JP7466789B2 - スイッチング装置、直流遮断装置および直流遮断システム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、スイッチング装置、直流遮断装置および直流遮断システムに関する。

プラズマスイッチを利用したスイッチング装置がある。プラズマスイッチの電流容量を向上させることにより、応用範囲を拡大させることが期待されている。

米国特許第５８２８１７６号明細書 特許第６４３０２９４号公報

実施形態は、高性能なスイッチング装置、直流遮断装置および直流遮断システムを提供する。

実施形態に係るスイッチング装置は、第１電極と、前記第１電極から離れて設けられた第２電極と、前記第１電極と前記第２電極の間に設けられた第１グリッドと、前記第１グリッドと前記第２電極の間に設けられた第２グリッドと、を含むプラズマスイッチと、前記プラズマスイッチの外側に設けられ、前記プラズマスイッチとの間に密閉空間を形成する外郭部と、を備える。前記第１電極は、前記プラズマスイッチがグロー放電時に負グローを生成するホローカソード部と、前記ホローカソード部の周囲に設けられ、前記負グローと前記第１電極との間の電界に交差する磁界を発生する磁界発生部と、を含む。前記ホローカソード部は、Ｂ、Ｃ、Ａｌ、ＳｉおよびＧａのうち少なくとも１つの材料を含む。

第１の実施形態に係るスイッチング装置を例示する模式的な断面図である。 図１のＡＡ’線における模式的な矢視平面図である。 第１の実施形態のスイッチング装置の一部を例示する模式的な拡大断面図である。 第１の実施形態のスイッチング装置の動作を説明するための模式的な拡大断面図である。 第１の実施形態のスイッチング装置の動作を説明するための図４のＢ部の模式的な拡大断面図である。 図６（ａ）～図６（ｃ）は、第１の実施形態のスイッチング装置の動作を説明するための模式的な等価回路図である。 第１の実施形態のスイッチング装置の動作を説明するための模式的な等価回路図である。 第２の実施形態に係るスイッチング装置の一部を例示する模式的な断面図である。 図９（ａ）は、第２の実施形態のスイッチング装置の一部を例示する模式的な平面図である。図９（ｂ）は、図９（ａ）のＣＣ’線における模式的な矢視断面図である。 第２の実施形態のスイッチング装置の動作を説明するための模式的な拡大断面図である。 第３の実施形態に係るスイッチング装置の一部を例示する模式的な断面図である。 図１２（ａ）は、図１１のＤＤ’線における模式的な矢視断面図である。図１２（ｂ）は、図１１のＦＦ’線における模式的な矢視断面図である。図１２（ｃ）は、図１１のＧＧ’線における模式的な矢視断面図である。 第３の実施形態のスイッチング装置の動作を説明するための図１２（ａ）のＪ部の模式的な拡大断面図である。 図１４（ａ）～図１４（ｄ）は、第３の実施形態のスイッチング装置の動作を説明するための模式図である。 第４の実施形態に係る直流遮断装置を例示する模式的なブロック図である。 第４の実施形態の直流遮断装置の一部を例示する模式的な等価回路図である。 第４の実施形態の直流遮断装置の動作を説明するための模式的なブロック図である。 第４の実施形態の直流遮断装置の動作を説明するための模式的なタイミングチャートの例である。 図１９（ａ）および図１９（ｂ）は、第４の実施形態の直流遮断装置の動作を説明するための模式的なブロック図である。 図２０（ａ）および図２０（ｂ）は、第４の実施形態の直流遮断装置の動作を説明するための模式的なブロック図である。 第５の実施形態に係る直流遮断装置を例示する模式的なブロック図である。 第６の実施形態に係る直流遮断システムを例示する模式的なブロック図である。 第７の実施形態に係る直流遮断システムを例示する模式的なブロック図である。 第８の実施形態に係る直流遮断装置を例示する模式的なブロック図である。 第８の実施形態の直流遮断装置を例示する模式的な斜視図である。 第９の実施形態に係る直流遮断装置を例示する模式的なブロック図である。 第１０の実施形態に係る直流遮断装置を例示する模式的なブロック図である。 第１０の実施形態の直流遮断装置の動作を説明するための模式的なブロック図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係るスイッチング装置を例示する模式的な断面図である。
以下の説明において、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸を含む３次元座標軸を用いることがある。後述する絶縁容器１０の天板１２および底板１３は、ドーナツ状の平板部材であり、天板１２および底板１３は、ＸＹ平面にほぼ平行となるように設けられるものとする。絶縁容器１０やプラズマスイッチ２０は、円筒状をなしており、この円筒はＺ軸方向に沿って延伸しているものとする。中心線Ｃ１０は、これら絶縁容器１０やプラズマスイッチ２０の円筒の中心線である。
また、以下の説明において、便宜上、Ｚ軸の正方向を上や上方、Ｚ軸の負方向を下や下方のようにいう場合があるが、Ｚ軸の方向は、重力の方向に限定されるものではない。

本実施形態のスイッチング装置１は、プラズマスイッチ２０を備える。プラズマスイッチ２０は、絶縁容器１０および水素貯蔵金属２０Ｈをさらに備える。プラズマスイッチ２０の少なくとも一部は、絶縁容器１０に収容されている。絶縁容器１０は、スイッチング装置１の外郭部であり、その一例である。

絶縁容器１０は、例えば、絶縁筒１１、天板１２および底板１３を含む。絶縁筒１１は、筒状の絶縁体である。絶縁筒１１は、十分な強度を有する絶縁性の材料で形成されており、例えば、ＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics）製またはセラミック製等である。

天板１２は、開口１２Ｈを含むＸＹ平面視でドーナツ状の平板部材である。開口１２Ｈは、中心線Ｃ１０に交差する中心の周囲に設けられている。図示しないが、底板１３も天板１２と同様に、開口を含むドーナツ状の平板部材である。これらの開口の径は、プラズマスイッチ２０のＸＹ平面視での径に応じて設けられている。天板１２は、絶縁筒１１の上端に接続されている。底板１３は、絶縁筒１１の下端に接続されている。

天板１２および底板１３は、導電性を有しており、例えば金属製である。底板１３には、第１端子Ｔ１が接続され、天板１２には、第２端子Ｔ２が接続されている。天板１２と底板１３との間に絶縁筒１１が介在されることにより、天板１２と底板１３との間は、絶縁される。天板１２および底板１３の開口にプラズマスイッチ２０が設けられることによって、絶縁容器１０とプラズマスイッチ２０との間に密閉された空間が形成される。密閉された空間には、絶縁ガス１０Ｇが充填され、絶縁容器１０は、絶縁ガス１０Ｇが充填された圧力容器として機能する。絶縁ガス１０Ｇは、例えば、六フッ化硫黄（ＳＦ_６）ガス等である。

絶縁容器１０は、例えば絶縁筒１１、天板１２および底板１３をろう付け溶接によって接合して気密容器として製造される。

絶縁筒１１の外周部には、絶縁ひだ１４が設けられている。絶縁ひだ１４は、例えば、ポリマー沿面を有する。絶縁ひだ１４は、例えば、蛇腹状をなすフレキシブル管である。絶縁ひだ１４は、容易に変形可能であり、絶縁筒１１の外周を保護するとともに、天板１２と底板１３との間の沿面距離を確保している。

絶縁容器１０の内部には、支持部材１７が設けられている。支持部材１７は、開口１２Ｈの周にわたって設けられた封止フランジ３０を介して天板１２に接続されている。支持部材１７および封止フランジ３０は、導電体であり、例えば金属製である。

プラズマスイッチ２０は、底板１３の開口から挿通され、上部電極２１Ｕを介して支持部材１７に接続されている。プラズマスイッチ２０は、底板１３の開口の周にわたって設けられた封止フランジ３１を介して底板１３に接続されている。封止フランジ３０，３１は、導電体であり、プラズマスイッチ２０の第１電極２２は、底板１３を介して第１端子Ｔ１に電気的に接続され、第２電極２３は、天板１２を介して第２端子Ｔ２に電気的に接続されている。

プラズマスイッチ２０は、側壁２１Ｓと、第１電極２２と、第２電極２３と、第１グリッド２６と、第２グリッド２７と、を含む。側壁２１Ｓは、円筒状の部材である。側壁２１Ｓは、絶縁容器１０の内部に設けられている。側壁２１Ｓの上端は、第２電極２３に接続され、側壁２１Ｓの下端は、第１電極２２に接続されている。側壁２１Ｓは、絶縁性の材料で形成されており、例えばセラミック製である。第１電極２２および第２電極２３は、絶縁容器１０の内部で、側壁２１Ｓによって、絶縁されている。

第１電極２２は、Ｚ軸に沿って延伸する有底円筒状の導電性部材である。第１電極２２のＸＹ平面視での円の径は、側壁２１ＳのＸＹ平面視での円の径とほぼ等しい。第１電極２２の上部は、底板１３の開口に挿通されている。第１電極２２の上端は、絶縁容器１０内で側壁２１Ｓに接続されている。

第２電極２３は、Ｚ軸方向に延伸する有底円筒状の導電性部材である。第２電極２３のＸＹ平面視での円の径は、第１電極２２および側壁２１ＳのＸＹ平面視での円の径よりも小さく設定されている。第２電極２３の上端部は、円周の外側に向かってなめらかに曲げられたつば状の部分を含んでおり、つば状に曲げられＸＹ平面にほぼ平行な面状の部分で上部電極２１Ｕに接続されている。

第１電極２２、側壁２１Ｓおよび第２電極２３は、中心線Ｃ１０がほぼ一致するように互いの位置が決められる。第１電極２２および第２電極２３は、互いに対向して配置される。

第１電極２２は、第１層２２Ａおよび第２層２２Ｄを含んでいる。第１層２２Ａは、第２層２２Ｄ上に形成されている。第１層２２Ａは、有底円筒状の第１電極２２の内側に設けられている。第２層２２Ｄは、有底円筒状の第１電極２２の外側に設けられている。第１電極２２の上端部は、底板１３の開口に挿通されており、封止フランジ３１によって、底板１３に接続されている。第１層２２Ａは、導電体であるが、厚さが薄いため、図示の煩雑さを回避するために細い破線で図示するものとする。

第１層２２Ａは、例えば、Ｂ、Ｃ、Ａｌ、ＳｉおよびＧａのうち少なくとも１つの材料を含む。第１電極２２は、例えば、これらの原料を用いた気相成長などによって形成されている。第２電極２３は、例えば、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｉｒ、およびＰｔのうち少なくとも１つの材料を含む。

第１電極２２の第１層２２Ａは、例えば、ＡｌやＧａ等の窒化物半導体や酸化物半導体、ダイヤモンド、黒鉛（グラファイト）、焼結ダイヤモンド、アルミナセメント等でもよい。第２電極２３は、例えば、高融点伝導体のグラファイトなどでもよい。

第１電極２２のうち、絶縁容器１０から露出されている部分には、電流密度増大部６０が設けられている。電流密度増大部６０は、ホローカソード部６２と、永久磁石６４と、を含む。ホローカソード部６２は、第１電極２２のＸＹ平面視での円の円周にわたって設けられ、径方向に張り出す２つのひだ状の電極によって形成されている。２つのひだ状の電極は対向しており、ホローカソードを形成する。この例では、ホローカソード部６２は、Ｚ軸方向に積層するように複数箇所設けられている。永久磁石６４は、隣接する２つのホローカソード部６２の間に設けられている。

永久磁石６４は、例えば希土類磁石である。永久磁石６４は、例えば、ネオジム磁石やサマリウムコバルト磁石等である。

図２は、図１のＡＡ’線における模式的な矢視平面図である。
図２には、ホローカソード部６２上に設けられた永久磁石６４の配置例が示されている。
図２に示すように、複数の永久磁石６４は、第１電極２２のうち、ＸＹ平面視での円の円周から外側にひだ状に張り出した第２層２２Ｄ上に設けられている。永久磁石６４は、放射状に配置されている。永久磁石６４は、一方の磁極が円の外側を向き、他方の磁極が円の内側を向くように配置されている。この例では、外側を向く磁極はＮ極とされ、内側を向く磁極はＳ極とされているが、これに限らず、Ｓ極を外側に向け、Ｎ極を内側に向けてもよい。

図３は、本実施形態のスイッチング装置の一部を例示する模式的な拡大断面図である。
図３には、電流密度増大部６０の拡大図が示されている。
図３に示すように、電流密度増大部６０では、第１電極２２は、複数のホローカソード部６２を含み、複数のホローカソード部６２は、Ｚ軸方向に積層されるように形成されている。複数のホローカソード部６２は、２つの対向する電極２２Ａ１，２２Ａ２をそれぞれ含んでいる。これらの電極２２Ａ１，２２Ａ２は、第１電極２２が屈曲されて形成されており、電気的に接続されている。電極２２Ａ１，２２Ａ２は、ほぼ平行に間隔ａ０で配置されている。電極２２Ａ１，２２Ａ２のＺ軸方向の間隔ａ０は、グロー放電時のイオンシースの長さの２倍程度とされる。グロー放電時のイオンシースとは、陰極である第１電極２２の付近に生成される暗部をいい、イオンシースは、ほとんど放電ガス２０Ｇのイオンによって形成される。

