JPH1031924A

JPH1031924A - 複合型スイッチング装置

Info

Publication number: JPH1031924A
Application number: JP18470996A
Authority: JP
Inventors: Kunio Yokokura; 邦夫横倉
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-07-15
Filing date: 1996-07-15
Publication date: 1998-02-03
Anticipated expiration: 2016-07-15
Also published as: JP3581219B2

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、パワー半導体素子の使用個数が少
ないにも関わらず高電圧・大電流化を実現し、冷却装置
の不要と相まって低コスト化を達成することを目的とす
る。【解決手段】２個のＧＴＯ１，２又はＩＧＢＴの何れ
かの極性を逆方向にして並列接続したパワー半導体逆並
列回路と直列に第１の真空バルブ３を接続して直並列回
路とし、該直並列回路と各々並列に第２の真空バルブ４
及び非直線抵抗体５を接続したことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、遮断器等に用いる
複合型スイッチング装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電力系統で短絡等の事故が発生すると回
路には数１０ｋＡにも及ぶ大きな事故電流が流れ、事故
点ではその大電流によるアークが発生する。この大電流
が系統に流れることにより、系統の機器には大きな電磁
力が加わり、大電流が流れたことによるジュール損等に
よる発熱で機器の温度が上昇し絶縁物の特性劣化の原因
となる。また、事故点で発生したアークは高温であるた
め機器を溶融するなど、事故が進展、拡大するおそれが
ある。このような事故拡大を防止するために電力系統で
は遮断器が設置され、系統に異常な電流が流れると遮断
器でその電流を遮断することが行われる。現在の一般的
な遮断器では大電流が流れ始めてから電流遮断が完了す
るまでに数１０ｍｓの時間を要するため、事故の進展、
拡大を皆無にすることは困難であり、結果として事故復
旧に時間と費用を要することになる。

【０００３】大電流を従来の遮断器より速く切ることを
目的とした半導体遮断器や、大電流通電を検出して回路
インピーダンスを増大させる限流器等の提案がなされて
いる。半導体遮断器は、すでに電気鉄道の直流回路用の
遮断器として実際の系統に適用されているが高電圧交流
系統用の遮断器として使用された事例は知られていな
い。限流器は低電圧回路用が製品化されているが、高電
圧回路用としては超電導限流器が試作された段階であ
り、実際の系統で使用された事例は知られていない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】半導体遮断器を高電圧
回路に用いるためには、ＧＴＯ（Gate Turn-Off thyris
tor ），ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transisto
r ）等のパワー半導体素子の多数を直並列接続し、高電
圧・大電流に耐えられる構成にしなければならない。パ
ワー半導体素子を多数使用することで半導体遮断器のコ
ストは、従来の遮断器と比較して非常に高価なものにな
る。また、パワー半導体素子に通電すると、１素子当た
り数Ｖの電圧降下が生じ、この電圧降下は損失となりパ
ワー半導体素子の発熱につながる。多数のパワー半導体
素子を直並列にして使用することは、その素子数に比例
した発熱を処理するための冷却装置が必要になる。パワ
ーエレクトロニクス機器では冷却システムに要する費
用、スペースファクタは大きな値を占めている。さら
に、電力系統では多数の遮断器が用いられているが、こ
れらを半導体遮断器化することを想定すると、全体とし
ての遮断器部で消費されるエネルギーは大きなものにな
ることが想定される。

【０００５】本発明は、上記に鑑みてなされたもので、
パワー半導体素子の使用個数が少ないにも関わらず高電
圧・大電流化が達成でき、発熱量が少なく冷却装置の不
要と相まって低コスト化が達成でき、さらには高速遮断
性及び高信頼性を有する複合型スイッチング装置を提供
することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１記載の発明は、少なくとも２個の半導体ス
イッチの極性を逆方向にして並列接続したパワー半導体
逆並列回路と直列に第１の真空バルブを接続して直並列
回路とし、該直並列回路と各々並列に第２の真空バルブ
及び非直線抵抗体を接続してなることを要旨とする。こ
の構成により、常時の通電電流は、第２の真空バルブを
流れ、半導体スイッチを含む直並列回路には流れないの
で発熱量が少なくなる。大電流が流れたことが検知され
ると第２の真空バルブが開極し、そのアーク電圧で第２
の真空バルブを流れていた電流は直並列回路に転流す
る。転流後、第１の真空バルブを開極した後、半導体ス
イッチで強制的に電流遮断が行われる。半導体スイッチ
で電流を遮断するため、交流電流の零点を待たずに電流
の遮断が行われて遮断時間が短くなる。強制的な電流遮
断により、回路に発生する過電圧がある値以上に上昇す
るが、非直線抵抗体を介してそのエネルギーが放勢さ
れ、過電圧上昇が抑制される。電流遮断後に現れる回復
電圧は第１の真空バルブの極間で耐えることができ、パ
ワー半導体逆並列回路には殆ど電圧が加わらない。した
がって、半導体スイッチの直列数を最小にすることが可
能となる。

