(57)【要約】      （修正有）【課題】装置の小形化、低コスト化および保守の軽減が図れる直流遮断装置を提供する。【解決手段】直流電源１と負荷２との間に接続され、当該直流電源１から当該負荷２へ供給する電流を開閉する直流遮断装置１０を、第１の遮断部１１と、第２の遮断部１２と減流抵抗器１３とを直列接続した直列回路と、エネルギー吸収装置１４とを並列に接続して構成し、当該直流電源１から当該負荷２へ流れる電流が所定値を超えたとき、当該第１の遮断部１１をオフさせた後に、当該第２の遮断部１２をオフさせる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源と負荷との間に接続される直流遮断装置であって、第１の遮断部と、第２の遮断部と減流抵抗器とを直列接続した直列回路と、エネルギー吸収装置とを並列に接続して構成したことを特徴とする直流遮断装置。
【請求項２】
前記負荷の短絡により前記直流電源から前記負荷に流れる電流が所定値を超えたとき、前記第１の遮断部をオフさせ、前記第１の遮断部をオフさせた後に前記第２の遮断部をオフさせ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】
前記第１の遮断部と第２の遮断部は、半導体スイッチ素子で構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の直流遮断装置。
【請求項４】
前記エネルギー吸収装置は、前記第１の遮断部と第２の遮断部に印加される電圧を、それぞれが許容する耐電圧よりも低い電圧に制限する非線形抵抗素子であることを特徴とする請求項３に記載の直流遮断器。
【請求項５】
前記第１の遮断部と第２の遮断部が並列にスナバ回路を備えていることを特徴とする請求項３または４に記載の直流遮断装置。
【請求項６】
前記スナバ回路は、コンデンサと抵抗器とを直列に接続した回路であることを特徴とする請求項５に記載の直流遮断装置。
【請求項７】
前記減流抵抗器の巻線は、無誘導巻きして構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の直流遮断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、直流電力回路の短絡電流等の大電流を遮断して、回路に接続された機器および回路を保護する直流遮断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気鉄道用き電回路のような直流電力回路においては、電源側に直流遮断装置を設け、これにより通常の負荷電流や、事故電流の遮断が行われる。
【０００３】
このような直流遮断装置の遮断部には、従来から、気中で遮断を行う高速度気中遮断器（ＨＳＡＣＢ）が用いられている。しかし、この高速度気中遮断器は、短絡電流の遮断時に主接点間に発生したアークを電磁力でアークシュート内に導き、このアークを引き延ばして、アーク電圧を回路電圧近くまで上昇させて遮断するようにしているため、アークによる各部の損耗に起因して頻繁に保守点検を行う必要があり、かつ、機械的な開閉機構、アークシュート等を含むため小形軽量化が困難である等の問題がある。
【０００４】
このような問題を解決するために、遮断部を高速度真空遮断器（ＨＳＶＣＢ）に置き換えた直流遮断装置も従来から提案されている（特許文献１参照）。
【０００５】
この従来の高速度真空遮断器を用いた直流遮断装置４０は、図４に示すように、直流電源４１と負荷４２との間に主真空遮断部４３を接続し、コンデンサ４４１、リアクトル４４２および転流スイッチ４４３を直列接続して構成した転流回路４４、およびエネルギー吸収装置４５を、主遮断部４３に並列に接続し、更に主遮断部４３と負荷４２との間に両者を切り離すための副真空遮断部４６を接続して構成されている。
【０００６】
主回路電流の遮断は、先ず、図示しない操作部によって主真空遮断部４３を開極(オフ)し、この開極後に、転流回路４４の転流スイッチ４４３を閉路して、主真空遮断部４３に主回路電流とは逆方向の振動転流電流を流すことにより、主回路電流が零点に達しところで、主真空遮断部４３が消弧するので、主回路電流が転流回路４４に転流され、転流コンデンサ４４１を充電する。この充電により主真空遮断部４３の極間電圧が上昇する。
【０００７】
