JP2004022525A

JP2004022525A - Ｄｃ遮断機

Info

Publication number: JP2004022525A
Application number: JP2002180606A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiko Nishi; 西　康彦; Hiroyuki Imanishi; 今西　啓之; Takashi Hoshino; 星野　孝志
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2002-06-20
Filing date: 2002-06-20
Publication date: 2004-01-22

Abstract

【課題】アークの発生を防止して短時間で確実な遮断が可能なＤＣ遮断機を提供する。
【解決手段】機械的接点スイッチＫ１を有する主回路と、主回路に並列に接続された無接点スイッチ素子Ｑ１を有する副回路とを具える。主回路がオンの前、オフの後の少なくとも一方における一定時間、副回路がオンとなるように制御される。副回路側に導通することで、機械的接点スイッチの接点間に電圧がほとんどない状態で開放・閉鎖を行うことができ、アークの発生を抑制することができる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＤＣ遮断機に関するものである。特に、機械的接点スイッチの開閉時におけるアークを抑制し、短時間で遮断を行うことができるＤＣ遮断機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の高容量（高電圧・高電流）のＤＣ遮断機には、機械接点式の遮断機が用いられている。これは機械式遮断機の持つ、▲１▼低抵抗である（＝損失が少ない＝容量が大きい）、▲２▼サージによる破壊がほとんどない、といったメリットによるものからである。
【０００３】
通常、機械接点式の遮断機は、励磁コイルに流れる励磁電流により、固定接点に対して可動接点が接触離反する構成である。機械接点式の遮断機において、その遮断時には導通している接点を空間的に遮断して電流を遮断するが、遮断した際に発生する金属蒸気やイオンによって接点同士が離れているにもかかわらず電流が流れ続ける状態（アーク放電）が発生してしまう。空間的に遮断する量が小さい（固定接点と可動接点との距離が小さい）とアーク放電が発生し続け、遮断ができなくなってしまったり、接点が損傷して寿命が短くなってしまう。
【０００４】
これに対して、▲１▼接点開放距離を広くとる、▲２▼接点間開放速度を速くする、▲３▼磁界によりアークを引き伸ばす、▲４▼冷却ガスや消弧室により冷却して抵抗を増加させる、などの工夫も提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、高電圧のＤＣ電源ラインに設置された遮断機において、遮断時にアークが発生してしまい、遮断までの時間が増大したり、遮断機の小型化や構造の簡素化が難しいという問題があった。
【０００６】
例えば、大気中において直流アークを遮断するには、接点間距離を大きくとる必要があり、そのためのスペースが必須となる。また、完全気密構造におかれた電気接点の開放により切断する場合は、ガスの密閉構造が必要である。その他、磁界の作用によりアークを引き伸ばす場合も、この引き伸ばしに必要な空間が求められる。このように、従来の直流リレーではいずれの構成でも小型化・低コスト化することが難しかった。
【０００７】
従って、本発明の主目的は、アークの発生を防止して短時間で確実な遮断が可能なＤＣ遮断機を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、機械的接点スイッチに無接点スイッチ素子を組み合わせ、無接点スイッチ素子を機械的接点スイッチに対して所定の連動をさせることで上記の目的を達成する。
