JP3965037B2 - 直流用真空遮断装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、直流用真空遮断装置、特に、主として電鉄用の直流電源の、架線の短絡事故時、電源回路を保護に使用する、真空バルブを用いた直流の高速真空遮断装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、従来の直流用高速真空遮断装置を示す。
図６において、転流コンデンサ１，転流スイッチ（サイリスタを使用することが多いので、以後、サイリスタと呼ぶ）２，リアクトルまたは配線の浮遊インダクタンス３が直列に接続された第１の直列接続体と、直流を遮断する真空バルブ４と、この真空バルブに並列に接続され配線のインダクタンスに蓄えられたエネルギーを吸収する非直線抵抗素子５と、リアクトルまたは配線の浮遊インダクタンス６が直列に接続された第２の直列接続体と、第１の直列接続体と第２の直列接続体を並列に接続したものと、補助真空バルブ７を直列に接続している。
【０００３】
図７は従来技術による他の例を示すものである。
サイリスタの代わりに、機械式のスイッチ２’を使用したもので、動作は図６のものと同じである。
【０００４】
次に、図６を用いて真空バルブ４および補助真空バルブ７を通じて流れている主回路電流Ｉを任意のタイミングで遮断する遮断動作について説明する。
転流コンデンサ１には、あらかじめ充電回路（図示せず）によって、図６に示す方向に充電されている。
【０００５】
このとき外部から遮断信号が与えられるか、または異常電流を検出した時、先ず真空バルブ４を開極させる。その直後、サイリスタスイッチ２を投入する。
すると、転流コンデンサ１，真空バルブ４，浮遊インダクタンス６，サイリスタスイッチ２，転流リアクトル３，元の転流コンデンサ１のループで直列共振回路が構成され、転流コンデンサ１に蓄えられた電荷により共振電流が流れる。この電流の最大値は予測される主回路電流の最大値より大きくなるように選ばれている。
【０００６】
真空バルブの開極後、主回路電流はアークとなって流れ続けるが、このとき前記の共振電流が主回路電流に重畳して流れ、共振電流の最大値が主回路電流より大きいため、真空バルブ内の電流がゼロになる瞬間が存在する。
【０００７】
電流がゼロになる瞬間真空バルブ内のアークは消滅し、ギャップには絶縁が回復して電圧が発生する。
電圧は転流コンデンサ１の電圧とほぼ等しくなるが、転流回路のリアクトル３および主回路の電源や負荷に存在する浮遊インダクタンスに蓄えられたエネルギーにより、転流コンデンサ１の電圧を逆方向に充電する。
【０００８】
この電圧がある程度大きくなると、非直線抵抗５に電流が流れ、この電圧は電源電圧より高く選定されているので、主回路電流は減衰してやがて電流ゼロになる。
【０００９】
真空バルブ４は絶縁が回復しているが、サイリスタスイッチ等転流回路を通じて電源側と負荷側にわずかに漏れ電流が流れる恐れがあるので、補助真空バルブ７を設け、切り離しを確実にしている。
【００１０】
図７に示すものは、遮断動作は図２に示すものと同じであるが、振動電流を流すためのスイッチをサイリスタではなく、機械式のスイッチ２’を使用しており、スイッチ入りのタイミングの調整が難しい欠点があるが、遮断終了後、切り状態とすることにより、電源側と負荷側の切り離しができるので、真空バルブと直列にする補助真空バルブが必要ないので、採用されることがある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従来の真空遮断装置は以上のように構成されているので、遮断時の真空バルブ電圧を決める非線形抵抗５の電圧の選定にあたっては直流電源電圧（架線電圧）より高く設定すればよいのであるが、遮断後の転流コンデンサ１の両端電圧は、転流リアクタンスおよび配線の浮遊インダクタンスに貯まったエネルギーがコンデンサに過充電して、この非線形抵抗の電圧より高くなってしまい、コンデンサの最高電圧や、サイリスタの電圧を高く選定しなければならないという問題があった。
【００１２】
この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、転流コンデンサの最高電圧および転流スイッチへの印加電圧を適切に制御でき、しかも、補助真空スイッチからなる補助遮断素子を小形化できる直流用真空遮断装置を得ようとするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
