JP6365724B1 - 直流遮断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】直流遮断装置において、確実に双方向の直流電流を遮断する。【解決手段】第１直流系統１の＋端子と第２直流系統２の＋端子との間に機械遮断器ＣＢを接続する。第１直流系統１の＋端子と機械遮断器ＣＢの共通接続点と、第１，第２直流系統１，２の−端子と、の間に第１コンデンサＣ１が接続される。第２直流系統２の＋端子と機械遮断器ＣＢの共通接続点と、第１コンデンサＣ１との間に第１半導体スイッチング素子Ｔ１が接続される。第２直流系統２の＋端子と機械遮断器ＣＢの共通接続点と、第１，第２直流系統１，２の−端子と、の間に第２コンデンサＣ２が接続される。第１直流系統１の＋端子と機械遮断器ＣＢの共通接続点と、第２コンデンサＣ２との間に第２半導体スイッチング素子Ｔ２が接続される。【選択図】図１

Description

本発明は、定常時の電力損失が小さく、双方向の直流電流を遮断できる直流遮断装置に関する。

特許文献１には、従来の直流遮断装置の一例が開示されている。直流電流には交流電流とは異なり零点が生じないため、機械遮断器を開極した際に発生するアークを消弧できないという課題がある。特許文献１は機械遮断器開極時の電流を補助回路に迂回させることで零点を作り出し、アークを消弧する。

特許文献１の直流遮断装置は単方向の電流遮断に対応した構成である。今後は再生可能エネルギーの普及が考えられ、ネットワーク化された直流送配電システムにおいては１本の経路に双方向の電流が流れるケースがあり、双方向の電流遮断技術が必要となる。

特開２０１６−２８３７８号公報

特許文献１における電流を迂回させる補助回路は、できる限り低インピーダンスであることが必要とされる。さもないと、電流が補助回路を通過する際に電圧降下が生じ、電圧降下に等しい電圧が機械遮断器に印加される。その電圧がアーク維持電圧よりも大きいと、アークは消弧されずに電流は開極した機械遮断器を流れ続け、電流遮断に失敗してしまう。

補助回路はコンデンサとダイオードで構成されているが、ダイオードでは通過電流に依存しない一定の電圧降下が生じる。また、このほかにも寄生抵抗や寄生インダクタンス成分がある。特に、インダクタンスは電流変化の傾きに比例した電圧降下が生じるため、大きな電流である短絡電流を迂回させると電圧降下も大きくなる。

図１５に問題となる動作を示す。図１５（ａ）は直流遮断装置から、第２直流系統２の短絡電流を遮断する際に関係する素子のみを抽出し、補助回路に寄生インダクタンスを加えた回路図である。

図１５（ｂ）は補助回路におけるダイオードの電圧降下やインダクタンスを無視した時の各波形を示すタイムチャートである。時刻ｔ１で機械遮断器ＣＢを開極すると、機械遮断器両端電圧Ｖｃｂにはコンデンサ電圧のみが印加され、時刻ｔ１では零である。そのため、アークは発生せず電流はすべて補助回路に迂回され、電流を遮断することができる。

図１５（ｃ）は補助回路におけるダイオードの電圧降下やインダクタンスを考慮したときの各波形を示すタイムチャートである。時刻ｔ１において、機械遮断器両端電圧Ｖｃｂには補助回路のコンデンサ電圧の他にダイオードの電圧降下と寄生インダクタンス電圧の和が印加される。また、寄生インダクタンスにより補助回路電流Ｉａｕｘは有限の傾きで増加し、機械遮断器通過電流Ｉｃｂも同じ傾きで減少する。

時刻ｔ１以降は補助回路電流ＩａｕｘによりコンデンサＣが充電され、機械遮断器両端電圧Ｖｃｂはさらに増加する。ここで、機械遮断器通過電流Ｉｃｂが十分小さくなる前に機械遮断器両端電圧Ｖｃｂがアーク保持電圧を超えてしまうと（図１５では時刻ｔ２）、アークを消弧できなくなり電流は機械遮断器ＣＢを通過し続け、遮断に失敗してしまう。また、高圧系統向けにダイオードＤを複数直列に接続すると、アーク保持電圧を超える危険性が高くなる。

対策として、補助回路のコンデンサ容量を増加する方法がある。しかし、これは図１５において時刻ｔ１以降の機械遮断器両端電圧Ｖｃｂ増加量を低減するだけであり、時刻ｔ１における機械遮断器両端電圧Ｖｃｂ増加を低減する効果はない。また、コンデンサ容量を増加すると、コスト・装置容積が増加してしまう問題点もある。

