JP2019047690A - 直流遮断器 - Google Patents

Abstract

【課題】直流遮断器の回路規模を小さくし、短絡電流を高速に遮断する。【解決手段】端子Ｔ１と端子Ｔ２の間に、端子Ｔ１と端子Ｔ２をそれぞれ正側と負側として直流電圧が印加される。端子Ｔ３と端子Ｔ４の間には負荷が接続される。端子Ｔ１と端子Ｔ３の間は直流電路の一部を形成する。接点２０は直流電路を開閉する。限流リアクトル１０Ａは、コイル１１を含む。コイル１１には直流電路の電流が流れる。コイル１１は、通常の動作状態では抵抗が小さくて配線と見なせる。引外し装置３０は、通常の動作状態において抵抗が大きいトリップコイルを含む。限流リアクトル１０Ａに含まれるコイル１１の両端に所定の大きさを超える電圧が生じたとき、引外し装置３０に含まれるトリップコイルに所定の大きさを超える電流が流れる。このとき、引外し装置３０は、接点２０を開く。【選択図】図１

Description

本発明は、直流電路を流れる電流を遮断する直流遮断器に関する。

直流電路に短絡事故が発生したとき、直流電路にあまりにも大きな短絡電流が流れると、そこに接続されている電気機器や直流遮断器が破壊されるおそれがある。このため、直流電路が遮断されるまでの間に短絡電流が大きくなり過ぎないように短絡電流を抑制する必要がある。

例えば、特許文献１は、短絡事故が発生したとき、短絡電流を高速に限流して直流電路を遮断する遮断器を開示する。この遮断器は、直流電路を開閉する接点と、短絡電流を限流する限流装置と、トリップコイルとを有する。トリップコイルは、限流装置の両端に所定値以上の電圧が生じたとき接点を引き外す。
特許文献１に記載の限流装置は、直列接続された複数個の正特性サーミスタと、これら各サーミスタにそれぞれ並列接続された複数個のコイルとを有する。全てのコイルの合成直流抵抗によって形成される抵抗分は、接点の電流遮断能力以下の電流値に短絡電流を限流する大きさに設定される。抵抗分がこの条件を満たすことができない場合には外付け抵抗が付加される。
特許文献１に記載の遮断器は、短絡事故が発生したとき、短絡電流を高速に限流し、短絡電流が接点の電流遮断能力以下の電流値に減少した後に接点を引き外して電流を遮断する。

特開２００１−３５９２３６号公報

特許文献１に記載の遮断器に含まれる限流装置は、２個以上のサーミスタが必要であり、回路規模が大きい。また、短絡電流が接点の電流遮断能力以下の電流値に減少した後に接点を引き外すため、短絡電流が遮断されるまでやや時間がかかる。

本発明の目的は、回路規模が小さく、短絡電流を高速に遮断することができる直流遮断器を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の直流遮断器は、
直流電路を開閉する接点と、
前記直流電路の電流が流れ、通常の動作状態では抵抗が小さくて配線と見なせるコイルを含む限流リアクトルと、
通常の動作状態において抵抗が大きいトリップコイルを含み、前記コイルの両端に所定の大きさを超える電圧が生じたときに、当該トリップコイルに所定の大きさを超える電流が流れることによって前記接点を開く引外し装置と、
を備えることを特徴とする。

好ましくは、本発明の直流遮断器は、
直列に接続されたコンデンサと前記引外し装置に含まれるトリップコイルの両端が、それぞれ前記限流リアクトルに含まれるコイルの両端に接続されていることを特徴とする。

好ましくは、本発明の直流遮断器は、
前記限流リアクトルが、
磁束を通しやすい材料で作られたコアと、
前記コアに巻回され、直列に差動接続の向きに接続された２つのコイルと、
前記２つのコイルのうちの一方のコイルの両端に、前記直流電路の電流が流れる向きに接続された第１のダイオードと、
を備える、
ことを特徴とする。