第１の発明に係る直流用真空遮断装置では、互いに直列接続関係にある、転流コンデンサと、サイリスタからなる転流スイッチと、インダクタンス要素と、補助真空バルブからなる補助遮断素子とを含む直列接続体を、真空バルブからなる真空遮断素子と並列接続した直流用真空遮断装置において、所定電圧に充電される前記転流コンデンサおよびサイリスタからなる転流スイッチと並列に、かつ、前記インダクタンス要素および補助真空バルブからなる補助遮断素子と直列に非線形抵抗素子を接続したものである。
【００１４】
第２の発明に係る直流用真空遮断装置では、第１の発明において、前記転流コンデンサについての放電回路を前記転流スイッチを介して形成する放電手段を設けたものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
この発明による実施の形態を図１ないし図５に基づいて説明する。図１は、この発明による実施の形態における回路構成を示す接続図である。図２は、この発明による実施の形態における遮断時の動作を示す波形図である。図３は、この発明による実施の形態における転流コンデンサの充電回路を示す接続図である。図４は、この発明による実施の形態における転流コンデンサの放電回路を示す接続図である。図５は、この発明による実施の形態における充放電制御動作を示すロジック図である。
【００１６】
図１において、転流コンデンサ１とサイリスタ２を接続した直列体と非直線抵抗素子５を並列に接続し、これにリアクトルまたは配線の浮遊インダクタンス３および補助真空バルブ７を直列に接続したものが真空バルブ４に並列接続されている。
【００１７】
次に、動作について説明する。
直流電流を遮断する原理は、先に述べた従来例を示す図６の場合と変わらない。
外部から遮断信号が与えられるか、または異常電流を検出したとき、先ず真空バルブ４を開極させる。その直後、サイリスタスイッチ２を投入する。
すると、転流コンデンサ１，補助真空バルブ７，真空バルブ４，転流リアクトル３，サイリスタスイッチ２，元の転流コンデンサ１のループで直列共振回路が構成され、転流コンデンサ１に蓄えられた電荷により共振電流が流れる。この電流の最大値は予測される主回路電流の最大値より大きくなるように選ばれている。
真空バルブ４の開極後、主回路電流はアークとなって流れ続けるが、このとき前記の共振電流が主回路電流に重畳して流れ、共振電流の最大値が主回路電流より大きいため、真空バルブ４内の電流がゼロになる瞬間が存在する。
【００１８】
電流がゼロになる瞬間、真空バルブ４内のアークは消滅し、ギャップには絶縁が回復して電圧が発生する。
電圧は転流コンデンサ１の電圧とほぼ等しくなるが、転流回路のリアクトル３および、主回路の電源や負荷に存在する浮遊インダクタンス分に蓄えられたエネルギーにより、転流コンデンサ１の電圧を逆方向に充電する。
【００１９】
この電圧がある程度大きくなると、非直線抵抗５に電流が流れ、この非線形抵抗の電圧は電源電圧より高く選定されているので、主回路電流は減衰してやがて電流ゼロとなる。
【００２０】
転流リアクトルや配線のインダクタンスのエネルギーも非線形抵抗５に吸収されるが、非線形抵抗５がサイリスタスイッチ２と転流コンデンサ１の直列体の両端に接続されているので、転流コンデンサ１の両端電圧は非線形抵抗５の電圧値にクランプされ、真空バルブ４の電圧もほぼ同じ電圧値にクランプされる。
【００２１】
真空バルブ４は絶縁が回復しているが、サイリスタスイッチ等転流回路を通じて電源側と負荷側にわずかに漏れ電流が流れる恐れがあるので、補助真空バルブ７を設け、切り離しを確実にしている。
【００２２】
この発明による実施の形態を示す図１の接続によれば、サイリスタスイッチ２と転流コンデンサ１の定格電圧を選定するとき、真空バルブ４に必要な電圧と同じでよく、非線形抵抗５の電圧値によって決まるので最適値に選定ができるため、装置が安価なものとなる。
また、補助真空バルブ７に主回路電流が流れないので補助真空バルブを小型化することができる効果もある。
【００２３】
図２は各部の電流電圧波形を示している。図は短絡事故電流を遮断したときの動作波形である。
時刻ｔ０で短絡事故が発生し、時刻ｔ１で真空バルブが開極を開始、時刻ｔ２で転流回路電流によりバルブ電流がゼロとなり、時刻ｔ３で非線形抵抗に電流が流れはじめ、次第に主回路電流が減少し、時刻ｔ４で主回路電流がゼロとなる。その後転流回路と負荷を通して、振動電流が短時間流れるが、時刻ｔ５で振動電流もなくなり、遮断が完了する。