【０００７】請求項２記載の発明は、上記請求項１記載
の複合型スイッチング装置において、前記第１の真空バ
ルブ及び前記パワー半導体逆並列回路の各々と並列に当
該パワー半導体逆並列回路への過電圧印加防止用の抵抗
体を接続してなることを要旨とする。この構成により、
大電流が流れたときの半導体スイッチによる強制的な電
流遮断で発生する過電圧は非直線抵抗体でその上昇が抑
制される。このとき、非直線抵抗体による制限電圧は、
第１の真空バルブとパワー半導体逆並列回路の各々に加
わるが、半導体スイッチの漏れ抵抗、浮遊キャパシタン
スからなるインピーダンスより小さい値の抵抗体を第１
の真空バルブとパワー半導体逆並列回路の各々に並列に
接続することで、半導体スイッチに加わる電圧を制御す
ることが可能となる。

【０００８】請求項３記載の発明は、１対の対向電極と
該対向電極間の放電をトリガするトリガ電極とを有する
真空バルブと直列に半導体スイッチを接続してなること
を要旨とする。この構成により、複合型スイッチング装
置を閉動作させるときは、トリガ電極にトリガ信号を入
力することで、真空バルブの対向電極間に主放電が起き
装置はオン状態となる。複合型スイッチング装置を開動
作させるときは、半導体スイッチのゲート端子にオフ信
号を入力することで、流れている電流を強制的に遮断す
る。

【０００９】請求項４記載の発明は、第１の真空バルブ
と第２の真空バルブを直列接続して直列回路とし、少な
くとも２個の半導体スイッチの極性を逆方向にして並列
接続したパワー半導体逆並列回路を前記第２の真空バル
ブと並列に接続し、前記直列回路と並列に非直線抵抗体
を接続してなることを要旨とする。この構成により、常
時の通電電流は、第１の真空バルブと第２の真空バルブ
の直列回路を流れ、半導体スイッチからなるパワー半導
体逆並列回路には流れないので発熱量が少なくなる。大
電流が流れたことが検知されると第１の真空バルブと第
２の真空バルブが同時に開極し、第２の真空バルブに現
れたアーク電圧で第２の真空バルブを流れていた電流は
パワー半導体逆並列回路に転流する。転流後、半導体ス
イッチで強制的に電流遮断が行われる。半導体スイッチ
で電流を遮断するため、交流電流の零点を待たずに電流
の遮断が行われて遮断時間が短くなる。

【００１０】請求項５記載の発明は、上記請求項１，２
又は４記載の複合型スイッチング装置を、非接地３相交
流系統の２相の線路の各々に遮断器として設置してなる
ことを要旨とする。この構成により、負荷側で３相短絡
事故が発生した場合、非接地３相交流系統では、遮断器
で、その２相の電流を遮断すると、残りの相電流も零に
なる。

【００１１】請求項６記載の発明は、上記請求項１，
２，３又は４記載の複合型スイッチング装置において、
前記真空バルブと前記半導体スイッチとが直列に接続さ
れた回路構成部において、前記真空バルブの固定軸側を
前記半導体スイッチに接続してなることを要旨とする。
この構成により、真空バルブの可動軸は駆動時の操作エ
ネルギーを少なくするため、その径は小さく、また、こ
の可動軸に接続されている可撓導体も断面積が小さい。
このため、可動軸側は固定軸側に比べると伝熱抵抗が大
きく、電流通電時の温度上昇は固定軸側の方が少ない。
半導体スイッチを、この固定軸側に接続することで、温
度上昇を抑制することが可能となる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。

【００１３】図１は、本発明の第１の実施の形態を示す
図である。まず、本実施の形態の複合型スイッチング装
置の構成を説明する。図１において、パワー半導体素子
であるＧＴＯ１とＧＴＯ２が互いに極性を逆方向にして
並列接続されてパワー半導体並列回路が形成され、この
パワー半導体並列回路と直列に第１の真空バルブ３が接
続されて直並列回路が形成されている。そして、この直
並列回路にそれぞれ並列に、第２の真空バルブ４及び非
直線抵抗体５が接続されている。