好ましくは、本発明の直流遮断器は、
前記２つのコイルのうちの他方のコイルの両端に、前記第１のダイオードと逆方向に電流が流れるように接続された第２のダイオードを備えることを特徴とする。

本発明によれば、直流遮断器の回路規模が小さくなり、短絡電流を高速に遮断することができる。

本発明の第１の実施形態に係る直流遮断器の構成の一例を示す図である。 図１の直流遮断器の変形例である直流遮断器の構成の一例を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る直流遮断器の構成の一例を示す図である。 図３に示す直流遮断器に含まれる限流リアクトルの磁気回路における通常の動作状態の一例を示す図である。 短絡事故時等に図３に示す直流遮断器に含まれる限流リアクトルに印加される電圧とそこに流れる電流の一例を示す図である。 図３に示す直流遮断器に含まれる限流リアクトルの磁気回路における短絡事故時等の動作状態の一例を示す図である。 図６の磁気回路に電圧Ｅが印加されたときの電流の時間経過の一例を示す図である。 図３に示す直流遮断器に含まれる限流リアクトルにおいて逆起電力を抑止するために流れる電流の一例を示す図である。 図１に示す直流遮断器に含まれる限流リアクトルの磁気回路の動作状態の一例を示す図である。 コアにおけるＢ（磁束密度）−Ｈ（磁界）曲線の一例を示す図である。 大きな電圧が印加されたとき、限流リアクトルに流れる電流の時間経過の一例を示す図である。

以下、本発明の実施形態に係る直流遮断器について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、実施形態を説明する全図において、共通の構成要素には同一の符号を付し、繰り返しの説明を省略する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る直流遮断器１の構成の一例を示す。
直流遮断器１は、限流リアクトル１０Ａと、接点２０と、引外し装置３０とを有する。
端子Ｔ１と端子Ｔ２の間に、端子Ｔ１と端子Ｔ２をそれぞれ正側と負側として直流電圧（例えば３８０Ｖ）が印加される。端子Ｔ３と端子Ｔ４の間には負荷が接続される。
端子Ｔ１と端子Ｔ３の間は直流電路の一部を形成する。限流リアクトル１０Ａと接点２０とは、端子Ｔ１と端子Ｔ３との間に直列に挿入される。接点２０は、一端が端子Ｔ１に接続され、他端が限流リアクトル１０Ａの一端Ａに接続される。限流リアクトル１０Ａの他端Ｂは端子Ｔ３に接続される。引外し装置３０は、トリップコイルを有する。トリップコイルの一端Ｃと他端Ｄは、それぞれ限流リアクトル１０Ａの一端Ａと他端Ｂに接続される。すなわち、限流リアクトル１０Ａと引外し装置３０とは接点２０の他端と端子Ｔ３との間に並列に接続される。

接点２０は、直流電路を開閉する。接点２０が開いたとき、直流電路は遮断される。
限流リアクトル１０Ａは、単一のコイル１１とダイオードＤ１とを有する。コイル１１は限流リアクトル１０Ａの一端Ａと他端Ｂとの間に挿入される。ダイオードＤ１は、アノードとカソードがそれぞれ限流リアクトル１０Ａの他端Ｂ（端子Ｔ３側）と一端Ａ（接点２０側）に接続される。
コイル１１には直流電路の電流が流れる。コイル１１は、通常の動作状態（すなわち、短絡事故が起こっていない状態）では抵抗が小さく（例えば、抵抗値が数μΩであり）、単なる配線と見なせる。しかし、短絡事故が起こって直流電路に短絡電流が流れるとき、コイル１１の両端（一端Ａと他端Ｂ）には所定の大きさを超える電圧が生じ、コイル１１は短絡電流を限流する。すなわち、コイル１１は、正常時はほとんど損失無く電流を流すが、電流が急激に増加したとき、この電流の増加を抑制する。

