WO2017134825A1 - 直流遮断器 - Google Patents

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speed
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low
speed circuit
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和順 田畠
邦夫 菊池
信 宮下
健次 亀井
翔 常世田
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三菱電機株式会社
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    • H01H9/54—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere
    • H01H9/548—Electromechanical and static switch connected in series

Definitions

  • the present invention relates to a direct current circuit breaker that interrupts direct current.
  • Self-excited direct current power transmission using a self-excited converter has advantages such as being connectable to a weak small system and a point where there is no AC power supply, and is thus widely applied worldwide.
  • application of a DC circuit breaker is indispensable for selecting and interrupting an accident line.
  • a resonance circuit consisting of a capacitor and a reactor is connected in parallel with the circuit breaker, and when there is a need to cut off the DC current, the charge of the precharged capacitor is discharged to There is a forced arc extinguishing method that forms a current zero point by superimposing a resonant current on a direct current (see Patent Document 1).
  • a self-excited oscillation method in which a resonance circuit composed of a capacitor and a reactor is connected in parallel with the cutoff unit, and a current zero point is formed by a self-excited oscillation phenomenon based on the interaction between the arc and the resonance circuit ( Patent Document 2).
  • JP 2004-171849 A Japanese Patent Laid-Open No. 9-50743 Japanese Patent Laying-Open No. 2015-79699
  • the present invention is a DC circuit breaker applied to a self-excited DC power transmission system, and includes a high-speed circuit breaker and a low-speed circuit breaker connected in series.
  • the high-speed circuit breaker includes a high-speed circuit breaker breaker that cuts off a direct current flowing in the DC line when an accident occurs on the DC line, and a current limiting element connected in parallel to the high-speed breaker breaker.
  • the low-speed circuit breaker includes a low-speed circuit breaker breaker that cuts off a direct current flowing through the DC line when an accident occurs on the DC line.
  • the high-speed circuit breaker 20 includes a high-speed circuit breaker circuit breaker 21 that is inserted into the DC line 1 and serves as a direct current flow path in a steady state, and a current limiting element 22 that is connected in parallel to the high-speed circuit breaker circuit breaker 21.
  • a lightning arrester corresponds to the current limiting element 22.
  • the low-speed circuit breaker 30 includes a low-speed circuit breaker breaker 31 that is inserted into the DC line 1 and serves as a direct current flow path in a steady state.
  • the high-speed circuit breaker circuit breaker 21 of the high-speed circuit breaker 20 and the low-speed circuit breaker circuit breaker 31 of the low-speed circuit breaker 30 are used to determine that an accident has occurred in the DC line 1, that is, the current flowing through the DC line 1 has occurred.
  • the opening operation is performed to open the DC line 1 and cut off the DC current that is the accident current.
  • Whether or not the current flowing through the DC line 1 exceeds a specified value is determined by monitoring a current detection value by a current transformer (not shown) provided in the DC line 1 by a control device (not shown). To do.
  • the breaking speed of the high-speed circuit breaker breaker 21, that is, the required time from the start of the opening operation until the DC current is cut off is faster than the breaking speed of the low-speed breaker breaker 31.
  • a circuit breaker with a high breaking speed has a higher cost than a circuit breaker with a low breaking speed with the same pressure resistance when realizing a high withstand voltage.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating waveforms of the voltage V DC of the DC line and the current I DC flowing in the DC line of the DC power transmission system to which the DC circuit breaker 10 is applied.
  • Upper part of FIG. 2 shows the voltage V DC
  • the lower part shows the current I DC.
  • the voltage V DC is the voltage of the DC line 1 on the power supply side of the DC circuit breaker 10, that is, the voltage of the DC line 1 from the power supply to the DC circuit breaker 10.
  • the horizontal axis indicates time, and the vertical axis indicates voltage VDC or current IDC .
  • the solid line indicates the waveform of the waveform or the current I DC voltage V DC of the application of the DC breaker 10
  • a broken line indicates a waveform when not applying the DC breaker 10. 2
  • accident shows the waveform when generated at time t f.
  • the accident current is limited, and the rate of decrease of the DC voltage V DC can be reduced.
  • the interruption by the low-speed circuit breaker breaker 31 of the low-speed circuit breaker 30 is completed, and the accident current rapidly decreases.
  • the accident is completely eliminated and the current IDC becomes zero.
  • the low-speed circuit breaker 30 is responsible for cutting off the voltage applied to the DC line 1 after the high-speed circuit breaker 20 is cut off.
  • the high-speed circuit breaker 20 that is difficult to achieve a high breakdown voltage but has a high breaking speed and the low-speed circuit breaker 30 that has a low breaking speed but is easy to increase the breakdown voltage are connected in series. It is set as the structure connected to.
  • the high-speed circuit breaker 20 is not required to have an excessive breakdown voltage.
