JP6462430B2 - 直流電流遮断装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、３つ以上の直流送電線が電気的に結合される直流送電網の結合点に設けられる直流電流遮断装置に関するものである。

風力発電や太陽光発電、太陽熱発電などの再生可能エネルギーが普及した近年、より大きな電力を再生可能エネルギーで賄うべく、洋上風力発電や、砂漠地帯での太陽光あるいは太陽熱発電等が検討されている。このうち、洋上風力発電においては、洋上で発電された電力を消費地である都市まで海底ケーブルで大電力を送電することが提案されている。

また、砂漠地帯での太陽光あるいは太陽熱発電では、アフリカや中国奥部の砂漠地帯等からヨーロッパや沿岸地帯の大都市等まで、大電力を長距離にわたって高効率に送電することが考えられている。このように、再生可能エネルギーを利用した発電システムを建設した場合、大電力を長距離にわたって、電力消費地まで送電することが多い。

大電力での長距離送電の場合、従来の３相交流による電力送電よりも、直流送電のほうが高効率であり、コストを抑えることが可能になる。そこで現在、交流送電システムに対応した直流送電システムの構築が進められている。

直流送電システムにおいては、発電された交流電力を直流送電用の直流電力に変換するコンバータや、送電されてきた直流電力を電力消費地用の交流電力に変換するインバータなどの電力変換装置が不可欠である。また、交流系統にはコンバータ、インバータのスイッチングに伴う高調波が流出しないように、正弦波に近い電圧波形を出力することができるモジュラーマルチレベル変換器回路などの実用化が進められている。

ところで、交流送電システムにおいては、交流電流が交流周波数５０Hzまたは６０Hzの半サイクルごとにゼロを横切るので、機械接点式の遮断器によって高速に電流遮断を実施することが可能である。これに対して、直流送電システムは、落雷などに起因して系統事故が発生した場合に、事故発生点を高速に送電網から切り離すことが難しいと言える。なぜなら、直流電流はゼロを横切る点がないため、機械接点式の遮断器では電流を高速に遮断することができないからである。

電力送電網を構築する場合、事故発生点を高速に送電網から切り離して健全な送電網だけで運転を継続することが求められるので、事故電流を高速に遮断可能な直流送電網の構築が急務となっている。そこで、直流送電システムにおいては、半導体遮断器により事故電流を遮断することが提案されている。しかしながら、送電線に常に大きな電流が流れることを考えると、大きな半導体導通損失が定常的に消費されてしまうという問題がある。

この問題を解決するために、例えば特許文献１等に開示される直流電流遮断装置が知られている。図１４に示す直流電流遮断装置９では、直流送電網の送電線１１の所要箇所に、機械接点式電流断路器２と補助半導体遮断器４３を直列接続した回路が設けられ、この回路には半導体遮断器４が並列に接続されている。半導体遮断器４にはアレスタ５と半導体スイッチング素子ユニット４１が並列に接続されている。

このような直流電流遮断装置９は、定常動作時には、機械接点式電流断路器２及び補助半導体遮断器４３をオン状態、半導体遮断器４をオフ状態として動作する。このとき、通常の直流電流は、実線で示すように、機械接点式電流断路器２と補助半導体遮断器４３の直列回路を通って流れている。

一方、系統事故発生時には、補助半導体遮断器４３をオフ状態に移行すると同時に、並列接続の半導体遮断器４をオン状態に移行する。これにより、事故電流はすべて並列接続の半導体遮断器４に流れ始める（図１４では点線にて示す）。その後、機械接点式電流断路器２に流れる電流がゼロになった時点で、機械接点式電流断路器２を切り離して絶縁耐圧を確保できるような状態にし、並列接続側の半導体遮断器４をオフ状態に移行することにより事故電流を遮断する。

このような直流電流遮断装置９では、遮断時の絶縁耐圧は機械接点式電流遮断器２により確保されるので、補助半導体遮断器４３に必要な耐圧は小さくてよい。このため、半導体の直列数が少なくて済み、導通損失も小さい。すなわち、直流電流遮断装置９においては、定常動作時の導通損失は補助半導体遮断器４３の導通損失だけとなり、半導体遮断器のみで直流電流遮断装置を構成した場合に比べて、半導体導通損失を低減することができる。

国際公開第２０１１／５７６７５号

直流電流遮断装置には、電流を遮断する半導体遮断器が不可欠であるが、近年では、直流送電システムの大電力化が望まれていることから、半導体遮断器に対しては、より大きな電圧がかかることになり、耐圧性能の向上が要請されている。したがって、半導体遮断器に使用される半導体スイッチング素子数は増加傾向にあり、部品点数が多くなっていた。その結果、直流電流遮断装置のコストが高騰し、且つ大型化を招いていた。

また、直流送電システムには、３本以上の直流送電線が電気的に結合される結合点が存在する。例えば、図１５には、３本の直流送電線１１，１２，１３の結合点ｊを示している。尚、図１５においては直流送電線路の正極線のみを図示しており、負極線は省略している。以後に示す図においても、図１５と同じく正極線のみを示し、負極線は省略するものとする。

結合点ｊにおいては、事故が起きた系統だけを遮断すべく、各直流送電線１１，１２，１３のそれぞれに、直流電流遮断装置９を配置している。このため、直流送電システム全体として見ると、直流電流遮断装置９の配置数は増えざるを得ず、必要とされる半導体スイッチング素子数がますます増大して、コストもサイズも大きくなっていた。したがって、直流電流遮断装置においては、事故電流を高速に遮断することに加えて、コストの低減化及び小型化を図ることが課題となっていた。

