JPS6056270A - 直流遮断器の遮断試験方法 - 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】 〔発明の属する技術分野〕 この発明は電気鉄道、電気化学、製鉄などの直流電気設
備圧おける直流電路や直流機器の保護に使用される直流
遮断器の電流遮断能力を検証する遮断試験方法に関する
。

〔従来技術とその問題点〕

直流電気設備における直流電路や直流機器の短絡事故に
よって流れる短絡電流を、接点の開閉が機械的に行なわ
れる従来の直流遮断器によって遮断する際には、通常直
流遮断器の有する限流作用により、短絡電流がその最終
波高値に到達する以前に遮断される。第１図にこのとき
の電圧、電流の波形の一例を示す。図において川は短絡
電流が遮断器を始動させる電流■。に到達した時点、′
■゛１は遮断器の始動後、すなわち引外し開始後、固定
。

可動両接点が開離する時点、Ｔ２は両接点の開離によっ
て生じたアークが急速に引き伸ばされはじめた時点であ
る。従ってＴ、と′１′２との間はアークの膠着時間を
意味する。図に示されるように遮断器の電源側電圧は短
絡事故の継続期間中はその内部インピーダンスによる電
圧降下によって凹状に小さくなり、また直流遮断器の端
子電圧すなわち極間電圧は接点開離の時点ＴＩまでは零
値を継続し、開離と同時に接点間に発生しｍｓオーダの
膠着時間゛Ｉ′、〜Ｔ２を経て急速に引き伸ばされたア
ークのアーク電圧となる。また短絡電流は短絡開始から
アーク、５ｚ急速に引き伸ばされはじめる時点ｑ’、ｔ
では、電源電圧と短絡回路のインピーダンスとによって
き捷る電流波形をもって上昇をつづけるが、アークカ；
引き伸ばされると同時にその高いアーク電圧によって急
速に減衰しはじめる。この減衰開始時点における電流値
すなわち限流値■５は、接触子の機械的開閉動作によっ
て遮断を行なう従来の１ａ流遮断器においては、たとえ
ば直流電源の電源電圧が１５００Ｖ　、短絡電流の最終
波高値りが５０　ｋＡ、短絡瞬時の短絡電流の上昇速度
すなわち突進率が３×ＩＱ’　Ａ７’ｓ　のときに約２
５ｋＡとなる。

一方、近年、直流遮断器として半導体を使用した静止形
のものが実用されはじめている。この半導体直流遮断器
は、従来の機械的な直流遮断器のように、短絡電流の電
流値が直流遮断器を始動させる値になってから接点が開
離するまでの時間おくれやアークの膠着時間がなく、直
ちに限流遮断の過程に入るから、限流値の大きさは遮断
器を始動させる電流値とほぼ等しく、従って始動電流の
設定の仕方により短絡電流の最終波高値の’ＡＯ程度に
することが可能である。いまこれら機械的な直流遮断器
と半導体遮断器のそれぞれについてその構造原理ないし
動作原理を説明する。

第２図に機械的な直流遮断器の構造原理図を示す。図に
おいて１は固定接点、２け可動接点、３は通電レバー、
４は接続導体、５は誘導分路、６は開放はね、７け固定
、可動両接点間に生じたアークが引き伸ばされる部屋を
形成するアークシュート、８はとのアーク７ユートの外
側に対向して配されアークを駆動する磁束の通路となる
一磁極板、９は直列吹消コイルである。１０は保持マグ
ネットであって１１はその鉄心、１２は接極子、１３は
図示しない別置の直流電源と接続された保持コイル、１
４は誘導分路５とともに分流回路を形成するバッキング
バーであって引外しコイルの役を果すもの、１５はバン
キングパー１４によって励磁されるバイパスコア、１６
は鉄心１１の磁気抵抗を調整することによって接極子１
２が引き外されるときの短絡電流の大きさく第１図のＬ
）を変える、いわゆる目盛り電流調整ねじである、 このように構成された直流遮断器の両端子Ｘ。