以上示したようなことから、直流遮断装置において、確実に双方向の直流電流を遮断することが課題となる。

本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、第１直流系統の＋端子と第２直流系統の＋端子との間に接続された機械遮断器と、前記第１直流系統の＋端子と前記機械遮断器の共通接続点と、前記第２直流系統の＋端子と前記機械遮断器の共通接続点と、の間に順次直列接続された第１コンデンサと第１リアクトルと第１半導体スイッチング素子、または、第１リアクトルと第１コンデンサと第１半導体スイッチング素子と、前記第２直流系統の＋端子と前記機械遮断器の共通接続点と、前記第１直流系統の＋端子と前記機械遮断器の共通接続点と、の間に順次直列接続された第２コンデンサと第２リアクトルと第２半導体スイッチング素子、または、第２リアクトルと第２コンデンサと第２半導体スイッチング素子と、前記第１リアクトルと前記第１半導体スイッチング素子の共通接続点、または、前記第１コンデンサと前記第１半導体スイッチング素子の共通接続点と、前記第１、第２直流系統の−端子との間に接続された第１インピーダンスと、前記第２リアクトルと前記第２半導体スイッチング素子の共通接続点、または、前記第２コンデンサと前記第２半導体スイッチング素子の共通接続点と、前記第１、第２直流系統の−端子との間に接続された第２インピーダンスと、を備えたことを特徴とする。

また、その一態様として、前記第１インピーダンスと前記第２インピーダンスは、抵抗であることを特徴とする。

また、その一態様として、前記第１，第２半導体スイッチング素子は自己消弧形素子であり、前記第１，第２半導体スイッチング素子にダイオードが直列接続されたことを特徴とする。

また、他の態様として、前記第１，第２半導体スイッチング素子は、サイリスタであることを特徴とする。

また、その一態様として、前記第１，第２抵抗と前記第１，第２直流系統の−端子との間に接続された第３半導体スイッチング素子を備え、または、前記第１抵抗と前記第１，第２直流系統の−端子との間に接続された第３半導体スイッチング素子と、前記第２抵抗と前記第１，第２直流系統の−端子との間に接続された第４半導体スイッチング素子と、を備えたことを特徴とする。

また、他の態様として、前記第１インピーダンスと前記第２インピーダンスは、第３リアクトルと第４リアクトルであり、前記第３，第４リアクトルと前記第１，第２直流系統の−端子との間に接続された第３半導体スイッチング素子と、または、前記第３リアクトルと前記第１，第２直流系統の−端子との間に接続された第３半導体スイッチング素子と、前記第４リアクトルと前記第１，第２直流系統の−端子との間に接続された第４半導体スイッチング素子と、前記第３リアクトルと前記第３半導体スイッチング素子の共通接続点にアノードが接続され、カソードが前記第１半導体スイッチング素子と前記第２直流系統の＋端子の共通接続点に接続された第１ダイオードと、前記第４リアクトルと前記第４半導体スイッチング素子または前記第３半導体スイッチング素子の共通接続点にアノードが接続され、カソードが前記第２半導体スイッチング素子と前記第１直流系統の＋端子の共通接続点に接続された第２ダイオードと、を備えたことを特徴とする。

また、その一態様として、前記第１，第２半導体スイッチング素子はサイリスタであることを特徴とする。

また、その一態様として、前記第１直流系統から前記第２直流系統に電流が流れており、前記第２直流系統で事故が発生した場合は、前記第２半導体スイッチング素子をＯＮし、前記機械遮断器に流れる電流が所定値以下になった後、前記機械遮断器を遮断し、前記第２直流系統から前記第１直流系統に電流が流れており、前記第１直流系統で事故が発生した場合は、前記第１半導体スイッチング素子をＯＮし、前記機械遮断器に流れる電流が所定値以下になった後、前記機械遮断器を遮断することを特徴とする。

本発明によれば、直流遮断装置において、確実に双方向の直流電流を遮断することが可能となる。

実施形態１における直流遮断装置を示す回路図。 実施形態１における定常状態の直流遮断装置を示す図。 実施形態１における第２直流系統側で事故が発生した場合の直流遮断装置を示す図。 実施形態１におけるアーク遮断後の直流遮断装置を示す図。 実施形態１における第２直流系統を再投入する時の直流遮断装置を示す図。 実施形態１における第２直流系統の短絡電流遮断時の各波形を示すタイムチャート。 実施形態２における直流遮断装置を示す回路図。 実施形態３における直流遮断装置を示す回路図。 実施形態４における直流遮断装置を示す回路図。 実施形態４における第３，第４半導体スイッチング素子ＯＮ時の直流遮断装置を示す図。 実施形態４における第３，第４半導体スイッチング素子ＯＦＦ時の直流遮断装置を示す図。 実施形態４における第２直流系統側で事故が発生した場合の直流遮断装置を示す図。 実施形態４におけるアーク遮断後の直流遮断装置を示す図。 実施形態４における第２直流系統を再投入する時の直流遮断装置を示す図。 従来の直流遮断装置の各波形を示す図。