本発明の実施形態は、以上の課題を解消するために提案されたものであり、複数の直流送電線の結合点において、事故電流を高速に遮断可能であり、且つ半導体スイッチング素子数を低減して、低コストで小型の直流電流遮断装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の実施形態は、３つ以上の直流送電線が電気的に結合される直流送電網の結合点に設けられる直流電流遮断装置において、次の（１）〜（４）を有している。
（１）各直流送電線の線路上にそれぞれ機械接点式電流断路器を１つ以上備える。
（２）各機械接点式電流断路器から前記結合点とは反対方向に向かって延びる前記直流送電線の線路を反対側線路として、異なる前記機械接点式電流断路器からの前記反対側線路同士を接続する転流回路を備える。
（３）前記転流回路は、半導体スイッチング素子を１個または２個以上直列あるいは並列に接続する事により電流を遮断できる構成とした半導体遮断器を備え、前記機械接点式電流断路器に流れる電流を前記転流回路に転流させる回路である。
（４）結合される直流送電線が２ｎ個の時、ｎ個の前記転流回路を備える。

第１の実施形態の回路構成図。 第１の実施形態におけるＨブリッジユニットの回路構成図。 第１の実施形態の動作を説明するための回路構成図。 第１の実施形態と比較するための回路構成図。 4つの直流送電線の結合点における第２の実施形態の回路構成図。 第３の実施形態の回路構成図。 第３の実施形態におけるハーフブリッジユニットの回路構成図。 第４の実施形態の回路構成図。 第５の実施形態の回路構成図。 第６の実施形態の回路構成図。 第７の実施形態の回路構成図。 第８の実施形態の回路構成図。 他の実施形態の回路構成図。 従来の直流電流遮断装置における回路構成図。 従来の直流電流遮断装置を用いた直流送電線結合部を示す図。

以下、本発明に係る直流電流遮断装置の複数の実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。図１４、図１５にて示した従来例の構成要素と同一の構成要素に関しては同一の符号を付して説明は省略する。また、下記の各実施形態において、同一または相当する構成要素に関しては同一の符号を付す。

（第１の実施形態）
（構成）
図１は、第１の実施形態に係る直流電流遮断装置１０Ａの回路構成図である。図１に示すように結合点ｊでは、少なくとも３つの直流送電線１１，１２，１３が電気的に結合されており、第１の実施形態では、直流送電線１１，１２，１３それぞれの線路上に機械接点式電流断路器２１，２２，２３が設けられている。

各機械接点式電流断路器２１，２２，２３が属する直流送電線１１，１２，１３において、機械接点式電流断路器２１，２２，２３から見て結合点ｊから離れていくように延びる側の線路つまり機械接点式電流断路器２１，２２，２３において結合点ｊの反対側に位置する線路を、反対側線路１１ａ，１２ａ，１３ａとする。

これら反対側線路１１ａ，１２ａ，１３ａのうち、異なる機械接点式電流断路器２１，２２，２３の反対側線路１１ａ，１２ａ，１３ａ同士が転流回路３１，３２により接続されている。ここでは、反対側線路１１ａと反対側線路１２ａが転流回路３１により接続され、反対側線路１２ａと反対側線路１３ａが転流回路３２により接続されている。

転流回路３１，３２はいずれも、半導体遮断器４とＨブリッジ群回路とが直列接続されて構成されている。Ｈブリッジ群回路とは、Ｈブリッジユニット６１の出力端子を２個直列に接続した回路であって、機械接点式電流断路器２１，２２，２３に流れる電流を転流回路３１，３２に対し双方向へ転流させることが可能である。

Ｈブリッジユニット６１の回路構成を図２に示す。図２に示すように、Ｈブリッジユニット６１は、４つの半導体スイッチング素子６１ａとコンデンサ６１ｂにより構成されている。運転時において、Ｈブリッジユニット６１のコンデンサ６１ｂは充電され直流電圧を有している。

図１に示すように、転流回路３１，３２に含まれる半導体遮断器４は、半導体スイッチング素子ユニット４１に、アレスタ５が並列接続されて構成される。半導体スイッチング素子ユニット４１とは、２個の半導体スイッチング素子のエミッタ同士を接続した、双方向の電流遮断が可能なユニットである。このような半導体スイッチング素子ユニット４１と前記Ｈブリッジ群回路とを有することにより、転流回路３１，３２はいずれも、双方向の電流の転流及び遮断が可能な双方向転流回路となっている。

（電流遮断動作）
直流電流遮断装置１０Ａの電流遮断動作について図３を用いて説明する。第１の実施形態において、定常動作時では、全ての機械接点式電流断路器２１，２２，２３を、オン状態（閉極状態）、全ての転流回路３１，３２における半導体遮断器４およびＨブリッジユニット６１を、オフ状態（開極状態）として動作する。そのため、直流送電線１１，１２，１３を流れる電流はそれぞれ、機械接点式電流断路器２１，２２，２３のみを通じて伝送されている。

一方、系統事故が発生した場合、例えば直流送電線１２で事故が発生したとすると、直流送電線１２上に接続された機械接点式電流断路器２２に事故電流ｉｆが流れる。直流送電線１２に接続された転流回路３１の半導体遮断器４は、この事故電流ｉｆを検出すると、オン状態に移行する。と同時に、Ｈブリッジユニット６１は、事故電流ｉｆを検出すると、出力電圧を制御して、転流回路３１に対して電流ｉｃを流す。

電流ｉｃが流れる閉回路には、事故が発生した直流送電線１２に属する機械接点式電流断路器２２が含まれており、電流ｉｃはＨブリッジユニット６１により事故電流ｉｆを打消すよう制御される。そのため、電流ｉｃが流れる閉回路において、機械接点式電流断路器２２に流れる電流にゼロ状態を作り出すことができる。

