(57)【要約】【課題】従来の交流遮断における確立した技術を直流遮断装置に応用し、リーク電流の無い直流遮断装置を実現すること。【解決手段】直列に接続され、連動して開極するアーク通電が可能な接点１と接点２とを備えた遮断器３と、接点１に並列に接続された半導体スイッチ４とを備え、通常時は二つの接点１，２を通じて電流を流すとともに、直流の遮断時において、遮断器３の二つの接点が同時に開極すると、接点１に生ずるアーク電圧によって接点１のアーク電流が半導体スイッチ４に転流し、接点１に流れる電流が無くなった後に、接点１の絶縁回復に合わせて、半導体スイッチ４をオフして電流を遮断することにより、接点２のアーク電流も直列に同時に遮断することを特徴とする。【選択図】図２
2020071933.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電流を遮断するための直流遮断装置であって、該直流遮断装置は、
直列に接続され、連動して開極するアーク通電が可能な第１の金属接点と第２の金属接点とを備えた遮断器と、前記第１の金属接点に並列に接続された半導体スイッチとを備え、通常時は前記二つの金属接点を通じて電流を流すとともに、
前記直流電流の遮断時において、前記遮断器の前記二つの金属接点が同時に開極すると、前記第１の金属接点に生ずるアーク電圧によって前記半導体スイッチが導通して、前記第１の金属接点のアーク電流が前記半導体スイッチに転流し、前記第１の金属接点に流れる電流がすべて前記半導体スイッチに転流した後、前記第１の金属接点の絶縁回復に合わせて、前記半導体スイッチで電流を遮断することにより、前記第２の金属接点のアーク電流も遮断することを特徴とする直流遮断装置。
【請求項２】
前記遮断器が２極の開閉器であって、かつ、前記第１の金属接点と第２の金属接点を直列接続したものであり、
前記半導体スイッチは、ＭＯＳＦＥＴとコンデンサと抵抗とを備え、前記ＭＯＳＦＥＴのドレインを前記第１の金属接点の正極側に、前記ＭＯＳＦＥＴのソースを前記第１の金属接点の負極側に接続し、さらに、前記ＭＯＳＦＥＴのドレイン−ゲート間に前記コンデンサを接続し、前記ＭＯＳＦＥＴのゲート−ソース間に前記抵抗を接続したものであり、
通常時は前記二つの金属接点を通じて電流を流すとともに、
前記直流電流の遮断時において、前記遮断器の前記二つの金属接点が同時に開極すると、前記第１の金属接点に生ずるアーク電圧によって前記ＭＯＳＦＥＴのゲート−ソース間電圧がスレッショルド電圧を超えることにより前記ＭＯＳＦＥＴがオンになり、前記第１の金属接点のアーク電流が前記ＭＯＳＦＥＴに転流し、前記第１の金属接点に流れる電流がすべて前記半導体スイッチに転流した後、前記第１の金属接点間に発生する再起電力が前記ＭＯＳＦＥＴの前記ドレイン−ソース間に印加されるが、前記コンデンサ及び抵抗によるミラー積分効果で前記再起電圧が前記スレッショルド電圧から直線的に上昇して、前記転流した電流を減流し、前記ＭＯＳＦＥＴをオフにすることにより、前記第２の金属接点のアーク電流もあわせて遮断することを特徴とする請求項１に記載の直流遮断装置。
【請求項３】
前記開閉器が、２極双投のトグルスイッチ、リレー、若しくは電磁開閉器であって、前記第１の金属接点のａ接点を前記ＭＯＳＦＥＴのドレインに接続し、前記第１の金属接点のｂ接点を前記ＭＯＳＦＥＴのゲートに接続し、かつ、前記第１の金属接点のコモン接点を前記ＭＯＳＦＥＴのソースに接続するとともに、
前記遮断器の前記二つの金属接点の前記ａ接点を同時に開極し、前記ｂ接点がオンになるまでの遷移時間内に前記第１の金属接点に流れる電流がすべて前記半導体スイッチに転流した後、前記ｂ接点がオンになることにより、前記ゲートとソースが短絡して前記ＭＯＳＦＥＴがオフになることにより、前記第２の金属接点のアーク電流もあわせて遮断することを特徴とする請求項２に記載の直流遮断装置。
【請求項４】
前記半導体スイッチがさらにダイオードブリッジを備え、前記ダイオードブリッジの交流端子を前記第１の金属接点に並列に接続するとともに、前記ダイオードブリッジの直流端子の正側を前記ＭＯＳＦＥＴのドレインに接続し、前記ダイオードブリッジの直流端子の負側を前記ＭＯＳＦＥＴのソースに接続することにより、前記直流電流が双方向に流れる場合においても電流を遮断することを可能とする請求項２に記載の直流遮断装置。
【請求項５】