  • the low speed circuit breaker 30 greatly reduces the operating time duty and the breaking current peak value. That is, the duty of each circuit breaker of the high-speed circuit breaker 20 and the low-speed circuit breaker 30 can be greatly relieved and the entire DC circuit breaker can be configured at low cost. Furthermore, it is possible to eliminate the accident before the request from the DC power transmission system is satisfied, that is, before the DC voltage V DC falls below the minimum voltage threshold V DCmin .
  • FIG. 3 is a diagram illustrating waveforms of the voltage V DC of the DC line and the current I DC flowing in the DC line of the DC power transmission system to which the DC circuit breaker according to the second embodiment is applied.
  • the configuration of the DC circuit breaker according to the second embodiment is the same as that of the first embodiment.
  • upper row shows the voltage V DC, shows the current I DC to the lower.
  • the horizontal axis indicates time.
  • V lim is a voltage applied to the current limiting element 22 after the breaking by the high-speed circuit breaker breaker 21 of the high-speed circuit breaker 20, that is, the opening operation is completed.
  • the current limiting is performed so that the voltage V lim applied to the current limiting element 22 becomes equal to or higher than the minimum voltage threshold V DCmin allowed by the system after the high speed circuit breaker 20 is interrupted.
  • the impedance of the element 22 is set. By setting the impedance of the current limiting element 22 in this way, the DC voltage V DC may be lower than the minimum voltage threshold V DCmin allowed by the system, no matter how much time has elapsed after the high-speed circuit breaker 20 is shut off. Disappear.
  • the impedance of the current limiting element 22 is not limited.
  • V DC becomes lower than the minimum voltage threshold V DCmin, it is necessary to slow breaker 30 has completed blocking operation before the DC voltage V DC is equal to or less than the minimum voltage threshold V DCmin.
  • the impedance of the current limiting element 22 of the high speed circuit breaker 20 is the voltage VDC of the DC line 1 after the high speed circuit breaker circuit breaker 21 is interrupted.
  • the allowable minimum voltage threshold V DCmin or more is set to a value that can be maintained.
  • the forced arc extinguishing type circuit breaker is a circuit breaker that forms a zero current point by superimposing a resonant current with a reactor on a direct current by discharging a charge of a capacitor charged in advance.
  • a self-excited vibration type circuit breaker is a circuit breaker that forms a current zero point by a self-excited oscillation phenomenon based on the interaction between an arc and a resonance circuit.
  • the high-speed circuit breaker 20a includes a high-speed circuit breaker breaker 21, a current limiting element 22, a high-speed switch 23, a capacitor 24, and a reactor 25.
  • a resonance circuit for generating a resonant current includes a series circuit, that is, a high-speed switch 23, a capacitor 24, and a reactor 25 connected in series, and a current limiting element 22 connected in parallel to the series circuit. Composed. The resonant circuit and the high-speed circuit breaker breaker 21 are connected in parallel. The capacitor 24 is always charged by a DC voltage supplied from a charging device (not shown) or the DC line 1. In the high-speed circuit breaker 20a, a current zero point is formed on the order of several tens of ⁇ s in a very short time due to the discharge current from the capacitor 24 after the high-speed switch 23 is turned on.
  • the high-speed circuit breaker 20a can perform high-speed interruption.
  • the timing at which the high-speed switch 23 is turned on may be the same as the timing at which the high-speed circuit breaker breaker 21 starts the opening operation, or the high-speed circuit breaker breaker 21 is opened in consideration of the time required for the opening operation. You may make it later than the timing which starts.
  • the high-speed switch may be turned on before the opening operation of the high-speed circuit breaker breaker 21 is completed. desirable.
  • the low-speed circuit breaker 30 a includes a low-speed circuit breaker circuit breaker 31, a current limiting element 32, a capacitor 33, and a reactor 34.
  • the capacitor 33 and the reactor 34 connected in series and the current limiting element 32 connected in parallel to this constitute a resonance circuit.
  • the resonance circuit and the low-speed circuit breaker breaker 31 are connected in parallel.
  • the time required for the current to oscillate and form a zero point that is, the time required to cut off the direct current is on the order of several tens of ms.
  • the low-speed circuit breaker 30a does not require the charging device for the capacitor 24 and the high-speed switch 23 required for the high-speed circuit breaker 20a described above, and can be configured simply and inexpensively.
  • the DC circuit breaker 10a is configured to include the high-speed circuit breaker 20a and the low-speed circuit breaker 30a, the forced arc extinguishing method with reduced voltage class, that is, withstand voltage, is applied as the high-speed circuit breaker 20a.
  • the high-speed circuit breaker 30a can be cut off by reducing the number of high-voltage class auxiliary devices by applying the self-excited vibration method as the low-speed circuit breaker 30a.
  • Accident current can be cut off.
  • the low speed circuit breaker circuit breaker 31 is not required to operate at high speed, the scale can be reduced.
  • the current that should be interrupted by the low-speed circuit breaker breaker 31 of the low-speed circuit breaker 30a is greatly reduced by the current limiting element 32, and the low-speed circuit breaker breaker 31 can also be interrupted.
  • the scale of the entire DC breaker can be reduced while satisfying the high-speed break request from the system.