以下、本願発明における直流遮断装置の実施形態１〜４を図１〜図１４に基づいて詳述する。

［実施形態１］
図１に本実施形態１の主回路構成を示す。図１に示すように、本実施形態１の直流遮断装置３は、機械遮断器ＣＢと、第１，第２半導体スイッチング素子Ｔ１，Ｔ２と、第１，第２ダイオードＤ１，Ｄ２と、第１，第２コンデンサＣ１，Ｃ２と、第１，第２リアクトルＬ１，Ｌ２と、第１，第２抵抗Ｒ１，Ｒ２と、を備える。

第１直流系統１の＋端子と第２直流系統２の＋端子との間に機械遮断器ＣＢが接続される。

第１直流系統１の＋端子と機械遮断器ＣＢの共通接続点と、第１，第２直流系統１，２の−端子との間には、第１コンデンサＣ１，第１リアクトルＬ１，第１抵抗（第１インピーダンス）Ｒ１が順次直列接続される。（第１コンデンサＣ１と第１リアクトルＬ１の接続の順序は逆にしてもよい。）機械遮断器ＣＢと第２直流系統２の＋端子の共通接続点には、第１半導体スイッチング素子Ｔ１の一端が接続される。第１半導体スイッチング素子Ｔ１の他端には第１ダイオードＤ１のアノードが接続される。第１ダイオードＤ１のカソードは、第１リアクトルＬ１と第１抵抗Ｒ１の共通接続点に接続される。

第２直流系統２の＋端子と機械遮断器ＣＢの共通接続点と第１，第２直流系統１，２の−端子との間には、第２コンデンサＣ２，第２リアクトルＬ２，第２抵抗（第２インピーダンス）Ｒ２が順次直列接続される。（第２コンデンサＣ２と第２リアクトルＬ２の接続の順序は逆にしてもよい。）機械遮断器ＣＢと第１直流系統１の＋端子の共通接続点には、第２半導体スイッチング素子Ｔ２の一端が接続される。第２半導体スイッチング素子Ｔ２の他端には第２ダイオードＤ２のアノードが接続される。第２ダイオードＤ２のカソードは、第２リアクトルＬ２と第２抵抗Ｒ２の共通接続点に接続される。

なお、本実施形態１の半導体スイッチング素子Ｔ１，Ｔ２は、自己消弧可能なスイッチング素子とする。図１ではＩＧＢＴとし、第１半導体スイッチング素子Ｔ１のコレクタ端子を第１直流系統１の＋端子と機械遮断器ＣＢの共通接続点に接続する。また、第２半導体スイッチング素子Ｔ２のコレクタ端子を第２直流系統２の＋端子と機械遮断器ＣＢの共通接続点に接続する。また、第１，第２半導体スイッチング素子Ｔ１，Ｔ２のエミッタ端子は、第１，第２ダイオードＤ１，Ｄ２のアノードに接続する。

第１，第２半導体スイッチング素子Ｔ１，Ｔ２，第１，第２ダイオードＤ１，Ｄ２は、リバースブロッキングＩＧＢＴなど逆阻止能力を有する自己消弧可能なスイッチング素子に置き換えてもよい。

次に、本実施形態１における直流遮断装置の動作を説明する。

図２は、本実施形態１の定常状態における直流遮断装置である。定常状態では機械遮断器ＣＢが閉極状態であり、電流は双方向に流れる。このとき、第１コンデンサＣ１には第１リアクトルＬ１→第１抵抗Ｒ１を介して充電電流が流れる。また、第２コンデンサＣ２には第２リアクトルＬ２→第２抵抗Ｒ２を介して充電電流が流れる。

第１，第２コンデンサＣ１，Ｃ２が系統電圧まで充電されると充電電流は零になる。定常時において電流は機械遮断器ＣＢのみを通過するため、電力損失はほとんどない。

図３に、第２直流系統２側で事故が発生した場合における本実施形態１の直流遮断装置３を示す。事故発生時には第２半導体スイッチング素子Ｔ２をＯＮすることで、第２コンデンサＣ２から放電電流が補助回路電流として機械遮断器ＣＢ→第２半導体スイッチング素子Ｔ２→第２ダイオードＤ２→第２リアクトルＬ２を経由して流れる。この補助回路電流により機械遮断器ＣＢを流れる短絡電流を打ち消して電流の零点を作り出し、機械遮断器ＣＢを開極してアークを消弧する。

補助回路電流の大きさは第２リアクトルＬ２，第２コンデンサＣ２で決まる。よって、第２リアクトルＬ２，第２コンデンサＣ２の大きさは、想定される短絡電流の最大値を打ち消すことができるように決定する。

