JP5214066B1

JP5214066B1 - 直流遮断器

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Publication number: JP5214066B1
Application number: JP2012542288A
Authority: JP
Inventors: 和順田畠; 弘基伊藤; 邦夫菊池; 健次亀井; 雄作堀之内; 正樹平塚; 翔常世田; 敏信武田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-05-01
Filing date: 2012-05-01
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2032-05-01
Also published as: WO2013164875A1; EP2846342B1; EP2846342A4; EP2846342A1; US20150043120A1; US9413157B2; JPWO2013164875A1

Abstract

電流遮断責務を軽減し、設備の小型化、低コスト化が可能な直流遮断器を得ること。直流線路１に挿入された開閉部２と、第１の限流素子４、および、直流線路に流れる直流電流に共振性電流を重畳して電流零点を形成し、その電流零点で直流電流を遮断する遮断部５の直列回路からなり、開閉部２に並列に接続され、当該開閉部２の開極後において直流電流の流路となる転流回路３と、を備え、開閉部２の開極後に、遮断部５による電流遮断を実施する。

Description

本発明は、高電圧・大電流の直流電流を遮断する直流遮断器に関する。

従来、直流電流を遮断する直流遮断器においては、直流電流は交流電流と異なり電流零点が存在しないため、コンデンサとリアクトルからなる転流回路から共振性電流を重畳することで電流零点を形成し、その電流零点で直流電流の遮断を行っている。このような電流零点の形成手法としては、遮断部と並列にコンデンサとリアクトルからなる転流回路を接続し、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転流方式や（例えば、特許文献１）、遮断部と並列にコンデンサとリアクトルからなる転流回路を接続し、アークと転流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転流方式などがある（例えば、特許文献２）。

特開昭５８−３４５２５号公報特開昭５８−５７２２９号公報

しかしながら、上記従来技術では、いずれの方式においても、電流遮断責務の過酷化に伴い、転流回路中のコンデンサ等の設備が大型化、高コスト化する、という問題があった。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、電流遮断責務を軽減し、設備の小型化、低コスト化が可能な直流遮断器を提供す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、本発明にかかる直流遮断器は、直流線路に流れる直流電流に共振性電流を重畳して電流零点を形成し、該電流零点で前記直流電流を遮断する遮断部を具備した直流遮断器であって、前記直流線路に挿入された開閉部と、リアクトルである第１の限流素子および前記遮断部の直列回路からなり、前記開閉部の開極後において前記直流電流の流路となる転流回路と、前記開閉部と共に前記直流線路に直列に挿入され、定常時にはインピーダンスが略零となり、過大な電流が流れた時に瞬間的にインピーダンスが大きくなる第２の限流素子と、を備え、前記開閉部の開極後に、前記遮断部による電流遮断を実施するようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、直流遮断器の電流遮断責務を軽減することができ、設備の小型化、低コスト化が実現可能となる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態１にかかる直流遮断器の一構成例を示す図である。図２は、実施の形態１にかかる直流遮断器におけるリアクトルの有無による事故電流の挙動を示す図である。図３は、実施の形態２にかかる直流遮断器の一構成例を示す図である。図４は、実施の形態３にかかる直流遮断器の一構成例を示す図である。図５は、実施の形態４にかかる直流遮断器の一構成例を示す図である。図６は、実施の形態５にかかる直流遮断器の一構成例を示す図である。図７は、実施の形態６にかかる直流遮断器の一構成例を示す図である。

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態にかかる直流遮断器について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかる直流遮断器の一構成例を示す図である。実施の形態１にかかる直流遮断器は、図１に示すように、直流線路１に挿入された開閉部２と、第１の限流素子であるリアクトル４および遮断部５の直列回路からなり、開閉部２に並列に接続され、開閉部２の開極後において直流電流の流路となる転流回路３とを備えている。なお、本実施の形態では、遮断部５は、上述した自励転流方式や強制転流方式の電流零点形成手段を有しており、直流電流の遮断が可能である。また、開閉部２は、遮断部５よりも高速動作が可能であり、図示しない制御回路からの開極指令により開極に至るまでの時間が遮断部５よりも短いものを想定し、定常時には、開閉部２および遮断部５は閉制御されている。

