JP5965655B2 - 電流遮断回路、送電システム及び電流遮断回路制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電流遮断回路、送電システム及び電流遮断回路制御方法に関する。

大容量の電力を長距離に亘り送電する技術として、高圧直流送電システムがある。従来、高圧直流送電システムには、電流形他励式変換器が用いられていた。電流形他励式変換器を用いた高圧直流送電システムでは、直流送電線路に短絡事故や地絡事故が発生した場合、変換器の制御によって事故で発生した障害の除去が行われていた。

これに対して近年、電流制御特性に優れた電圧形自励式変換器を用いたシステムの導入が始まっている。電圧形自励式変換器を用いた高圧直流送電システムでは、短絡や地絡が発生した際に変換器のみで障害の除去を行うことができない。そこで、交流遮断器などを用いて直流送電システム全体を交流系統から切り離す必要がある。この場合、交換器の停止を伴うため、再度システムを稼動させるのに時間が掛かってしまう。そのため、電圧形自励式変換器を用いた高圧直流送電システムを交流遮断器により停止させる方法は、高い信頼性を要求される場合には好ましくない。そこで、電圧形自励式変換器を用いた高圧直流送電システムでは、事故により発生した障害を除去するため直流遮断回路を併用するなどの対策が望まれる。

高圧直流伝送システムに直流遮断回路を適用する場合、高耐圧と高速性とを兼ね備えた直流遮断回路が求められる。そのため、高耐圧及び高速性を満たす半導体を用いた直流遮断回路の開発が行われている。

図１６は、従来の直流遮断回路の一例を表す回路図である。従来の直流遮断回路の構成は、図１６に示すように、半導体スイッチ６０２、リアクトル６０３、ダイオード６０５、抵抗素子６０６を有する。そして、回路の入力側には直流電流６０１が接続され、出力側には短絡事故などが発生する可能性がある直流線路又は機器などの負荷６０４が配置される。負荷６０４において短絡事故などが発生すると、半導体スイッチ６０２がオフになり、事故電流は、抵抗素子６０６及びダイオード６０５を経由して流れるようになる。抵抗素子６０６リアクトル６０３及び負荷６０４のインダクタンスに蓄積された誘導性エネルギーを消費するため、負荷６０４に流れる電流は徐々に減少し、最終的に流れなくなる。電流が流れなくなることにより、短絡が解消され、事故による障害を除去することができる。

また、直流遮断回路の他の例としては、ダイオードを経由する還流電流を流し続け、回路の寄生抵抗によって直流出力側の誘導性エネルギーを処理する従来技術がある。また、半導体スイッチを複数直列接続し、さらに半導体スイッチと並列にコンデンサ及び抵抗器を接続してスイッチに印加される電圧の均一な分担を実現する従来技術がある。また、複数直列接続した半導体スイッチのゲート電圧を制御することにより、各スイッチに印加される電圧の均一な分担を実現する従来技術がある。

特開昭６２−８１１１６号公報 特開２０１１−１２９３０２号公報 特開昭６０−２９０１７号公報

鈴木俊夫、秦泉寺敏正 著 「半導体しゃ断装置の現状と将来」、電気学会雑誌、Vol.102, No.9, pp.810-817, 1982 G. Botto, M. Carpita, E. Gilardi, and S. Tenconi, ``Series connected soft switched IGBTs for high power, high voltage drives applications: experimental results," Proc. of IEEE Power Electronics Specialists Conference (PESC), vol. 1, pp. 3-7, Jun. 1997. R. Withanage, N. Shammas, S. Tennakoon, ``Series connection of insulated gate bipolar transistors (IGBTs)," European Conference on Power Electronics and Applications (EPE), pp.1-10, 2005.

しかしながら、上述したような従来の直流遮断回路では、適用可能な電圧は半導体スイッチの耐圧によって制約を受ける。高圧直流送電では、直流電圧が１００ｋＶ以上となるが、現在の半導体スイッチの耐性は１０ｋＶより低い。そのため、半導体スイッチの耐性が不足し、従来の直流遮断回路をそのまま高圧直流送電に適用することは困難である。

半導体スイッチの耐圧が不足する場合、従来技術のように２つ以上の半導体スイッチを直列に接続し、各半導体スイッチに印加する電圧を均一に分担することが考えられる。しかし、実際の半導体スイッチの動作特性はスイッチ毎に異なるため、単に直列接続を行うだけでは均一な電圧分担を実現することは困難であり、一部のスイッチに電圧が集中して破壊に至るおそれがある。このように、従来技術を用いた電流遮断回路では、電流遮断時に耐圧を超える電圧のスイッチへの印加を回避することは困難であった。

開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、電流遮断時に耐圧を超える電圧がスイッチに印加されることを回避する電流遮断回路、送電システム及び電流遮断回路制御方法を提供することを目的とする。

本願の開示する電流遮断回路、送電システム及び電流遮断回路制御方法は、一つの態様において、電源は、負荷に給電線を介して給電する。ダイオードは、前記電源の正極と前記負荷とを接続する給電線上の第１接続点、及び前記負荷と前記電源の負極とを接続する前記給電線上の第２接続点で接続され、前記第２接続点から前記第１接続点への方向の電流を通過させる。リアクトルは、前記第１又は第２接続点よりも前記負荷側の前記給電線上に接続される。半導体スイッチである複数の第１スイッチが、前記第１又は第２接続点よりも前記電源側の前記給電線上に直列接続される。電圧制御部は、各前記第１スイッチと並列に接続され、対応する前記第１スイッチにかかる電圧を検出し、各前記第１スイッチにかかる電圧が均一になるように半導体スイッチをオフにする速度を制御する。

本願の開示する電流遮断回路、送電システム及び電流遮断回路制御方法の一つの態様によれば、電流遮断時に耐圧を超える電圧がスイッチに印加されることを回避することができるという効果を奏する。

