JP2015226435A - 直流遮断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】導通損失を低減し、高速で電流遮断を行う直流遮断装置を提供する。
【解決手段】直流遮断装置１に、送電線１００に設けられる機械式断路器２と、機械式断路器２に並列に接続される並列回路３と、並列回路３の一点から直流送電系統の負側１０１との間を接続する抵抗７とを備えた。並列回路３に、並列回路３への送電線１００の電流の供給及び遮断を切り換える半導体遮断器４と、半導体遮断器４に直列に接続されるＨブリッジ５を備えた。半導体遮断器４とＨブリッジ５は、負側１０１へと繋がる一点で対称となるように、この一点を挟んで同数機ずつ直列に配置される。このＨブリッジ５は、複数のスイッチング素子５１及びコンデンサ５３を有し、並列回路３に送電線１００の電流が供給されると、出力電圧の制御により、機械式断路器２に流れる電流の量を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、直流送電系統の事故点を切り離す直流遮断装置に関する。

環境への負荷低減や、電源の多様化といった観点から、風力発電や太陽光発電などの再生可能エネルギーの普及が進んでいる。また、それら電源の大規模化が進んでおり、例えば、洋上での風力発電や、砂漠地帯での太陽光又は太陽熱発電などが実用化され始めている。洋上や砂漠は、電力需要地となる都市部から地理的に離れていることが多く、送電距離が長くなる。このような長距離の送電には、一般的に用いられている交流送電システムに代わって、高圧直流送電(ＨＶＤＣ；high-voltage, direct current)が適用されることがある。

ＨＶＤＣは、長距離大電力送電に適用した場合に、従来の交流送電システムに比べて、低コストで送電損失が少ないシステムを構築することが可能である。しかしながら、ＨＶＤＣにおいては、落雷等に起因する系統事故が生じた場合、事故点を切り離すことが容易ではない。というのも、交流では、電流が周波数５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの半サイクルごとにゼロを横切る点で電流遮断ができるが、直流電流では電流がゼロを横切る点がない。そのため、系統に設けられた断路器の接点を単に切り離しても、接点間にアークが生じて電流が流れ続けてしまう。

ＨＶＤＣにおける直流遮断装置として、例えば、機械式断路器に並列にＬＣ回路を接続した構成が提案されている。この遮断装置は、電流遮断の際にＬＣ回路から機械式断路器へ共振電流を流し、機械式断路器に流れる電流のゼロ点をつくり遮断を実現している。しかし、共振のゼロ点で遮断を行うため、ゼロ点が継続せず、遮断が完了するまでに時間がかかっていた。

一方、機械式断路器の代わりに半導体遮断器を用いることで、高速遮断を行うことが提案されている。半導体遮断器は、送電系統に直列に接続された半導体素子と、半導体素子に対して並列に接続されたアレスタとを有する。半導体遮断器は、系統事故が生じて事故電流が流れ込んだ際に、半導体素子を非導通に切り換える。流れ込んだ電流はアレスタによって吸収され、電流遮断が実現する。

国際公開ＷＯ２０１０／０４５３６０号公報 欧州特許０８６７９９８Ｂ１

しかしながら、半導体遮断器を用いた場合、送電系統に複数の半導体素子を設ける必要がある。そのため、通常運転時であっても、送電される電力が常時複数の半導体素子を通過することになり、導通損失が発生して送電効率の低下を招く可能性があった。

本実施形態は、ＨＶＤＣにおいて、高速の電流遮断と導通損失の低減を実現し、送電効率の向上、コスト低減、ＨＶＤＣの信頼性の向上に寄与することができる直流遮断装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、実施形態の直流遮断器は、直流送電系統の正側に設けられる機械式断路器と、前記機械式断路器に並列に接続される並列回路と、前記並列回路の一点から直流送電系統の負側との間を接続する第１の抵抗と、を備え、前記並列回路は、当該並列回路への前記直流送電系統の電流の供給及び遮断を切り換える複数の半導体遮断器と、前記半導体遮断器に直列に接続され、複数のスイッチング素子及びコンデンサを有し、前記並列回路に前記直流送電系統の電流が供給されると、出力電圧の制御により、前記機械式断路器に流れる電流の量を制御する複数のＨブリッジ回路と、を備え、前記半導体遮断器と前記Ｈブリッジ回路とを前記一点で対称となるように、前記一点を挟んで同数機ずつ直列配置すること、を特徴とする。

第１の実施形態に係る直流遮断装置の構成を示す図である。 第１の実施形態に係る直流遮断装置の電流の流れを示す図である。 第２の実施形態に係る直流遮断装置の構成を示す図である。 第３の実施形態に係る直流遮断装置の構成を示す図である。 第３の実施形態に係る直流遮断装置のゲートアンプの構成を示す図である。 第４の実施形態に係る直流遮断装置の構成を示す図である。

