JP7303308B2

JP7303308B2 - 高速度直流真空遮断器

Info

Publication number: JP7303308B2
Application number: JP2021534560A
Authority: JP
Inventors: アウンコーテット; 康信藤田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2019-07-25
Filing date: 2020-05-22
Publication date: 2023-07-04
Anticipated expiration: 2040-05-22
Also published as: JPWO2021014737A1; WO2021014737A1

Description

本発明は、高速度直流真空遮断器に関し、特に、電気鉄道用の変電所等に設置する直流真空遮断器として好適である。

電力系統または電路については、特に異常時に災害を防ぐために、速やかに電気エネルギーの流れを遮断する必要がある。そのために、遮断器を採用しているのが実状である。ただし、電気の種類としては交流と直流の２種類があるところ、直流電路を遮断する直流遮断器の場合には、交流電流と異なり、直流電流は電流零となる時刻がないため、遮断器の接点を開いただけでは電流の遮断ができない。

そのための一つの手段として、高いアーク電圧を利用して、直流真空遮断器の遮断部に並列に接続したコンデンサに一時的に電流を転流し、遮断時に高周波電流を発生させて電流零点を得ることで遮断することが知られている。つまり、高速度直流真空遮断器（ＨＳＶＣＢ：ＨｉｇｈＳｐｅｅｄＶａｃｕｕｍＣｉｒｃｕｉｔＢｒｅａｋｅｒ）は、遮断電流を零にして直流電流を遮断するために、高周波電流を発生させる転流コンデンサと転流スイッチとを有する構成となっている。

この構成において、転流スイッチの動作によって正方向の負荷電流（または接続回路の短絡事故電流）と逆方向の転流電流を流し、直流電流が電流零となる時点に、遮断部を開く必要がある。そのために、遮断駆動用コンデンサにて電磁力を発生させて遮断部を開くことにより、高速の遮断を実現している。
また、特許文献１および２には、開閉器の開閉動作や遮断器の遮断操作に使用するコイルに対して、その動作電流を放電するコンデンサを複数で構成し、充電時は並列接続し、放電時は直列接続して開閉動作や遮断動作を確実にする手法が示されている。

特開２００２－２１６５９４号公報特開昭５９－０３７６２１号公報

高速度直流真空遮断器（ＨＳＶＣＢ）は、通電する直流電流を零にし遮断を遂行するために、高周波電流を発生させる転流コンデンサと転流スイッチとを備え、転流スイッチの動作にて正方向の負荷電流（または事故電流）と逆方向の転流電流を流して直流電流が電流零となる間に、遮断部を開く必要がある。そのために、遮断駆動用コンデンサを用い、電磁力を発生させて遮断部を開くことにより、高速の遮断を実現している。

しかし、高速に大電流を出力するための遮断駆動用コンデンサおよびスイッチとしては、特別仕様品を必要とするため、汎用品を利用できないのが課題である。また、遮断駆動用コンデンサの劣化または製品の使用環境（気温や周波数等）による主回路インピーダンス値の変化に伴い、高速の応答を得られない恐れがある。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、並列に充電し直列に放電する方式により高速に大電流を発生させる遮断駆動用コンデンサを、ＩＧＢＴスイッチを用いて並列に充電し直列に放電する方式に接続変更が可能となるように機器を構築すると共に、自動制御系で遮断駆動用コンデンサの充放電を高速に制御する。このようにして、本発明は、ＩＧＢＴスイッチの採用と主回路インピーダンス値の変化に適応できる自動制御系により、遮断を高速かつ確実に実施できる技術を提供するものである。