【０００９】
すなわち、本発明ＤＣ遮断機は、機械的接点スイッチを有する主回路と、主回路に並列に接続された無接点スイッチ素子を有する副回路とを具え、前記主回路がオンの前、オフの後の少なくとも一方における一定時間、副回路がオンとなるように制御されることを特徴とする。
【００１０】
主回路がオンになる前およびオフになった後は、機械的接点スイッチの接点間が離れているにもかかわらず、アークが生じる。そのとき、主回路に並列に接続された副回路をオンにして導通させておくことで、主回路側への通電を制限し、機械的接点間の間に電位がない状態とする。この状態で接点を開放または閉鎖してもアークは発生しないため、主回路の接点間にアークが発生することを防止することができる。
【００１１】
ここで、無接点スイッチ素子としては半導体スイッチ素子が好適である。半導体スイッチ素子の具体例としては、バイポーラトランジスタ、ＦＥＴ、ＩＧＢＴ、サイリスタ、ＧＴＯなどがある。特に、ワイドバンドギャップ半導体を用いたものであれば、高容量（高電圧・高電流）のＤＣ遮断機の小型化を実現することができる。
【００１２】
主回路がオンになる場合、副回路はオンであってもオフであってもいずれでも良い。主回路がオンの場合、副回路をオフにすると、主回路がオンの間、副回路を流れる電流も０となって損失も０となる。ただし、副回路のオン／オフ切替機構が複雑になる。逆に、主回路がオンの場合に副回路もオンにすると、副回路のオン／オフの切替機構は簡素化できるが、主回路・副回路ともにオンにした場合、両回路で損失が発生してしまう。
【００１３】
前記主回路と副回路を同時にオンにする場合に、副回路の半導体スイッチ素子がもつオン時の抵抗値やＰＮ接合による順電圧により主回路に対して副回路を流れる電流値を小さく抑えるように構成することが好ましい。主回路と副回路を同時にオンとするが、副回路を構成する半導体スイッチ素子の抵抗などにより、副回路へ流入する電流を小さく抑えることができる。これにより、副回路のオン／オフ制御系を簡素化して、ＤＣ遮断機の小型化を実現することができる。
【００１４】
また、主回路が遮断されて副回路のみに電流を流す時間が半導体スイッチ素子の過渡領域となる程短い時間に設定されることが望ましい。この構成により、副回路のオン時間を主回路の遮断に必要な最低限の時間に設定することができ、直流値としてみた電流値より大きな電流を副回路に流すことが可能になり、副回路の小型化を実現することができる。
【００１５】
さらに、前記主回路および副回路を流れる電流を検知して、その電流値が一定値以上になった場合に、主回路および副回路を強制的に遮断する強制遮断手段を有することが好適である。主回路を流れる電流を監視して、一定値以上となった場合に、外部制御スイッチの状態によらず遮断機内部で強制的に出力を遮断し、異常時においても遮断機の破損を防ぐことができる。
【００１６】
特に、前記強制遮断手段は、主回路および副回路を同時に遮断することが好ましい。主回路および副回路を同時に遮断することで、副回路だけに異常電流が流れることを防止すると共にＤＣ遮断機の小型化を実現することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
（実施例１）
まず、主回路の機械的接点をオフさせる時の過渡期にのみ副回路をオンさせる構成について説明する。
【００１８】
