WO2013098906A1

WO2013098906A1 - アーク放電阻止回路及びアーク放電阻止装置

Info

Publication number: WO2013098906A1
Application number: PCT/JP2011/079981
Authority: WO
Inventors: 實岡田; 羽田　正二; 晴樹和田; 文夫村
Original assignee: エヌ・ティ・ティ・データ先端技術株式会社
Priority date: 2011-12-26
Filing date: 2011-12-26
Publication date: 2013-07-04

Abstract

簡単な回路で制御部、シーケンス制御、等を使用せず、高圧直流電流及び／又は直流大電流をアーク放電を発生させずに遮断することを実現する。本発明に係るアーク放電阻止装置は、アーク放電阻止回路を使用したアーク放電阻止装置において、一方の極性の電流路及び／又は他方の極性の電流路に、溶断遮断器、開閉器又は電流路接続器を前記アーク放電阻止回路への電流入力部の前段に挿入しているため、溶断遮断器、開閉器又は電流路接続器を遮断したときアーク放電が発生しない。

Description

アーク放電阻止回路及びアーク放電阻止装置

　本発明は、アーク放電を発生させずに高圧直流電流及び／又は直流大電流をアーク放電を発生させずに遮断する回路及び装置に関する。

　特許文献１では段落００１６～００１９において、「そして、直流回路に事故電流が流れた場合、図示しない制御回路からの信号により、主遮断器１が開極を始め、主遮断器１の転流動作位置に達すると、図示しない制御回路からの信号により、転流スイッチ５が閉じられ、事故電流に転流回路６からの振動性の転流電流を重畳して主遮断器１で事故電流を遮断し、次いで副遮断器２で直流回路を開路するようになっている。この場合、転流コンデンサ３は、負荷側の端子が正極性に充電されているので、転流電流は、転流コンデンサ３→主遮断器１→転流スイッチ５→リアクトル４→転流コンデンサ３で形成される閉回路を流れる。そして、事故電流の向きと逆方向の転流電流により、零点が形成され、主遮断器１で遮断できるようになっている。
ここで、転流コンデンサ３の充電においては、主遮断器１の対地電位の極性を極性判別器１８で検出し、例えば主遮断器１の対地電位が正極性であれば、第１の充電スイッチ１２を閉路して、転流コンデンサ３の負荷側の端子が正極性に充電されるようになっている。逆に、主遮断器１の対地電位が負極性であれば、第２の充電スイッチ１５が閉路され、転流コンデンサ３の負荷側の端子が負極性に充電されるようになっている。
このような極性で所定の電圧Ｖｃに充電された転流コンデンサ３において、主遮断器１と副遮断器２とを閉極して、直流回路に運転電圧Ｖ０を印加したときの転流回路６の電位差を説明する。

転流回路６を構成する機器のうち、リアクトル４と接続されている転流コンデンサ３の一方の端子から、リアクトル４、およびリアクトル４と接続されている転流スイッチ５の一方の端子までの間のそれぞれの対地間には、主遮断器１の対地電位がＶ０となるため、運転電圧Ｖ０から充電電圧Ｖｃを減算した電圧Ｖｚ（＝Ｖ０－Ｖｃ）が加わることになる。即ち、例えば主遮断器１の対地電位の極性が正極性であれば、リアクトル４と接続されている転流コンデンサ３の一方の端子から、リアクトル４、およびリアクトル４と接続されている転流スイッチ５の一方の端子までの間は、負極性となるので、これらの機器の対地間に加わる電位差は減算されることになる。」という技術が開示されている。

特開２００６－３２０７７号公報

特許文献１では、主遮断器１（真空バルブからなる）、副遮断器２（真空バルブからなる）、リアクトル４、転流コンデンサ３、転流コンデンサ３を充電する充電回路、制御回路、等が必要である。そして、スイッチ１（主遮断器１）、スイッチ２（副遮断器２）及びスイッチ５を備えて、直流電流を遮断するためには各スイッチを動作させるシーケンス制御が必要で複雑であり高価なものとる。

