WO2016047209A1 - 直流遮断器 - Google Patents

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WO2016047209A1
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circuit breaker
current
switch
semiconductor switch
circuit
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PCT/JP2015/066291
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堀之内　克彦
基宗 佐藤
和希 高橋
涼 上前
翔 常世田
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三菱電機株式会社
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01H33/66—Vacuum switches
    • H01H33/666—Operating arrangements
    • H01H33/6661—Combination with other type of switch, e.g. for load break switches

Definitions

  • the present invention relates to a DC circuit breaker, and more particularly to a DC circuit breaker that protects load-side equipment by opening and closing a normal load current of a DC power system and blocking a short-circuit current and a ground fault current at the time of an accident. .
  • the power system is equipped with a circuit breaker that cuts off the accident current when an accident occurs.
  • Mechanical AC circuit breakers such as gas circuit breakers, vacuum circuit breakers, and air circuit breakers that are generally used in AC power systems cannot be interrupted unless the current value becomes zero. For this reason, the AC circuit breaker interrupts the accident current at the timing when the current value that is visited every half cycle of AC is zero.
  • a method of cutting off direct current using a semiconductor switch does not require a device for forcibly setting the current value to zero, and the current can be cut off by opening the semiconductor switch.
  • a load current is passed through a semiconductor switch in a normal energized state, that is, a closed state, Joule heat is generated due to the resistance component of the semiconductor switch, and power loss occurs.
  • the power loss is small because the metal contact is energized.
  • a mechanical switch is connected in parallel to a semiconductor switch GTO (Gate Turn-Off thyristor), which is usually a mechanical switch.
  • GTO Gate Turn-Off thyristor
  • a DC circuit breaker disclosed in International Publication No. 2011/057675 includes a series of main semiconductor switches and a main semiconductor switch. It is equipped with an auxiliary semiconductor switch with a smaller number of series than that and a mechanical disconnector that opens in series with it at high speed.In normal times, current is supplied to the auxiliary semiconductor switch. It commutates to the semiconductor switch and cuts off the accident current at the main semiconductor switch.
  • Patent Document 1 In order to use the DC circuit breaker disclosed in Patent Document 1 for an ultra-high voltage power transmission system, it is necessary to obtain a withstand voltage by connecting a number of GTOs in series. In order to commutate current from the mechanical switch to the GTO series connection in the event of an accident, it is necessary to generate an arc voltage in the mechanical switch that exceeds the voltage (ON voltage) when the GTO series connection is turned on. is there. However, the vacuum contactor used as a mechanical switch in Patent Document 1 may not be able to generate a sufficient arc voltage.
  • a mechanical disconnector is provided in series with the GTO.
  • this disconnector becomes open when the current flowing through the surge absorber becomes zero, surge absorption is achieved.
  • the voltage across the device ie at least the system voltage, is applied to the mechanical switch. Therefore, the mechanical switch is required to generate a large arc voltage and to have a withstand voltage performance to withstand a very high voltage, so that it is necessary to use an expensive circuit breaker.
  • a main object of the present invention is to provide a low-cost DC breaker with low power loss.
  • a DC circuit breaker includes a mechanical switch provided on a line through which a direct current flows, and a semiconductor switch connected in parallel to the mechanical switch.
  • the mechanical switch includes a disconnector and a circuit breaker connected in series. Normally, when a direct current is passed through a mechanical switch and the direct current is interrupted, the mechanical switch is turned off and the semiconductor switch is turned off after the direct current is commutated to the semiconductor switch. .
  • the DC circuit breaker since a direct current is normally passed through the mechanical disconnector and circuit breaker, power loss can be reduced. In addition, since the breaker having a low withstand voltage performance may be used, the cost of the apparatus can be reduced. Furthermore, since the disconnector can be configured with a short gap, the apparatus can be reduced in size and price. Further, when the direct current is interrupted, the interrupting time can be shortened because the direct current is commutated to the semiconductor switch and the current is interrupted by the semiconductor switch.
  • FIG. 10 is a circuit block diagram showing a modification of the fourth embodiment.
  • FIG. 1 is a circuit block diagram showing a configuration of a DC circuit breaker according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the DC circuit breaker is provided on a line 1 of a DC power transmission system, and includes a mechanical switch 2, a forced commutation circuit 10, a semiconductor switch 20, and a control device 30.
  • the mechanical switch 2 includes a gas disconnector 3 and a vacuum circuit breaker 4 connected in series between the upstream line 1a and the downstream line 1b.
  • the gas disconnector 3 is controlled by a control signal ⁇ 3 from the control device 30 and is normally in a closed state (conducting state) to pass a direct current, and when the direct current is cut off, the direct current is supplied to the semiconductor switch 20. After being commutated, it is brought into an open state (non-conductive state).
  • the gas disconnector 3 contacts or separates a tank filled with an insulating gas such as SF 6 , dry air, nitrogen, argon, carbon dioxide, two electrodes provided in the tank, and contact points of the two electrodes. And a driving device for making the electrodes conductive or non-conductive.
  • the gas disconnector 3 has an insulation capability (withstand voltage performance) capable of withstanding the voltage applied to the DC breaker when the distance between the contacts becomes a certain distance or more.
  • the drive device drives the electrode using a high-speed spring, hydraulic pressure, electromagnetic force, or the like.
  • the driving device using electromagnetic force may be configured to assist the driving force by using an electromagnetic repulsion plate, a driving coil, or the like due to a large DC accident current.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a main part of the gas disconnector 3.
  • contacts of two electrodes EL1 and EL2 are provided opposite to each other in a tank (not shown) filled with an insulating gas.
  • the contacts of the electrodes EL1, EL2 are contacted or separated by a driving device (not shown).
  • FIG. 2 shows a state where the contacts of the electrodes EL1 and EL2 are separated.
  • the portions other than the contacts of the electrodes EL1 and EL2 are covered with the shields 5 and 6, respectively, so that sufficient insulation capability can be obtained even if the distance between the contacts of the electrodes EL1 and EL2 is shortened.
  • An insulating material 7 is applied to portions facing each other.
  • the electrode EL1 is formed in a tubular shape.
  • the vacuum circuit breaker 4 is controlled by a control signal ⁇ 4 from the control device 30, and is normally in a closed state (conducting state) to allow direct current to flow and to interrupt direct current.
  • a direct current is commutated to the semiconductor switch 20 in a pole state (non-conductive state).
  • the vacuum circuit breaker 4 includes a vacuum container called a vacuum valve, two electrodes provided in the vacuum container, and a driving device that makes the two electrodes contact or separate to make the electrodes conductive or non-conductive. .
  • the driving device drives the electrode using a high-speed spring, hydraulic pressure, electromagnetic force, or the like.
  • the arc is ignited when the contacts of the two electrodes are separated during energization, but when the distance between the contacts exceeds a certain distance, the current is interrupted when the current becomes zero. it can.
  • the insulation performance of the vacuum circuit breaker 4 may be inferior to the insulation performance of the gas disconnector 3.
  • the insulation performance between the two electrodes may be any performance that can withstand the voltage generated between the electrodes when the semiconductor switch 20 is in an on state and an accident current is flowing.
  • the insulation performance of the electrode to the ground may be any one that can withstand the voltage of the DC power transmission system.
