JP7399804B2 - 電流遮断装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電流遮断装置に関する。

近年、送電システムにおいて直流送電を行うことについて検討・導入が進められている。直流送電システムは、従来の交流送電システムに比べ、長距離大電力送電に適用した場合に、低コストで設置可能であり且つ送電損失が少ない高効率システムを構築することが可能である。その一方、直流送電においては系統事故の発生した個所を遮断・隔離することが難しい。直流電流では、電流がゼロを横切る点（ゼロ点）が生じないため、機械式接点では電流を容易に遮断できないためである。これを解決するため、様々な直流電流遮断装置が検討されている。

図７は、直流電流遮断器１００の一例を示す図である。この直流電流遮断器１００は、転流回路１１０、機械接点式の断路器１２０、遮断器１３０、半導体遮断器１４０、アレスタ１５０、ダイオード１６０、リアクトル１７０、補助断路器１８０を含む。転流回路１１０は、コンデンサ１１１、ダイオード１１２、スイッチング素子１１３、およびサイリスタ１１４を含む。通常送電時、直流送電線ＤＬの電流は断路器１２０と遮断器１３０と補助断路器１８０を通って流れる。事故が起きると断路器１２０と遮断器１３０が開極され、転流回路１１０がオン状態となる。するとコンデンサの電荷が放電され、遮断器１３０に逆向きの電流が流れ、遮断器１３０にゼロ点が発生する。これで遮断器１３０にはこれ以上電流は流れない。次に半導体遮断器１４０がオン状態となり転流回路１１０がオフ状態になると、電流は半導体遮断器１４０に転流し、断路器１２０の電流がゼロになる。最後に半導体遮断器１４０をオフ状態にすると電流が遮断される。遮断後、直流送電線ＤＬのインダクタンス１９０の分のエネルギーは、半導体遮断器１４０に並列接続されたアレスタ１５０で消費される。電流がゼロになったら補助断路器１８０が開極され、遮断が完了する。送電線で事故が発生した際には、直流電流遮断器１００が開極することで事故回線を切り離す。その後、健全回線で送電を継続することができる。なお特許文献１にも類似の構成および動作が記載されている。

電流遮断器においては、転流回路にコンデンサ等の蓄電部を備える必要があり、蓄電部を事故に備えて充電しておく必要がある。一般的な充電法としては、図７に示すように、外部の交流電源ＡＣから変圧器２０２とダイオード整流器２００を介して充電する方法がある。しかし、この方法では、非常に耐圧の高い変圧器２０２が必要となる。直流送電線ＤＬの電圧は数百［ｋＶ］の高電圧であるため、耐圧確保のため大型の変圧器２０２が必要となり、結果として充電のための外部回路の規模が大きくなる恐れがある。

特開２０１６－１６２７１３号公報

本発明が解決しようとする課題は、より小規模な回路構成で、転流のための蓄電部を充電することができる電流遮断装置を提供することである。

実施形態の電流遮断装置は、発光部と、光電変換部と、昇圧回路と、蓄電部と、電気的接点あるいは機械的接点とを持つ。発光部は、供給される電力を光に変換する。光電変換部は、前記発光部により発せられる光を電力に変換する。昇圧回路は、前記光電変換部の出力電圧を昇圧する。蓄電部は、前記昇圧回路の出力電圧により充電され、遮断対象となる電流を転流させるための電力を蓄える。電気的接点あるいは機械的接点は、前記蓄電部を用いて生成されるゼロ電流の状態で前記電流を遮断する。

実施形態の電流遮断装置１の構成の一例を示す図。 第１の実施形態に係る電力供給装置５０の構成の一例を示す図。 昇圧回路７０が昇圧する仕組みについて説明するための図。 第１実施形態の変形例に係る電力供給装置５０Ａの構成の一例を示す図。 第２の実施形態に係る電力供給装置５０Ｂの構成の一例を示す図。 第２の実施形態における発光部の動作について説明するための図。 従来の直流電流遮断器１００を示す図。