　直流電流を安全かつ迅速に遮断することは従来から困難な課題として認識されてきた。すなわち、高電圧であると、直流電流を遮断するときアーク放電が発生し、容易に電流を遮断できない。事故時に高圧直流を遮断するヒューズも交流用と比較し大きなものとなり価格も高価である。
以上の現状に鑑み本発明は、簡単な回路で制御部、シーケンス制御、等を使用せず、アーク放電を発生させずに高圧直流電流及び／又は直流大電流の遮断を実現する。

（１）請求項１に係るアーク放電阻止回路は、
外部の負荷へ直流電流を供給する一方の極性の電流路と他方の極性の電流路との間に挿入すべく、整流素子に抵抗素子又は誘導性素子が並列接続された並列回路に容量素子が直列接続された回路であることを特徴とする。
（２）請求項２に係るアーク放電阻止回路は、請求項１において、
前記整流素子の極性は、前記一方の極性の電流路と他方の極性の電流路との間の電位差極性に対し逆方向であることを特徴とする。
（３）請求項３に係るアーク放電阻止装置は、
請求項１又は２に記載のアーク放電阻止回路を使用したアーク放電阻止装置において、請求項１又は２に記載の一方の極性の電流路及び／又は請求項１又は２に記載の他方の極性の電流路に、溶断遮断器、開閉器又は電流路接続器を前記アーク放電阻止回路への電流入力部の前段に挿入したことを特徴とする。

本発明に係るアーク放電阻止回路は、外部の負荷へ直流電流を供給する電流路間に、整流素子に抵抗素子又は誘導性素子が並列接続された並列回路に容量素子が直列接続された回路を挿入することで、負荷側の電流路の電位差を、直流電流を供給する側の電流路の電位差と略同一に保持することで、高圧直流電流の遮断を容易にする。
本発明に係るアーク放電阻止装置は、アーク放電阻止回路を使用したアーク放電阻止装置において、一方の極性の電流路及び／又は他方の極性の電流路に、溶断遮断器、開閉器又は電流路接続器を前記アーク放電阻止回路への電流入力部の前段に挿入しているため、溶断遮断器、開閉器又は電流路接続器を遮断したときアーク放電が発生しない。

は、本発明によるアーク放電阻止回路及びアーク放電阻止装置の第１の実施の形態を示す装置構成図である。は、本発明によるアーク放電阻止回路及びアーク放電阻止装置の第２の実施の形態を示す装置構成図である。は、本発明によるアーク放電阻止回路及びアーク放電阻止装置の第３の実施の形態を示す装置構成図である。は、本発明によるアーク放電阻止回路及びアーク放電阻止装置の第１の実施の形態の変形形態を示す装置構成図である。

（１）第１の実施の形態
（１－１）回路構成
　図１において破線で囲まれた符号ＡＰ１で示されるアーク放電阻止装置ＡＰ１は、本発明によるアーク放電阻止装置の第１の実施の形態を示す構成図である。なお、アーク放電阻止装置ＡＰ１は図１において破線で囲まれた符号ＣＡＣで示されるアーク放電阻止回路ＣＡＣを含む。すなわち、アーク放電阻止装置ＡＰ１は、アーク放電阻止回路ＣＡＣと符号Ｆで示される溶断遮断器Ｆとから構成される。

アーク放電阻止回路ＣＡＣは、符号Ｄで示される整流素子であるダイオードＤが符号Ｒで示される抵抗素子と並列接続され、又は、同様の整流素子であるダイオードＤが符号Ｌで示される誘導性素子と並列接続され、この並列回路のダイオードＤのアノード側に符号Ｃで示される容量素子である電解コンデンサＣの正極が接続された回路である。

この回路は、必要に応じて必然的に抵抗素子Ｒ又は誘導性素子Ｌを選択する回路ではなく、どちらでも同様の効果・機能があり、誘導性素子Ｌは抵抗素子Ｒを代替することができるため選択的に示したまでである。したがって、回路構成の説明及び回路動作の説明では代表して抵抗素子Ｒにおける場合のみ説明する（他の実施の形態でも同様）。後述するが抵抗素子Ｒ及び誘導性素子Ｌは、コンデンサＣに突入電流が流れることを防止する。

