JPH03107330A - キヤパシタバンクの保護装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、エネルギー蓄積用キャパシタバンクに関し、
特にキャパシタバンクを構成するキャパシタユニットの
絶縁破壊などによる故障の拡大を防止する保護装置に関
する。

〔従来の技術〕

キャパシタを用いてエネルギーの蓄積を行い、閉路スイ
ッチを始動することによって、定められた時間に瞬時に
大電流を発生することが出来るキャパシタバンクは、構
成が単純で容易に大電流が得られることから、磁気閉じ
込めによるプラズマ実験装置などのパルス電源等として
広く用いられている。

キャパシタバンクは、キャパシタユニットを必要な容量
分だけ並列接続することによって構成される。この場合
、キャパシタバンクの充電中などにユニットのエレメン
トや端子部等の絶縁破壊事故が生じると、その故障キャ
パシタユニットがほとんど短絡状態になるので、並列に
接続された他の健全なキャパシタユニットのエネルギー
が故障キャパシタユニットに流れ込むことになる。キャ
パシタバンクのエネルギー量が小さいときは、各キャパ
シタユニット間に接続された伝送用ケーブル等のインピ
ーダンス分が短絡電流を抑制しエネルギーを吸収するこ
とである程度事故の拡大を防ぐ効果をもっている。しか
るに、近年は、装置の大型・大容量化などで電源エネル
ギーが太き（なる傾向があるので、伝送系などのインピ
ーダンス分だけでは絶縁破壊事故が生じた場合の流入エ
ネルギーが太き（なり、故障キャパシタユニットを爆発
させたり伝送路の許容電流池を越えて破壊に至らしめる
など事故を太き（する可能性が生じてきた。そのため、
故障キャパシタユニットに過大なエネルギーが流入する
のを防ぐための種々の方法が考えられている。

第２図は、特許第７３８５３６号に示された従来の保護
装置の一つで、図において、並列接続されたキャパシタ
ユニット０１〜Ｃｍのうち一つＣｘが絶縁破壊事故を起
こしたとき、故障キャパシタユニットＣｘに並列接続さ
れた他の健全なキャパシタユニットから保護短絡器Ｓｘ
へ流入する大電流を利用して、これにより発生させた電
磁力を用いて保護短絡器Ｓｘの絶縁を破ることによって
キャパシタユニットＣｘの高電圧側を外部で短絡し、故
障キャパシタユニットＣｘに電流が流れ込まないように
して爆発を防止しようというものである。なお、同図に
おいて、Ｓ１〜Ｓｎは保護短絡器、ＳＷは閉路スイッチ
、Ｌは負荷である。

また、第３図線、保護短絡器揖〜Ｓ！１の具体側で、例
えば、時開ＩＥ！？−８８２５号示されたものである。

第３図の保護短絡器は、故障キャパシタユニットＣｘへ
流入するエネルギーと電流により発生された電磁力の両
方を利用してヒユーズエレメント２を爆発溶断させ、故
障キャパシタユニットＣｘの端子間を絶縁する絶縁シー
ト４を破って短絡させ、故障キャパシタユニットＣｘヘ
エネルギーが流入しないようにしたものである。なお、
同図において、１．３は接続用集電板、５．６は押え板
、７は圧力抜き六８はボルトである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記従来のキャパシタバンクの保護装置
は、上述のように構成されているので、健全なキャパシ
タユニットの蓄積エネルギーを積極的に吸収する機能を
持つていないので、蓄積エネルギーが大きさ短絡電流と
なって流れ、それが放電回路自身が持っている抵抗分に
よって消費されるまで流れ続けてしまう。また、短絡電
流により、キャパシタバンクに接続されている閉路スイ
ッチ伝送系、負荷などに正常動作時には発生しない大き
な過渡的電圧が印加され、事故の規模が太き（なる恐れ
がある。さらに、保護短絡器が動作するまでの間、過大
な電流が故障キャパシタユニットを流れるため、キャパ
シタユニットを構成するエレメントや絶縁油の炭化など
の劣化は避けられない。ひいては、保護短絡器の動作遅
れ長（なると、キャパシタユニットの爆発など事故の規
模が更に太き（なる可能性もあるなどの問題点があった
。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであ
り、キャパシタユニットの蓄積エネルギーを積極的に吸
収し、事故時の大きな短絡電流を抑制することを目的と
している。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明におけるキャパシタバンクの保護装置は、健全な
キャパシタユニットの蓄積エネルギーを吸収する抵抗を
各キャパシタユニットに対応してそれぞれ直列に挿入す
るようにしたものである。