Ｙの間に短絡電流工が流れると、誘導分路５の両端に生
じた電位差によってノくノキングノ＜−１４に短絡電流
が分流し、バイパスコア１５を励磁する。この励磁によ
ってバイパスコアを通過する磁束は、保持コイル１３に
よってあらかじめ接極子を通過していた磁束を弱めると
ともに保持コイルの巻かれている゛鉄心を飽和させ、接
極子に対する保持マグネットの保持力を弱めようとする
。・（ノキングノ：−に流れる電流がある値に到達する
と、この保持力は開放ばね６の力よりも小さくなるから
この時点から遮断器の引外しが始捷る。もしも直流電路
のインピーダンスが小さく、短絡′ＩＩＬ流が時間とと
もに増加して行くときの時間変化の割合が大きいときに
は誘導分路５０両端の電位差が大きくなり、これに伴り
てバッキングバーに流れる「Ｂ流も大きくなるから、た
とえば短絡電流の突進率すなわち短絡瞬時における１に
流度化率が３×１０°Ａ／ｓ程度に太きいときには、短
絡電流が漸増する場合に比し、遮断器を引き外す始動電
流値は大幅に小さくなる。

このように短絡電流の波形によって短絡事故の発生時点
から遮断器の引外し開始すなわち始動までの時間が異な
るため、試験に際しては突進率と短絡電流の最終波高値
とを一定とし、との突進率のもとに引外しが開始される
電流を目盛り電流として試験が行なわれる。この試験に
おける短絡電流の流通開始時点から短絡電流が遮断され
る時点までの時間ｔはつぎのように表わされる：（−１
＋　＋　＊２＋　１．、＋　Ｌ＜　＋　ｂここで、 ｔ、−短絡電流の流通開始時点から目盛り電流に到達す
るまでの時間、 ｔ、−短終電流が目盛り電流に到達してから固定、可動
両接点が開離する寸での時 間、 ｔ、−固定、可動両接点間にアークが生じてからアーク
の足点が移動し始めるまで の時間、 ｔ４−アーク足点が移動し始めてからアークが急速に引
き伸ばされ始め、短絡電流 の限流がはじまるまでの時間、 ｔ５−短絡電流の限流がはじまってから最終的に遮断さ
れるまでの時間 であって、（３＋　ｔ＜が第１図におけるＴ、とＴ、と
の間の時間に等しい。これらの時間のうち、１．　＋１
２＋ｊｓ　＋Ｌ＜はたとえば短絡電流の突進率が３×１
０６ＡＡ、最終波高値が５０ｋＡ、目盛り電流が６００
ＯＡのとき１０〜１５ｍ５であり、また短絡電流の流通
開始時点から目盛り電流に到るまでの時間は約２ｍｓで
あるから引外しが始まってから限流が始まるまでの時間
は８〜１３ｍ５となる。従って試験に際してはこの時間
中の電流波形が規定の波形と実質的に一致していなけれ
ばならない。