また、アーク放電阻止装置ＡＰ１は、アーク放電阻止回路ＣＡＣに加えて負荷への電力伝送路（電流路）に直列にヒューズＦを挿入した構成のものである。
アーク放電阻止装置ＡＰ１に含まれる溶断遮断器であるヒューズＦは、アーク放電阻止回路ＣＡＣより前段の電源供給側、すなわち、端子Ｔ１及び／又は端子Ｔ２側（端子Ｔ２側にヒューズＦを挿入した場合。他の実施の形態でも同様）に位置する。

このアーク放電阻止回路ＣＡＣは、直流電流路に直列接続されたヒューズＦと本発明外の負荷Ｌｏとの間の電流路間に並列接続され、電流路の正電位側にダイオードＤのカソードと抵抗素子Ｒの接続点が接続され、電流路の負電位側に電解コンデンサＣの負極が接続される。図１において、本発明外の端子Ｔ１には正の直流電位が印加され、本発明外の端子Ｔ２には負の直流電位が印加されて負荷に電力を供給する。

　本発明外の負荷Ｌｏ（以下、単に負荷Ｌｏと称す。他の実施の形態でも同様）は、直流電流路間に接続される。負荷Ｌｏは複数であってもよい。

　ここでは、直流用であるから容量の大きい電解コンデンサＣを一例として使用しているが、電解コンデンサ以外のコンデンサでもよい。以下、単にコンデンサＣと称す。他の実施の形態でも同様。

また、上記において、このアーク放電阻止回路ＣＡＣは、直流電流路に直列接続されたヒューズＦと負荷Ｌｏとの間の電流路間に並列接続されるとしたが（図１における一例）、ヒューズＦと負荷Ｌｏの間でなくてもよい。負荷よりも電流路の後段でもよい。負荷が複数の場合、負荷と負荷の間でもよい。すなわち、ヒューズＦよりも電流路の後段に位置すればよい。

（１－２）回路動作
　図１を参照して本発明のアーク放電阻止回路ＣＡＣの動作及びアーク放電阻止装置ＡＰ１の動作を説明する。端子Ｔ１には正の直流電位が印加され、端子Ｔ２には負の直流電位が印加されて負荷Ｌｏに電力を供給している。このときヒューズＦは導通している。

負荷に過大電流が流れるときなど電流路に過大電流が流れた場合、電流路に挿入されているヒューズＦが溶断されるようにヒューズＦの定格を選定している。このとき、高圧直流専用の大型ヒューズを使用していない場合、本発明のアーク放電阻止回路ＣＡＣが存在しなければ、ヒューズの両端にアーク放電が発生して電流が流れ容易には電流を遮断できない。

本発明のアーク放電阻止回路ＣＡＣが電流路間に挿入されていれば、アーク放電を発生しない。この動作は、以下のとおりである。
アーク放電阻止回路ＣＡＣに存在するコンデンサＣには、抵抗素子Ｒを通じて直流電流路からの電圧により、満充電されている。抵抗素子Ｒは、この電流路に無充電状態のコンデンサＣを接続するときにコンデンサ充電の突入電流を防止する。このときダイオードＤが電流路の電位に対して逆極性であるからダイオードには電流が流れない。この状態が、正常時の定常状態である。

　上記の状態において、負荷Ｌｏに過大電流が流れるとき、電流路に挿入されているＡＣ用の普通のヒューズＦが溶断される。溶断はヒューズＦの電流容量と電流路の電流量により決まる。ヒューズＦが溶断したとき、物理的に電流路は遮断される。

このとき、端子Ｔ１の電位と端子ＴＦ（図１においてヒューズの右側（図１を正視）の端子）の電位は同電位である。
なぜならば、コンデンサＣには端子Ｔ１の電位まで充電されているためであり、コンデンサＣの電位に対してダイオードＤは順方向接続されている。したがって、コンデンサＣの正極電位が端子ＴＦに印加されている。ここで、ダイオードＤの順方向電圧降下は無視する。