【００１４】次に、上述のように構成された第１の実施
の形態の作用を説明する。常時の通電中は第１の真空バ
ルブ３及び第２の真空バルブ４は閉じた状態であり、Ｇ
ＴＯ１及びＧＴＯ２のゲート信号は入力されていない。
この状態で回路に流れる電流は第２の真空バルブ４を流
れている。大電流が流れたことが検知されると、第２の
真空バルブ４が高速に開極されるとともにＧＴＯ１及び
ＧＴＯ２にゲート信号が入力される。そして、第２の真
空バルブ４の極間にはアークが発生し、第２の真空バル
ブ４の端子間には数１０Ｖの電圧が発生する。この電圧
発生により、第２の真空バルブ４を流れている電流は第
１の真空バルブ３とＧＴＯ１，ＧＴＯ２からなる直並列
回路側に転流する。第２の真空バルブ４を流れていた電
流が全て直並列回路側に転流した後に第１の真空バルブ
３を開極し、第１の真空バルブ３の極間はアークで橋絡
される。次いでＧＴＯ１及びＧＴＯ２のゲート端子に遮
断信号が入力され、ＧＴＯ１或いはＧＴＯ２に流れてい
る電流は強制的に遮断される。ＧＴＯ１或いはＧＴＯ２
で電流が遮断されたため、第１の真空バルブ３の極間を
橋絡していたアークは消滅し、極間は絶縁が回復する。
強制的な電流遮断により回路に発生する過電圧がある値
以上に上昇するが、非直線抵抗体５を介して、そのエネ
ルギーが放勢され、過電圧上昇が抑制される。

【００１５】上述したように、第１の実施の形態によれ
ば、常時の通電電流は、第２の真空バルブ４を流れ、Ｇ
ＴＯ１及びＧＴＯ２には流れないため、ＧＴＯ部での発
熱がなくなる。第２の真空バルブ４の極間は金属接触で
あるから、その接触抵抗はＧＴＯ通電時の等価的な抵抗
値と比較して非常に小さい。したがって、スイッチング
装置が全てＧＴＯで構成された時の発熱量に比べ、本方
式での発熱量は非常に小さい。このため、冷却装置は不
要となる。

【００１６】一般の交流遮断器での電流遮断は、交流電
流の零点で行われる。それ以外の点で交流遮断器が開極
しても、極間はアークで橋絡され、交流電流の零点が来
てから遮断される。本実施の形態では、ＧＴＯで電流を
遮断するため交流電流の零点を待たずに、ＧＴＯゲート
に遮断信号が入力されると、その時点で電流が遮断され
るため、遮断時間が短くなる。電流が遮断されると、本
実施の形態のスイッチング装置の両端には回復電圧が現
れ、遮断が成功するためには、この回復電圧にスイッチ
ング装置が耐えられなければならない。従来の半導体遮
断器では、この回復電圧を考慮し、半導体素子の直列接
続数を増やしていた。しかし、本実施の形態では、ＧＴ
Ｏと直列に第１の真空バルブ３が接続されているため、
電流遮断後に現れる回復電圧は第１の真空バルブ３の極
間で耐えることができ、ＧＴＯ端子間には殆ど電圧が加
わらない。本実施の形態では、ＧＴＯの直列数は１でよ
い。したがって、本実施の形態では、パワー半導体素子
の必要数を最小にすることができる。

【００１７】図２には、本発明の第２の実施の形態を示
す。本実施の形態では、第１の実施の形態の複合型スイ
ッチング装置の構成において、さらに、第１の真空バル
ブ３と並列に抵抗体６を接続し、ＧＴＯ１とＧＴＯ２か
らなるパワー半導体並列回路と並列に抵抗体７を接続し
たものである。