図１は、実施例１に係る電流遮断回路の回路図である。 図２Ａは、短絡事故発生前の電流の流れを表す図である。 図２Ｂは、短絡発生直後の電流の流れを表す図である。 図２Ｃは、遮断動作開始直後の電流の流れを表す図である。 図２Ｄは、障害の解消処理を行っている場合の電流の流れを表す図である。 図３は、事故電流遮断時のスイッチ制御信号とリアクトル電流の変化を表す図である。 図４は、実施例１に係る電流遮断回路による短絡の除去のフローチャートである。 図５は、実施例１の変形例に係る電流遮断回路の構成図である。 図６は、実施例２に係る電流遮断回路の回路図である。 図７は、実施例３に係る電流遮断回路の回路図である。 図８は、実施例４に係る電流遮断回路の回路図である。 図９は、実施例４に係る電流遮断回路における電流遮断から再閉路までのスイッチの制御信号、給電線の電圧及びリアクトル電流の変化を表す図である。 図１０は、実施例４の変形例に係る電流遮断回路の回路図である。 図１１は、実施例５に係る高圧直流送電システムの構成図である。 図１２は、実験回路の構成図である。 図１３は、直流線路の事故点電圧、事故点電流、コレクタ・エミッタ間電圧及び直流リアクトルの波形を示す図である。 図１４は、図１３の事故前後の波形を拡大した図である。 図１５は、実施例５の変形例に係る高圧直流送電システムの構成図である。 図１６は、従来の直流遮断回路の一例を表す回路図である。

以下に、本願の開示する電流遮断回路、送電システム及び電流遮断回路制御方法の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施例により本願の開示する電流遮断回路、送電システム及び電流遮断回路制御方法が限定されるものではない。

図１は、実施例１に係る電流遮断回路の回路図である。図１に示すように、本実施例に係る電流遮断装置は、直流電源１と負荷５とが給電線２０１及び２０２で接続されている。給電線２０１は、直流電源１の正極と負荷５とを接続する。給電線２０２は、直流電源１の負極と負荷５とを接続する。

さらに、給電線２０１上の接続点２０３と給電線２０２上の接続点２０４とを接続するように、ダイオード６１、ダイオード６２及び抵抗素子７が直列接続されている。抵抗素子７は、通常の抵抗器でよいが、それ以外にも、非線形な抵抗特性を有するバリスタやツェナーダイオードを用いてもよい。また、本実施例では、一例としてダイオード６１及び６２の２つの場合で説明するが、ダイオードの数に特に制限はなく、各ダイオードにかかる電圧が各ダイオードの耐圧を超えないように、ダイオードの数を決めることが好ましい。

接続点２０３と直流電源１の正極との間にスイッチ２１及び２２が直列に接続されている。スイッチ２１及び２２は、高速なターンオフが可能な自己消弧形の電力用半導体デバイスが好ましい。例えば、スイッチ２１及び２２は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＧＴＯ（Gate Turn Off thyristor）又はＭＯＳＥＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）などが好ましい。ただし、スイッチ２１及び２２はこれに限らず、機械式スイッチや機械式スイッチと半導体スイッチとを組み合わせたスイッチなどでもよい。本実施例では、スイッチ２１及び２２としてＩＧＢＴを用いている。また、本実施例では、直流電源１の正極と接続点２０３との間にスイッチ２１及び２２を配置したが、スイッチ２１及び２２は、直流電源１の負極と接続点２０４との間に配置してもよい。また、本実施例では、一例としてスイッチ２１及び２２の２つの場合で説明するが、スイッチの数に特に制限はなく、各スイッチにかかる電圧が各スイッチの耐圧を超えないように、スイッチの数を決めることが好ましい。

そして、スイッチ２１と並列にコンデンサ３１が接続されており、スイッチ２２と並列にコンデンサ３２が接続されている。ここで、コンデンサ３１及び３２は、スイッチ２１及び２２のターンオフ動作のばらつきに対して、充電時間が十分に遅くなるように静電容量を設定することが好ましい。ここで、コンデンサ３１及び３２の静電容量の設定の一例について説明する。

ここでは、一例として以下のように、各部の値を決定する。直流電源１の直流電圧（以下、「Ｖｄｃ」という。）を２５０ｋＶとする。また、直流電源１の直流定格電流（以下、「Ｉｄｃ」という。）を１．２ｋＡとする。また、定格容量（Ｖｄｃ×Ｉｄｃ）を３００ＭＷとする。また、抵抗素子７をバリスタとして、そのバリスタ制限電圧を１０ｋＶとする。さらに、スイッチとして、耐圧６．５ｋＶの半導体スイッチを８０個直列に接続した場合で説明する。

半導体スイッチを８０個直列に接続すると、この場合の１素子の印加電圧は（２５０ｋＶ＋１０ｋＶ）／８０個＝３．２５ｋＶとなる。ここでは、半導体デバイスに印加する電圧は、余裕を持たせて耐圧の半分以下としている。

そして、半導体スイッチのターンオフ時間の差が１μｓｅｃ以内とする。そして、コンデンサによって、半導体スイッチのオフ時のスイッチ両端に印加する電圧の立ち上がり時間を１０μｓｅｃまで遅らせるものとする。

コンデンサの電荷Ｑは、Ｑ＝ＣＶ＝ＩＴという関係を有する。ここで、Ｃはコンデンサの静電容量であり、Ｖはコンデンサ電圧であり、Ｉは充電電流であり、Ｔは充電時間である。そこで、Ｃ＝Ｉｄｃ×Ｔ／Ｖ＝１．２ｋＡ×１０μｓｅｃ／３．２５ｋＶ＝３．７μＦとなる。したがって、この場合、コンデンサには、耐圧３．２５ｋＶ以上、静電容量３．７μＦ前後のものを用いればよい。ここでは、コンデンサは８０個の直列接続となるので、コンデンサ全体では、耐圧は２６０ｋＶ以上となり、合成した静電容量は３．７μＦ／８０個＝４６ｎＦ前後となる。

図１に戻り、さらに、接続点２０３と負荷５との間にリアクトル４が接続されている。

図２Ａは、短絡事故発生前の電流の流れを表す図である。図２Ｂは、短絡発生直後の電流の流れを表す図である。図２Ｃは、遮断動作開始直後の電流の流れを表す図である。図２Ｄは、障害の解消処理を行っている場合の電流の流れを表す図である。すなわち、図２Ａ〜２Ｄは、短絡事故発生から電流を遮断し障害を解消するまでの電流経路の遷移を表している。また、図２では分かり易いように、各図において説明する電流が流れている経路以外の経路を点線で表している。