　このような状態では、端子Ｔ１と端子ＴＦは同電位であり電流は流れず、アーク放電も発生し得ない。コンデンサＣの電荷は負荷に供給されるが、いずれ放電し切る。コンデンサＣは元々電源側から負荷を容易に遮断するための支援素子であり、コンデンサＣによって負荷に電流を供給する意図はない。コンデンサＣは、アーク放電が発生しない程度の容量（負荷見合いであるが）による電荷放電時間、すなわち、コンデンサＣの両端電圧を確保した放電時間を維持できればよい。

　これを実験した結果がある。直流電圧は４００Ｖ、負荷電力２ｋｗ、負荷電流５Ａ。コンデンサＣは容量１００μＦ、抵抗素子Ｒは２００Ω（アーク放電とは無関係で、コンデンサＣの充電時間に関する。）で実験を行なった。

アーク放電阻止回路ＣＡＣを使用しないで、ヒューズＦを使用しなく端子Ｔ１に端子ＴＦを接続した状態から端子Ｆを引き離した。
アーク放電が発生した。この実験観測者は、アーク放電の閃光のため、アークの長さははっきり確認できなかったが、おおよそ３ｃｍ程度であったと言う。このままではアーク放電は消滅せず、さらに端子Ｆを引き離してアーク放電を止めた。このような小さな電流値でもアーク放電は凄まじく発生する。
　この実験では、負荷には定格電流が流れていたが、負荷が過電流となり、ヒューズが溶断する電流では、アーク放電はさらに激しくなり火災発生等、危険である。

次に、アーク放電阻止回路ＣＡＣを電流路間に接続して実験した。同様に、端子ＴＦを端子Ｔ１から引き離したとき、パチッという小さな音がして小さい火花が少し飛んだが、アーク放電は全然発生しなかった。すなわち、瞬時に電流を遮断することができた。

これを計算すると、端子Ｔ１と端子ＴＦが接続されているとき、端子Ｔ１の電位Ｅ０＝コンデンサＣの正極電位Ｅｃであり、端子Ｔ１から端子ＴＦを引き離すとコンデンサＣの正極電位Ｅｃは以下の式で表される。
Ｅｃ＝Ｅ０・ｅｘｐ（－τ／Ｃ・Ｒ_（Ｌ））となる。ただし、ＣはコンデンサＣの容量、Ｒ_（Ｌ）は負荷Ｌｏの抵抗値。
ここで、上記実験の各素子の値を代入して、
Ｅｃ＝４００×ｅｘｐ（－τ／１００×１０^－６×８０）となる。
ただし、上式において４００はコンデンサＣの充電電位（＝端子Ｔ１の電位Ｅ０）（Ｖ）、１００×１０^－６はコンデンサＣの容量１００μＦ、８０は負荷Ｌｏの抵抗値Ｒ_（Ｌ）（４００Ｖ／５Ａ＝８０Ω）である。したがって、時定数は８ｍｓである。Ｅｃは、端子Ｆが端子Ｔ１から離れて８ｍｓ経過すると、０．３７・Ｅ０となる。
１ｍｓ経過した時は、０．８８・Ｅ０であるため、Ｅ０とＥｃの電位差は４７ｖ程度であり、アーク放電する電位差はない。なお、端子Ｆが端子Ｔ１から離れた瞬間は、Ｅ０とＥｃは、略同電位のため当然アーク放電は発生しない。

以上、このような簡単な回路でも高圧直流電圧において電流を簡単にかつ安全に遮断できることが確認された。
従来から高圧直流を遮断することが難しく、おおげさな遮断装置が用いられており、高圧直流供給は効率面では有利とされていたが、電流遮断という観点からタブー扱いされてきた。しかしながら、本発明において、この問題が簡単かつ一挙に解決された。