図１は本発明遮断機の回路図である。この遮断機は、励磁コイルにより開閉される機械的接点スイッチＫ１をもつ主回路と、この主回路に並列に接続されて半導体スイッチ素子Ｑ１を持つ副回路とを有する。主回路の一端側に接続される励磁コイルＲＹは、外部に設けた単極単投スイッチＳ１により導通が制御される。また、主回路の他端側には電源ＰＳが接続され、機械的接点スイッチＳ１を介して接続される負荷ＬＤと励磁コイルＲＹとに電力供給を行う。そして、半導体スイッチ素子Ｑ１は、主回路との間に抵抗Ｒ８を、接地ＧＮＤとの間に抵抗Ｒ７およびコンデンサＣ３が接続され、さらにダイオードＤ４も接続されている。
【００１９】
ここで、主回路に設置したスイッチＳ１が閉じている場合、励磁コイルＲＹに電流が流れ接点スイッチＫ１がオンになる。この時、コンデンサＣ３の両端における電圧差はグランドレベルからダイオードＤ４の順方向電圧だけ高い電圧（１Ｖ程度）となる。
【００２０】
副回路（半導体スイッチ素子Ｑ１）についても、抵抗Ｒ８、Ｒ７からスイッチＳ１を介して接地ＧＮＤに電流が流れるため、抵抗Ｒ８の電圧降下により半導体スイッチ素子Ｑ１のゲートソース間に電圧差が発生して半導体スイッチ素子Ｑ１もオンになる。但し、一般的に、電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）等の半導体スイッチ素子におけるオン時の抵抗値は数十〜百ｍΩであり、機械的接点スイッチＫ１のオン抵抗（通常１ｍΩ以下）と比較して大きいため副回路（半導体スイッチ素子Ｑ１）に電流はほとんど（１／１００以下程度）流れない。
【００２１】
この状態からスイッチＳ１が開くと、瞬時に励磁コイルＲＹの電流が０となり接点スイッチＫ１はオフするが、スイッチＳ１が開いた瞬間から抵抗Ｒ８、Ｒ７を通じてコンデンサＣ３に充電が開始される。その間、抵抗Ｒ８による電圧降下が発生するため、半導体スイッチ素子Ｑ１のゲートソース間電圧がある一定値をとった後、ＣＲで決定される時定数でゲートソース間電圧が小さくなり最終的に０となり半導体スイッチ素子Ｑ１はオフとなる。
【００２２】
つまり、スイッチＳ１が開いた直後は半導体スイッチ素子Ｑ１がオン状態であり、接点開放により主回路（機械的接点スイッチＫ１）の導通が無くなるため、主回路を流れていた電流が全て副回路を流れる。このため、接点スイッチＫ１の負荷側接点の電圧が高いまま（電源側接点との電位差が少ないまま）接点スイッチＫ１の接点の開放が進行することになる。
【００２３】
このように両極の電位に差が非常に小さい状態で接点を開放してもアークは発生しないため、磁気ブローを発生させる装置や雰囲気を熱伝導性の高い気体で満たす必要もなくなり、遮断機の構成を簡素化することができる。
【００２４】
アークを発生させない状態で接点スイッチＫ１の接点開放がある程度進行すると、接点間に電位差があってもアークは発生しなくなる。通常、数ｍｓｅｃでアークが発生しない接点間隔となるので、半導体スイッチ素子Ｑ１がオンする時間については数ｍｓｅｃ、つまり半導体スイッチ素子の過渡領域となる程短い時間で十分である。
【００２５】
（実施例２）
次に、主回路をオフする際のみならずオンする際にも副回路をオンさせる遮断機を説明する。図２は、この遮断機の回路図である。
【００２６】
図２の遮断機は、図１の構成にさらに半導体スイッチ素子Ｑ２、抵抗Ｒ１０およびコンデンサＣ４を付加したものである。
【００２７】
まず、機械的接点スイッチＫ１をオンする場合、スイッチＳ１が閉じて抵抗Ｒ８、Ｒ７、ダイオードＤ４を経由して電流が流れ、半導体スイッチ素子Ｑ１もオンになる。副回路（半導体スイッチ素子Ｑ１）からは負荷ＬＤへ電流が流れると共に、抵抗Ｒ１０を経てコンデンサＣ４をチャージする。コンデンサＣ４が一定電圧以上になると、半導体スイッチ素子Ｑ２がオンになり、接点スイッチＫ１がオンになる。
【００２８】