永久磁石６４は、第１電極２２の周囲に設けられており、Ｚ軸方向に隣接する２つのホローカソード部６２の間に設けられている。図示しないが、永久磁石６４は、例えば絶縁性の接着剤等により、隣接する２つのホローカソード部６２の間に固定される。

ホローカソード部６２において、ホローカソードが形成された面は、第１電極２２のうち、第１層２２Ａが形成された面であり、ホローカソードは、プラズマスイッチ２０の内部に形成される。永久磁石６４は、第１電極２２のうち、第２層２２Ｄが設けられた面の側に設けられ、第１電極２２の外側に設けられている。

永久磁石６４の配置は、それぞれの永久磁石６４が生成する磁力線がホローカソード部６２内の磁界を強め合うように設定される。例えば、永久磁石６４の配置は、実験やシミュレーション等を用いて、ホローカソード部６２内の磁界の大きさや方向が適切になるように設定される。

図１に戻って説明を続ける。
プラズマスイッチ２０では、第１電極２２、第２電極２３および側壁２１Ｓで囲まれた空間は、密閉空間とされ、プラズマスイッチ２０は、第１電極２２の外側の空間から気密状態とされている。第１電極２２の下部には、開口が設けられており、封止管２１Ｐが開口に接続されている。プラズマスイッチ２０の内側の密閉空間には、封止管２１Ｐを介して、放電ガス２０Ｇが封入される。放電ガス２０Ｇは、水素や重水素、ヘリウム、アルゴンなどの不活性ガスの希薄ガスである。封止管２１Ｐは、プラズマスイッチ２０の内部が所定の圧力Ｐとなるように放電ガス２０Ｇが導入された後に気密封止される。所定の圧力Ｐは、１気圧未満であり、例えば１Ｔｏｒｒ以下とされる。プラズマスイッチ２０の内部は、減圧状態とされる。１Ｔｏｒｒは、１／７６０気圧に等しく、１３３Ｐａにほぼ等しい。

プラズマスイッチ２０において、圧力Ｐと放電ギャップｄとの積であるｐｄ積に対し耐圧をプロットすると、プロットされたカーブは、Ｕ字形となる。Ｕ字形のカーブは、パッシェンカーブと呼ばれ、プラズマスイッチ２０は、Ｕ字形のカーブの最小値の左側で動作する。ｐｄ積が小さいときには、放電開始電圧は高くなり、プラズマがオフ状態となりやすい。また、Ｕ字形のパッシェンカーブの最小値の近くでは、プラズマスイッチをオン状態としやすい。

第１電極２２と第２電極２３との間には、第１グリッド２６が配置されている。第１グリッド２６と第２電極２３との間には第２グリッド２７が配置されている。第１グリッド２６および第２グリッド２７において、第１電極２２と第２電極２３との間に設けられた部分は、いずれもメッシュ状とされている。

第１グリッド２６と第１電極２２との間では放電ギャップｄを大きくとり、パッシェンカーブの最小値付近で動作させることで、大電流のプラズマ源を持続的に保持させる。このプラズマ源から電子を引き出すために、第２グリッド２７が設けられている。

オフ状態では、第２グリッド２７の電位は、ゼロまたは負電位とされている。第２グリッド２７の電位を、例えば第１グリッド２６と同じ電位まで上げることによって、電子は、第１グリッド２６と第１電極２２との間のプラズマ源から第２グリッド２７を通り抜けて第２電極２３まで到達できるようになる。そのため、プラズマスイッチ２０はオン状態になる。その後、第２グリッド２７の電位をゼロまたは負電位に下げることによって、プラズマスイッチ２０は、オフ状態とされる。プラズマスイッチ２０をオフにできるのは、第２グリッド２７と第２電極２３との間の放電ギャップｄが小さく、ｐｄ積が小さいため、放電開始電圧を高くすることができ、非持続放電となっているからである。プラズマ源からの電子の注入がないと、第２グリッド２７と第２電極２２との間の放電は維持できないように放電ギャップｄは適切に設計される。

この例では、側壁２１Ｓは、４つの部分からなっている。すなわち、側壁２１Ｓは、第１側壁部２１Ｓ１、第２側壁部２１Ｓ２、第３側壁部２１Ｓ３および第４側壁部２１Ｓ４を含んでおり、第１電極２２の上端から第２電極２３の上端に向かって、この順に設けられている。第１電極２２の上端および第１側壁部２１Ｓ１は、接合部Ｄ１１によって接続されている。第１側壁部２１Ｓ１および第２側壁部２１Ｓ２は、接合部Ｄ１２によって接続されている。第２側壁部２１Ｓ２および第３側壁部２１Ｓ３は、接合部Ｄ１３によって接続されている。第３側壁部２１Ｓ３および第４側壁部２１Ｓ４は、接合部Ｄ１５によって接続されている。第４側壁２１Ｓ４および第２電極２３の上端は、接合部Ｄ１４によって接続されている。第１電極２２、第２電極２３および側壁２１Ｓの各部は、接合部Ｄ１１～Ｄ１５によって気密性を保持するように接続されている。接合部Ｄ１１～Ｄ１５の形成には、例えば、ろう付けが用いられる。

第１グリッド２６は、接合部Ｄ１２を介して、気密性を保持しつつ、第１シールド２６Ｓに接続されている。第１シールド２６Ｓは、絶縁容器１０の内部でプラズマスイッチ２０の周囲を取り巻くように設けられている。第２グリッド２７は、接合部Ｄ１３を介して、気密性を保持しつつ、第２シールド２７Ｓに接続されている。第２シールド２７Ｓは、絶縁容器１０の内部でプラズマスイッチ２０を取り巻くように設けられている。

第１シールド２６Ｓおよび第２シールド２７Ｓは、２本のリード１３Ｌにそれぞれ接続され、底板１３に設けられた貫通孔を介して、スイッチング装置１の外部に引き出される。第１グリッド２６は、第１シールド２６Ｓを介して、外部回路接続用の第３端子Ｔ３に電気的に接続される。第２グリッド２７は、第２シールド２７Ｓを介して、外部回路接続用の第４端子Ｔ４に電気的に接続される。

第２グリッド２７の上方には、浮遊電位シールド２８が設けられている。浮遊電位シールド２８は、プラズマスイッチ２０の密閉空間内に設けられた、Ｚ軸方向に肉厚のトーラス状の中実の導電性部材である。浮遊電位シールド２８は、第１電極２２、第２電極２３、第１グリッド２６および第２グリッド２７のいずれの電位にも接続されない浮遊電位のシールドである。浮遊電位の外部シールド２８Ｋは、接合部Ｄ１５を介して、浮遊電位シールド２８に接続されている。外部シールド２８Ｋは、絶縁容器１０の内部で、プラズマスイッチ２０を取り巻くように設けられている。

上部電極２１Ｕと支持部材１７との間には、上部シールド３２が設けられている。上部シールド３２は、絶縁容器１０の気密性を保持しつつ、絶縁容器１０の内部に引き出されて、上部電極２１Ｕを取り巻くように設けられている。

これらのシールド構造は、プラズマスイッチ２０内および絶縁容器１０内の電界を緩和するために設けられている。

水素貯蔵金属２０Ｈは、プラズマスイッチ２０の下部に設けられている。第１電極２２の下部には、封止管２１Ｐのための開口とは別に開口が設けられており、開口には、連結管２１Ｈが接続されている。水素貯蔵金属２０Ｈは、連結管２１Ｈの端部に設けられている。水素貯蔵金属２０Ｈは、プラズマスイッチ２０の密閉空間内に導入された放電ガス２０Ｇの雰囲気を生成する水素を貯蔵する。

水素貯蔵金属２０Ｈは、図示しないが、例えば、水素を貯蔵する金属本体および金属本体を加熱するヒータを含んでいる。ヒータの両端には、リード５０Ｌを介して第５端子Ｔ５および第６端子Ｔ６が接続されている。水素貯蔵金属２０Ｈは、水素貯蔵部の一例である。

本実施形態のスイッチング装置１の動作について説明する。
図４は、本実施形態のスイッチング装置の動作を説明するための模式的な拡大断面図である。
図４には、電流密度増大部６０が拡大して示されており、永久磁石６４によって生成される磁力線が曲線の矢印で示されている。直線で示された矢印は、ホローカソード部６２に生成される磁界Ｈの方向を模式的に示している。
図４に示すように、永久磁石６４は、プラズマスイッチ２０の中心線Ｃ１０に向かうようにＳ極が配置され、中心線Ｃ１０から外側に向かうようにＮ極が配置されている。永久磁石６４の磁力線は、Ｎ極から出てＳ極に入るように生成される。永久磁石６４は、Ｚ軸方向に隣接する２つのホローカソード部６２の間に配置されるので、ホローカソード部６２の内部には、少なくとも上下２つの永久磁石６４の磁力線によって合成された磁界Ｈが生成される。

本実施形態のスイッチング装置１では、プラズマスイッチ２０の陰極である第１電極２２が第１層２２Ａを含んでいる。第１層２２Ａは、Ｂ、Ｃ、Ａｌ、ＳｉおよびＧａのうち少なくとも１つの材料を含んでおり、例えば、ＡｌＮ、ＧａＮ等の窒化物半導体やダイヤモンド等である。第１層２２Ａは、このような負の電子親和力を有する材料で形成されており、２次電子放出係数を高めることができる。したがって、これらの材料を用いない陰極によるグロー放電の場合よりも高い電流密度が実現される。

本実施形態のスイッチング装置１では、第１電極２２は、電流密度増大部６０を含んでいる。電流密度増大部６０は、ホローカソード部６２を含む。図３に関連して説明したように、ホローカソード部６２は、ほぼ平行に対向する電極２２Ａ１，２２Ａ２を含んでおり、電極２２Ａ１，２２Ａ２の間隔ａ０は、グロー放電時のイオンシースの２倍程度とされている。したがって、電極２２Ａ１，２２Ａ２は、ホローカソードとして機能し、ホローカソード部６２に負グローＧＮが形成されるので、電流密度を向上させることができる。

図５は、本実施形態のスイッチング装置の動作を説明するための図４のＢ部の模式的な拡大断面図である。
図５には、２つの対向する電極２２Ａ１，２２Ａ２の間に形成された負グローＧＮが示されている。図５には、負グローＧＮと電極２２Ａ１との間に生成される電界Ｅ、負グローと電極２２Ａ２との間に生成される電界Ｅも合わせて示されている。
図５に示すように、負グローＧＮは、電極２２Ａ１，２２Ａ２に、ほぼ平行に対向して生成される。したがって、負グローＧＮと電極２２Ａ１，２２Ａ２との間に生成される電界Ｅは、電極２２Ａ１，２２Ａ２にほぼ垂直な方向にそれぞれ生成される。生成された電界Ｅは、負グローＧＮから電極２２Ａ１，２２Ａ２に向かう方向に生成される。

磁界Ｈは、電界Ｅの方向に交差するように、永久磁石６４の配置が調整される。好ましくは、磁界Ｈは、電界Ｅに直交する方向となるように、永久磁石６４の配置が設定される。

電界Ｅおよび磁界Ｈは交差しているので、電界Ｅ中を走行する電子は、電界Ｅおよび磁界Ｈに直交する方向にローレンツ力を受ける。そのため、電子は、らせん状に回転しながら、電極２２Ａ１，２２Ａ２から負グローＧＮに到達するので、電子の走行距離が伸びる。このことは、負グローＧＮと電極２２Ａ１，２２Ａ２との間の距離が実質的に長くなったことと同じである。したがって、電流密度増大部６０は、プラズマスイッチ２０内の圧力を上げることなく、パッシェンカーブにおけるｐｄ積を大きくすることができるので、電子衝突による電離を増やして、電流密度を向上させることができる。

図６（ａ）～図７は、本実施形態のスイッチング装置の動作を説明するための模式的な等価回路図である。
図６（ａ）～図６（ｃ）には、第１電極２２、第２電極２３、第１グリッド２６および第２グリッド２７を含むプラズマスイッチ２０が等価回路図として示されている。
図６（ａ）に示すように、プラズマスイッチ２０は初期状態であり、第１端子Ｔ１～第４端子Ｔ４には、何らの電位も印加されていない。

図６（ｂ）は、第１状態ＳＴ１のプラズマスイッチ２０を示す模式図である。第１端子Ｔ１は第１電位Ｖ１に設定され、第２端子Ｔ２が第２電位Ｖ２に設定され、第３端子Ｔ３が、第３電位Ｖ３に設定され、第４端子Ｔ４が、第４電位Ｖ４に設定される。第１状態ＳＴ１は、非導通状態であり、プラズマスイッチ２０はオフしている。

第１状態ＳＴ１では、第１電位Ｖ１、第２電位Ｖ２、第３電位Ｖ３および第４電位Ｖ４の関係は以下のように設定される。第２電位Ｖ２は、第１電位Ｖ１よりも高い。すなわち、Ｖ１＜Ｖ２である。第３電位Ｖ３は、第１電位Ｖ１と第２電位Ｖ２との間の電位である。すなわち、Ｖ１＜Ｖ３＜Ｖ２である。第４電位Ｖ４は、第３電位Ｖ３よりも低い。すなわち、Ｖ４＜Ｖ３である。第１電位Ｖ１は、例えば、負電位またはグランド電位である。第２電位Ｖ２は、例えば、正電位である。第３電位Ｖ３は、例えば、中間電位である。第４電位Ｖ４は、例えば、負電位である。