なお、アーク放電阻止回路ＣＡＣにおいて、ダイオードＤと抵抗素子Ｒを省略しても、アーク放電阻止回路には同様の効果があるが、コンデンサＣを直流電流路間に接続するとき、及び、過電流によりヒューズＦが溶断され、この過電流を復旧させた後ヒューズＦを挿入し、次に復電するとき突入電流が発生する。ダイオードＤと抵抗素子Ｒはこれらを防止する。

　本実施の形態において、端子Ｔ１に正極性電位、端子Ｔ２に負極性電位を印加する例を示したが、この逆でもよい。この場合ダイオードＤの極性を逆にする。コンデンサＣに電解コンデンサを使用した場合、この極性も逆にする。他の実施の形態においても同様である。

（２）第２の実施の形態
（２－１）回路構成
　図２において破線で囲まれたアーク放電阻止回路ＣＡＣは、第１の実施の形態と同一のものである。
本発明による第２の実施の形態を示す構成図である図２は、図１におけるヒューズＦを開閉器（スイッチＳＷ（アーク放電阻止装置ＡＰ２に含まれる））に変更している。図１と同様な構成であるアーク放電阻止回路ＣＡＣ、端子Ｔ１、Ｔ２及び負荷Ｌｏと同一構成の各素子等は同一符号を付し説明を省略する。

図２においては、図１でのヒューズＦの替わりにスイッチＳＷが存在する（ただし、ヒューズＦがスイッチＳＷと直列に存在していてもよい。）。負荷Ｌｏを取り替える場合など、通常は負荷Ｌｏの電源を切り、負荷電流路に電流が流れない状態にした後、人手により意図的にスイッチＳＷを遮断する。また、人手の替わりに自動制御されるスイッチＳＷでもよい。なお、スイッチＳＷは端子Ｔ２側に挿入されてもよい。
　しかしながら、人為的ミス等により負荷の電源を切らずにスイッチＳＷを切ることも考えられる。このときアーク放電が発生する。
図２のアーク放電阻止回路ＣＡＣは、この問題を解決するためにある。

（２－２）回路動作
　図２を参照して、第２の実施の形態であるアーク放電阻止装置ＡＰ２の動作を説明をする。なお、アーク放電阻止回路ＣＡＣの動作説明は、第１の実施の形態で説明したとおりであり重複する説明を省略する。なお、抵抗素子Ｒに替えて誘導性素子Ｌを使用できることは第１の実施の形態と同様である。
　相違する点は、ヒューズＦが過電流により溶断する替わりに、負荷Ｌｏの電源を切らずにスイッチＳＷにより負荷電流を遮断する場合である。
この場合も第１の実施の形態で説明したとおり、アーク放電阻止回路ＣＡＣによりアーク放電を伴わず高圧直流電流を遮断できる。

（３）第３の実施の形態
（３－１）回路構成
　図３において破線で囲まれたアーク放電阻止回路ＣＡＣは、第１の実施の形態と同一のものである。本発明による第３の実施の形態を示す構成図である図３は、図１におけるヒューズＦをコネクタＣＮ（アーク放電阻止装置ＡＰ３に含まれる）に変更している（ただし、ヒューズＦ及びスイッチＳＷがコネクタＣＮと直列に存在していてもよい。）。図１と同様な構成であるアーク放電阻止回路ＣＡＣ、端子Ｔ１、Ｔ２及び負荷Ｌｏと同一構成の各素子等は同一符号を付し説明を省略する。

図３においては、図１でのヒューズＦの替わりに破線で囲まれた符号ＣＮで示される電流路接続器であるコネクタＣＮが存在する。コネクタＣＮは、接点Ｓ１～Ｓ４を有し、負荷Ｌｏを電源部（端子Ｔ１及び端子Ｔ２）に接続し、又は、取り外すことを目的とする。負荷Ｌｏを電源部から取り外す場合、通常、負荷Ｌｏの電源を切り負荷電流路に電流が流れない状態にしてからコネクタを外すが、人為的ミス等により負荷Ｌｏの電源を切らずにコネクタＣＮが取り外された場合はアーク放電が発生する。
したがって、図３のアーク放電阻止回路ＣＡＣは、この問題を解決するためにある。