電流がゼロ状態になれば機械接点式電流断路器２２をオフすることができるので、事故が発生した直流送電線１２に属する機械接点式電流断路器２２をオフ状態に移行する。この時、電流ｉｃは転流回路３１に転流しており、機械接点式電流断路器２２はオフ状態に移行する。その後、電流ｉｃを転流している転流回路３１の半導体遮断器４もまたオフ状態に移行する。半導体遮断器４の両端に発生するエネルギーはアレスタ５で消費される。

このように、第１の実施形態においては、直流送電線１１，１２間に接続した転流回路３１によって機械接点式電流断路器２１，２２に流れる電流を打ち消すように制御して転流させる。また、直流送電線１２，１３間に接続した転流回路３２によって機械接点式電流断路器２２，２３に流れる電流を打ち消すように制御して転流させる。

（作用及び効果）
以上述べたように、第１の実施形態によれば、３つの直流送電線１１,１２,１３の結合点ｊに対して、２個の転流回路３１,３２を接続することにより、３台の機械接点式電流断路器２１，２２，２３の転流が可能である。したがって、３本の直流送電線１１,１２,１３のいずれに事故が起きたとしても、２個の転流回路３１,３２を用いるだけで、事故電流を高速に遮断して、事故が起きた直流送電線１１,１２,１３を迅速に切り離す事が可能である。

また、第１の実施形態では、結合点ｊの直流送電線１１，１２，１３それぞれに転流回路を接続することと比較して、転流回路を１つ分削減する事ができる。つまり、３つの直流送電線１１,１２,１３それぞれに３個の転流回路３１,３２,３３を接続するといった構成（図４に図示）は、必要無くなる。このため、結合される直流送電線が２ｎ＋１本であれば、転流回路はｎ＋１個で済む。例えばｎ＝１で、結合される直流送電線が３本であれば、転流回路は２個で済む。これにより、転流回路に含まれる半導体スイッチング素子数を低減することが可能となり、低コストで小型の直流電流遮断装置１０Ａを得る事が出来る。

（第２の実施形態）
（構成）
図５は、第２の実施形態に係る直流電流遮断装置１０Ｂの回路構成図である。第２の実施形態は、４つの直流送電線の結合部ｊにおける構成例である。この直流電流遮断装置１０Ｂは、４本の直流送電線１１，１２，１３，１４が電気的に結合する結合点ｊにおいて、直流送電線１１，１２，１３，１４それぞれの線路上に機械接点式電流断路器２１，２２，２３，２４が設けられている。

各機械接点式電流断路器２１，２２，２３，２４が属する直流送電線１１，１２，１３，１４において、機械接点式電流断路器２１，２２，２３，２４から見て結合点ｊの反対側に位置する線路を、反対側線路１１ａ，１２ａ，１３ａ，１４ａとする。第２の実施形態では、これら反対側線路１１ａ，１２ａ，１３ａ，１４ａのうち、１１ａと１４ａが転流回路３４により接続され、１２ａと１３ａが転流回路３２により接続されている。

（電流遮断動作）
直流電流遮断動作は、上記第１の実施形態と基本的には同様である。第２の実施形態では、転流回路３２を２つの直流送電線１２及び１３間に渡って接続している。転流回路３２は２つの機械接点式電流断路器２２，２３に流れる電流を打ち消すように制御して転流させる回路である。また、転流回路３４を２つの直流送電線１１及び１４間に渡って接続している。転流回路３４は２つの機械接点式電流断路器２１，２４に流れる電流を打ち消すように制御して転流させる回路である。

（作用及び効果）
すなわち、第２の実施形態の直流電流遮断装置１０Ｂでは、４本の直流送電線１１，１２，１３，１４のいずれかで事故が起きたとしても、転流回路３２，３４が２個だけあれば、事故電流を高速に遮断して事故箇所を切り離す事が可能である。

このように、第２の実施形態においては、結合される直流送電線が２ｎ個である時は、転流回路はｎ個あればよく、４つの直流送電線１１，１２，１３，１４それぞれに個別に転流回路を接続する場合と比較して転流回路の数は直流送電線の本数の半分で済む。例えば、結合される直流送電線が３本から４本に増えたとしても、転流回路の個数は２個のままでよい。したがって、転流回路のさらなる低減に寄与することにでき、直流電流遮断装置１０Ｂの低コスト化及び小型化をいっそう進める事が可能である。

（第３の実施形態）
（構成）
図６は、第３の実施形態に係る直流電流遮断装置１０Ｃの回路構成図である。第３の実施形態は、３つの直流送電線１１，１２，１３の結合点ｊにおいて、機械接点式電流断路器２１，２２，２３及び転流回路３１を備えており、この点では前記第１の実施形態と同様である。

第３の実施形態の特徴は、直流送電線１２，１３において、反対側線路１２ａと反対側線路１３ａを接続する転流回路３２Ａの構成にある。転流回路３２Ａは、ハーフブリッジ群回路と半導体遮断器４とが直列接続されて構成されている。ハーフブリッジ群回路とは、Ｈブリッジユニット６１の代わりにハーフブリッジユニット６２の出力端子を２個直列に接続した回路である。

図７に示すように、ハーフブリッジユニット６２は２つの半導体スイッチング素子６２ａとコンデンサ６２ｂにより構成されている。ハーフブリッジユニット６２からなるハーフブリッジ群回路は、機械接点式電流断路器２３に流れる電流を転流回路３２Ａに転流させる点はＨブリッジ群回路と同じであるが、その転流方向は単一方向のみである。