（作用〕 本発明にあっては、キャパシタユニットの内部絶縁破壊
による短絡事故が発生した時に、他の健全なキャパシタ
ユニットから故障キャパシタユニットへ流入する短絡電
流を各キャパシタユニットに対応してそれぞれ直列に挿
入した抵抗で吸収し、事故時の大きな短絡電流を抑制す
るように機能する。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を図について説明する。

第４図（、）において、同−容：ｌＣｏをもつキャパシ
タユニットＣ１〜Ｃｎが並列接続され、各キャパシタユ
ニットＣ１〜Ｃｍには抵抗値Ｒ□Ｂをもつエネルギー吸
収用抵抗Ｒ１〜Ｒｎがそれぞれ挿入されている。

いま、キャパシタユニットＣｘが短絡破壊事故を起こし
たとすると、この時の等価回路は、第４図価）のように
なる。そして、キャパシタユニットの充電電圧、内部抵
抗を各々ＶｅＲａとすると、短絡電流ｌ５ｌｌｌおよび
抵抗Ｒｘで吸収されるエネルギーＷＢｘは、 ｌ５Ｈ−Ｖｏ／　（ＲＡＢ＋Ｒ６）　Ｘ　（ｎ　−１）
　／　ｎｗＢＸ＝　Ｃ１１Ｖｏ　”　／　２　Ｘ　ＲＡ
Ｂ／　（ＲＡＢ　＋　Ｒ（１）　Ｘ　（ｎ−１）”／ｎ
となる。つまり、ＲＡＨ）　Ｒｅで並列数ｎが大きい場
合は、短絡電流はほぼエネルギー吸収用抵抗亀〜Ｒｎ　
の抵抗値ＲＡＢで制限された値をとり、はぼキャパシタ
バンクの全エネルギーがエネルギー吸収用抵抗Ｒ１〜Ｒ
ｎで吸収されることがわかる。つまり、短絡電流が流れ
て故障キャパシタユニットＣｘで吸収されるエネルギー
分が小さくなる。従って、従来用いられている保護短絡
器の類いは必ずしも必要ではない。また、短絡電流は、
振動を生じることもなく速やかに抵抗減衰され、電源を
構成する他の機器類への悪影響も非常に少ない。

なお、抵抗値ＲＡＢのエネルギー吸収用抵抗を挿入した
ことにより正常放電時の電流値が抑えられ、エネルギー
効率が低下することが予想されるが、このときの挿入抵
抗の等価値はＲＡＢ／’ｌとなり、放℃回路の抵抗分（
負荷コイルや伝送路の抵抗分）程度またはそれ以下にす
ることが十分可能である。

ここで、第４図と同じバンクパラメータを構成するのに
、充ＷＩＷｌ圧がＶ　ｏ　／　２でユニットエネルギー
が等しいキャパシタユニットを用いると、第５図のよう
にｎ　／　２のキャパシタを並列１こ接続しこれを２段
直列に接続する構成になる。ここで一つのユニットが故
障した場合、並列接続された残りのユニットからのエネ
ルギー吸収及び短絡電流は上述と同様（但し、第４図（
、）において、ｎの代わりにｎ　／　２、ＲＡＢの代わ
りにＲｈＶ’２となる。）であり、直列接続されたユニ
ット群の蓄積エネルギーが放電されることはない。従っ
て、この場合、挿入されたエネルギー吸収用抵抗が吸収
すべきエネルギー量は、第４図の場合の約ｌ／２でよい
。

また、一つのキャパシタユニットの電圧が半分になるの
で、絶縁破壊時に抵抗に印加される過渡電圧も小さくな
り耐電圧的にも楽になる。さらに、最近では、スイッチ
素子にサイリスタやダイオードなどの半導体を用いるこ
とが多いので、事故時の異常電圧が小さ（抑えられるの
は非常に好都合である。なお、ユニットの構成を２直列
にしてそれを並列接続するとバンクパラメータは同じこ
とになるが、１ユニツトが短絡破壊したとき直列に接続
されている他のユニットに定格電圧の約２倍が印加され
るので耐圧的に厳しく危険であり、好ましくない。

