(57)【要約】  制御信号によって導通及び非導通が制御される半導体スイッチを用いて電流を遮断する際にサージ電圧の発生を抑制する半導体遮断器及び遮断装置を得る。  交流回路に接続された半導体スイッチ部１０と、制御信号により半導体スイッチ部１０の導通及び非導通を制御する位相制御部２０とを備える。位相制御部２０は、交流回路から検出された電流に基づいて事故を検出する事故検出部２１と、交流回路から検出された電流に基づいて電流零点を検出する零点検出部２２とを備え、事故検出部２１が事故を検出したとき又は電流を遮断する指令を受け、零点検出部２２が電流零点を検出したとき、半導体スイッチ部１０を非導通にする制御信号を出力する制御信号出力部２３とを備える。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流回路に接続され、制御信号に基づいて導通及び非導通が制御される半導体スイッチ部と、
前記交流回路から検出された電流に基づいて事故を検出する事故検出部と、
前記交流回路から検出された電流に基づいて電流零点を検出する零点検出部と、
前記事故検出部が事故を検出したとき又は電流を遮断する指令を受けて前記零点検出部が前記電流零点を検出したとき、前記半導体スイッチ部を非導通にする前記制御信号を出力する制御信号出力部と
を備えることを特徴とする半導体遮断器。
【請求項２】
前記事故検出部は、前記交流回路から検出された電流に基づいて電流値又は電流値の変化量が閾値以上であった場合、事故と判定することを特徴とする請求項１に記載の半導体遮断器。
【請求項３】
前記交流回路の各相に対応してそれぞれ前記半導体スイッチ部、前記事故検出部、前記零点検出部及び前記制御信号出力部を備え、少なくとも１つの相の前記事故検出部が事故を検出したとき電流を遮断する指令を出力し、事故が検出された相の前記制御信号出力部は、事故が検出された相の前記半導体スイッチ部を非導通にする前記制御信号を出力し、他の相の前記制御信号出力部は、事故が検出された相の前記事故検出部から電流を遮断する指令を受けて前記他の相の前記零点検出部が前記電流零点を検出したとき、前記他の相の前記半導体スイッチ部を非導通にする前記制御信号を出力することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体遮断器。
【請求項４】
交流回路に接続され、制御信号に基づいて導通及び非導通が制御される半導体スイッチ部と、
前記交流回路から検出された電流に基づいて事故を検出する事故検出部と、
前記交流回路から検出された電流に基づいて電流零点を検出し、検出された前記電流零点より後の電流零点及び前記制御信号の出力にかかる遅延時間を推定する零点検出部と、
前記事故検出部が事故を検出したとき又は電流を遮断する指令を受けて前記遅延時間に基づいて前記後の電流零点となるとき、前記半導体スイッチ部を非導通にする前記制御信号を出力する制御信号出力部と
を備えることを特徴とする半導体遮断器。
【請求項５】
前記事故検出部は、前記交流回路から検出された電流から電流信号を取得して電圧信号に変換するアンプと、前記電圧信号と事故か否かを判定する閾値とを比較して比較結果を示す信号を出力する比較部とを備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体遮断器。
【請求項６】
前記零点検出部は、前記交流回路から検出された電流から電流信号を取得して電圧信号に変換するアンプと、電圧信号と零電位とを比較して比較結果を示す信号を出力する比較部と、前記比較部から２つに分岐されて出力された前記比較結果を示す信号のうち、一方の信号を論理反転して出力するＮＯＴ回路とを備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体遮断器。
【請求項７】
前記制御信号出力部は、前記事故検出部及び前記零点検出部から出力された信号の出力をそれぞれ保持するラッチと、前記ラッチから出力された信号の論理積に応じて前記制御信号を出力するＡＮＤ回路とを備えることを特徴とする請求項５又は６に記載の半導体遮断器。
【請求項８】
前記制御信号出力部は、前記事故検出部から出力された信号の出力を保持するラッチと、前記零点検出部から出力された信号に応じて、電流を遮断する指令信号の出力を保持するＤラッチと、前記ラッチ及び前記Ｄラッチから出力された信号の論理積に応じて前記制御信号を出力するＡＮＤ回路とを備えることを特徴とする請求項５又は６に記載の半導体遮断器。
【請求項９】
電源に接続された母線から分岐された分岐線路に接続された請求項１から８のいずれか一項に記載の半導体遮断器と、前記母線に接続された主幹スイッチに並列に接続された限流器とを備えることを特徴とする遮断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体スイッチを用いて電流を遮断する半導体遮断器及び遮断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
配電盤や制御盤等に設けられる遮断器は、負荷に供給される負荷電流を開閉するとともに、負荷やそこへ至る電力系統において短絡や地絡等の事故が発生した場合に生じる事故電流を遮断する。交流電力系統では、一般的にガス遮断器、真空遮断器、空気遮断器等の機械式遮断器が使用されている。このような機械式遮断器では、遮断する際にアークという高温の放電が発生する。アークは電流値が零にならなければ消弧しないという性質があるため、交流電力系統における機械式遮断器は、交流の半周期ごとに訪れる電流値が零となるタイミング（以下、電流零点という）で電流が遮断される。【０００３】
高温のアークを発生させない方法として、機械式遮断器の代わりに半導体遮断器を用いる方法がある。半導体遮断器では、事故発生後、半導体スイッチを高速に非導通にすることで、アークを発生させることなく事故電流を遮断する。例えば特許文献１には、半導体スイッチとしてサイリスタを用い、短絡事故が発生した場合、予め充電された転流コンデンサを放電させることでサイリスタをターンオフさせる半導体交流遮断器が開示されている。【０００４】
しかし、サイリスタやトライアック等を半導体スイッチとして用いた半導体遮断器では、電流零点まで電流が遮断されないという特徴をもつため、事故電流が電流値のピークを越えてから電流零点に至る場合には半導体スイッチの電流耐量を超える可能性がある。そのため、大きな電流耐量を有する半導体スイッチを用いたり、多数の半導体スイッチを並列接続したりすることが必要となり、半導体遮断器が大型化及び高コスト化するという問題がある。【０００５】
そこで、サイリスタやトライアック等の半導体スイッチの代わりに、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、パワートランジスタ等の自己消弧型の半導体スイッチを用いた半導体遮断器が開発されている。これらの半導体スイッチでは、制御信号によって導通及び非導通が制御されるため、電流零点を待つことなく、半導体スイッチの電流耐量に至る前に電流を遮断できる。例えば特許文献２では、制御信号に基づいて電源装置と負荷装置との間を導通と非導通に切り替える半導体スイッチ部を備え、電流検出器によって検出された電流が、所定の電流閾値以上であると判定した場合に、半導体スイッチ部を遮断する半導体遮断器が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭５０−０３２４６１号公報