短絡事故が発生していない場合は、スイッチ２１及び２２は、オンの状態になっている。そこで、図２Ａに示すように、直流電源１の正極から出力された電流は、給電線２０１上のスイッチ２１及び２２を経由してリアクトル４を通過し、負荷５へ供給される。そして、負荷５から出力されえた電流は、給電線２０２を経由して直流電源１の負極に入力される。

短絡が発生していない場合、ダイオード６１及びダイオード６２には常に逆電圧がかかる。そのため、ダイオード６１及びダイオード６２には電流が流れない。これにより、抵抗素子７にも電流は流れない。また、直流電源１からは直流で給電されているため、リアクトル４による力率の低下なども発生しない。すなわち、短絡が発生していない場合には、本実施例に係る電流遮断回路は、ダイオード６１及び６２、並びに抵抗素子７がない場合と同様に動作する。

図２Ｂの負荷５の中に示す矢印が短絡を表している。短絡が発生した直後には、スイッチ２１及び２２は、オンの状態になっている。そのため、電流はスイッチ２１及び２２を通過し、リアクトル４を通過して、短絡箇所から給電線２０２に流れ、直流電源１の負極に入力される。そして、このような短絡が発生すると、過電流が給電線２０１及び２０２を流れる。

短絡発生直後には、リアクトル４には直流電圧が印加され、給電線２０１を流れる電流が増加する。この場合、リアクトル４のインダクタンスに対応して、電流の増加が抑制される。これにより、スイッチ２１及び２２に流れる電流の急上昇を回避することができる。

ここで、リアクトル４のリアクトル電流の増加、又はスイッチ２１及び２２に流れる電流の増加から短絡事故を検出する。図１、図２Ａ〜２Ｄには、電流の計測器が図示されていないが、実際には、短絡事故を検出するための電流の計測器が、リアクトル４又はスイッチ２１及び２２に配置されている。短絡事故が検出されると、スイッチ２１及び２２は、ターンオフされる。図１、図２Ａ〜２Ｄには、スイッチ２１及び２２の制御部を記載していないが実際には、スイッチ２１及び２２のオン／オフの制御を行う制御部が配置されている。

スイッチ２１及び２２がターンオフされると、図２Ｃで表される状態になる。すなわち、直流電源１の正極から出力された電流は、コンデンサ３１及び３２を経由し、リアクトル４を通過して、短絡箇所から給電線２０２に流れ、直流電源１の負極に入力される。

このとき、コンデンサ３１及び３２が充電される。そして、コンデンサ３１及び３２に蓄えられた電荷に応じて、スイッチ２１及び２２の印加電圧が緩やかに上昇する。ここで、上述したように、コンデンサ３１及び３２の静電容量は、スイッチ２１及び２２のターンオフ動作のばらつきに対して、充電時間が十分に遅くなるように設定されている。これにより、スイッチ２１及び２２のターンオフの過度時において、スイッチ２１及び２２に係る電圧、すなわち分担電圧を耐圧より低く抑えることができる。コンデンサ３１及び３２が充電されている間に、スイッチ２１及び２２のターンオフが完了する。

その後、コンデンサ３１及び３２が直流電圧まで充電されると、図２Ｄに示すように、電流はダイオード６１及び６２を通過するように転流する。このとき、抵抗素子７によって、リアクトル４には逆電圧が印加される。これにより負荷５に流れる電流は減少していき、最終的に電流が流れなくなる。短絡事故がアークによって継続している場合には、電流が０になるとアークが消弧し、短絡が解消される。

図３は、事故電流遮断時のスイッチ制御信号とリアクトル電流の変化を表す図である。ここで、図３を参照して、短絡発生から電流遮断までのリアクトル電流の変化を説明する。グラフ３０１は、スイッチ制御信号の時間変化を表している。グラフ３０１の縦軸は制御信号のオン／オフを表しており、横軸は時間経過を表している。グラフ３０１では、信号がＨｉｇｈのときスイッチ２１及び２２がオンになり、信号がＬｏｗのときスイッチ２１及び２２がオフになる。また、グラフ３０２は、リアクトル電流の時間変化を表している。グラフ３０２の縦軸はリアクトル４に流れるリアクトル電流を表している。また、グラフ３０２Ａは、抵抗素子７がバリスタの場合を表しており、グラフ３０２Ｂは、抵抗素子７が抵抗器の場合を表している。

図３の時刻０で短絡が発生する。すなわち、ｔ＜０の期間における電流は、図２Ａで表される流れになっている。

短絡により、過電流が流れるため、０≦ｔ＜ｔ_１の間では、リアクトル４のリアクトル電流は増加する。０≦ｔ＜ｔ_１の期間における電流は、図２Ｂで表される流れになっている。

そして、時刻ｔ_１で短絡が検出され、グラフ３０１のようにスイッチ制御信号がオンからオフに変化し、スイッチ２１及び２２がターンオフされる。その後、コンデンサ３１及び３２が充電される。そして、時刻ｔ_２において、コンデンサ３１及び３２に蓄えられた電荷が、直流電圧と一致する。ｔ_１≦ｔ＜ｔ_２の期間における電流は、図２Ｃで表される流れになっている。コンデンサ３１及び３２が充電されている間に、スイッチ２１及び２２のターンオフが完了する。

コンデンサ３１及び３２が直流電圧まで充電されると、ダイオード６１及び６２を経由して電流が流れる。その後、抵抗素子７によってリアクトル４に逆電圧が印加され、リアクトル電流が減少していく。そして、抵抗素子７が抵抗器の場合には、グラフ３０２Ｂに示すように時刻ｔ_３でリアクトル電流は０になる。電流が流れなくなることにより、短絡が解消される。ｔ_２≦ｔ＜ｔ_３における電流は、図２Ｄで表される流れになっている。ここで、抵抗素子７をバリスタにした場合、抵抗素子７の両端に発生する電圧をほぼ一定に保つことができる。すなわち、抵抗素子７をバリスタにした場合、グラフ３０２に示すように、リアクトル電流の変化を一次関数的にすることができる。そして、スイッチ２１及び２２には、入力側の直流電圧と抵抗素子７の電圧の和が印加される。したがって、バリスタを使用して抵抗素子７の電圧を一定にすることにより、スイッチ２１及び２２に印加される電圧を一定に保持することができ、スイッチ２１及び２２に対する電圧のピーク値を低減することができる。すなわち、スイッチ２１及び２２に、耐圧を超える電圧が印加されることを回避することができる。