図４にアーク消弧後の本実施形態１の直流遮断装置３を示す。補助回路電流は第２半導体スイッチング素子Ｔ２→第２ダイオードＤ２→第２リアクトルＬ２→第２コンデンサＣ２を経由して流れ、第２コンデンサＣ２を図２とは逆向きに充電する。第２コンデンサＣ２が充電完了すると第２直流系統２側の電流が零になり、電流の遮断が完了する。

このとき、遮断動作には不要な電流が第２半導体スイッチング素子Ｔ２→第２ダイオードＤ２→第２抵抗Ｒ２を介して流れ、損失が発生する。この電流が十分小さくなるよう第２抵抗Ｒ２の抵抗値は大きくする必要がある。これは第１抵抗Ｒ１も同様である。第２コンデンサＣ２の逆充電が完了して、電流の遮断が完了したら、第２半導体スイッチング素子Ｔ２をＯＦＦする。

図５に電流遮断が完了し、第２直流系統２を再投入するときの本実施形態１の直流遮断装置３を示す。機械遮断器ＣＢを閉極すると、電流が機械遮断器ＣＢ→第２コンデンサＣ２→第２リアクトルＬ２→第２抵抗Ｒ２を経由して流れ、逆向きに充電されていた第２コンデンサＣ２を元の向きに充電し直す。充電が完了すると図２の状態に戻り、遮断準備が完了する。

なお、電流の流れる方向や事故発生時の電流値は上位コントローラを用いて監視し、機械遮断器ＣＢの開閉と第１，第２半導体スイッチング素子Ｔ１，Ｔ２のＯＮ，ＯＦＦを行う。

図６に第２直流系統２側の短絡電流を遮断する際の波形を示す。時刻ｔ１で短絡が発生し、機械遮断器通過電流Ｉｃｂが増加する。時刻ｔ２で第２半導体スイッチング素子Ｔ２をＯＮすると、第２コンデンサＣ２から放電電流が補助回路電流Ｉａｕｘとして流れ、機械遮断器通過電流Ｉｃｂを打ち消す。

このとき、補助回路電流Ｉａｕｘは第２コンデンサＣ２，第２リアクトルＬ２により決定する周波数の共振電流となる。共振周波数が高すぎると機械遮断器ＣＢ開極前に共振が終わり機械遮断器通過電流Ｉｃｂが元の大きさに戻ってしまう。また、共振周波数が低すぎると補助回路電流Ｉａｕｘ増加速度よりも短絡による機械遮断器通過電流Ｉｃｂ増加速度の方が大きくなり機械遮断器通過電流Ｉｃｂに零点を作れない。そのため、共振周波数は機械遮断器ＣＢ動作時間と同程度か少し長めに設定する必要がある。

機械遮断器通過電流Ｉｃｂがある程度小さくなったら、機械遮断器ＣＢを開極する。機械遮断器ＣＢを開極するタイミングの決定方法については、以下の２つが考えられる。まず１つめは、電流センサで機械遮断器通過電流Ｉｃｂを検出して検出値が許容値以下の時に開極する方法である。２つめは、第２リアクトルＬ２や第２コンデンサＣ２の値から補助回路電流Ｉａｕｘが最大となる時間を計算してそのタイミングで機械遮断器ＣＢを開極する方法である。

なお、機械遮断器ＣＢが遮断指定を受けてから実際に開極となるまでは時間遅れがある。本明細書で遮断すると記載している場合、実際に開極した時を示すものとする。

図６では時刻ｔ３で機械遮断器ＣＢを開極している。時刻ｔ３では機械遮断器通過電流Ｉｃｂが残っているため多少のアークが発生するが、機械遮断器通過電流Ｉｃｂは補助回路電流Ｉａｕｘにより、その後、零となるため、アークを消弧できる。

その後、第２コンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２は共振電流および短絡電流により逆向きに充電され、マイナスの系統電圧Ｖｄｃに達すると充電が完了し補助回路電流Ｉａｕｘは零になり遮断が完了する。

本実施形態１では、第２直流系統２側で事故が発生した場合の遮断方法を記載したが、第１直流系統１側で事故が発生した場合も同様に遮断が可能である。この場合、第２半導体スイッチング素子Ｔ２ではなく第１半導体スイッチング素子Ｔ１をＯＮすることで、第１コンデンサＣ１の放電電流を用いて機械遮断器ＣＢを通過する短絡電流を打ち消す。

以上示したように、本実施形態１によれば、補助回路のコンデンサ放電電流により機械遮断器通過電流Ｉｃｂに零点を作り、確実に双方向の直流電流を遮断することができる。

さらに、定常時は常に機械遮断器ＣＢを通電するため、電力損失がほとんどない。また、第１，第２半導体スイッチング素子Ｔ１，Ｔ２はＯＮ直後、第１，第２リアクトルＬ１，Ｌ２により零電流から傾きを持って増加するため（図６（ｂ）のＩａｕｘ参照）、ターンＯＮ損失は非常に小さい。さらに、第１，第２半導体スイッチング素子Ｔ１，Ｔ２は短絡電流を遮断せず、第１，第２コンデンサＣ１，Ｃ２の逆充電により短絡電流が零になったところでターンＯＦＦを行うため、ターンＯＦＦ損失もほとんど発生しない。