【００１８】次に、上述のように構成された第２の実施
の形態の作用を説明する。スイッチング装置が遮断状態
では、スイッチング装置端子間に回路電圧が常時加わっ
ている。また、電流遮断時には、過渡的に回路に発生し
た過電圧がスイッチング装置端子間に加わる。スイッチ
ング装置端子間に加わる過電圧は非直線抵抗体５で制限
されるため、スイッチング装置端子間に加わる最大過電
圧は非直線抵抗体５の最大許容インパルス電流通電時の
制限電圧Ｖmxになる。この制限電圧Ｖmxは第１の真空バ
ルブ３とＧＴＯ１、ＧＴＯ２の直並列回路にも加わる
が、第１の真空バルブ３に加わるＶmx₂とＧＴＯ１，Ｇ
ＴＯ２に加わるＶmx₁は、Ｖmx＝Ｖmx₁＋Ｖmx₂ （１）であり、Ｖmx₁，Ｖmx₂は、第１の真空バルブ３の漏れ
抵抗、浮遊キャパシタンスとＧＴＯ１，ＧＴＯ２のスナ
バー回路、漏れ抵抗、浮遊キャパシタンスで決まってく
る。ＧＴＯなどの半導体素子は定格オフ電圧等の規定電
圧値を超えた過電圧が加わると素子破壊に至ってしま
う。このため、Ｖmx₁がＧＴＯの規定値を超えない設計
が要求される。しかし、漏れ抵抗や浮遊キャパシタンス
は部品配置や環境の影響を受け、精度の良い管理が困難
である。このため、第１の真空バルブ３とＧＴＯ１，Ｇ
ＴＯ２からなるパワー半導体並列回路との各々に並列に
抵抗体６、抵抗体７を接続し、これらの抵抗値を漏れ抵
抗や浮遊キャパシタンスからなるインピーダンスより小
さくすることで、並列に接続した抵抗体６，７でＧＴＯ
１，ＧＴＯ２に加わる過電圧Ｖmx₁を制御することがで
きる。

【００１９】上述したように、第２の実施の形態によれ
ば、ＧＴＯ１，ＧＴＯ２に過電圧が加わるのを防止する
ことができる。

【００２０】図３には、本発明の第３の実施の形態を示
す。まず、構成を説明すると、真空バルブ３は、内部に
対向する１対の電極と、これと別にトリガ電極３１を有
している。対向する電極の一方はパワー半導体素子であ
るＧＴＯ１に接続されている。また、トリガ電極３１は
外部のトリガ電源８に接続されている。

【００２１】次に、上述のように構成された第３の実施
の形態の作用を説明する。ＧＴＯ１のゲート端子にオン
信号が入力しＧＴＯ１がオン状態で、トリガ電源８から
トリガ電極３１にトリガ信号が入力されると、トリガ電
極３１と電極間で放電が起き、その影響で真空バルブ３
の対向電極間で主放電が起き、電極間はアークで橋絡
し、複合型スイッチング装置はオン状態になる。複合型
スイッチング装置に流れている電流を遮断するときに
は、ＧＴＯ１のゲート端子にオフ信号を入力することで
ＧＴＯ１を流れている電流が強制的に遮断される。これ
により、真空バルブ３の対向電極間を橋絡していたアー
クが消滅し、電極間の絶縁が回復する。

【００２２】上述したように、第３の実施の形態によれ
ば、複合型スイッチング装置の開閉に合わせて真空バル
ブ３の対向する電極の開閉動作を機械的に駆動する操作
機構が不要になり、複合型スイッチング装置の開閉を短
時間で行うことができる。

【００２３】図４には、本発明の第４の実施の形態を示
す。本実施の形態は、直流回路へ適用する複合型スイッ
チング装置としたものであり、前記図２の構成からＧＴ
Ｏ２を除いた構成としたものである。

【００２４】上述の構成からなる第４の実施の形態の作
用を説明する。常時の通電時は第１の真空バルブ３及び
第２の真空バルブ４は閉路状態にあり、通電電流は第２
の真空バルブ４を図４中、上から下へ流れる。大電流が
流れたことが検知されると、第２の真空バルブ４が開極
し、極間はアークで橋絡され、第２の真空バルブ４の端
子間にはアーク電圧数１０Ｖが発生する。これと同時に
ＧＴＯ１にはオン信号が入力される。第２の真空バルブ
４の端子間に現れたアーク電圧により、第２の真空バル
ブ４を流れていた電流は第１の真空バルブ３とＧＴＯ１
の直列回路側に転流する。第２の真空バルブ４を流れて
いた電流が全て直列回路側に転流した後に、第１の真空
バルブ３を開極させ、極間をアークで橋絡させる。その
後、ＧＴＯ１にオフ信号を入力すると、第１の真空バル
ブ３とＧＴＯ１を流れていた電流は遮断され、第１の真
空バルブ３の極間を橋絡していたアークは消滅し、第１
の真空バルブ３の極間は絶縁が回復する。

【００２５】上述したように、第４の実施の形態によれ
ば、直列回路では電流の流れる方向が一定であるから、
ＧＴＯの極性をそれに合わせることができ、交流回路用
の複合型スイッチング装置より素子数を減らすことがで
きる。

【００２６】図５には、本発明の第５の実施の形態を示
す。本実施の形態は、３相非接地電源１１から負荷１２
へ３相３線式で給電する系統において、給電線路の２相
に、前記第１の実施の形態乃至第３の実施の形態のうち
の何れかの交流用複合型スイッチング装置１０を設置し
たものである。