前記半導体スイッチが、さらに、サイリスタ、リードリレー又は電圧によって容量の変わるコンデンサ（以下「サイリスタ等」という。）を備え、前記サイリスタ等が前記ＭＯＳＦＥＴのゲート−ソース間に接続され、前記転流した後の再起電圧が上昇すると自動的に前記サイリスタ等によって前記ゲート−ソース間の電圧が降下して電流を遮断する請求項４に記載の直流遮断装置。
【請求項６】
前記第１の金属接点を複数の金属接点（連動して開極するものに限る。）を直列に接続した多接点回路で置き換え、かつ、前記半導体スイッチを複数直列に接続して高電圧半導体スイッチと成し、前記半導体スイッチを該高電圧半導体スイッチで置き換えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の直流遮断装置。
【請求項７】
前記多接点回路を、請求項２に記載の前記第１の金属接点と前記半導体スイッチとを並列接続して構成するハイブリッドスイッチと高電圧用遮断器とを直列接続した回路で置き換えたことを特徴とする請求項６に記載の直流遮断装置。
【請求項８】
前記第１の金属接点の電流を検出する第１の電流検出器と、前記半導体スイッチの電流を検出する第２の電流検出器と、前記高電圧半導体スイッチの電流を検出する第３の電流検出器とを備えるとともに、さらに制御部を備え、該制御部は、
外部からの電流遮断指令により遮断シーケンスを開始し、前記第１の金属接点の開極指令を発信して前記第１の金属接点を開極して、前記第１の金属接点に発生するアーク電圧によって前記半導体スイッチに転流した後に電流を前記半導体スイッチのゲート制御で遮断後、前記第１及び第２の電流検出器が電流ゼロを検出すると前記高電圧用遮断器（ＶＣＢ１）を開極し、絶縁耐力を回復した後、前記高電圧半導体スイッチをオフにするとともに、前記第３の電流検出器が電流ゼロを検出すると前記第２の金属接点（ＶＣＢ２）を開極して、無アークにて遮断することを特徴とする請求項７に記載の直流遮断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電流を遮断するための直流遮断装置に関し、特に、金属接点回路と半導体スイッチ回路を用いて直流を確実に遮断し、金属接点を保護する直流遮断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
すでに交流電力系には、金属接点を開極すると電流ゼロ点で遮断時に発生したアークが消滅して、金属接点の絶縁が回復することで、高電圧、大電流の遮断が可能な交流遮断器が存在する。
一方、直流電力系では、電流ゼロ点が存在せず、開極時の接点のアークが持続するため、電流が遮断出来ないばかりでなく、そのままでは金属接点の溶断に至るため、アークの引き延ばしによる冷却によってアークの電気抵抗を大きくして減流し、遮断を行なう方法がある。この場合、アークの熱による電極の消耗が激しいという問題がある。
【０００３】
この問題を解決するため、金属接点の直流電流に対して、コンデンサ放電などによって逆転電流を重畳させて電流ゼロ点を作り出し、摸擬的に交流電流の遮断として直流を遮断する方法がある。これは高電圧大電流の直流遮断で実用化されているが、その遮断器は交流遮断時の再起電圧上昇に耐える能力を使うものである。この場合、コンデンサから放電される電流を投入するスイッチや、逆転電流供給用コンデンサを充電して待機することが必要で、また、充電電圧を遮断電流に合わせる必要がある等、関連する補機類の制御が複雑である。
いずれにしても、直流電流の遮断は容易ではなく、直流電力への利用はアークが持続しない小電流・低電圧のものに限られてきた。
【０００４】
近年、ゲート制御でスイッチングを行う半導体スイッチとして、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等が実用化され、さらにＳｉＣ（シリコンカーバイド）の半導体が開発されて、高電圧の直流電流の遮断を、金属接点と並列に半導体スイッチ回路を接続して、通常時は金属接点で通電し、金属接点の開極時の接点アーク電圧で並列に接続されている半導体スイッチをオンにして、さらにアーク電圧によって転流して、その後、電流遮断は半導体スイッチで行なう、いわゆる、アーク電圧転流型のハイブリッドスイッチが知られている。
【０００５】