  • the high-speed circuit breaker 20 of the DC circuit breaker 10 described in the first or second embodiment is replaced with the high-speed circuit breaker 20a, which is a forced arc extinguishing type DC circuit breaker, and the low-speed circuit breaker 30 is self-excited.
  • the DC circuit breaker 10a having the low-speed circuit breaker 30a, which is a DC circuit breaker of the type, has been described.
  • the present invention is not limited to this configuration.
  • the high speed circuit breaker 20 is a high speed circuit breaker 20a that is a forced arc extinguishing type DC circuit breaker
  • the low speed circuit breaker 30 is a DC circuit breaker other than the self-excited vibration system. It is good also as a vessel.
  • the high-speed circuit breaker 20 may be a DC circuit breaker other than the forced arc extinguishing system
  • the low-speed circuit breaker 30 may be a low-speed circuit breaker 30a that is a self-excited vibration system DC circuit breaker.
  • Embodiment 4 FIG. A DC circuit breaker according to the fourth embodiment will be described.
  • the configuration of the DC circuit breaker according to the fourth embodiment is the same as that of the DC circuit breaker 10a according to the third embodiment shown in FIG.
  • the DC circuit breaker 10a according to the present embodiment is the same as the DC circuit breaker 10a according to the third embodiment except that the high-speed circuit breaker circuit breaker 21 of the high-speed circuit breaker 20a is a vacuum circuit breaker. That is, in the DC circuit breaker 10a according to the present embodiment, the high-speed circuit breaker breaker 21 of the high-speed circuit breaker 20a is a forced arc extinguishing vacuum circuit breaker.
  • the forced arc extinguishing method is a method in which the current zero point is formed by superimposing the resonance current of the capacitor and the reactor on the DC current. It depends on the capacitance value and the inductance value of the reactor 25. If it is going to reduce the scale of the capacitor
  • a gas circuit breaker can be applied to the self-excited vibration type low-speed circuit breaker 30a. Since the low-speed circuit breaker 30a is required to have a high breakdown voltage, it is easy to configure the low-speed circuit breaker circuit breaker 31 of the low-speed circuit breaker 30a using a gas circuit breaker having a higher pressure resistance than a vacuum circuit breaker. High breakdown voltage can be realized.
  • the vacuum circuit breaker is applied to the high speed circuit breaker breaker 21 of the high speed circuit breaker 20a, and the gas circuit breaker is applied to the low speed circuit breaker breaker 31 of the low speed circuit breaker 30a. Were applied respectively. Thereby, the scale and duty of a DC circuit breaker can be eased.
  • the DC circuit breaker 10a having a configuration in which the high-speed circuit breaker circuit breaker 21 of the high-speed circuit breaker 20a is a vacuum circuit breaker and the low-speed circuit breaker circuit 31 of the low-speed circuit breaker 30a is a gas circuit breaker has been described. .
  • the present invention is not limited to this configuration.
  • the high-speed circuit breaker circuit breaker 21 of the high-speed circuit breaker 20a may be a vacuum circuit breaker
  • the low-speed circuit breaker circuit breaker 31 of the low-speed circuit breaker 30a may be a system other than a gas circuit breaker.
  • the high-speed circuit breaker circuit breaker 21 of the high-speed circuit breaker 20a may be a system other than the vacuum circuit breaker
  • the low-speed circuit breaker circuit breaker 31 of the low-speed circuit breaker 30a may be a gas circuit breaker.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration example of a DC circuit breaker according to the fifth embodiment.
  • the DC circuit breaker 10b according to the present embodiment is obtained by replacing the high-speed circuit breaker 20a of the DC circuit breaker 10a according to the third or fourth embodiment with a high-speed circuit breaker 20b.
  • the high-speed circuit breaker 20b is obtained by replacing the high-speed circuit breaker circuit breaker 21 with the high-speed circuit breaker circuit breaker 26 in the high-speed circuit breaker 20 of the DC circuit breaker 10 according to the first embodiment. Since the low speed circuit breaker 30a is the same as the low speed circuit breaker 30a of the DC circuit breaker 10a described in the third or fourth embodiment, the description thereof is omitted.
  • the high-speed circuit breaker circuit breaker 26 is a semiconductor circuit breaker formed by combining semiconductor switches or a semiconductor circuit breaker formed by combining a semiconductor switch and a mechanical switch, and the semiconductor switch is a self-extinguishing semiconductor element. .
  • An IGBT can be used as the self-extinguishing semiconductor element, but is not limited thereto.
  • a semiconductor circuit breaker using a self-extinguishing semiconductor element can cut off a direct current.
  • the voltage class of the self-extinguishing semiconductor element is about several kV. Therefore, in order to realize a DC circuit breaker applied to a DC power transmission system with only a semiconductor circuit breaker, it is necessary to connect several hundred self-extinguishing semiconductor elements in series, which raises costs and increases switching loss. Become.