次に、図４を参照して、本実施例に係る電流遮断回路による短絡の除去の流れを説明する。図４は、実施例１に係る電流遮断回路による短絡の除去のフローチャートである。

短絡事故の発生前、直流電源１の正極から出力された電流が負荷５に対して入力され、負荷５から出力された電流が直流電源１の負極に入力されることで、負荷に対する給電が行われる（ステップＳ１）。

負荷５において短絡事故が発生する（ステップＳ２）。

短絡により、過電流が流れ、スイッチ２１及び２２に流れる電流又はリアクトル電流の増加により短絡を検知し、スイッチ２１及び２２のターンオフを開始する。そして、スイッチ２１及び２２がターンオフすることで、コンデンサ３１及び３２に電流が流れ、充電が開始される（ステップＳ３）。

スイッチ２１及び２２には、それぞれコンデンサ３１及び３２に蓄えられた電荷に応じて電圧が印加される（ステップＳ４）。

スイッチ２１及び２２のターンオフが完了し、コンデンサ３１及び３２が直流電圧まで充電される（ステップＳ５）。

電流が、ダイオード６１及び６２を経由して流れる（ステップＳ６）。

抵抗素子７によってリアクトル４に逆電圧が印加され、負荷５に流れる電流が減少していく（ステップＳ７）。

負荷５に電流が流れなくなり、負荷５における短絡が除去される（ステップＳ８）。

以上に説明したように、本実施例に係る電流遮断回路は、負荷に流れる電流を遮断するためにスイッチをターンオフした場合に、スイッチに並列に接続したコンデンサへの充電が行われる。これにより、スイッチのターンオフの動作のばらつきに関わらず、各スイッチに印加される電圧をスイッチの耐圧以下に抑えることができる。したがって、本実施例に係る電流遮断回路によれば、電流遮断時に各スイッチに対する電圧の均一な分担が行え、スイッチの耐圧を超える電圧がスイッチに印加されることを回避できる。すなわち、電流遮断回路設置における、スイッチの耐圧による制約を軽減することができる。

（変形例）
次に、実施例１に係る電流遮断回路の変形例について説明する。本変形例は、スイッチのターンオフ時における、スイッチにかかる電圧の制御を電圧分担制御装置によって行うことが実施例１と異なるものである。この変形例では、スイッチ２１及び２２は、半導体スイッチを用いる。

図５は、実施例１の変形例に係る電流遮断回路の構成図である。図５に示すように、本変形例に係る電流遮断回路は、電圧センサー３３及び３４、電圧分担制御装置３５、並びに、ゲート駆動回路３６及び３７を有している。

電圧センサー３３は、スイッチ２１のコレクタとエミッタとの間の電圧を検出する。電圧センサー３４は、スイッチ２２のコレクタとエミッタとの間の電圧を検出する。

電圧分担制御装置３５は、スイッチ２１及び２２の電圧を、電圧センサー３３及び３４から取得する。そして、電圧分担制御装置３５は、スイッチ２１及び２２の電圧が等しくなるように、ゲート駆動回路３６及びゲート駆動回路３７を制御する。具体的には、スイッチ２１及び２２のうち電圧が高い側のオフにするスピードを遅らすように、ゲート駆動回路３６及び３７のゲート電圧を調整する。これにより、スイッチ２１及び２２のコレクタとエミッタとの間の電圧を調整でき、スイッチ２１及び２２の電圧が等しくすることができる。

ゲート駆動回路３６は、電圧分担制御装置３５から指示されたゲート電圧をスイッチ２１に印加してスイッチ２１をオフにする。ゲート駆動回路３７は、電圧分担制御装置３５から指示されたゲート電圧をスイッチ２２に印加してスイッチ２１をオフにする。

以上に説明したように、本変形例に係る電流遮断回路は、各スイッチのコレクタとエミッタとの間の電圧が等しくなるように、ゲート電圧を制御する。これにより、電流遮断時に各スイッチに対する電圧の均一な分担をより正確に行え、スイッチの耐圧を超える電圧がスイッチに印加されることを回避できる。

次に、実施例２に係る電流遮断回路ついて説明する。図６は、実施例２に係る電流遮断回路の回路図である。本実施例に係る電流遮断回路は、実施例１の電流遮断回路に分圧抵抗８１、分圧抵抗８２及びスイッチ８３をさらに加えた構成である。

分圧抵抗８１は、スイッチ２１及びコンデンサ３１と並列に接続されている。また、分圧抵抗８２は、スイッチ２２及びコンデンサ３２と並列に接続されている。分圧抵抗８１及び８２の抵抗値は、スイッチ２１及び２２がオフの間に流す漏れ電流よりも分圧抵抗８１及び８２に流れる電流が十分大きくなるように設定する。

スイッチ８３は、ダイオード６１及び６２と並列に接続されている。そして、スイッチ２１及び２２がオフになると、スイッチ８３がオンになる。

スイッチ２１及び２２がオフの状態では、直流電源１の正極から出力された電流は、分圧抵抗８１及び８２を経由し、その後、スイッチ８３及び抵抗素子７を経由して直流電源１の負極に入力される。

これにより、スイッチ２１及び２２の漏れ電流に差が存在しても、スイッチ２１及び２２がオフの期間中は分圧抵抗８１及び８２を電流が流れるため、スイッチ２１及び２２の電圧の分担を等しく保つことができる。

以上に説明したように、本実施例に係る電流遮断回路は、スイッチがオフの期間中に分圧抵抗８１及び８２に電流を流すことができる。これにより、スイッチがオフの期間中にも各スイッチの電圧の分担を均一にすることができ、スイッチの耐圧を超えた電圧が印加されることを回避できる。

次に、実施例３に係る電流遮断回路ついて説明する。図７は、実施例３に係る電流遮断回路の回路図である。本実施例に係る電流遮断回路は、実施例２の電流遮断回路のスイッチ８３に変えて、分圧抵抗９１及び分圧抵抗９２を加えた構成である。