【００２７】次に、上述のように構成された第５の実施
の形態の作用を説明する。図５おいて、複合型スイッチ
ング装置１０と負荷１２との間で３相短絡事故が発生し
たとすると、各相には電源１１より、２相は複合型スイ
ッチング装置１０を介し、他の１相は複合型スイッチン
グ装置を介さずに事故点に向けて短絡電流が流れると、
Ｒ，Ｓ，Ｔ各相に流れる電流をＩr ，Ｉs ，Ｉt とする
と、電源１１が非接地であることから、Ｉr ＋Ｉs ＋Ｉt ＝０（２）が成り立つ。ここで、複合型スイッチング装置１０がＲ
相、Ｓ相に設置されているとし、短絡電流を複合型スイ
ッチング装置１０で遮断すると、Ｉr ＝０，Ｉs＝０と
なるから、これを（２）式に代入すると、Ｉt ＝０とな
り、２相の電流が遮断されると残りの相電流も零にな
る。

【００２８】上述したように、第５の実施の形態によれ
ば、非接地３相交流系統に使用する場合は、複合型スイ
ッチング装置１０を２相だけに設置することで電流遮断
ができ、複合型スイッチング装置の設置数を減らすこと
ができる。

【００２９】図６には、本発明の第６の実施の形態を示
す。本実施の形態は、第２の真空バルブ４側を、直列接
続した複数個の真空バルブで構成したものであり、前記
図２の構成において、第２の真空バルブ側が、第２の真
空バルブ４ａ、第３の真空バルブ４ｂ及び第４の真空バ
ルブ４ｃの直列接続構成となっている。

【００３０】次に、上述のように構成された第６の実施
の形態の作用を説明する。図６において、複合型スイッ
チング装置が常時の通電状態にある場合、第１の真空バ
ルブ３及び第２〜第４の真空バルブ４ａ，４ｂ，４ｃは
閉路状態にあり、通電電流は第２〜第４の真空バルブ４
ａ，４ｂ，４ｃの直列回路上を流れている。大電流が流
れたことが検知されると、第２〜第４の真空バルブ４
ａ，４ｂ，４ｃが開極し、第２〜第４の真空バルブ４
ａ，４ｂ，４ｃの各極間はアークで橋絡され、第２〜第
４の真空バルブ４ａ，４ｂ，４ｃの各端子間にはアーク
電圧が発生する。これと同時にＧＴＯ１，ＧＴＯ２のゲ
ート端子にはオン信号が入力される。第２〜第４の真空
バルブ４ａ，４ｂ，４ｃのアーク電圧発生により、第２
〜第４の真空バルブ４ａ，４ｂ，４ｃの直列回路上を流
れている電流は、第１の真空バルブ３とＧＴＯ１，ＧＴ
Ｏ２の直並列回路側に転流する。第２〜第４の真空バル
ブ４ａ，４ｂ，４ｃを流れていた電流が全て直並列回路
側に転流すると、第１の真空バルブ３が開極し、第１の
真空バルブ３の極間はアークで橋絡される。その後、Ｇ
ＴＯ１，ＧＴＯ２のゲート端子にオフ信号が入力され、
第１の真空バルブ３とＧＴＯ１，ＧＴＯ２の直並列回路
を流れている電流が遮断される。電流遮断により第１の
真空バルブ３の極間を橋絡していたアークは消滅し、第
１の真空バルブ３の極間の絶縁が回復する。

【００３１】上述したように、第６の実施の形態によれ
ば、次のような効果が得られる。即ち、真空バルブのア
ーク電圧は数１０Ｖで、アーク長に殆ど影響されない。
したがって、真空バルブ極間長を長くして、発生するア
ーク長を長くしてもアーク電圧は殆ど上昇しない。そこ
で、本実施の形態のように、複数個の真空バルブを直列
接続し、各真空バルブ毎に数１０Ｖのアーク電圧を発生
させることで、直列接続された複数個の真空バルブ全体
で大きなアーク電圧が得られる。アーク電圧が大きくな
ると、第２〜第４の真空バルブ４ａ，４ｂ，４ｃを流れ
ていた電流は第１の真空バルブ３とＧＴＯ１，ＧＴＯ２
の直並列回路に転流する時間が短くなる。