図６（ｃ）は、第２状態ＳＴ２のプラズマスイッチ２０を示す模式図である。
図６（ｃ）は、第２状態ＳＴ２のプラズマスイッチ２０を示す模式図である。第１端子Ｔ１、第２端子Ｔ２および第３端子Ｔ３の電位は、第１状態ＳＴ１の場合と同じ電位とされる。すなわち、第１端子Ｔ１は第１電位Ｖ１に設定され、第２端子Ｔ２は第２電位Ｖ２に設定され、第３端子Ｔ３は第３電位Ｖ３に設定される。

第２状態ＳＴ２では、第４端子Ｔ４が、第５電位Ｖ５に設定される。第５電位Ｖ５は、第３電位Ｖ３よりも高い。すなわち、Ｖ３＜Ｖ５である。第５電位Ｖ５は、例えば正電位である。第２状態ＳＴ２は、導通状態であり、プラズマスイッチ２０はオンする。

第１状態ＳＴ１において第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２との間に流れる電流よりも、第２状態ＳＴ２において第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２との間に流れる電流は大きい。第１状態ＳＴ１は、例えば、高抵抗状態である。第２状態ＳＴ２は、例えば、低抵抗状態である。

つまり、プラズマスイッチ２０では、第１端子Ｔ１～第３端子Ｔ３の電位をＶ１～Ｖ３に設定し、第４端子Ｔ４の電位をＶ４とＶ５との間で切り換えることによって、非導通状態と導通状態とをスイッチングすることができる。

スイッチング装置１は、例えば、大電流の高電圧直流遮断器である。第１電極２２は例えば陰極であり、第２電極２３は例えば陽極である。

プラズマスイッチ２０が第１状態ＳＴ１である場合、第１電極２２と第１グリッド２６との間の第１空間ＳＰ１に第１プラズマＳＰ１Ｐが生成される。このとき、第１グリッド２６と第２電極２３の間は絶縁状態である。このため、第１状態ＳＴ１のプラズマスイッチ２０は、第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２の間で非導通状態となる。

プラズマスイッチ２０が第２状態ＳＴ２である場合、第１グリッド２６と第２グリッド２７の間の第２空間ＳＰ２に第２プラズマＳＰ２Ｐが生成され、第２グリッド２７と第２電極２３の間の第３空間ＳＰ３に第３プラズマＳＰ３Ｐが生成される。このため、第２状態のプラズマスイッチ２０は、第１端子Ｔ１と第２端子の間で導通状態となる。

プラズマスイッチ２０内に水素を補填する手順について説明する。
図７は、本実施形態のスイッチング装置の動作を説明するための模式的な等価回路図である。
プラズマスイッチ２０の内部は、高電圧化や還元雰囲気にしたい、あるいは、ダイヤモンド半導体の水素終端の消耗の補填などの目的で、プラズマスイッチ２０の内部には、アルゴン等のガスとともに水素が予め封入されている。

水素貯蔵金属２０Ｈは、プラズマスイッチ２０内の水素を補填する。水素貯蔵金属２０Ｈを、図示しないヒータで加熱することにより、水素貯蔵金属２０Ｈから水素を取り出して、プラズマスイッチ２０内の水素を補填する。第５端子Ｔ５および第６端子Ｔ６は、水素貯蔵金属２０Ｈに設けられたヒータに電力を供給するための端子である。水素貯蔵金属２０Ｈを加熱して水素を供給するので、例えば、弁などを用いた水素の供給などと比較して、プラズマスイッチ２０内の圧力を安定的に維持させやすくすることができる。

本実施形態のスイッチング装置１の効果について説明する。
本実施形態のスイッチング装置１は、第１電極２２が第１層２２Ａを含むプラズマスイッチ２０を備えている。第１電極２２は、プラズマスイッチ２０の陰極であり、第１層２２Ａは、Ｂ、Ｃ、Ａｌ、ＳｉおよびＧａのうち少なくとも１つの材料を含んでおり、例えば、ＡｌＮ、ＧａＮ等の窒化物半導体やダイヤモンド、黒鉛（グラファイト）、焼結ダイヤモンド等のワイドバンドギャップ半導体であり、負の電子親和力を有する材料で形成されている。そのため、陰極である第１電極２２の２次電子放出係数を高めることができ、プラズマスイッチ２０の電流密度を向上させることができる。ワイドバンドギャップ半導体をｐ形あるいはｎ形とするためのドーピングを行うことにより、電子あるいはホールといった電流の担い手を増やすことができ、電流密度をさらに向上させることができる。

第１電極２２は、電流密度増大部６０を含んでいる。電流密度増大部６０は、ホローカソード部６２を含んでいる。ホローカソード部６２は、対向する電極２２Ａ１，２２Ａ２によるホローカソードを構成する。ホローカソード部６２では、グロー放電時に負グローＧＮが形成され、ホローカソード部６２は、ホローカソードとして機能するので、プラズマスイッチ２０の電流密度を向上させることができる。

電流密度増大部６０は、永久磁石６４による磁界発生手段を含んでいる。永久磁石６４は、ホローカソード内に形成された負グローＧＮと電極２２Ａ１，２２Ａ２との間に生成される電界Ｅに交差する磁界Ｈを生成する。ホローカソード内を走行する電子は、電界Ｅおよび磁界Ｈに直交するローレンツ力を受けてらせん状に走行する。そのため、電子の走行距離は、延長され、プラズマスイッチ２０内の圧力を高めることなく、パッシェンカーブにおけるｐｄ積を実質的に大きくすることができるので、プラズマスイッチ２０の電流密度を向上させることができる。

ホローカソード部６２は、Ｚ軸方向に積層するように複数設けることができ、積層数に応じてプラズマスイッチ２０の電流密度をさらに向上させることが可能になる。

本実施形態のスイッチング装置１は、水素貯蔵金属２０Ｈをさらに備える。水素貯蔵金属２０Ｈは、外部から電力を供給し、プラズマスイッチ２０内に水素ガスを補填することができる。機械式のガス補填方式に比べて、ガス補填を容易に行うことができるとのメリットがある。

本実施形態のスイッチング装置１は、絶縁容器１０をさらに備える。絶縁容器１０は、プラズマスイッチ２０の周囲を絶縁ガス１０Ｇとすることによって、プラズマスイッチ２０の気密構造との絶縁協調をとることが可能になり、スイッチング装置１を高電圧の用途に適用することを容易にする。

直流送電システムが注目されている。例えば、遠方で、かつ分散配置された風力発電や太陽光発電の電力を集積して送電するシステムとして直流多端子送電システムが有力視されている。直流多端子送電システムでは、例えば、直流地絡や直流短絡などの万一の事故が発生した場合に、直流送電系の高速な切り離し保護を行うための直流遮断装置が設けられる。

直流遮断装置には、機械遮断と半導体素子遮断とを組み合わせたハイブリッド方式が開発されている（例えば、特許文献２等参照）。ハイブリッド方式の直流遮断装置は、高耐圧化と大電流化を実現する必要から、以下に説明するように、巨大な構造物となる場合がある。

直流送電システムは、送電効率を確保するため、数１００ｋＶの送電電圧で設計される。このようなシステムに適用できるように、直流遮断装置の構成要素は、高電圧化される必要がある。ハイブリッド方式の直流遮断装置において、半導体素子遮断用回路は、例えば、ＩＥＧＴやＩＧＢＴなどのパワー半導体素子や、コンデンサ、抵抗、基板などを実装したユニットとされる場合がある。パワー半導体素子の耐電圧は数ｋＶであるため、数１００ｋＶの耐電圧を有する直流遮断装置に適用するには、半導体素子や半導体素子を含むユニットを直列に接続する必要がある。

このような直列接続構造を有する半導体素子による遮断用回路は、一般に、所定の絶縁を確保するために、棚段を積み上げるようなタワー構成の装置となり、極めて巨大な装置となる場合がある。このような直流遮断装置を小型化するために、半導体素子をプラズマスイッチに置き換えることが検討されている。

プラズマスイッチの内部の放電特性は、パッシェン特性に準じたコンパクトなギャップ設計が可能であり、数１００ｋＶの高電圧化を比較的容易に行うことができる。一方で、直流遮断装置に適用可能な電流容量を確保することが課題とされてきた。

本実施形態のスイッチング装置１は、上述のように、プラズマスイッチ２０がワイドバンドギャップ半導体のような負の電子親和力を有する材料で形成された陰極となる第１電極２２を有する。また、第１電極２２は、電流密度増大部６０を有している。そのためプラズマスイッチ２０では、飛躍的に電流密度を向上させ、直流遮断装置に適用可能な電流容量を実現することができる。

プラズマスイッチ２０の周囲を大気とする場合には、数百ｋＶに高電圧化していくと、大気に接する外部沿面の絶縁協調をとるためには、プラズマスイッチ２０を支持する誘電支持体を伸長させなければならず、装置が極端に長くなる傾向にある。このため、装置として大型化する問題がある。

本実施形態のスイッチング装置１では、内部に絶縁ガス１０Ｇを封入した絶縁容器１０の内部にプラズマスイッチ２０の少なくとも一部を収納する。そのため、絶縁容器１０およびプラズマスイッチ２０の気密性を保持しつつ絶縁協調をとって大型化することなく高電圧化を実現することができる。

（第２の実施形態）
本実施形態の場合には、電流密度増大部２６０の構成が上述の他の実施形態の場合と相違する。他の実施形態の場合と同一の構成要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略する。
図８は、本実施形態に係るスイッチング装置の一部を例示する模式的な断面図である。
図８には、本実施形態のスイッチング装置を構成するプラズマスイッチ２２０の模式的な断面図が示されている。この図では、高電圧化を実現する上述の他の実施形態の場合の絶縁容器１０や水素貯蔵金属２０Ｈに対応する構成要素が示されていないが、他の実施形態の場合と同様に設けることができる。
図８に示すように、プラズマスイッチ２２０は、側壁２２１Ｓと、第１電極２２２と、第２電極２２３と、第１グリッド２２６と、第２グリッド２２７と、を含む。側壁２２１Ｓは、円筒状の絶縁性の部材である。側壁２２１Ｓの上端は、第２電極２２３に接続され、側壁２１Ｓの下端は、底板２１５に接続されている。底板２１５には、プラズマスイッチ２２０の内部に突出するように第１電極２２２が設けられている。第１電極２２２は、電流密度増大部２６０を含んでいる。電流密度増大部２６０は、プラズマスイッチ２２０の内部の密閉空間内に設けられている。

第１電極２２２、第２電極２２３および底板２１５は、ＸＹ平面視で円形の導電性部材である。側壁２２１Ｓ、第１電極２２２および底板２１５は、ＸＹ平面視で径がほぼ等しい円形であり、第２電極２２２のＸＹ平面視での円の径は、側壁２２１Ｓ、第１電極２２２および底板２１５の径よりも小さい。側壁２２１Ｓ、第１電極２２２、第２電極２２３および底板２１５は、Ｚ軸に平行な中心が中心線Ｃ２０にほぼ一致するように互いの位置が決められる。

側壁２２１Ｓ、第１電極２２２、第２電極２２３および底板２１５によって形成されるプラズマスイッチ２２０の内部空間は、密閉されており、放電ガス２０Ｇが封入されて気密状態とされている。図示しないが、底板２１５には、プラズマスイッチ２２０の内部空間に放電ガス２０Ｇを封入するための封止管が設けられており、封止管から放電ガス２０Ｇが封入される。好ましくは、底板２１５には、上述の他の実施形態の場合と同様に水素貯蔵金属が連結される。

第１電極２２２と第２電極２２３との間には、第１グリッド２２６が配置されている。第１グリッド２２６と第２電極２２３との間には第２グリッド２２７が配置されている。第１グリッド２２６および第２グリッド２２７において、第１電極２２２と第２電極２２３との間に設けられた部分は、いずれもメッシュ状とされている。

第１電極２２２および底板２１５は、互いに接続されている。底板２１５には第１端子Ｔ１が接続され、第１電極２２２は、底板２１５を介して第１端子Ｔ１に接続されている。第２電極２２３には、第２端子Ｔ２が接続されている。第１グリッド２２６および第２グリッド２２７は、２本のリード１３Ｌにそれぞれ接続され、第３端子Ｔ３および第４Ｔ４に接続されている。

第２電極２２３は、プラズマスイッチ２２０の内部の電界を緩和するように、ＸＹ平面視における円の円周の近傍では、なめらかにプラズマスイッチ２２０の内部にせりだしている。

第１電極２２２の構成について説明する。
図９（ａ）は、本実施形態のスイッチング装置の一部を例示する模式的な平面図である。図９（ｂ）は、図９（ａ）のＣＣ’線における模式的な矢視断面図である。
図９（ａ）および図９（ｂ）に示すように、第１電極２２２は、ＸＹ平面視で有底円筒状の導電性の部材である。この例では、底にあたる平坦部２２２Ｅは、円筒部の上端に設けられ、プラズマスイッチ２２０の内部の密閉空間に収納される。なお、底にあたる部分は、必ずしも平坦でなくてもよい。