転流回路３２Ａに含まれる半導体遮断器４は、半導体スイッチング素子ユニット４２に、アレスタ５が並列接続されて構成される。半導体スイッチング素子ユニット４２は、エミッタ同士を接続することなく、単一方向の電流遮断が可能なユニットである。このような半導体スイッチング素子ユニット４２と、前記ハーフブリッジ群回路とを有することで、転流回路３２Ａは、単一方向のみの電流転流及び遮断が可能な単一方向転流回路となっている。

（作用及び効果）
このような第３の実施形態における直流電流遮断動作は、上記第１の実施形態と基本的には同様である。一般に、３つの直流送電線１１，１２，１３の結合点ｊにおいて、全ての直流送電線１１，１２，１３の機械接点式電流断路器２１，２２，２３の遮断に対応するためには、３方向の電流を転流制御する必要がある。

Ｈブリッジ群回路及び半導体スイッチング素子ユニット４１を有する転流回路３１は双方向転流回路なので、当該転流回路３１を含む閉回路中にある２つの機械接点式電流断路器２１，２２に流れるいずれの電流も、転流させる事が出来る。したがって、転流回路３１によって電流の転流がなされない機械接点式断路器は、機械接点式電流断路器２１，２２，２３のうち、残り１つの機械接点式断路器２３だけであり、その転流に必要な転流制御方向は単一方向のみである。

そこで、第３の実施形態では、直流送電線１２と１３を接続する転流回路３２Ａを、単一方向にのみ転流させる回路とすることができる。例えば、結合される直流送電線の本数を２ｎ＋１とする時、双方向転流回路の数をｎとすれば、２ｎ本の直流送電線に属する機械接点式電流断路器の転流をカバーすることができるため、１個の転流回路を単一方向転流回路とすることができる。

以上の第３の実施形態によれば、転流回路を全て双方向転流回路で構成する場合と比較して、単一方向転流回路を１つ使うことができるため、半導体スイッチング素子等の部品点数をさらに低減することができる。これにより、事故電流を高速に遮断可能であり、且つ直流電流遮断装置１０Ｃの低コスト化及び小型化をいっそう進める事が出来る。

（第４の実施形態）
（構成）
図８は、第４の実施形態に係る直流電流遮断装置１０Ｄの回路構成図である。第４の実施形態は、機械接点式電流断路器２１，２２，２３に電流ゼロ状態を作り出す手段として、共振回路７を用いた点に特徴がある。

第４の実施形態では、共振回路７は転流回路３１Ｂ，３２Ｂに組み込まれている。すなわち、転流回路３１Ｂ，３２Ｂは、共振回路７と半導体遮断器４とが直列接続されて構成されている。共振回路７はリアクトル７１とコンデンサ７２からなり、運転時において、共振回路７のコンデンサ７２は充電され直流電圧を有している。

（電流遮断動作）
第４の実施形態において、定常動作時では、全ての機械接点式電流断路器２１，２２，２３をオン状態、全ての転流回路３１Ｂ，３２Ｂにおける半導体遮断器４をオフ状態として動作する。そのため、直流送電線１１，１２，１３を流れる電流はそれぞれ、機械接点式電流断路器２１，２２，２３のみを通じて伝送されている。

一方、系統事故発生時、例えば直流送電線１２で事故が発生すると、直流送電線１２上に接続された機械接点式電流断路器２２には事故電流が流れる。この事故電流を検出すると、直流送電線１２に接続された転流回路３１Ｂの半導体遮断器４は、オン状態に移行する。

これと同時に、転流回路３１Ｂの共振回路７は、機械接点式電流断路器２２に流れる電流に対し共振を印加する。その結果、機械接点式電流断路器２２に流れる電流にゼロ状態を作り出すことができる。このタイミングで機械接点式電流断路器２２はオフ状態に移行する。その後、転流回路３１Ｂの半導体遮断器４もまたオフ状態に移行する。

（作用及び効果）
以上の第４の実施形態では、共振回路７を有する転流回路３１Ｂあるいは３２Ｂを、２つの直流送電線１１，１２間あるいは１２，１３間に渡って接続し、機械接点式電流断路器２１，２２，２３に流れる電流に共振を印加することにより、電流のゼロ状態を作り出す事が可能である。

よって、第４の実施形態においても上記の第１の実施形態と同じく、２個の転流回路３１Ｂ，３２Ｂを直流送電線１１，１２，１３間に接続するだけで、３本の直流送電線１１,１２,１３のいずれで事故が起きたにせよ、事故電流を高速に遮断可能であり、事故が起きた直流送電線１１,１２,１３を素早く切り離す事ができる。また、第４の実施形態によれば、結合点ｊの直流送電線１１，１２，１３それぞれに転流回路を接続することと比べて、転流回路３１Ｂ，３２Ｂの接続数を削減する事が可能であり、直流電流遮断装置１０Ｄの低コスト化及び小型化を図る事が出来る。

しかも、第４の実施形態では、共振回路７によって機械接点式電流断路器２１，２２，２３に流れる電流にゼロ状態を作り出して、機械接点式電流断路器２２をオフ状態に移行させている。したがって、転流回路３１Ｂ，３２ＢにＨブリッジユニットやハーフブリッジユニットを設ける必要が無く、転流回路３１Ｂ，３２Ｂの簡略化を進めることができる。これにより、直流電流遮断装置１０Ｄの低コスト化及び小型化をいっそう進める事が出来る。

（第５の実施形態）
（構成）
図９は、第５の実施形態に係る直流電流遮断装置１０Ｅの回路構成図である。第５の実施形態は、上記第１の実施形態の転流回路３１，３２に代えて、転流回路３１Ｃ，３２Ｃを備えた点に特徴がある。これら転流回路３１Ｃ，３２Ｃは、リアクトル８と、半導体遮断器４の直列接続により構成されている。