【特許文献２】特開２０１３−１７２６０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、制御信号により導通及び非導通が制御される半導体スイッチを備えた半導体遮断器では、電力系統が正常に動作している際に負荷に供給される電流を遮断する場合、電流零点以外で遮断される可能性がある。負荷がモータ等の誘導負荷である場合、電流零点以外で電流を遮断すると高圧のサージ電圧が発生して半導体スイッチが破壊される恐れがあるため、サージ電圧の発生を抑制するための機器やそれを接続するための回路が必要となり、半導体遮断器が大型化及び高コスト化するという問題があった。【０００８】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、事故発生時に速やかに電流を遮断しつつ、電力系統が正常に動作している際にサージ電圧の発生を抑制して電流を遮断することで小型化及び低コスト化が可能な半導体遮断器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る半導体遮断器は、交流回路に接続され、制御信号に基づいて導通及び非導通が制御される半導体スイッチ部と、交流回路から検出された電流に基づいて事故を検出する事故検出部と、交流回路から検出された電流に基づいて電流零点を検出する零点検出部と、事故検出部が事故を検出したとき又は電流を遮断する指令を受けて零点検出部が電流零点を検出したとき、半導体スイッチ部を非導通にする制御信号を出力する制御信号出力部とを備える。【００１０】
また、本発明に係る遮断装置は、電源に接続された母線から分岐された分岐線路に接続された半導体遮断器と、母線に接続された主幹スイッチに並列に接続された限流器とを備える。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る半導体遮断器によれば、事故が検出されたとき又は電流を遮断する指令を受けて電流零点を検出したときに、半導体スイッチ部を非導通にする制御信号を出力することで、事故発生時に流れる電流を半導体スイッチ部の電流耐量に至る前に遮断しつつ、電力系統の正常時に負荷に供給される電流を、高圧のサージ電圧の発生を抑制して遮断することができ、半導体遮断器の小型化及び低コスト化が可能となる。【００１２】
また、本発明に係る遮断装置によれば、主幹スイッチに並列に限流器を接続することで、事故が起こった場合に、電源側から負荷側に向かって流れる電流を限流し、半導体遮断器で直ちに電流を遮断することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１に係る半導体遮断器の概略構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る半導体遮断器の半導体スイッチ部の概略構成図である
【図３】本発明の実施の形態１に係る半導体遮断器の概略構成図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る半導体遮断器の動作を示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施の形態１に係る半導体遮断器の動作を説明するための説明図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係る半導体遮断器の概略構成図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係る半導体遮断器の動作を示すフローチャートである。
【図８】本発明の実施の形態２に係る半導体遮断器の動作を説明するための説明図である。
【図９】本発明の実施の形態２に係る半導体遮断器の概略構成図である。
【図１０】本発明の実施の形態２に係る半導体遮断器の動作を示すフローチャートである。
【図１１】本発明の実施の形態２に係る半導体遮断器の動作を示すフローチャートである。
【図１２】本発明の実施の形態３に係る半導体遮断器の動作を説明するための説明図である。
【図１３】本発明の実施の形態３に係る半導体遮断器の動作を説明するための説明図である。
【図１４】本発明の実施の形態４に係る遮断装置を適用した電力系統の概略構成図である。
【図１５】本発明の実施の形態４に係る半導体遮断器の概略構成図である。
【図１６】本発明の実施の形態４に係る遮断装置を適用した電力系統の概略構成図である。
【図１７】本発明の実施の形態５に係る半導体遮断器の位相制御部の概略構成図である。
【図１８】本発明の実施の形態６に係る半導体遮断器の位相制御部の概略構成図である。
【図１９】本発明の実施の形態６に係る半導体遮断器の位相制御部の概略構成図である。
【図２０】本発明の実施の形態６に係る半導体遮断器の位相制御部の概略構成図である。
【図２１】本発明の実施の形態６に係る半導体遮断器の位相制御部の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体遮断器を示す概略構成図である。本実施の形態では、一例としてｒ相、ｓ相及びｔ相の三相交流回路に接続された半導体遮断器について説明する。図１に示すように、半導体遮断器１００は、ｒ相、ｓ相及びｔ相にそれぞれ接続された半導体スイッチ部１０ｒ、１０ｓ、１０ｔと、各半導体スイッチ部１０ｒ、１０ｓ、１０ｔの導通及び非導通を制御する位相制御部２０ｒ、２０ｓ、２０ｔとを備える。半導体遮断器１００は、交流電源と負荷との間に接続され、各相には電流を検出する電流検出器３０ｒ、３０ｓ、３０ｔが設けられている。
【００１５】
以下では、ｒ相、ｓ相及びｔ相にそれぞれ設けられた同一の名称を有する各部は、同様の構成及び機能を有するものとし、各部の同様の構成及び機能を述べる際は、一括して半導体スイッチ部１０、位相制御部２０、電流検出器３０と記載する。
【００１６】
図２は、本発明の実施の形態１に係る半導体遮断器の半導体スイッチ部を示す概略構成図である。半導体スイッチ部１０は、位相制御部２０から出力される制御信号によって、導通と非導通とが切り替わる。図２に示すように、半導体スイッチ部１０は、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）である。半導体スイッチ部１０は、第１の半導体素子１１ａと、第１の半導体素子１１ａに並列に接続された、第１の半導体素子１１ａの電流と逆向きの電流を流す第１のダイオード１２ａと、第１の半導体素子１１ａと逆向きに接続された第２の半導体素子１１ｂと、第２の半導体素子１１ｂの電流と逆向きの電流を流す第２のダイオード１２ｂとを備える。
【００１７】
ここで、半導体スイッチ部１０がＩＧＢＴである例を示したが、制御信号により導通及び非導通が制御されるものであればよく、例えばＧＴＯ（Ｇａｔｅ  Ｔｕｒｎ−Ｏｆｆ  ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）、ＧＣＴ（Ｇａｔｅ  Ｃｏｍｍｕｔａｔｅｄ  Ｔｕｒｎ−Ｏｆｆ  ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）等であってもよい。
【００１８】