かかるハイブリッドスイッチによる、数百Ｖ、数十Ａ程度の低電圧ハイブリッド遮断器は、金属接点と並列に半導体スイッチをオン状態で待機して金属接点を開極すれば、瞬時に現れる陰極降下電圧とアーク柱の電圧が１０〜２０Ｖなので、金属接点から半導体スイッチへの転流時間は数μｓ以下で、半導体スイッチへ転流してアークは消滅するので、肉眼ではアークの光は見られず、そのエネルギーＷｅは、アーク電圧Ｖａｒｃとアーク電流Ｉａｒｃとアーク時間Ｔａｒｃの積で数ミリ・ジュールであるから、電極消耗は無いといえる。
下記特許文献１では、金属接点の開極時にアーク発生に必要な電圧（１０Ｖ）以下にすれば完全に無アークに遮断できるとされている。
【０００６】
図１（Ａ）は、アルゴン中での測定ではあるが、一般的なアーク溶接で説明されるアーク電圧とアーク電流の関係を示す図である。下記の非特許文献１によると、気体の種類、電極金属によって多少異なるが、接点アーク電圧の最小は１０Ｖから２０Ｖ程度である。即ち、アーク電圧はアーク電流ではあまり変わらない。また、１０Ｖ以下ではアークは発生しないとも考えられる。
【０００７】
金属接点から半導体スイッチ回路への転流時間は、電流と転流回路のインダクタンスの積を、電圧（アーク電圧−半導体のオン電圧）で割ることにより求められる。すなわち、
Ｔｃｏｍ＝Ｉａｒｃ×Ｌｃｏｍ／（Ｖａｒｃ−Ｖｏｎ）…（式１）
ここに、  Ｔｃｏｍ＝転流時間、Ｉａｒｃ＝アーク電流、Ｌｃｏｍ＝転流の一周インダクタンス、Ｖａｒｃ＝アーク電圧、Ｖｏｎ＝半導体のオン電圧である。
【０００８】
遮断器で電流を遮断した直後には、遮断した接点間に高い電圧が現れるが、これを再起電圧という。開極した金属接点に発生する再起電圧は半導体のオン電圧のみで、開極距離を得た後に半導体スイッチのゲートオフ操作で電流を遮断、再起電圧を制御しながら最終的に電流遮断に至るが、半導体の通電時間は短時間であるので、特別な冷却は不要である。
図１（Ｂ）は金属接点のアーク電圧とアーク電流、半導体スイッチに転流された電流などの実測値を示すものである。
【０００９】
一般的に、半導体スイッチの遮断はゲート電圧制御で行なうが、金属接点が開極した際の接点アーク電圧でオンする半導体スイッチに転流するアーク電圧転流と、その後、絶縁ゲートを持つ半導体スイッチのスレッショルド電圧と絶縁ゲートのミラー積分効果を利用して、再起電圧の上昇スピードを制御して、金属接点の絶縁回復を待って確実に遮断する。このような再起電圧制御型のハイブリッドスイッチは、すでに下記特許文献１に開示されている。
【００１０】
この考えは、アーク発生と同時に、接点アーク電圧として約１０Ｖから２０Ｖの電圧が発生することを利用したものである。非特許文献１では、アークの種々の金属接点の最小電圧、最小電流が報告されている。特許文献１では、アーク電圧発生で半導体スイッチのゲート−ソース間電圧がスレッショルド電圧Ｖｔｈになってオンになり、アーク電流を転流するが、その後、転流と同時に再起電圧Ｖｒが上昇し、その上昇スピードはコンデンサＣと抵抗Ｒで調整でき、電流ゼロになるまで上昇する。経過時間をｔとすると、再起電圧Ｖｒは、次の式２で表される。
Ｖｒ＝Ｖｔｈ＋Ｖｔｈ／（Ｃ×Ｒ）×ｔ…（式２） 
Ｖｒの上昇スピードが１００Ｖ／１００μｓ以下であれば、トグルスイッチ等の金属接点は、アーク無しに絶縁も回復するので、無アークで金属接点が遮断できる優れた方法である。しかし、半導体スイッチが、常時ゲートにスレッショルド電圧以上が印加されれば導通する状態で常時接続されており、保護の問題に関しては、回路遮断の完全性が接点スイッチよりも劣る点である。事実、半導体スイッチ遮断中に電源電圧がステップ的に上昇すると、過渡的に電流リークが発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１７−５９５１３号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】放電ハンドブック出版委員会編  「放電ハンドブック」電気学会編  ６．４．５「接点アーク」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
電流遮断の確実性については、半導体スイッチの欠点である、ゲートにノイズなど、例えば、金属接点の開極時でも電源が接続され、電圧が印加されると、半導体スイッチが電流リークを起こす問題がある。すなわち、半導体スイッチがオフになっていても電流が流れることがある。これでは、安全を担保する遮断器にならない。