以下、実施形態に係る直流遮断装置について、図面を参照して説明する。なお、実施形態の説明において「通常時」とは、直流送電系統において正常な電流が流れている状態をいい、「事故時」とは、雷等に起因する系統事故によって、過大な事故電流が生じた状態をいう。

（第１の実施形態）
（構成）
図１に示すように、直流送電系統において、２つの直流送電網Ａ，Ｂを接続する送電線が設けられている。送電線には正側１００と負側１０１があるが、本実施形態の直流遮断装置１は、正側に設けられている。正側では、直流送電網Ａから直流送電網Ｂへ送電されている。

直流遮断装置１は、送電線１００に直列に接続された機械式断路器２と、この機械式断路器２に並列に接続された並列回路３とを備えている。

機械式断路器２は、公知の種々の構成を用いることができる。本実施形態では、後述するように並列回路３を用いて直流電流の遮断が行われるため、機械式断路器２自体には電流遮断能力が無くともよい。機械式断路器２は、機械接点を持つものであって、接点が切り離された状態で、事故点を切り離すのに必要な直流電圧に耐える絶縁耐圧を持つものであれば足りる。この機械式断路器２は、例えば、回路の端子間に回動接触子を設け、この回動接触子が回動して各端子に取り付けられた固定接触子と接離することによって、回路の切り離しを行う構成とすることができる。

機械式断路器２は、通常時にはオン状態、すなわち接点が接触した状態になるように制御される。直流送電網Ａからの電流は、機械式断路器２を通過して直流送電網Ｂへ流れる。事故時は、後述するが、並列回路３に電流が流れるように制御が行われ、機械式断路器２を流れる電流が略ゼロになったところで、機械式断路器２がオフ状態、すなわち接点が開離した状態に切り換えられ、回路が切り離される。

機械式断路器２に並列に接続された並列回路３には、半導体遮断器４と、Ｈブリッジ５とが直列に設けられている。そして、並列回路３は、半導体遮断器４とＨブリッジ５が並ぶ線路上の一点３ａから抵抗７を介して送電線の負側１０１と接続されている。

半導体遮断器４とＨブリッジ５は、並列回路３内において、それぞれ同数基が一点３ａを中心にして直流送電網Ａ側と直流送電網Ｂ側に分かれて設けられる。各半導体遮断器４は、それぞれコレクタ端子が送電線の正側１００と接続される。Ｈブリッジ５は、この半導体遮断器４の間に一点３ａを挟んで同数基が直列配置される。

すなわち、半導体遮断器４とＨブリッジ５は、並列回路３内で一点３ａを中点３ａとして、対称に配置される。中点３ａを境に半導体遮断器４とＨブリッジ５の組が２組形成され、各組において、半導体遮断器４とＨブリッジ５は直列に連接し、半導体遮断器４が並列回路３と送電線の正側１００との接点側に位置し、半導体遮断器４のコレクタ端子が送電線の正側１００と接続される。

実施形態の並列回路３は、２基の半導体遮断器４ａ、４ｂと２基のＨブリッジ５ａ、５ｂを有する。半導体遮断器４ａとＨブリッジ５ａとがペアとなって直列に連接し、半導体遮断器４ｂとＨブリッジ５ｂとがペアとなって直列に連接している。両ペアは半導体遮断器４ａと半導体遮断器４ｂが送電線の正側１００と接続される。そして、半導体遮断器４ａとＨブリッジ５ａのペアと半導体遮断器４ｂとＨブリッジ５ｂのペアは直列に接続され、ペア間が中点３ａとなる。

各半導体遮断器４は、１個以上のスイッチング素子４１を直列に接続し、それぞれのスイッチング素子４１に対してダイオード４２を逆並列に接続した構成となっている。スイッチング素子４１は、自己消弧能力を持つものが用いられる。この半導体遮断器４は、直流送電網Ａ側にコレクタ端子を接続したものと、直流送電網Ｂ側にコレクタ端子を接続したものとがあるため、直流送電網ＡからＢ若しくはＢからＡ、双方向の電流を通流および遮断可能となっている。

半導体遮断器４はゲート信号の入力によって、導通状態であるオン状態と非導通状態であるオフ状態が切り換えられる。導通状態では、半導体遮断器４を介して直流送電系統から並列回路３へ電流が供給され、非導通状態では直流送電系統から並列回路３への電流は遮断される。

半導体遮断器４には、一定電圧以上が印加されると導通する非線形素子からなるアレスタ４３が並列に接続されている。アレスタ４３は、半導体遮断器４がオフ状態に切り換えられたときに、サージ電圧を吸収して安全な電流遮断を可能とする。