図３は、本発明の実施の形態１に係る半導体遮断器の位相制御部を示す概略構成図である。図３に示すように、位相制御部２０は、電流検出器３０で検出された電流に基づいて事故を検出する事故検出部２１と、電流検出器３０で検出された電流に基づいて電流零点を検出する零点検出部２２と、事故が検出されたとき又は電流を遮断する指令を受けて電流零点が検出されたとき、半導体スイッチ部１０を非導通にする制御信号を出力する制御信号出力部２３とを備える。
【００１９】
事故検出部２１は、電流検出器３０から電流信号Ｓ１を取得し、電流値又は電流値の変化量が所定の閾値以上となった場合に事故と判定し、事故検出信号Ｓ２を制御信号出力部２３に出力する。ここで閾値は、半導体スイッチ部１０の電流耐量以下に設定されている。
【００２０】
零点検出部２２は、電流検出器３０から電流信号Ｓ１を取得し、電流値が零であるとき又は電流値の符号が反転したときを電流零点として検出し、零点検出信号Ｓ３を制御信号出力部２３に出力する。零点検出部２２は、電流信号Ｓ１から常時、電流零点を検出していてもよいし、例えば、外部に設けられた使用者が操作できる操作部４０から電流の遮断を指令する指令信号Ｓ５が入力されてから電流零点の検出を開始してもよい。ここで操作部４０は、例えば、機械式スイッチや、指令信号Ｓ５を出力する他の制御機器等の信号源である。また、零点検出部２２は、後述するように、他の相の位相制御部２０から出力された電流の遮断を指令する事故検出信号Ｓ２が入力されてから電流零点の検出を開始してもよい。ここで、図３では操作部４０からの指令信号Ｓ５が、零点検出部２２に入力される例を示しているが、零点検出部２２が常時、電流零点を検出する場合、操作部４０からの指令信号Ｓ５は制御信号出力部２３に入力されてもよい。
【００２１】
制御信号出力部２３は、半導体スイッチ部１０を導通にする際はオン制御信号Ｓ４ａを出力し、非導通にする際はオフ制御信号Ｓ４ｂを半導体スイッチ部１０に出力する。制御信号出力部２３は、事故検出部２１から出力された事故検出信号Ｓ２に応じて、半導体スイッチ部１０にオフ制御信号Ｓ４ｂを出力する。また制御信号出力部２３は、零点検出部２２から出力された零点検出信号Ｓ３に応じて、オフ制御信号Ｓ４ｂを半導体スイッチ部１０に出力する。
【００２２】
位相制御部２０は、例えば、Ａ／Ｄ変換器と、マイクロプロセッサー等のＣＰＵと、入出力回路とを有するデジタル回路で構成してもよいし、アナログ回路で構成してもよい。
【００２３】
電流検出器３０は、半導体遮断器１００に設けられてもよいし、例えば半導体遮断器１００の外部の交流回路に設けられたＣＴを用いてもよい。
【００２４】
次に、半導体遮断器１００の動作について説明する。ここで、位相制御部２０は、各々の相に設けられた電流検出器３０から検出された電流に基づいて、各々の相に設けられた半導体スイッチ部１０を制御するものとする。図４は、本発明の実施の形態１に係る半導体遮断器の動作の一例を示すフローチャートである。半導体遮断器１００の位相制御部２０は、電流検出器３０から電流信号Ｓ１を取得する（ＳＴ１）。
【００２５】
事故検出部２１は、取得された電流信号Ｓ１に基づいて、電流値又は電流値の変化量が所定の閾値以上か否かを判定する（ＳＴ２）。事故検出部２１は、閾値以上であった場合、事故と判定し、事故検出信号Ｓ２を制御信号出力部２３に出力する（ＳＴ３）。
【００２６】
また電流の遮断を指令する指令信号Ｓ５が位相制御部２０に出力された場合（ＳＴ４）、零点検出部２２は、取得された電流信号Ｓ１に基づいて、電流零点を検出する（ＳＴ５）。零点検出部２２は、電流零点が検出されたとき、零点検出信号Ｓ３を制御信号出力部２３に出力する（ＳＴ６）。
【００２７】
制御信号出力部２３は、事故検出信号Ｓ２又は零点検出信号Ｓ３に応じて、半導体スイッチ部１０を非導通にするオフ制御信号Ｓ４ｂを半導体スイッチ部１０に出力する（ＳＴ７）。
【００２８】
半導体スイッチ部１０は、事故検出信号Ｓ２に応じて出力されたオフ制御信号Ｓ４ｂを受けた場合、半導体スイッチ部１０の電流耐量に至る前に非導通となり電流を遮断する。また半導体スイッチ部１０は、零点検出信号Ｓ３に応じて出力されたオフ制御信号Ｓ４ｂを受けた場合、検出された電流零点で非導通となり電流を遮断する（ＳＴ８）。ここで、電流零点で非導通になるとは、検出された電流零点から位相制御部２０の信号処理にかかる遅延時間Δｔｄ経過後に非導通になる場合も含む。
【００２９】
図５は、本発明の実施の形態１に係る半導体遮断器の動作を説明するための説明図である。図５において縦軸は電流値（ｋＡ）、横軸は時間（ｓ）を示す。図５に示すように、電力系統に短絡や地絡等が発生すると、電流値及び電流値の時間変化量が増大する。本実施の形態に係る半導体遮断器１００は、時刻Ｔａで事故発生後、所定の閾値Ｒｍａｘ以上の電流値が検出された時刻Ｔｂで事故と判定し、電流零点を待つことなく、半導体スイッチ部１０の電流耐量Ｃｍａｘに至る前に速やか遮断することができる。そのため、電流耐量の大きい半導体スイッチ部１０を用いたり、半導体スイッチ部１０を並列接続したりする必要がなく、半導体遮断器１００の小型化及び低コスト化が可能となる。さらに制御信号で非導通に制御される半導体スイッチ部１０を用いることで、予め充電されたコンデンサから逆電流を重畳するための回路を設ける必要がなく、半導体遮断器１００を小型化及び低コスト化できる。
【００３０】
また、本実施の形態に係る半導体遮断器１００は、電流を遮断する指令が出された場合、零点検出部２２が電流零点を検出したとき、制御信号出力部２３が半導体スイッチ部１０を非導通にするオフ制御信号Ｓ４ｂを出力する。これにより、負荷が例えばモータのような誘導負荷であった場合に、電流が電流零点以外のとき、特に交流電流の電流値のピークとなるときに遮断されて、負荷のインダクタンスＬと、半導体スイッチ部１０を流れる電流Ｉの時間変化量ｄＩ／ｄｔとの積Ｌ×（ｄＩ／ｄｔ）に相当する高圧のサージ電圧が発生するのを抑制することができる。
【００３１】
また短絡や地絡等の事故が発生した場合、半導体遮断器１００は負荷と事故点で回路的に切り離されているため、負荷のインダクタンス成分の影響は受けず、電流零点を待つことなく遮断しても負荷によるサージ電圧は発生しない。
【００３２】
そのため、サージ電圧により半導体スイッチ部１０が破壊されるのを防ぐために、耐電圧性能の高い半導体スイッチ部１０を用いたり、サージエネルギーを吸収するアレスターやバリスタ等の避雷器を用いたりする必要がなくなり、半導体遮断器１００の小型化及び低コスト化が可能となる。
【００３３】
実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２に係る半導体遮断器の位相制御部の概略構成図である。実施の形態１では、位相制御部２０ｒ、２０ｓ、２０ｔが、それぞれ半導体スイッチ部１０ｒ、１０ｓ、１０ｔを制御していたのに対し、本実施の形態では、位相制御部２０ｒ、２０ｓ、２０ｔが互いに接続され、事故発生時に事故が発生した相の位相制御部２０が、正常な他の相の半導体スイッチ部１０を制御する。以下では、実施の形態１と同様である点の説明を省略し、異なる点を中心に説明する。
【００３４】