よって、直流電力系であっても、従来の交流電力系と同じ保護レベルが、同じ手順、リーク電流無しに可能であれば、交流電力系と同じ基準の直流遮断装置が実現可能になる。
本発明の目的は、従来の交流遮断装置の技術における、交流アーク通電可能な金属接点の多頻度開閉、高速開閉機構、高電圧の絶縁維持の特性など確立した技術を、直流遮断装置に応用し、リーク電流の無い直流遮断装置を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述の課題を解決するため、本発明は、直流電流を遮断するための直流遮断装置であって、該直流遮断装置は、直列に接続され、連動して開極するアーク通電が可能な第１の金属接点と第２の金属接点とを備えた遮断器と、前記第１の金属接点に並列に接続された半導体スイッチとを備え、通常時は前記二つの金属接点を通じて電流を流すとともに、
前記直流電流の遮断時において、前記遮断器の前記二つの金属接点が同時に開極すると、前記第１の金属接点に生ずるアーク電圧によって前記半導体スイッチが導通して、前記第１の金属接点のアーク電流が前記半導体スイッチに転流し、前記第１の金属接点に流れる電流がすべて前記半導体スイッチに転流した後、前記第１の金属接点の絶縁回復に合わせて、前記半導体スイッチで電流を遮断することにより、前記第２の金属接点のアーク電流も遮断することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る直流遮断装置によれば、外部からの特別なゲート制御信号を必要とすることなく直流を遮断することができ、また、短時間で遮断が完了するため、金属接点が溶融することもない。また、金属接点を二つ直列に接続しているため、半導体スイッチのリーク電流の問題も解決できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１の（Ａ）はアルゴン中の電気溶接アーク電圧を開極距離をパラメータに、電流による変化を示した図である。また、（Ｂ）は金属接点のアーク電圧とアーク電流、半導体スイッチに転流された電流などの実測値を示すものである。
【図２】本発明に係る直流遮断装置の構成の例を示す回路ブロック図である。
【図３】本発明の直流遮断装置の動作を説明するための図である。
【図４】本発明に係る直流遮断装置の第１実施例を示す回路図である。
【図５】本発明に係る直流遮断装置の第２実施例を示す回路図である。
【図６】本発明に係る直流遮断装置の第３実施例を示す回路図である。
【図７】本発明に係る直流遮断装置の第４実施例を示す回路図である。
【図８】本発明に係る直流遮断装置の第５実施例を示す回路図である。
【図９】本発明に係る直流遮断装置の第６実施例を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図２は、本発明に係る直流遮断装置の構成の例を示す回路ブロック図である。
この直流遮断装置は、第１の金属接点（以下「接点」という。）１と第２の接点２が直列に接続されて構成される遮断器３と、接点１に並列に接続される半導体スイッチ４を備えている。また、接点１と接点２は連動して開閉極するように連動機構５が設けられている。
通常時は、接点１及び接点２が閉じられており、接点１及び接点２を通じて直流電流（以下「電流」という。）が図の矢印方向に流れている。
【００１８】
次に、この直流遮断装置の遮断時の動作について説明する。図３は、本発明の直流遮断装置の動作を説明するための図である。
状態１は通常時の状態を示し、電流は接点２と接点１を通じて図の矢印方向に流れている。
状態２は、遮断を必要とする時、遮断器が開極されると同時に、接点１及び接点２にはアークが発生し、アーク電流が図の矢印方向に流れる。
次に、状態３では、接点１に生じたアーク電圧によって半導体スイッチ４がオンになり、アーク電流が図の矢印で示した経路で半導体スイッチへと転流する。
【００１９】
状態４では、電流が半導体スイッチ４にすべて転流して接点１のアークは消滅して、接点１はオフ状態（図の×印）になる。この時、接点１には再起電圧が発生する。
状態５は、半導体スイッチ４のゲート制御で再起電圧を制御しつつ、接点１の絶縁回復に合わせて電流を減流し、半導体スイッチ４をオフにする。
状態６では、接点１及び半導体スイッチ４がオフになり電流が無くなるので、接点２は無電流になって遮断され、さらに開極が進んで絶縁回復が完了する。