一方、機械的接点スイッチＫ１をオフにする場合、スイッチＳ１が開くと半導体スイッチ素子Ｑ２は電流の流れる先が遮断されてドレイン電流は０となり、接点スイッチＫ１はオフになる。また、スイッチＳ１が開いた後、抵抗Ｒ８，Ｒ７を経由してコンデンサＣ３がチャージされる。その間、抵抗Ｒ８による電圧降下で副回路（半導体スイッチ素子Ｑ１）のゲートソース間電圧が発生し、副回路はオン状態を保つ。そして、コンデンサＣ３へのチャージが完了すると、抵抗Ｒ８，Ｒ７を流れる電流が０になり、半導体スイッチ素子Ｑ１もオフになる。
【００２９】
このように、本実施例では、機械的接点スイッチＫ１をオンする前に副回路がオンであり、同接点スイッチＫ１をオフした後においても副回路をオンとすることができ、接点間に電圧がほとんどない状態で主回路を開放または閉鎖することができアークの発生を抑制することができる。
【００３０】
（実施例３）
次に、負荷に流れる電流を検出し、その電流値が一定値を超えると主回路と副回路を同時に遮断するＤＣ遮断機を説明する。図３は同遮断機の回路図である。
【００３１】
この遮断機は、図１の構成に負荷ＬＤへの電流を検知して、しきい値と比較する比較回路ＣＭおよびコンデンサＣ３へのチャージを強制的に遮断する半導体スイッチ素子Ｑ２、Ｑ３を具えている。主回路から負荷ＬＤへのラインの途中には抵抗Ｒ９が設けられ、この抵抗Ｒ９の両端電圧から負荷ＬＤに流れている電流を監視する。抵抗Ｒ９の両端は比較回路ＣＭへと接続され、しきい値と比較が行われる。一方、抵抗Ｒ７とコンデンサＣ３との間には半導体スイッチ素子Ｑ２が、励磁コイルとスイッチＳ１との間には半導体スイッチ素子Ｑ３が設けられている。抵抗Ｒ９の両端電圧が前記のしきい値を超えた場合に、これら半導体スイッチ素子Ｑ２、Ｑ３を強制的に遮断することで、負荷ＬＤへの電流供給を遮断する。
【００３２】
この遮断の方法としては、主回路・副回路の破損を防止すると言う点からは半導体スイッチ素子Ｑ２、Ｑ３の両方を同時にオフにすることが好ましい。また、電流異常時にも主回路のアーク発生を防止するならば、半導体スイッチ素子Ｑ３のみオフにする（この場合Ｑ２は不要）ようにしても良い。
【００３３】
なお、図３には半導体スイッチ素子Ｑ２とＱ３を同時にオフする構成を示したが、図４に示すように、抵抗Ｒ７と並列にコンデンサＣ５を介在することで、半導体スイッチ素子Ｑ２、Ｑ３を順次オフにして、主回路と副回路を順次遮断することができる。
【００３４】
（実施例４）
次に、遮断機外部で接地をとる必要がないＤＣ遮断機を説明する。図５は同遮断機の回路図である。
【００３５】
この遮断機は、図１の遮断機におけるコンデンサＣ３を抵抗Ｒ８と並列に接続し、外部に接地をとらない構成である。また、主回路の機械的スイッチＫ１御する励磁コイルの電源ＰＳ２は遮断機上流の電源ＰＳとは別に設けた。
【００３６】
ここで、スイッチＳ１が閉じている場合に、コンデンサＣ３の両端電位差は抵抗Ｒ８により電圧降下する分と等しくなる。スイッチＳ１が開いて接点スイッチＫ１がオフになると、電源ＰＳからＲ８を経由してコンデンサＣ３における副回路（半導体スイッチ素子Ｑ１）ゲート接続側にチャージが開始される。この間、半導体スイッチ素子Ｑ１はオンの状態となり、コンデンサＣ３のチャージが進行して半導体スイッチ素子Ｑ１のゲートソース間電圧差が一定値以下になると半導体スイッチ素子Ｑ１がオフになり電流を遮断する。
【００３７】
この遮断機においても、主回路がオフになった後の一定時間副回路はオンの状態となっており、主回路の機械的接点スイッチをほとんど電位差のない状態で開くことができるため、アークの発生を防止することができる。
【００３８】
この構成は、実施例１〜３の遮断機に比べて外部でＧＮＤに接続する必要がなくなる。ただし、コンデンサＣ３の容量を大きくする必要がある。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明ＤＣ遮断機は、次の効果を奏することができる。
【００４０】