図６に示すように、ｒ相、ｓ相及びｔ相の各相に設けられた半導体スイッチ部１０ｒ、１０ｓ、１０ｔの導通及び非導通を制御する位相制御部２０ｒ、２０ｓ、２０ｔは、信号の送受信が可能となるように、互いに接続されている。ここで、図６では、以下に述べる特定の場合における信号の送受信を矢印で示しており、事故検出部２１ｓと制御信号出力部２３ｓとの間や、事故検出部２１ｔと制御信号出力部２３ｔとの間の信号の送受信は省略されている。また、図６では、事故検出部２１ｒからの信号を他の相の零点検出部２２ｓ、２２ｔに出力する例を示しているが、零点検出部２２が常時、電流零点を検出している場合、他の相の制御信号出力部２３ｓ、２３ｔに出力してもよい。
【００３５】
まず三相交流回路において、１相で事故が発生して他の２相が正常である場合について説明する。一例として、ｒ相で短絡や地絡等による事故が発生し、ｓ相及びｔ相が正常であるとする。図７は、本発明の実施の形態２に係る半導体遮断器の動作の一例を示すフローチャートである。
【００３６】
ｒ相の位相制御部２０ｒは、ｒ相に流れる電流を検出する電流検出器３０ｒから電流信号Ｓ１を取得する（ＳＴ１０１）。ｒ相の事故検出部２１ｒは、取得された電流信号Ｓ１に基づいて、電流値又は電流値の変化量が所定の閾値以上か否かを判定する（ＳＴ１０２）。ｒ相の事故検出部２１ｒは、閾値以上であった場合、事故と判定し、ｒ相の制御信号出力部２３ｒと、ｓ相及びｔ相の零点検出部２２ｓ、２２ｔとにそれぞれ事故検出信号Ｓ２を出力する（ＳＴ１０３）。
【００３７】
ｒ相の制御信号出力部２３ｒは、ｒ相の事故検出部２１ｒからの事故検出信号Ｓ２に応じて、半導体スイッチ部１０を非導通にするオフ制御信号Ｓ４ｂを、ｒ相の半導体スイッチ部１０ｒに出力する（ＳＴ１０４）。ｒ相の半導体スイッチ部１０ｒは、オフ制御信号Ｓ４ｂに応じて、電流零点を待つことなく、半導体スイッチ部１０の電流耐量に至る前に非導通となり電流を遮断する（ＳＴ１０５）。
【００３８】
ｓ相及びｔ相の零点検出部２２ｓ、２２ｔは、ｓ相及びｔ相に流れる電流を検出する電流検出器３０ｓ、３０ｔからそれぞれ電流信号Ｓ１を取得する（ＳＴ１０６）。ｓ相及びｔ相の零点検出部２２ｓ、２２ｔは、ｒ相の事故検出部２１ｒから、電流の遮断を指令する信号として事故検出信号Ｓ２を受け、各相から取得された電流信号Ｓ１に基づいて、それぞれ電流零点を検出する（ＳＴ１０７）。そして、電流零点を検出したとき、零点検出信号Ｓ３をｓ相及びｔ相の制御信号出力部２３ｓ、２３ｔにそれぞれ出力する（ＳＴ１０８）。
【００３９】
ｓ相及びｔ相の制御信号出力部２３ｓ、２３ｔは、零点検出信号Ｓ３に応じて、ｓ相及びｔ相の半導体スイッチ部１０ｓ、１０ｔを非導通にするオフ制御信号Ｓ４ｂを出力する（ＳＴ１０９）。ｓ相及びｔ相の半導体スイッチ部１０ｓ、１０ｔは、オフ制御信号Ｓ４ｂに応じて、電流零点で電流を遮断する（ＳＴ１１０）。
【００４０】
図８は、本発明の実施の形態２に係る半導体遮断器の動作の一例を説明するための説明図である。図８において縦軸は電流値（ｋＡ）、横軸は時間（ｓ）を示す。図８に示すように、ｒ相、ｓ相及びｔ相にそれぞれ電流Ｉｒ、Ｉｓ、Ｉｔが流れているとする。事故が発生したｒ相では、時刻Ｔａで事故発生後、電流零点を待つことなくオフ制御信号Ｓ４ｂが出力され、半導体スイッチ部１０ｒの電流耐量に至る前の時刻Ｔ１で電流Ｉｒが遮断される。また正常なｓ相及びｔ相では、ｒ相で事故を検出後、ｓ相の電流Ｉｓ及びｔ相の電流Ｉｔがそれぞれ電流零点となる時刻Ｔ３、時刻Ｔ２でそれぞれ遮断される。
【００４１】
ここで、ｓ相で事故が発生してｒ相及びｔ相が正常である場合及びｔ相で事故が発生してｒ相及びｓ相が正常である場合も、上述と同様の動作であるため省略する。上述の動作は、一部前後してもよい。
【００４２】
次に２相で事故が発生して１相が正常である場合について説明する。一例としてｒ相及びｓ相で短絡や地絡等による事故が発生し、ｔ相が正常である場合について説明する。図９は、本発明の実施の形態２に係る半導体遮断器の位相制御部の概略構成図である。ここで、図９では、以下に述べる特定の場合における信号の送受信を矢印で示しており、事故検出部２１ｔと制御信号出力部２３ｔとの間の信号の送受信は省略されている。
【００４３】
図１０は、本発明の実施の形態１に係る半導体遮断器のｒ相の位相制御部の動作を示すフローチャートである。ｒ相の位相制御部２０ｒは、ｒ相の電流検出器３０ｒから電流信号Ｓ１を取得する（ＳＴ２０１Ｒ）。ｒ相の事故検出部２１ｒは、取得された電流信号Ｓ１に基づいて、電流値又は電流値の変化量が所定の閾値以上か否か判定する（ＳＴ２０２Ｒ）。ｒ相の事故検出部２１ｒは、閾値以上であった場合、事故と判定し、ｒ相の制御信号出力部２３ｒと、ｓ相及びｔ相の零点検出部２２ｓ、２２ｔとに事故検出信号Ｓ２を出力する（ＳＴ２０３Ｒ）。
【００４４】
同様に、ｓ相の事故検出部２１ｓは、ｓ相の電流検出器３０ｓから電流信号Ｓ１を取得する（ＳＴ２０１Ｓ）。ｓ相の事故検出部２１ｓは、取得された電流信号Ｓ１に基づいて、電流値又は電流値の変化量が所定の閾値以上か否かを判定する（ＳＴ２０２Ｓ）。ｓ相の事故検出部２１ｓは、閾値以上であった場合、事故と判定し、ｓ相の制御信号出力部２３ｓと、ｒ相及びｔ相の零点検出部２２ｒ、２２ｔとに事故検出信号Ｓ２を出力する（ＳＴ２０３Ｓ）。
【００４５】
ｒ相の零点検出部２２ｒは、ｓ相の事故検出部２１ｓから、電流の遮断を指令する信号として事故検出信号Ｓ２を受ける（ＳＴ２０４Ｒ）。そして、ｒ相の電流検出器３０ｒから取得された電流信号Ｓ１に基づいて電流零点を検出する（ＳＴ２０５Ｒ）。そして、電流零点を検出したとき、零点検出信号Ｓ３をｒ相の制御信号出力部２３ｒに出力する（ＳＴ２０６Ｒ）。ｒ相の制御信号出力部２３ｒは、事故検出部２１ｒからの事故検出信号Ｓ２と、零点検出部２２ｒからの零点検出信号Ｓ３とのうち、先に入力された信号に応じて、オフ制御信号Ｓ４ｂをｒ相の半導体スイッチ部１０ｒに出力する（ＳＴ２０７Ｒ）。半導体スイッチ部１０ｒは、オフ制御信号Ｓ４ｂにより非導通となり電流を遮断する（ＳＴ２０８Ｒ）。
【００４６】
同様に、ｓ相の零点検出部２２ｓは、ｒ相の事故検出部２１ｒから電流の遮断を指令する信号として事故検出信号Ｓ２を受ける（ＳＴ２０４Ｓ）。そして、ｓ相の電流検出器３０ｓから取得された電流信号Ｓ１に基づいて電流零点を検出する（ＳＴ２０５Ｓ）。そして、電流零点を検出したとき、零点検出信号Ｓ３をｓ相の制御信号出力部２３ｓに出力する（ＳＴ２０６Ｓ）。ｓ相の制御信号出力部２３ｓは、事故検出部２１ｓからの事故検出信号Ｓ２と、零点検出部２２ｓからの零点検出信号Ｓ３とのうち、先に入力された信号に応じて、オフ制御信号Ｓ４ｂをｓ相の半導体スイッチ部１０ｓに出力する（ＳＴ２０７Ｓ）。半導体スイッチ部１０ｓは、オフ制御信号Ｓ４ｂにより非導通になり電流を遮断する（ＳＴ２０８Ｓ）。
【００４７】
図１１は、本発明の実施の形態１に係る半導体遮断器のｔ相の位相制御部の動作を示すフローチャートである。ｔ相の零点検出部２２ｔは、ｔ相の電流検出器３０ｔから電流信号Ｓ１を取得する（ＳＴ２０９）。ｔ相の零点検出部２２ｔは、ｒ相及びｓ相の事故検出部２１ｒ、２１ｓから、電流の遮断を指令する信号としてそれぞれ事故検出信号Ｓ２を受ける（ＳＴ２１０）。先に入力された信号に応じて、ｔ相の電流検出器３０ｔから取得された電流信号Ｓ１に基づいて電流零点を検出する（ＳＴ２１１）。そして、電流零点を検出したとき、零点検出信号Ｓ３をｔ相の制御信号出力部２３ｔに出力する（ＳＴ２１２）。ｔ相の制御信号出力部２３ｔは、零点検出信号Ｓ３に応じて、オフ制御信号Ｓ４ｂをｔ相の半導体スイッチ部１０ｔへ出力する（ＳＴ２１３）。ｔ相の半導体スイッチ部１０ｔは、オフ制御信号Ｓ４ｂに応じて電流零点で非導通となり電流を遮断する（ＳＴ２１４）。