転流回路３１Ｃと機械接点式電流断路器２１との間には共振回路７ａが配置され、転流回路３１Ｃと機械接点式電流断路器２２との間には共振回路７ｂが配置され、さらに、転流回路３２Ｃと機械接点式電流断路器２３との間には共振回路７ｃが配置されている。すなわち、第５の実施形態では、共振回路７ａ，７ｂ，７ｃが転流回路３１Ｃ，３２Ｃに含まれるのではなく、それぞれ機械接点式電流断路器２１，２２，２３に対して直列に接続されている。

図９に示すように、共振回路７ａ，７ｂ，７ｃは、コンデンサ７２と半導体スイッチング素子ユニット４１とが直列接続され、それと並列にリアクトル７１が接続されている。これら共振回路７ａ，７ｂ，７ｃは、半導体スイッチング素子４１からなる共振スイッチのオンオフ動作により、共振が機械接点式電流断路器２１，２２，２３の線路に印加される構造となっている。

（電流遮断動作）
第５の実施形態において、定常動作時では、全ての機械接点式電流断路器２１，２２，２３はオン状態、全ての転流回路３１Ｃ，３２Ｃの半導体遮断器４はオフ状態として動作する。また、全ての共振回路７ａ，７ｂ，７ｃの半導体スイッチング素子ユニット４１はオフ状態として動作する。このとき、電流は機械接点式電流断路器２１，２２，２３のみを通じて伝送される。

一方、系統事故が発生した時、例えば直流送電線１２で事故が発生すると、直流送電線１２上に接続された機械接点式電流断路器２２に事故電流が流れる。この事故電流を検出すると、事故電流が流れる機械接点式電流断路器２２に接続された共振回路７ｂの半導体スイッチング素子ユニット４１と、直流送電線１２に接続された転流回路３１Ｃにある半導体遮断器４は、共にオン状態に移行する。

また、共振回路７ｂは共振を機械接点式電流断路器２２に流れる電流に印加すると共に、電流を転流回路３１Ｃに転流させる。その結果、機械接点式電流断路器２に流れる電流にゼロ状態を作り出すことができ、このタイミングで機械接点式電流断路器２はオフ状態に移行する。その後、半導体遮断器４と半導体スイッチング素子ユニット４１もまた、オフ状態に移行する。

（作用及び効果）
以上の第５の実施形態では、前記第４の実施形態と同じく、転流回路３１Ｃあるいは３２Ｃを２つの直流送電線１１，１２間あるいは１２，１３間に渡って接続しており、共振回路７ａ，７ｂ，７ｃが、機械接点式電流断路器２１，２２，２３に電流に共振を印加して、電流のゼロ状態を作り出す事が可能である。

よって、第５の実施形態によれば、第１の実施形態と同じく、２個の転流回路３１Ｃ，３２Ｃだけで事故電流を高速に遮断可能であり、３本の直流送電線１１,１２,１３のいずれも切り離す事ができる。また、半導体スイッチング素子等の部品点数が低減するため、安価でコンパクトな直流電流遮断装置１０Ｅを得ることができる。

しかも、第５の実施形態においては、事故電流路に存在するリアクトルにコンデンサを並列接続する事で共振を発生させるため、共振をコントロールしやすく、信頼性の高い遮断動作が可能である。

（第６の実施形態）
（構成）
図１０は、第６の実施形態に係る直流電流遮断装置１０Ｆの回路構成図である。第６の実施形態は、転流回路側と機械接点式電流断路器側との抵抗の大きさの違いを利用して、機械接点式電流断路器に流れる電流を転流回路に転流させるようにしたものである。

第６の実施形態は、上記第１の実施形態の転流回路３１，３２に代えて、半導体スイッチング素子ユニット４１とアレスタ５を並列接続した転流回路３１Ｄ，３２Ｄを備えている。ここで、半導体スイッチング素子ユニット４１のオン抵抗よりも、機械接点式電流断路器２１，２２，２３に発生するアーク抵抗の方が大きくなるように設定されている。

（電流遮断動作）
第６の実施形態において、定常動作時では、全ての機械接点式電流断路器２１，２２，２３はオン状態、全ての転流回路３１Ｄ，３２Ｄの半導体スイッチング素子ユニット４１はオフ状態として動作する。そのため、直流送電線１１，１２，１３を流れる電流はそれぞれ、機械接点式電流断路器２１，２２，２３のみを通じて伝送されている。

一方、系統事故発生時、例えば直流送電線１２で事故が発生した場合、直流送電線１２上に接続された機械接点式電流断路器２２に事故電流が流れる。直流送電線１２に接続された転流回路３１Ｄのスイッチング素子ユニット４１は、この事故電流を検出すると、オン状態に移行する。

また、事故が発生した直流送電線１２に属する機械接点式電流断路器２２はオフ状態に移行する。オフにした機械接点式電流断路器２２にはアークが発生するが、第６の実施形態では、機械接点式電流断路器２２にて発生するアーク抵抗が、スイッチング素子ユニット４１のオン抵抗よりも大きくなるように設定したので、機械接点式電流断路器２２に流れる電流は、転流回路３１Ｄに転流する。

その結果、機械接点式電流断路器２２に発生したアークは消滅することができ、機械接点式電流断路器２２に流れる電流にゼロ状態を作り出すことができる。その後、転流回路３１Ｄのスイッチング素子ユニット４１もまたオフ状態に移行する。スイッチング素子ユニット４１の両端に発生するエネルギーはアレスタ５で消費される。