第２電極２２２の上部の平坦部２２２Ｅには、複数の凹部２６２が設けられている。凹部２６２は、この例では、ＸＹ平面視でほぼ正方形をしており、２つの電極２２２Ａ１，２２２Ａ２が対向して配置されている。電極２２２Ａ１，２２２Ａ２に隣接する電極２２２Ａ３，２２２Ａ４も対向して配置されている。この例では、電極２２２Ａ１～２２２Ａ４の下端は電気的に接続されている。電極２２２Ａ１，２２２Ａ２の間隔ａ０は、グロー放電状態のときに形成されるイオンシースの長さの２倍程度とされるのは、上述の他の実施形態の場合と同様である。凹部２６２は、ホローカソードとして機能する。

凹部２６２は、この例では、ＸＹ平面視でほぼ正方形であるとしたが、正方形に限らずほぼ円形や楕円形等としてもよい。凹部２６２のＸＹ平面視での形状をほぼ円形とした場合には、円の径は、イオンシースの長さの２倍程度とされる。この例では、２組の対向電極としたが、対向電極は１組であってもよい。

第１電極２２２は、第１層２２２Ａおよび第２層２２２Ｄを含む。第１層２２２Ａは、第２層２２２Ｄ上に形成されている。第１層２２２Ａは、少なくとも、第１電極２２２の上端の平坦部２２２Ｅおよび電極２２２Ａ１～２２２Ａ４上にわたって設けられている。第１層２２２Ａは、プラズマスイッチ２２０の内部の側に設けられており、他の部分は、この例のように、第２層２２２Ｄが露出していてもよい。第１層２２２Ａおよび第２層２２２Ｄは、上述の他の実施形態の場合の第１層２２Ａおよび第２層２２Ｄと同じ材料で形成される。

凹部２６２のプラズマスイッチ２２０の外側となる部分には、導線が巻回されており、巻回された導線によりコイル２６６が形成されている。この例では、ＸＹ平面視で、反時計回りに電流が流れるように電源が接続される。

本実施形態のスイッチング装置の動作について説明する。
本実施形態のスイッチング装置では、凹部２６２に形成されたコイルによって生成された磁界Ｈの方向を凹部２６２内で生成された電界Ｅに交差させることにより、電界Ｅ中を走行する電子の走行距離を実質的に延長する。
図１０は、本実施形態のスイッチング装置の動作を説明するための模式的な拡大断面図である。
図１０には、第１電極２２２に形成された凹部２６２および凹部２６２の周囲に設けられたコイル２６６の構成が詳細に示されている。図１０において、●印および×印でコイル２６６を構成する導線に流れる電流の向きが示されている。●印は、Ｙ軸の負方向、×印は、Ｙ軸の正方向であることを表している。
図１０に示すように、グロー放電が開始されると、凹部２６２に負グローＧＮが入り込む。負グローＧＮと電極２２２Ａ１，２２２Ａ２との間には、電界Ｅが生成される。電極２２２Ａ１，２２２Ａ２は、Ｚ軸にほぼ平行に設けられているので、この図において、電界Ｅは、Ｘ軸にほぼ平行に生成される。

コイル２６６には、図の向きの直流電流が流れる。凹部２６２の左側の導線では、各導線のまわりに反時計回りに磁力線が生成される。凹部２６２の右側の導線では、各導線のまわりに時計回りに磁力線が生成される、凹部２６２内には、これらの磁力線が合成された磁界Ｈが生成される。

磁界Ｈは、電界Ｅに交差するように生成され、好ましくは、磁界Ｈが電界Ｅに直交するように、コイル２６６の構成が調整される。複数の凹部２６２のＸＹ平面視での間隔は、凹部２６２内で生成される磁界Ｈが電界Ｅに直交するように実験やシミュレーション等を用いて適切に設定される。

本実施形態のスイッチング装置の動作および効果について説明する。
本実施形態では、第１電極２２２に設けられた凹部２６２がホローカソードとして機能するので、凹部２６２内に形成された負グローＧＮによって、プラズマスイッチ２２０の電流密度が向上される。

凹部２６２の周囲に設けられたコイル２６６に、負グローＧＮと電極２２２Ａ１，２２２Ａ２との間に生成された電界Ｅに交差する磁界Ｈを生成することができる。電界Ｅ中を走行する電子は、電界Ｅおよび磁界Ｈに直交するローレンツ力を受けるので、らせん状に走行する。そのため、電界中の走行距離が実質的に長くなるので、パッシェンカーブにおけるｐｄ積を大きくすることができ、プラズマスイッチ２２０内の電流密度を向上させることができる。

第１層２２２Ａは、上述の他の実施形態の場合と同様に負の電子親和力を有する材料で形成されているので、２次電子放出係数を高めることができ、プラズマスイッチ２２０内の電流密度を向上させることができる。

本実施形態では、第１電極２２２および第２電極２２３を円形平板状とすることができるので、これらの部材の加工や組み立てをより容易にすることができる。

（第３の実施形態）
本実施形態の場合には、第２電極３２２の構成が上述の他の実施形態の場合と相違する。同一の構成要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。
図１１は、本実施形態に係るスイッチング装置の一部を例示する模式的な断面図である。
図１１には、本実施形態のスイッチング装置を構成するプラズマスイッチ３２０の模式的な断面図が示されている。この図では、高電圧化を実現する上述の第１の実施形態の場合の絶縁容器１０や水素貯蔵金属２０Ｈに対応する構成要素が示されていないが、第１の実施形態の場合と同様に設けることができる。

図１１に示すように、プラズマスイッチ３２０は、第１電極３２２と、第２電極３２３と、第１グリッド３２６と、第２グリッド３２７と、天板３２１Ｕと、底板３２１Ｌと、を含む。第１電極３２２は、後述するように、ＸＹ平面視で星形の筒状体である。第１電極３２２の上端は、接続部３３０を介して天板３２１Ｕに接続されている。接続部３３０および天板３２１Ｕは、絶縁性の材料で形成されており、第１電極３２２とは絶縁されている。第１電極３２２の下端は、接続部３３１を介して底板３２１Ｌに接続されている。接続部３３１および底板３２１Ｌは、導電性の材料で形成されており、第１電極３２２は、底板３２１Ｌに接続された第１端子Ｔ１に、接続部３３１および底板３２１Ｌを介して電気的に接続されている。

第１電極３２２、天板３２１Ｕおよび底板３２１Ｌで囲まれた空間は、密閉空間とされ、放電ガス２０Ｇが導入されている。図示しないが、底板３２１Ｌには、プラズマスイッチ３２０の内部空間に放電ガス２０Ｇを封入するための封止管が設けられており、封止管から放電ガス２０Ｇが封入される。好ましくは、底板３２１Ｌには、上述の他の実施形態の場合と同様に水素貯蔵金属が連結される。

図１２（ａ）は、図１１のＤＤ’線における模式的な矢視断面図である。図１２（ｂ）は、図１１のＦＦ’線における模式的な矢視断面図である。図１２（ｃ）は、図１１のＧＧ’線における模式的な矢視断面図である。
図１２（ａ）～図１２（ｃ）に示すように、第１電極３２２は、ＸＹ平面視で星形をしており、電流密度増大部３６０を含んでいる。星形とは、中心線Ｃ３０に交差する中心を有する円形の径方向に放射状に突出する部分が円周にわたって設けられている形状である。放射状に突出する部分を星形の突出部分ということがある。Ｚ軸方向に延伸する筒状の第１電極３２２および第２電極３２３は、ＸＹ平面視での中心がＺ軸に平行な中心線Ｃ３０にほぼ一致するように互いの位置が決められている。

電流密度増大部３６０は、ホローカソード部３６２と、コイル３６６と、を含む。ホローカソード部３６２は、第１電極３２２の星形の突出部分に設けられている。つまり、ホローカソード部３６２は、中心線Ｃ３０交差する中心を有する円形の円周にわたって、複数設けられている。

第１電極３２２は、第１層３２２Ａおよび第２層３２２Ｄを含んでおり、第１層３２２Ａは、第２層３２２Ｄ上に設けられている。第１層３２２Ａは、プラズマスイッチ３２０の内部にわたって設けられており、第２層３２２Ｄは、プラズマスイッチ３２０の外部に設けられている。第１層３２２Ａおよび第２層３２２Ｄの材料は、上述の第１の実施形態の場合の第１層２２Ａおよび第２層２２Ｄの材料とそれぞれ同じである。

コイル３６６は、複数のホローカソード部３６２のそれぞれに設けられている。コイル３６６は、ホローカソード部３６２の周囲を取り巻くように設けられている。

図１１に戻って説明を続ける。
第２電極３２３は、支持部材３２３Ｕにより、プラズマスイッチ３２０の内部で天板３２１Ｕに接続されている。第１電極３２３には、リード電極３１５Ｌが接続されており、リード電極３１５Ｌは、天板３２１Ｕからプラズマスイッチ３２０の外部に引き出されている。リード電極３１５Ｌには、外部回路接続用の第２端子Ｔ２が接続されている。

第２電極３２３は、円筒状の導電性の部材であり、ＸＹ平面視で中心線Ｃ３０に交差する中心を有する円形である。第１グリッド３２６は、第１電極３２２と第２電極３２３との間に設けられている。第２グリッド３２７は、第１グリッド３２６と第２電極３２３との間に設けられている。第１グリッド３２６および第２グリッド３２７は、半径の異なる円筒形状をしており、第２電極３２３を取り巻くように設けられている。

第１グリッド３２６および第２グリッド３２７は、２本のリード１３Ｌにそれぞれ接続され、底板３２１Ｌを貫通してプラズマスイッチ３２０の外部に引き出される。第１グリッド３２６は、外部回路接続用の端子Ｔ３に接続され、第２グリッド３２７は、外部回路接続用の端子Ｔ４に接続される。

本実施形態のスイッチング装置の動作について説明する。
図１３は、本実施形態のスイッチング装置の動作を説明するための図１２（ａ）のＪ部の模式的な拡大断面図である。
図１４（ａ）～図１４（ｄ）は、本実施形態のスイッチング装置の動作を説明するための模式図である。
図１３に示すように、第１電極３２２は、ＸＹ平面視で星形に形成されており、放射状に突出する部分にホローカソード部３６２が形成される。ホローカソード部３６２は、２つの対向する電極３２２Ａ１，３２２Ａ２を有する。電極３２２Ａ１，３２２Ａ２は、もっとも突出した部分で接続されている。電極３２２Ａ１，３２２Ａ２の間隔は、グロー放電状態のときに形成されるイオンシースの長さの２倍程度とされるのは、上述の他の実施形態の場合と同様である。

グロー放電状態となると、ホローカソード部３６２には、負グローＧＮが形成される。電界Ｅは、負グローＧＮと電極３２２Ａ１，３２２Ａ２との間に形成される。ホローカソード部３６２内に負グローＧＮが形成されることにより、プラズマスイッチ３２０の電流密度が向上される。
図１４（ａ）～図１４（ｄ）に示すように、コイル３６６を構成する導線に流れる電流の方向に応じて右ねじの法則により、導線のまわりに磁力線が生成される。紙面の手前から紙面の奥に向かって電流が流れる場合には、時計回りの向きに磁力線は生成される（図１４（ａ））。このような導線を１次元に配列すると、各導線の磁力線の合成により、１次元に配列された導線の上方には、右向きの磁界Ｈが生成され、導線の下方には、左向きの磁界Ｈが生成される（図１４（ｂ））。電流の向きを逆にすると、磁界Ｈの方向は逆となる（図１４（ｃ）および図１４（ｄ））。したがって、ホローカソード部３６２内では、同じ向きの磁界Ｈが生成される。

コイル３６６によって生成されるホローカソード部３６２内の磁界Ｈは、電界Ｅと交差するように生成される。そのため、電界Ｅによって走行する電子は、ローレンツ力を受けて、負グローＧＮと電極３２２Ａ１，３２２Ａ２との間をらせん状に走行する。したがって、電子に走行距離は、実質的に延長され、パッシェンカーブにおけるｐｄ積を実質的に大きくすることとなり、プラズマスイッチ３２０の内部の電流密度を向上させることができる。

第１層３２２Ａおよび第２層３２２Ｄの材料は、上述の他の実施形態の場合と同じであり、他の実施形態の場合と同様に、プラズマスイッチ３２０の電流密度が向上される。

本実施形態のスイッチング装置の効果について説明する。
本実施形態のスイッチング装置は、上述の構成のプラズマスイッチ３２０を備えており、上述の他の実施形態の場合と同様に、飛躍的に電流密度が向上されたスイッチング装置を実現することができる。

本実施形態のスイッチング装置では、プラズマスイッチ３２０の第１電極３２２がＸＹ平面視で星形の筒状とされている。ホローカソード部３６２を形成する複数の突出部となるように波板状に成形された基材をまるめて端部を接合することによって、容易に第１電極３２２とすることができるとのメリットもある。

このようにして、本実施形態のスイッチング装置を実現することができる。

上述において、第１の実施形態の場合では、ホローカソード部６２への磁界発生手段として永久磁石６４を用い、他の実施形態の場合では、磁界発生手段としてコイルを用いる。磁界発生手段は、これら各実施形態の例に限らず、相互に置き換えて適用することができる。例えば、第１の実施形態の場合について、永久磁石６４に代えてコイルを用いてもよい。コイルは、永久磁石６４が生成するＸＹ平面視での中心から外側に向かう方向の磁界を生成するように設けることができる。例えば、第２の実施形態および第３の実施形態の場合の場合において、コイル２６６，３６６に代えて、永久磁石を用いてもよい。