  • the forced commutation circuit 10 flows a current in a direction opposite to the direction of the direct current flowing through the vacuum circuit breaker 4 to the vacuum circuit breaker 4 when the direct current is interrupted, and generates a zero current in the vacuum circuit breaker 4 to generate a vacuum.
  • the circuit breaker 4 is turned off.
  • Forced commutation circuit 10 includes a capacitor 11, a reactor 12, switches 13 to 15, and a charger 16. Capacitor 11, reactor 12, and switch 13 are connected in series between the upstream electrode and the downstream electrode of vacuum circuit breaker 4.
  • the capacitor 11 and the reactor 12 constitute a resonance circuit.
  • the reactor 12 may be substituted depending on the inductance of the circuit line.
  • the switch 13 may be a switch such as a vacuum circuit breaker or a gas circuit breaker, a gas or vacuum gap switch, or a thyristor or IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).
  • a semiconductor element such as may be used.
  • the switch 13 is controlled by a control signal ⁇ 13 from the control device 30, and is normally made non-conductive, and is made conductive when interrupting the direct current.
  • a current in the direction opposite to the direct current flows from the capacitor 11 to the vacuum circuit breaker 4 via the reactor and the switch 13, and the current flowing through the vacuum circuit breaker 4 is set to 0 so that the vacuum circuit breaks.
  • the device 4 is turned off.
  • the negative terminal of the charger 16 is connected to the negative electrode of the capacitor 11 via the switch 14, and the positive terminal of the charger 16 is connected to the positive electrode of the capacitor 11 via the switch 15.
  • the switches 14 and 15 and the charger 16 are controlled by the control device 30, for example. At the time of charging, the switches 14 and 15 are turned on, and the charger 16 charges the capacitor 11 to a predetermined DC voltage via the switches 14 and 15.
  • the semiconductor switch 20 is connected in parallel with the mechanical switch 2 between the upstream line 1a and the downstream line 1b.
  • the semiconductor switch 20 is controlled by a control signal ⁇ 20 from the control device 30, and when the direct current is interrupted, the semiconductor switch 20 is turned off after flowing the current commutated from the mechanical switch 2.
  • the semiconductor switch 20 is modularized including a semiconductor element such as an IGBT or GTO formed of a semiconductor such as SiC and a driver that makes the semiconductor element conductive or non-conductive in response to a control signal ⁇ 20. .
  • the semiconductor switch 20 may include a plurality of semiconductor elements connected in parallel or in series. FIG. 1 shows a case where the semiconductor switch 20 includes one IGBT 21.
  • 3 (a) and 3 (b) are time charts showing the operation of the current breaker.
  • 3A shows the current I4 flowing through the vacuum circuit breaker 4, the current I20 flowing through the semiconductor switch 20, the stroke ST4 of the driving device included in the vacuum circuit breaker 4, and the driving device included in the gas disconnector 3.
  • FIG. The time change with stroke ST3 is shown.
  • FIG. 3B shows changes over time in the control signals ⁇ 3, ⁇ 4, ⁇ 13, and ⁇ 20 of the gas disconnector 3, the vacuum circuit breaker 4, the semiconductor switch 20, and the switch 13.
  • control signals ⁇ 3, ⁇ 4, ⁇ 13, and ⁇ 20 are all at the “L” level, and the gas disconnector 3, the vacuum circuit breaker 4, and the semiconductor switch 20 is turned on and the switch 13 is turned off. It is assumed that the charging of the capacitor 11 has been completed and the switches 14 and 15 are in a non-conductive state.
  • an opening command for interrupting the DC current is given to the control device 30 from the external protection relay to shut off the DC current.
  • the control device 30 raises the control signal ⁇ 4 from the “L” level to the “H” level to cause the driving device of the vacuum circuit breaker 4 to start the opening operation.
  • the semiconductor switch 20 may be in a non-conductive state, and the semiconductor switch 20 may be in a conductive state at this time (time t1).
  • the control device 30 changes the control signal ⁇ 13 from the “L” level to the “H” level at time t3, and turns on the switch 13.
  • a current in the direction opposite to the direct current flows from the capacitor 11 to the vacuum circuit breaker 4 via the reactor 12 and the switch 13, a current zero point is formed, the vacuum arc is extinguished, and the vacuum circuit breaker 4 is non-conductive.
  • the voltage between the terminals of the vacuum circuit breaker 4 exceeds the ON voltage of the semiconductor switch 20, and the direct current is commutated from the vacuum circuit breaker 4 to the semiconductor switch 20 (time t4).
  • the control device 30 sets the control signal ⁇ 13 to the “H” level to turn on the switch 13 of the forced commutation circuit 10.
  • the capacitor 11 is charged in advance by a charger 16 with a polarity and a voltage value such that a current in the reverse direction flows with respect to the accidental DC current flowing through the vacuum circuit breaker 4. Therefore, when the switch 13 is turned on, discharging of the capacitor 11 is started and a reverse current is applied to the vacuum circuit breaker 4.
  • a current zero point is generated by superimposing the fault DC current and the reverse current.
  • the vacuum circuit breaker 4 interrupts the current flowing through it.
  • the fault DC current is commutated from the vacuum circuit breaker 4 to the semiconductor switch 20.
  • the withstand voltage between the contacts of the vacuum circuit breaker 4 only needs to be equal to or higher than a voltage that exceeds the ON voltage of the semiconductor switch 20.
  • the control device 30 raises the control signal ⁇ 3 from the “L” level to the “H” level, and the gas disconnector 3 To start the opening operation.
  • the stroke ST3 of the drive device for the gas disconnector 3 reaches the contact separation position P2.
  • the control device 30 Raises the control signal ⁇ 20 from “L” level to “H” level to make the semiconductor switch 20 non-conductive. At this time, since almost all of the voltages received by the DC circuit breaker are applied to the gas disconnector 3, the withstand voltage performance of the vacuum circuit breaker 4 may be lower than the withstand voltage performance of the gas disconnector 3. If the semiconductor switch 20 is configured to withstand the voltage received from the DC power transmission system, the DC current interruption is completed.
  • the vacuum circuit breaker 4 since a direct current is normally passed through the mechanical switch 2 (that is, the gas disconnector 3 and the vacuum circuit breaker 4), the power loss can be reduced. Moreover, since the vacuum circuit breaker 4 should just use the thing of the low withstand voltage performance, it can achieve the cost reduction of an apparatus.
  • the opening operation of the gas disconnector 3 is started after the current I4 flowing through the vacuum circuit breaker 4 disappears, no arc is ignited between the contacts of the gas disconnector 3.
  • the arc is extremely high temperature plasma up to 20000 K, and when a high current arc is ignited for a long time, the contact is consumed and damaged.
  • the insulating medium such as gas and air becomes high temperature, the insulating performance is deteriorated immediately after the arc is extinguished, compared with the case where the arc is opened without ignition.
  • the arc is not ignited in the gas disconnector 3 when the opening operation as described above is performed, the contact is not consumed, damaged, or the insulation performance is not deteriorated, and a sufficient insulation distance can be obtained even with a short gap length. be able to. Therefore, not only the apparatus can be miniaturized, but also the time required for opening can be shortened, and the opening operation speed can be increased.
  • a disconnector using a gas insulating medium such as SF 6 gas is used as the gas disconnector 3.