  • the DC circuit breaker 10b is configured to block the DC current flowing in the DC line 1 by the high speed circuit breaker 20b and the low speed circuit breaker 30a. Therefore, even if a semiconductor circuit breaker is used as the high-speed circuit breaker 20b, the voltage class can be reduced from the rated voltage of the DC power transmission system, and the number of self-extinguishing semiconductor elements to be used can be reduced. Therefore, it is possible to reduce the cost of the high-speed circuit breaker circuit breaker 26, which is a semiconductor circuit breaker, and the switching loss in the high-speed circuit breaker circuit breaker 26.
  • the self-excited vibration type circuit breaker is applied to the low speed circuit breaker 30a, the scale and cost of the apparatus can be reduced as described above.
  • the semiconductor circuit breaker is applied to the high-speed circuit breaker 20b, and the self-excited vibration type DC circuit breaker is applied to the low-speed circuit breaker 30a.
  • the scale of the entire DC breaker can be reduced while satisfying the breaking request.
  • the configuration described in the above embodiment shows an example of the contents of the present invention, and can be combined with another known technique, and can be combined with other configurations without departing from the gist of the present invention. It is also possible to omit or change the part.

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Abstract

　自励式の直流送電系統に適用される直流遮断器（１０）であって、直列接続された高速遮断器（２０）および低速遮断器（３０）を備え、高速遮断器（２０）は、直流線路（１）で事故が発生した場合に直流線路（１）に流れる直流電流を遮断する高速遮断器遮断部（２１）と、高速遮断器遮断部（２１）に並列に接続された限流素子（２２）と、を備え、低速遮断器（３０）は、直流線路（１）で事故が発生した場合に直流線路（１）に流れる直流電流を遮断する低速遮断器遮断部（３１）、を備え、高速遮断器遮断部（２１）が直流電流を遮断する際の所要時間は、低速遮断器遮断部（３１）が直流電流を遮断する際の所要時間よりも短く、低速遮断器遮断部（３１）は、限流素子（２２）に印加される電圧が系統で許容される最低電圧未満となる前に遮断を完了する。

Description

直流遮断器
　本発明は、直流電流を遮断する直流遮断器に関する。
　自励式変換器を適用した自励式直流送電は、弱小系統および交流電源のない地点にも接続可能であることなどの利点を持つことから、世界的にも適用が広がっている。３地点間以上を接続する多端子自励式直流送電系統においては、事故線路を選択して遮断するために直流遮断器の適用が必須となる。
　直流遮断器の方式としては、コンデンサとリアクトルからなる共振回路を遮断部と並列に接続し、直流電流を遮断する必要性が生じると、予め充電されたコンデンサの電荷を放電することによりリアクトルとの共振性電流を直流電流に重畳することで電流零点を形成する強制消弧方式が存在する（特許文献１参照）。また、他の方式として、コンデンサとリアクトルからなる共振回路を遮断部と並列に接続し、アークと共振回路の相互作用に基づく自励発振現象により電流零点を形成する自励振動方式も存在する（特許文献２参照）。