また、補助回路のコンデンサ容量が小さくてもよく、小型化ができる。また、補助回路の寄生インピーダンス成分の多少の増加を許容できる。また、繰り返し直流電流の遮断及び再投入動作が可能となる。

［実施形態２］
図７に本実施形態２の主回路構成を示す。本実施形態２は、実施形態１の第１，第２半導体スイッチング素子Ｔ１，Ｔ２をサイリスタなどの自己消弧不可能な逆阻止能力を有するスイッチング素子に置き換えたものである。また、実施形態１の第１，第２ダイオードＤ１，Ｄ２を省略している。

本実施形態２の動作は実施形態１と全く同じである。ただし、図４に示すように機械遮断器ＣＢ開極後は第２半導体スイッチング素子Ｔ２をＯＮすることにより不要電流が第２半導体スイッチング素子Ｔ２，第２抵抗Ｒ２を介して流れるため、自己消弧能力がないと第２半導体スイッチング素子Ｔ２を上位コントローラからの指令信号によってＯＦＦすることができない。

しかし、通常のサイリスタはゲート電流が零かつ順方向電流が保持電流未満になるとＯＦＦになる。そこで、第１，第２抵抗Ｒ１，Ｒ２の値を大きくし、第１，第２半導体スイッチング素子Ｔ１，Ｔ２ＯＮ時に第１，第２抵抗Ｒ１，Ｒ２を介して流れる不要電流が保持電流よりも小さくなるようにすれば、第１，第２半導体スイッチング素子Ｔ１，Ｔ２をサイリスタに置き換えることができる。

以上示したように、本実施形態２によれば、実施形態１と同様の作用効果を奏する。また、サイリスタはＩＧＢＴよりも電圧降下が小さく、高耐圧・大電流品も入手が容易である。また、サイリスタはＩＧＢＴよりも耐圧が高い部品があるため、直列接続数もＩＧＢＴよりも少なくてよい。そのため、ＩＧＢＴよりも小型・低コストで高耐圧・大電流化ができ、遮断時の損失・発熱を小さくすることができる。

［実施形態３］
図８に本実施形態３の主回路構成を示す。本実施形態３は、実施形態２の第１，第２抵抗Ｒ１，Ｒ２と第１，第２直流系統１，２の−端子との間に、自己消弧可能な第３半導体スイッチング素子Ｔ３を追加し、不要電流を遮断できるようにしたものである。

以下、本実施形態３における直流遮断装置３の動作を説明する。定常状態では第３半導体スイッチング素子Ｔ３をＯＮし、図２と同じ状態にして第１，第２コンデンサＣ１，Ｃ２を充電する。充電が完了または短絡事故などにより遮断指令が来たら、第３半導体スイッチング素子Ｔ３をＯＦＦにする。

充電完了は、第１，第２コンデンサＣ１，Ｃ２の両端電圧を検出し、系統電圧に等しくなったことを条件とする。または、第１コンデンサＣ１と第１抵抗Ｒ１，第２コンデンサＣ２と第２抵抗Ｒ２の積から時定数を求め、機械遮断器ＣＢ閉極から時定数よりも十分長い時間（例えば、１０倍程度）の経過をもって充電完了と判定してもよい。

アーク消弧後は第３半導体スイッチング素子Ｔ３がＯＦＦであり、図４とは異なり第２半導体スイッチング素子Ｔ２，第２抵抗Ｒ２を経由して流れる不要電流は第３半導体スイッチング素子Ｔ３により遮断される。

以上示したように、本実施形態３によれば、実施形態１，２と同様の作用効果を奏する。また、電流遮断後の損失を零にすることができる。また、第１，第２抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値が小さくても不要電流は流れないため、第１，第２サイリスタＴ１，Ｔ２を確実にＯＦＦすることができる。第１，第２抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値を小さくするメリットとして、図５における系統再投入時の第１，第２コンデンサＣ１，Ｃ２再充電速度が向上する。よって、遮断準備完了までにかかる時間を短縮できる。

なお、第３半導体スイッチング素子Ｔ３を、第１コンデンサＣ１の充電用の半導体スイッチング素子Ｔ３と、第２コンデンサＣ２の充電用の半導体スイッチング素子Ｔ４とに分割してもよい。この場合、第１抵抗Ｒ１と半導体スイッチング素子Ｔ３とを接続する。また、第２抵抗Ｒ２と半導体スイッチング素子Ｔ４とを接続する。また、半導体スイッチング素子Ｔ３と半導体スイッチング素子Ｔ４の上位コントローラからの指令信号は共通化してよい。