つぎに第３図に半導体を使用した静止形直流遮断器の回
路構成を示す。図において２１は常時負荷電流が流通す
る主サイリスタ、ηは別電源からあらかじめ充電されて
いる転流コンデンサ、おはこの転流コンデンサの電荷を
放電させる補助ザイリスタ、冴は転流コンデンサ２２の
電荷が前記主サイリスタ２１を経由して放電するときの
放電電流の周波数をきめるり゛アクドル、７５は一主ザ
イリスタ１の電流を計測する変流器、２６は変流器５に
よって計測された電流からこの遮断器に対して設定され
た目盛り電流とこの目盛り電流における電流変化率とを
検出し、この２つの検出量がともに所定値以上となった
ときに始動信号を補助サイリスタ乙のゲートに与える４
検出手段、２７は転流コンデンサｎの放電によって主サ
イリスタ２２の電流が遮断された後、この転流コンデン
サに残留する余剰電荷を引きつづいて放電させる転流ダ
イオード、関は主サイリスタの電流が遮断される寸で転
流コンデンサからの放電電流が転流ダイオード２７に分
流するのを阻止するりアクドル、２９は主サイリスタの
電流遮断後に直流電源から転流コンデンサに流入する電
流によって転流コンデンサが始動前と逆方向に再充電さ
れたときの転流コンデンサから主サイリスタへ逆流しよ
うとするのを阻止するストッパダイオードである。３０
　、３１は転流タイオードｎとリアクトル四とを経由す
る転流コンデンサｎからの放電電流が流れ終った後、負
荷側のインダクタンスに蓄えられていた電磁エネルギを
消費せしめ、これによって負荷側に過電圧が発生するの
を防止するだめのそれぞれダイオードと抵抗とであって
、負荷側電流がこのダイオードと抵抗とを通って流れる
。この抵抗は通常金属製たとえば鋳鉄製であって、この
抵抗のみに所要熱容量を負担させる七極めて大形となる
から、たとえば金属酸化物のような半導体素子からなる
避雷器３２を設けて所要熱容量と過電圧抑制の役割とを
分担させる。３３は電源側のインク“クタンスによる過
電圧を抑制する避雷器である。このように構成された半
導体遮断器の動作は次の通りである。

直流電路に短絡事故が発生すると、短絡電流が主サイリ
スタ２１を経由して流れる。この電流は変流器５によっ
′Ｃ計測され、検出手段かに入力される。検出手段かは
この人力から遮断器を始動させる所定の目盛り電流値と
電流変化率を検出して補助サイリスタ乙のゲートに信号
をおぐる。これによってあらかじめ充電されていだ転流
コンデンサｎの電荷がリアクトル冴−補助ザイリスタ囚
−変流器５−主サイリスタ２１−ストッパタイオート２
９を経由して放電される。このときの放電電流の値と主
サイリスタ２１を通過する短絡電流の値とが一致し主サ
イリスタ中の電流が零となったときに主サイリスタの電
流が遮断される。このときの主サイリスタ中の電流波形
を第４図の■３にて示す。との遮断時点においては転流
コンデンサ乙の電荷は丑だ放電され切っていないから、
この電荷け０・きつづき転流ダイオード２７とりアクド
ルあとを介して急速に放電される。

以上の遮断過程において、検出手段２６から信号が出力
されて主サイリスタの電流が遮断される才での時間は、
転流コンデンサｎの静電容量とりアクドル討のインダク
タンスによってきまる振動周波数のｈ周期以下の、たと
えば］　ｒｎｓ程度の短時間であυ、しかも第２図に示
されるような機械的な直流遮断器におけるおくれ時間ｔ
２１　ｔ、およびｔ４がなく、補助サイリスタ乙の動作
と同時に転流すなわち限流過程に入るから、試験におけ
る短絡電流の波形は、検出手段がから始動信号が出力さ
れた後は、機械的な直流遮断器の場合のように約１０ｍ
５にもわたって規定の波形と一致する必要はなく、転流
開始から主サイリスタの電流が遮断される寸での極く短
時間の波形が一致すれば遮断性能の検証に十分である。

このようにして主サイリスタ２１を通過する電流が遮断
された後、ひきつづき転流コンデンサ２２の電荷が転流
ダイオード２７．リアクトル路を経由して循環し、この
コンデンサの端子電圧を低減させるとともに、直流電源
からの電流がストン・くダイオード四を経由して転流コ
ンデンサ２２に流入し、第４図の■、にて示されるよう
にその極性を反転させる。この極性反転の過程において
転流コンデンサ２２からの放電電流は第４図の■、にて
示すように図の閉回路：２２−２４−２３−２８−２７
−２２の振動周波のｂサイクルの時間流れた後に停止し
、直流電源からの電流のみが流れつづける（第４図の■
７参照）。転流コンデンサ乙の端子電圧が最終波高値に
到達した時点において補助サイリスタｎを通過する電流
は零となるから直流電源からの流入電流■１も最終的に
零となる。なおこの流入電流■１が時間とともに減少し
て行く過程において直流電源側のインダクタンスに蓄え
られていた電磁エネルギは避雷器間によって消費される
。