引外し装置３０は、トリップコイルを有する。通常の動作状態において、トリップコイルは抵抗が大きく、その抵抗値は例えば数百Ωである。一方、限流リアクトル１０Ａに含まれるコイル１１の抵抗値は例えば数μΩである。このため、接点２０が閉じているとき、通常の動作状態では、コイル１１を通って電流が流れ、トリップコイルにはほとんど電流が流れない。
しかし、短絡事故が起こって直流電路に短絡電流が流れると、限流リアクトル１０Ａに含まれるコイル１１の両端（一端Ａと他端Ｂ）には所定の大きさを超える電圧が生じる。このとき、トリップコイルに所定の大きさを超える電流が流れ、引外し装置３０は接点２０を開く。これにより、直流電流が遮断される。
接点２０が開くと、限流リアクトル１０Ａに含まれるコイル１１に逆起電力が生じる。ダイオードＤ１は、コイル１１ＡとダイオードＤ１で形成される閉回路で逆起電力によって生じる電流をループさせる。これにより、コイル１１に蓄えられていた磁気エネルギーは消失する。

図２は、図１の直流遮断器１の変形例である直流遮断器２の構成の一例を示す。
直流遮断器２は、限流リアクトル１０Ａの他端Ｂと、引外し装置３０に含まれるトリップコイルの他端Ｄとの間にコンデンサＣ１が挿入されている点のみが直流遮断器１と異なる。その他の点で、直流遮断器２と直流遮断器１とは同一の構成である。
コンデンサＣ１と引外し装置３０に含まれるトリップコイルは直列に接続される。そして、この直列回路の両端は、それぞれ限流リアクトル１０Ａに含まれるコイル１１の両端に接続される。
コンデンサＣ１は直流電流を通さないので、通常の動作状態（すなわち、短絡事故が起こっていない状態）では引外し装置３０に含まれるトリップコイルに直流電流は流れない。一方、短絡事故が起こって限流リアクトル１０Ａに含まれるコイル１１の両端（一端Ａと他端Ｂ）に所定の大きさを超える電圧が生じると、トリップコイルに所定の大きさを超える電流が流れる。このとき、引外し装置３０は接点２０を開く。

図３は、本発明の第２の実施形態に係る直流遮断器３の構成の一例を示す。図４は、直流遮断器３に含まれる限流リアクトル１０Ｂの磁気回路における通常の動作状態の一例を示す図である。
直流遮断器３は、限流リアクトル１０Ｂの構成が第１の実施形態に係る直流遮断器１に含まれる限流リアクトル１０Ａと異なる。その他の点で、直流遮断器３と直流遮断器１とは同一の構成である。

限流リアクトル１０Ｂは、コイル１１と、コイル１２と、ダイオードＤ１と、ダイオードＤ２と、コア４０とを有する。なお、図４ではダイオードＤ１が省略されているが、限流リアクトル１０ＢはダイオードＤ１を有する。
コイル１１とコイル１２は、接点２０の他端と端子Ｔ３の間に配置されている。コイル１１とコイル１２は、直列に差動接続の向きに接続されている。すなわち、コイル１とコイル１２の自己インダクタンスをそれぞれＬ１とＬ２、相互インダクタンスをＭとする。このとき、ダイオードＤ１とダイオードＤ２が無い場合には、限流リアクトル１０Ｂの合成インダクタンスがＬ１＋Ｌ２−２Ｍとなるように、コイル１１とコイル１２は接続されている。
なお、Ａは限流リアクトル１０Ｂの一端であり、Ｂはコイル１１とコイル１２の接続部であり、Ｘは限流リアクトル１０Ｂの他端である。