永久磁石によって磁界発生する場合に、個別の永久磁石を配置する場合に限らず、一体として成形された永久磁石としてもよい。一体とされた永久磁石とすることによって、プラズマスイッチの製造工程をより簡素にすることが可能になる。

（第４の実施形態）
以下では、上述の他の実施形態のスイッチング装置のうち少なくとも１つを用いた直流遮断装置について説明する。
直流遮断装置は、例えば、直流系統において、系統事故などが生じたときに、直流系統を遮断する装置である。以下の説明において、通常時とは、直流系統において正常な電流が流れている状態をいい、事故時とは、雷等に起因して、過大な電流が流れた状態をいうものとする。直流系統は、例えば、直流送電等を含むことができる。
図１５は、本実施形態の直流遮断装置の動作を説明するための模式的なブロック図である。
図１５には、本実施形態の直流遮断装置４００のほか、直流遮断装置４００を含む直流送電系統Ｋ１の構成が示されている。
図１５に示すように、直流送電系統Ｋ１は、例えば、第１直流送電網１２００Ａと第２直流送電網１２００Ｂを正側でつなぐ正側送電線１３００と、負側でつなぐ負側送電線１４００と、を含む。

本実施形態の直流遮断装置４００は、上述した他の実施形態のスイッチング装置１と同様の作用効果を奏する。さらに、本実施形態において、直流遮断装置４００は、直流送電系統Ｋ１の正側送電線１３００に設けられている。ここでは、正側送電線１３００において、第１直流送電網１２００Ａから第２直流送電網１２００Ｂへ送電される例を主に説明する。

直流遮断装置４００は、機械式断路器４１０と、機械式遮断器４２０と、並列回路４３０と、Ｈブリッジ回路４４０と、を備える。直流遮断装置４００は、第１端子４０１および第２端子４０２を含む。直流遮断装置４００は、第１端子４０１を介して、第１直流送電網１２００Ａに接続される。直流遮断装置４００は、第２端子４０２を介して、第２直流送電網１２００Ｂに接続される。

機械式遮断器４２０は、機械式断路器４１０に直列に接続されている。並列回路４３０は、機械式断路器４１０および機械式遮断器４２０の直列回路に並列に接続されている。

より具体的には、並列回路４３０は、プラズマスイッチングユニット４３１とリアクトル４３２とを含む。プラズマスイッチングユニット４３１およびリアクトル４３２は、直列に接続されている。プラズマスイッチングユニット４３１に並列にアレスタ４５０が接続されている。

Ｈブリッジ回路４４０の一端は、機械式断路器４１０と機械式遮断器４２０との接続ノードに接続されている。Ｈブリッジ回路４４０の他端は、プラズマスイッチングユニット４３１とリアクトル４３２との接続ノードに接続されている。

機械式断路器４１０は、公知の種々の構成を用いることができる。本実施形態では、後述するように並列回路４３０を用いて直流電流を遮断するため、機械式断路器４１０自体に電流遮断能力は不要である。このため、機械式断路器４１０は、機械接点を持つものであって、接点が切り離された状態で、事故点を切り離すのに必要な直流電圧に耐える絶縁耐圧を持つものであれば足りる。機械式断路器４１０は、例えば、回路の端子間に回動接触子を設け、この回動接触子が回動して各端子に取り付けられた固定接触子と接離することによって、回路の切り離しを行う構成とすることができる。

機械式断路器４１０は、通常時には導通状態、すなわち接点が接触した状態になるように制御される。第１直流送電網１２００Ａからの電流は、機械式断路器４１０を通過して第２直流送電網１２００Ｂへ流れる。事故時は、後述するが、並列回路４３０に電流が流れるように制御が行われ、機械式断路器４１０を流れる電流が略ゼロになったところで、非導通状態に切り換えられ、回路が切り離される。

機械式遮断器４２０は、公知の種々の構成を用いることができる。機械式遮断器４２０は、機械接点を持つものであって、接点を開くことにより小電流を遮断する能力を有するものであれば足りる。機械式遮断器４２０は、例えば、回路の端子間に回動接触子を設け、この回動接触子が回動して各端子に取り付けられた固定接触子と接離することによって、小電流の遮断を行う構成とすることができる。

機械式遮断器４２０は、通常時には導通状態、すなわち接点が接触した状態になるように制御される。第１直流送電網１２００Ａからの電流は、機械式断路器４１０および機械式遮断器４２０を通過して第２直流送電網１２００Ｂへ流れる。事故時には、機械式遮断器４２０に流れる電流が増大する。機械式遮断器４２０には、図示しない電流センサが取り付けられている。直流送電系統Ｋ１において発生する事故は、例えば、機械式遮断器４２０に流れる電流を電流センサで測定し、事故を示すしきい値と比較することで検出される。詳細は後述するが、事故時に、Ｈブリッジ回路４４０に電流が流れ、機械式遮断器４２０を流れる電流が略ゼロになる制御が行われる。機械式遮断器４２０は、流れる電流が略ゼロになったところで非導状態に切り換えられ、回路が切り離される。

プラズマスイッチングユニット４３１は、第１スイッチング装置４３１Ａと第２スイッチング装置４３１Ｂとを含む。第１スイッチング装置４３１Ａおよび第２スイッチング装置４３１Ｂは、いずれも例えば上記第１から第３の実施形態のスイッチング装置のいずれかとすることができる。

第１スイッチング装置４３１Ａおよび第２スイッチング装置４３１Ｂは、逆並列に接続されている。第１スイッチング装置４３１Ａでは、第１電極２２は第２端子４０２に接続され、第２電極２３は第１端子４０１に接続されている。第２スイッチング装置４３１Ｂでは、第１電極２２は第１端子４０１に接続され、第２電極２３は第２端子４０２に接続されている。

第１スイッチング装置４３１Ａおよび第２スイッチング装置４３１Ｂは、いずれも直流送電系統Ｋ１の地絡事故や短絡事故等の場合に動作し、通常時には非導通状態であり動作しない。リアクトル４３２は、第１スイッチング装置４３１Ａと、第２スイッチング装置４３１Ｂの双方に対して直列に接続される。

本実施形態では、第１スイッチング装置４３１Ａは、第１直流送電網１２００Ａから第２直流送電網１２００Ｂへ流れる電流の遮断を担当する。第２スイッチング装置４３１Ｂは、第２直流送電網１２００Ｂから第１直流送電網１２００Ａへ流れる電流の遮断を担当する。以下では、第２スイッチング装置４３１Ｂによる電流の遮断動作について説明するが、遮断すべき電流が流れる方向を変えることにより、第１スイッチング装置４３１Ａによる電流の遮断動作についても同様に説明することが可能である。

第１スイッチング装置４３１Ａおよび第２スイッチング装置４３１Ｂは、いずれもプラズマスイッチ２０を備えるスイッチング装置（以下、プラズマスイッチング装置という）である。プラズマスイッチング装置は、第１から第３の実施形態で説明したように、第３端子Ｔ３と第４端子Ｔ４の電位に基づいて第１状態ＳＴ１、あるいは第２状態ＳＴ２となる。第１状態ＳＴ１は非導通状態であり、第２状態ＳＴ２は導通状態である。プラズマスイッチング装置は、第４端子Ｔ４の電位を切り換えることにより、第１状態ＳＴ１から第２状態ＳＴ２に移行し、第２状態ＳＴ２から第１状態ＳＴ１に移行するスイッチング装置である。

第１スイッチング装置４３１Ａと逆並列に接続された第２スイッチング装置４３１Ｂは、第３端子Ｔ３と第４端子Ｔ４の電位をそれぞれ制御することによって、導通状態である第２状態と非導通状態である第１状態とが切り換えられる。

アレスタ４５０は、プラズマスイッチングユニット４３１が導通状態から非導通状態に切り換えられたときに、プラズマスイッチングユニット４３１の両端に発生するサージ電圧を吸収して安全な電流遮断を可能とする。リアクトル４３２は、電流変化率を低減するために設けられている。リアクトル４３２は、Ｈブリッジ回路４４０による電流制御を可能とする。

Ｈブリッジ回路４４０は、複数のＨブリッジユニット４４１を含む。複数のＨブリッジユニット４４１は、直列に接続されている。

図１６は、本実施形態の直流遮断装置の一部を例示する模式的な等価回路図である。
図１６には、Ｈブリッジユニット４４１の回路構成例が示されている。Ｈブリッジユニット４４１は、スイッチング素子４４２、ダイオード４４４およびコンデンサ４４５を含む。Ｈブリッジ回路４４０は、出力電圧制御により機械式遮断器４２０に流れる電流を制御する。

スイッチング素子４４２は、直列に接続されている。ダイオード４４４は、スイッチング素子４４２にそれぞれ逆並列に接続されている。直列に接続されたスイッチング素子４４２は、レグ４４３を構成する。Ｈブリッジユニット４４１では、２つのレグ４４３およびコンデンサ４４５が並列に接続されている。スイッチング素子４４２は、自己消弧能力を有する半導体素子であり、例えば、ＩＥＧＴ（Injection Enhanced Gate Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）等である。コンデンサ４４５は、定常動作時に正側送電線１３００を流れる電流によって充電される。

本実施形態の直流遮断装置４００の動作について、図１７～図２０（ｂ）を参照して説明する。動作の説明では、通常時と事故時に分けて説明する。通常時は、機械式断路器４１０および機械式遮断器４２０は導通状態とされ、プラズマスイッチングユニット４３１およびＨブリッジ回路４４０は非導通状態とされる。図１７、図１９（ａ）～図２０（ｂ）は、直流送電系統Ｋ１において、通常状態から事故発生時の保護動作に至るまでの流れを説明する図である。
図１７に示すように、通常時では、第１直流送電網１２００Ａから第２直流送電網１２００Ｂに流れる電流は、図の矢印のように、第１端子４０１を介して直流遮断装置４００に流入し、第２端子４０２から流出する。直流遮断装置４００では、電流は、機械式断路器４１０および機械式遮断器４２０に流れ、並列回路４３０およびＨブリッジ回路４４０には流れない。

図１８は、本実施形態の直流遮断装置の動作を説明するための模式的なタイミングチャートの例である。
例えば、シミュレーション等を活用することにより、図１８のようなタイミングチャートを得ることが可能である。
以下では、第１直流送電網１２００Ａを模擬した回路構成の中に、図１７に示した直流遮断装置４００の回路モデルを接続し、直流遮断装置４００に直流電圧３２０ｋＶを印加した状態とした後、正側送電線１３００に雷などに起因する地絡事故を発生させる。

図１９（ａ）～図２０（ｂ）に示すように、シミュレーションでは、事故地点ＦＰで地絡事故が発生したものと想定している。事故地点ＦＰは、正側送電線１３００における直流遮断装置４００と第２直流送電網１２００Ｂとの間である。

図１８中の実線ＬＮ１は機械式遮断器４２０を流れる電流を示す。一点鎖線ＬＮ２はＨブリッジ回路４４０を流れる電流を示す。二点鎖線ＬＮ３はプラズマスイッチングユニット４３１を流れる電流を示す。

事故発生時においては、事故電流は時間とともに増大していく。直流遮断装置４００は、全体として見ると２段階の遮断動作を行う。まず、事故電流の小さい初期の段階で、機械式遮断器４２０の遮断動作を行って事故電流を並列回路４３０に転流させ、事故電流の増大した後期の段階で、プラズマスイッチングユニット４３１による遮断動作を行う。以下、詳細に説明する。

図１８および図１９（ａ）に示すように、時間ｔ１において、事故地点ＦＰで地絡事故が発生すると、実線ＬＮ１で示す機械式遮断器４２０に流れる電流は、増大する。機械式遮断器４２０に取り付けられた電流センサは、機械式遮断器４２０に流れる電流Ｉｄｃ_Ｍを検出し、電流Ｉｄｃ_Ｍは、予め設定された事故発生検出しきい値Ｉｄｃ_Ｊと比較される。

図１８の実線ＬＮ１および図１９（ｂ）に示すように、時間ｔ２において、電流Ｉｄｃ_Ｍは、事故発生検出しきい値Ｉｄｃ_Ｊを超過する。第２スイッチング装置４３１Ｂの第４端子Ｔ４の電位は、第４電位Ｖ４から第５電位Ｖ５に遷移されて、第２スイッチング装置４３１Ｂは、導通状態となる。同時に、Ｈブリッジ回路４４０の出力電圧制御が開始される。

具体的には、Ｈブリッジ回路４４０の出力電圧Ｖ_Ｈは以下の（１）式により演算される。

Ｖ_Ｈ＝Ｇ（ｓ）×（Ｉｄｃ_Ｍ－０）・・・（１）
上記（１）式において、Ｇ（ｓ）はラプラス変換された制御ゲインである。制御ゲインＧ（ｓ）は、例えば一般的な比例積分制御による伝達関数を表している。

各Ｈブリッジユニット４４１のスイッチング素子４４２は、パルス幅変調制御され、Ｈブリッジ回路４４０は、（１）式の出力電圧ＶＨを機械式遮断器４２０の両端に印加する。パルス幅変調のデューティ比は、例えば、予め設定されている。機械式遮断器４２０に流れる電流Ｉｄｃ_Ｍは、式（１)の出力電圧ＶＨが印加されたことによって、略ゼロとなるように制御される。