以上に述べたようにこの半導体直流遮断器による短絡電
流遮断の成否は、転流開始から主サイリスタ電流の遮断
までの極く短時間、所定の短絡電流波形が得られる試験
回路において、転流コンデンサからの放電電流によって
主サイリスク中の電流が零となった瞬間に、この主サイ
リスタにかかる回復電圧に対してこの主サイリスタが耐
えるか否かによってき才り、この遮断につづく転流コン
デンサの余剰電荷の放電と、直流電源からこのコンデン
サに流入する電流とによって除徐に反転。

上昇する回復電圧（第４図のＶ、　）に対しては、主サ
イリスタの耐圧はその絶対値のみによってきまり、電圧
の上昇速度の影響を実質的には全くうけないから、短絡
電流の波形を左右する電源側のインピーダンスによって
転流コンデンサの端子電圧上昇速度が多少変動すること
があっても遮断の成否が左右されることはない。

一般に直流遮断器の短絡電流遮断試験時に満足すべき試
験回路の条件は、 が規定値と一致すること。

（２）検出器が短絡電流であることを判定する時点の電
流すなわち目盛り電流とその時点の電流変化率とが規定
値と一致すること。

（３）目盛り電流に到達してから限流開始までは試験電
流の波形は規程の短絡電流波形と実質的に同一であるこ
と。

（４）短絡電流遮断後の回復電圧が規定値以上であるこ
と。

の４項目である。機械的な直流遮断器においてはこの回
路条件を満足させるため、従来は定格遮断電流の小さい
直流遮断器の場合には第５図に示されるような小容量の
交流電源と整流装置とを使用する直接試験回路が使用さ
れ、捷た定格遮断電流の大きい直流遮断器の場合には第
６図に示すように大容量の短絡発電機を使用するととも
に、短絡電流の波形が直流とみなし得る程度まで回転数
を小さくし、短絡電流の波高値近傍を等価直流短絡電流
とする等価交流試験法が適用されてき７”こ。ところが
この特価交流試験法は、定格遮断電流が大きく、限流値
すｉｚわち転流開始時の電流値の小さい半導体直流遮断
器にも適用されていただめ、不必要に大容量の電源設備
と大容量の保護遮断器とを必要とし、試験の経済性が損
われるという欠点があった。なお第５図において３５は
小容量の交流電源まだは短絡発電機、３６は保護遮断器
、３７は変圧器、関は小容量の整流装置、３９け投入ス
イッチ、４０は直流短絡電流の最終波高値をきめる抵抗
、４１は投入スイッチ３９による投入瞬時の直流短絡電
流の電流変化率すなわち突進率をきめるリアクトル、４
２は供試遮断器である。寸だ第６図において４３は大容
量の短絡発電機、４４は短絡発電機４３と直結され、こ
の短絡発電機と同期した゛電圧を発生するパイロット発
電機、４５はパイロット発電機の発生する電圧を入力信
号とし、投入スイッチ４７が短絡発電機４３の電圧波形
上の所望の時点で投入するように投入信号を出力する同
期装置、４６は保護遮断器、４８は直流短絡電流の最終
波高値をきめる抵抗、４９は投入スイッチ４７の投入瞬
時の直流短絡電流の突進率をきめるリアクトル、関は供
試遮断器である。

〔発明の目的〕

この発明は以上の欠点を除去し、小容量の直流電源を使
用し℃大容量の短絡電流遮断能力を経済的に検証すると
とのできる試験方法を提供することを目的とする。

〔発明の要点〕

この発明は、試験回路が供試遮断器に直流電流を供給す
る直流電源と、この供試遮断器と並列に接続された制御
可能な始動電極付き放電ギャップとあらかじめ充電され
たコンデンサとりアクドルとダイオードとよりなる直流
回路とを備え、前記直流電源から供給される直流電流と
、前記始動電極利き放電ギヤツブの放電によって前記コ
ンデンサから供給される放電電流とがこの遮断器を始動
させる所定の電流値と電流変化率とを有するように同極
性に重畳して、小容量の直流電源を使用して大容量の直
流短絡’ｔｆＬ流遮断能力を経済的に検証することがで
きるようにしようとするものである。

