JPWO2019202703A1 - 直流遮断器 - Google Patents

Abstract

直流遮断器（３０）は、ヒューズ（４）により大電流を遮断するヒューズ部（１）を備え、ヒューズ部（１）は、ヒューズ（４）と並列に接続され、事故電流を検出すると開極する高速断路器（３）を有する。

Description

本発明は、高電圧又は中電圧用の直流遮断器に関するものである。

多端子高電圧直流送電の実現に向け、高電圧直流遮断器の開発のニーズが高まっている。多端子高電圧直流送電においては、交流側系統に複数の直流側系統がコンバータで接続される。多端子高電圧直流送電では、直流側系統の一部で短絡又は地絡といった事故が発生し、直流側系統に大電流である事故電流が流れた場合に、事故が発生した直流側系統のみ遮断することで、事故が発生しておらず直流小電流である負荷電流のみが流れている直流側系統に影響が及ばないようにする必要がある。高電圧直流遮断器には、交流遮断器のような工業規格は現在のところ国内外ともに存在しないが、各国において様々な直流遮断方式が提案され、開発が進められている。

ガス遮断器及び真空遮断器といった機械式の直流遮断器を多端子高電圧直流送電に適用する場合、直流事故発生時おいてに一定時間内に直流電流を遮断することが要求される。この要求は、高速動作要求責務と称されている。多端子高電圧直流送電系統において、直流系統電圧が交流側系統と直流側系統とを結ぶコンバータの運転可能電圧の閾値を下回ると、コンバータ自体が運転を停止し、系統崩壊を引き起こす。したがって、地絡故障又は短絡故障の発生時でも、多端子高電圧直流送電の系統の運用を維持するためには、直流遮断器によって事故発生後速やかに事故電流を遮断し、直流系統電圧が閾値以下に低下することを防ぐ必要がある。

これまでのモデル系統解析による国際的な調査結果によると、直流遮断器に要求される高速動作要求責務は、事故発生から事故電流遮断までの時間が１０ｍｓ以内と定義されている。

特許文献１には、小電流領域では遮断器が、大電流領域ではヒューズが遮断動作を行う回路遮断器が開示されている。

特開２０１３−８６９８号公報

上記のように、多端子高電圧直流送電においては、事故発生から１０ｍｓ以内に大電流を遮断することが要求される。したがって、特許文献１に開示される発明を多端子高電圧直流送電に適用する場合、直流大電流を遮断するヒューズの遮断時間を短くする必要がある。ヒューズの遮断時間は遮断特性に基づき遮断電流値によって決まるが、高速でヒューズを遮断させるためには、ヒューズが極力低電流で遮断される必要がある。したがって、高速で遮断するヒューズは、負荷電流の遮断電流に対するマージンが小さくなる。特許文献１に開示される発明は、負荷電流がヒューズに流れるため、負荷電流の通電でもヒューズが劣化する可能性がある。ヒューズが劣化すると、負荷電流でヒューズが溶断し、事故が発生していないのに電流が遮断されてしまう可能性がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、事故発生時以外に電流が遮断されてしまうことを防止した直流遮断器を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、ヒューズにより大電流を遮断するヒューズ遮断部を備える。ヒューズ遮断部は、ヒューズと並列に接続され、事故電流を検出すると開極する高速断路器を有する。

本発明によれば、事故発生時以外に電流が遮断されてしまうことを防止した直流遮断器を提供できるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１に係る直流遮断器の構成を示す図 実施の形態１に係る直流遮断器の通常運用時の通電経路を示す図 実施の形態１に係る直流遮断器の事故発生時の通電経路を示す図 実施の形態１に係る直流遮断器の負荷電流遮断時の通電経路を示す図 本発明の実施の形態２に係る直流遮断器のヒューズ部の構成を示す図

以下に、本発明の実施の形態に係る直流遮断器を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る直流遮断器の構成を示す図である。実施の形態１に係る直流遮断器３０，４０は、交流側系統５０と直流側系統６０とを結ぶコンバータ７０に接続されている。なお、ここでは説明が複雑になることを避けるために、コンバータ７０には直流側系統６０だけが接続されているが、複数の直流側系統がコンバータ７０に接続されてもよい。直流遮断器３０は、コンバータ７０に接続され、ヒューズ４により大電流を遮断するヒューズ遮断部であるヒューズ部１と、負荷側に通じ、負荷電流を遮断する自励振動方式直流遮断器部２とを備える。ヒューズ部１は、事故電流を遮断するヒューズ４と、ヒューズ４の劣化防止用かつ事故電流の転流用である高速断路器３と、直流電流の遮断後に過電圧を抑制する第１の金属酸化物避雷器５とによって構成される。高速断路器３は、保護リレー１１が事故を検出すると接点を開いて遮断動作を開始する。高速断路器３が事故電流を検出してから開極するまでに要する時間は、１０ｍｓ未満である。