主真空遮断部４３の極間電圧がエネルギー吸収装置４５の動作電圧に達すると、この吸収装置４５により主回路のインダクタンスに蓄えられていたエネルギーを吸収して主回路電流をゼロにして遮断動作が終了する。この後、副真空遮断部４６を開極(オフ)して負荷４２との絶縁を確保する。
【０００８】
この高速度真空遮断器を用いた直流遮断装置４０は、遮断時のアークが真空遮断器内部に発生し、外部へ放出されることがないので、アークによる損耗は少ないが、真空遮断器の接点部の駆動は機械的に行われるので、特に機械的駆動機構部の定期的な保守点検は軽減されない。
【０００９】
また、このような真空遮断器を用いた直流遮断装置においては、特許文献２に示されるように、主回路電流を遮断する際、主回路電流を減流しながら遮断を行うことも知られている。
【００１０】
このような減流遮断を行う直流遮断装置５０を、図５に示す。直流遮断装置５０は、直流電源５１と負荷５２の間に複数の真空遮断器で構成された主真空遮断部５３と、これらの主真空遮断部５３に並列に接続され、互いに直列に接続された複数の真空遮断器で構成された副真空遮断部５６と、この副真空遮断部５６にそれぞれ並列に接続された抵抗器５７および転流回路５４で構成される。
【００１１】
主回路電流を供給しているときは、主真空遮断部５３は閉極(オン)され、副真空遮断部５６は開極(オフ)されている。短絡事故等により主回路に短絡電流のような過大な電流が流れると、副真空遮断部５６をすべて閉路（オン）した後、主真空遮断部５３が開極(オフ)する。これにより、主回路電流が副真空遮断部５６に転流する。この後、副真空遮断部５６を１個ずつ開極(オフ)することにより、抵抗器５７を１個ずつ直列接続して主回路短絡電流を減衰させる。このように図５の従来の直流遮断装置によれば、短絡電流のような主回路の大電流を抵抗器で減流しながら遮断することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平０５‐２３４４７１号公報
【特許文献２】特開平０５‐０８１９７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、高速度真空遮断器により遮断部を構成した従来の直流遮断装置においては、遮断時のアークエネルギーの処理のために非直線抵抗素子等により構成されたエネルギー吸収装置を用いる必要がある。これは、大形で、高コストであり、かつ保守を必要とする装置であるため、直流遮断装置の小形化、低コスト化および保守軽減の阻害要因となっている。
【００１４】
減流手段を備えた直流遮断装置であっても、遮断部に保守の必要な真空遮断器が用いられるため、これまた、装置の保守軽減の支障となっている。
【００１５】
そこで、この発明は、このような問題を解決して、装置の小形化、低コスト化および保守の軽減が図れる直流遮断装置を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記課題は、この発明によれば、直流電源と負荷との間に接続される直流遮断装置であって、第１の遮断部と、第２の遮断部と減流抵抗器とを直列接続した直列回路と、エネルギー吸収装置とを並列に接続して構成することにより解決することができる。
【００１７】
この発明においては、前記第１の遮断部をオフ（開極）した後に、前記第２の遮断部をオフ（開極）するようにするのがよい。
【００１８】
また、前記の第１の遮断部および第２の遮断部は、半導体スイッチ素子により構成することができ、この場合には、前記エネルギー吸収装置を、前記第１の遮断部と第２の遮断部に印加される電圧を、それぞれが許容する耐電圧よりも低い電圧に制限する非線形抵抗素子で構成し、また、前記エネルギー吸収装置と、前記第１の遮断部および第２の遮断部との間の配線インダクタンスにより半導体スイッチ素子に過渡的に印加される跳ね上がり電圧のピークを抑制する為に、前記第１の遮断部と第２の遮断部とに並列にスナバ回路を接続するのがよい。このスナバ回路は、コンデンサと抵抗器の直列回路で構成する。また、減流抵抗器の巻線は、無誘導巻きして構成するのが良い。
【発明の効果】
【００１９】