【００４８】
ここで、ｓ相及びｔ相で事故が発生し、ｒ相が正常である場合及びｔ相及びｒ相で事故が発生し、ｓ相が正常である場合も、上述した動作と同様の動作であるため省略する。上述の動作は、一部前後してもよい。また、ｒ相の位相制御部２０ｒの動作（ＳＴ２０１Ｒ）〜（ＳＴ２０８Ｒ）と、ｓ相の位相制御部２０ｓの動作（ＳＴ２０１Ｓ）〜（ＳＴ２０８Ｓ）とは同時に行われてもよい。
【００４９】
上述のとおり、本実施の形態に係る半導体遮断器１００は、事故が検出された場合には、半導体スイッチ部１０の電流耐量に至る前に直ちに電流を遮断し、電流を遮断する指令が出された場合には、電流零点で電流を遮断することで、サージ電圧の発生を抑制できる。さらに本実施の形態では、事故検出部２１が少なくとも１つの相で事故を検出した場合、事故が検出された相の制御信号出力部２３は、事故が検出された相の半導体スイッチ部１０にオフ制御信号Ｓ４ｂを出力し、事故が検出された相と異なる他の相の制御信号出力部２３は、事故が検出された相の事故検出部２１から電流を遮断する指令を受けて他の相の零点検出部２２が電流零点を検出したとき、他の相の半導体スイッチ部１０にオフ制御信号Ｓ４ｂを出力する。
【００５０】
これにより、事故が発生した相の半導体スイッチ部１０は、事故検出後直ちに非導通となり、正常な他の相の半導体スイッチ部１０は、事故検出後に検出された電流零点で非導通となる。このように、正常な相の半導体スイッチ部１０を電流零点で非導通にすることで、サージ電圧が発生するのを抑制しつつ、事故が発生した相に流れる事故電流が他の正常な相に回り込むのを防ぐことができる。
【００５１】
実施の形態３．
実施の形態１では、零点検出部２２が電流零点を検出したとき制御信号出力部２３が半導体スイッチ部１０を非導通にする制御信号を出力していたのに対し、本実施の形態では、位相制御部２０を構成する回路に起因する遅延時間Δｔｄを考慮して、検出された電流に基づいて、後の電流零点となるときを推定し、推定された、後の電流零点となるとき半導体スイッチ部１０を非導通にする制御信号を出力する。以下では、実施の形態１と同様である点の説明を省略し、異なる点を中心に説明する。
【００５２】
図１２は、本発明の実施の形態３に係る半導体遮断器の動作の一例を説明するための説明図である。図１２において縦軸は電流値（ｋＡ）、横軸は時間（ｓ）を示す。図１２に示すように、零点検出部２２が電流零点を検出したときに半導体スイッチ部１０を非導通にするオフ制御信号Ｓ４ｂを出力すると、各相に流れる電流Ｉｒ、Ｉｓ、Ｉｔは、検出された電流零点丁度では遮断されず、検出された電流零点から遅延時間Δｔｄ経過後に遮断される場合がある。この遅延時間Δｔｄは、位相制御部２０の内部回路をＡ／Ｄ変換及びＣＰＵを用いたデジタル回路で構成している場合であれば、例えばＡ／Ｄ変換器のサンプリングレートとＣＰＵの処理時間に起因する遅延時間にあたり、アナログ回路であれば内部回路でのアナログ信号処理の遅れに起因する遅延時間である。
【００５３】
零点検出部２２は、例えば検出された電流零点の周期から、後の電流零点を推定する。ここで、後の電流零点とは、現在検出された電流から推定される数周期後の時間における電流零点であってもよい。また、零点検出部２２は、制御信号出力部２３が制御信号を出力するまでにかかる遅延時間Δｔｄを推定する。そして、電流零点と推定される時刻Ｔｃから遅延時間Δｔｄより前の時刻に、零点検出信号Ｓ３を出力する。制御信号出力部２３は、零点検出信号Ｓ３に応じて、推定された後の電流零点となるとき、オフ制御信号Ｓ４ｂを半導体スイッチ部１０に出力する。
【００５４】
上述のとおり、本実施の形態に係る半導体遮断器１００は、事故が検出された場合には、半導体スイッチ部１０の電流耐量に至る前に直ちに電流を遮断し、電流を遮断する指令が出された場合には、電流零点で電流を遮断することで、サージ電圧の発生を抑制できる。さらに本実施の形態では、後の電流零点となる時刻Ｔｃを推定し、推定された時刻Ｔｃから遅延時間Δｔｄより前の時刻に、零点検出信号Ｓ３を出力する構成とした。この構成により、位相制御部２０が電流零点を検出してからオフ制御信号Ｓ４ｂを出力するまでにかかる遅延時間Δｔｄの影響を小さくすることができる。
【００５５】
図１２に示すように、電流零点を検出してから実際に半導体スイッチ部１０が遮断されるまでの間に遅延時間Δｔｄが発生すると、遅延時間Δｔｄの間に微小な電流ｉが流れることになる。負荷が誘導負荷である場合、負荷に供給される電流ｉを遮断しようとすると、負荷のインダクタンス成分Ｌと、電流ｉの時間変化量ｄｉ／ｄｔとの積で表されるＬ×（ｄｉ／ｄｔ）の値に相当するサージ電圧が発生する。また、負荷から半導体遮断器１００に至るまでの回路に、浮遊静電容量Ｃがある場合には、サージインピーダンスＺ＝√Ｌ／Ｃがあるため、ｉＺに相当するサージ電圧が発生する。
【００５６】
電流零点となる時刻を推定し、遅延時間Δｔｄの影響を小さくすることで、これらのサージ電圧の発生を抑制することができるため、半導体スイッチ部１０を保護するための機器やそれを接続するための回路を必要とせず、半導体遮断器１００をさらに小型化及び低コスト化することができる。
【００５７】
なお、例えば、三相交流回路のある相で事故が発生した場合、他の正常な相では、過渡的な電流波形を解析することにより、後の電流零点の時刻が推定されるとさらに好ましい。図１３は、本発明の実施の形態３に係る半導体遮断器の動作を説明するための説明図である。図１３において縦軸は電流値（ｋＡ）、横軸は時間（ｓ）を示す。図１３に示すように、例えばｒ相で事故が発生した影響で、他の正常なｓ相及びｔ相に流れる電流Ｉｓ、Ｉｔの電流波形が通常の周期的な電流波形と異なる場合がある。
【００５８】
零点検出部２２は、事故発生後の過渡的な電流波形を解析して推定される後の電流零点となるときに零点検出信号Ｓ３を出力する。事故発生後の過渡的な電流波形は、例えば正弦関数によるフィッティングや、最小二乗法を使った多項式近似を用いて解析される。ここで、零点検出部２２は、後の電流零点と推定される時刻Ｔｃから遅延時間Δｔｄより前に零点検出信号Ｓ３を出力してもよい。
【００５９】
このように、事故発生後の過渡的な電流波形を解析して、後の電流零点を推定することにより、ある相で事故が発生した影響で他の相の後の電流零点までの周期的な時間間隔が変わった場合であっても、他の正常な相に流れる電流を電流零点で遮断でき、サージ電圧の発生をさらに抑制することができる。
【００６０】
実施の形態４．
図１４は、本発明の実施の形態４に係る遮断装置を適用した電力系統を示す概略構成図である。以下では、実施の形態１と同様である点の説明を省略し、異なる点を中心に説明する。図１４に示すように、電力系統では、電源１に接続された母線３に主幹スイッチ２が電源１と直列に接続されており、主幹スイッチ２の電源１側と反対側の母線３には、２つに分岐された分岐線路４ａ、４ｂが設けられている。分岐線路４ａ、４ｂには負荷として誘導電動機５ａ、５ｂが接続されており、電源１から電力が供給されている。
【００６１】
電源１は、例えば外部の一般の発電設備である。主幹スイッチ２は、例えば機械式遮断器や半導体遮断器である。図１４では、負荷が誘導電動機５ａ、５ｂである例を示しているが、例えばモータ、リアクトル、トランス等の誘導負荷又は抵抗負荷であってもよい。
【００６２】
