本実施の形態のような円筒－平板系および円筒－円筒系では、電界の分布は、不均一である。具体的には、円筒－平板系では、円筒の電界が極端に高く、平板の電界は低い。このため、平板に近付くにつれて、電界が低くなる。なお、円筒では、最大の電界が発生している。具体的な不平等率は、円筒の形状および円筒と平板との間の距離に応じて定まるが、円筒－平板系では、不平等率は１よりも大きい。なお、円筒の外径が小さいほど、不平等率は大きい。また、円筒－平板間の距離が大きいほど、不平等率は大きい。

一方、円筒の外径が大きいほど、系の形状が平板－平板系に近付くため、不平等率は小さくなる。すなわち、円筒の外径が大きいほど、不平等率は１に近付く。言い換えると、不平等率が１に近付くほど、系の最大電界は低くなり系の平均電界に近付く。

実施の形態２では、第３電界緩和シールド５３の外径Ｄ３は、第１電界緩和シールド５１の外径Ｄ１よりも大きいため、第１電界緩和シールド５１の外径Ｄ１と第３電界緩和シールド５３の外径Ｄ３とが同じである場合よりも、不平等率が小さい。したがって、第３電界緩和シールド５３に生じる電界は、第１電界緩和シールド５１の外径Ｄ１と第３電界緩和シールドの外径Ｄ３とが同じである場合よりも、低い。

なお、第１電界緩和シールド５１および第３電界緩和シールド５３の形状が円筒である場合について説明されたが、第１電界緩和シールド５１および第３電界緩和シールド５３の形状は、円筒に限られない。第１電界緩和シールド５１および第３電界緩和シールド５３の形状は、例えば、板状等の他の形状であってもよい。また、第１電界緩和シールド５１および第３電界緩和シールド５３の形状の端部の形状は、円柱が丸められることで形成された環形状の形状等の他の形状であってもよい。

続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
実施の形態２に係る電力変換装置１００によれば、図１５に示されるように、第３電界緩和シールド５３の第１電界緩和シールド５１に面した面積は、第１電界緩和シールド５１の面積以上である。このため、第３電界緩和シールド５３に生じる電界を低くすることができる。よって、放電を抑制することができる。

本実施の形態による効果を図１７のグラフを用いて詳細に説明する。図１７に示されるグラフでは、縦軸は、第１電界緩和シールド５１および第３電界緩和シールド５３に生じた電界の電界値を示す。横軸は、第３電界緩和シールド５３の外径Ｄ３を示す。二点鎖線は、第３電界緩和シールド５３の第３側面Ｓ３（図１６参照）の最大の電界値を示している。破線は、電力変換装置１００が第３電界緩和シールド５３を含んでいない場合の第１電界緩和シールド５１の最大の電界値を示している。

図１６および図１７に示されるように、第３電界緩和シールド５３の外径が大きくなるほど、第３側面Ｓ３の電界の電界値が低くなる。このため、第３電界緩和シールド５３の第３側面Ｓ３から接地物ＧＰ（図１４参照）に向かう電界の電界値が低くなる。よって、第３電界緩和シールド５３から接地物ＧＰに放電することを抑制することができる。

図１６に示されるように、第３電界緩和シールド５３の外径Ｄ３は、第１電界緩和シールド５１の外径Ｄ１以上である。このため、第３電界緩和シールド５３の第１電界緩和シールド５１に面した面積は、第１電界緩和シールド５１の面積以上である。したがって、第３電界緩和シールド５３から接地物ＧＰに放電することを抑制することができる。

実施の形態３．
次に、図１８を用いて、実施の形態３に係る電力変換装置１００の構成を説明する。実施の形態３は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。