２つの接点は開極時にともにアークが発生するが、交流遮断時のアーク遮断よりアーク時間は短く、減流時の再起電圧は半導体スイッチにより制御されるので責務はより軽いと言える。
【００２０】
次に、本発明に係る直流遮断装置の実施例について説明する。
図４は、本発明に係る直流遮断装置の第１実施例を示す回路図である。図４（Ａ）は電流の流れる方向に対して接点２が先にある場合の実施例であり、図２に対応するものである。また、図２（Ｂ）は電流の流れる方向に対して接点１が先にある場合の実施例であり、電気的には図４（Ａ）と等価であるので、以下、図４（Ａ）についてのみ説明する。なお、電源、負荷と本直流遮断装置の位置関係は、直列に接続されていればすべて等価であるので、接地点や負荷の制約からどちらにするかを選ぶことができる。
図において、符号３で示すのは、遮断器の実施例である２極の開閉器である。接点１及び接点２が連動機構５により連動して開閉極可能なものである。開閉器３としては、例えば、交流１０Ａ程度、交流電圧２５０Ｖ程度の２極の単投又は双投の交流用接点スイッチが利用可能である。調査によると交流用の２極双投スイッチは、接点が連動してオフになる場合の同時性は０．１ｍｓ程度で、チャタリングも無い。
【００２１】
遮断器３の接点１に並列に半導体スイッチ４が接続されている。半導体スイッチ４は、ＮチャンネルのＭＯＳＦＥＴ（以下、単に「ＦＥＴ」という。）と、コンデンサＣと抵抗Ｒとを備えており、ＦＥＴのドレインが接点１の正側に、ソースが接点１の負側にそれぞれ接続されている。また、ＦＥＴのドレイン−ゲート間にはコンデンサＣが、ゲート−ソース間には抵抗Ｒがそれぞれ接続されている。
【００２２】
接点１の開極によりアーク電圧（約１５Ｖ）がステップ的に瞬時に発生すると、ＦＥＴのゲートに接続されているＣとＲによるミラー積分効果によって、ゲート−ソース間電圧はスレッショルド電圧Ｖｔｈ（３から５Ｖ程度）になってＦＥＴがオンになり、接点１の電流はＦＥＴに短時間（数μｓ）で全電流が転流する。
【００２３】
その後、接点１にはＦＥＴのソース−ドレイン間電圧、すなわち再起電圧が発生し、その電圧は上記の式２で上昇する。ここではＣ＝0.022μＦ、Ｒ＝100〜500Ωである。ＦＥＴのゲートの過電圧保護のためにダイオードや動作の安定のためにゲート抵抗Ｒｇ（不図示）として１ｋΩ以下を付加するとよい。Ｃ，Ｒが一定の場合、電流に無関係に再起電圧は直線的に上昇して、その結果、電流は減少し、電流が停止するとゲート−ソース間電圧がスレッショルド電圧よりも低くなって、ＦＥＴはオフとなる。それまでの間、直列の接点２はアーク通電状態であるが、ＦＥＴがオフになると直列の電流が遮断されるので、接点２のアークは消滅し、完全な遮断状態になる。このように、本実施例では、ＦＥＴのオン／オフのために必要なゲート電圧を外部から供給する必要がない。
【００２４】
電流は接点１で遮断されるので、接点２では遮断能力は要求されないが、連動する遮断機構により、短時間、数１００μｓ、または大型遮断器では数ｍｓのアーク通電がある可能性あるが、遮断電圧は接点１と半導体スイッチ４との並列回路（ハイブリッドスイッチ）と分圧するので、交流遮断より責務は軽い。従来の交流用２連接点スイッチの同時動作を調べると、特に遮断時は１ｍｓ以内に収まっており、通常０．１ｍｓ程度である。もし、接点２が先に開極してアーク通電状態になっても、１ｍｓ以内に直列するハイブリッドスイッチで電流遮断されることになるので本来の交流遮断より責務は軽いと言える。
【００２５】
図５は、本発明に係る直流遮断装置の第２実施例を示す回路図である。図５（Ａ）は電流の流れる方向に対して接点２が先にある場合の実施例であり、図２に対応するものである。また、図５（Ｂ）は電流の流れる方向に対して接点１が先にある場合の実施例であり、電気的には図５（Ａ）と等価であるので、以下、図５（Ａ）についてのみ説明する。
【００２６】
図５（Ａ）は、遮断器３として２極双投スイッチを用いた場合である。２極双投スイッチとしては、交流用のトグルスイッチ、２極のａ接点ｂ接点を持つ制御リレー、ｂ接点が無くてもｂ接点の代わりをする補助接点を持つ電磁開閉器や、２連のマイクロスイッチ等が考えられる。
接点１のａ接点をＦＥＴのドレインに接続し、接点１のｂ接点をＦＥＴのゲートに接続し、かつ、接点１のコモン接点をＦＥＴのソースに接続する。また、接点１と接点２を直列に接続することは実施例１と同じである。
【００２７】