（作用及び効果）
以上の第６の実施形態では、前記第４の実施形態等と同じく、３本いずれの直流送電線１１,１２,１３で事故が起きたとしても、２個の転流回路３１Ｄ，３２Ｄだけで事故電流を高速に遮断可能であり、直流送電線１１,１２,１３を切り離す事が可能である。しかも、結合点ｊの直流送電線１１，１２，１３それぞれに転流回路を接続することと比較して、転流回路３１Ｄ，３２Ｄを削減することができる。これにより、半導体スイッチング素子数を低減させることが可能となり、低コストで小型の直流電流遮断装置１０Ｆを得る事が出来る。

さらに、第６の実施形態においては、機械接点式電流断路器２１，２２，２３に発生するアーク抵抗を、半導体スイッチング素子ユニット４１のオン抵抗よりも大きく設定するだけで、転流回路３１Ｄ，３２Ｄへの転流を実現している。このため、転流回路３１Ｄ，３２Ｄは、半導体スイッチング素子ユニット４１とアレスタ５だけから構成することができる。したがって、転流回路３１Ｄ，３２Ｄの構成を大幅に簡略化することができる。よって、いっそう安価でコンパクトな直流電流遮断装置１０Ｆを得ることが可能である。

（第７の実施形態）
（構成）
図１１は、第７の実施形態に係る直流電流遮断装置１０Ｇの回路構成図である。第７の実施形態は、３つの直流送電線１１，１２，１３が電気的に結合する結合点ｊにおいて、直流送電線１１，１２，１３それぞれの線路上に、機械接点式電流断路器２１，２２，２３と補助半導体遮断器４３が直列接続されて構成されている。補助半導体遮断器４３は、エミッタ同士を接続した半導体スイッチング素子ユニットにより、双方向への転流が可能となるように構成されている。

また、直列接続構成の結合点ｊとは反対側の線路１１ａ，１２ａ，１３ａ同士が、転流回路３１Ｄ，３２Ｄにより接続されている。図１１に示すように、反対側線路１１ａ，１２ａ，１３ａのうち、１１ａと１２ａが転流回路３１Ｄにより接続され、１２ａと１３ａが転流回路３２Ｄにより接続されている。

転流回路３１Ｄ，３２Ｄは、半導体スイッチング素子ユニット４１に、アレスタ５が並列接続されて構成される。前述したように半導体スイッチング素子ユニット４１は、２個の半導体スイッチング素子のエミッタ同士を接続した、双方向の電流遮断が可能なユニットである。

（電流遮断動作）
第７の実施形態において、定常動作時では、全ての機械接点式電流断路器２１，２２，２３と補助半導体遮断器４３はオン状態、全ての半導体スイッチングユニット４１はオフ状態として動作する。このとき、電流は機械接点式電流断路器２１，２２，２３と補助半導体遮断器４３を通じて伝送されている。

一方、系統事故発生時、例えば直流送電線１２で事故が発生すると、直流送電線１２上に接続された機械接点式電流断路器２２には事故電流が流れる。直流送電線１２に接続された転流回路３１Ｄの半導体スイッチング素子ユニット４１は、事故電流を検出すると、オン状態に移行する。また、直流送電線１２上の補助半導体遮断器４３は、事故電流を検出すると、オフ状態に移行する。

すると電流は転流回路３１Ｄに転流し、直流送電線１２上の機械接点式電流断路器２２に流れる電流にゼロ状態を作り出すことができる。電流がゼロ状態になれば機械接点式電流断路器２２をオフすることができるので、事故が発生した直流送電線１２に属する機械接点式電流断路器２２はオフ状態に移行する。この後、転流している転流回路３１Ｄの半導体スイッチング素子ユニット４１もまたオフ状態に移行する。半導体スイッチング素子ユニット４１の両端に発生するエネルギーはアレスタ５で消費される。

（作用及び効果）
以上のような第７の実施形態によれば、直流送電線１１，１２，１３それぞれに個別に転流回路を接続する場合と比較して、転流回路を削減する事ができ、ひいては半導体スイッチング素子等の部品点数を低減することができる。したがって、上記の実施形態と同様、低コスト、小型の直流電流遮断装置１０Ｇを得る事が出来る。

さらに、第７の実施形態では、転流回路３１Ｄ，３２Ｄを、半導体スイッチング素子ユニット４１とアレスタ５だけから構成可能なので、転流回路３１Ｄ，３２Ｄの構成をより簡略化することができる。これにより、いっそうのコストの低減化とコンパクト化を図った直流電流遮断装置１０Ｇを提供することができる。

（第８の実施形態）
（構成）
図１２は、第８の実施形態に係る直流電流遮断装置１０Ｈの回路構成図である。第８の実施形態は、上記第７の実施形態の変形例であって、基本的な構成はほぼ同様である。第８の実施形態は、直流送電線１３に、単一方向のみの電流遮断が可能な補助半導体遮断器４４を備えている。また、直流送電線１２と１３間に転流回路３２Ｅを接続している。この転流回路３２Ｅは、半導体スイッチング素子ユニット４２を備えている。半導体スイッチング素子ユニット４２は前述したように、エミッタ同士を接続せず単一方向の電流遮断が可能なユニットである。

（作用及び効果）
３つの直流送電線１１，１２，１３の結合部ｊにおいて、全ての直流送電線１１，１２，１３の機械接点式電流断路器２１，２２，２３の遮断に対応するには、３方向の電流を転流制御する必要がある。双方向の補助半導体遮断器４３は、その転流回路３１Ｄを含む閉回路中にある２つの機械接点式電流断路器２１，２２に流れ、いずれの電流に対しても転流路となる事が出来る。このため、補助半導体遮断器４３による転流路に含まれない機械接点式断路器２３は残り1つであり、その転流に必要な電流方向は単一方向のみである。