自励振動方式直流遮断器部２は、ＳＦ_６といった絶縁性ガスを用いたガス遮断器などの機械スイッチによって構成される遮断部８と、アークの自励振動現象を発生させるためのコンデンサ６及びリアクトル７と、直流電流の遮断後に過電圧を抑制する第２の金属酸化物避雷器９と、遮断部８の開閉を制御する制御回路１２とによって構成される。自励振動方式直流遮断器部２は、遮断部８の極間に発生するアークと、遮断部８と並列に接続したコンデンサ６及びリアクトル７との電気的相互作用による電流拡大振動現象を利用して電流零点形成する直流遮断方式である。第２の金属酸化物避雷器９は、第１の金属酸化物避雷器５と同じ特性であっても、異なる特性であってもよい。一般的には、第２の金属酸化物避雷器９は、小電流の遮断時に使用されるため、第１の金属酸化物避雷器５よりも小型のものを適用可能である。なお、自励振動方式直流遮断器部２は、コンバータ７０の運転可能電圧以下まで電圧が低下しない負荷電流を遮断するため、ヒューズ部１とは異なり高速遮断は不要である。

直流遮断器４０は、コンバータ７０に接続され、ヒューズ４４により大電流を遮断するヒューズ遮断部であるヒューズ部４１と、負荷側に通じる自励振動方式直流遮断器部４２とを備える。ヒューズ部４１及び自励振動方式直流遮断器部４２は、直流遮断器３０と同様である。すなわち、高速断路器４３、ヒューズ４４、第１の金属酸化物避雷器４５、コンデンサ４６、リアクトル４７、遮断部４８、第２の金属酸化物避雷器４９及び制御回路５２は、直流遮断器３０の高速断路器３、ヒューズ４、第１の金属酸化物避雷器５、コンデンサ６、リアクトル７、遮断部８、第２の金属酸化物避雷器９及び制御回路１２と同様である。ただし、高速断路器４３は、保護リレー５１が事故を検出すると接点を開いて遮断動作を開始する。

図２は、実施の形態１に係る直流遮断器の通常運用時の通電経路を示す図である。正極側では、ヒューズ部１は、負荷電流通電によるヒューズ４の劣化を防ぐため、負荷電流はヒューズ４に流さず、並列接続した高速断路器３にバイパス通電する。負極側も同様に、ヒューズ部４１は、負荷電流通電によるヒューズ４４の劣化を防ぐため、負荷電流はヒューズ４４に流さず、並列接続した高速断路器４３にバイパス通電する。

図３は、実施の形態１に係る直流遮断器の事故発生時の通電経路を示す図である。なお、ここでは、正極側と負極側とが短絡する短絡事故が発生したものとする。事故発生時には、正極側では、事故を検出した保護リレー１１から指令を受けて高速断路器３が開極し、ヒューズ４に事故電流を転流することで、事故検出から１０ｍｓ未満の間に事故電流を遮断することができる。すなわち、事故電流遮断時には、事故検出から１０ｍｓ未満の間に高速断路器３が開極する。高速断路器３が開極すると、大電流の直流電流がヒューズ４に転流され、ヒューズ４が溶断して遮断が完了する。ヒューズ４は、大電流が流れると自動的に溶断するため、複雑且つ高精度に機械スイッチを制御する必要はない。

負極側も同様に、事故を検出した保護リレー５１から指令を受けて高速断路器４３が開極し、ヒューズ４４に事故電流を転流することで、事故検出から１０ｍｓ未満の間に事故電流を遮断することができる。すなわち、事故電流遮断時には、事故検出から１０ｍｓ未満の間に高速断路器４３が開極する。高速断路器４３が開極すると、大電流の直流電流がヒューズ４４に転流され、ヒューズ４４が溶断して遮断が完了する。ヒューズ４４は、大電流が流れると自動的に溶断するため、複雑且つ高精度に機械スイッチを制御する必要はない。

なお、正極側又は負極側の一方の地絡事故の場合には、地絡が発生した方の極のみ遮断してもよい。直流遮断器３０，４０が電流を遮断した後に発生する過電圧は、遮断部８，４８に対して並列に接続された第２の金属酸化物避雷器９，４９によって抑制する。この時、第２の金属酸化物避雷器９，４９を介して電流が流れるが、第２の金属酸化物避雷器９，４９を介して流れる電流は、任意のタイミングで断路器１０，８０を開極することで遮断する。

図４は、実施の形態１に係る直流遮断器の負荷電流遮断時の通電経路を示す図である。負荷電流遮断の際には、高速で遮断する必要がないため、正極側では、自励振動方式直流遮断器部２の遮断部８を開極し、自励振動により電流遮断する。負荷電流遮断時には遮断部８を必要な開極時間、スピードで開極すれば、遮断部８の極間でのアークとコンデンサ６及びリアクトル７との相互作用によって、自動的に電流の拡大振動が発生し、零点形成して遮断が完了する。負荷電流を遮断する場合も複雑且つ高精度に機械スイッチを制御する必要はない。