遮断器３の二つの接点１，２のａ接点を同時に開極し、ｂ接点がオンになるまでの遷移時間、半導体スイッチ４は、ａ接点の開極によるアーク電圧発生でＦＥＴがオンし、接点１の電流はＦＥＴに転流する。その後、ｂ接点がオンになることにより、ＦＥＴのゲートとソースが短絡されてＦＥＴがオフになる。それまでの間、直列の接点２はアーク通電状態であるが、ＦＥＴがオフになると電流が遮断されるので、接点２のアークはアーク維持電流（大気中では数Ａであるが）以下になって消滅し、完全な遮断状態になる。
この第２実施例は、接点１のｂ接点を使って、再起電圧を急速に上昇させて、遮断する例である。これは半導体の通電発熱を軽減して、併せて、遮断後のゲート電圧を短絡して維持する効果もある。この場合、Ｃ，Ｒは第１実施例よりも大きくして、再起電圧の上昇を遅くして、接点間の電圧を低くしたまま開極して、ｂ接点がオンすることにより遮断が完了するのが好ましい。この場合、アークが持続する時間はｂ接点がオンするまでの遷移時間で、これは、トグルスイッチの場合、約３ｍｓ程度である。ｂ接点のオン時にチャタリングが発生するが、このｂ接点回路に直列に数１０Ωを追加すると、それも積分効果で緩やかな遮断をすることができる。
【００２８】
図６は、本発明に係る直流遮断装置の第３実施例を示す回路図である。
これは、電流が双方向に流れる場合においても電流を遮断することができる直流遮断装置の実施例である。電流が双方向の場合に対応しているので、交流電流の場合にも適用できることは言うまでもない。
図４の第１実施例と異なる点は、半導体スイッチ４がさらにダイオードブリッジ６を備え、ダイオードブリッジ６の交流端子を接点１に並列に接続するとともに、ダイオードブリッジ６の直流端子の正側をＦＥＴのドレインに接続し、ダイオードブリッジ６の直流端子の負側をＦＥＴのソースに接続した点である。これにより電流が双方向に流れる場合においても電流を遮断することができる。
【００２９】
半導体スイッチ４が、さらに、サイリスタ７を備え、サイリスタ７がＦＥＴのゲート−ソース間に接続され、転流した後の再起電圧が上昇すると自動的にサイリスタ７によってＦＥＴのゲート−ソース間がほぼ短絡状態になり、ゲート−ソース間電圧がスレッショルド電圧以下に降下して電流を遮断する。
すなわち、接点１の遮断後、再起電圧が所定の電圧になるとサイリスタ７が時間遅れ回路にてオンすることで、第２実施例のｂ接点の機能（すなわち、ゲート−ソース間の電圧がゼロになる）を果たすこととなる。
【００３０】
ここではサイリスタを例にして説明したが、リードリレーなどの高速動作の補助スイッチや、電圧によって容量の変わるコンデンサなども可能である。
遅れてゲート抵抗Ｒを短絡すると急峻に遮断されるので、ＦＥＴの通電損失が低減する効果があるのは第２実施例と同じである。
交流電流の遮断装置に本発明の第３実施例を適用すれば、アークの通電時間が数ｍｓであるから、最大交流半波のアーク時間１０ｍｓに比べて短くなるので、接点の電気的寿命が長くなる効果がある。
【００３１】
図７は、本発明に係る直流遮断装置の第４実施例を示す回路図である。これは高電圧の直流を遮断する場合の直流遮断装置の実施例である。ここでは、高電圧とは数十ｋＶの電圧を想定している。
接点２は真空遮断器（ＶＣＢ）など交流電流用のＶＣＢを採用することができる。ＶＣＢはアーク電圧が低く、電極消耗が少なく、かつ、絶縁回復が早い特徴があるが、ガス遮断器、空気遮断器、オイル遮断器など、交流遮断器として開発されたものが利用できる。
また、接点１も複数の開閉器を直列に接続した多接点回路で構成している。その理由は以下のとおりである。
【００３２】
すなわち、高電圧の直流を遮断するためには、半導体スイッチ８も高電圧に対応しなければならない。そのため、複数のＦＥＴを直列に繋いで構成しているが（図では、電流双方向に対応するため、交互に向きを変えて接続している。）、これにより、ＦＥＴのオン電圧及びインダクタンスの合計も大きくなり、例えば、接点１が一つしかないと、そこに発生したアーク電圧（約１０〜２０Ｖ）は低く、多数直列の半導体スイッチ８のＦＥＴをすべてオンさせ、かつ、すべてのＦＥＴのオン電圧合計を超えることができないので、半導体スイッチ８に転流することが出来ない。