　また、自己消弧能力を持つＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を多数直並列し、これらで直流電流を遮断する方式も提案されている（特許文献３参照）。
特開２００４－１７１８４９号公報 特開平９－５０７４３号公報 特開２０１５－７９６９９号公報
　自励式直流送電においては、直流線路の事故発生時にも健全線路は運転を継続すべく、直流電圧が一定の閾値以下に低下するまでに事故を除去する必要がある。しかしながら、特許文献１，２に記載された直流遮断器、具体的には、遮断部に従来のガス遮断器を適用した直流遮断器は、高速動作を想定しておらず、系統の直流電圧が閾値以下に達するまでに遮断を行うことが困難であるという課題があった。これに対して、特許文献３に記載された直流遮断器は遮断部に半導体素子を適用した構成であるため高速動作が可能である。しかしながら、高電圧に対応させるためには半導体素子を多数直並列した構成とする必要があるために、高コスト化が避けられないという課題があった。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、機器の高コスト化を回避しつつ、事故時の系統電圧低下を防ぐことが可能な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、自励式の直流送電系統に適用される直流遮断器であって、直列接続された高速遮断器および低速遮断器を備える。高速遮断器は、直流線路で事故が発生した場合に直流線路に流れる直流電流を遮断する高速遮断器遮断部と、高速遮断器遮断部に並列に接続された限流素子と、を備える。低速遮断器は、直流線路で事故が発生した場合に直流線路に流れる直流電流を遮断する低速遮断器遮断部を備える。また、高速遮断器遮断部が直流電流を遮断する際の所要時間は、低速遮断器遮断部が直流電流を遮断する際の所要時間よりも短く、低速遮断器遮断部は、限流素子に印加される電圧が系統で許容される最低電圧未満となる前に遮断を完了する。
　本発明によれば、機器の高コスト化を回避しつつ、事故時の系統電圧低下を防ぐことが可能な直流遮断器を実現できる、という効果を奏する。
実施の形態１にかかる直流遮断器の構成例を示す図 実施の形態１にかかる直流遮断器を適用する直流送電系統の直流線路の電圧および直流線路に流れる電流の波形を示す図 実施の形態２にかかる直流遮断器を適用する直流送電系統の直流線路の電圧および直流線路に流れる電流の波形を示す図 実施の形態３にかかる直流遮断器の構成例を示す図 実施の形態５にかかる直流遮断器の構成例を示す図
　以下に、本発明の実施の形態にかか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にかかる直流遮断器の構成例を示す図である。本実施の形態にかかる直流遮断器１０は、直列接続された高速遮断器２０および低速遮断器３０を備える。
　高速遮断器２０は、直流線路１に挿入され、定常時において直流電流の流路となる高速遮断器遮断部２１と、高速遮断器遮断部２１に並列接続された限流素子２２とを備える。限流素子２２としては避雷器が該当する。
　低速遮断器３０は、直流線路１に挿入され、定常時において直流電流の流路となる低速遮断器遮断部３１を備える。
　高速遮断器２０の高速遮断器遮断部２１および低速遮断器３０の低速遮断器遮断部３１は、直流線路１において事故が発生すると、すなわち、直流線路１に流れる電流が事故発生と判断するための規定値を超えると、開極動作を実行して直流線路１を開放し、事故電流である直流電流を遮断する。直流線路１に流れる電流が規定値を超えたか否かの判断は、図示を省略している制御装置が直流線路１に設けられた変流器（図示せず）による電流検出値を監視することにより行う。事故発生の検知方法は一例であり、他の方法、具体的には、直流電流の変化量すなわち変化速度、直流線路１の電圧、などに基づいて検知してもよい。制御装置は、直流線路１に流れる電流が規定値を超えたことを検知すると、高速遮断器遮断部２１および低速遮断器遮断部３１に対して開極を指示する。制御装置は高速遮断器２０および低速遮断器３０の外部に存在する構成としてもよいし、高速遮断器２０および低速遮断器３０の各々の内部に存在する構成としてもよい。
　高速遮断器遮断部２１の遮断速度、すなわち開極動作を開始してから直流電流を遮断するまでの所要時間は、低速遮断器遮断部３１の遮断速度よりも速い。
　一般的に、遮断速度が速い遮断器は、高耐圧化を実現する場合、同じ耐圧の遮断速度が遅い遮断器と比較してコストが高くなる。
　つづいて、本実施の形態にかかる直流遮断器１０の動作について、図２を参照しながら説明する。図２は、直流遮断器１０を適用する直流送電系統の直流線路の電圧ＶDCおよび直流線路に流れる電流ＩDCの波形を示す図である。図２の上段は電圧ＶDCを示し、下段は電流ＩDCを示す。なお、電圧ＶDCは直流遮断器１０よりも電源側の直流線路１、すなわち、電源から直流遮断器１０までの直流線路１の電圧である。横軸は時刻を示し、縦軸は電圧ＶDCまたは電流ＩDCを示す。また、図２において、実線は直流遮断器１０を適用した場合の電圧ＶDCの波形または電流ＩDCの波形を示し、破線は直流遮断器１０を適用しない場合の波形を示す。図２は、時刻ｔfにおいて事故が発生した場合の波形を示している。