  • SF 6 gas a gas insulating medium
  • the vacuum disconnector can be used in place of the gas disconnector 3 as long as the contact distance sufficient to withstand the voltage applied to the DC breaker can be obtained. Is possible.
  • a gas circuit breaker using an insulating arc extinguishing medium such as SF 6 gas, nitrogen, argon, air, carbon dioxide, or the like is driven by a magnetic field such as a permanent magnet or an electromagnet.
  • a magnetic field such as a permanent magnet or an electromagnet.
  • a circuit breaker that extinguishes the magnetic drive may be used.
  • the vacuum circuit breaker 4 is turned off, a DC current is commutated to the semiconductor switch 20, the gas disconnector 3 is turned off, the semiconductor switch 20 is turned off, and the DC circuit breaker is turned off. It is in conduction.
  • FIG. 3 shows a case where T1 ⁇ T2.
  • control signals ⁇ 4 and ⁇ 3 are simultaneously raised to the “H” level to cause the vacuum circuit breaker 4 and the gas disconnector 3 to start the opening operation at the same time. It is not necessary, and the time may be slightly shifted within an error range caused by the performance of the control device 30 or the like.
  • the vacuum circuit breaker 4 and the gas disconnector 3 are opened simultaneously. However, after the two contacts of the vacuum circuit breaker 4 are separated, the two contacts of the gas disconnector 3 are separated. Can be opened, the gas circuit breaker 3 can start the opening operation after the gas disconnector 3 starts the opening operation, or the vacuum circuit breaker 4 can start the opening operation. After that, the gas disconnector 3 may start the opening operation.
  • FIG. 5 is a circuit block diagram showing a configuration of a DC circuit breaker according to Embodiment 3 of the present invention, and is a diagram to be compared with FIG. Referring to FIG. 5, this DC circuit breaker is different from the DC circuit breaker of FIG. 1 in that vacuum circuit breaker 4 is replaced by gas circuit breaker 4A, semiconductor switch 20 is replaced by semiconductor switch 20A, and forced commutation is performed. The circuit 10 is removed.
  • the gas circuit breaker 4A is filled with an insulating arc-extinguishing medium such as SF 6 gas, nitrogen, argon, air or carbon dioxide between electrodes.
  • the semiconductor switch 20A includes an IGBT 21A made of SiC.
  • the IGBT 21A has a relatively low on-voltage. For this reason, the arc voltage of the gas circuit breaker 4A can be made sufficiently higher than the on-voltage of the semiconductor switch 20A (that is, the arc resistance of the gas circuit breaker 4A can be made higher than the on-resistance (resistance value when turned on) of the semiconductor switch 20A).
  • the DC current can be commutated to the semiconductor switch 20A without forming a current zero point in the gas circuit breaker 4A, so that the forced commutation circuit 10 is not required and the cost of the apparatus is low. Can be achieved.
  • FIG. 6 is a circuit block diagram showing the configuration of a DC circuit breaker according to Embodiment 4 of the present invention, and is a diagram to be compared with FIG. Referring to FIG. 6, this DC circuit breaker is different from the DC circuit breaker of FIG. 1 in that semiconductor switch 20 is replaced with semiconductor switch 20B.
  • the semiconductor switch 20B is obtained by adding a capacitor 22 and a resistance element 23 to the semiconductor switch 20.
  • Capacitor 22 and resistance element 23 are connected in series between the collector and emitter of IGBT 21 to form a snubber circuit for absorbing a surge voltage.
  • the same effect as in the first embodiment can be obtained.
  • a plurality (four in FIG. 7) of semiconductor switches 20B may be connected in series between the upstream line 1a and the downstream line 1b.
  • FIG. 8 is a circuit block diagram showing the configuration of a DC circuit breaker according to Embodiment 5 of the present invention, and is a diagram compared with FIG. Referring to FIG. 8, this DC circuit breaker is different from the DC circuit breaker of FIG. 6 in that the forced commutation circuit 10 is replaced with a forced commutation circuit 10A.
  • the forced commutation circuit 10 ⁇ / b> A is obtained by adding a resistance element 17 to the forced commutation circuit 10.
  • the resistance element 17, the capacitor 11, the reactor 12, and the switch 13 are connected in series between the electrode on the gas disconnector 3 side of the vacuum circuit breaker 4 and the electrode on the downstream line 1b side.
  • the resistance element 17 when the vacuum circuit breaker 4 is turned off, the resistance element 17 attenuates the reverse current supplied from the capacitor 11 to the vacuum circuit breaker 4 via the reactor 12 and the switch 13. it can.
  • the resistance element 17 can be substituted with the resistance component of the reactor 12 or the line.
  • FIG. 9 is a circuit block diagram showing a configuration of a DC circuit breaker according to Embodiment 6 of the present invention, which is compared with FIG. Referring to FIG. 9, this DC circuit breaker is different from the DC circuit breaker of FIG. 8 in that the forced commutation circuit 10A is replaced with a forced commutation circuit 10B.
  • the forced commutation circuit 10B is obtained by removing the switches 14 and 15 and the charger 16 from the forced commutation circuit 10A and adding a battery 18.
  • the positive electrode of the battery 18 is connected to the electrode on the downstream line 1 b side of the vacuum circuit breaker 4 through the capacitor 11, the reactor 12, and the switch 13, and the negative electrode of the battery 18 is upstream of the vacuum circuit breaker 4 through the resistance element 17. It is connected to the electrode on the side line 1a side.
  • the switch 13 is turned on, and a current in the reverse direction of the direct current flows from the battery 18 to the vacuum circuit breaker 4 through the capacitor 11, the reactor 12, and the switch 13. .
  • the apparatus can be miniaturized.
  • FIG. 10 is a circuit block diagram showing the configuration of a DC circuit breaker according to Embodiment 7 of the present invention, and is a diagram compared with FIG. Referring to FIG. 10, this DC circuit breaker is different from the DC circuit breaker of FIG. 6 in that a lightning arrester 25 is added.
  • the lightning arrester 25 is connected in parallel to the semiconductor switch 20B and absorbs the circuit energy after the semiconductor switch 20B is made non-conductive to cut off the direct current.
  • a direct current is commutated from the semiconductor switch B to the lightning arrester 25.
  • the lightning arrester 25 a voltage is generated between the terminals according to the response speed to a transient current change during commutation.
  • the voltage between the terminals is larger than the system voltage, the commutation to the lightning arrester 25 is possible if each of the gas disconnector 3 and the semiconductor switch 20B has a withstand voltage performance sufficient to withstand the voltage generated between the terminals of the lightning arrester 25. Succeeds.
  • the current flowing through the lightning arrester 25 is attenuated by a time constant determined by the lightning arrester 25 and the line reactor. When the current reaches almost zero, the DC current interruption is completed.
  • the circuit energy can be quickly attenuated after the semiconductor switch 20B is turned off.
  • FIG. 11 is a circuit block diagram showing the configuration of a DC circuit breaker according to Embodiment 8 of the present invention, and is a diagram compared with FIG. Referring to FIG. 11, this DC circuit breaker is different from the DC circuit breaker of FIG. 10 in that semiconductor switch 20B is replaced with semiconductor switch 20C.
  • the semiconductor switch 20C is obtained by adding a diode 24 to the semiconductor switch 20B.