数十ｋＶの規模の直流を遮断するためには、数百Ｖ程度のアーク電圧を発生させて半導体スイッチ８に印加する必要がある。そこで、接点１を複数の開閉器を直列に接続した多接点回路で構成し、アーク電圧の合計が十分高くなるようにする必要がある。そのために、接点１の開閉器としては、ガス遮断器などアーク電圧を大きくして消弧するタイプの遮断器を用いるとよい。この接点１のアーク時間は半導体スイッチ８に転流が完了するまでの時間であるので、数百μｓである。アーク時間が短く、交流電流遮断時の責務より軽いと言える。
【００３３】
第４実施例は半導体スイッチ８も電流双方向に対応する。また、半導体スイッチ８は、再起電圧制御回路（図４のＣとＲによるミラー積分回路）を付加したＦＥＴでは、オン電圧をスレッショルド電圧（３〜５Ｖ）にするのみなので、さらにオン電圧、１Ｖ以下に下げるために適切なゲート電圧を与えるゲート制御回路を用意するのもよい。ゲート制御回路は接点１のアーク電圧で動作する絶縁ゲート制御回路が必要で信頼性が落ちる欠点がある。
【００３４】
図８は、本発明に係る直流遮断装置の第５実施例を示す回路図である。第４実施例の多接点回路を、接点１と半導体スイッチ４とを並列接続して構成したハイブリッドスイッチ１０と高電圧用遮断器（ＶＣＢ１）とを直列に接続した回路で置き換えたものである。なお、遮断による再起電圧が過大にならないように、接点１にはバリスタ９を並列に接続している。
【００３５】
図８において、通電から全遮断保護までの手順は、次のとおりである
１．全スイッチをオン状態：  通電は接点である、ＶＣＢ２，ＶＣＢ１及び接点１で行う。
２．遮断時は、全ての接点（ＶＣＢ１，ＶＣＢ２、接点１）を同時に開極すると、まず、接点１のアーク電圧で（低電圧の）半導体スイッチ４へ転流する。
３．半導体スイッチ４が、ＣとＲの積分効果で直線的に上昇する再起電圧で電流が減流してオフになると、ＶＣＢ１が遮断されるとともに、その発生電圧により高電圧の半導体スイッチ８がオンとなり、半導体スイッチ８に転流する。
４．高電圧半導体スイッチ８にすべての電流が転流後、高電圧半導体スイッチ８がＣとＲの積分効果でオフとなり、ＶＣＢ２は、これまでアーク放電で通電していたが、電流が停止したので遮断される。
ＶＣＢ１，２ともに十分な交流電流でのアーク通電能力を持っているので、上記のシーケンスが可能である。すなわち、接点の同時開極で、その場合でもアーク時間は数ｍｓで直流電流が遮断可能である。
【００３６】
直流電力系で保護遮断が必要な場合、単に複数の遮断器を連動して開極するのみで、半導体スイッチにはアーク電圧によって全自動的に電流が流れ、遮断する。従来の交流遮断器と同じ動作で直流の遮断が可能になる。ここでは、高圧遮断器としてＶＣＢを例にしたが、ＳＦ６ガス遮断器、空気遮断器、オイル遮断器も使用可能である。
【００３７】
上記は、すべての接点を同時に開極する場合であるが、図９に示す第６実施例では、通電から遮断完了まで、アークを極力発生しないで開極する実施例である。これは、事故遮断ではない通常の負荷開閉時は、開始から遮断までの時間遅れは問題にならないので有効である。
【００３８】
図９は、本発明に係る直流遮断装置の第６実施例を示す回路図である。この実施例では、接点１の電流を検出する電流検出器ＣＴ１、半導体スイッチ４の電流を検出する電流検出器ＣＴ２、高電圧半導体スイッチ８の電流を検出する電流検出器ＣＴ３を備えるとともに、ＣＴ１で過電流の検出や外部からの指令を受けて接点１を開極するとともに、ＣＴ２〜ＣＴ３の電流値がゼロになった時に半導体スイッチ４、高電圧半導体スイッチ８をオフし、各接点（ＶＣＢ１、ＶＣＢ２）に対して開極指令を発信する制御部１１を備えることを特徴とする。
また、高電圧半導体スイッチ８は、電流が双方向であって、半導体スイッチ（ＦＥＴ）を多数直列接続して高圧化することで実現できる。その例として、図９のように、４つのＦＥＴを単相全波整流の構成にして、その直流部にコンデンサを付加したものを多段にする図を示している。この場合、遮断後の高電圧の分圧がコンデンサの値で決まるので分圧が確実である利点がある。
【００３９】
その動作手順は次の通りである。
（１）制御部１１が接点１を開極する指令を発信する。
（２）それと同時に半導体スイッチ４をオンにして、電流が半導体スイッチ４に転流する。
（３）ＣＴ１の電流値がゼロになると、制御部１１が半導体スイッチ４をオフするとともに、ＣＴ２の電流値がゼロになるとＶＣＢ１を開極する指令を発信する。半導体スイッチ４がオフすると同時に半導体スイッチ８をオンにして、電流は短時間で半導体スイッチ８に転流し、ＶＣＢ１は電流が無くなってから開極する。この時、低電圧の接点１と半導体スイッチ４に大きな電圧が発生しないようにバリスタ９がある。