　時刻ｔｆにおいて、直流線路１で事故が発生すると、直流電圧ＶDCは急激に低下を開始し、同時に直流電流ＩDCは急激に上昇を開始する。実施の形態１にかかる直流遮断器１０は、事故を検知すると、高速遮断器２０および低速遮断器３０の遮断動作、すなわち高速遮断器遮断部２１および低速遮断器遮断部３１の開極を開始する。開極を開始後、まず、時刻ｔCBfにおいて高速遮断器２０の高速遮断器遮断部２１による事故電流の遮断が完了し、高速遮断器２０においては、事故電流が限流素子２２に転流する。これにより、事故電流が制限され、直流電圧ＶDCの低下速度を緩和することができる。その後、直流電圧ＶDCが系統で許容される最低電圧閾値ＶDCmin未満に達する前の時刻ｔCBｓにおいて低速遮断器３０の低速遮断器遮断部３１による遮断が完了して事故電流が急激に減少し、時刻ｔcにおいて事故を完全に除去して電流ＩDCがゼロになる。このように、高速遮断器２０による遮断が完了した後に直流線路１に印加される電圧の遮断は低速遮断器３０が担う。
　以上のように、本実施の形態にかかる直流遮断器は、高耐圧化は難しいが遮断速度が速い高速遮断器２０と、遮断速度は遅いが高耐圧化が容易な低速遮断器３０とを直列に接続した構成としている。本実施の形態にかかる直流遮断器においては、高速遮断器２０は過度な耐圧を要求されることはない。また低速遮断器３０は動作時間責務および遮断電流波高値が大幅に軽減される。すなわち高速遮断器２０および低速遮断器３０の各遮断器の責務を大幅に緩和し、直流遮断器全体として安価に構成することが出来る。さらに、直流送電系統からの要求を満たすこと、すなわち直流電圧ＶDCが最低電圧閾値ＶDCmin以下となる前に事故を除去することが出来る。
実施の形態２．
　図３を使用して実施の形態２の直流遮断器について説明する。図３は、実施の形態２にかかる直流遮断器を適用する直流送電系統の直流線路の電圧ＶDCおよび直流線路に流れる電流ＩDCの波形を示す図である。実施の形態２にかかる直流遮断器の構成は実施の形態１と同様とする。図３においては、図２と同様に、上段に電圧ＶDCを示し、下段に電流ＩDCを示す。横軸は時刻を示す。図３において、Ｖlimは高速遮断器２０の高速遮断器遮断部２１による遮断すなわち開極動作が完了した後に限流素子２２に印加される電圧である。
　実施の形態２にかかる直流遮断器１０においては、高速遮断器２０の遮断後、限流素子２２に印加される電圧Ｖlimが、系統が許容する最低電圧閾値ＶDCmin以上になるよう、限流素子２２のインピーダンスが設定されていることを特徴とする。このように限流素子２２のインピーダンスを設定することで、高速遮断器２０の遮断後どれほどの時間が経過したとしても、直流電圧ＶDCは系統が許容する最低電圧閾値ＶDCmin以下になることがなくなる。一方、実施の形態１にかかる直流遮断器１０においては、限流素子２２のインピーダンスについて限定していなかったため、インピーダンスの設定値によっては、高速遮断器２０を遮断した後、時間の経過とともに直流電圧ＶDCが最低電圧閾値ＶDCmin以下になってしまう可能性があり、直流電圧ＶDCが最低電圧閾値ＶDCmin以下となる前に低速遮断器３０が遮断動作を完了する必要がある。
　以上のように、実施の形態２の直流遮断器においては、高速遮断器２０の限流素子２２のインピーダンスを、高速遮断器遮断部２１を遮断した後の直流線路１の電圧ＶDCが系統で許容される最低電圧閾値ＶDCmin以上を維持可能な値に設定することとした。これにより、実施の形態２の直流遮断器の低速遮断器３０は、系統の電圧低下からの動作時間要求を考慮しなくともよく、実施の形態１と比較して、低速遮断器３０の責務をさらに緩和することができる。
実施の形態３．
　図４は、実施の形態３にかかる直流遮断器の構成例を示す図である。実施の形態３にかかる直流遮断器１０ａは、実施の形態１または２で説明した直流遮断器１０の高速遮断器２０を強制消弧方式の遮断器である高速遮断器２０ａとし、低速遮断器３０を自励振動方式の遮断器である低速遮断器３０ａとしたものである。なお、図４では、実施の形態１，２の直流遮断器１０と共通の構成要素に同じ符号を付している。
　強制消弧方式の遮断器とは、予め充電されたコンデンサの電荷を放電することによりリアクトルとの共振性電流を直流電流に重畳して電流零点を形成する遮断器である。自励振動方式の遮断器とは、アークと共振回路の相互作用に基づく自励発振現象により電流零点を形成する遮断器である。
　高速遮断器２０ａは、高速遮断器遮断部２１、限流素子２２、高速スイッチ２３、コンデンサ２４およびリアクトル２５を備える。
　高速遮断器２０ａにおいて、共振性電流を生成するための共振回路は、直列回路すなわち直列接続された高速スイッチ２３、コンデンサ２４およびリアクトル２５と、この直列回路に並列接続された限流素子２２とにより構成される。また、共振回路と高速遮断器遮断部２１とは並列接続されている。コンデンサ２４は図示されていない充電装置もしくは直流線路１から供給される直流電圧により常に充電されている。高速遮断器２０ａにおいては、高速スイッチ２３の投入後、コンデンサ２４からの放電電流により、極短時間のうちに、具体的には数１０μｓオーダーで電流零点が形成される。すなわち、高速遮断器２０ａは高速な遮断が可能である。高速スイッチ２３を投入するタイミングは、高速遮断器遮断部２１が開極動作を開始するタイミングと同じとしてもよいし、開極動作の所要時間を考慮し、高速遮断器遮断部２１が開極動作を開始するタイミングよりも遅くしてもよい。高速スイッチ２３を投入するタイミングを高速遮断器遮断部２１が開極動作を開始するタイミングよりも遅くする場合、高速遮断器遮断部２１の開極動作が終了する前に高速スイッチを投入することが望ましい。