上記課題を解決するために、本発明に係る高速度直流真空遮断器は、直流線路に接続される真空バルブ装置と、真空バルブ装置に並列に接続される転流コンデンサと転流スイッチとの直列回路と、真空バルブ装置を開放するための遮断駆動用回路と、引外し指令を受けて遮断駆動用回路を制御する制御ユニットとを備え、遮断駆動用回路は、コイルと、当該コイルに電気エネルギーを供給する複数の駆動用コンデンサと、当該複数の駆動用コンデンサそれぞれに充電用の半導体スイッチを接続して個別に設けられる充電回路と、当該充電回路それぞれの間に接続されて複数の駆動用コンデンサの充電エネルギーを放電する放電用の半導体スイッチと、駆動用コンデンサの電圧を計測する電圧センサと、コイルへの放電電流を計測する電流センサとを有し、制御ユニットは、引外し指令に基づいて、充電用の半導体スイッチおよび放電用の半導体スイッチを連動して制御し、複数の駆動用コンデンサをコイルへの放電時は直列接続に当該放電時以外は並列接続に切り替えると共に、充電用の半導体スイッチをオンオフ制御して駆動用コンデンサを目標電圧まで充電し、当該目標電圧までの充電を電圧センサの計測値および電流センサの計測値をフィードバックして自動制御することを特徴とする。

本発明に係る高速度直流真空遮断器によれば、ＩＧＢＴスイッチのオンオフを自動制御することにより、汎用品のコンデンサ群によっても大電流の出力を可能にし、高速度直流真空遮断器の遮断駆動系の応答性を確実に維持することができる。

本発明の実施例に係る高速度直流真空遮断器の構成を示す図である。高速度直流真空遮断器が備える遮断駆動用回路の構成を示す図である。遮断駆動用回路を制御する制御ユニットの構成を示す図である。制御ユニットが備える制御演算器の構成として、そのブロックダイアグラムを示す図である。

以下、本発明を実施するための形態として実施例を、図面を用いて説明する。

図１は、本発明の実施例に係る高速度直流真空遮断器（ＨＳＶＣＢ）の構成を示す図である。
高速度直流真空遮断器（ＨＳＶＣＢ）１は、真空スイッチ駆動装置（ＶａｃｕｕｍＳｗｉｔｃｈＤｒｉｖｉｎｇＤｅｖｉｃｅ：ＶＤ）２、静止形過電流引外し装置（ＳｔａｔｉｃｔｙｐｅＯｖｅｒｃｕｒｒｅｎｔＴｒｉｐｐｉｎｇＤｅｖｉｃｅ：ＳＯＴＤ）３および制御ユニット（ＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）４から構成される。
また、負荷５は、この高速度直流真空遮断器１を介して直流電源６に接続される。

次に、真空スイッチ駆動装置（ＶＤ）２は、以下の１）～６）の構成要素から構成される。
１）遮断駆動用回路（ＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＤｒｉｖｉｎｇＣｉｒｃｕｉｔ）２１
２）転流リアクトル（Ｃｏｍｍｕｔａｔｉｎｇｒｅａｃｔｏｒ：Ｌｃ）２２
３）電流を遮断するための真空バルブ装置である真空インタラプタ（ＶａｃｕｕｍＩｎｔｅｒｒｕｐｔｅｒ：ＶＩ１およびＶＩ２）２３および２４
４）転流コンデンサ（Ｃｃ）２５
５）転流スイッチ（Ｓｃ）２６
６）電流遮断後のアークエネルギーを吸収するための非直線抵抗器（Ｎｏｎ－ＬｉｎｅａｒＲｅｓｉｓｔｏｒ：ＮＬＲ）２７