分圧抵抗９１は、ダイオード６１と並列に接続されている。また、分圧抵抗９２は、ダイオード６２と並列に接続されている。分圧抵抗９１及び９２の抵抗値は、ダイオード６１及び６２がオフ状態となる期間中に流す漏れ電流よりも分圧抵抗８１及び８２に流れる電流が十分大きくなるように設定する。

ダイオード６１及び６２がオフの状態、すなわち直流電源１から負荷５に給電が行われている状態では、直流電源１から出力された電流は、リアクトル４に流れる電流と分圧抵抗９１及び９２に流れる電流に分岐する。リアクトル４に流れる電流は、負荷５に給電される。一方、分圧抵抗９１及び９２に流れる電流は、抵抗素子７を経由して直流電源１の負極に入力される。

これにより、ダイオード６１及び６２の漏れ電流に差が存在しても、ダイオード６１及び６２がオフの期間中は分圧抵抗９１及び９２を電流が流れるため、ダイオード６１及び６２の電圧の分担を等しく保つことができる。

以上に説明したように、本実施例に係る電流遮断回路は、ダイオードがオフの期間中に分圧抵抗９１及び９２に電流を流すことができる。これにより、ダイオードがオフ状態の期間中にも各ダイオードの電圧の分担を均一にすることができ、ダイオードの耐圧を超えた電圧が印加されることを回避できる。

次に、実施例４に係る電流遮断回路ついて説明する。図８は、実施例４に係る電流遮断回路の回路図である。本実施例に係る電流遮断回路は、実施例３の電流遮断回路に、スイッチ１０１及び１０２をさらに加えた構成である。

スイッチ１０１は、ダイオード６１及び分圧抵抗９１と並列に接続されている。また、スイッチ１０２は、ダイオード６２と並列に接続されている。スイッチ１０１及び１０２は、短絡の発生前にはオフになっている。そして、短絡が発生してダイオード６１及び６２の経路に電流が流れる期間中に、スイッチ１０１及び１０２をオンにする。ここで、スイッチ１０１及び１０２をオンにするタイミングは、ダイオード６１及び６２がオンの状態であればいつでもよく、また、スイッチ１０１とスイッチ１０２との間でオンになるタイミングがずれてもよい。そのため、このスイッチ１０１及び１０２は、半導体スイッチ又は機械式スイッチのいずれでもよい。

スイッチ１０１及び１０２は、微小な導通抵抗または逆阻止特性を持たせることが好ましい。これにより、ダイオード６１及び６２がオンの状態では、負荷５から出力され抵抗素子７を経由した電流のほとんどがダイオード６１及び６２に流れるので、スイッチ１０１及びスイッチ１０２の電流定格を小さくすることができる。その後、短絡箇所の電流が遮断され、ダイオード６１及び６２がオフの状態に遷移すると、分圧抵抗９１及び９２を介して流入する電流は、スイッチ１０１及び１０２を経由して直流電源１の負極に流れる。これにより、負荷５に給電を行う給電線の電圧を０に保つことができる。この状態で、短絡地点のアークが消弧し絶縁が回復されるまでの期間、線路電圧を０に保つ。その後、電流遮断回路を再閉路する場合、まずスイッチ１０１及び１０２をオフにする。このとき、負荷５における短絡が除去されているので、負荷５に給電を行う給電線の電圧が徐々に上昇する。そして、電圧が十分に上昇した後に、スイッチ２１及び２２をターンオンすることで、再閉路が完了する。

なお、スイッチ１０１及び１０２をオフにしたときに、負荷５における短絡が除去されていなければ、負荷５に給電を行う給電線の電圧が上昇しない。この場合、給電線の電圧が上昇しないことを検出して、再閉路動作を中止することで、再び短絡箇所を経由して電流が流れることを防止できる。

次に、図９を参照して、実施例４に係る電流遮断回路における電流遮断から再閉路までのスイッチの制御信号、給電線の電圧及びリアクトル電流の変化について説明する。図９は、実施例４に係る電流遮断回路における電流遮断から再閉路までのスイッチの制御信号、給電線の電圧及びリアクトル電流の変化を表す図である。

グラフ４０１は、スイッチ２１及び２２の制御信号の時間変化を表している。グラフ４０２は、スイッチ１０１及び１０２の制御信号の時間変化を表している。グラフ４０１及び４０２の縦軸はスイッチ制御信号のオン／オフを表し、横軸は時間の経過を表している。グラフ４０３は、給電線の電圧の時間変化を表している。グラフ４０３の縦軸は電圧値を表し、横軸は時間経過を表している。グラフ４０４は、リアクトル電流の時間変化を表している。グラフ４０４の縦軸は電流値を表し、横軸は時間経過を表している。

図９では、時刻０に短絡が発生している。このとき、短絡により、グラフ４０３に示すように給電線における電圧が０になる。その後、短絡により過電流が流れ、グラフ４０４に示すようにリアクトル電流が上昇する。

そして、時刻ｔ_１で、電流の上昇が検出され、グラフ４０１に示すように電流を遮断するスイッチ２１及び２２のターンオフが開始する。このとき、コンデンサ３１及び３２に対して充電が行われ、スイッチ２１及び２２に印加される電圧が耐圧以下に抑えられる。そして、スイッチ２１及び２２がオフになることで、直流電源１からの電流の負荷５への流れが遮断され、リアクトル４を流れるリアクトル電流が減っていく。

その後、グラフ４０４に示すように、時刻ｔ２でリアクトル電流が０になり、短絡が除去される。この時刻ｔ_１からｔ_２の間に、グラフ４０２に示すように、スイッチ１０１及び１０２はオンの状態になる。これにより、直流電源１から出力され分圧抵抗８１及び８２を介して流入する電流は、スイッチ１０１及び１０２を経由して直流電源１の負極に流れる。これにより、負荷５に給電を行う給電線の電圧を０に保つことができる。この状態で、短絡地点のアークが消弧し絶縁が回復されるまでの期間、グラフ４０３に示すように、線路電圧を０に保つ。

そして、十分時間が経過し絶縁が回復されたタイミングの時刻ｔ_３で、グラフ４０２に示すようにスイッチ１０１及び１０２をオフにする。これにより、グラフ４０３に示すように給電線の電圧が徐々に増加する。