　一方、低速遮断器３０ａは、低速遮断器遮断部３１、限流素子３２、コンデンサ３３およびリアクトル３４を備える。
　低速遮断器３０ａにおいては、直列接続されたコンデンサ３３およびリアクトル３４と、これに並列接続された限流素子３２とが共振回路を構成している。共振回路と低速遮断器遮断部３１とは並列接続されている。低速遮断器３０ａにおいては、低速遮断器遮断部３１の開極後、電流が拡大振動して零点を形成するまでの時間すなわち直流電流を遮断するまでの所要時間が数１０ｍｓオーダーとなる。しかしながら、低速遮断器３０ａは、上述した高速遮断器２０ａで必要な、コンデンサ２４の充電装置および高速スイッチ２３が不要であり、単純かつ安価に構成可能である。
　自励式直流送電の電圧クラスに適用する直流遮断器は、高速遮断、具体的には事故発生から１０ｍｓ程度での遮断性能が要求される。ここで、強制消弧方式の直流遮断器は高速遮断が可能であり、遮断速度の面では要求を満たすことが可能である。しかし、要求される耐圧性能を強制消弧方式の直流遮断器のみで実現しようとすると、現状存在する高電圧クラスの機械式遮断器でこれを実現することは非常に困難であり、また、実現できたとしても高コスト化が避けられない。一方、自励振動方式の直流遮断器は、電流の拡大振動現象により零点を形成するため、自励式直流送電で要求される高速遮断が困難である。また波高値の大きな直流電流に対する遮断可否は現状確認が出来ていない。
　しかし、本実施の形態にかかる直流遮断器１０ａは、高速遮断器２０ａおよび低速遮断器３０ａを備えた構成としたため、高速遮断器２０ａとして電圧クラスすなわち耐圧を低減した強制消弧方式を適用することで高速動作を可能とし、一方で低速遮断器３０ａとして自励振動方式を適用することで、高電圧クラスの付帯機器の点数を減らして低コスト化を図りつつ高速遮断器２０ａで遮断しきれない事故電流を遮断することができる。また、低速遮断器遮断部３１は高速動作を要求されることがないので、規模を低減できる。また、低速遮断器３０ａの低速遮断器遮断部３１が遮断すべき電流は限流素子３２によって大幅に低減されており、低速遮断器遮断部３１でも遮断が可能となる。
　以上のように、本実施の形態にかかる直流遮断器によれば、系統からの高速遮断要求を満たしつつ、直流遮断器全体の規模を低減することができる。
　なお、本実施の形態では、実施の形態１または２で説明した直流遮断器１０の高速遮断器２０を強制消弧方式の直流遮断器である高速遮断器２０ａ、低速遮断器３０を自励振動方式の直流遮断器である低速遮断器３０ａとした構成の直流遮断器１０ａを説明した。しかしながら、この構成に限定するものではない。実施の形態１または２で説明した直流遮断器１０において、高速遮断器２０を強制消弧方式の直流遮断器である高速遮断器２０ａとし、かつ低速遮断器３０を自励振動方式以外の直流遮断器としてもよい。また、高速遮断器２０を強制消弧方式以外の直流遮断器とし、かつ低速遮断器３０を自励振動方式の直流遮断器である低速遮断器３０ａとしてもよい。
実施の形態４．
　実施の形態４にかかる直流遮断器について説明する。なお、実施の形態４にかかる直流遮断器の構成は図４に示した実施の形態３にかかる直流遮断器１０ａと同様である。
　本実施の形態にかかる直流遮断器１０ａは、実施の形態３にかかる直流遮断器１０ａにおいて、高速遮断器２０ａの高速遮断器遮断部２１を真空遮断器としたものである。すなわち、本実施の形態にかかる直流遮断器１０ａは、高速遮断器２０ａの高速遮断器遮断部２１を強制消弧方式の真空遮断器としたものである。
　強制消弧方式はコンデンサとリアクトルの共振電流を直流電流に重畳することで電流零点を形成する方式であるため、この方式を適用した高速遮断器２０ａが遮断すべき電流の峻度はコンデンサ２４の静電容量値およびリアクトル２５のインダクタンス値によって決まる。コンデンサ２４およびリアクトル２５の規模を低減しようとすると、コンデンサ２４およびリアクトル２５が形成している共振回路より発生する共振電流の周波数が高くなり、遮断電流の峻度が大きくなる。そこで高速遮断器遮断部２１に真空遮断器を適用することで、峻度の大きい電流を遮断することが可能となり、結果的に高速遮断器２０ａのコンデンサ２４およびリアクトル２５の規模すなわち静電容量値およびインダクタンス値を低減することが可能となる。
　一方、自励振動方式の低速遮断器３０ａについてはガス遮断器を適用することが可能である。低速遮断器３０ａは高耐圧を要求されるため、真空遮断器と比較して高い耐圧性能を持つガス遮断器を使用して低速遮断器３０ａの低速遮断器遮断部３１を構成することで、容易に高耐圧を実現できる。
　以上のように、本実施の形態にかかる直流遮断器では、高速遮断器２０ａの高速遮断器遮断部２１に真空遮断器を適用し、低速遮断器３０ａの低速遮断器遮断部３１にガス遮断器をそれぞれ適用することとした。これにより、直流遮断器の規模および責務を緩和することができる。