  • the diode 24 is connected to the IGBT 21 in antiparallel. That is, the anode and cathode of the diode 24 are connected to the emitter and collector of the IGBT 21, respectively.
  • the current flowing from the capacitor 11 to the diode 24 becomes a residual current.
  • This residual current can be attenuated and extinguished by, for example, the resistance element 17 of FIG. If the gas disconnector 3 is opened after the residual current disappears, the arc is not ignited by the gas disconnector 3, and the same effect as in the first embodiment can be obtained.
  • the gas disconnector 3 is designed so that the arc can be extinguished even when a small current such as a residual current flows, the opening operation can be started without waiting for the arc to disappear, It is possible to shorten the time until the completion of breaking, and to obtain a high-speed DC breaker. Furthermore, the gas disconnector 3 can be reliably cut off by providing means for driving the arc by magnetic force using a permanent magnet or electromagnet to cut off the small current and assisting the extinguishing of the arc.
  • FIG. 12 is a circuit block diagram showing the configuration of a DC circuit breaker according to Embodiment 9 of the present invention, and is a diagram compared with FIG. Referring to FIG. 12, this DC circuit breaker is different from the DC circuit breaker of FIG. 11 in that a saturable reactor 26 is added.
  • the saturable reactor 26 is connected between an electrode on the downstream line 1 b side of the vacuum circuit breaker 4 and a terminal on the downstream line 1 b side of the switch 13.
  • the saturable reactor 26 has a characteristic that the inductance changes nonlinearly with respect to the current value, the inductance decreases as the current value increases, and the inductance increases as the current value decreases. Since the saturable reactor 26 is provided, when a reverse current is supplied from the capacitor 11 via the reactor 12 and the switch 13 to the vacuum circuit breaker 4 and the current flowing through the vacuum circuit breaker 4 is set to approximately 0 A, the current changes with time. Becomes smaller. For this reason, the vacuum circuit breaker 4 is easily interrupted, and a direct current can be reliably commutated from the vacuum circuit breaker 4 to the semiconductor switch 20.
  • Embodiments 1 to 9 may be combined as appropriate.
  • the embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive.
  • the scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

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  • Driving Mechanisms And Operating Circuits Of Arc-Extinguishing High-Tension Switches (AREA)
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Abstract

　直流遮断器は、直流電流を流す線路（１）に設けられる機械式開閉器（２）と、機械式開閉器（２）に並列接続された半導体スイッチ（２０）とを備える。機械式開閉器（２）は、直列接続されたガス断路器３および真空遮断器（４）を含む。通常は機械式開閉器（２）に直流電流を流し、直流電流を遮断する場合は、真空遮断器（４）を非導通にして直流電流を半導体スイッチ（２０）に転流させた後にガス断路器（３）および半導体スイッチ（２０）を非導通にする。耐電圧の低い真空遮断器（４）を使用できる。

Description

直流遮断器
　本発明は直流遮断装置に関し、特に、直流電力系統の正常時の負荷電流を開閉するとともに、事故時の短絡電流や地絡電流を遮断することによって、負荷側の設備を保護する直流遮断器に関する。
　電力系統には、事故が発生した場合に事故電流を遮断する遮断器が設けられている。交流電力系統で一般的に使用されるガス遮断器、真空遮断器、空気遮断器などの機械式の交流遮断器は、電流値が零にならなければ遮断することはできない。このため、交流遮断器は、交流の半周期ごとに訪れる電流値が零のタイミングで事故電流を遮断する。
　したがって、自然に電流が零点を迎えない直流電流を機械式の遮断器によって遮断する場合には、強制的に電流値を零にする工夫が必要になる。