［実施形態４］
実施形態１〜３では、あらかじめ補助回路の第１，第２コンデンサＣ１，Ｃ２を充電しておき、コンデンサ放電電流を用いて機械遮断器開極時の電流を打ち消し、零点を作り出してアークを消弧する。しかし、図２に示すように第１，第２コンデンサＣ１，Ｃ２の充電電流は第１，第２抵抗Ｒ１，Ｒ２を介して流れるため、各抵抗に電力損失が発生するという問題がある。

以下、本実施形態４における直流遮断装置３を図９に基づいて説明する。本実施形態４における直流遮断装置３は、機械遮断器ＣＢと、第１，第２コンデンサＣ１，Ｃ２と、第１〜第４半導体スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ４と、第１〜第４リアクトルＬ１〜Ｌ４と、第１，第２ダイオードＤ１，Ｄ２と、を備える。

第１直流系統１の＋端子と第２直流系統２の＋端子との間に機械遮断器ＣＢが接続される。

第１直流系統１の＋端子と機械遮断器ＣＢの共通接続点と、第１，第２直流系統１，２の−端子との間には、第１コンデンサＣ１と、第１リアクトルＬ１と、第３リアクトル（第１インピーダンス）Ｌ３と、自己消弧能力を有する第３半導体スイッチング素子Ｔ３と、が順次直列接続される。（第１コンデンサＣ１と第１リアクトルＬ１の接続の順序は逆にしてもよい。）
図９では第３半導体スイッチング素子Ｔ３はＩＧＢＴとし、コレクタ端子を第３リアクトルＬ３に、エミッタ端子を第１，第２直流系統１，２の−端子側に接続する。

第２直流系統２の＋端子と機械遮断器ＣＢの共通接続点には、逆阻止能力を有する第１半導体スイッチング素子（図９ではサイリスタ）Ｔ１のアノードが接続される。第１半導体スイッチング素子（サイリスタ）Ｔ１のカソードは第１，第３リアクトルＬ１，Ｌ３の共通接続点に接続される。

第３リアクトルＬ３と第３半導体スイッチング素子Ｔ３の共通接続点には、第１ダイオードＤ１のアノードが接続される。第１ダイオードＤ１のカソードは第１半導体スイッチング素子（サイリスタ）Ｔ１と第２直流系統２の＋端子との共通接続点に接続される。

第２直流系統２の＋端子と機械遮断器ＣＢの共通接続点と、第１，第２直流系統１，２の−端子との間には、第２コンデンサＣ２と、第２リアクトルＬ２と、第４リアクトル（第２インピーダンス）Ｌ４と、自己消弧能力を有する第４半導体スイッチング素子Ｔ４と、が順次直列接続される。（第２コンデンサＣ２と第２リアクトルＬ２の接続の順序は逆にしてもよい。）
図９では第４半導体スイッチング素子Ｔ４はＩＧＢＴとし、コレクタ端子を第４リアクトルＬ４に、エミッタ端子を第１，第２直流系統１，２の−端子側に接続する。

第１直流系統１の＋端子と機械遮断器ＣＢの共通接続点には、逆阻止能力を有する第２半導体スイッチング素子（図９ではサイリスタ）Ｔ２のアノードが接続される。第２半導体スイッチング素子（サイリスタ）Ｔ２のカソードは第２，第４リアクトルＬ２，Ｌ４の共通接続点に接続される。

第４リアクトルＬ４と第４半導体スイッチング素子Ｔ４の共通接続点には、第２ダイオードＤ２のアノードが接続される。第２ダイオードＤ２のカソードは第２半導体スイッチング素子（サイリスタ）Ｔ２と第１直流系統１の＋端子の共通接続点に接続される。

第１，第２半導体スイッチング素子Ｔ１，Ｔ２は、自己消弧能力は不要であるが、逆阻止能力は必要である。ＩＧＢＴとダイオードの直列回路やリバースブロッキングＩＧＢＴなど他のスイッチング素子に置き換えてもよい。

以下、本実施形態４における直流遮断装置３の動作を説明する。定常状態では機械遮断器ＣＢが閉極状態であり、電流は双方向に流れる。この定常状態において、第３，第４半導体スイッチング素子Ｔ３，Ｔ４をスイッチングすることで第１，第２コンデンサＣ１，Ｃ２を充電する。

図１０に第３，第４半導体スイッチング素子Ｔ３，Ｔ４をＯＮした時の状態を示す。コンデンサ充電電流は第１コンデンサＣ１→第１リアクトルＬ１→第３リアクトルＬ３→第３半導体スイッチング素子Ｔ３を流れ、第１コンデンサＣ１が充電される。また、同時に、コンデンサ充電電流は第２コンデンサＣ２→第２リアクトルＬ２→第４リアクトルＬ４→第４半導体スイッチング素子Ｔ４を流れ、第２コンデンサＣ２が充電される。