【００３２】図７には、本発明の第７の実施の形態を示
す。図７において、下部導体２１上にはＧＴＯ１とＧＴ
Ｏ２及び第２の真空バルブ４が取り付けられている。Ｇ
ＴＯ１とＧＴＯ２は極性が逆極性で取り付けられてい
る。第２の真空バルブ４は、その固定軸４１が下部導体
２１に取り付けられている。第２の真空バルブ４は、絶
縁円筒４４と端部のフランジ４５で覆われて高真空に維
持された内部空間に、対向する１対の電極４３が各々固
定軸４１と可動軸４２に取り付けられて配置されてい
る。可動軸４２とフランジ４５間はベローズ４６で気密
に維持された状態で可動軸４２が外部に導出されてい
る。外部の操作機構からの駆動力により可動軸４２が図
中、上下に移動することで、真空中の対向する電極４３
が接離するようになっている。可動軸４２には可撓導体
２４の一端が固定され、可撓導体２４の他端は上部導体
２３に固定されている。また、可動軸４２の端部には絶
縁ロッド２６が取り付けられ、絶縁ロッド２６の他端は
操作機構に連結されている。一方、ＧＴＯ１，ＧＴＯ２
の他端は中間導体２２に接続されている。中間導体２２
には第１の真空バルブ３の固定軸３２が固定されてい
る。第１の真空バルブ３の内部構成は、第２の真空バル
ブ４の内部構成と同じであるため、ここでは説明を省略
する。第１の真空バルブ３の可動軸３３には可撓導体２
５の一端が固定され、可撓導体２５の他端は上部導体２
３に固定されている。可動軸３３の端部には絶縁ロッド
２７が取り付けられ、絶縁ロッド２７の他端は操作機構
に連結されている。

【００３３】次に、上述のように構成された第７の実施
の形態の作用を説明する。常時の通電時は第１の真空バ
ルブ３の１対の電極３４と第２の真空バルブ４の１対の
電極４３は閉路状態にあり、上部導体２３から流入した
電流は可撓導体２４から可動軸４２へ流れ、閉路された
電極４３を通り固定軸４１から下部導体２１へ流れてい
る。大電流が流れたことが検知されると、操作機構が作
動し、絶縁ロッド２６が図中、上方に駆動されるのに伴
い、可動軸４２も上方へ動作することで１対の電極４３
が開離する。電極４３が開離すると極間にはアークが発
生し、電極４３間はアークで橋絡され、電流は引き続き
同じ部位を流れる。電極４３の開離とともにＧＴＯ１と
ＧＴＯ２のゲート端子にオン信号が入力し、ＧＴＯ１と
ＧＴＯ２の一方がオン状態になる。電極４３間にアーク
が発生したことで、上部導体２３と下部導体２１間には
数１０Ｖのアーク電圧に対応した電圧が現れる。この電
圧により、第２の真空バルブ４を流れている電流は第１
の真空バルブ３からＧＴＯ１或いはＧＴＯ２側に分流
し、ついには全ての電流が第１の真空バルブ３からＧＴ
Ｏ１或いはＧＴＯ２側に流れるようになり、転流が完了
する。その後、操作機構からの駆動力で絶縁ロッド２７
が図中、上方へ駆動され、これにより可動軸３３が動
き、電極３４が開離し、電極３４間にはアークが発生
し、電極３４間はアークで橋絡される。次に、ＧＴＯ１
及びＧＴＯ２のゲート端子にオフ信号が入力され、ＧＴ
Ｏ１或いはＧＴＯ２に流れている電流が遮断される。こ
の電流遮断により第１の真空バルブ３の電極３４間を橋
絡していたアークが消滅し、電極３４間の絶縁が回復す
る。

【００３４】上述したように、第７の実施の形態によれ
ば、次のような効果が得られる。即ち、真空バルブに電
流を連続して通電し、可動軸と固定軸の温度上昇を測定
すると固定軸側の温度上昇が少ない。これは、駆動時に
動作する可動部質量を低減し操作エネルギーを少なくす
るために可動軸径を小さくし、また図７に示す可動軸３
３，４２からの上部導体２３への電路として採用する可
撓導体２４，２５の操作性を確保するために、その可撓
導体２４，２５の断面積が小さくなり、伝熱抵抗が大き
くなるなどが要因としてあげられる。一方、ＧＴＯ等の
半導体素子は高い温度環境で使用することができない。
このため、半導体素子に接続される真空バルブ端を真空
バルブの固定軸側に設定したことでＧＴＯ部の温度上昇
を抑制することができる。

【００３５】図８には、本発明の第８の実施の形態を示
す。まず、本実施の形態の構成を説明すると、第１の真
空バルブ３と第２の真空バルブ４とが直列接続されてい
る。また、ＧＴＯ１とＧＴＯ２が互いに極性を逆方向に
して並列接続され、このパワー半導体並列回路が第２の
真空バルブ４と並列接続されている。第１の真空バルブ
３と第２の真空バルブ４の直列回路には、並列に非直線
抵抗体５が接続されている。