よって、第８の実施形態においては、直流送電線１３の補助半導体遮断器４４と、直流送電線１２と１３を接続する転流回路３２Ｅの半導体スイッチング素子ユニット４２を、単一方向の電流遮断が可能なユニットとする事が出来る。例えば、結合される直流送電線の数を２ｎ＋１とする時、双方向の半導体スイッチング素子ユニット４１と双方向の補助半導体遮断器４３の数をｎとすることで、単一方向の半導体スイッチング素子ユニット４２と単一方向の補助半導体遮断器４４をそれぞれ１つずつ備えることができる。

すなわち、第８の実施形態によれば、転流回路及び補助半導体遮断器を全て、双方向転流可能な回路及び機器で構成する場合と比較して、単一方向転流可能な回路及び機器を１つずつ使うことができ、半導体スイッチング素子等の部品点数をさらに低減することができる。これにより、直流電流遮断装置１０Ｈの低コスト化及び小型化をいっそう進める事が出来る。

（他の実施形態）
上記の実施形態は、本明細書において一例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図するものではない。すなわち、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことが可能である。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

例えば、第１の実施形態では、直流送電線１１と１３の間の転流回路３３を省略したが、直流送電線１１，１２，１３は全て等価であるので、直流送電線１１と１３の間の転流回路３３を設け、図４において直流送電線１１と１２の間の転流回路３１、あるいは直流送電線１２と１３の間の転流回路３２を省略しても構わない。

また、半導体遮断器４に含まれる半導体スイッチング素子ユニット４１等は１つとしたが、使用する半導体スイッチング素子の耐圧や、適用する直流送電線の電圧によっては、直列接続して耐圧を高めるようにしてもよい。例えば、複数の半導体スイッチング素子ユニット４１を直列接続する場合は、半導体遮断器４は図１３のように構成される。半導体スイッチング素子ユニット４１の直列数は、使用する半導体スイッチング素子の耐圧と、適用する直流送電線の電圧等により定まることになる。

さらに、第１の実施形態ではＨブリッジユニット６１を複数直列接続したが、Ｈブリッジユニット６１の出力電圧が転流制御に十分な値であれば、１つだけであっても構わない。また、第１の実施形態では半導体スイッチング素子ユニット４１にアレスタ５を並列接続しているが、半導体スイッチング素子ユニット４１をオフにした際のエネルギーが、アレスタ５が不要なほどに低ければ、アレスタ５が無くても構わない。

また、第１の実施形態では２つの転流回路３１，３２をそれぞれ２つの直流送電線１１と１２との間及び直流送電線１２と１３との間に接続したことで、直流送電線１２における転流は、転流回路３１，３２のいずれでも実施可能となっている。そこで、直流送電線１２における転流は、転流回路３１が実施するようにし、転流回路３２は機械接点式電流断路器２３の両端に接続するようにしてもよい。さらに、第１の実施形態では機械接点式電流断路器２は１個であるが、複数直並列接続しても構わない。また、本構成は４つ以上の直流送電線の結合点にも適用できるものである。

また、第３の実施形態ではハーフブリッジユニット６２を複数直列接続しているが、ハーフブリッジユニット６２の出力電圧が転流制御に十分であれば、１つだけでも構わない。更に、第３の実施形態では２つの転流回路がそれぞれ２つの直流送電線間に接続されているが、単一方向の転流回路は機械接点式電流断路器の両端に接続されていてもよい。さらに、第３の実施形態や第８の実施形態では、単一方向転流回路となる転流回路の接続位置を、直流送電線１２と１３間にしたが、直流送電線１１，１２，１３は全て等価なので、他の箇所つまり直流送電線１１と１２間あるいは直流送電線１１と１３間としても構わない。

１１〜１４…直流送電線
１１ａ〜１４ａ…反対側線路
２１〜２４…機械接点式電流断路器
３１〜３４，３２Ａ，３１Ｂ，３２Ｂ，３１Ｃ，３２Ｃ，３１Ｄ，３２Ｄ，３２Ｅ…転流回路
４…半導体遮断器
４１…半導体スイッチング素子ユニット（双方向）
４２…半導体スイッチング素子ユニット（単一方向）
４３…補助半導体遮断器（双方向）
４４…補助半導体遮断器（単一方向）
５…アレスタ
６１…Ｈブリッジユニット
６２…ハーフブリッジユニット
６１ａ，６２ａ…半導体スイッチング素子
６１ｂ，６２ｂ，７２…コンデンサ
７，７ａ〜７ｃ…共振回路
７１，８…リアクトル
９，１０Ａ〜１０Ｈ…直流電流遮断装置
ｊ…結合点

Claims (14)