　また、半導体スイッチを使用して直流電流を遮断する方法がある。この方法では、電流値を強制的に零にする工夫は不要であり、半導体スイッチを開極することにより電流を遮断することができる。しかし、正常の通電状態すなわち閉極状態における半導体スイッチに負荷電流を通電すると、半導体スイッチの抵抗成分によるジュール熱が発生し、電力損失が発生する。これに対して機械式の遮断器では、金属接点に通電するので電力損失は小さい。
　そこで、たとえば特開昭５８－３４５２５号公報（特許文献１）の直流遮断器では、機械式開閉器を半導体スイッチであるＧＴＯ（Gate　Turn-Off　thyristor）に並列に接続し、通常は機械式開閉器に通電し、事故発生時には事故電流を機械式開閉器からＧＴＯに転流させてＧＴＯで電流を遮断する。
　また、半導体スイッチで超高圧の直流電流を遮断するために、国際公開第２０１１／０５７６７５号公報（特許文献２）の直流遮断器は、主の半導体スイッチを多数直列したものと、主の半導体スイッチよりも直列数の少ない補助の半導体スイッチとそれに直列に高速に開極する機械式断路器を備え、通常時は補助の半導体スイッチに電流を流し、事故発生時には事故電流を補助の半導体スイッチから主半導体スイッチに転流させて主半導体スイッチで事故電流を遮断する。
特開昭５８－３４５２５号公報 国際公開第２０１１／０５７６７５号公報
　特許文献１の直流遮断器を超高圧の送電系統に用いるためには、多数のＧＴＯを直列接続して耐電圧を得る必要がある。事故時に機械式開閉器からＧＴＯの直列接続体に電流を転流させるには、ＧＴＯの直列接続体がオンしたときの電圧（オン電圧）を超えるアーク電圧を機械式開閉器に生じさせる必要がある。しかし、特許文献１で機械式開閉器として用いられている真空コンタクタでは十分なアーク電圧を発生させることができない場合がある。
　また、特許文献１の直流遮断器では、ＧＴＯに直列に機械式の断路器が設けられているが、この断路器はサージ吸収装置に流れる電流が零になるとともに開放状態となるので、サージ吸収装置の両端にかかる電圧すなわち少なくとも系統電圧が、機械式開閉器に印加される。したがって、機械式開閉器には大きなアーク電圧を発生させるとともに超高圧の電圧に耐えるための極間耐電圧性能が必要となり高価な遮断器を用いる必要がある。
　また、特許文献２の直流遮断器では、半導体スイッチを多数直列にしたことによって特許文献１で生じた課題を、単独の機械式開閉器ではなく、断路器と補助の半導体スイッチ用いることで解決している。すなわち、電流零点を生じさせなくても主の半導体スイッチに転流させることを可能にし、断路器が超高圧の電圧に耐えるようにすることで補助の半導体スイッチにかかる電圧が超高圧の電圧に耐えなくてもよいようにしている。しかしながら、補助の半導体スイッチに通常の電流が流れている間には補助の半導体スイッチで電力損失が発生する。
　それゆえに、この発明の主たる目的は、電力損失が小さく低価格の直流遮断器を提供することである。
　この発明に係る直流遮断器は、直流電流を流す線路に設けられる機械式開閉器と、機械式開閉器に並列接続された半導体スイッチとを備えたものである。機械式開閉器は直列接続された断路器および遮断器を含む。通常は機械式開閉器に直流電流が流され、直流電流を遮断する場合は、機械式開閉器が非導通にされて直流電流が半導体スイッチに転流された後に半導体スイッチが非導通にされる。
　この発明に係る直流遮断器では、通常は直流電流を機械式の断路器および遮断器に流すので電力損失を低減することできる。また、遮断器は低い耐電圧性能のものを使用すればよいので装置の低価格化を図ることができる。さらに断路器は短ギャップで構成できるので装置の小型化と低価格化を図ることができる。また、直流電流を遮断する場合は、直流電流を半導体スイッチに転流させて半導体スイッチで電流を遮断するので、遮断時間を短縮することができる。
この発明の実施の形態１による直流遮断器の構成を示す回路ブロック図である。 図１に示したガス断路器の要部を示す断面図である。 図１に示した直流遮断器の動作を示すタイムチャートである。 この発明の実施の形態２による直流遮断器の動作を示すタイムチャートである。 この発明の実施の形態３による直流遮断器の構成を示す回路ブロック図である。 この発明の実施の形態４による直流遮断器の構成を示す回路ブロック図である。 実施の形態４の変更例を示す回路ブロック図である。 この発明の実施の形態５による直流遮断器の構成を示す回路ブロック図である。 この発明の実施の形態６による直流遮断器の構成を示す回路ブロック図である。 この発明の実施の形態７による直流遮断器の構成を示す回路ブロック図である。 この発明の実施の形態８による直流遮断器の構成を示す回路ブロック図である。 この発明の実施の形態９による直流遮断器の構成を示す回路ブロック図である。
　[実施の形態１]
　図１は、この発明の実施の形態１による直流遮断器の構成を示す回路ブロック図である。図１において、この直流遮断器は、直流送電系統の線路１に設けられ、機械式開閉器２、強制転流回路１０、半導体スイッチ２０、および制御装置３０を備える。機械式開閉器２は、上流側線路１ａと下流側線路１ｂの間に直列接続されたガス断路器３および真空遮断器４を含む。
　ガス断路器３は、制御装置３０からの制御信号φ３によって制御され、通常は閉極状態（導通状態）にされて直流電流を流し、直流電流を遮断する場合は、直流電流が半導体スイッチ２０に転流された後に開極状態（非導通状態）にされる。
　ガス断路器３は、ＳＦ６、乾燥空気、窒素、アルゴン、２酸化炭素などの絶縁ガスが充満されたタンクと、タンク内に設けられた２つの電極と、２つの電極の接点を接触または離間させて電極間を導通または非導通にさせる駆動装置とを含む。ガス断路器３は、接点間の距離がある距離以上になると、直流遮断器にかかる電圧に耐えることのできる絶縁能力（耐電圧性能）を有する。
　駆動装置は、高速バネ、油圧、電磁力などを利用して電極を駆動させる。電磁力を用いる駆動装置としては、大きな直流の事故電流による電磁力を電磁反発板、駆動コイルなどを用いて駆動力を補助するように構成されたものでもよい。
　図２は、ガス断路器３の要部を示す断面図である。図２において、絶縁ガスが充満されたタンク(図示せず)内において２つの電極ＥＬ１，ＥＬ２の接点が互いに対向して設けられている。電極ＥＬ１，ＥＬ２の接点は、駆動装置(図示せず)によって接触または離間される。図２では、電極ＥＬ１，ＥＬ２の接点が離間した状態が示されている。
　電極ＥＬ１，ＥＬ２の接点間の距離を短くしても十分な絶縁能力が得られるように、電極ＥＬ１，ＥＬ２の接点以外の部分はそれぞれシールド５，６で覆われ、さらに、シールド５，６の互いに対向する部分には絶縁物７が塗布されている。電極ＥＬ１は管状に形成されている。
　図１に戻って、真空遮断器４は、制御装置３０からの制御信号φ４によって制御され、通常は閉極状態（導通状態）にされて直流電流を流し、直流電流を遮断する場合は、開極状態（非導通状態）にされて直流電流を半導体スイッチ２０に転流させる。
　真空遮断器４は、真空バルブとよばれる真空容器と、真空容器内に設けられた２つの電極と、２つの電極を接触または離間させて電極間を導通または非導通にさせる駆動装置とを含む。駆動装置は、高速バネ、油圧、電磁力などを利用して電極を駆動させる。
　真空遮断器４では、通電中に２つの電極の接点を離間させるとアークが点弧するが、接点間の距離がある距離以上になったとき、電流が零値になると電流を遮断することができる。真空遮断器４の絶縁性能はガス断路器３の絶縁性能より劣っていても構わない。２つの電極間の絶縁性能は、半導体スイッチ２０がオン状態で事故電流を流しているときに電極間に発生する電圧に耐える性能であればよい。電極の対地の絶縁性能は、直流送電系統の電圧に耐えるものであればよい。