図１１に第３，第４半導体スイッチング素子Ｔ３，Ｔ４をＯＦＦした時の状態を示す。第３半導体スイッチング素子Ｔ３ＯＮ時に第３リアクトルＬ３に蓄えられた磁気エネルギーにより、第１ダイオードＤ１→第１コンデンサＣ１→第１リアクトルＬ１を循環して電流が流れ、第１コンデンサＣ１が充電される。

また、第４半導体スイッチング素子Ｔ４ＯＮ時に第４リアクトルＬ４に蓄えられた磁気エネルギーにより、第２ダイオードＤ２→第２コンデンサＣ２→第２リアクトルＬ２を循環して電流が流れ、第２コンデンサＣ２が充電される。

充電が完了したら、第３，第４半導体スイッチング素子Ｔ３，Ｔ４はＯＦＦ状態を維持する。定常時において電流は機械遮断器ＣＢのみを通過するため、電力損失はほとんどない。

充電完了については、第１，第２コンデンサＣ１，Ｃ２両端の電圧を検出しあらかじめ定めた電圧に達したことをもって判断する。また、他の方法として、第１〜第４リアクトルＬ１〜Ｌ４、第１，第２コンデンサＣ１、Ｃ２の定数より、第１，第２コンデンサＣ１，Ｃ２が充電完了するまでの時間を事前に計算して、その時間に到達したら第３，第４半導体スイッチング素子Ｔ３，Ｔ４をＯＦＦさせてもよい。

図１２に、第２直流系統２側で事故が発生した場合における本実施形態４の直流遮断装置３を示す。事故発生時には第２半導体スイッチング素子Ｔ２をＯＮすることで、第２コンデンサＣ２から放電電流が補助回路電流として機械遮断器ＣＢ→第２半導体スイッチング素子Ｔ２→第２リアクトルＬ２を経由して流れる。この補助回路電流により機械遮断器ＣＢを流れる短絡電流を打ち消して電流の零点を作り出し、機械遮断器ＣＢを開極してアークを消弧する。

図１３にアーク消弧後の本実施形態４の直流遮断装置３を示す。補助回路電流は第２半導体スイッチング素子Ｔ２→第２リアクトルＬ２→第２コンデンサＣ２を経由して流れ、第２コンデンサＣ２を図１０とは逆向きに充電する。第２コンデンサＣ２の充電が完了すると第２直流系統２側の電流が零になり、電流の遮断が完了する。

本実施形態４の直流遮断装置３では、実施形態１，２とは異なり不要電流は流れない。そのため、第２半導体スイッチング素子Ｔ２は自己消弧能力がなくても（保持電流が大きくても）、確実にＯＦＦすることができる。

図１４に電流遮断が完了し、第２直流系統２を再投入するときの本実施形態４の直流遮断装置３を示す。機械遮断器ＣＢを閉極すると、第２コンデンサＣ２→第２リアクトルＬ２→第４リアクトルＬ４→第２ダイオードＤ２→機械遮断器ＣＢの経路で共振回路が形成され、共振電流が流れ、第２コンデンサＣ２は元の向きに再充電される。

第２コンデンサＣ２の充電が完了すると、共振電流は第２ダイオードＤ２によりブロックされ、定常状態に到達し遮断準備が完了する。第２コンデンサＣ２の充電が不完全であれば、第４半導体スイッチング素子Ｔ４をＯＮすることで第２コンデンサＣ２を充電することができる。

なお、電流の流れる方向や事故発生時の電流値は上位コントローラを用いて監視し、機械遮断器ＣＢの開閉と第１，第２半導体スイッチング素子Ｔ１，Ｔ２のＯＮ，ＯＦＦを行う。

本実施形態４では、第２直流系統２側で事故が発生した場合の遮断方法を記載したが、第１直流系統１側で事故が発生した場合も同様に遮断が可能である。この場合、第２半導体スイッチング素子Ｔ２ではなく第１半導体スイッチング素子Ｔ１をＯＮすることで、第１コンデンサＣ１の放電電流を用いて機械遮断器ＣＢを通過する短絡電流を打ち消す。

なお、第３半導体スイッチング素子Ｔ３と半導体スイッチング素子Ｔ４を共通化してもよい。その場合、共通化した半導体スイッチング素子は、図８の第３半導体スイッチング素子Ｔ３と同様の接続構成となる。

本実施形態４は、実施形態１〜３と同様の作用効果を奏する。また、本実施形態４の直流遮断装置３は、コンデンサ充電電流が抵抗を流れず、抵抗による電力損失が発生しないため、充電時の損失を小さくすることができる。