つぎに、実施の形態１にかかる直流遮断器の直流電流遮断時の動作について、図１および図２を参照して説明する。図２は、実施の形態１にかかる直流遮断器におけるリアクトルの有無による事故電流の挙動を示す図である。図２に示す例では、時刻ｔ１（＝０．１ｓ）において直流線路１に事故（ここでは、例えば図１に示す直流遮断器の右端側の地絡事故）が発生した例を示している。

図２に示すように、時刻ｔ１（＝０．１ｓ）において直流線路１に上述した地絡事故が発生すると、直流線路１に事故電流が流れ始める。

このとき、図示しない制御回路から開閉部２および遮断部５に開極指令が出力され、時刻ｔ２において開閉部２が開制御されると、転流回路３に事故電流が転流される。このとき、リアクトル４がある場合には、一旦直流線路１に流れる事故電流値が略零となり、転流回路３、つまり、リアクトル４および遮断部５からなる直列回路を介して流れる事故電流が徐々に大きくなる（図２中の実線で示す線）。

その後、時刻ｔ３（＝０．２ｓ）において遮断部５による電流遮断が実施され、事故電流の遮断が完了する。

ここで、リアクトル４がない場合には、時刻ｔ１（＝０．１ｓ）において地絡事故が発生した時点からリアクトル４がある場合よりも急峻に事故電流が立ち上がることとなるが（図２中の破線で示す線）、本実施の形態では、リアクトル４のインダクタンスにより事故電流の立ち上がりを遅くすることができるので、事故電流遮断時刻ｔ３（＝０．２ｓ）における事故電流瞬時値は、リアクトル４がない場合よりも小さくなり、遮断部５の電流遮断責務を軽減することが可能である。なお、電流遮断後の遮断部５の極間に発生する過電圧については、例えば、遮断部５に並列にサージアブソーバを接続して吸収するようにすればよい。

以上説明したように、実施の形態１の直流遮断器によれば、直流線路に挿入され、定常時において直流電流の流路となる開閉部と、リアクトルおよび遮断部からなり、開閉部に並列に接続され、開閉部の開極後において直流電流の流路となる転流回路とを備え、開閉部の開極後に、遮断部による電流遮断を実施するようにしたので、電流遮断時刻において遮断部に流れる電流瞬時値が小さくなり、遮断部の電流遮断責務を軽減することができる。これにより、遮断部を構成するコンデンサ等の設備を小型化することができ、延いては、直流遮断器の小型化、低コスト化が実現可能となる。

なお、開閉部および遮断部への開極指令の出力タイミングについては、開閉部の開極後に遮断部が開極するようなタイミングであればよく、これらの開閉部および遮断部への開極指令の出力タイミングにより、本発明が限定されるものではないことは言うまでもない。

また、上述した実施の形態１では、電流遮断後の遮断部の両端に発生する過電圧をサージアブソーバにより吸収する例について説明したが、遮断部の耐電圧やその他回路条件によっては、サージアブソーバを具備しない構成であってもよい。

実施の形態２．
図３は、実施の形態２にかかる直流遮断器の一構成例を示す図である。なお、実施の形態１と同一または同等の構成部には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。

本実施の形態では、図３に示すように、第１の限流素子として、実施の形態１において説明したリアクトル４に代えて、可飽和リアクトル８を挿入した構成としている。

定常時には、可飽和リアクトル８を飽和状態としておくことで、低インピーダンス状態とし、直流線路１での事故発生時には、開閉部２を開制御した後に、可飽和リアクトル８を制御して不飽和状態とすることで、高インピーダンス状態とする。これにより、事故電流を転流回路３に転流する際には、可飽和リアクトル８が低インピーダンス状態であるので、開閉部２が開極する際の責務を軽減することができ、転流回路３への事故電流の転流が容易となる。また、開閉部２を開制御した後、つまり、転流回路３に事故電流が転流した後に可飽和リアクトル８を高インピーダンス状態とすることで、実施の形態１と同様に、遮断部５の電流遮断責務を軽減することが可能である。