【００３６】次に、上述のように構成された第８の実施
の形態の作用を説明する。常時の通電時は第１の真空バ
ルブ３と第２の真空バルブ４は閉路状態にあり、複合型
スイッチング装置に流れる電流は、第１の真空バルブ３
と第２の真空バルブ４を介して流れる。流れる電流が事
故等で大電流になったことが検知されると、第１の真空
バルブ３と第２の真空バルブ４は開極し、第１の真空バ
ルブ３及び第２の真空バルブ４の極間はアークで橋絡さ
れ、同じ部位を電流が流れ、第１の真空バルブ３及び第
２の真空バルブ４の各々の両端にはアーク電圧数１０Ｖ
が現れる。次いで、ＧＴＯ１及びＧＴＯ２のゲート端子
にオン信号が入力されると、ＧＴＯ１或いはＧＴＯ２の
一方がオン状態になる。第２の真空バルブ４の両端に現
れたアーク電圧により、第２の真空バルブ４を流れてい
る電流はＧＴＯ１或いはＧＴＯ２へ転流する。転流が完
了すると第２の真空バルブ４の極間を橋絡していたアー
クは消滅し、第２の真空バルブ４の極間は絶縁が回復す
る。次に、ＧＴＯ１及びＧＴＯ２のゲート端子にオフ信
号が入力されると、流れている電流が強制的に遮断さ
れ、第１の真空バルブ３の極間を橋絡していたアークは
消滅し、第１の真空バルブ３の極間の絶縁が回復する。

【００３７】上述したように、第８の実施の形態によれ
ば、第１の真空バルブ３と第２の真空バルブ４は大電流
検知後、同時に開極する。このため、第１の実施の形態
から第７の実施の形態で示した方式のように、第１の真
空バルブ３と第２の真空バルブ４の開極のタイミングを
ずらす必要がない。この結果、第１の真空バルブ３及び
第２の真空バルブ４の操作機構をシンプルな構成にする
ことができる。

【００３８】本発明の第９の実施の形態を説明する。本
実施の形態は、上記第１の実施の形態から第８の実施の
形態の回路構成において、ＧＴＯの直列数を１とするも
のである。

【００３９】第９の実施の形態の作用を説明すると、電
流遮断をＧＴＯで行い、電流遮断後の絶縁を真空バルブ
で行う。

【００４０】上述したように、第９の実施の形態によれ
ば、ＧＴＯの直列数が１であるため、複合型スイッチン
グ装置のＧＴＯの使用個数を極小にすることができる。

【００４１】なお、上述の各実施の形態において、パワ
ー半導体素子としてＧＴＯを用いたが、ＩＧＢＴを用い
ることもできる。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１記載の発
明によれば、少なくとも２個の半導体スイッチの極性を
逆方向にして並列接続したパワー半導体逆並列回路と直
列に第１の真空バルブを接続して直並列回路とし、該直
並列回路と各々並列に第２の真空バルブ及び非直線抵抗
体を接続したため、常時の通電電流は、第２の真空バル
ブを流れ、半導体スイッチを含む直並列回路には流れな
いので、大電流化が得られるにも関わらず発熱量が少な
くなって冷却装置が不要となる。事故等で大電流が流れ
たときは、半導体スイッチで強制的に電流遮断が行われ
るので、交流電流の零点を待たずに電流が遮断されて遮
断時間が短くなり高速遮断性能が発揮される。強制的な
電流遮断で回路に発生する過電圧の上昇は非直線抵抗体
で抑制され、過電圧上昇による半導体スイッチの特性劣
化が防止されて高信頼性が得られる。電流遮断後に現れ
る回復電圧は第１の真空バルブの極間で耐えることがで
き、パワー半導体逆並列回路には殆ど電圧が加わらない
ので、半導体スイッチの直列数を最小にすることがで
き、上記の冷却装置の不要と相まって低コスト化を達成
することができる。

【００４３】請求項２記載の発明によれば、前記第１の
真空バルブ及び前記パワー半導体逆並列回路の各々と並
列に当該パワー半導体逆並列回路への過電圧印加防止用
の抵抗体を接続したため、非直線抵抗体による制限電圧
は、第１の真空バルブとパワー半導体逆並列回路の各々
に加わるが、半導体スイッチの漏れ抵抗、浮遊キャパシ
タンスからなるインピーダンスより小さい値の過電圧印
加防止用抵抗体を第１の真空バルブとパワー半導体逆並
列回路の各々に並列に接続することで、半導体スイッチ
に加わる電圧を制御することができ、半導体スイッチに
過電圧が加わるのを確実に防止することができて信頼性
を一層高めることができる。