また、系統再投入の際は、機械遮断器ＣＢを閉極するだけで第１，第２コンデンサＣ１，Ｃ２の再充電が完了する。

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

１…第１直流系統
２…第２直流系統
３…直流遮断装置
ＣＢ…機械遮断器
Ｃ１，Ｃ２…第１，第２コンデンサ
Ｔ１〜Ｔ４…第１〜第４半導体スイッチング素子
Ｒ１，Ｒ２…第１，第２抵抗
Ｌ１〜Ｌ４…第１〜第４リアクトル
Ｄ１，Ｄ２…第１，第２ダイオード
Ｉａｕｘ…補助回路電流
Ｉｃｂ…機械遮断器通電電流
Ｖｃｂ…機械遮断器両端電圧

Claims (8)

1. 第１直流系統の＋端子と第２直流系統の＋端子との間に接続された機械遮断器と、
   前記第１直流系統の＋端子と前記機械遮断器の共通接続点と、前記第２直流系統の＋端子と前記機械遮断器の共通接続点と、の間に順次直列接続された第１コンデンサと第１リアクトルと第１半導体スイッチング素子、または、第１リアクトルと第１コンデンサと第１半導体スイッチング素子と、
   前記第２直流系統の＋端子と前記機械遮断器の共通接続点と、前記第１直流系統の＋端子と前記機械遮断器の共通接続点と、の間に順次直列接続された第２コンデンサと第２リアクトルと第２半導体スイッチング素子、または、第２リアクトルと第２コンデンサと第２半導体スイッチング素子と、
   前記第１リアクトルと前記第１半導体スイッチング素子の共通接続点、または、前記第１コンデンサと前記第１半導体スイッチング素子の共通接続点と、前記第１、第２直流系統の−端子との間に接続された第１インピーダンスと、
   前記第２リアクトルと前記第２半導体スイッチング素子の共通接続点、または、前記第２コンデンサと前記第２半導体スイッチング素子の共通接続点と、前記第１、第２直流系統の−端子との間に接続された第２インピーダンスと、
   を備えたことを特徴とする直流遮断装置
2. 前記第１インピーダンスと前記第２インピーダンスは、抵抗であることを特徴とする請求項１記載の直流遮断装置。
3. 前記第１，第２半導体スイッチング素子は自己消弧形素子であり、前記第１，第２半導体スイッチング素子にダイオードが直列接続されたことを特徴とする請求項２記載の直流遮断装置。
4. 前記第１，第２半導体スイッチング素子は、サイリスタであることを特徴とする請求項２記載の直流遮断装置。
5. 前記第１，第２抵抗と前記第１，第２直流系統の−端子との間に接続された第３半導体スイッチング素子を備え、または、前記第１抵抗と前記第１，第２直流系統の−端子との間に接続された第３半導体スイッチング素子と、前記第２抵抗と前記第１，第２直流系統の−端子との間に接続された第４半導体スイッチング素子と、を備えたことを特徴とする請求項４記載の直流遮断装置。
6. 前記第１インピーダンスと前記第２インピーダンスは、第３リアクトルと第４リアクトルであり、
   前記第３，第４リアクトルと前記第１，第２直流系統の−端子との間に接続された第３半導体スイッチング素子と、または、前記第３リアクトルと前記第１，第２直流系統の−端子との間に接続された第３半導体スイッチング素子と、前記第４リアクトルと前記第１，第２直流系統の−端子との間に接続された第４半導体スイッチング素子と、
   前記第３リアクトルと前記第３半導体スイッチング素子の共通接続点にアノードが接続され、カソードが前記第１半導体スイッチング素子と前記第２直流系統の＋端子の共通接続点に接続された第１ダイオードと、
   前記第４リアクトルと前記第４半導体スイッチング素子または前記第３半導体スイッチング素子の共通接続点にアノードが接続され、カソードが前記第２半導体スイッチング素子と前記第１直流系統の＋端子の共通接続点に接続された第２ダイオードと、
   を備えたことを特徴とする請求項１記載の直流遮断装置。
7. 前記第１，第２半導体スイッチング素子はサイリスタであることを特徴とする請求項６記載の直流遮断装置。
8. 前記第１直流系統から前記第２直流系統に電流が流れており、前記第２直流系統で事故が発生した場合は、前記第２半導体スイッチング素子をＯＮし、前記機械遮断器に流れる電流が所定値以下になった後、前記機械遮断器を遮断し、
   前記第２直流系統から前記第１直流系統に電流が流れており、前記第１直流系統で事故が発生した場合は、前記第１半導体スイッチング素子をＯＮし、前記機械遮断器に流れる電流が所定値以下になった後、前記機械遮断器を遮断することを特徴とする請求項１〜７のうち何れかに記載の直流遮断装置。

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