給電線の電圧が十分に増加した後に、グラフ４０１に示すように、時刻ｔ_４でスイッチ２１及び２２をオンにする。これにより、直流電源１から負荷５への給電が再開される。

以上に説明したように、本実施例に係る電流遮断回路は、分圧抵抗８１及び８２から流れてきた電流を負荷５に流さずに、直流電源１に戻すことができる。これにより、リアクトル電流が０になった後も給電線の電圧を０に保つことができ、確実にアークの消弧を行い短絡などの障害を除去することができる。

（変形例）
次に、実施例４の変形例について説明する。図１０は、実施例４の変形例に係る電流遮断回路の回路図である。

図１０に示すように、本変形例に係る電流遮断回路は、実施例４ではダイオード６１及び６２のそれぞれに１つずつ並列に配置していたスイッチ１０１及び１０２に代えて、ダイオード６１及び６２全体と並列に１つのスイッチ１０３を配置したものである。

このように、直列に並んだダイオード全体と並列に１つのスイッチ１０３を配置しても、実施例４と同様に、ダイオードがオンの状態において、給電線の電圧を０に保つことができる。ただし、１つのスイッチにかかる電圧は複数のスイッチを並べた場合に比べて大きくなる。

以上に説明したように、機械式スイッチなどの高耐圧のスイッチを用いることができる場合には、本変形例の構成の方が、実施例４に比べて使用するスイッチの数を削減でき、構成を簡略化することができる。

次に、実施例５として直流遮断回路を用いた高圧直流送電システムについて説明する。図１１は、実施例５に係る高圧直流送電システムの構成図である。図１１に示す高圧直流送電システムは、双方向に送電を行えるように構成されている。

本実施例に係る高圧直流送電システムは、交流系統１２３ａ及び１２３ｂ、変圧器１２２ａ及び１２２ｂ、交直変換器１２１ａ及び１２１ｂ、直流送電線路５ａ及び５ｂを、システムの両側に有する。そして、システムの両側は直流送電線路５ａ及び５ｂで接続されている。さらに、交直変換器１２１ａ及び１２１ｂと直流送電線路５ａ及び５ｂとの間に、それぞれ直流遮断回路を接続する。システムのそれぞれの側に配置された直流遮断回路は同じ構成を有するので、以下では、交直変換器１２１ａに接続された直流遮断回路を例に説明する。

本実施例に係る直流遮断回路は、スイッチ２１ａ及び２２ａ、コンデンサ３１ａ及び３２ａ、分圧抵抗８１ａ及び８２ａ、ダイオード６１ａ及び６２ａ、分圧抵抗９１ａ及び９２ａ、スイッチ１０３ａ、抵抗素子７ａ、並びにリアクトル４ａを有している。本実施例では、抵抗素子７ａとしてバリスタを用いている。さらに、本実施例に係る直流遮断回路は、逆方向に電流を流すようにするためにスイッチ２１ａ及び２２ａと並列にダイオード１１１ａ及び１１２ａを有している。

交流系統１２３ａから送られてきた交流電流は、変圧器１２２ａで送電用の電圧に変換される。交直変換器１２１ａは、変圧器１２２ａで変圧された電流を直流電流に変換する。そして、短絡などの障害が発生していなければ、交直変換器１２１ａから出力された電流は、直流送電線路５ａを経由して、交直変換器１２１ｂにより交流電流に変換される。その後、変圧器１２２ｂで変圧された交流電流は、交流系統１２３ｂへ送られる。ここで、逆の電流の流れも同様であるので、説明は省略する。

直流送電線路５ａ及び５ｂに架空線を用いる場合、落雷などの影響で短絡事故や地絡事故などが発生することがある。このような事故が発生した場合、直流送電線路５ａ及び５ｂにおける短絡などの障害を除去するため、直流遮断回路のスイッチ２１ａ及び２２ａをターンオフする。スイッチ２１ａ及び２２ａには、コンデンサ３１ａ及び３２ａに蓄えられた電荷に対応した電圧が印加されるので、スイッチ２１ａ及び２２ａに耐圧を超える電圧が印加されることは回避される。その後、直流送電線路５ａ及び５ｂを流れる電流は、ダイオード６１ａ及び６２ａを経由して流れることになり、抵抗素子７ａ及びリアクトル４ａによって減少していき最終的に０となる。電圧が下がっている期間に、スイッチ１０３ａがオンになっているので、電流が直流送電線路５ａ及び５ｂに流れない状態が維持される。これによって、直流送電線路５ａ及び５ｂにおける短絡が除去される。その後、スイッチ１０３ａをオフにし、さらにスイッチ２１ａ及び２２ａをオンにすることで送電が再開される。同様に、逆向きの送電システムにおいても遮断処理を行う。

以上に説明したように、本実施例に係る高圧直流送電システムでは、直流送電線路５ａ及び５ｂの両端に直流遮断回路を接続することにより、交直変換器１２１ａ及び１２１ｂから直流送電線路を速やかに分離することができる。これにより、直流送電線路５ａ及び５ｂ以外の部分への事故の波及を阻止することができる。

さらに、実施例５の高圧直流送電システムに対応する実験結果について説明する。図１２は、実験回路の構成図である。この実験では、実施例５の交流系統１２３ａ及び１２３ｂ、変圧器１２２ａ及び１２２ｂ、並びに、交直変換器１２１ａ及び１２１ｂに変えて、直流電源１ａ及び１ｂを用いる。また、直流送電線路５ａ及び５ｂにおける短絡事故を模擬的に発生させるため、短絡事故模擬装置５０を直流送電線路５ａと直流送電線路５ｂとの間に設ける。

実験では、各部の値を以下の値として設定する。直流電源１ａ及び１ｂの直流電源直流電圧として、３６０Ｖとする。また、スイッチの数を２つとする。また、リアクトル４ａ及び４ｂの直流リアクトルを１．５ｍＨとする。また、コンデンサ３１ａ、３２ａ、３１ｂ及び３２ｂの静電容量を０．４７μＦとする。また、分圧抵抗８１ａ、８２ａ、８１ｂ及び８２ｂの抵抗を４７ｋΩとする。また、分圧抵抗９１ａ、９２ａ、９１ｂ及び９２ｂの抵抗を４７０ｋΩとする。また、ダイオード６１ａ、６２ａ、６１ｂ及び６２ｂをツェナーダイオードとし、制限電圧を６．６Ｖとする。そして、直流電源１ａ及び１ｂの間に電流２２Ａを流し、８ｋＷを送電した場合の実験を行った。抵抗素子７ａ及び７ｂにはツェナーダイオードを用いた。また、スイッチ２１ａ、２２ａ、２１ｂ及び２２ｂにはＩＧＢＴを用いた。また、スイッチ１０３ａ及び１０３ｂには、機械リレーのスイッチを用いた。