図２は、遮断駆動用回路（ＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＤｒｉｖｉｎｇＣｉｒｃｕｉｔ）２１の構成を示す図である。遮断駆動用回路２１は、以下のａ）～ｅ）の構成要素から構成される。
ａ）真空遮断部を駆動するコイル（Ｃｏｉｌ）２１０１
ｂ）電気エネルギーを貯蔵して、放電時には高速にコイル２１０１に電流を流すための遮断駆動用コンデンサ（Ｈｉｇｈ－ＳｐｅｅｄＤｒｉｖｉｎｇＣａｐａｃｉｔｏｒ）２１０２
ｃ）制御電源から遮断駆動用コンデンサ２１０２に対して、並列または直列の構成変更にも拘らず、確実に電流を流すための抵抗器（Ｒｅｓｉｓｔｏｒ）２１０３
ｄ）並列接続構成の複数の遮断駆動用コンデンサ２１０２をそれぞれ高速に充電するためにスイッチングするＩＧＢＴスイッチ（ＩＧＢＴＳｗｉｔｃｈ）２１０４
なお、図２では、ＩＧＢＴスイッチ２１０４を、模式的にコンデンサ２１０２の両端に接続したスイッチの形態で図示しているが、実際には、遮断駆動用コンデンサ２１０２を充電するためのスイッチング電源（例えば、ブリッジ方式）のような構成を備えるものである。
ｅ）複数の遮断駆動用コンデンサ２１０２の接続態様を、並列接続と直列接続とに瞬時に切替え変更可能とし、複数の遮断駆動用コンデンサ２１０２の充電エネルギーを一気に放電するためにスイッチングするＩＧＢＴスイッチ（ＩＧＢＴＳｗｉｔｃｈ）２１０５

図３は、制御ユニット（ＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）４の構成を示す図である。制御ユニット４は、遮断駆動用コンデンサ２１０２の充電を制御するＩＧＢＴスイッチ２０１４のスイッチングを制御する。

制御ユニット４は、静止形過電流引外し装置（ＳＯＴＤ）３から入力される引外し指令（ＴｒｉｐＣｏｍｍａｎｄ）に基づいてＩＧＢＴスイッチ２０１４を制御するための制御演算器（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）４１と、制御演算器４１からの制御信号とキャリア（Ｃａｒｒｉｅｒ）信号とを比較してＩＧＢＴスイッチ２０１４のスイッチング制御信号を生成する生成器４２とから構成される。

制御演算器（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）４１は、遮断駆動用回路２１から、図示しない電圧センサおよび電流センサにより計測した遮断駆動用コンデンサ２１０２の電圧（ＣａｐａｃｉｔｏｒＶｏｌｔａｇｅ）および電流（ＴａｒｇｅｔＣｕｒｒｅｎｔ）を入力する。この電圧計測値および電流計測値は、制御演算器４１による自動制御系のフィードバック信号となる（図４の説明において後述する）。

生成器４２が生成するＩＧＢＴスイッチ２０１４のスイッチング制御信号は、複数の遮断駆動用コンデンサ２１０２に対して共通のスイッチング制御信号であってもよいし、複数の遮断駆動用コンデンサ２１０２に対してそれぞれ異なるスイッチング制御信号であってもよい。

図４は、制御ユニット４が備える制御演算器（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）４１の構成として、そのブロックダイアグラムを示す図である。

制御演算器４１を構成する第１の比例積分器であるＰＩ部４１０１は、ＩＧＢＴスイッチ２１０４のスイッチングを制御するために、遮断駆動用コンデンサ２１０２の目標電圧（Ｒｅｆ．Ｖｏｌｔａｇｅ）と、遮断駆動用コンデンサ２１０２からフィードバックされた電圧センサ（図示せず）からの計測値との差分により、遮断駆動用コンデンサ２１０２に充電または放電するための目標電流値を演算する。演算した目標電流値は、遮断駆動用コンデンサ２１０２の限界を超えないために上下値を制限する第１のリミッタ部（Ｌｉｍｉｔｅｒ）４１０２を介する。

ここで、目標電圧（Ｒｅｆ．Ｖｏｌｔａｇｅ）は、引外し指令（ＴｒｉｐＣｏｍｍａｎｄ）のオンに同期する形で制御演算器４１へ入力されるが、この引外し指令（ＴｒｉｐＣｏｍｍａｎｄ）がオフになっても制御演算器４１による自動制御を継続させるために、引外し指令（ＴｒｉｐＣｏｍｍａｎｄ）を受けるスイッチ部にタイマを設け、遮断駆動用回路２１の特性等に応じて設定するタイマ時間により、引き続き目標電圧（Ｒｅｆ．Ｖｏｌｔａｇｅ）を入力するように構成してもよい。