このようなＨブリッジ回路４４０による制御により、図１８の実線ＬＮ１で示したように、期間Ｐ１では、機械式遮断器４２０に流れる電流Ｉｄｃ_Ｍは、略ゼロになるまで制御される。時間ｔ３において、機械式遮断器４２０は、非導通状態に移行される。機械式遮断器４２０に流れる電流は、略ゼロとなっているため、接点を非導通状態に移行させても、接点間にアークを生じさせることなく電流を遮断することができる。そのため、高速に電流を遮断することができる。

Ｈブリッジユニット４４１による出力電圧制御を行う場合は、ほぼ導通抵抗ゼロの機械式遮断器４２０にＨブリッジユニット４４１の出力電圧が直接印加され、短絡電流が流れて、電流制御ができなくなるおそれがある。本実施形態では、並列回路４３０にリアクトル４３２が設けられており、Ｈブリッジ回路４４０は、このリアクトル４３２に直列に接続されている。このリアクトル４３２によって、機械式遮断器４２０にＨブリッジユニット４４１の出力電圧印加による電流の急峻な変化が抑制されるため、機械式遮断器４２０に流れる電流の制御が可能となる。

具体的に説明すると、機械式遮断器４２０に流れる電流Ｉｄｃ_Ｍの電流変化率ｄＩｄｃ_Ｍ／ｄｔは、リアクトル４３２のインダクタンス値Ｌを用いて以下の（２）式で表される。

ｄＩｄｃ_Ｍ／ｄｔ＝Ｖ＿Ｈ／Ｌ・・・（２）

リアクトル４３２がない場合、インダクタンス値Ｌ＝０となるため、Ｈブリッジユニット４４１の出力電圧Ｖ＿Ｈがゼロでない限り、電流変化率ｄＩｄｃ_Ｍ／ｄｔは無限大となってしまい、機械式遮断器４２０に流れる電流Ｉｄｃ_Ｍの制御ができなくなる。本実施形態では、並列回路４３０にリアクトル４３２を設けることによって、上記式においてインダクタンス値Ｌが挿入されるため、電流変化率ｄＩｄｃ_Ｍ／ｄｔが有限となる。したがって、Ｈブリッジユニット４４１の出力電圧Ｖ＿Ｈの大きさに応じて電流変化率ｄＩｄｃ_Ｍ／ｄｔを制御することが可能となる。これによって、機械式遮断器４２０にＨブリッジユニット４４１の出力電圧が直接印加されることを防止し、機械式遮断器４２０を流れる電流Ｉｄｃ_Ｍを略ゼロにする電流制御が可能となる。

Ｈブリッジ回路４４０による出力電圧制御により、機械式遮断器４２０に流れる電流Ｉｄｃ_Ｍは、略ゼロになるまで制御される。時間ｔ３の経過後、図２０（ａ）に示すように、正側送電線１３００を流れる電流は、機械式遮断器４２０を通らずにＨブリッジ回路４４０を通り、さらにＨブリッジ回路４４０に接続された並列回路４３０を通って、正側送電線１３００に戻る。このため、機械式遮断器４２０に流れる電流Ｉｄｃ_Ｍが略ゼロになる。この状態で機械式遮断器４２０を非導通状態に移行させる。機械式遮断器４２０に流れる電流は略ゼロとなっているため、接点を非導通状態に移行させても通常の直流電流導通時のように、アークを引いて電流が流れ続けることがない。そのため、高速に電流を遮断することができる。

図１８の一点鎖線ＬＮ２に示したように、Ｈブリッジユニット４４１のスイッチング素子４４２をすべてオフにする。すると、Ｈブリッジユニット４４１のコンデンサ４４５に予め蓄えていた電圧が、機械式断路器４１０を流れ続ける事故電流を減少させる方向に印加される。これによって、機械式断路器４１０を流れる事故電流は減少する。機械式断路器４１０に流れる事故電流が減少した分、機械式断路器４１０に並列に接続された並列回路４３０に事故電流が転流される。

図１８の二点鎖線ＬＮ３で示したように、時間ｔ３において、プラズマスイッチングユニット４３１に流れる電流が増大し、期間Ｐ２の経過により、最終的に時間ｔ４において、機械式断路器４１０に流れる電流はゼロになり、すべての事故電流がプラズマスイッチングユニット４３１を流れるようになる。この動作状態を図２０（ｂ）に示す。このタイミングで、機械式断路器４１０はオフに遷移される。電流は、機械式断路器４１０にはほとんど流れていないため、機械式断路器４１０は、接点間にアークを生じることなく、電流を遮断することができる。

最後に、図２０（ｂ）に示した動作状態において、時間ｔ５が経過すると、第２スイッチング装置４３１Ｂの第４端子Ｔ４の第５電位Ｖ５を第４電位Ｖ４に切り換えて、並列回路４３０に流れる事故電流を遮断する。このとき発生するサージ電圧はアレスタ４５０に吸収され、電流遮断が完了する。

本実施形態の直流遮断装置４００の効果について説明する。
本実施形態の直流遮断装置４００においては、通常時には、電流が機械式断路器４１０および機械式遮断器４２０を流れるため、導通損失をほぼゼロとすることができる。そのため、高い送電効率が実現される。事故時には、Ｈブリッジ回路４４０を用いた出力電圧制御により、並列回路４３０に電流を誘導して機械式断路器４１０を流れる電流を、機械式断路器４１０の接点間にアークを生じさせずに回路の切り離しを行うことができる。そのため、電流遮断能力のない機械式断路器４１０であっても、安全に事故点の切り離しを行うことができる。さらに、並列回路４３０は、プラズマスイッチングユニット４３１を含んでいるので、高速の電流遮断を実現することができる。

さらに、プラズマスイッチングユニット４３１は、プラズマスイッチング装置で構成されている。このため、並列回路を半導体素子によって構成した場合に比べて、極めてコンパクトな装置とすることができる。したがって、送電効率向上させるとともに、直流多端子送電設備における直流遮断器の設備の設置面積および容積を大幅に縮小し、設備コストの低減に寄与することができる。

（第５の実施形態）
図２１は、本実施形態に係る直流遮断装置を例示する模式的なブロック図である。
図２１には、本実施形態の直流遮断装置５００のほか、直流遮断装置５００を構成する直流送電系統Ｋ２が示されている。
図２１に示すように、直流送電系統Ｋ２は、第１直流送電網１２００Ａと第２直流送電網１２００Ｂとの間に、直流遮断装置５００が接続されている点で、上述の第４の実施形態の場合と相違する。直流遮断装置５００は、複数の機械式断路器４１０を含む点、および並列回路５３０が複数のプラズマスイッチングユニット４３１を含む点で、上述の第４の実施形態の場合と相違する。上述の他の実施形態の場合と同一の構成要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

直流遮断装置５００は、第１端子５０１および第２端子５０２を含む。直流遮断装置５００では、第１端子５０１を介して第１直流送電網１２００Ａに接続され、第２端子５０２を介して第２直流送電網１２００Ｂに接続される。直流遮断装置５００は、複数の機械式断路器４１０と、並列回路５３０と、を備える。複数の機械式断路器４１０は、直列に接続されている。直列に接続された複数の機械式断路器４１０は、機械式遮断器４２０に直列に接続されている。複数の機械式断路器４１０および機械式遮断器４２０の直列回路は、第１端子５０１と第２端子５０２との間に接続されている。

並列回路５３０は、複数のプラズマスイッチングユニット４３１を含む。複数のプラズマスイッチングユニット４３１は、直列に接続されている。複数のプラズマスイッチングユニット４３１のそれぞれには、アレスタ４５０が並列に接続されている。並列回路５３０は、リアクトル４３２を含んでいる。リアクトル４３２は、プラズマスイッチングユニット４３１の直列回路に直列に接続されている。

本実施形態の直流遮断装置５００の動作においては、直列接続された機械式断路器４１０は、同じタイミングで開閉される。直列接続されたプラズマスイッチングユニット４３１も同じタイミングで開閉される。したがって、本実施形態の直流遮断装置５００は、上述の第４の実施形態の場合の直流遮断装置４００と同様に動作する。

本実施形態の直流遮断装置５００の効果について説明する。
本実施形態の直流遮断装置５００は、上述した第４の実施形態の直流遮断装置４００と同様の効果を奏する。さらに、直流遮断装置５００は、直列に接続された複数の機械式断路器４１０および複数のプラズマスイッチングユニット４３１を備えている。このため、これらの直列回路の直列接続数を適切に設定することにより、直流送電系統Ｋ２における各所の電圧に対して適切に対応することができる。具体的には、同じ規格のプラズマスイッチングユニット４３１を製造し、設置する直流送電網に応じて直列接続数を設定することができるので、装置の標準化をはかることが可能になり、標準化による生産性の向上に寄与することができる。

（第６の実施形態）
図２２は、本実施形態に係る直流遮断システムを例示する模式的なブロック図である。
図２２には、第１直流送電網１２００Ａ、第２直流送電網１２００Ｂ、正側送電線１３００および負側送電線１４００が図示されていないが、直流遮断装置４００の第１端子４０１に正側送電線１３００を介して第１直流送電網１２００Ａを接続し、第２端子４０２に正側送電線１３００を介して第２直流送電網１２００Ｂを接続することができる。これにより、直流送電系統Ｋ３を構成することができる。
本実施形態の直流遮断システム６００は、制御装置６０１を備える点で、上述した第４、第５の実施形態の場合と相違する。同一の構成要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。
図２２に示すように、直流遮断システム６００は、直流遮断装置４００と、制御装置６０１と、を備える。制御装置６０１は、直流遮断装置４００に接続されている。

制御装置６０１は、通信部６１０と、判定部６２０と、操作部６３０と、を含む。判定部６２０および操作部６３０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のハードウェアプロセッサがプログラムやソフトウェアを実行することにより実現される。また、これらの構成要素のうち一部または全部は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等のハードウェア（回路部；circuitryを含む）によって実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアの協働によって実現されてもよい。プログラムは、予めコントローラのＨＤＤやフラッシュメモリ等の記憶装置（非一過性の記憶媒体を備える記憶装置）に格納されていてもよいし、ＤＶＤやＣＤ－ＲＯＭ等の着脱可能な記憶媒体に格納されており、記憶媒体（非一過性の記憶媒体）がドライブ装置に装着されることで記憶装置にインストールされてもよい。プログラムは、記憶部に記憶されていてもよい。

制御装置６０１は、例えば、直流送電系統Ｋ３での事故発生時に、プラズマスイッチングユニット４３１およびＨブリッジユニット４４１を導通状態に移行させ、Ｈブリッジ回路４４０の出力電圧制御により機械式遮断器４２０に流れる電流を制限して機械式遮断器４２０を非導通状態に移行させる。

制御装置６０１は、Ｈブリッジユニット４４１を非導通状態に移行させ、Ｈブリッジ回路４４０におけるコンデンサ４４５の電圧印加により並列回路４３０に事故電流を転流させて機械式断路器４１０を非導通状態に移行させる。制御装置６０１は、プラズマスイッチングユニット４３１で事故電流を遮断する。制御装置６０１は、制御部の一例である。

通信部６１０は、例えば、各種情報を送信および受信するための無線通信モジュールである。通信部６１０は、例えば、管理センターなどにより送信される事故情報を受信し、判定部６２０に出力する。通信部６１０は、例えば、操作部６３０が生成する制御信号を、直流遮断装置４００に含まれる各種機器に送信する。

判定部６２０は、通信部６１０により出力される事故情報に基づいて、直流送電系統Ｋ３における事故の発生を判定する。判定部６２０は、直流送電系統Ｋ３に事故が発生したと判定した場合、事故の発生および事故の状況を含む事故発生情報を操作部６３０に通知する。

操作部６３０は、判定部６２０により通知された事故発生情報に基づいて、断路器操作信号、遮断機操作信号、スイッチ操作信号およびブリッジ操作信号を生成する。断路器操作信号は、機械式断路器４１０を操作する信号である。遮断機操作信号は、機械式遮断器４２０を操作する信号である。スイッチ操作信号は、プラズマスイッチングユニット４３１を操作する信号である。ブリッジ操作信号は、Ｈブリッジユニット４４１を操作する信号である。

操作部６３０は、生成した断路器操作信号、遮断機操作信号、スイッチ操作信号およびブリッジ操作信号を、それぞれ機械式断路器４１０、機械式遮断器４２０、プラズマスイッチングユニット４３１およびＨブリッジユニット４４１に向けて、通信部６１０に送信させる。

スイッチ操作信号には、第１スイッチ操作信号から第４スイッチ操作信号が含まれる。第１スイッチ操作信号は、第１スイッチング装置４３１Ａの第１グリッド２６に対応する第３端子Ｔ３の電位を切り換える情報である。第２スイッチ操作信号は、第１スイッチング装置４３１Ａの第２グリッド２７に対応する第４端子Ｔ４の電位を切り換える情報である。第３スイッチ操作信号は、第２スイッチング装置４３１Ｂの第１グリッド２６に対応する第３端子Ｔ３の電位を切り換える情報である。第４スイッチ操作信号は、第２スイッチング装置４３１Ｂの第２グリッド２７に対応する第４端子Ｔ４の電位を切り換える情報である。