負極側も同様に、自励振動方式直流遮断器部４２の遮断部４８を開極し、自励振動により電流遮断する。負荷電流遮断時には遮断部４８を必要な開極時間、スピードで開極すれば、遮断部４８の極間でのアークとコンデンサ４６及びリアクトル４７との相互作用によって、自動的に電流の拡大振動が発生し、零点形成して遮断が完了する。負荷電流を遮断する場合も複雑且つ高精度に機械スイッチを制御する必要はない。

実施の形態１に係る直流遮断器３０，４０は、通常時及び負荷電流の遮断時にはヒューズ４，４４に電流が流れないため、ヒューズ４，４４が劣化しにくい。したがって、事故発生時以外に電流が遮断されてしまうことを防止できる。

実施の形態１に係る直流遮断器３０，４０は、自励振動方式直流遮断器部２，４２では大電流を遮断しないため、コンデンサ６，４６及びリアクトル７，４７の容量を増大させる必要がない。したがって、実施の形態１に係る直流遮断器３０，４０は、小型かつ低コストで高速動作要求責務に対応可能である。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係る直流遮断器のヒューズ部の構成を示す図である。実施の形態２に係る直流遮断器３０は、ヒューズ部１以外は実施の形態１に係る直流断路器と同様であるため、ヒューズ部１以外についての説明は省略する。実施の形態２に係る直流遮断器３０のヒューズ部１は、ヒューズ４を複数有する。ヒューズ部１は、複数のヒューズ４の各々と直列に接続され、複数のヒューズ４のいずれかを高速断路器３と並列に接続するヒューズ切替スイッチ４ａと、ヒューズ切替スイッチ４ａを制御するコントローラ４ｂとを有する。

事故電流遮断により溶断したヒューズ４は、再利用不可能であり、次の事故電流遮断のためには、溶断したヒューズ４を利用可能品と交換する必要がある。図５に示すように、実施の形態２に係る直流遮断器３０のヒューズ部１は、複数のヒューズ４を高速断路器３に並列に接続しているため、事故電流遮断によって使用中のヒューズ４が溶断した場合には、ヒューズ切替スイッチ４ａによって予備のヒューズ４に切り替えることで、次の事故電流遮断に備えることができる。保護リレー１１が事故を検出してからコントローラ４ｂがヒューズ切替スイッチ４ａを切り替えるまでの時間の方が、保護リレー１１が事故を検出してから高速断路器３が開極するまでの時間よりも長ければ、予備のヒューズ４に切り替わった時点で電流が遮断されているため、予備のヒューズ４に切り替えた瞬間にヒューズ４が溶断することはない。

実施の形態２に係る直流遮断器３０は、小型かつ低コストで高速遮断動作責務に対応可能であることに加え、事故電流を遮断した後にヒューズ４を交換する作業を行う必要がない。このため、事故からの早期復旧を実現することができる。

なお、実施の形態２に係る直流遮断器４０のヒューズ部４１も、ヒューズ部１と同様に、複数のヒューズ４４を有する構成とすることもできる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１，４１ ヒューズ部、２，４２ 自励振動方式直流遮断器部、３，４３ 高速断路器、４，４４ ヒューズ、４ａ ヒューズ切替スイッチ、４ｂ コントローラ、５，４５ 第１の金属酸化物避雷器、６，４６ コンデンサ、７，４７ リアクトル、８，４８ 遮断部、９，４９ 第２の金属酸化物避雷器、１０，８０ 断路器、１１，５１ 保護リレー、１２，５２ 制御回路、３０，４０ 直流遮断器、５０ 交流側系統、６０ 直流側系統、７０ コンバータ。

Claims (6)

1. ヒューズにより大電流を遮断するヒューズ遮断部を備え、
   前記ヒューズ遮断部は、前記ヒューズと並列に接続され、事故電流を検出すると開極する高速断路器を有することを特徴とする直流遮断器。
2. 前記ヒューズ遮断部は、互いに並列に接続された複数の前記ヒューズと、
   複数の前記ヒューズの各々と直列に接続された複数のスイッチと、
   複数の前記スイッチを制御するコントローラとを有することを特徴とする請求項１に記載の直流遮断器。
3. 前記ヒューズ遮断部は、前記ヒューズ及び前記高速断路器と並列に接続され、直流電流の遮断後に過電圧を抑制する第１の金属酸化物避雷器を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の直流遮断器。
4. 前記ヒューズ遮断部と直列に接続され、自励振動方式で小電流を遮断する自励振動方式直流遮断器部を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の直流遮断器。
5. 前記自励振動方式直流遮断器部は、負荷電流遮断時に開極する遮断部と、前記遮断部と並列に接続されたコンデンサ及びリアクトルとを有することを特徴とする請求項４に記載の直流遮断器。
6. 前記自励振動方式直流遮断器部は、前記コンデンサ及び前記リアクトルと前記遮断部とに並列に接続され、直流電流の遮断後に過電圧を抑制する第２の金属酸化物避雷器を有することを特徴とする請求項５に記載の直流遮断器。

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