遮断装置２００は、電源１に接続された母線３から分岐された分岐線路４ａ、４ｂに接続された半導体遮断器１００ａ、１００ｂと、母線３に接続された主幹スイッチ２に並列に接続された限流器６とを備える。遮断装置２００は、電力系統で事故が発生した場合、限流器６が電源１側から負荷である誘導電動機５ａ、５ｂ側に向かって流れる電流を限流する。限流器６は、例えば抵抗器やリアクトルである。
【００６３】
ここで図１４では、分岐線路４ａ、４ｂに半導体遮断器１００ａ、１００ｂがそれぞれ接続された例を示しているが、分岐線路４ａ、４ｂの一方に設けられた遮断器が機械式遮断器であってもよい。また２本の分岐線路４ａ、４ｂである例を示しているが、例えば３本、４本とそれより多くてもよい。また分岐線路４ａ、４ｂをそれぞれ１本の線で示しているが、三相交流回路である場合それぞれ３本の線路で構成される。
【００６４】
本実施の形態に係る遮断装置２００は、電源１に接続された母線３から分岐された分岐線路４ａ、４ｂの少なくともいずれかに半導体遮断器１００を設けることで、事故が検出された場合には、半導体スイッチ部１０の電流耐量に至る前に直ちに電流を遮断し、電流を遮断する指令が出された場合には、電流零点で電流を遮断し、サージ電圧を抑制できる。さらに本実施の形態で遮断装置２００は、母線３に接続された主幹スイッチ２に並列に接続された限流器６を備えることで、分岐線路４ａ、４ｂの少なくともいずれかに事故が起こった場合に、電源１側から負荷である誘導電動機５ａ、５ｂ側に向かって流れる電流を限流し、半導体遮断器１００が直ちに電流を遮断することができる。
【００６５】
また、遮断装置２００では、半導体遮断器１００を備えることで、少なくともいずれか一方の分岐線路４ａ、４ｂで事故が起こった場合に、正常な分岐線路４ａ、４ｂに接続された誘導電動機５ａ、５ｂが発電機として作用し、正常な分岐線路４ａ、４ｂから事故が発生した分岐線路４ａに電流が回り込むのを防ぐことができる。
【００６６】
なお、実施の形態１から４において、半導体遮断器１００は、負荷のインダクタンス成分によるサージ電圧の発生を抑制できるため、避雷器を設ける必要がないとしたが、負荷のインダクタンス成分ではなく交流電源のインダクタンス成分や雷等に起因するサージから保護する目的では、図１５に示すように、三相交流回路の各相の半導体遮断器１００のＩＮ側に、避雷器７ｒ、７ｓ、７ｔを設けてもよい。また、図１６に示すように、遮断装置２００は、分岐線路４ａ、４ｂに設けられた半導体遮断器１００ａ、１００ｂに個々に避雷器７を設けるのではなく、分岐部分である母線３に避雷器７を少なくとも１つ設けてもよい。このような構成でも、交流電源のインダクタンス成分や雷等に起因するサージから保護する効果が十分に得られ、半導体遮断器１００の個々に避雷器７を設ける場合と比べ、低コスト化が可能である。
【００６７】
実施の形態５．
本実施の形態では、半導体遮断器１００の位相制御部２０の詳細な構成の一例について説明する。図１７は、本発明の実施の形態５に係る半導体遮断器の位相制御部の概略構成図ある。
【００６８】
以下では、半導体スイッチ部１０は、真の論理信号Ｈに応じて導通となり、偽の論理信号Ｌに応じて非導通となるように制御されるものとする。
【００６９】
図１７に示すように、位相制御部２０は、事故検出部２１と、零点検出部２２と、制御信号出力部２３とを備える。また位相制御部２０は、電流検出端子２０１と、外部信号端子２０２と、事故信号端子２０３と、制御信号端子２０４と、リセット信号端子２０５とを備える。電流検出端子２０１は電流検出器３０に接続され、外部信号端子２０２は操作部４０に接続され、事故信号端子２０３は他の相の位相制御部２０に接続され、制御信号端子２０４は半導体スイッチ部１０に接続される。これらの端子は、必要に応じて２個以上備えていてもよい。
【００７０】
位相制御部２０は、電流検出器３０から電流信号Ｓ１を取得し、電流検出端子２０１を介して事故検出部２１及び零点検出部２２にそれぞれ入力する。
【００７１】
事故検出部２１は、アンプ２１１と、整流回路２１２と、比較部２１３とを備える。事故検出部２１に入力された電流信号Ｓ１は、アンプ２１１によって適切な大きさの振幅の電圧信号に変換されて増幅される。アンプ２１１で増幅された電圧信号は、整流回路２１２で整流され、交流電流の振幅の大きさを示す振幅信号に変換される。比較部２１３は、振幅信号と事故か否かを判定する所定の閾値とを比較し、振幅信号が閾値以上であれば事故と判定する。ここで、事故検出部２１は、交流電流の正の電流値及び負の電流値双方に対して、１つの閾値との比較で事故か否かの判定するものとする。
【００７２】
事故検出部２１は、比較部２１３で事故と判定された場合、事故検出信号Ｓ２として、偽の論理信号Ｌを制御信号出力部２３に出力する。また事故検出部２１は、事故信号端子２０３を介して偽の論理信号Ｌを他の相の位相制御部２０に出力する。
【００７３】
零点検出部２２は、スイッチ２２１と、アンプ２２２と、比較部２２３と、ＮＯＴ回路２２４とを備える。ここでスイッチ２２１は、機械的なスイッチだけでなく、可動部のない電子的なスイッチや、同様の動作を行う回路によって構成されてもよい。
【００７４】
スイッチ２２１は、通常、非導通であり、零点検出部２２に入力された電流信号Ｓ１は、スイッチ２２１で遮断されている。スイッチ２２１は、外部信号端子２０２を介して入力される外部信号により導通となり、電流信号Ｓ１がアンプ２２２に入力される。ここで外部信号は、操作部４０から出力される電流を遮断することを指令する指令信号Ｓ５や、他の相の位相制御部２０から出力される電流を遮断することを指令する事故検出信号Ｓ２等である。
【００７５】
アンプ２２２は、電流信号Ｓ１を適切な大きさの振幅の電圧信号に変換する。比較部２２３は、アンプ２２２で増幅された電圧信号と零電位とを比較し、増幅された電圧信号の正負を判定する。比較部２２３は、電圧信号が正の場合、真の論理信号Ｈを出力し、電圧信号が負の場合、偽の論理信号Ｌを出力する。
【００７６】
比較部２２３から出力された真又は偽の論理信号Ｈ、Ｌは、それぞれ２つに分岐し、一方はそのまま制御信号出力部２３に出力され、他方はＮＯＴ回路２２４を介して、論理反転されて制御信号出力部２３に出力される。これにより、零点検出部２２は、電流が正から負へ変化する電流零点及び負から正へ変化する電流零点の双方を零点検出信号Ｓ３として出力できる。
【００７７】
制御信号出力部２３は、３つのラッチ２３１ａ、２３１ｂ、２３１ｃと、２つのＡＮＤ回路２３２ａ、２３２ｂとを備える。ラッチ２３１ａ、２３１ｂ、２３１ｃは、入力される論理信号が真から偽へ変化した際に出力が偽の論理信号Ｌに保持され、偽から真に変化した際に出力が真の論理信号Ｈに保持される。
【００７８】
事故検出部２１が事故を検出した際に出力した偽の論理信号Ｌは、ラッチ２３１ａに入力されて出力が保持される。これにより、事故が発生して電流が遮断された後に、事故原因が除去されないまま半導体スイッチ部１０が導通となり、再度事故電流が流れてしまうことを防止する。
【００７９】
零点検出部２２がＮＯＴ回路２２４を介さず出力した信号は、ラッチ２３１ｂに入力され、ＮＯＴ回路２２４を介して出力した信号はラッチ２３１ｃに入力される。ラッチ２３１ｂは、電流が正から負へ変化するときの電流零点に対応して、出力が偽の論理信号Ｌに保持される。またラッチ２３１ｃは、電流が負から正へと変化するときの電流零点に対応して出力が偽の論理信号Ｌに保持される。
【００８０】