以上説明したように、実施の形態２の直流遮断器によれば、第１の限流素子として、可飽和リアクトルを挿入した構成とし、定常時には、可飽和リアクトルを飽和状態として低インピーダンス状態とするようにしたので、事故電流を転流回路に転流する際には、開閉部が開極する際の責務を軽減することができ、転流回路への事故電流の転流が容易となる。

また、転流回路に事故電流が転流した後に、第１の限流素子である可飽和リアクトルを高インピーダンス状態とすることにより、事故電流遮断時刻における事故電流瞬時値が小さくなるので、実施の形態１と同様に、遮断部の電流遮断責務を軽減することができ、遮断部を構成するコンデンサ等の設備の小型化、延いては、直流遮断器の小型化、低コスト化が実現可能となる。

なお、上述した実施の形態２では、第１の限流素子として、実施の形態１において説明したリアクトルに代えて、可飽和リアクトルを挿入した例について説明したが、この第１の限流素子としては、上述したようにインピーダンスの制御が可能な素子であれば、同様の効果を得ることができることは言うまでもない。

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一構成例を示す図である。なお、実施の形態１と同一または同等の構成部には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。

本実施の形態では、図４に示すように、実施の形態１において説明した開閉部２と共に、第２の限流素子６を直流線路１に直列に挿入した構成としている。

本実施の形態では、第２の限流素子６として、定常時（例えば、直流電流値が２０００Ａ程度）にはインピーダンスが略零となり、事故発生時における事故電流（例えば、５０ｋＡ以上）が流れようとした場合には、インピーダンスが大きくなるような素子、例えば、過大な電流が流れた時に瞬間的に超伝導状態から常伝導状態に転移する超伝導限流器等を想定している。

このように構成することにより、事故発生時において開閉部２に流れる事故電流が瞬時に抑制され、開閉部２が開極する際の責務を軽減することができ、転流回路３への事故電流の転流が容易となる。また、転流回路３に事故電流が転流した後には、実施の形態１と同様に、第１の限流素子であるリアクトル４の作用により、事故電流遮断時刻における事故電流瞬時値が小さくなり、遮断部５の電流遮断責務を軽減することが可能である。

以上説明したように、実施の形態３の直流遮断器によれば、開閉部と共に、定常時にはインピーダンスが略零となり、事故発生時における事故電流が流れようとした場合には、インピーダンスが大きくなる第２の限流素子を直流線路に直列に挿入した構成とすることにより、事故発生時において開閉部に流れる事故電流が瞬時に抑制されるので、実施の形態２と同様に、開閉部が開極する際の責務を軽減することができ、転流回路への事故電流の転流が容易となる。

また、実施の形態１と同様に、転流回路に事故電流が転流した後には、第１の限流素子であるリアクトルの作用により、事故電流遮断時刻における事故電流瞬時値が小さくなるので、遮断部の電流遮断責務を軽減することができ、遮断部を構成するコンデンサ等の設備の小型化、延いては、直流遮断器の小型化、低コスト化が実現可能となる。

また、実施の形態３の構成を実施の形態２の構成に対して適用することも可能であり、第１の限流素子である可飽和リアクトルと遮断部とを直列接続して転流回路を構成し、第２の限流素子と開閉部とを直列接続した構成としてもよい。これにより、転流回路３への事故電流の転流がさらに容易となる。

実施の形態４．
図５は、実施の形態４にかかる直流遮断器の一構成例を示す図である。なお、実施の形態１と同一または同等の構成部には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。

本実施の形態では、図５に示すように、開閉部２として、ＧＴＯ（ＧａｔｅＴｕｒｎ−Ｏｆｆｔｈｙｒｉｓｔｏｒ：ゲートターンオフサイリスタ）７を用いた構成としている。このＧＴＯ７のような半導体スイッチ素子を用いることにより、確実に遮断部５による電流遮断時刻よりも前にオフ制御され、転流回路３に事故電流を転流させることができる。