この発明によれば、第１の遮断部と、第２の遮断部と減流抵抗器とを直列接続した直列回路と、エネルギー吸収装置とが並列に接続して構成され、主回路電流を遮断する際、主回路電流が第１の遮断部から第２の遮断部と減流抵抗器との直列回路に転流されて減流されるので、主回路のインダクタンスに蓄積されるエネルギーが低減される。このため、エネルギー吸収装置の容量を低減し、小形に構成することができる。また、このエネルギー吸収装置により、前記第１の遮断部と第２の遮断部に印加される電圧を、それぞれが許容する耐電圧よりも低い電圧に制限することができるので、第１の遮断部と第２の遮断部を半導体スイッチ素子で構成した場合に、これを過電圧から保護することができ、信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】この発明の直流遮断装置の第１の実施例を示す回路構成図。
【図２】この発明の直流遮断装置の第１の実施例の動作波形図。
【図３】この発明の直流遮断装置の第２の実施例を示す回路構成図。
【図４】直流遮断装置の従来例を示す回路構成図。
【図５】直流遮断装置の異なる従来例を示す回路構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
この発明の実施の形態を図に示す実施例について説明する。
【実施例１】
【００２２】
図１にこの発明の直流遮断装置の第１の実施例を示す。
【００２３】
図１に示すように、直流遮断装置１０は、直流電源１から負荷２へ直流電力を供給する主回路内に直列に挿入接続されている。主回路のインダクタンス成分３は、電気鉄道のき電回路であれば、電気車に給電するき電線等に含まれるインダクタンスに対応するものである。
【００２４】
直流遮断装置１０は、逆並列接続した２個の半導体スイッチ素子Ｓ１１およびＳ１２で構成された第１の遮断部１１と、同様に逆並列接続した２個の半導体スイッチ素子Ｓ２１およびＳ２２で構成された第２の遮断部１２および抵抗器１３（減流抵抗器）の直列接続回路と、酸化亜鉛バリスタのような非直線形抵抗素子で構成されたエネルギー吸収装置１４とを並列接続して構成されている。
【００２５】
なお、ここでは第１および第２の遮断部を半導体スイッチ素子で構成しているが、従来と同様に高速度真空遮断器（ＨＳＶＣＢ）で構成してもよい。
【００２６】
次に、直流遮断装置１０の動作を図２に示す動作波形図を参照して説明する。
【００２７】
図２において、（ａ）は、直流遮断部１０の端子電圧Ｖの時間的な変化波形を示し、（ｂ）は主回路電流Ｉの時間的な変化波形を示し、（ｃ）は、第１の遮断部１１のオン、オフ状態の時間的な変化波形を示し、（ｄ）は、第２の遮断部１２のオン、オフ状態の時間的な変化波形を示すものである。
【００２８】
直流遮断装置１０をオン（閉路）状態にして直流電源１から負荷２へ直流電力を供給するときは、第１の遮断部１１および第２の直流遮断部１２もともにオン（閉路）状態とする。このとき直流電源１から負荷２へ供給される主回路電流Ｉは、第２の遮断部１２がオンしているにも関わらず、抵抗器１３が直列に接続されているため、ほとんどが第１の遮断部１１を通して流れる。
【００２９】
この主回路電流Ｉは、主回路が正常な状態では、負荷２の大きさで決まったＩ1となる。ｔ１時点で主回路に短絡事故が発生すると、主回路電流Ｉは、直流電源１の電圧Ｅと主回路のインダクタンス成分３のインダクタンスＬで決まる増加率で急激に増大する。この主回路電流Ｉが予め設定された遮断設定電流(目盛値)Ｉｓに達すると（ｔ２時点）、過大な短絡電流から主回路を保護するために、図示しない制御装置により、まず第１の遮断部１１に遮断指令が出され、これがオフ（開路）され、主回路電流の遮断動作が開始される。
【００３０】
第１の遮断部１１がオフすると、これに流れていた主回路電流Ｉは、まだオンしている第２の遮断部１２と抵抗器１３の直列回路へ転流するため、抵抗器１３により減流されて、この抵抗器３の抵抗値Ｒと主回路のインダクタンス成分のインダクタンスＬとで決まる時定数で減衰する。このとき、インダクタンス成分に貯まったエネルギーの一部が抵抗器１３で消費される。
【００３１】
このように主回路電流Ｉが減衰する中で、図示しない制御装置で、第１の遮断部１１のオフ時点から計時を開始して、インダクタンス成分３に貯められたエネルギーがエネルギー吸収装置１４で吸収可能なエネルギーに以下に減衰するまでの時間に達したことが検知されるか、または、主回路電流Ｉを監視し、予め設定した電流値Ｉｅまで減衰したことが検知されたところのｔ３時点において制御装置から第２の遮断部１２に遮断指令が出され、これがオフ(開路)される。
【００３２】