　強制転流回路１０は、直流電流を遮断するときに、真空遮断器４に流れる直流電流の向きと逆方向の電流を真空遮断器４に流し、真空遮断器４に電流零点を生成して真空遮断器４を非導通状態にする。強制転流回路１０は、コンデンサ１１、リアクトル１２、スイッチ１３～１５、および充電器１６を含む。コンデンサ１１、リアクトル１２、およびスイッチ１３は、真空遮断器４の上流側の電極と下流側の電極との間に直列接続される。
　コンデンサ１１およびリアクトル１２は、共振回路を構成する。リアクトル１２は、回路の線路のもつインダクタンス分によって代用が可能な場合もある。スイッチ１３としては、真空遮断器、ガス遮断器などの開閉器を用いてもよいし、ガスまたは真空のギャップスイッチを用いてもよいし、サイリスタ、ＩＧＢＴ（Insulated　Gate　Bipolar　Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などの半導体素子を用いてもよい。
　スイッチ１３は、制御装置３０からの制御信号φ１３によって制御され、通常は非導通にされ、直流電流を遮断する場合は導通状態にされる。スイッチ１３が導通状態にされると、コンデンサ１１からリアクトルおよびスイッチ１３を介して真空遮断器４に直流電流と逆方向の電流が流され、真空遮断器４に流れる電流が０にされて真空遮断器４が非導通にされる。
　充電器１６の負側端子はスイッチ１４を介してコンデンサ１１の負電極に接続され、充電器１６の正側端子はスイッチ１５を介してコンデンサ１１の正電極に接続される。スイッチ１４，１５および充電器１６は、たとえば制御装置３０によって制御される。充電時は、スイッチ１４，１５が導通状態にされ、充電器１６はスイッチ１４，１５を介してコンデンサ１１を予め定められた直流電圧に充電する。
　半導体スイッチ２０は、上流側線路１ａと下流側線路１ｂの間に機械式開閉器２と並列に接続される。半導体スイッチ２０は、制御装置３０からの制御信号φ２０によって制御され、直流電流を遮断する場合に、機械式開閉器２から転流された電流を流した後に非導通状態にされる。半導体スイッチ２０は、たとえばＳｉＣのような半導体で形成されたＩＧＢＴ、ＧＴＯなどの半導体素子と、制御信号φ２０に応答して半導体素子を導通または非導通にするドライバとを含み、モジュール化されている。半導体スイッチ２０は、並列または直列接続された複数の半導体素子を含んでいても構わない。図１では、半導体スイッチ２０が１つのＩＧＢＴ２１を含む場合が示されている。
　図３（ａ）（ｂ）は電流遮断器の動作を示すタイムチャートである。図３（ａ）は、真空遮断器４に流れる電流Ｉ４と、半導体スイッチ２０に流れる電流Ｉ２０と、真空遮断器４に含まれる駆動装置のストロークＳＴ４と、ガス断路器３に含まれる駆動装置のストロークＳＴ３との時間変化を示す。図３（ｂ）は、ガス断路器３、真空遮断器４、半導体スイッチ２０、およびスイッチ１３の制御信号φ３，φ４，φ１３，φ２０の時間変化を示す。
　図３（ａ）（ｂ）において、定常の通電時（初期状態）では、制御信号φ３，φ４，φ１３，φ２０はともに「Ｌ」レベルされ、ガス断路器３、真空遮断器４、および半導体スイッチ２０が導通状態にされ、スイッチ１３は非導通状態にされている。コンデンサ１１の充電は終了しており、スイッチ１４，１５は非導通状態にされているものとする。
　この状態では、直流電流は機械式開閉器２（すなわちガス断路器３および真空遮断器４）に流れており、機械式開閉器２の端子間電圧が半導体スイッチ２０のオン電圧よりも低いため半導体スイッチ２０に直流電流は流れない。ただし、機械式開閉器２の端子間電圧が半導体スイッチ２０のオン電圧を超えた場合には、半導体スイッチ２０に直流電流が流れる状態となっている。
　直流送電系統において事故が発生すると、外部の保護リレーから制御装置３０に、直流遮断器を非導通状態にして直流電流を遮断させる旨の開極指令が与えられる。制御装置３０は、まず時刻ｔ１において、制御信号φ４を「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに立ち上げて真空遮断器４の駆動装置に開極動作を開始させる。なお、通常は半導体スイッチ２０を非導通状態にしておき、この時点（時刻ｔ１）で半導体スイッチ２０を導通状態にしてもよい。
　時刻ｔ２において真空遮断器４の駆動装置のストロークＳＴ４が接点乖離位置Ｐ１に到達すると、２つの電極の接点が乖離して接点間に真空アークが点弧する。なお、真空アーク電圧は数ボルト程度以下であるので、単に接点間を乖離させただけでは真空アーク電圧が半導体スイッチ２０のオン電圧を超えることができず、真空遮断器４から半導体スイッチ２０に電流を転流できない場合がある。
　次に制御装置３０は、時刻ｔ３において制御信号φ１３を「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化させ、スイッチ１３を導通させる。これにより、コンデンサ１１からリアクトル１２およびスイッチ１３を介して真空遮断器４に直流電流と逆方向の電流が流され、電流零点が形成されて真空アークが消弧し、真空遮断器４が非導通状態にされる。これにより、真空遮断器４の端子間電圧が半導体スイッチ２０のオン電圧を超え、直流電流は真空遮断器４から半導体スイッチ２０に転流される（時刻ｔ４）。
　すなわち、制御装置３０は、真空遮断器４の接点間距離が電流遮断可能な距離になったとき（時刻ｔ３）、制御信号φ１３を「Ｈ」レベルにして強制転流回路１０のスイッチ１３を導通させる。コンデンサ１１は、予め充電器１６によって真空遮断器４に流れる事故直流電流に対して逆方向の電流を流すような極性および電圧値で充電されている。したがって、スイッチ１３が導通状態にされると、コンデンサ１１の放電が開始されて逆電流が真空遮断器４に印加される。
　真空遮断器４において、事故直流電流と逆電流が重畳することにより電流零点が生成される。電流零点になると真空遮断器４は自身を流れる電流を遮断する。これにより事故直流電流は、真空遮断器４から半導体スイッチ２０に転流する。事故直流電流の遮断が成功するには、真空遮断器４の接点間耐圧が、半導体スイッチ２０のオン電圧を超える程度の電圧以上であればよい。
　半導体スイッチ２０に事故直流電流が転流し、ガス断路器３に流れる電流が無くなると、時刻ｔ５において制御装置３０は制御信号φ３を「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに立ち上げてガス断路器３の駆動装置に開極動作を開始させる。時刻ｔ６においてガス断路器３の駆動装置のストロークＳＴ３が接点乖離位置Ｐ２に到達する。
　ガス断路器３の接点間距離が、半導体スイッチ２０が開極して事故電流を遮断したときに直流遮断器が系統から受ける電圧に耐えるだけの距離になったとき（時刻ｔ７）、制御装置３０は制御信号φ２０を「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに立ち上げて半導体スイッチ２０を非導通状態にさせる。このときガス断路器３に直流遮断器が受ける電圧のほぼ全ての電圧がかかるので、真空遮断器４の耐電圧性能はガス断路器３の耐電圧性能よりも低くて構わない。半導体スイッチ２０が直流送電系統から受ける電圧に耐えられる性能を持つように構成してあれば直流電流の遮断が完了する。
　以上のように、本実施の形態１では、通常は直流電流を機械式開閉器２（すなわちガス断路器３および真空遮断器４）に流すので電力損失を低減することができる。また、真空遮断器４は低い耐電圧性能のものを使用すればよいので、装置の低価格化を図ることができる。