ただし、図３に示すように、限流リアクトル１０Ｂでは、例えば、コイル１１の両端に、電流がコイル１１とコイル１２の接続部Ｂから限流リアクトル１０Ｂの一端Ａに向けて流れるようにダイオードＤ１が接続される。すなわち、図３の例では、ダイオードＤ１はアノードがコイル１１とコイル１２の接続部Ｂに接続され、カソードが限流リアクトル１０Ｂの一端Ａに接続される。
また、限流リアクトル１０Ｂでは、例えば、コイル１２の両端に、電流がコイル１１とコイル１２の接続部Ｂから限流リアクトル１０Ｂの他端Ｘに向けて流れるようにダイオードＤ２が接続される。すなわち、図３の例では、ダイオードＤ２はアノードがコイル１１とコイル１２の接続部Ｂに接続され、カソードが限流リアクトル１０Ｂの他端Ｂに接続される。

コイル１１とコイル１２は、コア４０に巻回されている。コア４０は、鉄のような磁束を通しやすい材料で作られている。ただし、コア４０は、磁束を通しやすい材料であれば、鉄以外の材料で作られていてもよい。

図４に示すように、通常の動作状態（すなわち、短絡事故等が起こっていないとき）、コイル１１とコイル１２には電流Ｉが流れており、この電流Ｉによりコア４０の内部には磁束Φ１と磁束Φ２が生じている。磁束Φ１と磁束Φ２は、逆向きであり、互いに打ち消し合う。このとき、コイル１１とコイル１２は単なる配線とみなせる。コイル１１とコイル１２の巻き数が同一である場合、コア４０の内部の磁束は略０となる。

短絡事故等が起こり、例えば、図５に示すように、限流リアクトル１０Ｂの一端Ａと他端Ｘをそれぞれ正側と負側として急に大きな電圧Ｅが印加されると、コイル１１に電圧（Ｅ−Ｖｄ）がかかり、一端Ａから他端Ｘに向けてコイル１１に励磁電流ｉｍが流れる。コイル１１の両端に付した＋と−の符号は電圧降下の向きを示す。このとき、コイル１２は短絡されているとみなせる。すなわち、励磁電流ｉｍはダイオードＤ２を流れ、コイル１２にはほとんど流れない。ＶｄはダイオードＤ２による電圧降下である。

このとき、図６に示すように、励磁電流ｉｍによって、コア４０の内部に磁束Φｍが生じる。磁束Φｍによりコイル１２に起電力が生じる。図６においてコイル１２の両端に付した＋と−の符号は起電力の向きを示す。この起電力により、コイル１２に電流ｉ２が流れる。電流ｉ２は、コイル１２に磁束Φ４を発生させようとする。しかし、電流ｉ２に対応して、コイル１１に電流ｉ１が流れ、磁束Φ４をちょうど打ち消す大きさの磁束Φ３を発生させる。磁束Φ３と磁束Φ４が打ち消し合うため、コア４０の内部の磁束はΦｍから変化しない。このとき、ダイオードＤ２を流れる電流はｉｍ＋ｉ１−ｉ２となる。
従って、限流リアクトル１０Ｂの一端Ａと他端Ｘをそれぞれ正側と負側として電圧Ｅが印加されたとき、一端Ａから他端Ｘに向けて電流ｉｍ＋ｉ１が流れる。
なお、図６ではダイオードＤ１が省略されているが、限流リアクトル１０ＢはダイオードＤ１を有する。