Ｈブリッジ５は、スイッチング素子５１を直列に２個接続した２つのレグ５２を有する。スイッチング素子５１は、それぞれ自己消弧能力を持つものが用いられる。各スイッチング素子５１にはダイオードが並列に接続されている。これら２つのレグ５２は並列に接続され、さらにコンデンサ５３が２つのレグ５２と並列接続されている。

抵抗７は、Ｈブリッジ５のコンデンサ５３に対する充電用である。この並列回路３では、送電線の正側１００から半導体遮断器４、Ｈブリッジ５、中点３ａ及び抵抗７を介して送電線の負側１０１へ接続する回路が形成され、送電線の直流系統からＨブリッジ５のコンデンサ５３へ電流を流して充電が可能となっている。

事故時、半導体遮断器４をオン状態にして並列回路３に直流送電系統の電流を導通できる状態にし、あらかじめ抵抗７を介して充電されているＨブリッジ５のコンデンサ５３を急速放電して出力電圧を上げることで、送電線の正側１００の電流をほぼ全て並列回路３に流れ込ませる。結果として機械式断路器２へ流れ込む電流を略ゼロにすることができる。なお、略ゼロとは、機械式断路器２の接点を切り離したときにアークが発生しない程度の電流の量を意味する。

（作用）
以上の構成を有する直流遮断装置１の動作を、図２に基づき、通常時と事故時に分けて説明する。通常時は、機械式断路器２をオン状態、半導体遮断器４およびＨブリッジ５をオフ状態に制御する。直流送電網Ａからの電流は、機械式断路器２のみを通過して直流送電網Ｂへ流れ、並列回路３には流れない。

事故時は、まず、半導体遮断器４をオフ状態からオン状態に切り換える。同時に、Ｈブリッジ５をオンにして出力電圧を制御する。すなわち、各コンデンサ５３を急速放電して出力電圧を上げる。これによって、直流送電網Ａからの電流はほぼ全て並列回路３に流れ込み、機械式断路器２を通過する電流は略ゼロになる。

機械式断路器２を通過する電流は略ゼロになったところで、機械式断路器２をオフ状態に切り換える。機械式断路器２には電流が流れていないため、接点を切り離しの際にアークが生じて電流が流れ続けることはない。最後に、半導体遮断器４をオフ状態に切り換えて並列回路３に流れる電流を遮断する。このとき発生するサージ電圧はアレスタ４３に吸収され、電流遮断が完了する。

（効果）
（１）以上のように、本実施形態では、直流遮断装置１に、送電線１００に設けられる機械式断路器２と、機械式断路器２に並列に接続される並列回路３と、を備えた。並列回路３に、並列回路３への送電線１００の電流の供給及び遮断を切り換える半導体遮断器４と、半導体遮断器４に直列に接続されるＨブリッジ５を備えた。Ｈブリッジ５は、複数のスイッチング素子５１及びコンデンサ５３を有し、並列回路３に送電線１００の電流が供給されると、出力電圧の制御により、機械式断路器２に流れる電流の量を制御する。

このような構成とすることによって、通常時には、電流を機械式断路器２のみを通過させることができ、導通損失を低減させることができる。事故時には、Ｈブリッジ５を用いた出力電圧制御により、並列回路３に電流を誘導して機械式断路器２を流れる電流を、アークを生じさせずに回路の切り離しを行うことができる量、例えば略ゼロにすることで、電流遮断能力のない機械式断路器２であっても、安全に事故点の切り離しを行うことができる。さらに、並列回路３に設けた半導体遮断器４によって高速の電流遮断を実現することができる。このような効果によって、送電効率の向上、コスト低減及び直流送電における信頼性の向上に寄与することができる。

（２）また、本実施形態では、並列回路３はＨブリッジ５を複数直列に備えるようにした。Ｈブリッジ５の直列数の増加によりＨブリッジ５全体での出力電圧が大きくなり、機械式遮断器２から並列回路３で電流を切り換える能力を高めることができる。

（３）機械式断路器２及び並列回路３は、直流送電系統の正側の送電線１００に設けられ、並列回路３は、対称に直列接続される半導体遮断器４とＨブリッジ５の並びの中点３ａから送電線の負側１０１に抵抗７を介して接続され、Ｈブリッジ５のコンデンサ５３は、直流系統の電力によって充電されるようにした。

事故時に放電を行う為には、通常時にＨブリッジ５のコンデンサ５３を充電しておく必要がある。対称に直列接続される半導体遮断器４とＨブリッジ５の並びの中点３ａから送電線の負側１０１に抵抗７を介して接続するようにするだけで、直流系統の電圧を利用して常にＨブリッジ５のコンデンサ５３へ充電動作を実現することができる。これによって、交流系統等か充電用の電源を別途接続する必要がないため、設備コストを低減することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について、図３を用いて説明する。この第２の実施形態において、第１実施形態と同一構成及び同一機能については、同一符号を付して詳細な説明は省略する。