真空バルブ電圧と転流コンデンサ電圧と非線形抵抗の電圧の値がほぼ同じとなっている。
【００２４】
［充電回路例］
実施の形態では転流コンデンサの充電回路を省略して説明したが、充電電圧は、共振電流のピーク値を一定の精度に保つため、一定の変動幅内にしておくのが望ましい。
図３に充電回路例を示す。交流電源に接続されたトライアック素子を使用したソリッドステートコンタクタ８と、昇圧用変圧器９と整流器１０と転流コンデンサ１と直列に接続された限流抵抗器１１と転流コンデンサの電圧を検出する電圧検出器１２、オンＯＦＦ制御器１３を有し、このコンタクタ８をオン・オフして、コンデンサ電圧を一定の範囲内に制御する。
コンタクタ８は普通の電磁式コンタクタでも原理的には可能であるが、開閉寿命により回数に限界があるので、寿命問題のないソリッドステートコンタクタを使用する。
【００２５】
ここで、オン・オフの制御幅の選定であるが、ソリッドステートコンタクタの入り切りの回数が少なくなるようにするのが望ましいので、通常の電源電圧変動の範囲内ではオンのまま維持するように設定する。
待機中のコンデンサ電圧は電源電圧のピーク値に充電されるので、電源電圧が定格電圧のとき、転流コンデンサが定格直流電圧になるようにトランス電圧を選定する。
【００２６】
コンタクタの制御方法は、例えば、電源変動が±１０％とすれば、１１０％でオフし、９０％でオンとすれば最適である。
すなわち電源が１１０パーセント以上となったときのみコンタクタ切りとなって、コンデンサ電圧の上昇が抑えられ、９０％で再投入され、電源変動が許容値内に下がっておればそのままコンタクタはオン状態で維持される。
このようにすれば、電源変動が異常に上昇したとき以外は不要に入り切りすることはない。
【００２７】
［放電回路例］
図４は転流コンデンサ１の放電回路を示す。
転流コンデンサ１の放電は故障の復旧や日常のメンテナンスのとき、感電防止のために必要である。転流コンデンサ１は遮断のために、一定の電圧を保持して待機している必要があるので、放電のための抵抗を常時接続するのは、無駄な電力を消費することになる。
【００２８】
図４では、放電抵抗１４の片方の端子をコンデンサ１の＋側に、他方をサイリスタ２と転流リアクトル３の接続点に接続する。
このようにしておくと、放電が必要なとき、サイリスタ２を点弧することにより、急速に放電させることができる。遮断するための振動電流が放電電流のために若干減少するが、放電時定数を１秒程度に選んでおけば、振動周期と比べて、１０００倍以上あるので、遮断特性には影響しない。
【００２９】
図５に充放電回路の制御ロジック例を示す。
充電用ソリッドステートコンタクタは充電制御のほかに、遮断器のオン指令との連携、放電回路とのインターロックを持たせている。
放電サイリスタは、本来の遮断指令による転流スイッチとしての役割とメンテナンス時の手動による放電の役割を兼用している。
【００３０】
以上のように、この発明による実施の形態では、安価で、遮断動作が安定し、メンテナンス性に優れた高速真空遮断装置を提供するものである。
【００３１】
この発明による実施の形態によれば、互いに直列接続関係にある、転流コンデンサ１と、サイリスタ２からなる転流スイッチと、リアクトルまたは配線の浮遊インダクタンス３からなるインダクタンス要素と、補助真空バルブ７からなる補助遮断素子とを含む直列接続体を、真空バルブ４からなる真空遮断素子と並列接続した直流用真空遮断装置において、充電回路で構成される充電手段を接続され所定電圧に充電される前記転流コンデンサ１およびサイリスタ２からなる転流スイッチと並列に、かつ、前記リアクトルまたは配線の浮遊インダクタンス３からなるインダクタンス要素および補助真空バルブ７からなる補助遮断素子と直列に非線形抵抗素子５を接続するとともに、前記充電回路で構成される充電手段は、前記転流コンデンサ１の電圧を検出する電圧検出器１２からなる電圧検出手段の検出結果に応じてソリッドステートコンタクタ８により交流電源からの給電をオン・オフ制御し、交流電源からの給電のオン状態で変圧器９および整流器１０ならびに限流抵抗器１１を介し前記転流コンデンサ１に給電して、転流コンデンサ電圧を所定範囲内に制御するようにしたので、転流コンデンサの最高電圧および転流スイッチへの印加電圧を適切に制御できる、安価な直流用真空遮断装置を得ることができる。
【００３２】