〔発明の実施例〕

第７図にこの発明による試験回路の実施例を示す。との
実施例は第５図に示された、定格遮断電流の小さい直流
遮断器に対する試験回路において、供試遮断器と並列に
制御可能な始動電極付き放電ギャップ５］と、あらかじ
め充電されたコンデンサ５２と、電流波形調整用抵抗５
３と、放電電流の振動周波数をきめるリアクトル５４と
、放電電流の逆方向振動を阻止するダイオード５５より
なる直列回路を接続したものである。ここで５６は供試
遮断器であって、直流短絡電流が所定の目盛り電流と電
流変化率とに到達してから限流遮断されるまでの時間が
極く短い遮断器である。この遮断器は機械的な遮断器で
あっても、寸だ半導体遮断器であってもよい。５７は試
験電流を計測する変流器、５８は変流器５７によって削
測された電流波形上の所望の時点において放電ギヤング
５１を始動させる信号を出力する放電ギャップの制御装
置である。このように構成された試験回路における試験
の手順はつぎの通りである。

まず小容量の短絡発電機３５を始動させて整流装置３８
の出力端子に定格直流電圧を発生させる。供試遮断器５
６はあらかじめ導通の状態にあるから、投入スイッチ３
９を投入することによって第８図の１１に示すような直
流ｉｆＬ流が流れはじめる。この限流の流通開始時点に
おける電流変化率すなわち突進率は次式によって与えら
れる。

ここで几は整流装置３８の出力端子における直流電圧、
ムは供試遮断器からみた直流型ぶ側のインダクタンスで
あって、第７図ではりアクドル４１によって代表させて
おり、その値は規定の突進率を与えるインダクタンスに
等しい。またこの直流′電流の最終波高値はつぎのよう
に与えられる。

■。１−ｆｉ Ｌ１ とこでＲ１は供試遮断器からみた直流電源側の抵抗であ
って、第７図では抵抗４０によって代表させている。こ
の抵抗ｄ供試遮断器の定格遮断電流■。０を与える抵抗
用より大きく、両者の比をｎすなわち１ムーｎルとすれ
ば、 ■１゜ Ｉ、、　＝　−−− である。

以上の回路定数の設定の仕方かられかるように、整流装
置３８から出力される直流電流の突進率は定格遮断電流
の突進率と同一であって規定値を満足するが、最終波高
値が定格値より小さく、従ってその電流波形は常に定格
遮断電流の波形ｉ。を下捷わる。従って所定の目盛り電
流１゜における電流変化率も規定値より常に小さい。そ
こで直流電流１゜の流通開始後の時点゛ｌ゛、において
始動電極利き放電ギヤツブ５１を動作遷せると、コンデ
ンサ５２がらの放電電流が抵抗５３．リアクトル５４．
ダイオード５５を経由して供試遮断器５６に流入し、こ
の遮断器中圧あらかじめ流ノ１でいた直流電流＋１に重
畳されて第８図のｉｌ＋ｌｌにて示される合成電流波形
が得られる。この波形がｉ。の電流波形と電流値■。に
おいて接するとき、所定の目盛り電流において所定の電
流変化率を有する電流が遮断器を流通することになる。

なお第７図における抵抗５３は試験回路における電圧、
電流の条件によりこれを省略できる場合がある。

供試遮断器中にて重畳された合成電流１．　＋１．が所
定の目盛り電流と電流変化率に達すると機械的な遮断器
の場合にはこの時点から僅かにおくれて短絡電流の限流
がはじ寸り、その高いアーク電圧によって限流値■、か
ら急速に限流遮断される。また半導体遮断器の場合には
、限流値■５はＬとほとんど等しく、また限流遮断まで
の時間は転流コンデンサ（第３図の２２）からの放電電
流の振動周波数によってきまる。