事故発生情報は、例えば、直流送電の送電方向、および直流系統での事故の発生の情報を含む。判定部６２０は、直流送電の送電方向は認識する機能および直流系統での事故発生を判断する機能を含む。判定部６２０は、例えば、送電方向が第１端子４０１から第２端子４０２である場合には、事故発生時に最終的に電流を遮断する手段として、第１スイッチング装置４３１Ａを選択する。判定部６２０は、例えば、送電方向が第２端子４０２から第１端子４０１である場合には、事故発生時に最終的に電流を遮断する手段として、第２スイッチング装置４３１Ｂを選択する。

直流遮断装置４００は、例えば、正極側の直流送電線に接続される。このため、直流遮断装置４００は、大地から相応の絶縁を確保して構成される。制御装置６０１は、例えば、直流遮断装置４００の各種機器の近くに設置されるが、大地電位の地上に据え付けられる。このため、制御装置６０１は、絶縁トランスを介した電線ケーブル手段や、光信号によって電気的な絶縁をとった光ファイバーケーブル手段により、各機器に操作信号を送信する。

本実施形態の直流遮断システム６００の効果について説明する。
本実施形態の直流遮断システム６００は、上述した第４の実施形態の直流遮断装置４００と同様の作用効果を奏する。本実施形態の直流遮断システム６００は、制御装置６０１を備えているので、送電方向を判断し、事故が発生した場合に、第１スイッチング装置４３１Ａおよび第２スイッチング装置４３１Ｂのいずれを遮断するかを選択する。このため、双方向の事故電流を遮断することができる。

（第７の実施形態）
図２３は、本実施形態に係る直流遮断システムを例示する模式的なブロック図である。
図２３には、第１直流送電網１２００Ａ、第２直流送電網１２００Ｂ、正側送電線１３００および負側送電線１４００が図示されていないが、直流遮断装置４００の第１端子４０１に正側送電線１３００を介して第１直流送電網１２００Ａを接続し、第２端子４０２に正側送電線１３００を介して第２直流送電網１２００Ｂを接続することができる。これにより、直流送電系統Ｋ４を構成することができる。
本実施形態の直流遮断システム７００は、上述した第６の実施形態の制御装置６０１とは異なる制御装置７０１を備える。同一の構成要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。
図２３に示すように、直流遮断システム７００は、直流遮断装置４００と、制御装置７０１と、を備える。制御装置７０１は、水素量制御部７４０を含む。

制御装置７０１において、通信部６１０、判定部６２０および操作部６３０は、上述した第６の実施形態の場合と同様に機能し、動作する。

通信部６１０は、第１スイッチング装置４３１Ａおよび第２スイッチング装置４３１Ｂの動作回数を受信し、水素量制御部７４０に出力する。

水素量制御部７４０は、出力された動作回数に基づいて、第１スイッチング装置４３１Ａおよび第２スイッチング装置４３１Ｂのそれぞれにおける第１電極２２の表面終端の水素消費の監視、水素濃度の監視、耐電圧レベルの監視を行う。水素量制御部７４０は、これらの監視結果に基づいて、第１スイッチング装置４３１Ａおよび第２スイッチング装置４３１Ｂのそれぞれにおけるプラズマスイッチ２０に水素を補填するか必要があるか否かを判定する。

水素量制御部７４０は、水素を補填する必要があると判定した場合に、第１スイッチング装置４３１Ａおよび第２スイッチング装置４３１Ｂに向けて補填操作信号を通信部６１０に送信させる。補填操作信号は、水素貯蔵金属２０Ｈを加熱して水素を放出させ、プラズマスイッチ２０内に水素を補填させるための信号である。

本実施形態の直流遮断システム７００は、上述の第４の実施形態の直流遮断装置４００と同様の効果のほか以下の効果を奏する。
すなわち、直流遮断システム７００は、第１スイッチング装置４３１Ａおよび第２スイッチング装置４３１Ｂにおけるプラズマスイッチ２０内の水素濃度が低下した際に、プラズマスイッチ２０内の減圧圧力を阻害することなく、水素を供給することができる。

（第８の実施形態）
図２４は、本実施形態に係る直流遮断装置を例示する模式的なブロック図である。
図２５は、本実施形態の直流遮断装置を例示する模式的な斜視図である。
図２４には、第１直流送電網１２００Ａ、第２直流送電網１２００Ｂ、正側送電線１３００および負側送電線１４００が図示されていないが、直流遮断装置８００の第１端子に正側送電線１３００を介して第１直流送電網１２００Ａを接続し、第２端子に正側送電線１３００を介して第２直流送電網１２００Ｂを接続することができる。これにより、直流送電系統Ｋ５を構成することができる。
図２４に示すように、本実施形態の直流遮断装置８００は、機械遮断バルブ８０１と、プラズマスイッチバルブ８０２と、Ｈブリッジバルブ８０３と、を備える。

機械遮断バルブ８０１は、機械式断路器４１０と機械式遮断器４２０を含む。この例の機械遮断バルブ８０１では、複数の機械式断路器４１０が直列に接続され、機械式断路器４１０の直列回路に機械式遮断器４２０が直列に接続されている。機械遮断バルブ８０１は、端子８０１ａ，８０１ｂ，８０１ｃを有している。機械式断路器４１０および機械式遮断器４２０の直列回路は、端子８０１ａ，８０１ｃの間に接続されている。

プラズマスイッチバルブ８０２は、プラズマスイッチングユニット４３１とアレスタ４５０とを含む。この例のプラズマスイッチバルブ８０２では、複数のプラズマスイッチングユニット４３１が直列に接続され、複数のプラズマスイッチングユニット４３１のそれぞれにアレスタ４５０が並列に接続されている。プラズマスイッチバルブ８０２は、端子８０２ａ，８０２ｂを有している。プラズマスイッチングユニット４３１の直列回路は、端子８０２ａ，８０２ｂの間に接続されている。

Ｈブリッジバルブ８０３は、Ｈブリッジユニット４４１とリアクトル４３２とを含む。この例のＨブリッジバルブ８０３では、複数のＨブリッジユニット４４１は、直列に接続されている。Ｈブリッジバルブ８０３は、端子８０３ａ，８０３ｂ，８０３ｃを有している。Ｈブリッジユニット４４１の直列回路は、端子８０３ａ，８０３ｃの間に接続されている。リアクトル４３２は、端子８０３ａ，８０３ｂの間に接続されている。

機械遮断バルブ８０１の端子８０１ａは、プラズマスイッチバルブ８０２の端子８０２ａに電気的に接続されている。プラズマスイッチバルブ８０２の端子８０２ｂは、Ｈブリッジバルブ８０３の端子８０３ａに電気的に接続されている。Ｈブリッジバルブ８０３の端子８０３ｂ，８０３ｃは、機械遮断バルブ８０１の端子８０１ｃ，８０１ｂにそれぞれ接続されている。

図２５に示すように、機械遮断バルブ８０１、プラズマスイッチバルブ８０２およびＨブリッジバルブ８０３は、それぞれ異なる筐体８００ａ～８００ｃに収納されており、互いに独立して配設される。機械遮断バルブ８０１は、例えば図示しない独立した架台上に載置されている。機械遮断バルブ８０１、プラズマスイッチバルブ８０２およびＨブリッジバルブ８０３は、上述した例えば第４の実施形態の直流遮断装置４００と同様に動作する。

本実施形態の直流遮断装置８００の効果について説明する。
本実施形態の直流遮断装置８００は、上述の第４の実施形態や第５の実施形態の場合の直流遮断装置４００，５００と同様の効果のほか、以下の効果を奏する。すなわち、直流遮断装置８００では、機械遮断バルブ８０１は、独立した架台に載置される。このため、機械遮断バルブ８０１に実装されている機械式断路器４１０および機械式遮断器４２０の電極開閉に伴う操作振動が、プラズマスイッチバルブ８０２とＨブリッジバルブ８０３に伝わらないようにすることを容易に実現できる。したがって、耐久性などの信頼性を向上させることができる。

本実施形態の直流遮断装置８００では、機械遮断バルブ８０１、プラズマスイッチバルブ８０２およびＨブリッジバルブ８０３はそれぞれ独立して配設されている。このため、直流遮断装置８００の設置後であっても、各バルブの側方からの作業が可能となり、メンテナンスを容易にすることができる。

例えば、１つの筐体や基材に機械式断路器４１０、機械式遮断器４２０、プラズマスイッチングユニット４３１およびＨブリッジユニット４４１を配置し収納すると、筐体や基材の設置面積が広くなり、直流遮断装置の奥の方へのアクセスが難しくなる。また、１つの筐体や基材で負担する機器重量も増加するため、筐体や基材を強固に構成する必要があり、全体重量が増加し、コストも高くなる。

この点、本実施形態の直流遮断装置８００では、機械遮断バルブ８０１、プラズマスイッチバルブ８０２およびＨブリッジバルブ８０３はそれぞれ独立して配設されている。このため、構成用品の取り扱いに対する注意項目が限定され組立性を向上させることができる。さらに、バルブ単位での試験による品質向上をはかることができる。したがって、プラズマスイッチング装置を用いた直流遮断装置８００の耐久性、保守性、組立性、品質を向上させることができる。

（第９の実施形態）
図２６は、本実施形態に係る直流遮断装置を例示する模式的なブロック図である。
図２６には、本実施形態の直流遮断装置９００のほか、直流遮断装置９００を含む直流送電系統Ｋ６の構成が示されている。
図２６に示すように、直流送電系統Ｋ６は、第１直流送電網１２００Ａと第２直流送電網１２００Ｂとの間に、直流遮断装置９００が接続されている点で、上述の第４の実施形態の場合と相違する。上述の他の実施形態の場合と同一の構成要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

直流遮断装置９００は、Ｈブリッジ回路４４０を備えていない点で第４の実施形態の場合と相違する。すなわち、直流遮断装置９００は、機械式断路器４１０と、機械式遮断器４２０と、並列回路４３０と、を備える。

機械式断路器４１０および機械式遮断器４２０は、直列に接続されている。並列回路４３０は、機械式断路器４１０および機械式遮断器４２０の直列回路に並列に接続されている。直流遮断装置９００は、第１端子９０１および第２端子９０２を有しており、機械式断路器４１０、機械式遮断器４２０および並列回路４３０は、第１端子９０１と第２端子９０２との間に接続されている。並列回路４３０に直列にリアクタンスを接続して、機械式断路器４１０および機械式遮断器４２０の直列回路に並列接続するようにしてもよい。

本実施形態の直流遮断装置９００は、第１スイッチング装置４３１Ａおよび第２スイッチング装置４３１Ｂのプラズマスイッチ２０が導通状態である第２状態のときの電圧降下が大幅に改良できたものである。

本実施形態の直流遮断装置９００の動作について、通常時の動作と事故時と動作とに分けて説明する。事故時については、第２直流送電網１２００Ｂで直流短絡事故が発生した場合について説明する。

通常時は、機械式断路器４１０は導通状態とされ、第１スイッチング装置４３１Ａおよび第２スイッチング装置４３１Ｂは非導通状態である第１状態ＳＴ１とされている。このとき、第１直流送電網１２００Ａからの電流は、機械式断路器４１０および機械式遮断器４２０を介して、第２直流送電網１２００Ｂへ流れ、並列回路４３０には流れない。

事故発生時には、機械式断路器４１０に取り付けられた電流センサが事故発生検出しきい値Ｉｄｃ_Ｊを超える電流Ｉｄｃ_Ｍを検出した場合には、第２スイッチング装置４３１Ｂを第２状態ＳＴ２に切り換える。

機械式断路器４１０に取り付けられた電流センサが電流Ｉｄｃ_Ｍの検出と同時に、機械式断路器４１０は、接点電極が開く方向に動作を開始する。機械式断路器４１０の接点電極が離れ始めると接点電極間にはアークが発生し、同時にアーク電圧が発生する。電流は継続して流れ続けようとするが、機械式断路器４１０を流れる事故電流は、並列回路４３０に分流する。

プラズマスイッチングユニット４３１の第２状態ＳＴ２における電圧降下が十分に低い場合には、機械式断路器４１０を流れる事故電流は、ほとんどが並列回路４３０に転流する。さらに、機械式断路器４１０の接点電極が離れる部位に圧縮ガスを吹き付けて接点電極やその周囲のプラズマ化を抑制し、接点電極の開極動作を最大ギャップに向けて継続する動作とすることで、アーク電圧が高くなり、さらに並列回路４３０に事故電流が流れやすくなり、機械式断路器４１０のアークが消え、電流がゼロになる。

機械式断路器４１０の電流がゼロとなった後、機械式遮断器４２０が持つ絶縁回復時間を待って、プラズマスイッチングユニット４３１の第２スイッチング装置４３１Ｂを導通状態である第２状態ＳＴ２から非導通状態である第１状態ＳＴ１に切り換えて、並列回路４３０に流れる電流を遮断する。こうして、直流遮断装置９００による事故電流遮断が完了する。

本実施形態の直流遮断装置９００の効果について説明する。
本実施形態の直流遮断装置９００は、上述した例えば第４の実施形態の直流遮断装置４００と同様の効果のほか、以下の効果を奏する。すなわち、本実施形態の直流遮断装置９００は、Ｈブリッジ回路を備える必要がないので、低コスト化、小型化に寄与することができる。さらに、装置部品点数を削減したことによる、保守性、生産性、信頼性を向上させることができる。