定常時には、ＧＴＯ７をオン制御し、直流線路１での事故発生時には、ＧＴＯ７をオフ制御して、事故電流を転流回路３に転流する。転流回路３に事故電流が転流した後には、実施の形態１乃至３と同様に、第１の限流素子の作用により、事故電流遮断時刻における事故電流瞬時値が小さくなり、遮断部５の電流遮断責務を軽減することが可能である。

なお、図５に示す例では、開閉部２として、ＧＴＯ７を用いた構成を示したが、例えば、ＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等の半導体スイッチ素子を用いて構成してもよく、同様の効果を得ることができることは言うまでもない。

以上説明したように、実施の形態４の直流遮断器によれば、開閉部として、ＧＴＯやＩＧＢＴ等の半導体スイッチ素子を用いた構成としたので、確実に遮断部による電流遮断時刻よりも前に転流回路に事故電流を転流させることができる。

なお、上述した実施の形態４では、実施の形態１において説明した開閉部として、半導体スイッチ素子を用いる例について説明したが、実施の形態４の構成を実施の形態２乃至３の構成に対して適用することも可能であり、上述した各実施の形態と同様の効果が得られることは言うまでもない。

実施の形態５．
図６は、実施の形態５にかかる直流遮断器の一構成例を示す図である。なお、実施の形態５と同一または同等の構成部には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。

実施の形態４では、直流電流が左端側から右端側に流れることを想定した構成であるが、本実施の形態では、図６に示すように、開閉部２として、ＧＴＯ７ａ，７ｂを逆並列に接続した構成とし、双方向の通電を可能としている。

定常時には、ＧＴＯ７ａ，７ｂをオン制御し、直流線路１での事故発生時には、ＧＴＯ７ａ，７ｂをオフ制御して、事故電流を転流回路３に転流する。転流回路３に事故電流が転流した後には、実施の形態１乃至４と同様に、第１の限流素子の作用により、事故電流遮断時刻における事故電流瞬時値が小さくなり、遮断部５の電流遮断責務を軽減することが可能である。

なお、図６に示す例では、開閉部２として、ＧＴＯ７ａ，７ｂを用いた構成を示したが、実施の形態４と同様に、例えば、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチ素子を用いて構成してもよく、同様の効果を得ることができることは言うまでもない。

以上説明したように、実施の形態５の直流遮断器によれば、開閉部として、ＧＴＯやＩＧＢＴ等の半導体スイッチ素子を逆並列に接続して構成したので、通電方向に依らず、確実に遮断部による電流遮断時刻よりも前に転流回路に事故電流を転流させることができる。

なお、上述した実施の形態５では、実施の形態４において説明した半導体スイッチ素子を逆並列に接続して開閉部を構成した例について説明したが、実施の形態５の構成を実施の形態１乃至３の構成に対して適用することも可能であり、上述した各実施の形態と同様の効果が得られることは言うまでもない。

実施の形態６．
図７は、実施の形態６にかかる直流遮断器の一構成例を示す図である。本実施の形態では、各リアクトル４−１〜４−ｎおよび各遮断部５−１〜５−ｎのｎ個の各直列回路からなる各転流回路３−１〜３−ｎを有し、これら各転流回路３−１〜３−ｎを開閉部２および各遮断部５−１〜５−ｎに対応してそれぞれ並列に接続して構成している。

本実施の形態にかかる直流遮断器では、直流線路１での事故発生時には、開閉部２の開極後、遮断部５−１、５−２、・・・、５−ｎの順に電流遮断を実施する。これにより、各遮断部５−１〜５−ｎの電流遮断時における事故電流瞬時値を低く抑制することができ、各遮断部５−１〜５−ｎの電流遮断責務を低減することができる。

まず、開閉部２を開極し、事故電流を各転流回路３−１〜３−ｎに転流させる。これにより、事故電流は、リアクトル４−１〜４−ｎの各インピーダンスの加算分に応じて、各遮断部５−１〜５−ｎに分担される。つまり、遮断部５−１に流れる事故電流は、リアクトル４−１のみを流れるので最も大きく、遮断部５−ｎに流れる事故電流は、各リアクトル４−１〜４−ｎを流れるので最も小さくなる。