1. ３つ以上の直流送電線が電気的に結合される直流送電網の結合点に設けられる直流電流遮断装置において、
   各直流送電線の線路上にそれぞれ機械接点式電流断路器を１つ以上備え、
   各機械接点式電流断路器から前記結合点とは反対方向に向かって延びる前記直流送電線の線路を反対側線路として、異なる前記機械接点式電流断路器からの前記反対側線路同士を接続する転流回路を備え、
   前記転流回路は、半導体スイッチング素子を１個または２個以上直列あるいは並列に接続する事により電流を遮断できる構成とした半導体遮断器を備え、前記機械接点式電流断路器に流れる電流を前記転流回路に転流させる回路であり、
   結合される直流送電線が２ｎ個の時、ｎ個の前記転流回路を備える直流電流遮断装置。
2. ３つ以上の直流送電線が電気的に結合される直流送電網の結合点に設けられる直流電流遮断装置において、
   各直流送電線の線路上にそれぞれ機械接点式電流断路器を１つ以上備え、
   各機械接点式電流断路器から前記結合点とは反対方向に向かって延びる前記直流送電線の線路を反対側線路として、異なる前記機械接点式電流断路器からの前記反対側線路同士を接続す一の転流回路と他の転流回路と、を備え、
   前記一の転流回路と他の転流回路は、半導体スイッチング素子を１個または２個以上直列あるいは並列に接続する事により電流を遮断できる構成とした半導体遮断器を備え、前記機械接点式電流断路器に流れる電流を前記転流回路に転流させる回路であり、
   前記一の転流回路は、双方向に転流可能なＨブリッジ群回路を備え、
   前記Ｈブリッジ群回路は、半導体スイッチング素子を直列に２個接続したレグを２つとコンデンサとを並列に接続してなるＨブリッジユニットを１個または２個以上直列接続してなり、
   前記他の転流回路は、単一方向に転流可能なハーフブリッジ群回路を備え、
   前記ハーフブリッジ群回路は、半導体スイッチング素子を直列に２個接続したレグと、コンデンサとを並列に接続してなるハーフブリッジユニットを１個または２個以上直列接続してなる直流電流遮断装置。
3. 定常動作時は、前記機械接点式電流断路器をオン状態、前記半導体遮断器および前記Ｈブリッジ群回路あるいは前記ハーフブリッジ群回路をオフ状態として動作させ、
   系統事故発生時は、前記半導体遮断器をオン状態に移行すると共に、前記Ｈブリッジ群回路あるいは前記ハーフブリッジ群回路の出力電圧制御により、事故が発生した直流送電線に属する前記機械接点式電流断路器に流れる電流にゼロ状態を作り出し、
   電流がゼロ状態になった前記機械接点式電流断路器をオフ状態に移行した後、前記半導体遮断器をオフ状態にする請求項２に記載の直流電流遮断装置。
4. 定常動作時は、前記機械接点式電流断路器をオン状態、前記半導体遮断器をオフ状態として動作させ、
   系統事故発生時は、前記半導体遮断器をオン状態に移行すると共に、前記機械接点式電流断路器に流れる電流を前記転流回路に転流させる事により、事故が発生した直流送電線に属する前記機械接点式電流断路器に流れる電流にゼロ状態を作り出し、
   電流がゼロ状態になった前記機械接点式電流断路器をオフ状態に移行した後、前記半導体遮断器をオフ状態にする請求項１〜３のいずれか１項に記載の直流電流遮断装置。
5. 前記転流回路と前記機械接点式電流断路器を含む電流閉回路内に共振を発生させる共振回路を備え、
   前記共振回路は、リアクトルと、初期充電されたコンデンサを備える請求項１〜４のいずれか１項に記載の直流電流遮断装置。
6. 定常動作時は、前記機械接点式電流断路器をオン状態、前記半導体遮断器をオフ状態として動作し、
   系統事故発生時は、前記半導体遮断器をオン状態に移行すると共に、前記共振回路により事故が発生した直流送電線に属する前記機械接点式電流断路器に流れる電流に共振を発生させて電流にゼロ状態を作り出し、
   電流がゼロ状態になった前記機械接点式電流断路器をオフ状態に移行した後、前記半導体遮断器をオフ状態にする請求項５に記載の直流電流遮断装置。
7. 前記共振回路を前記転流回路に配置する請求項５又は６に記載の直流電流遮断装置。
8. 前記共振回路を前記機械接点式電流断路器と直列に接続し、
   当該共振回路は、半導体スイッチング素子からなる共振スイッチのオンオフ動作により共振が前記機械接点式電流断路器の線路に印加される構造である請求項５〜７のいずれか１項に記載の直流電流遮断装置。
9. 前記機械接点式電流断路器に発生するアーク抵抗を、前記半導体遮断器のオン抵抗よりも大きく設定する請求項１〜８のいずれか１項に記載の直流電流遮断装置。
10. 定常動作時は、前記機械接点式電流断路器をオン状態、前記半導体遮断器をオフ状態として動作し、
    系統事故発生時は、前記半導体遮断器をオン状態に移行すると共に、事故が発生した直流送電線に属する前記機械接点式電流断路器をオフ状態に移行し、前記機械接点式電流断路器に発生したアーク抵抗を、前記半導体遮断器のオン抵抗よりも大きく設定した事により、前記機械接点式電流断路器に流れる電流が前記転流回路に転流し、その後、前記半導体遮断器をオフ状態にする請求項９に記載の直流電流遮断装置。
11. 前記機械接点式電流断路器と前記転流回路との間に、半導体スイッチング素子を有する補助半導体遮断器を直列に接続する請求項１〜１０のいずれか１項に記載の直流電流遮断装置。
12. 定常動作時は、前記機械接点式電流断路器および前記補助半導体遮断器をオン状態、前記半導体遮断器をオフ状態として動作し、
    系統事故発生時は、前記半導体遮断器をオン状態に移行すると共に、前記補助半導体遮断器をオフ状態に移行する事により、事故が発生した直流送電線に属する前記機械接点式電流断路器に流れる電流にゼロ状態を作り出し、
    電流がゼロ状態になった前記機械接点式電流断路器をオフ状態に移行した後、前記半導体遮断器をオフ状態にする請求項１１に記載の直流電流遮断装置。
13. 前記補助半導体遮断器として、
    ２個の自己消弧型半導体スイッチング素子のエミッタ同士を接続したユニットを、１セット以上直列接続する事により双方向の電流を遮断できる双方向の補助半導体遮断器と、
    半導体スイッチング素子を１個以上直列接続する事により単一方向の電流を遮断できる単一方向の補助半導体遮断器を有する請求項１１又は１２に記載の直流電流遮断装置。
14. 前記半導体遮断器は、アレスタを並列に備える請求項１〜１３のいずれか１項に記載の直流電流遮断装置。

Images