以下、実施形態の電流遮断装置を、図面を参照して説明する。

（共通構成）
図１は、実施形態の電流遮断装置１の構成の一例を示す図である。電流遮断装置１は、例えば、転流回路１１、機械接点式の断路器１２、遮断器１３、半導体遮断器１４、アレスタ１５、ダイオード１６、リアクトル１７、補助断路器１８、および電力供給装置５０を備える。転流回路１１、機械接点式の断路器１２、遮断器１３、半導体遮断器１４、アレスタ１５、ダイオード１６、リアクトル１７、および補助断路器１８のそれぞれは、図７に示される直流電流遮断器１００における転流回路１１０、機械接点式の断路器１２０、遮断器１３０、半導体遮断器１４０、アレスタ１５０、ダイオード１６０、リアクトル１７０、および補助断路器１８０のそれぞれと同様に機能するものであるため、再度の説明を省略する。

転流回路１１について補足する。転流回路１１は、例えば、コンデンサ１１Ａ、ダイオード１１Ｂ、スイッチング素子１１Ｃ、およびサイリスタ１１Ｄを備え、それらが図示する形態で接続されている。コンデンサ１１Ａは「蓄電部」の一例である。スイッチング素子１１Ｃは、それぞれ、互いに並列に接続されたスイッチング素子とダイオードとを備える。サイリスタ１１Ｄは、オフ状態において、流れる電流を双方向に阻止し、オン状態において、断路器１２からリアクトル１７に向けて流れる電流を許容し、その逆向きの電流を阻止する。

電流遮断装置１のうち電力供給装置５０を除く構成については、「電力供給装置５０の昇圧回路７０（後述）の出力電圧により充電され、遮断対象となる電流（直流送電線ＤＬを流れる電流）を転流させるための電力を蓄える蓄電部（図１の例ではコンデンサ１１Ａ）、および蓄電部を用いて生成されるゼロ電流の状態で電流を遮断する電気的接点あるいは機械的接点（図１の例では断路器１２）」を備えるものであれば、如何なる構成であってもよい。

（第１の実施形態）
図２は、第１の実施形態に係る電力供給装置５０の構成の一例を示す図である。電力供給装置５０は、例えば、レーザドライバ５２と、レーザ発振器５４と、光ファイバ５６と、光電変換素子５８と、昇圧回路７０とを備える。

レーザドライバ５２は、例えば、ＡＣ－ＤＣコンバータ５２Ａと、スイッチ５２Ｂと、コントローラ５２Ｃとを備える。ＡＣ－ＤＣコンバータ５２Ａは、交流電源ＡＣから供給される交流を所望の電圧の直流に変換する。スイッチ５２Ｂは、ＡＣ－ＤＣコンバータ５２Ａの直流端とレーザ発振器５４との間に設けられている。コントローラ５２Ｃは、スイッチ５２Ｂのオン・オフ制御を行う。レーザ発振器５４は、レーザドライバ５２から電力が供給されている間、光ファイバ５６の内部に向けて光を発する。レーザドライバ５２とレーザ発振器５４を合わせたものが、「発光部」の一例である。スイッチ５２Ｂは半導体スイッチング素子のような電気的なスイッチでも構わない。

光ファイバ５６の内部を通る光は、光電変換素子５８に入射する。光電変換素子５８は、入射した光に応じた電圧を発生させる（光を電力に変換する）。光電変換素子５８は、「光電変換部」の一例である。

レーザドライバ５２、レーザ発振器５４、光ファイバ５６、および光電変換素子５８を備えることによって、交流電源ＡＣと直流送電線ＤＬとを絶縁しつつ、コンデンサ１１Ａにエネルギーを供給することができる。

昇圧回路７０は、光電変換素子５８の出力電圧を昇圧する。昇圧回路７０は、複数のコンデンサ（第１コンデンサ８２－１～８２－ｎ、および第２コンデンサ８４－１～８４－ｎ）と複数のダイオード（８０－１～８０－２ｎ）を有する多段ブリッジ回路である。ｎは二以上の自然数である。以下の説明において各コンデンサやダイオードを総称する場合、ハイフン以下の符号を省略することがある。