　また、真空遮断器４に流れる電流Ｉ４が無くなった後にガス断路器３の開極動作を開始するので、ガス断路器３の接点間にアークが点弧しない。アークは２００００Ｋに至る極めて高温のプラズマであり、大電流のアークが長時間点弧すると接点が消耗し損傷する。また、絶縁媒体であるガスや空気が高温となるため、アークが無点弧で開極した場合に比べて消弧直後では絶縁性能が低下する。しかしながら、上記のような開極動作を行なうとガス断路器３にはアークが点弧しないため、接点の消耗、損傷や絶縁性能の低下が発生せず、短いギャップ長でも十分な絶縁距離を得ることができる。したがって、装置の小型化が可能となるだけでなく、開極にかかる時間を短くすることができ、開極動作の高速化が可能となる。
　また、上記のような構成にすることによって、たとえば３００ｋＶ以上の超高圧の直流送電系統においても適用可能で、たとえば１０ｋＡ以上の事故電流も遮断可能な高速で安価な直流遮断器を得ることができる。
　なお、本実施の形態１では、ガス断路器３としてＳＦ６ガスのようなガス絶縁媒体を用いた断路器を使用した。しかし、真空容器内に接点をもつ真空断路器であっても、直流遮断器にかかる電圧に耐えることができるほど十分な接点間距離が得られるものであれば、ガス断路器３の代わりに使用可能である。
　また、真空遮断器４の代わりに、ＳＦ６ガス、窒素、アルゴン、空気、２酸化炭素などの絶縁消弧媒体を用いたガス遮断器を用いたり、永久磁石や電磁石などの磁場によりアークを駆動する磁気駆動により消弧する遮断器を用いてもよい。
　［実施の形態２］
　実施の形態１では、真空遮断器４を非導通にして半導体スイッチ２０に直流電流を転流させ、ガス断路器３を非導通にした後に半導体スイッチ２０を非導通にして、直流遮断器を非導通にしている。
　すなわち、図３で示したように、真空遮断器４に開極動作を開始させ（時刻ｔ１）、真空遮断器４の２つの接点が乖離したら（時刻ｔ２）、ガス断路器３に開極動作を開始させ（時刻ｔ５）、ガス断路器３の２つの接点が乖離したら（時刻ｔ６）、半導体スイッチ２０を非導通にし（時刻ｔ７）、直流遮断器を非導通にしている。
　しかし、真空遮断器４に開極動作を開始させてから２つの接点が乖離するまでの時間Ｔ１（時刻ｔ１～ｔ２）と、ガス断路器３に開極動作を開始させてから２つの接点が乖離するまでの時間Ｔ２（時刻ｔ５～ｔ６）とは異なる。図３では、Ｔ１＜Ｔ２の場合が示されている。
　そこで本実施の形態２では、Ｔ１＜Ｔ２の場合には、図４（ａ）（ｂ）に示すように、制御信号φ４とφ３を同時に「Ｈ」レベルに立ち上げて真空遮断器４とガス断路器３に同時に開極動作を開始させる（時刻ｔ１）。この場合でも、真空遮断器４の２つの接点を乖離させた後にガス断路器３の２つの接点を乖離させることができ、実施の形態１と同じ効果を得ることができる。また、ガス断路器３の開極動作を早めた時間だけ事故電流の遮断に要する時間を短縮することができる。
　なお、本実施の形態２では、制御信号φ４とφ３を同時に「Ｈ」レベルに立ち上げて真空遮断器４とガス断路器３に同時に開極動作を開始させたが、必ずしも完全に同時である必要はなく、制御装置３０の性能などに起因する誤差範囲内で、多少時間がずれていても構わない。
　また、本実施の形態２では、真空遮断器４とガス断路器３に同時に開極動作を開始させたが、真空遮断器４の２つの接点を乖離させた後にガス断路器３の２つの接点を乖離させることができるのであれば、ガス断路器３に開極動作を開始させた後に真空遮断器４に開極動作を開始させてもよいし、真空遮断器４に開極動作を開始させた後にガス断路器３に開極動作を開始させても構わない。
　[実施の形態３]
　図５は、この発明の実施の形態３による直流遮断器の構成を示す回路ブロック図であって、図１と対比される図である。図５を参照して、この直流遮断器が図１の直流遮断器と異なる点は、真空遮断器４がガス遮断器４Ａで置換され、半導体スイッチ２０が半導体スイッチ２０Ａで置換され、強制転流回路１０が除去されている点である。ガス遮断器４Ａは、電極間にＳＦ６ガス、窒素、アルゴン、空気、２酸化炭素などの絶縁消弧媒体を充満したものである。
　ガス遮断器４Ａに開極動作を行なわせると、接点間にアークが発生し、真空遮断器４よりも高いアーク電圧が得られる。半導体スイッチ２０Ａは、ＳｉＣで形成されたＩＧＢＴ２１Ａを含む。ＩＧＢＴ２１Ａは比較的低いオン電圧を有する。このため、ガス遮断器４Ａのアーク電圧を半導体スイッチ２０Ａのオン電圧よりも十分高くすることができ（すなわち、ガス遮断器４Ａのアーク抵抗を半導体スイッチ２０Ａのオン抵抗（オン時の抵抗値）よりも十分高くすることができ、ガス遮断器４Ａにおいて電流零点を形成しなくても直流電流を半導体スイッチ２０Ａに転流させることができる。したがって、強制転流回路１０は不要となり、装置の低価格化を図ることができる。
　[実施の形態４]
　図６は、この発明の実施の形態４による直流遮断器の構成を示す回路ブロック図であって、図１と対比される図である。図６を参照して、この直流遮断器が図１の直流遮断器と異なる点は、半導体スイッチ２０が半導体スイッチ２０Ｂで置換されている点である。
　半導体スイッチ２０Ｂは、半導体スイッチ２０にコンデンサ２２および抵抗素子２３を追加したものである。コンデンサ２２および抵抗素子２３は、ＩＧＢＴ２１のコレクタおよびエミッタ間に直列接続され、サージ電圧を吸収するためのスナバ回路を構成する。この実施の形態４でも、実施の形態１と同じ効果が得られる。
　なお、図７に示すように、上流側線路１ａと下流側線路１ｂの間に複数（図７では４つ）の半導体スイッチ２０Ｂを直列接続してもよい。
　[実施の形態５]
　図８は、この発明の実施の形態５による直流遮断器の構成を示す回路ブロック図であって、図６と対比される図である。図８を参照して、この直流遮断器が図６の直流遮断器と異なる点は、強制転流回路１０が強制転流回路１０Ａで置換されている点である。
　強制転流回路１０Ａは、強制転流回路１０に抵抗素子１７を追加したものである。抵抗素子１７、コンデンサ１１、リアクトル１２、およびスイッチ１３は、真空遮断器４のガス断路器３側の電極と下流側線路１ｂ側の電極との間に直列接続される。
　この実施の形態５では、真空遮断器４を非導通状態にするときに、コンデンサ１１からリアクトル１２およびスイッチ１３を介して真空遮断器４に与えられた逆電流を抵抗素子１７によって減衰させることができる。
　なお、抵抗素子１７をリアクトル１２や線路の抵抗成分で代用することができる場合もある。
　［実施の形態６］
　図９は、この発明の実施の形態６による直流遮断器の構成を示す回路ブロック図であって、図８と対比される図である。図９を参照して、この直流遮断器が図８の直流遮断器と異なる点は、強制転流回路１０Ａが強制転流回路１０Ｂで置換されている点である。
　強制転流回路１０Ｂは、強制転流回路１０Ａからスイッチ１４，１５および充電器１６を除去し、電池１８を追加したものである。電池１８の正極はコンデンサ１１、リアクトル１２、およびスイッチ１３を介して真空遮断器４の下流側線路１ｂ側の電極に接続され、電池１８の負極は抵抗素子１７を介して真空遮断器４の上流側線路１ａ側の電極に接続される。真空遮断器４を非導通状態にするときにスイッチ１３が導通状態にされ、電池１８からコンデンサ１１、リアクトル１２、およびスイッチ１３を介して真空遮断器４に直流電流の逆方向の電流が流される。
　この実施の形態６では、スイッチ１４，１５および充電器１６が不要となるので、装置の小型化を図ることができる。
　［実施の形態７］
　図１０は、この発明の実施の形態７による直流遮断器の構成を示す回路ブロック図であって、図６と対比される図である。図１０を参照して、この直流遮断器が図６の直流遮断器と異なる点は、避雷器２５が追加されている点である。避雷器２５は、半導体スイッチ２０Ｂに並列接続され、半導体スイッチ２０Ｂを非導通にして直流電流を遮断した後に、回路のエネルギーを吸収する。