（３－２）回路動作
　図３を参照して第３の実施の形態であるアーク放電阻止装置ＡＰ３の動作説明をする。なお、アーク放電阻止回路ＣＡＣの動作説明は、第１の実施の形態で説明したとおりであり重複する説明を省略する。なお、抵抗素子Ｒに替えて誘導性素子Ｌを使用できることは第１の実施の形態と同様である。
　相違する点は、ヒューズＦが過電流により溶断する替わりに、負荷Ｌｏの電源（及びスイッチＳＷがある場合これを切らずに）を切らずにコネクタＣＮを抜いて負荷Ｌｏを電源部から取り外す場合である。

負荷Ｌｏの電源をＯＦＦ（かつ、スイッチＳＷがある場合これをＯＦＦしなく）しなかった場合で負荷電流が流れているときでも、第１の実施の形態で説明したとおり、アーク放電阻止回路ＣＡＣによりアーク放電を伴わず高圧直流電流を遮断できる。

（４）第１の実施の形態の変形形態
（４－１）回路構成
　図４において破線で囲まれたアーク放電阻止回路ＣＡＣは、第１の実施の形態と同一機能のものであるがダイオードＤと抵抗素子Ｒの並列接続回路とコンデンサＣを上下入れ替えたものである（図４を正視）。本発明による第１の実施の形態の変形形態を示す構成図である図４は、この変形のみである。図１におけるものと同様な構成であるアーク放電阻止回路ＣＡＣの変形を示すアーク放電阻止回路ＣＡＣｍ中の各素子、端子Ｔ１、Ｔ２及び負荷Ｌｏと同一構成の各素子等は同一符号を付し説明を省略する。

（４－２）回路動作
　図４を参照して第１の実施の形態の変形形態であるアーク放電阻止装置ＡＰ４の動作を説明する。図４におけるアーク放電阻止回路ＣＡＣｍは、図１におけるアーク放電阻止回路ＣＡＣと全く同様な機能・性能である。
したがって、図１における第１の実施の形態と全く同一の動作をする。さらに、アーク放電阻止回路ＣＡＣｍの動作説明は、第１の実施の形態で説明したとおりであり重複する説明を省略する。相違する点はない。なお、抵抗素子Ｒに替えて誘導性素子Ｌを使用できることは第１の実施の形態と同様である。

　ＡＰ１～ＡＰ４　　　　　アーク放電阻止装置
ＣＡＣ、ＣＡＣｍ　　　　アーク放電阻止回路
　Ｃ　　　　　　　　　　　容量素子
　Ｄ　　　　　　　　　　　整流素子
Ｒ　　　　　　　　　　　抵抗素子
　Ｌ　　　　　　　　　　　誘導性素子
Ｆ　　　　　　　　　　　溶断遮断器
　ＳＷ　　　　　　　　　　開閉器
　ＣＮ　　　　　　　　　　電流路接続器
　Ｓ１～Ｓ４　　　　　　　電流路接続器の接点
　Ｌｏ　　　　　　　　　　負荷
Ｔ１、Ｔ２　　　　　　　直流電位印加端子
ＴＦ　　　　　　　　　　溶断遮断器片端子

Claims

外部の負荷へ直流電流を供給する一方の極性の電流路と他方の極性の電流路との間に挿入すべく、整流素子に抵抗素子又は誘導性素子が並列接続された並列回路に容量素子が直列接続された回路であることを特徴とするアーク放電阻止回路。
前記整流素子の極性は、前記一方の極性の電流路と他方の極性の電流路との間の電位差極性に対し逆方向であることを特徴とする請求項１に記載のアーク放電阻止回路。
請求項１又は２に記載のアーク放電阻止回路を使用したアーク放電阻止装置において、請求項１又は２に記載の一方の極性の電流路及び／又は請求項１又は２に記載の他方の極性の電流路に、溶断遮断器、開閉器又は電流路接続器を前記アーク放電阻止回路への電流入力部の前段に挿入したことを特徴とするアーク放電阻止装置。