昇圧回路７０は、例えば、第１電力線７１と、第２電力線７２と、複数の中間接続線７６とを備える。第１電力線７１は、光電変換素子５８の高電圧端５８Ｈに接続されている。第２電力線７２は、光電変換素子５８の低電圧端５８Ｌに接続されている。複数の中間接続線７６のそれぞれは、第１電力線７１と第２電力線７２を梯子状に接続する。複数の中間接続線７６のそれぞれには、光電変換素子５８の側から見て交互に極性が反対となるように複数のダイオード８０が設けられている。第１電力線７１における互いに隣接する中間接続線７６の間には、一つおきに複数の第１コンデンサ８２が設けられており、第２電力線７２における互いに隣接する中間接続線７６の間には、複数の第１コンデンサ８２と互い違いに複数の第２コンデンサ８４が設けられている。そして、第１電力線７１と第２電力線７２のそれぞれの光電変換素子５８と反対側の端部が接続された接続点８６が、コンデンサ１１Ａの高電圧端１１ＡＨに接続され、光電変換素子５８の低電圧端５８Ｌが、コンデンサ１１Ａの低電圧端１１ＡＬに接続されている。

このような構成において、レーザドライバ５２のコントローラ５２Ｃは、スイッチ５２Ｂを間欠的にオン状態にする（パルス状にオン・オフさせる）。これを受けてレーザ発振器５４は、光を発する状態と光を発しない状態とを交互に繰り返す。これによって、昇圧回路７０の第１コンデンサ８２および第２コンデンサ８４が充電され、最終的に昇圧回路７０は、光電変換素子５８の出力電圧を段数ｎに比例した電圧に昇圧することができる。

図３は、昇圧回路７０が昇圧する仕組みについて説明するための図である。図３の上図は光電変換素子５８がレーザ発振器５４から光を受けているとき（受光時）の状態を示しており、図３の下図は光電変換素子５８がレーザ発振器５４から光を受けていないとき（非受光時）の状態を示している。

受光時において、光電変換素子５８の端子間電圧はＶｐｄとなる。このとき、破線で示すように、光電変換素子５８、第１コンデンサ８２－１、ダイオード８０－２、第２コンデンサ８４－１の順に電流が流れ、第１コンデンサ８２－１の電圧Ｖ_１および第２コンデンサ８４－１の電圧Ｖ_２が上昇する。

非受光時において、光電変換素子５８の端子間電圧はゼロに近づく。このとき、破線で示すように、第２コンデンサ８４－１、ダイオード８０－３、第１コンデンサ８２－２、第１コンデンサ８２－１、光電変換素子５８の順に電流が流れ、第１コンデンサ８２－１の電圧Ｖ_１および第２コンデンサ８４－１の電圧Ｖ_２が低下して第１コンデンサ８２－２の電圧Ｖ_３が上昇する。

受光時の状態と非受光時の状態を交互に繰り返すことで、第１コンデンサ８２、第２コンデンサ８４の充電は図の右側に伝搬していき、各コンデンサの電圧が上昇していく。例えば、図３の下図に示す状態の次の非受光時には、第１コンデンサ８２－２が放電して第２コンデンサ８４－２が充電され、その次の非受光時には、第２コンデンサ８４－２が放電して第１コンデンサ８２－３が充電されるという具合である（第１コンデンサ８２－１、第２コンデンサ８４－１など、前段のコンデンサにも図３に示す作用が繰り返し発生する）。最終的に接続点８６の電圧によってコンデンサ１１Ａが充電される。

以上説明した第１の実施形態によれば、レーザドライバ５２およびレーザ発振器５４を含む発光部と、光電変換素子５８を備え、光電変換素子５８の出力を昇圧回路７０で昇圧して転流回路１１のコンデンサ１１Ａの充電電圧とするため、耐圧の高い大型の変圧器を備える必要が無くなり、より小規模な回路構成で、転流のためのコンデンサ１１Ａを充電することができる。光電変換素子５８の低電圧端５８Ｌと接続点８６の間には、上記プロセスにより充電されたコンデンサ８４が直列接続されているため、接続点８６からは昇圧された高い電圧が得られる。