【００４４】請求項３記載の発明によれば、１対の対向
電極と該対向電極間の放電をトリガするトリガ電極とを
有する真空バルブと直列に半導体スイッチを接続したた
め、トリガ電極にトリガ信号を入力することで、装置を
オン状態とすることができ、半導体スイッチのゲート端
子にオフ信号を入力することで、装置を強制的にオフ状
態にすることができるので、対向電極の開閉動作を機械
的に駆動する操作機構が不要になるとともに開閉動作の
高速性が得られる。

【００４５】請求項４記載の発明によれば、第１の真空
バルブと第２の真空バルブを直列接続して直列回路と
し、少なくとも２個の半導体スイッチの極性を逆方向に
して並列接続したパワー半導体逆並列回路を前記第２の
真空バルブと並列に接続し、前記直列回路と並列に非直
線抵抗体を接続したため、前記請求項１記載の発明の効
果とほぼ同様の効果に加えてさらに、大電流の流れたこ
とが検知されたとき第１の真空バルブと第２の真空バル
ブが同時に開極するので、第１の真空バルブと第２の真
空バルブの開極のタイミングをずらす必要がなく、操作
機構の構成がシンプルになって、一層の低コスト化を達
成することができる。

【００４６】請求項５記載の発明によれば、複合型スイ
ッチング装置を、非接地３相交流系統の２相の線路の各
々に遮断器として設置したため、複合型スイッチング装
置を２相だけに設置することで、３相の電流遮断ができ
て複合型スイッチング装置の設置数を減らすことができ
る。

【００４７】請求項６記載の発明によれば、前記真空バ
ルブと前記半導体スイッチとが直列に接続された回路構
成部において、前記真空バルブの固定軸側を前記半導体
スイッチに接続したため、真空バルブの可動軸側は駆動
時の操作エネルギーを少なくする等のため、固定軸側に
比べると伝熱抵抗が大きいので、電流通電時の温度上昇
は固定軸側の方が少なくなる。したがって半導体スイッ
チを、この固定軸側に接続することで温度上昇による特
性劣化を防止することができて一層の高信頼性を得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る複合型スイッチング装置の第１の
実施の形態を示す回路図である。

【図２】本発明の第２の実施の形態を示す回路図であ
る。

【図３】本発明の第３の実施の形態を示す回路図であ
る。

【図４】本発明の第４の実施の形態を示す回路図であ
る。

【図５】本発明の第５の実施の形態を示すブロック図で
ある。

【図６】本発明の第６の実施の形態を示す回路図であ
る。

【図７】本発明の第７の実施の形態を示す構成図であ
る。

【図８】本発明の第８の実施の形態を示す回路図であ
る。

【符号の説明】

１，２ＧＴＯ３第１の真空バルブ４第２の真空バルブ５非直線抵抗体６，７抵抗体１０複合型スイッチング装置１１３相非接地電源３１トリガ電極３２，４１固定軸３３，４２可動軸３４，４３電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも２個の半導体スイッチの極性
を逆方向にして並列接続したパワー半導体逆並列回路と
直列に第１の真空バルブを接続して直並列回路とし、該
直並列回路と各々並列に第２の真空バルブ及び非直線抵
抗体を接続してなることを特徴とする複合型スイッチン
グ装置。
【請求項２】前記第１の真空バルブ及び前記パワー半
導体逆並列回路の各々と並列に当該パワー半導体逆並列
回路への過電圧印加防止用の抵抗体を接続してなること
を特徴とする請求項１記載の複合型スイッチング装置。
【請求項３】１対の対向電極と該対向電極間の放電を
トリガするトリガ電極とを有する真空バルブと直列に半
導体スイッチを接続してなることを特徴とする複合型ス
イッチング装置。
【請求項４】第１の真空バルブと第２の真空バルブを
直列接続して直列回路とし、少なくとも２個の半導体ス
イッチの極性を逆方向にして並列接続したパワー半導体
逆並列回路を前記第２の真空バルブと並列に接続し、前
記直列回路と並列に非直線抵抗体を接続してなることを
特徴とする複合型スイッチング装置。
【請求項５】非接地３相交流系統の２相の線路の各々
に遮断器として設置してなることを特徴とする請求項
１，２又は４記載の複合型スイッチング装置。
【請求項６】前記真空バルブと前記半導体スイッチと
が直列に接続された回路構成部において、前記真空バル
ブの固定軸側を前記半導体スイッチに接続してなること
を特徴とする請求項１，２，３又は４記載の複合型スイ
ッチング装置。