本実施形態では、並列回路３は、抵抗７と開閉器８を介して中点３ａから送電線の負側１０１へと接続されている。開閉器８は、遮断器又は断路器であり、抵抗７と負側の送電線１０１との間に、抵抗７と直列に接続されている。

第１の実施形態で述べたように、Ｈブリッジ５のコンデンサ５３は、負側の送電線１０１からの電力によって充電されている。本実施形態では、コンデンサ５３が満充電になった時点で開閉器８をオフにして、抵抗７を負側の送電線１０１から切り離す。これによって、負側の送電線１０１の電力を充電に必要な量だけ使うことができ、無駄な電力消費を低減することができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態について、図４を用いて説明する。この第３の実施形態において、第１実施形態又は第２実施形態と同一構成及び同一機能については、同一符号を付して詳細な説明は省略する。

本実施形態では、Ｈブリッジ５及び半導体遮断器４のそれぞれに対して、並列接続された抵抗９を備えている。これらの抵抗９は分圧器として機能し、コンデンサ５３への充電電圧を均一化することができる。

また、図５に示すように、半導体遮断器４と並列な抵抗９は、複数設けられており、各抵抗９は直列となっている。また、この抵抗９間には、ゲート信号を増幅するゲートアンプ１２の入力側端子が接続されている。ゲートアンプ１２の出力側端子は、半導体遮断器４のスイッチング素子４１のゲートと抵抗１１を介して接続されている。この半導体遮断器４と並列な抵抗９は、半導体遮断器４のスイッチング素子４１に対し、電圧を分圧してゲート駆動電力を供給する。ゲートアンプ１２は、抵抗９が供給する電圧を利用してゲート信号を増幅する。これにより、半導体遮断器４は、ゲート駆動電力を並列の抵抗９により分圧された電圧から得ることができる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態について、図６を用いて説明する。この第４の実施形態において、第１実施形態乃至第３実施形態の何れかと同一構成及び同一機能については、同一符号を付して詳細な説明は省略する。

本実施形態では、Ｈブリッジ５のコンデンサ５３に対して並列に接続された抵抗１０を設けている。これらの抵抗１０は分圧器として機能し、コンデンサ５３への充電電圧を均一化することができる。また、充電電圧の大きさを抵抗の値によって管理することが可能となる。

（その他の実施形態）
（１）上述の実施形態では、抵抗７を介して並列回路３を負側の送電線１０１に接続し、Ｈブリッジ５のコンデンサ５３を負側の送電線１０１の電力によって充電したが、並列回路３を対地や、交流系統等の別の電源に接続して充電を行っても良い。

（２）本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１ 直流遮断装置
２ 機械式断路器
３ 並列回路
３ａ 中点
４ 半導体遮断器
５ Ｈブリッジ
７ 抵抗
８ 開閉器
９ 抵抗
１０ 抵抗
１１ 抵抗
１２ ゲートアンプ
４１ スイッチング素子
４２ 整流ダイオード
４３ アレスタ
５１ スイッチング素子
５２ レグ
５３ コンデンサ
１００ 正側の送電線
１０１ 負側の送電線
Ａ，Ｂ 直流送電網

Claims (6)

1. 直流送電系統の正側に設けられる機械式断路器と、
   前記機械式断路器に並列に接続される並列回路と、
   前記並列回路の一点から直流送電系統の負側との間を接続する第１の抵抗と、
   を備え、
   前記並列回路は、
   当該並列回路への前記直流送電系統の電流の供給及び遮断を切り換える複数の半導体遮断器と、
   前記半導体遮断器に直列に接続され、複数のスイッチング素子及びコンデンサを有し、前記並列回路に前記直流送電系統の電流が供給されると、出力電圧の制御により、前記機械式断路器に流れる電流の量を制御する複数のＨブリッジ回路と、
   を備え、
   前記半導体遮断器と前記Ｈブリッジ回路とを前記一点で対称となるように、前記一点を挟んで同数機ずつ直列配置すること、
   を特徴とする直流遮断装置。
2. 前記並列回路には、複数の前記Ｈブリッジ回路が直列に接続されていることを特徴とする請求項１記載の直流遮断装置。
3. 前記直流送電系統の負側と前記第１の抵抗との間に直列に接続される開閉器を更に備えること、
   を特徴とする請求項１又は２に記載の直流遮断装置。
4. 前記並列回路は、
   前記Ｈブリッジ回路及び前記半導体遮断器に並列に接続される第２の抵抗を更に備えること、
   を特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の直流遮断装置。
5. 前記Ｈブリッジ回路は、前記コンデンサに並列接続する第３の抵抗を有すること、
   を特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の直流遮断装置。
6. 前記半導体遮断器の半導体素子は、前記第２の抵抗からゲート駆動に要する電力の供給を受けること、
   を特徴とする請求項４記載の直流遮断装置。

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