また、第１の実施形態によれば、エネルギー源である光の照射をオン・オフするものであるため、昇圧回路７０の前段にスイッチング素子を設ける必要が無くなり、更に小規模な回路構成で、転流のためのコンデンサ１１Ａを充電することができる。

（第１の実施形態の変形例）
図４は、第１実施形態の変形例に係る電力供給装置５０Ａの構成の一例を示す図である。電力供給装置５０Ａにおける昇圧回路７０Ａの光電変換素子５８側の端部には、変換器８８が設けられている。変換器８８は、例えばＤＣ－ＤＣコンバータである。このように構成することで、光電変換素子５８の出力特性を調整し、より高い電圧をコンデンサ１１Ａに供給することができる。

（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態において、電力供給装置以外の構成については第１実施形態と相違が無いため、主に電力供給装置について説明する。

図５は、第２の実施形態に係る電力供給装置５０Ｂの構成の一例を示す図である。電力供給装置５０Ｂは、例えば、レーザドライバ５２およびレーザ発振器５４（第１の発光部）、光ファイバ５６、光電変換素子５８（第１の光電変換部）を含む第１系列の電圧発生部と、レーザドライバ５３およびレーザ発振器５５（第２の発光部）、光ファイバ５７、光電変換素子５９（第２の光電変換部）を含む第２系列の電圧発生部と、昇圧回路７０Ｂとを備える。

レーザドライバ５２、５３は、例えば、第１実施形態と同様のものである。レーザ発振器５４は、レーザドライバ５２から電力が供給されている間、光ファイバ５６の内部に向けて光を発する。光ファイバ５６の内部を通る光は、光電変換素子５８に入射する。光電変換素子５８は、入射した光に応じた電圧を発生させる（光を電力に変換する）。同様に、レーザ発振器５５は、レーザドライバ５３から電力が供給されている間、光ファイバ５７の内部に向けて光を発する。光ファイバ５７の内部を通る光は、光電変換素子５９に入射する。光電変換素子５９は、入射した光に応じた電圧を発生させる（光を電力に変換する）。光電変換素子５８の低電圧端５８Ｌは、光電変換素子５９の低電圧端５９Ｌと接続されている。

昇圧回路７０Ｂは、第１実施形態の昇圧回路７０が備える構成に加えて、光電変換素子５９の高電圧端５９Ｈに接続された第３電力線７３と、第２電力線７２と第３電力線７３を梯子状に接続する複数の第２中間接続線７７とを備える（第１実施形態の中間接続線７６に相当するものを第１中間接続線７６とする）。

複数の第１中間接続線７６のそれぞれには、光電変換素子５８の側から見て交互に極性が反対となるダイオード８０が設けられており、複数の第２中間接続線７７のそれぞれには、第２電力線７２を中心として第１中間接続線７６における複数のダイオード８０の向きと対称になるように複数のダイオード８１が設けられている。第１電力線７１における互いに隣接する第１中間接続線７６の間には、一つおきに複数の第１コンデンサ８２が設けられており、第２電力線７２における互いに隣接する第１中間接続線７６の間には、複数の第１コンデンサ８２と互い違いに複数の第２コンデンサ８４が設けられている。第３電力線７３における互いに隣接する第２中間接続線７７の間には、一つおきに且つ第２電力線７２を中心として第１電力線７１における複数の第１コンデンサ８２と配置が対称となるように複数の第３コンデンサ８５が設けられている。そして、第１電力線７１と第２電力線７２のそれぞれの光電変換素子５８と反対側の端部が接続された接続点８６が、コンデンサ１１Ａの高電圧端１１ＡＨに接続され、光電変換素子５８の低電圧端５８Ｌが、コンデンサ１１Ａの低電圧端１１ＡＬに接続されている。第１電力線７１、第２電力線７２、および第３電力線７３のそれぞれの光電変換素子５８、５９と反対側の端部が接続された接続点８６が、コンデンサ１１Ａの高電圧端１１ＡＨに接続され、光電変換素子５８の低電圧端５８Ｌおよび光電変換素子５９の低電圧端５９Ｌがコンデンサ１１Ａの低電圧端１１ＡＬに接続されている。