（４）ＶＣＢ１が無電流、無アークで開極して、十分な耐電圧を持つ開極距離になるまで待って後、高電圧半導体スイッチ８を制御部１１の指令によるゲート制御でオフにする。
半導体スイッチ８オフの高電圧の再起電圧は主としてＶＣＢ１の耐電圧で持って、低電圧の接点１にはバリスタの電圧のみである。
（５）制御部１１が半導体スイッチ８のオフでＣＴ３の電流値がゼロになるのを待って、最後にＶＣＢ２を開極する指令を発信する。
（６）リーク電流の無い、完全な遮断が完了する。
（７）逆の投入動作では、この時間シーケンスを逆に行うと接点のチャタリング対策になる。
【００４０】
この第６実施例で遮断する場合は、接点１のみ開極時にアーク電圧を発生して低電圧の半導体スイッチ４に転流するが、他の接点は、電流が無くなってから無アークで開極する。その時、接点の開極指令から実際に開極するまでの時間が必要なので、遮断のシーケンスは待ち時間があって、遮断には遅れ時間がある。大型の高電圧、大電流の開閉器は、指令から開極まで駆動機構にもよるが、一般に１０ｍｓ以上必要である。
また、遅れ時間は変動もするので、制御回路１１はその分を勘案して、先に開極指令を出すなどの制御が必要がある。
事故時の緊急遮断は、遮断までの時間が早いことが重要であるので、事故電流が大きくならないうちに遮断したい。高速動作のＶＣＢ開極機構などが必要である。第６実施例は交流電流にも応用でき、交流、直流の高電圧、または大電流送電路の負荷開閉器として使用できる。
【００４１】
以上説明したように、本発明に係る直流遮断装置は、従来の交流遮断装置の技術における、交流アーク電流に耐える金属接点の多頻度開閉、高速な絶縁回復遮断、リーク電流の無い高電圧の絶縁維持の特性など確立した技術を直流遮断装置に応用し、直流遮断装置を実現するものであるので、産業上の利用価値の高いものである。
【符号の説明】
【００４２】
１  第１の金属接点
２  第２の金属接点
３  遮断器
４  半導体スイッチ
５  連動機構
６  ダイオードブリッジ
７  サイリスタ
８  高電圧半導体スイッチ
９  バリスタ
１０  低電圧接点と低電圧半導体スイッチ（ハイブリッドスイッチ）
１１  制御部
ＶＣＢ１  第１の真空遮断器
ＶＣＢ２  第２の真空遮断器
ＣＴ１〜ＣＴ３  電流検出器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年3月6日(2020.3.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電流（以下単に「電流」という。）を遮断するための直流遮断装置であって、該直流遮断装置は、
金属接点（１）と半導体スイッチ（４）とが並列接続されたハイブリッドスイッチ（１０）と、前記半導体スイッチが複数個直列に接続されて構成された高電圧半導体スイッチ（８）と、第１の高電圧用遮断器（ＶＣＢ１）と、第２の高電圧用遮断器（ＶＣＢ２）とを備え、
前記ハイブリッドスイッチと前記第１の高電圧用遮断器とが直列に接続されたものに前記高電圧半導体スイッチが並列に接続された回路が構成されるとともに、該並列接続されて構成された前記回路に前記第２の高電圧用遮断器がさらに直列に接続されて構成されたものであることを特徴とする直流遮断装置。
【請求項２】
前記金属接点の電流を検出する第１の電流検出器と、前記半導体スイッチの電流を検出する第２の電流検出器と、前記高電圧半導体スイッチの電流を検出する第３の電流検出器と、制御部とをさらに備えるとともに、
前記制御部は、外部からの電流遮断指令により前記金属接点の開極指令を発信して前記金属接点を開極すると同時に前記半導体スイッチが前記金属接点に発生するアーク電圧によってオンになり転流した後、前記第１の電流検出器が電流ゼロを検出すると前記半導体スイッチをオフにすると同時に高電圧半導体スイッチをオンにして電流を前記高電圧半導体スイッチに転流させ、さらに、前記第２の電流検出器が電流ゼロを検出すると前記第１の高電圧用遮断器を開極する指令を発し、前記第１の高電圧用遮断器が絶縁耐力を回復した後、前記高電圧半導体スイッチをオフにするとともに、前記第３の電流検出器が電流ゼロを検出すると前記第２の高電圧用遮断器を開極して、無アークにて遮断することを特徴とする請求項１に記載の直流遮断装置。