また、この発明による実施の形態によれば、互いに直列接続関係にある、転流コンデンサ１と、サイリスタ２からなる転流スイッチと、リアクトルまたは配線の浮遊インダクタンス３からなるインダクタンス要素と、補助真空バルブ７からなる補助遮断素子とを含む直列接続体を、真空バルブ４からなる真空遮断素子と並列接続した直流用真空遮断装置において、充電回路で構成される充電手段を接続され所定電圧に充電される前記転流コンデンサ１およびサイリスタ２からなる転流スイッチと並列に、かつ、前記リアクトルまたは配線の浮遊インダクタンス３からなるインダクタンス要素および補助真空バルブ７からなる補助遮断素子と直列に非線形抵抗素子５を接続するとともに、前記充電回路で構成される充電手段は、前記転流コンデンサ１の電圧を検出する電圧検出器１２からなる電圧検出手段の検出結果に応じてソリッドステートコンタクタ８により交流電源からの給電をオン・オフ制御し、交流電源からの給電のオン状態で変圧器９および整流器１０ならびに限流抵抗器１１を介し前記転流コンデンサ１に給電して、転流コンデンサ電圧を所定範囲内に制御するようにし、かつ、前記転流コンデンサ１についての放電回路を前記サイリスタ２からなるソリッドステートコンタクタで構成される転流スイッチを介して形成する放電抵抗器１４からなる放電手段を設けたので、転流コンデンサの最高電圧および転流スイッチへの印加電圧を適切に制御できるとともに、遮断特性に影響を与えることなくメンテナンス性を改善できる、安価な直流用真空遮断装置を得ることができる。
【００３３】
【発明の効果】
第１の発明によれば、互いに直列接続関係にある、転流コンデンサと、サイリスタからなる転流スイッチと、インダクタンス要素と、補助真空バルブからなる補助遮断素子とを含む直列接続体を、真空バルブからなる真空遮断素子と並列接続した直流用真空遮断装置において、前記転流コンデンサおよびサイリスタからなる転流スイッチと並列に、かつ、前記インダクタンス要素および補助真空バルブからなる補助遮断素子と直列に非線形抵抗素子を接続したので、転流コンデンサの最高電圧および転流スイッチへの印加電圧を適切に選定でき、しかも、補助真空スイッチからなる補助遮断素子を小形化できる直流用真空遮断装置を得ることができる。
【００３４】
第２の発明によれば、第１の発明において、前記転流コンデンサについての放電回路を前記転流スイッチを介して形成する放電手段を設けたので、転流コンデンサの最高電圧および転流スイッチへの印加電圧を適切に選定でき、しかも、補助真空スイッチからなる補助遮断素子を小形化できるとともに、簡潔な構成によりメンテナンス性を改善できる直流用真空遮断装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明による実施の形態における回路構成を示す接続図である。
【図２】 この発明による実施の形態における遮断時の動作を示す波形図である。
【図３】 この発明による実施の形態における転流コンデンサの充電回路を示す接続図である。
【図４】 この発明による実施の形態における転流コンデンサの放電回路を示す接続図である。
【図５】 この発明による実施の形態における充放電制御動作を示すロジック図である。
【図６】 従来技術における回路構成を示す接続図である。
【図７】 従来技術における他の回路構成を示す接続図である。
【符号の説明】
１ 転流コンデンサ、２ サイリスタスイッチ、３ 転流リアクトル、４ 真空バルブ、５ 非線形抵抗、６ 浮遊インダクタンス、７ 補助真空バルブ、８ ソリッドステートコンタクタ、９ 昇圧用変圧器、１０ 整流器、１１ 限流抵抗器、１２ 電圧検出器、１３ オンオフ制御器、１４ 放電抵抗器。

Claims (2)

1. 互いに直列接続関係にある、転流コンデンサと、サイリスタからなる転流スイッチと、インダクタンス要素と、補助真空バルブからなる補助遮断素子とを含む直列接続体を、真空バルブからなる真空遮断素子と並列接続した直流用真空遮断装置において、所定電圧に充電される前記転流コンデンサおよびサイリスタからなる転流スイッチと並列に、かつ、前記インダクタンス要素および補助真空バルブからなる補助遮断素子と直列に非線形抵抗素子を接続したことを特徴とする直流用真空遮断装置。
2. 前記転流コンデンサについての放電回路を前記転流スイッチを介して形成する放電手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の直流用真空遮断装置。

Images