同様の考え方で、第１図のように直列接続数をに段にし
てユニット電圧を１／Ｋにすると、並列ユニット数が１
／にとなり、短絡事故時に故障ユニットの抵抗に流入す
るエネルギー量は約１／Ｋになるため抵抗の仕様が楽に
なる。なお、並列に接続されたキャパシタユニットの仕
様（容量や内部抵抗）が異なる場合、ユニット毎にエネ
ルギー吸収用抵抗の仕様を変えて挿入すれば安全に運転
することが可能である。

本発明の具体的実施例の回路構成をｆｓ６図に示す。Ｃ
ｒバンク（［流立ち上げ用バンク）は２０ｋＶ。

６２４ｋＪ　（１０ｋＶ、６．５ｋＪ　！二’／ト９６
台で構成）Ｃｆバンク（ｗＬ流維持用バンク）は３，３
ｋｖ、４ｏ。

ｋＪ（３，３ｋＶ、３．７ｋＪ　　：ｘ、ニット１０８
台で構成）の仕様である。Ｃｆバンク用制御素子はダイ
オードＤ１金持ちいている。キャパシタバンクの保護用
として以前は、キャパシタユニット破壊時の保護用に特
詫昭５７−８８８２５　　号の原理を用いた保護短絡器
と、キャパシタユニット間のデイカップルとしてキャパ
シタユニットから閉路スイッチｓＷまで５ｍの同軸ケー
ブルを用いていた。しかしながら、これらの対策ではＣ
ｒバンクのユニット破壊事故が生じた場合に、約４００
　ｋＡの短絡電流が流れることになり、伝送路の通電定
格を大幅に越えることになる。そこで、各キャパシタユ
ニットに０．６Ωのアルミナセラミックのディスク抵抗
をエネルギー吸収用抵抗として挿入する場合を検討した
。

この場合、短絡電流は１５．８ｋＡ、抵抗での吸収エネ
ルギーは〜３００ｋＪとなる。エネルギー吸収用抵抗を
挿入したことによる正常動作時の出力電流の減衰分は約
４５％である。エネルギー吸収用抵抗としてのディスク
抵抗の吸収可能なエネルギーおよび耐電圧は、実験を行
って各々〜１ｋＪ／ａｓおよび〜３　ｋ　Ｖ　／　０１
４以上であることが判明したので、外形９５闘、厚さ２
Ｂ１１１ｇの市＠規格の抵抗を３測置列に用いることに
よって解決できる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば正常動作時の出力波形
にはほとんど影春を与えることがなく、キャパシタユニ
ットの短絡破壊などの事故時に短絡電流を安全値以内に
抑え、蓄積エネルギーを速やかに吸収してユニット爆発
などの二次的事故の発生を抑えることができ、構成が簡
単で安価であり、実用性に富んだキャパシタバンクの保
護が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のキャパシタバンクの保護装
置を示す回路図、第２国は従来の保護装置を示す回路図
、第３図は第２図の保護短絡器の構成を示す所面図、第
４図（、）は本発明の実施例のキャパシタバンクの保護
装置を示す回路図、第４図（ｂ）は第４図（、）のキャ
パシタユニットＣｘが絶縁破壊事故を起こした場合の等
価回路図、第５図及び第６図は本発明の他の実施例を示
す回路図である。図において、ＣＩ　”’　”　＊　Ｃ
１１”’　ＣＩｎはキャパシタユニット、Ｒ１〜Ｒｎ、
Ｒ１１〜ＲＫｎはエネルギー吸収用抵抗、ＳＷは閉路ス
イッチ、Ｌは負荷である。 なお、各図中、同一符号は、同一あるいは相当部分を示
すものとする。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）キヤパシタユニツトを複数並列接続して構成され
   、蓄積エネルギーを瞬時に閉路スイツチを介して負荷へ
   大電流供給するキヤパシタバンクの保護装置において、
   任意のキヤパシタユニツトの内部絶縁破壊による短絡事
   故が発生した時に、他の健全なキヤパシタユニツトから
   上記任意のキヤパシタユニツトへ流入するエネルギーを
   吸収する抵抗を各キヤパシタユニツトに対応してそれぞ
   れ直列に挿入したことを特徴とするキヤパシタバンクの
   保護装置。
2. （２）複数並列接続して構成されたキヤパシタユニツト
   を、負荷の要求するな電圧応じて多段に直列接続したこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のキヤパシタ
   バンクの保護装置。