図７に示すように、直流電路を流れる電流ｉは、励磁電流ｉｍから電流ｉ１の電流値だけ嵩上げされる。限流リアクトル１０Ｂの一端Ａと他端Ｘの間に電圧Ｅが印加された直後に、一端Ａと他端Ｘの間に流れる電流ｉの電流値は、電流ｉ１の電流値である。コイル１１とコイル１２に漏れ磁束がないと仮定すると、その後、電流ｉの電流値は直線的に増加する。しかし、実際には、コイル１１とコイル１２には漏れ磁束が存在する。この漏れ磁束の影響により、時間ｔが経過すると、磁束Φ３と磁束Φ４が減少し、電流ｉ１と電流ｉ２が減少する。このため、時間ｔが経過するにつれて、直流電路を流れる電流ｉの増加率が減少する。このように、限流リアクトル１０Ｂは、電圧Ｅが印加された直後における電流ｉの立ち上がりが早く、時間ｔが経過するにつれて電流ｉの増加を抑制する。
なお、図３にはダイオードＤ２がコイル１２の両端に接続されている例を示したが、ダイオードＤ２は、コイル１２の両端ではなく、コイル１１の両端に、電流が限流リアクトル１０Ｂの一端Ａから他端Ｘに向けて流れるように接続してもよい。この場合、急に大きな電圧が印加された直後には、コイル１１が短絡されているとみなすことができる。

図８は、直流遮断器３に含まれる限流リアクトル１０Ｂにおいて逆起電力を抑止するために流れる電流の一例を示す。
引外し装置３０が接点２０を開き、端子Ｔ１から端子Ｔ２に向けて流れていた電流が遮断されると、図８に示すように、コイル１１とコイル１２にそれぞれ逆起電力が生じる。図８においてコイル１１とコイル１２の両端に付した＋と−の符号は逆起電力の向きを示す。
コイル１１の逆起電力により流れる電流ｉａは、ダイオードＤ１とコイル１１によって形成されるループを流れる。また、コイル１２の逆起電力により流れる電流ｉｂは、ダイオードＤ２とコイル１２によって形成されるループを流れる。これにより、コイル１１とコイル１２に蓄えられていた磁気エネルギーは消失する。

図９は、図１に示す直流遮断器１に含まれる限流リアクトル１０Ａの磁気回路の動作状態の一例を示す。
図９に示すように、第１の実施形態に係る直流遮断器１に含まれる限流リアクトル１０Ａは、コア４０にコイル１１が巻回された構造とすることができる。例えば、通常の動作状態では（すなわち、短絡事故等が起こっていないとき）、コイル１１には電流Ｉ’が流れており、この電流Ｉ’によりコア４０の内部には磁束Φ’が生じている。そして、短絡事故等が起こって急に大きな電圧が印加されると、コイル１１に電流ｉ’が流れ、コア３０の内部に磁束Φｍ’が生じる。このとき、コア４０内の磁束はΦ’からΦ’＋Φｍ’に変化する。磁気飽和するとコイルを流れる電流が急激に増加するため、磁気飽和は望ましくない。しかし、磁束Φ’と磁束Φｍ’の向きが同一であるため、限流リアクトル１０Ａは、比較的磁気飽和しやすい。

一方、図４と図６に示したように、第２の実施形態に係る直流遮断器３に含まれる限流リアクトル１０Ｂでは、通常の動作状態では、コイル１１から磁束Φ１が生じ、コイル１２から磁束Φ２が生じている。磁束Φ１と磁束Φ２は逆向きであり、互いに打ち消し合っている。このため、コイル１１とコイル１２の巻き数が同一である場合、コア４０内の磁束は略０である。そして、短絡事故等が起こり、急に大きな電圧が印加されるとき、コア４０内の磁束は略０からΦｍに変化する。このように、限流リアクトル１０Ｂは、磁束の変化できる幅が大きいため、磁気飽和しにくい。

更に、通常コア４０には磁気ヒステリシスがある。図１０は、コア４０のＢ（磁束密度）−Ｈ（磁界）曲線の一例を示す。
限流リアクトル１０Ａに含まれるコア４０は、一旦磁化されると、直流電路に流れる電流が０になっても、すなわち磁界Ｈが０になっても磁束密度Ｂは０にはならず、例えばｂ点までしか減少しない。そして、通常の動作状態（短絡事故等が起こっていない状態）でｃ点の磁束密度Ｂであるときに短絡事故等が起こって急に大きな電圧が印加された場合、コア４０の磁束密度Ｂは、ｃ点からａ点までしか変化することができない。
一方、限流リアクトル１０Ｂに含まれるコア４０の磁束密度Ｂは、短絡事故等が起こって急に大きな電圧が印加された場合、略０からａ点まで変化可能である。