　なお、本実施の形態では、高速遮断器２０ａの高速遮断器遮断部２１を真空遮断器、低速遮断器３０ａの低速遮断器遮断部３１をガス遮断器とした構成の直流遮断器１０ａを説明した。しかしながら、この構成に限定するものではない。直流遮断器１０ａにおいて、高速遮断器２０ａの高速遮断器遮断部２１を真空遮断器とし、かつ低速遮断器３０ａの低速遮断器遮断部３１をガス遮断器以外の方式としてもよい。また、高速遮断器２０ａの高速遮断器遮断部２１を真空遮断器以外の方式とし、かつ低速遮断器３０ａの低速遮断器遮断部３１をガス遮断器としてもよい。
実施の形態５．
　図５は、実施の形態５にかかる直流遮断器の構成例を示す図である。本実施の形態にかかる直流遮断器１０ｂは、実施の形態３または４にかかる直流遮断器１０ａの高速遮断器２０ａを高速遮断器２０ｂとしたものである。
　高速遮断器２０ｂは、実施の形態１にかかる直流遮断器１０の高速遮断器２０において、高速遮断器遮断部２１を高速遮断器遮断部２６としたものである。低速遮断器３０ａは実施の形態３または４で説明した直流遮断器１０ａの低速遮断器３０ａと同様であるため説明を省略する。
　高速遮断器遮断部２６は、半導体スイッチを組み合わせて形成した半導体遮断器、もしくは、半導体スイッチと機械式スイッチとを組み合わせて形成した半導体遮断器であり、半導体スイッチを自己消弧型半導体素子とする。自己消弧型半導体素子としてはＩＧＢＴを使用可能であるがこれに限定するものではない。
　自己消弧型半導体素子を使用した半導体遮断器は、直流電流を遮断可能である。しかしながら、現状、自己消弧型半導体素子の電圧クラスは数ｋＶ程度である。そのため、直流送電系統に適用する直流遮断器を半導体遮断器のみで実現するためには数１００個もの自己消弧型半導体素子を直列接続する必要があり、コストアップおよびスイッチング損失の増大が課題となる。
　一方、本実施の形態にかかる直流遮断器１０ｂは、高速遮断器２０ｂおよび低速遮断器３０ａにより直流線路１に流れる直流電流を遮断する構成としている。そのため、高速遮断器２０ｂとして半導体遮断器を用いたとしても、その電圧クラスを直流送電系統の定格電圧より低減することが可能であり、使用する自己消弧型半導体素子の数を低減できる。よって、半導体遮断器である高速遮断器遮断部２６のコスト、および高速遮断器遮断部２６におけるスイッチング損失を低減することが可能である。
　また、低速遮断器３０ａには自励振動方式の遮断器を適用しているため、先述の通り装置規模およびコストを低減することが可能である。
　以上のように、本実施の形態にかかる直流遮断器は、高速遮断器２０ｂに半導体遮断器を適用し、低速遮断器３０ａに自励振動方式の直流遮断器を適用したので、系統からの高速遮断要求を満たしつつ、直流遮断器全体の規模を低減することができる。
　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　直流線路、１０，１０ａ，１０ｂ　直流遮断器、２０，２０ａ，２０ｂ　高速遮断器、２１，２６　高速遮断器遮断部、２２，３２　限流素子、２３　高速スイッチ、２４，３３　コンデンサ、２５，３４　リアクトル、３０，３０ａ　低速遮断器、３１　低速遮断器遮断部。

Claims (8)

  1. 　自励式の直流送電系統に適用される直流遮断器であって、
    　直列接続された高速遮断器および低速遮断器を備え、
    　前記高速遮断器は、
    　直流線路で事故が発生した場合に前記直流線路に流れる直流電流を遮断する高速遮断器遮断部と、
    　前記高速遮断器遮断部に並列に接続された限流素子と、
    　を備え、
    　前記低速遮断器は、
    　前記直流線路で事故が発生した場合に前記直流線路に流れる直流電流を遮断する低速遮断器遮断部、
    　を備え、
    　前記高速遮断器遮断部が前記直流電流を遮断する際の所要時間は、前記低速遮断器遮断部が前記直流電流を遮断する際の所要時間よりも短く、
    　前記低速遮断器遮断部は、前記限流素子に印加される電圧が系統で許容される最低電圧未満となる前に遮断を完了する、
    　ことを特徴とする直流遮断器。
  2. 　前記限流素子のインピーダンスは、前記高速遮断器遮断部が前記直流電流を遮断した後に前記限流素子に印加される電圧が系統で許容される最低電圧以上を維持可能な値であることを特徴とする請求項１に記載の直流遮断器。
  3. 　前記高速遮断器を強制消弧方式の直流遮断器とすることを特徴とする請求項１に記載の直流遮断器。
  4. 　前記低速遮断器を自励振動方式の直流遮断器とすることを特徴とする請求項１に記載の直流遮断器。
  5. 　前記高速遮断器遮断部を真空遮断器とすることを特徴とする請求項３に記載の直流遮断器。
  6. 　前記低速遮断器遮断部をガス遮断器とすることを特徴とする請求項４に記載の直流遮断器。
  7. 　前記高速遮断器を、自己消弧型半導体素子を組み合わせて形成した半導体遮断器とすることを特徴とする請求項１に記載の直流遮断器。
  8. 　前記高速遮断器を、自己消弧型半導体素子と機械式スイッチとを組み合わせて形成した半導体遮断器とすることを特徴とする請求項１に記載の直流遮断器。
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