　すなわち、半導体スイッチ２０Ｂが非導通にされると、直流電流が半導体スイッチＢから避雷器２５に転流する。避雷器２５では転流途中の過渡的な電流変化に対する応答速度に応じて端子間に電圧が発生する。その端子間電圧が系統電圧より大きい場合、ガス断路器３および半導体スイッチ２０Ｂの各々が避雷器２５の端子間に発生する電圧に耐えるだけの耐電圧性能を持っていれば、避雷器２５への転流が成功する。避雷器２５に流れる電流は、避雷器２５および線路のリアクトルで決まる時定数で減衰する。その電流がほぼ零に至ると、直流電流の遮断が完了する。
　この実施の形態７では、半導体スイッチ２０Ｂを非導通にした後に回路のエネルギーを迅速に減衰させることができる。
　[実施の形態８]
　図１１は、この発明の実施の形態８による直流遮断器の構成を示す回路ブロック図であって、図１０と対比される図である。図１１を参照して、この直流遮断器が図１０の直流遮断器と異なる点は、半導体スイッチ２０Ｂが半導体スイッチ２０Ｃで置換されている点である。
　半導体スイッチ２０Ｃは、半導体スイッチ２０Ｂにダイオード２４を追加したものである。ダイオード２４は、ＩＧＢＴ２１に逆並列に接続されている。すなわち、ダイオード２４のアノードおよびカソードは、それぞれＩＧＢＴ２１のエミッタおよびコレクタに接続されている。
　コンデンサ１１からリアクトル１２およびスイッチ１３を介して真空遮断器４に逆電流を流して真空遮断器４を非導通にさせると、コンデンサ１１の正極からリアクトル１２、スイッチ１３、ダイオード２４、およびガス断路器３を介してコンデンサ１１の負極に至る経路で電流が流れる。このため、コンデンサ１１の残留電圧はＩＧＢＴ２１に印加されず、ＩＧＢＴ２１のストレスが低減される。
　なお、コンデンサ１１からダイオード２４に流れる電流は残留電流となる。この残留電流は、たとえば図８の抵抗素子１７によって減衰させ、消滅させることができる。残留電流の消滅後にガス断路器３を開極すれば、ガス断路器３でアークが点弧することがなく、実施の形態１と同様の効果が得られる。
　また、残留電流のような小さな電流が流れていても消弧可能なようにガス断路器３を設計しておけば、アークが消滅するのを待たずに開極動作を開始することができ、遮断完了までの時間を短縮することができ、高速な直流遮断器を得ることができる。さらに小電流を遮断するために永久磁石や電磁石を用いて磁力によりアークを駆動して消弧を補助する手段を設ければ、ガス断路器３を確実に遮断することができる。
　[実施の形態９]
　図１２は、この発明の実施の形態９による直流遮断器の構成を示す回路ブロック図であって、図１１と対比される図である。図１２を参照して、この直流遮断器が図１１の直流遮断器と異なる点は、可飽和リアクトル２６が追加されている点である。可飽和リアクトル２６は、真空遮断器４の下流側線路１ｂ側の電極とスイッチ１３の下流側線路１ｂ側の端子との間に接続されている。
　可飽和リアクトル２６は、電流値に対してインダクタンスが非線形に変化し、電流値が大きくなるとインダクタンスが小さくなり、電流値が小さくなるとインダクタンスが大きくなる特性を持っている。可飽和リアクトル２６を設けたので、コンデンサ１１からリアクトル１２およびスイッチ１３を介して真空遮断器４に逆電流を供給し、真空遮断器４に流れる電流を略０Ａにしたとき、電流の時間的変化が小さくなる。このため、真空遮断器４が遮断し易くなり、真空遮断器４から半導体スイッチ２０に直流電流を確実に転流させることができる。
　なお、上記の実施の形態１～９を適宜組み合わせてもよいことはいうまでもない。
　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　１　線路、１ａ　上流側線路、１ｂ　下流側線路、３　ガス断路器、４　真空遮断器、４Ａ　ガス遮断器、ＥＬ１，ＥＬ２　電極、５，６　シールド、７　絶縁物、１０，１０Ａ，１０Ｂ　強制転流回路、１１，２２　コンデンサ、１２　リアクトル、１３～１５　スイッチ、１６　充電器、１７，２３　抵抗素子、１８　電池、２０，２０Ａ～２０Ｃ　半導体スイッチ、２１，２１Ａ　ＩＧＢＴ、２４　ダイオード、２５　避雷器、２６　可飽和リアクトル、３０　制御装置。

Claims (16)

  1. 　直流電流を流す線路に設けられる機械式開閉器と、
    　前記機械式開閉器に並列接続された半導体スイッチとを備え、
    　前記機械式開閉器は直列接続された断路器および遮断器を含み、
    　通常は前記機械式開閉器に前記直流電流が流され、前記直流電流を遮断する場合は、前記機械式開閉器が非導通にされて前記直流電流が前記半導体スイッチに転流された後に前記半導体スイッチが非導通にされる、直流遮断器。
  2. 　前記直流電流を遮断する場合は、前記遮断器が非導通にされて前記直流電流が前記半導体スイッチに転流された後に前記断路器および前記半導体スイッチが非導通にされる、請求項１に記載の直流遮断器。
  3. 　前記遮断器の接点が乖離された後に前記断路器の接点が乖離される、請求項２に記載の直流遮断器。
  4. 　前記遮断器の開極動作が開始された後に前記断路器の開極動作が開始される、請求項３に記載の直流遮断器。
  5. 　前記遮断器および前記断路器の開極動作は同時に開始される、請求項３に記載の直流遮断器。
  6. 　前記遮断器の極間耐電圧は前記断路器の極間耐電圧よりも低い、請求項１に記載の直流遮断器。
  7. 　さらに、前記直流電流を遮断する場合に前記直流電流と逆方向の電流を前記遮断器に流す強制転流回路を備える、請求項１に記載の直流遮断器。
  8. 　前記強制転流回路は、
    　直列接続されたコンデンサおよびリアクトルを含む共振回路と、
    　充電動作時に前記コンデンサを充電させる充電器と、
    　前記遮断器を遮断させる遮断動作時に前記共振回路を前記遮断器に接続し、前記直流電流と逆方向の電流を前記コンデンサから前記リアクトルを介して前記遮断器に流すスイッチとを含む、請求項７に記載の直流遮断器。
  9. 　前記強制転流回路は、
    　電池と、
    　前記電池と直列接続されたコンデンサおよびリアクトルを含む共振回路と、
    　前記遮断器を遮断させる遮断動作時に前記電池および前記共振回路を前記遮断器に接続し、前記直流電流と逆方向の電流を前記電池から前記コンデンサおよび前記リアクトルを介して前記遮断器に流すスイッチとを含む、請求項７に記載の直流遮断器。
  10. 　前記強制転流回路は、さらに、前記遮断器を非導通にした後に前記直流電流と逆方向の電流を減衰させる抵抗素子を含む、請求項７に記載の直流遮断器。
  11. 　さらに、前記線路に設けられて前記遮断器と直列接続された可飽和リアクトルを備え、
    　前記強制転流回路は、前記直流電流を遮断する場合に前記直流電流と逆方向の電流を前記可飽和リアクトルを介して前記遮断器に流す、請求項７に記載の直流遮断器。
  12. 　前記遮断器を非導通にした後に前記直流電流と逆方向の電流を前記断路器によって遮断する、請求項７に記載の直流遮断器。
  13. 　前記半導体スイッチはトランジスタを含む、請求項１に記載の直流遮断器。
  14. 　前記半導体スイッチは、直列接続された複数の前記トランジスタを含む、請求項１３に記載の直流遮断器。
  15. 　前記半導体スイッチは、さらに、前記トランジスタに逆並列に接続されたダイオードを含む、請求項１３に記載の直流遮断器。
  16. 　さらに、前記半導体スイッチに並列接続され、前記半導体スイッチが非導通にされた後に電気エネルギーを吸収する避雷器を備える、請求項１に記載の直流遮断器。
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