図１８に示されるように、実施の形態３に係る電力変換装置１００では、第１電界緩和シールド５１、第２電界緩和シールド５２および第３電界緩和シールド５３のうち少なくともいずれかは、中空構造を有している。望ましくは、図１８に示されるように、第１電界緩和シールド５１、第２電界緩和シールド５２および第３電界緩和シールド５３の各々は、中空構造を有している。図１８では、第１電界緩和シールド５１、第２電界緩和シールド５２および第３電界緩和シールド５３は、電界緩和シールドは中空な筒状の部材（円筒状の部材）によって構成されている。図１８では、第１電界緩和シールド５１、第２電界緩和シールド５２および第３電界緩和シールド５３の内壁は、破線によって示されている。なお、第１端Ｅ１、第２端Ｅ２および第３端Ｅ３の各々は、導電性の部材によって構成されている。すなわち、第１端Ｅ１、第２端Ｅ２および第３端Ｅ３の各々は、中空ではない。

また、図示されないが、電界緩和シールドは、板状構造を有していてもよい。電界緩和シールドが板状構造を有している場合には、電界緩和シールドは、例えば、金属線または導電性プラスチックによって編み込まれたメッシュ状の部材によって構成されている。電界緩和シールドがメッシュ状の部材によって構成されている場合、メッシュ状の部材の切れ端が接地電位に向かって伸びていないことが望ましい。これにより、切れ端によって電界を緩和する効果が低減することを抑制することができる。

続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
実施の形態３に係る電力変換装置１００によれば、図１８に示されるように、第１電界緩和シールド５１、第２電界緩和シールド５２および第３電界緩和シールド５３のうち少なくともいずれかは、中空構造を有している。このため、第１電界緩和シールド５１、第２電界緩和シールド５２および第３電界緩和シールド５３の各々が中空構造を有していない場合よりも、電力変換装置１００を軽くすることができる。すなわち、第１電界緩和シールド５１、第２電界緩和シールド５２および第３電界緩和シールド５３が中実である場合よりも、電力変換装置１００を軽くすることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１電力変換ユニット、５１第１電界緩和シールド、５２第２電界緩和シールド、５３第３電界緩和シールド、１００電力変換装置、Ｅ１第１端、Ｅ２第２端、Ｅ３第３端、ＧＰ接地物。

Claims

接地電位である接地物から離れて配置された複数の電力変換ユニットと、
前記接地物と前記複数の電力変換ユニットとの間に配置され、かつ第１端を含む第１電界緩和シールドと、
前記第１端と隙間を空けて向かい合う第２端を含み、かつ前記接地物と前記複数の電力変換ユニットとの間に配置された第２電界緩和シールドと、
前記接地物と前記第１電界緩和シールドとの間において前記第１電界緩和シールドに重なるように配置され、かつ第３端を含む第３電界緩和シールドとを備え、
前記第１電界緩和シールドと前記第３電界緩和シールドとが重なる方向から見たときに、前記第１電界緩和シールドと前記第２電界緩和シールドとは、前記複数の電力変換ユニットを取り囲んでおり、
前記第３端は、前記第１電界緩和シールドと前記第３電界緩和シールドとが重なる前記方向から見たときに前記第１端と重なる位置から前記第２端と重なる位置までのいずれかに配置されている、電力変換装置。
前記第１電界緩和シールドは、前記第２電界緩和シールドよりも高い電位を有しており、
前記第３端は、前記第１電界緩和シールドと前記第３電界緩和シールドとが重なる前記方向から見たときに前記第１端と重なる位置から前記第１端および前記第２端の中点に重なる位置までのいずれかに配置されている、請求項１に記載の電力変換装置。
前記第３端は、前記第１電界緩和シールドと前記第３電界緩和シールドとが重なる前記方向から見たときに前記第１端と重なる位置よりも前記第２端と重なる位置に向かって突出している、請求項１または２に記載の電力変換装置。
前記第３電界緩和シールドの前記第１電界緩和シールドに面した面積は、前記第１電界緩和シールドの面積以上である、請求項１～３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
前記第３電界緩和シールドの外径は、前記第１電界緩和シールドの外径以上である、請求項４に記載の電力変換装置。
前記第１電界緩和シールド、前記第２電界緩和シールドおよび前記第３電界緩和シールドのうち少なくともいずれかは、中空構造を有している、請求項１～５のいずれか１項に記載の電力変換装置。