レーザドライバ５２、５３は、レーザ発振器５４、５５が光を発する状態と光を発しない状態とを交互に繰り返し、更に、レーザ発振器５４が光を発する状態の場合にレーザ発振器５５は光を発さず、レーザ発振器５４が光を発しない状態の場合にレーザ発振器５５が光を発するように内部のスイッチを制御する。

図６は、第２の実施形態における発光部の動作について説明するための図である。図示するように、レーザドライバ５２の出力信号とレーザドライバ５３の出力信号は、一方がオンであれば他方がオフという関係で、互い違いにオンとオフを繰り返すように生成される。これによって、第１電力線７１と第２電力線７２とを含む部分回路と、第３電力線７３と第２電力線７２とを含む部分回路とで、第１実施形態の図３で説明した状態が互い違いに繰り返される。この結果、それぞれの部分回路で第１実施形態と同様に波及的にコンデンサが充電され、第１実施形態に比して迅速に、コンデンサ１１Ａに与える電圧を目標電圧まで昇圧することができる。

以上説明した第２の実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏することができるのに加えて、昇圧に必要な時間を短縮することができる。

（その他）
上記の説明では、電流遮断装置は直流を遮断するものとしたが、交流を遮断するものであってもよい。

また、第１または第２の実施形態において、レーザドライバ５２、レーザ発振器５４、および光ファイバ５６を含む光給電系は１系だけでなく冗長構成でもよい。また、第１の実施形態において光電変換素子５８は直列接続または並列接続されていても良い。第２の実施形態におけるレーザドライバ５３、レーザ発振器５５、および光ファイバ５７を含む光給電系、或いは光電変換素子５９についても同様である。

また、各実施形態において、レーザ発振器によって発せられる光が光学レンズなどを介して光電変換素子に入射するように構成されてもよい。

また、コンデンサ１１Ａを用いて生成されるゼロ電流の状態で電流を遮断するための構成として機械接点式の断路器１２を例示したが、これに代えて半導体スイッチング素子による電気的接点式の開閉器を備えてもよいし、それらの両者を組み合わせた構成を備えてもよい。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、供給される電力を光に変換する発光部（５２、５３、５４、５５）と、発光部により発せられる光を電力に変換する光電変換部（５８、５９）と、光電変換部の出力電圧を昇圧する昇圧回路（７０、７０Ａ、７０Ｂ）と、昇圧回路の出力電圧により充電され、遮断対象となる電流を転流させるための電力を蓄える蓄電部（１１Ａ）と、蓄電部を用いて生成されるゼロ電流の状態で電流を遮断する電気的接点あるいは機械的接点（１２）と、を持つことにより、より小規模な回路構成で、転流のための蓄電部を充電することができる。

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 電流遮断装置
１１ 転流回路
１１Ａ コンデンサ
１２ 断路器
５０、５０Ａ、５０Ｂ 電力供給装置
５２、５３ レーザドライバ
５２Ａ ＡＣ－ＤＣコンバータ
５２Ｂ スイッチ
５２Ｃ コントローラ
５４、５５ レーザ発振器
５６、５７ 光ファイバ
５８、５９ 光電変換素子
７０、７０Ａ、７０Ｂ 昇圧回路
７１ 第１電力線
７２ 第２電力線
７３ 第３電力線
７６ 中間接続線（第１の中間接続線）
７７ 第２の中間接続線
８０ ダイオード
８２ 第１コンデンサ
８４ 第２コンデンサ
８５ 第３コンデンサ
８６ 接続点

Claims (6)