ＡＮＤ回路２３２ａは、ラッチ２３１ｂが出力した信号とラッチ２３１ｃが出力した信号との論理積をとる。また、ＡＮＤ回路２３２ｂは、ＡＮＤ回路２３２ａが出力した信号と、ラッチ２３１ａが出力した信号との論理積をとることで、ラッチ２３１ａ、ラッチ２３１ｂ、２３１ｃのうち、少なくともいずれか１つが偽の論理信号Ｌを出力した場合、半導体スイッチ部１０を非導通にするオフ制御信号Ｓ４ｂとして、偽の論理信号Ｌを出力する。
【００８１】
ラッチ２３１ａ、２３１ｂ、２３１ｃには、それぞれリセット信号端子２０５を介してリセット信号が入力される。リセット信号が入力されることで、事故が除去された後や、通常停止後の再起動前に、ラッチ２３１ａ、２３１ｂ、２３１ｃをリセットし、半導体スイッチ部１０を非導通にする偽の論理信号Ｌを解除し、半導体スイッチ部１０を導通にする。
【００８２】
上述のとおり、本実施の形態に係る半導体遮断器１００は、事故が検出された場合には、半導体スイッチ部１０の電流耐量に至る前に直ちに電流を遮断し、電流を遮断する指令が出された場合には、電流零点で電流を遮断することで、サージ電圧の発生を抑制できる。
【００８３】
さらに本実施の形態では、半導体遮断器１００は、アンプ２１１、整流回路２１２及び比較部２１３を有する事故検出部２１と、アンプ２２２、比較部２２３及びＮＯＴ回路２２４を有する零点検出部２２と、３つのラッチ２３１ａ、２３１ｂ、２３１ｃ及び２つのＡＮＤ回路２３２ａ、２３２ｂを有する制御信号出力部２３とを備える簡単な構成である。
【００８４】
ラッチ２３１ａ、２３１ｂ、２３１ｃ、ＮＯＴ回路２２４及びＡＮＤ回路２３２ａ、２３２ｂにおける信号伝達の遅延時間は１００ｎｓ程度であるため、例えば、アンプ２２２や比較部２２３として遅延時間が１μｓ程度のものを選定すれば、電流が電流零点を通過してから、半導体スイッチ部１０が非導通になるまでにかかる遅延時間Δｔｄは２μｓから３μｓ程度となる。このように、零点検出部２２及び制御信号出力部２３を構成することにより、商用電源の交流電流の周期に比べて非常に短い時間で電流を遮断することができる。
【００８５】
例えば、制御信号出力部２３に通常接続される半導体スイッチ部１０のゲートドライブ回路の遅延時間を含めて、全体の遅延時間を５μｓと見積もった場合、電流零点を検出して遅延時間経過後に遮断するときの電流値は、その振幅のピーク値に対して、約５桁小さな電流値とすることができる。
【００８６】
実施の形態６．
本実施の形態では、半導体遮断器１００の位相制御部２０の詳細な構成の一例について説明する。図１８は、本発明の実施の形態６に係る半導体遮断器の位相制御部の概略構成図ある。実施の形態５では、零点検出部２２は、通常、スイッチ２２１で電流信号Ｓ１を遮断し、電流を遮断する指令を受けたとき、スイッチ２２１を閉じて導通させ、電流零点の検出を開始していたのに対し、本実施の形態では、零点検出部２２が、常時、電流零点を検出している。以下では、実施の形態５と同様の構成である箇所は、省略して説明する。
【００８７】
位相制御部２０は、電流検出器３０から電流信号Ｓ１を取得し、電流検出端子２０１を介して事故検出部２１と零点検出部２２とにそれぞれ入力する。
【００８８】
事故検出部２１は、電流信号Ｓ１が入力され、事故か否かを判定する。事故検出部２１は、事故と判定すると、事故検出信号Ｓ２として偽の論理信号Ｌを制御信号出力部２３に出力する又は事故信号端子２０３から他の相の位相制御部２０に出力する
【００８９】
零点検出部２２は、アンプ２２２と、比較部２２３と、ＮＯＴ回路２２４とを備える。零点検出部２２には常時、電流信号Ｓ１が入力される。電流信号Ｓ１は、アンプ２２２によって適切な大きさの振幅の電圧信号に変換されて増幅される。比較部２２３は、増幅された電圧信号を零電位と比較し、増幅された電圧信号の正負を判定する。比較部２２３は、電圧信号が正の場合、真の論理信号Ｈを出力し、電圧信号が負の場合、偽の論理信号Ｌを出力する。
【００９０】
比較部２２３から出力された真又は偽の論理信号Ｈ、Ｌは、それぞれ２つに分岐し、一方はそのまま制御信号出力部２３に出力され、他方はＮＯＴ回路２２４を介して、論理反転されて制御信号出力部２３に出力される。
【００９１】
制御信号出力部２３は、ラッチ２３１ａと、Ｄラッチ２３１ｄ、２３１ｅと、ＡＮＤ回路２３２ａ、２３２ｂとを備える。事故検出部２１が出力した信号は、ラッチ２３１ａに入力される。
【００９２】
Ｄラッチ２３１ｄ、２３１ｅは、零点検出部２２から信号が入力されるＣＬＫ端子と、外部信号端子２０２を介して信号が入力されるＤ端子と、信号を出力するＱ端子とを備える。Ｄラッチ２３１ｄ、２３１ｅは、ＣＬＫ端子に入力される論理信号が、偽から真又は真から偽に変化した際に、Ｄ端子に入力される信号をＱ端子から出力し、次にＣＬＫ端子に入力される論理信号が、偽から真又は真から偽へ変化するまでＱ端子から出力する信号を保持し続ける。
【００９３】
零点検出部２２がＮＯＴ回路２２４を介さず出力した信号は、Ｄラッチ２３１ｄのＣＬＫ端子に入力され、ＮＯＴ回路２２４を介して出力した信号は、Ｄラッチ２３１ｅのＣＬＫ端子に入力される。また、外部の操作部４０又は他の相の位相制御部２０が外部信号端子２０２を介して出力した外部信号は、Ｄラッチ２３１ｄのＤ端子に入力される。
【００９４】
Ｄラッチ２３１ｄは、ＣＬＫ端子に入力された信号に基づいて、電流値が正から負へ変化する電流零点でＤ端子に入力される外部信号をＱ端子に出力する。また、Ｄラッチ２３１ｅでは、電流が負から正へ変化する電流零点で、Ｄ端子に入力される外部信号をＱ端子に出力する。ここで外部信号は、外部の操作部４０又は他の相の位相制御部２０から出力された電流の遮断を指令する指令信号Ｓ５であり、偽の論理信号ＬをＱ端子に出力する。
【００９５】
ＡＮＤ回路２３２ａは、Ｄラッチ２３１ｄが出力した信号と、Ｄラッチ２３１ｅが出力した信号との論理積をとる。また、ＡＮＤ回路２３２ｂは、ＡＮＤ回路２３２ａが出力した信号と、事故検出部２１が出力した信号との論理積をとることで、ラッチ２３１ａ、Ｄラッチ２３１ｄ、２３１ｅのうち、少なくともいずれか１つが偽の論理信号Ｌを出力した場合、半導体スイッチ部１０を非導通にするオフ制御信号Ｓ４ｂとして、偽の論理信号Ｌを出力する。
【００９６】
ラッチ２３１ａ、Ｄラッチ２３１ｄ、２３１ｅにはそれぞれリセット信号端子２０５からリセット信号が入力される。事故が除去された後や、通常停止後の再起動前に、リセット信号を入力することで、ラッチ２３１ａ、Ｄラッチ２３１ｄ、２３１ｅをリセットし、それぞれのラッチで保持されている出力を解除し、半導体スイッチ部１０を導通にする。
【００９７】
上述のとおり、本実施の形態に係る半導体遮断器１００は、事故が検出された場合には、半導体スイッチ部１０の電流耐量に至る前に直ちに電流を遮断し、電流を遮断する指令が出された場合には、電流零点で電流を遮断することで、サージ電圧の発生を抑制できる。
【００９８】
さらに本実施の形態では、半導体遮断器１００は、アンプ２１１、整流回路２１２及び比較部２１３を有する事故検出部２１と、アンプ２２２、比較部２２３及びＮＯＴ回路２２４を有する零点検出部２２と、ラッチ２３１ａ、２つのＤラッチ２３１ｄ、２３１ｅと２つのＡＮＤ回路２３２ａ、２３２ｂを有する制御信号出力部２３とを備える簡単な構成である。
【００９９】