図１１は、大きな電圧が印加されたとき、限流リアクトル１０Ａと限流リアクトル１０Ｂに流れる電流の時間経過の一例を示す。
限流リアクトル１０Ａでは、電流ｉが徐々に増加する。限流リアクトル１０Ａは、時間ｔが経過すると、コア４０が磁気飽和し、過大な電流が流れる。このため、直流遮断器１は、引外し装置３０の動作が遅いと、直流電路に過大な電流が流れるおそれがある。
一方、限流リアクトル１０Ｂでは、初期に急速に電流ｉが増加するが、ある電流値を超えると電流ｉの増加が抑制される。このため、第２の実施形態に係る直流遮断器３は、引外し装置３０の動作が遅くても直流電路に過大な電流が流れる可能性が少ない。

なお、直流遮断器３も、図２の直流遮断器２と同様に、限流リアクトル１０Ｂに含まれるコイル１１とコイル１２の接続部Ｂと、引外し装置３０に含まれるトリップコイルの他端Ｄとの間にコンデンサを挿入することができる。この場合、コンデンサと引外し装置３０に含まれるトリップコイルは直列に接続される。そして、この直列回路の両端は、それぞれ限流リアクトル１０Ｂに含まれるコイル１１の両端に接続される。

なお、上述した実施形態では、直流遮断器は限流リアクトル１０Ａまたは限流リアクトル１０Ｂを含むが、限流リアクトル１０Ａと限流リアクトル１０Ｂは例示であって限定するものではない。これら以外にも様々な構成の限流リアクトルを用いて本発明に係る直流遮断器を構成することができる。

また、上述した実施形態では、直流遮断器１〜３を直流電路の正側に挿入する例を示したが、直流遮断器１〜３を直流電路の負側、または正側と負側の両方に挿入することもできる。

以上説明したように、本発明によれば、直流遮断器の回路規模が小さくなり、短絡電流を高速に遮断することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、設計または製造上の都合やその他の要因によって必要となる様々な修正や組み合わせは、請求項に記載されている発明や発明の実施形態に記載されている具体例に対応する発明の範囲に含まれる。

１，２，３…直流遮断器、１０Ａ，１０Ｂ…限流リアクトル、１１，１２…コイル、２０…接点、３０…引外し装置、４０…コア、Ｄ１，Ｄ２…ダイオード、Ｃ１…コンデンサ

Claims (4)

1. 直流電路を開閉する接点と、
   前記直流電路の電流が流れ、通常の動作状態では抵抗が小さくて配線と見なせるコイルを含む限流リアクトルと、
   通常の動作状態において抵抗が大きいトリップコイルを含み、前記コイルの両端に所定の大きさを超える電圧が生じたときに、当該トリップコイルに所定の大きさを超える電流が流れることによって前記接点を開く引外し装置と、
   を備えることを特徴とする直流遮断器。
2. 直列に接続されたコンデンサと前記引外し装置に含まれるトリップコイルの両端が、それぞれ前記限流リアクトルに含まれるコイルの両端に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の直列遮断器。
3. 前記限流リアクトルが、
   磁束を通しやすい材料で作られたコアと、
   前記コアに巻回され、直列に差動接続の向きに接続された２つのコイルと、
   前記２つのコイルのうちの一方のコイルの両端に、前記直流電路の電流が流れる向きに接続された第１のダイオードと、
   を備える、
   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。
4. 前記２つのコイルのうちの他方のコイルの両端に、前記第１のダイオードと逆方向に電流が流れるように接続された第２のダイオードを備えることを特徴とする請求項３に記載の直流遮断器。

Images