制御演算器４１を構成する第２の比例積分器であるＰＩ部４１０３は、リミッタ部４１０２からの出力目標電流値と、遮断駆動用コンデンサ２１０２からコイル２１０１を介して放電される電流（ＴａｒｇｅｔＣｕｒｒｅｎｔ）をフィードバックする電流センサ（図示せず）からの計測値との差分により、遮断駆動用回路２１を構成するＩＧＢＴスイッチ２１０４をオンオフ（開閉）するための制御量を演算する。演算した目標電流値を得るための制御量は、遮断駆動用コンデンサ２１０２の限界を超えないために上下値を制限する第２のリミッタ部（Ｌｉｍｉｔｅｒ）４１０４を介する。更に、第２のリミッタ部４１０４を介した制御量は、伝達関数Ｇ（ｓ）により遮断駆動用回路２１の応答特性を示す演算部４１０５を経て生成器４２へ出力される。

また、伝達関数Ｈ_１（ｓ）およびＨ_２（ｓ）により上記した電圧センサおよび電流センサそれぞれの応答性および制御安定性を設計するためのダンピング演算部４１０６および４１０７を、それぞれのフィードバック系に設けている。

上記した高速度直流真空遮断器（ＨＳＶＣＢ）の構成と制御手法を備えることにより、直流電流を遮断するために、静止形過電流引外し装置（ＳＯＴＤ）３から引外し指令（ＴｒｉｐＣｏｍｍａｎｄ）が入力した際に、実際の遮断を行う真空バルブ装置（真空インタラプタ：ＶＩ１）２３を開くためには、遮断駆動用回路２１が最初に駆動される必要がある。そのため、遮断駆動用コンデンサ２１０２は、静止形過電流引外し装置（ＳＯＴＤ）３からの引外し指令（ＴｒｉｐＣｏｍｍａｎｄ）によりＩＧＢＴスイッチ２１０５がオンして閉状態となることで並列構成から直列構成に瞬時に切り替わり、蓄電した電気エネルギーがコイル２１０１に放電される。

同時に、制御演算器４１の演算結果を受けて生成器４２がキャリア信号との比較によって生成した制御信号により、ＩＧＢＴスイッチ２１０４がスイッチングすることによって、駆動用コンデンサ２１０２に電気エネルギーが充電されると共に、この電気エネルギーもコイル２１０１に放電される。

このようにして、制御演算器４１の演算結果によりＩＧＢＴスイッチ２１０４がスイッチングすることで、真空バルブ（真空インタラプタ：ＶＩ１）２３および真空バルブ（真空インタラプタ：ＶＩ２）２４が完全に開放するまでに、遮断駆動用コンデンサ２１０２の容量に拘らず、コイル２１０１に電気エネルギーを放電することができる。また、遮断主回路で余剰となった電気エネルギーは、非直線抵抗器（Ｎｏｎ－Ｌｉｎｅａｒｒｅｓｉｓｔｏｒ：ＮＬＲ）２７で吸収（消費）される。

本実施例では、並列または直列に接続する遮断駆動用コンデンサ２１０２の個数については、２個以上の複数個ではあるが個数を限定していない。遮断駆動用回路２１が必要とする電磁力に見合う十分な電気エネルギーを供給し、かつ、高速の遮断性能を満たすために、遮断駆動用コンデンサ２１０２の個数を決定することになる。