機械的接点スイッチを持つ主回路に並列に副回路を設け、この副回路に無接点スイッチ素子を用いることにより、接続時、遮断時のアークの発生をおさえることができ、小型で簡易な構成にて高速遮断を行うことができる。
【００４１】
副回路に半導体スイッチ素子を使うことにより機械的接点スイッチの接続・遮断時のアーク発生をおさえることができ、小型化で高速遮断が可能となり構造もシンプルになる。
【００４２】
副回路の半導体スイッチ素子にワイドバンドギャップ半導体を用いることにより、高電圧・高電流（高容量回路）での使用が可能となる。
【００４３】
副回路の半導体スイッチ素子自身のオン抵抗により主回路をオンした時の副回路への電流を制御することができ、副回路制御構成の簡素化と副回路の信頼性向上が実現できる。
【００４４】
副回路に大電流を流す時間、つまり主回路オフ、副回路オンとなる時間を半導体の過渡領域時間とすることにより、副回路を構成する半導体の小型化が容易となる。
【００４５】
負荷電流値が一定値以上となる異常時には励磁コイルを制御する外部のコントロール信号の状態にかかわらず、遮断機内部で強制的に電流を遮断することにより遮断機の破損を防止することができる。特に、強制的に主回路・副回路を同時にオフすることにより副回路の破損を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】主回路の機械的接点をオフさせる時の過渡期にのみ副回路をオンさせる本発明遮断機の回路図である。
【図２】主回路の機械的接点をオン・オフさせる時の過渡期にのみ副回路をオンさせる本発明遮断機の回路図である。
【図３】負荷に流れる電流を検出し、その電流値が一定値を超えると主回路と副回路を同時に遮断する本発明遮断機の回路図である。
【図４】負荷に流れる電流を検出し、その電流値が一定値を超えると主回路と副回路を順次遮断する本発明遮断機の回路図である。
【図５】遮断機外部で接地をとる必要がない本発明遮断機の回路図である。
【符号の説明】
ＣＭ　　比較回路
Ｃ３　　コンデンサ
Ｃ４　　コンデンサ
Ｃ５　　コンデンサ
Ｄ４　　ダイオード
ＧＮＤ　　接地
Ｋ１　　機械的接点スイッチ
ＬＤ　　負荷
ＰＳ　　電源
ＰＳ２　　電源
Ｑ１　　半導体スイッチ素子
Ｑ２　　半導体スイッチ素子
Ｑ３　　半導体スイッチ素子
Ｒ７　　抵抗
Ｒ８　　抵抗
Ｒ９　　抵抗
Ｒ１０　　抵抗
ＲＹ　　励磁コイル
Ｓ１　　機械的接点スイッチ

Claims

機械的接点スイッチを有する主回路と、主回路に並列に接続された無接点スイッチ素子を有する副回路とを具え、
前記主回路がオンの前、オフの後の少なくとも一方の一定時間、副回路がオンとなるように構成したことを特徴とするＤＣ遮断機。
前記主回路がオンの場合、副回路もオンとなるよう構成したことを特徴とする請求項１に記載のＤＣ遮断機。
前記無接点スイッチ素子が半導体スイッチ素子であることを特徴とする請求項１に記載のＤＣ遮断機。
前記半導体スイッチ素子が、ワイドバンドギャップ半導体を用いたものであることを特徴とする請求項３に記載のＤＣ遮断機。
前記主回路と副回路が同時にオンとなる場合に、副回路の半導体スイッチ素子がもつオン時の抵抗値やＰＮ接合による順電圧により主回路に対して副回路を流れる電流値を小さく抑えるように構成したことを特徴とする請求項３に記載のＤＣ遮断機。
前記主回路が遮断されて副回路のみに電流を流す時間が半導体スイッチ素子の過渡領域となる程短い時間に設定されることを特徴とする請求項３に記載のＤＣ遮断機。
前記主回路および副回路を流れる電流を検知して、その電流値が一定値以上になった場合に、主回路および副回路を強制的に遮断する強制遮断手段を有することを特徴とする請求項１に記載のＤＣ遮断機。
前記強制遮断手段は、主回路および副回路を同時に遮断することを特徴とする請求項７に記載のＤＣ遮断機。