供試遮断器中にて電流が遮断されると、直流電源から供
給される電流１１もコンデンサの放電電流１６もともに
零となり、またこれらの電流は供試遮断器からみブζ電
源側回路を相互に環流することもない。また電流遮断時
点におけるコンデンサ５２の端子電圧は直流電源の電圧
より低くなるようにその充電電圧が設定されているから
、供試遮断器中にて電流が遮断されたときに遮断器にか
かる回復電圧は直流電源の電圧となるから、供試遮断器
は所定の短絡電流突進率と、所定の目盛り電流と、この
目盛り電流における所定の電流変化率と、所定の回復電
圧のもとに電流遮断性能の検証を行ったことになる。神
だ所定の目盛り電流以降の合成電流波形は定格短絡電流
波形と接する波形であるから、電流が遮断されるまでの
短時間、所定の波形と極めて近似した波形となり、実用
上十分な確度をもって供試遮断器の電流遮断性能の検証
を行なうことができる。

〔発明の効果〕

以上に説明したように、本発明によれば小容量の直流電
源と、供試遮断器に並列に接続され制御可能な始動電極
イリき放電ギャップとあらかじめ充電されたコンデンサ
とダイオードとりアクドルよりなる直列回路とを使用し
、試験時に前記直流電源から供給される直流電流と前記
コンデンサから供給される放電電流とを供試遮断器中に
て同極性に重畳し、この重畳された合成電流がこの遮断
器を始動させる所定の電流値と電流変化率とを有するよ
うにすることにより、供試遮断器の試験時に要求される
すべての回路条件を満たすことができるから、大容量の
直流電源を必要とすることなく、遮断器の始動から電流
遮断までの時間の短い大容量直流遮断器の電流遮断性能
の検証を極めて経済的に行なうことができるという効果
か得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は限流作用を有する直流遮断器によって直流電流
を遮断したときの電圧、電流の波形を示す図、第２図に
接点の開閉が機械的に行われる従来の直流遮断器の構造
原理図、第３図は半導体を使用した静止形直流遮断器の
回路構成図、第４図は第３図に示す半導体遮断器によっ
て直流電流を遮断したときの回路各部における電圧、電
流の波形を示す図、第５図は小容量の直流遮断器の電流
遮断性能を検証するための直接試験回路図、第６図は大
容量直流遮断器の電流遮断能力を大容量の交流短絡発電
機によって等測的に検証する交流等価試験回路を示す図
、第７図は本発明による試験回路の実施例、’ｌ”＋　
８図は第７図に示す試験回路によって直流電流遮断試験
を行なったときの電流波形を示す図である。 あ・・・直流電源、５１・・・始動電極伺き放電ギャッ
プ、５２・・・コンデンサ、５４・・・リアクトル、５
５・・・ダイオード、４２，５０．５６・・・供試遮断
器、１１・・・直流電源から供給される直流電流、ｉ、
・・・コンデンサから供給される放電電流、Ｊｏ・・・
遮断器を始動させる所定の電流帰結開始、ｔ、′・　−
一−〉時間 第１図 第２図 第４図 第５Ｉツ１

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）Ｈ６Ｈ流遮断器の電流遮断能力を検証する遮断試験
   方法であって、供試遮断器に直流１［Ｃ流を供給する直
   流電源と、この供試遮断器と並列に接続され制御可能な
   始動電極付き放電ギヤノブとあらかじめ充電されン”ｔ
   −コンデンサとダイオードとりアクドルとよりなる直列
   回路と奢備え、前記直流電源から供給される直流電流と
   、前記始動電極例き放電ギャップの放電によって前記コ
   ンデンサから供給される放電電流とがこの遮断器を始動
   させる所定の電流値と電流変化率とを有するように同極
   性に重畳されたことを特徴とする直流遮断器の遮断試験
   方法。