以上により、本発明に係る実施例によれば、高速度直流真空遮断器（ＨＳＶＣＢ）１は、高速に大電流を発生させるために、並列接続で充電し直列接続で放電する方式である遮断駆動用コンデンサ２１０２を、ＩＧＢＴスイッチ２１０５を用いて直列に接続変更して放電すると共に、併せてＩＧＢＴスイッチ２０１４を用いて充電することも可能となるように、構成したものである。また、自動フィードバック制御系により遮断駆動用コンデンサ２１０２を高速に充放電制御することにより、真空バルブ装置を遮断（開放）するために遮断駆動用回路２１として必要とする時間を確実に維持することができる。

１高速度直流真空遮断器（ＨＳＶＣＢ）
２真空スイッチ駆動装置（ＶａｃｕｕｍＳｗｉｔｃｈＤｒｉｖｉｎｇＤｅｖｉｃｅ）
３静止形過電流引外し装置（ＳｔａｔｉｃｔｙｐｅＯｖｅｒｃｕｒｒｅｎｔＴｒｉｐｐｉｎｇＤｅｖｉｃｅ：ＳＯＴＤ）
４制御ユニット（ＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）
５負荷（Ｌｏａｄ）
６直流電源（ＤＣｐｏｗｅｒｓｏｕｒｃｅ）
２１遮断駆動用回路（ＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＤｒｉｖｉｎｇＣｉｒｃｕｉｔ）
２２転流リアクトル（ＣｏｍｍｕｔａｔｉｎｇＲｅａｃｔｏｒ：Ｌｃ）
２３真空バルブ装置（真空インタラプタ：ＶＩ１）
２４真空バルブ装置（真空インタラプタ：ＶＩ２）
２５転流コンデンサ（Ｃｃ）
２６転流スイッチ（Ｓｃ）
２７非直線抵抗器（Ｎｏｎ－ＬｉｎｅａｒＲｅｓｉｓｔｏｒ：ＮＬＲ）
４１制御演算器（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）
４２生成器
２１０１コイル（Ｃｏｉｌ）
２１０２遮断駆動用コンデンサ（Ｈｉｇｈ－ＳｐｅｅｄＤｒｉｖｉｎｇＣａｐａｃｉｔｏｒ）
２０１３抵抗器（Ｒｅｓｉｓｔｏｒ）
２１０４、２１０５ＩＧＢＴスイッチ
４１０１、４１０３ＰＩ部
４１０２、４１０４リミッタ部（Ｌｉｍｉｔｅｒ）
４１０５演算部
４１０６、４１０７ダンピング演算部

Claims

直流線路に接続される真空バルブ装置と、
前記真空バルブ装置に並列に接続される転流コンデンサと転流スイッチとの直列回路と、
前記真空バルブ装置を開放するための遮断駆動用回路と、
引外し指令を受けて前記遮断駆動用回路を制御する制御ユニットと
を備え、
前記遮断駆動用回路は、コイルと、当該コイルに電気エネルギーを供給する複数の駆動用コンデンサと、当該複数の駆動用コンデンサそれぞれに充電用の半導体スイッチを接続して個別に設けられる充電回路と、当該充電回路それぞれの間に接続されて前記複数の駆動用コンデンサの充電エネルギーを放電する放電用の半導体スイッチと、前記駆動用コンデンサの電圧を計測する電圧センサと、前記コイルへの放電電流を計測する電流センサとを有し、
前記制御ユニットは、前記引外し指令に基づいて、前記充電用の半導体スイッチおよび前記放電用の半導体スイッチを連動して制御し、前記複数の駆動用コンデンサを前記コイルへの放電時は直列接続に当該放電時以外は並列接続に切り替えると共に、前記充電用の半導体スイッチをオンオフ制御して前記駆動用コンデンサを目標電圧まで充電し、当該目標電圧までの充電を前記電圧センサの計測値および前記電流センサの計測値をフィードバックして自動制御する
ことを特徴とする高速度直流真空遮断器。
請求項１に記載の高速度直流真空遮断器であって、
前記制御ユニットは、前記充電用の半導体スイッチを、キャリア信号を用いた高速スイッチングによりオンオフ制御する
ことを特徴とする高速度直流真空遮断器。