（第１０の実施形態）
図２７は、本実施形態に係る直流遮断装置を例示する模式的なブロック図である。
図２７には、複数の直流送電網および複数の直流遮断装置を含む直流送電系統Ｋ７が示されている。
図２７に示すように、直流送電系統Ｋ７は、第１直流遮断装置１０００Ａ～第３直流遮断装置１０００Ｃを含む。本実施形態の直流遮断装置１０００Ａ～１０００Ｃは、同一の構成を備えている。直流遮断装置１０００Ａ～１０００Ｃは、プラズマスイッチングユニット１０３０を備える。プラズマスイッチングユニット１０３０は、第２スイッチング装置４３１Ｂで構成され、第１スイッチング装置４３１Ａは設けられていない点で、第４の実施形態の場合のプラズマスイッチングユニット４３１と相違する。他の点では、直流遮断装置１０００Ａ～１０００Ｃの構成は、第４の実施形態の場合の直流遮断装置４００の構成と同じである。同一の構成要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

直流送電系統Ｋ７は、第１直流送電網１２００Ａ、第２直流送電網１２００Ｂおよび第３直流送電網１２００Ｃの３つの直流送電網を含む。第１直流送電網１２００Ａ、第２直流送電網１２００Ｂおよび第３直流送電網１２００Ｃは、いずれも図示しない交直電力変換装置を含んでいる。

第１直流遮断装置１０００Ａの正側送電線１３００には、第１直流送電網１２００Ａ側に第１端子１００１ａが設けられ、第１直流送電網１２００Ａの反対側に第２端子１００２ａが設けられている。第２直流遮断装置１０００Ｂの正側送電線１３００には、第２直流送電網１２００Ｂ側に第１端子１００１ｂ設けられ、第２直流送電網１２００Ｂの反対側に第２端子１００２ｂが設けられている。第３直流遮断装置１０００Ｃの正側送電線１３００には、第３直流送電網１２００Ｃ側に第１端子１００１ｃが設けられ、第３直流送電網１２００Ｃの反対側に第２端子１００２ｃが設けられている。

第１～第３直流遮断装置１０００Ａ～１０００Ｃの動作について、複数の事故ケースを例示して説明する。
図２８は、本実施形態の直流遮断装置の動作を説明するための模式的なブロック図である。
以下の説明において、直流送電系統Ｋ７では、第２直流送電網１２００Ｂに向けて、第１直流送電網１２００Ａと第３直流送電網１２００Ｃから、正側送電線１３００と負側送電線１４００により直流送電しているものとする。

まず、事故ケース１について説明する。事故ケース１は、第１直流送電網１２００Ａと第１直流遮断装置１０００Ａとの間の正側送電線１３００の第１事故点ＦＰ１で地絡事故が発生したケースである。

第１事故点ＦＰ１で地絡事故が発生することにより、第１事故点ＦＰ１の電圧は大地電位となる。このため、事故電流は、第１事故点ＦＰ１に向けて流れる。すなわち、第１直流送電網１２００Ａ側から第１事故点ＦＰ１に向けて、そして、第２直流送電網１２００Ｂ側と第３直流送電網１２００Ｃ側からの電流が第１事故点ＦＰ１に向けて流れ込む。

このとき、第１直流遮断装置１０００Ａが保護動作し、事故電流を遮断して、第１事故点ＦＰ１を正側送電線１３００から切り離す。第２直流送電網１２００Ｂおよび第３直流送電網１２００Ｃは、第１事故点ＦＰ１が正側送電線１３００から切り離されたことで、第２直流送電網１２００Ｂに向けて第３直流送電網１２００Ｃから送電を継続、または、再開できる。

次に、事故ケース２について説明する。事故ケース２は、第１直流送電網１２００Ａ、第２直流送電網１２００Ｂおよび第３直流送電網１２００Ｃを接続する正側送電線１３００の第２事故点ＦＰ２で地絡事故が発生したケースである。

第２事故点ＦＰ２で地絡事故が発生することにより、第２事故点ＦＰ２の電圧は大地電位となる。このため、事故電流は第２事故点ＦＰ２に向けて流れる。すなわち、第１直流送電網１２００Ａ側から第２事故点ＦＰ２に、第２直流送電網１２００Ｂ側から第２事故点ＦＰ２に、そして、第３直流送電網１２００Ｃ側から第２事故点ＦＰ２に向けて、事故電流が流れ込む。

このとき、第１直流遮断装置１０００Ａ～第３直流遮断装置１０００Ｃのそれぞれが保護動作し、事故電流を遮断して、第２事故点ＦＰ２を正側送電線１３００から切り離す。保護動作とは、第１～第３直流遮断装置１０００Ａ～１０００Ｃのプラズマスイッチを第１状態（非導通状態）から第２状態（導通状態）に切り換える動作である。事故ケース２では、第２事故点ＦＰ２を復旧しない限り、第１直流送電網１２００Ａ～第３直流送電網１２００Ｃのいずれとも連系できないこととなる。

次に、事故ケース３について説明する。事故ケース３は、第２直流送電網１２００Ｂと第２直流遮断装置１０００Ｂの間の正側送電線１３００の第３事故点ＦＰ３で地絡事故が発生したケースである。

第３事故点ＦＰ３で地絡事故が発生することにより、第３事故点ＦＰ３の電圧は大地電位となる。このため、事故電流は第３事故点ＦＰ３に向けて流れる。すなわち、第２直流送電網１２００Ｂ側から第３事故点ＦＰ３に向けて、そして、第１直流送電網１２００Ａ側と第３直流送電網１２００Ｃ側から第３事故点ＦＰ３に向けて、事故電流が流れ込む。

このとき、第２直流遮断装置１０００Ｂが保護動作し、事故電流を遮断して、第３事故点ＦＰ３を正側送電線１３００から切り離す。第１直流送電網１２００Ａと第３直流送電網１２００Ｃは、第３事故点ＦＰ３が正側送電線１３００から切り離されたことで、連系可能状態となる。

次に、事故ケース４について説明する。事故ケース４は、第３直流送電網１２００Ｃと第３直流遮断装置１０００Ｃとの間の正側送電線１３００の第４事故点ＦＰ４で地絡事故が発生したケースである。

第４事故点ＦＰ４で地絡事故が発生することにより、第４事故点ＦＰ４の電圧は大地電位となる。このため、事故電流は、第４事故点ＦＰ４に向けて流れる。すなわち、第１直流送電網１２００Ａ側と第２直流送電網１２００Ｂ側から第４事故点ＦＰ４に向けて、そして、第３直流送電網１２００Ｃ側からの電流が第４事故点ＦＰ４に向けて流れ込む。

このとき、第３直流遮断装置１０００Ｃが保護動作し、事故電流を遮断して、第４事故点ＦＰ４を正側送電線１３００から切り離す。第１直流送電網１２００Ａおよび第２直流送電網１２００Ｂは、第４事故点ＦＰ４が正側送電線１３００から切り離されたことで、第２直流送電網１２００Ｂに向けて第１直流送電網１２００Ａから送電を継続、または、送電を再開できる。

本実施形態の直流遮断装置の効果について説明する。
本実施形態の直流遮断装置１０００Ａ～１０００Ｃは、上述の他の実施形態の場合直流遮断装置と同様の効果のほか、以下の効果を奏する。すなわち、直流遮断装置１０００Ａ～１０００Ｃは、片方向遮断の直流遮断器であっても、直流多端子送電線の事故点を切り離し、事故の拡大を抑制することができる。

以上説明した少なくとも１つの実施形態によれば、第１端子が接続された第１電極、第２端子が接続され、前記第１電極と離れて配置された第２電極、第３端子が接続され、前記第１電極と前記第２電極の間に配置された第１グリッド、および、第４端子が接続され、前記第１グリッドと前記第２電極の間に配置された第２グリッド、を有するプラズマスイッチと、前記プラズマスイッチの外側に設けられ、前記プラズマスイッチとの間に密閉空間を形成する外郭部と、を備え、前記密閉空間に絶縁ガスが充填されている、スイッチング装置であることにより、小型のスイッチング装置および直流遮断装置を提供することができる。

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、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。

Claims (18)

1. 第１電極と、前記第１電極から離れて設けられた第２電極と、前記第１電極と前記第２電極の間に設けられた第１グリッドと、前記第１グリッドと前記第２電極の間に設けられた第２グリッドと、を含むプラズマスイッチと、
   前記プラズマスイッチの外側に設けられ、前記プラズマスイッチとの間に密閉空間を形成する外郭部と、
   を備え、
   前記第１電極は、
   前記プラズマスイッチがグロー放電時に負グローを生成するホローカソード部と、
   前記ホローカソード部の周囲に設けられ、前記負グローと前記第１電極との間の電界に交差する磁界を発生する磁界発生部と、
   を含み、
   前記ホローカソード部は、Ｂ、Ｃ、Ａｌ、ＳｉおよびＧａのうち少なくとも１つの材料を含むスイッチング装置。
2. 前記ホローカソード部は、ダイヤモンド、黒鉛、窒化物半導体およびアルミナセメントのうち少なくとも１つの材料を含む請求項１記載のスイッチング装置。
3. 前記磁界発生部は、前記負グローと前記第１電極との間の電界に直交する磁界を発生する請求項１記載のスイッチング装置。
4. 前記第１電極は、第１方向および前記第１方向に交差する第２方向を含む平面視で円形であり、前記第１方向および前記第２方向に交差する第３方向に延伸する円筒形状をなし、
   前記ホローカソード部は、前記円形の径方向に延伸して設けられた請求項３記載のスイッチング装置。
5. 前記ホローカソード部は、複数個設けられ、
   前記複数のホローカソード部は、前記第３方向に積層されるように設けられた請求項４記載のスイッチング装置。
6. 前記第１電極は、第１方向および前記第１方向に交差する第２方向を含む平板に形成され、
   前記ホローカソード部は、前記平板に、前記第１方向および前記第２方向に交差する第３方向に向かって設けられた凹部に設けられた請求項３記載のスイッチング装置。
7. 前記ホローカソード部は、複数設けられた請求項６記載のスイッチング装置。
8. 前記ホローカソード部は、第１方向および前記第１方向に交差する第２方向を含む平面視での円の径方向に突出して設けられた請求項３記載のスイッチング装置。
9. 前記ホローカソード部は、前記円の周にわたって放射状に複数設けられた請求項８記載のスイッチング装置。
10. 前記磁界発生部は、永久磁石を含む請求項１記載のスイッチング装置。
11. 前記磁界発生部は、前記ホローカソード部を取り巻く導線で形成されたコイルを含む請求項１記載のスイッチング装置。
12. 前記外郭部は、
    前記プラズマスイッチの外側に配置された絶縁筒と、
    前記絶縁筒の開口をそれぞれ閉塞する端板と、
    前記プラズマスイッチにおける前記第１電極、前記第２電極、前記第１グリッドおよび前記第２グリッドを接合する接合部と、
    を含む圧力容器を含む請求項１記載のスイッチング装置。
13. 機械式断路器と、
    前記機械式断路器に直列に接続された機械式遮断器と、
    請求項１～１２のいずれか１つに記載のスイッチング装置と、
    を備え、
    前記スイッチング装置は、前記機械式断路器および前記機械式遮断器の直列回路に並列に接続され、
    前記スイッチング装置は、前記機械式遮断器が開放された後に導通し、
    前記機械式断路器は、前記スイッチング装置が導通後に遮断される直流遮断装置。
14. 前記スイッチング装置に直列に接続されたリアクトルと、
    前記機械式断路器および前記機械式遮断器の接続ノードと前記スイッチング装置および前記リアクトルの接続ノードとの間に接続されたＨブリッジ回路と、
    をさらに備え、
    前記Ｈブリッジ回路は、前記機械式遮断器が開放された後に動作を開始し、
    前記スイッチング装置は、前記Ｈブリッジ回路が動作を開始した後に導通する請求項１３記載の直流遮断装置。
15. 前記スイッチング装置は、複数設けられ、
    前記複数のスイッチング装置は、直列に接続された請求項１３記載の直流遮断装置。
16. 第１筐体と、
    前記第１筐体とは異なる第２筐体と、
    前記第１筐体および前記第２筐体とは異なる第３筐体と、
    をさらに備え、
    前記第１筐体は、前記機械式断路器および前記機械式遮断器の直列回路を収納し、
    前記第２筐体は、前記スイッチング装置を収納し、
    前記第３筐体は、前記リアクトルおよび前記Ｈブリッジ回路を収納した請求項１４記載の直流遮断装置。
17. 機械式断路器と、
    前記機械式断路器に直列に接続された機械式遮断器と、
    請求項１から１１のいずれか１つに記載のスイッチング装置と、
    前記スイッチング装置を制御する制御装置と、
    を備え、
    前記スイッチング装置は、前記機械式断路器および前記機械式遮断器の直列回路に並列に接続され、
    前記制御装置は、前記機械式遮断器が開放された後に前記スイッチング装置を導通させ、
    前記スイッチング装置が導通後に前記機械式断路器を遮断する直流遮断システム。
18. 前記スイッチング装置は、前記プラズマスイッチの内部に水素を供給する水素貯蔵金属を含み、
    前記制御装置は、前記水素貯蔵金属から前記プラズマスイッチの内部に水素を供給する指令を生成する請求項１７記載の直流遮断システム。

Images