図１３は、直流線路の事故点電圧（Ｖ_{ｆａｕｌｔ}）、事故点電流（Ｉ_{ｆａｕｌｔ}）、スイッチ（６１ａ、６２ａ、６１ｂ、６２ｂ）のコレクタ・エミッタ間電圧（Ｖ_ＱＡ１、Ｖ_ＱＡ２、Ｖ_ＱＢ１、Ｖ_ＱＢ１）、及び直流リアクトル電流（Ｉ_ｄｃＡ、Ｉ_ｄｃＢ）の波形を示す図である。図１４は、図１３の事故前後の波形を拡大した図である。グラフ５０１は、直流線路の事故点電圧Ｖ_{ｆａｕｌｔ}を表している。グラフ５０１の縦軸は電圧を表し、横軸は時間経過を表している。グラフ５０２は、事故点電流Ｉ_{ｆａｕｌｔ}を表している。グラフ５０２の縦軸は電流を表し、横軸は時間経過を表している。グラフ５０３は、コレクタ・エミッタ間電圧Ｖ_ＱＡ１、Ｖ_ＱＡ２を表している。グラフ５０３の縦軸は電圧を表し、横軸は時間経過を表している。グラフ５０４は、コレクタ・エミッタ間電圧Ｖ_ＱＢ１、Ｖ_ＱＢ２を表している。グラフ５０５の縦軸は電圧を表し、横軸は時間経過を表している。グラフ５０４は、直流リアクトル電流Ｉ_ｄｃＡを表している。グラフ５０５の縦軸は電流を表し、横軸は時間経過を表している。グラフ５０６は、直流リアクトル電流Ｉ_ｄｃＢを表している。グラフ５０６の縦軸は電流を表し、横軸は時間経過を表している。

時刻０において、短絡事故模擬装置５０のスイッチを投入し、短絡事故の発生を模擬する。事故の発生により、グラフ５０１に示すように、Ｖ_{ｆａｕｌｔ}が０まで低下する。これと同時に、リアクトル４ａには直流電源１ａにより電圧が印加され、グラフ５０５に示すようにＩ_ｄｃＡが増加し、グラフ５０６に示すようにＩ_ｄｃＢが減少する。実験では、Ｉ_ｄｃＡ及びＩ_ｄｃＢをセンサで検出し、電流の変化量によって事故の検出を行った。事故の検出後、スイッチ２１ａ、２２ａ、２１ｂ及び２２ｂのゲート信号をオフにした。この際、実験では、スイッチ間の動作時間の差を模擬的に発生させるため、スイッチ２２ａ及び２２ｂには、５００ｎｓｅｃの遅延を与えた。スイッチ２１ａ、２２ａ、２１ｂ及び２２ｂをターンオフすると同時に、コンデンサ３１ａ、３２ａ、３１ｂ及び３２ｂが充電される。コレクタ・エミッタ間電圧Ｖ_ＱＡ１、Ｖ_ＱＡ２は徐々に上昇する。これにより、ゲート信号の遅れによるスイッチ間の動作時間の差の影響は緩和される。ターンオフ直後のスイッチ２１ａとスイッチ２２ａとの電圧差は２８Ｖであり、これは直流電圧の７．８％にあたり、スイッチ間の分圧に大きな偏りは発生していない。また、スイッチ２１ｂ及び２２ｂでは、事故発生時にはダイオード１１１ｂ及び１１２ｂに電流が流れているため、スイッチ間の動作時間の差は影響を与えないので、コレクタ・エミッタ間電圧Ｖ_ＱＢ１、Ｖ_ＱＢ２の波形は一致する。以上のような動作を行うことで、スイッチ２１ａ、２２ａ、２１ｂ及び２２ｂのターンオフ動作までを１５μｓｅｃで行い、事故期間中の電流の増加量を定格の２０％以内に抑制している。

その後、事故電流がダイオード６１ａ、６２ａ、６１ｂ及び６２ｂを流れるようになると、グラフ５０５及び５０６に示すように、直流リアクトル電流Ｉ_ｄｃＡ及びＩ_ｄｃＢは、徐々に減少していく。そして、２ｍｓｅｃ後には、直流リアクトル電流Ｉ_ｄｃＡ及びＩ_ｄｃＢは０になった。

事故点電流Ｉ_{ｆａｕｌｔ}が０になると同時に、短絡事故模擬装置５０のスイッチを開放し、事故電流の経路を切り離して、短絡事故の除去を模擬的に発生させる。スイッチ１０３ａ及び１０３ｂは、機械スイッチであり動作が遅く、事故検出の直後にオンの制御信号を与えているが、実際にオン状態となるのは時刻４．５ｍｓｅｃである。その後、３００ｍｓｅｃの期間において線路電圧を０Ｖに保ち、事故点の消弧時間を確保する。その後、スイッチ１０３ａ及び１０３ｂを開放すると、分圧抵抗９１ａ、９２ａ、９１ｂ及び９２ｂを介して直流線路が再充電される。そして、時刻４００ｍｓｅｃにスイッチ２１ａ、２２ａ、２１ｂ及び２２ｂをターンオンすることで、送電を再開した。

この実験で分かるように、実施例５に係る高圧直流送電システムを用いた場合、短絡などの事故が発生した場合、障害を除去するため直流電流を遮断し、直流送電線路に電流を流さなくして短絡を除去する。そして、その除去の過程において、直流電流の遮断のためのスイッチをオフにしたときに、各スイッチに印加される電圧を抑えることができ、電流遮断時に耐圧を超える電圧がスイッチに印加されることを回避することができる。すなわち、スイッチの耐圧の制約を受けることなく送電システムを構築することができる。