第２の遮断部１２がオフすると、主回路電流Ｉは、第２の遮断部１２側からエネルギー吸収装置１４へ転流され、ここを流れる。このようにエネルギー吸収装置１４に電流が流れると、両端に制限電圧と称する電圧Ｖｚ（この制限電圧Ｖｚは、例えば、直流電源１の電圧Ｅが１５００Ｖの回路では、４０００Ｖ程度の電圧となる）を発生する。ここで、このエネルギー吸収装置１４の制限電圧Ｖｚは、遮断部１１および１２を構成する半導体スイッチ素子（Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ２１、Ｓ２２）の許容電圧よりも低い電圧に選ばれている。
【００３３】
主回路電流Ｉは、この制限電圧Ｖｚから電源電圧Ｅを差し引いたＶ（Ｖ＝Ｖｚ−Ｅ）と主回路のインダクタンス成分３のインダクタンス値Ｌで決まる電流変化率で、急速に減衰し、所定時間後のｔ４時点でゼロとなり、主回路電流の遮断動作が終了する。
【００３４】
このように、この発明のエネルギー吸収装置１４による主回路電流の減衰遮断動作は、従来の高速度真空遮断器（ＨＳＶＣＢ）を用いた直流遮断装置におけるエネルギー吸収装置による減衰遮断動作と同じである。しかし、この発明では、主回路電流Ｉをエネルギー吸収装置により減衰遮断する前に、第２の遮断部１２と抵抗器１３とを直列接続して構成した減流回路に流して、主回路電流Ｉを減流する期間があるので、エネルギー吸収装置１４に主回路電流Ｉが転流された時点での主回路電流の大きさが、図２（ｂ）のＩｅまで抑え込まれることにより、従来装置の場合より小さくなる。
【００３５】
エネルギー吸収装置は、転流される電流が小さくなるとその吸収すべきエネルギーも小さくなるので、この発明におけるエネルギー吸収装置１４は、従来装置におけるエネルギー吸収装置よりも吸収すべきエネルギーが小さくなり、その分エネルギー吸収装置を小形化することができる。
【実施例２】
【００３６】
図３にこの発明の直流遮断装置の第２の実施例を示す。
【００３７】
この図３の第２の実施例の直流遮断装置１０は、半導体スイッチ素子で構成した第１および第２の遮断部１１、１２、抵抗器１３およびエネルギー吸収装置１４で構成されており、これは、第１の実施例と同じである。
【００３８】
この第２の実施例は、半導体スイッチ素子で構成された第１および第２の遮断部がオフするとき回路インダクタンスより発生する過渡的な高電圧から半導体スイッチ素子を保護するために、コンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）と抵抗（Ｒ１、Ｒ２）の直列回路で構成されたスナバ回路１５、１６をそれぞれ第１および第２の遮断部に並列に接続しているところが第１の実施例とは構成が異なる。
【００３９】
このように、半導体スイッチ素子で構成された第１の遮断部および第２の遮断部１１、１２に、それぞれに並列にスナバ回路１５、１６を接続することにより、第１および第２の遮断部１１、１２がオフされたときに、遮断部の配線インダクタンス成分によって生じる過渡的な逆起電圧のピークを抑制することができるので、各遮断部の半導体スイッチ素子の過電圧による破壊が防止され、遮断装置の信頼性を向上することができる。
【００４０】
また、第２の遮断部１２に直列に接続した抵抗器１３を、抵抗線を無誘導巻きして構成すると回路インダクタンスを小さくすることができるので、図３に示すように、第２の遮断部１２と抵抗器１３の直列回路に並列にスナバ回路１６を並列接続することができる。これにより、スナバ回路は、第１の遮断部１１と第２の遮断部１２の両方に共通に設けることができるが、２つに分けて、２つの遮断部にそれぞれ並列に接続することにより、１つのスナバ回路を小さくすることができるので、配線の自由度が増し、装置の組み立て作業が容易となる。
【００４１】
前記第１の実施例および第２の実施例に示す通り、この発明の直流断装置の第１の遮断部および第２の遮断部を半導体スイッチ素子により構成することにより、機械的開閉機構部をなくすことができるので、保守点検を大幅に軽減することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１：直流電源
２：負荷
１０：直流遮断装置
１１：第１の遮断部
１２：第２の遮断部
１３：抵抗器
１４：エネルギー吸収装置
１５、１６：スナバ回路
【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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