つぎに、遮断部５−１が電流遮断すると、事故電流は各転流回路３−２〜３−ｎに転流し、事故電流は各遮断部５−２〜５−ｎに分担される。これにより、事故電流の分担数が減少した分、各遮断部５−２〜５−ｎに流れる事故電流はそれぞれ大きくなるが、遮断部５−２に流れる事故電流は、リアクトル４−１，４−２を流れるため、分担数の減少分による事故電流の増加分と相殺されることとなり、遮断部５−２の電流遮断時における事故電流瞬時値の上昇は低く抑制される。その後、順次各遮断部５−３、５−４、・・・、５−ｎによる電流遮断を行うことにより、事故電流の遮断が完了する。

上述した手法により順次各遮断部５−１〜５−ｎの電流遮断を実施することにより、各遮断部５−１〜５−ｎの電流遮断時における事故電流瞬時値を低く抑制することができ、各遮断部５−１〜５−ｎの電流遮断責務を低減することができる。また、開閉部２から複数の転流回路３−１〜３−ｎに事故電流を転流させることとなるので、より開閉部２から転流回路３−１〜３−ｎへの事故電流の転流が容易となる。

以上説明したように、実施の形態６の直流遮断器によれば、リアクトルおよび遮断部の直列回路からなる転流回路を複数有し、これら各転流回路を開閉部および各転流回路の各遮断部に対応してそれぞれ並列に接続して構成したので、開閉部から複数の転流回路に事故電流を転流させることとなり、より開閉部から転流回路への事故電流の転流が容易となる。

また、リアクトルの直列接続数の少ない遮断部から順次電流遮断を実施するようにしたので、各遮断部の電流遮断時における事故電流瞬時値を低く抑制することができ、各遮断部の電流遮断責務を低減することができる。

なお、上述した実施の形態６では、実施の形態１において説明したリアクトルおよび遮断部の直流回路からなる転流回路を複数有する構成例について説明したが、実施の形態２乃至５の構成に対して適用することも可能であり、上述した各実施の形態と同様の効果が得られることは言うまでもない。

また、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の構成の一例であり、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、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。

１直流線路
２開閉部
３，３−１，３−２，・・・，３−ｎ転流回路
４，４−１，４−２，・・・，４−ｎリアクトル（第１の限流素子）
５，５−１，５−２，・・・，５−ｎ遮断部
６第２の限流素子
７ＧＴＯ（半導体スイッチ素子）
８可飽和リアクトル（第１の限流素子）

Claims

直流線路に流れる直流電流に共振性電流を重畳して電流零点を形成し、該電流零点で前記直流電流を遮断する遮断部を具備した直流遮断器であって、
前記直流線路に挿入された開閉部と、
リアクトルである第１の限流素子および前記遮断部の直列回路からなり、前記開閉部の開極後において前記直流電流の流路となる転流回路と、
前記開閉部と共に前記直流線路に直列に挿入され、定常時にはインピーダンスが略零となり、過大な電流が流れた時に瞬間的にインピーダンスが大きくなる第２の限流素子と、
を備え、
前記開閉部の開極後に、前記遮断部による電流遮断を実施するようにしたことを特徴とする直流遮断器。
前記第１の限流素子は、可飽和リアクトルであり、前記開閉部が開極して前記直流電流が前記転流回路に転流した直後に、低インピーダンス状態から高インピーダンス状態に制御されることを特徴とする請求項１に記載の直流遮断器。
前記第２の限流素子は、過大な電流が流れた時に瞬間的に超伝導状態から常伝導状態に転移する超伝導限流器であることを特徴とする請求項１または２に記載の直流遮断器。
前記開閉部は、半導体スイッチ素子であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の直流遮断器。
前記開閉部は、前記半導体スイッチ素子が逆並列に接続され構成されたことを特徴とする請求項４に記載の直流遮断器。
前記第１の限流素子および前記遮断部の直列回路からなる前記転流回路を複数有し、
前記各転流回路は、前記開閉部および前記各転流回路の前記各遮断部に対応してそれぞれ並列に接続して構成され、
前記第１の限流素子の直列接続数の少ない前記遮断部から順次電流遮断を実施することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の直流遮断器。