（変形例）
次に、実施例５の変形例について説明する。図１５は、実施例５の変形例に係る高圧直流送電システムの構成図である。

図１５に示すように、単極構成のシステム２つを接続することにより、双極の高圧直流送電システムを構成することもできる。

本変形例では、実施例５の高圧直流送電システムに、さらに、変圧器１２２ｃ及び１２２ｄ、交直変換器１２１ｃ及び１２１ｄ、直流送電線路５ｃを有する。そして、システムの両側は直流送電線路５ａ、５ｂ及び５ｃで接続されている。さらに、交直変換器１２１ｃ及び１２１ｄと直流送電線路５ｂ及び５ｃとの間に、それぞれ直流遮断回路を接続する。この直流遮断回路は、実施例５の直流遮断回路と同様であるので説明を省略する。

このような構成にすることにより、同じ送信電力であっても、直流送電線路５ｂにおいて、交直変換器１２１ａに戻る電流と交直変換器１２１ｃから出力された電流が打ち消しあうので、直流送電線路５ｂを細くすることができる。

また、以上に説明した各実施例では、ダイオード６２と給電線２０２（図１参照）との間に抵抗素子７を配置したが、抵抗素子７の位置はダイオード６１及び６２と直列に配置されていればよい。例えば、抵抗素子７は、ダイオード６１と給電線２０１（図１参照）との間に配置されてもよい。さらに、ダイオード６１及び６２の抵抗により、負荷５に流れる電流を減少させることもできる。この場合、ダイオード６１及びダイオード６２に抵抗値の大きなダイオードを用いることが好ましい。さらに、負荷５に流れる電流を減少させるのにダイオード６１及び６２の抵抗を用いる場合、抵抗素子７を設けなくすることもできる。

１ 直流電源
４ リアクトル
５ 負荷
７ 抵抗素子
２１、２２ スイッチ
３１、３２ コンデンサ
３３、３４ 電圧センサー
３５ 電圧分担制御装置
３６、３７ ゲート駆動回路
６１、６２ ダイオード
８１、８２ 分圧抵抗
８３ スイッチ
９１、９２ 分圧抵抗
１０１、１０２ スイッチ

Claims (9)

1. 負荷に給電線を介して給電する電源と、
   前記電源の正極と前記負荷とを接続する給電線上の第１接続点、及び前記負荷と前記電源の負極とを接続する前記給電線上の第２接続点で接続され、前記第２接続点から前記第１接続点への方向の電流を通過させるダイオードと、
   前記第１又は第２接続点よりも前記負荷側の前記給電線上に接続されたリアクトルと、
   前記第１又は第２接続点よりも前記電源側の前記給電線上に直列接続された半導体スイッチである複数の第１スイッチと、
   各前記第１スイッチと並列に接続され、対応する前記第１スイッチにかかる電圧を検出し、各前記第１スイッチにかかる電圧が均一になるように半導体スイッチをオフにする速度を制御する電圧制御部と
   を備えたことを特徴とする電流遮断回路。
2. 前記第１接続点及び前記第２接続点の間で前記ダイオードと直列に接続された第１抵抗素子をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の電流遮断回路。
3. 前記第１スイッチは、前記第１接続点と前記電源との間の前記給電線上に配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電流遮断回路。
4. 前記電圧制御部は、コンデンサであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の電流遮断回路。
5. 前記第１スイッチ及び前記コンデンサに並列に接続された第２抵抗素子と、
   前記ダイオードに並列に接続された還流経路と
   をさらに備えたことを特徴とする請求項４に記載の電流遮断回路。
6. 前記ダイオードと並列に接続された第３抵抗素子をさらに備えたことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の電流遮断回路。
7. 前記ダイオードと並列に接続された第２スイッチと、
   前記ダイオードに電流が流れ出すと前記第２スイッチをオンにし、前記ダイオードを流れる電流が遮断された後に前記第２スイッチをオフにするスイッチ制御部と
   をさらに備えたことを特徴とする請求項４〜６のいずれか一つに記載の電流遮断回路。
8. 交流電源と、
   交流を直流に変換する第１交直変換器と、
   前記第１交直変換器から出力された電流を直流送電経路へ給電する給電線と、
   前記第１交直変換器の直流側の正極と前記直流送電経路とを接続する給電線上の第１接続点、及び前記直流送電経路と前記第１交直変換器の直流側の負極とを接続する前記給電線上の第２接続点で接続され、前記第２接続点から前記第１接続点への方向の電流を通過させるダイオードと、
   前記第１又は第２接続点よりも前記直流送電経路側の前記給電線上に接続されたリアクトルと、
   前記第１又は第２接続点よりも前記第１交直変換器側の前記給電線上に直列接続された複数の半導体スイッチと、
   各前記半導体スイッチと並列に接続され、対応する前記半導体スイッチにかかる電圧を検出し、各前記半導体スイッチにかかる電圧が均一になるように前記半導体スイッチをオフにする速度を制御する電圧制御部と
   前記直流送電経路から給電された直流電流を交流電流に変換する第２交直変換器と
   を備えたことを特徴とする送電システム。
9. 電源の正極から出力された電流を直列接続された複数の半導体スイッチ及び前記半導体スイッチと直列接続されるリアクトルを介して負荷に給電し、前記負荷から出力された電流を前記電源の負極に入力し、
   前記負荷において短絡が発生した場合、各前記半導体スイッチにかかる電圧を検出し、各前記半導体スイッチにかかる電圧が均一になるように前記半導体スイッチをオフにする速度を制御して、各前記半導体スイッチをオフにするとともに、各前記スイッチと並列に接続されたコンデンサに給電し、
   前記コンデンサが電源の電圧まで充電されると、前記電源の正極と前記負荷とを接続する給電線上の第１接続点と前記負荷と前記電源の負極とを接続する前記給電線上の第２接続点とで接続され、前記第２接続点から前記第１接続点への方向の電流を通過させるダイオードに電流を流し、
   前記負荷に電流が流れなくなり短絡が除去されると、前記半導体スイッチをオンにして、前記電源の正極から出力された電流を前記半導体スイッチ及び前記リアクトルを介して前記負荷に給電、並びに前記負荷から出力された電流の前記電源の負極への入力を再開する
   ことを特徴とする電流遮断方法。

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