1. 供給される電力を光に変換する発光部と、
   前記発光部により発せられる光を電力に変換する光電変換部と、
   前記光電変換部の出力電圧を昇圧する昇圧回路と、
   前記昇圧回路の出力電圧により充電され、遮断対象となる電流を転流させるための電力を蓄える蓄電部と、
   前記蓄電部を用いて生成されるゼロ電流の状態で前記電流を遮断する電気的接点あるいは機械的接点と、
   を備える電流遮断装置。
2. 前記昇圧回路は、複数のコンデンサと複数のダイオードを有する多段ブリッジ回路である、
   請求項１記載の電流遮断装置。
3. 前記昇圧回路は、前記光電変換部の高電圧端に接続された第１電力線と、前記光電変換部の低電圧端に接続された第２電力線と、前記第１電力線と前記第２電力線を接続する複数の中間接続線とを有し、
   前記複数の中間接続線のそれぞれには、前記光電変換部の側から見て交互に極性が反対となるように複数のダイオードが設けられており、
   前記第１電力線における互いに隣接する前記中間接続線の間には、一つおきに前記複数のコンデンサの一部である複数の第１コンデンサが設けられており、
   前記第２電力線における互いに隣接する前記中間接続線の間には、前記第１コンデンサと互い違いに前記複数のコンデンサの一部である複数の第２コンデンサが設けられており、
   前記第１電力線と前記第２電力線のそれぞれの前記光電変換部と反対側の端部が接続された接続点が、前記蓄電部の高電圧端に接続され、前記光電変換部の低電圧端が前記蓄電部の低電圧端に接続されている、
   請求項２記載の電流遮断装置。
4. 前記発光部は、光を発する状態と光を発しない状態とを交互に繰り返す、
   請求項２または３記載の電流遮断装置。
5. 前記光電変換部は、第１の光電変換部と第２の光電変換部とを含み、
   前記昇圧回路は、前記第１の光電変換部の高電圧端に接続された第１電力線と、前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部の低電圧端に接続された第２電力線と、前記第２の光電変換部の高電圧端に接続された第３電力線と、前記第１電力線と前記第２電力線を接続する複数の第１中間接続線と、前記第２電力線と前記第３電力線を接続する複数の第２中間接続線と、を有し、
   前記複数の第１中間接続線のそれぞれには、前記光電変換部の側から見て交互に極性が反対となるように複数のダイオードが設けられており、
   前記複数の第２中間接続線のそれぞれには、前記第２電力線を中心として前記第１中間接続線におけるダイオードの向きと対称になるように複数のダイオードが設けられており、
   前記第１電力線における互いに隣接する前記第１中間接続線の間には、一つおきに前記複数のコンデンサの一部である複数の第１コンデンサが設けられており、
   前記第２電力線における互いに隣接する前記第１中間接続線の間には、前記複数の第１コンデンサと互い違いに前記複数のコンデンサの一部である複数の第２コンデンサが設けられており、
   前記第３電力線における互いに隣接する前記第２中間接続線の間には、一つおきに且つ前記第２電力線を中心として前記第１電力線における前記複数の第１コンデンサと配置が対称となるように前記複数のコンデンサの一部である複数の第３コンデンサが設けられており、
   前記第１電力線、前記第２電力線、および前記第３電力線のそれぞれの前記光電変換部と反対側の端部が接続された接続点が、前記蓄電部の高電圧端に接続され、前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部の低電圧端が前記蓄電部の低電圧端に接続されている、
   請求項１記載の電流遮断装置。
6. 前記発光部は、前記第１の光電変換部に光を供給する第１の発光部と、前記第２の光電変換部に光を供給する第２の発光部とを含み、
   前記第１の発光部と前記第２の発光部のそれぞれは、光を発する状態と光を発しない状態とを交互に繰り返し、
   前記第１の発光部が光を発する状態の場合に前記第２の発光部は光を発さず、前記第２の発光部が光を発する状態の場合に前記第１の発光部は光を発さない、
   請求項５記載の電流遮断装置。

Images