ラッチ２３１ａ、Ｄラッチ２３１ｄ、２３１ｅ、ＮＯＴ回路２２４及びＡＮＤ回路２３２ａ、２３２ｂにおける信号伝達の遅延時間は１００ｎｓ程度であるため、アンプや比較部の遅延時間が１μｓ程度のものを選定すれば、電流が電流零点を通過してから、制御信号出力部２３が制御信号を出力するまでの遅延時間が２μｓから３μｓ程度となり、商用電源の交流電流の周期に比べて非常に短い時間で電流を遮断することができる。さらに本実施の形態では、制御信号出力部２３にＤラッチ２３１ｄ、２３１ｅを備えることで、電流零点を常時検出している場合に、電流の遮断を指令する外部信号に応じて、電流零点で半導体スイッチ部１０を非導通とすることができる。
【０１００】
なお、実施の形態５及び６で事故検出部２１は、正又は負の電流値を１つの閾値で比較し、事故か否かを判定する例を示したが、事故か否かを判定する方法によって、上述の構成と異なる構成としてもよい。
【０１０１】
図１９は、本発明の実施の形態６に係る半導体遮断器の事故検出部の他の例を示す概略構成図である。図１９に示すように、事故検出部２１は、アンプ２１１と、２つに並列に接続された比較部２１３ａ、２１３ｂと、ＯＲ回路２１４とを備える。事故検出部２１に入力された電流信号Ｓ１は、アンプによって適切な大きさの振幅の電圧信号に変換される。増幅された電圧信号は、２つに分岐され、一方は比較部２１３ａで正の電流値の閾値と比較され、他方は、比較部２１３ｂで負の電流値の閾値と比較される。ＯＲ回路２１４は、電圧信号が比較部２１３ａで正の電流の閾値以上か、負の電流の閾値以下かのいずれか一方で事故と判定し、偽の論理信号Ｌを出力する。
【０１０２】
この構成により、事故検出部２１は、正の電流値を負の電流値とで２つの異なる閾値を用いて事故か否かを判定することができる。
【０１０３】
図２０は、本発明の実施の形態６に係る半導体遮断器の事故検出部の他の例を示す概略構成図である。図２０に示すように、事故検出部２１は、アンプ２１１と、微分回路２１５と、整流回路２１２と、比較部２１３とを備える。事故検出部２１に入力された電流信号Ｓ１は、アンプによって適切な大きさの振幅の電圧信号に変換される。微分回路２１５は、増幅された電圧信号を微分し、電圧信号の変化量を算出する。整流回路２１２は、電圧信号の変化量を整流し、変化の大きさの絶対値とする。比較部２１３は、電流変化量を所定の閾値と比較する。変化の大きさが、所定の閾値以上であれば事故と判定し、偽の論理信号Ｌを出力する。
【０１０４】
この構成により、事故検出部２１は、電流値の変化量が閾値以上か否かにより、事故か否かを判定することができる。
【０１０５】
図２１は、本発明の実施の形態６に係る半導体遮断器の事故検出部の他の例を示す概略構成図である。図２１に示すように、事故検出部２１は、アンプ２１１と、微分回路２１５と、２つ並列に接続された比較部２１３ａ、２１３ｂと、ＯＲ回路２１４とを備える。事故検出部２１に入力された電流信号Ｓ１は、アンプ２１１によって適切な大きさの振幅の電圧信号に変換される。微分回路２１５は、増幅された電圧信号を微分し、電圧信号の変化量を算出する。電圧信号の変化量は、２つに分岐され、一方は比較部２１３ａで正の電流値の変化量の閾値と比較され、他方は、比較部２１３ｂで負の電流値の変化量の閾値と比較される。ＯＲ回路２１４は、電圧信号が比較部２１３ａで正の電流値の変化量の閾値以上、負の電流値の変化量の閾値以下のいずれか一方で事故と判定し、偽の論理信号Ｌを出力する。
【０１０６】
この構成により、事故検出部２１は、正の電流値の変化量と負の電流値の変化量とで２つの異なる閾値で事故か否かを判定することができる。
【０１０７】
なお、実施の形態１から６において、三相交流回路に接続された半導体遮断器を例に説明したが、その他の回路に接続されていてもよく、例えば単相３線式の回路であってもよい。
【０１０８】
また、実施の形態１から６において、位相制御部２０ｒ、２０ｓ、２０ｔがそれぞれ別に設けられた例を示したが、位相制御部２０ｒ、２０ｓ、２０ｔにより実行される機能は、１つの制御部によって実行されてもよい。
【０１０９】
また、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で、実施の形態１から６に開示されている複数の構成要素の適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【０１１０】
１  電源、２  主幹スイッチ、３  母線、４ａ、４ｂ  分岐線路、５ａ、５ｂ  誘導電動機、６  限流器、７  避雷器、１０  半導体スイッチ部、２０  位相制御部、２１  事故検出部、２２  零点検出部、２３  制御信号出力部、３０  電流検出器、  ４０  操作部、１００  半導体遮断器、２００  遮断装置、２０１  電流検出端子、２０２  外部信号端子、２０３  事故信号端子、２０４  制御信号端子、２０５  リセット信号端子、２１１  アンプ、２１２  整流回路、２１３  比較部、２１４  ＯＲ回路、２１５  微分回路、２２１  スイッチ、２２２  アンプ、２２３  比較部、２２４  ＮＯＴ回路、２３１ａ、２３１ｂ、２３１ｃ  ラッチ、２３１ｄ、２３１ｅ  Ｄラッチ、２３２ａ、２３２ｂ  ＡＮＤ回路。
【図１】
2020021656.tif 000003
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年10月23日(2018.10.23)
【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】
交流回路に接続され、制御信号により導通及び非導通が制御される半導体素子を有する半
導体スイッチ部と、
前記交流回路から検出された電流に基づいて事故を検出する事故検出部と、
前記交流回路から検出された電流に基づいて電流零点を検出する零点検出部と、
前記事故検出部が事故を検出したとき又は電流を遮断する指令を受けて前記零点検出部が
前記電流零点を検出したとき、前記半導体スイッチ部を非導通にする前記制御信号を出力
する制御信号出力部と
を備えることを特徴とする半導体遮断器。
【請求項２】
前記事故検出部は、前記交流回路から検出された電流に基づいて電流値又は電流値の変化
量が閾値以上であった場合、事故と判定することを特徴とする請求項１に記載の半導体遮
断器。
【請求項３】
交流回路に接続され、制御信号に基づいて導通及び非導通が制御される半導体スイッチ部
と、
前記交流回路から検出された電流に基づいて事故を検出する事故検出部と、
前記交流回路から検出された電流に基づいて電流零点を検出する零点検出部と、
前記事故検出部が事故を検出したとき又は電流を遮断する指令を受けて前記零点検出部が
前記電流零点を検出したとき、前記半導体スイッチ部を非導通にする前記制御信号を出力
する制御信号出力部と
を備え、
前記交流回路の各相に対応してそれぞれ前記半導体スイッチ部、前記事故検出部、前記零
点検出部及び前記制御信号出力部を備え、少なくとも１つの相の前記事故検出部が事故を
検出したとき電流を遮断する指令を出力し、事故が検出された相の前記制御信号出力部は
、事故が検出された相の前記半導体スイッチ部を非導通にする前記制御信号を出力し、他
の相の前記制御信号出力部は、事故が検出された相の前記事故検出部から電流を遮断する
指令を受けて前記他の相の前記零点検出部が前記電流零点を検出したとき、前記他の相の
前記半導体スイッチ部を非導通にする前記制御信号を出力することを特徴とする半導体遮
断器。
【請求項４】
交流回路に接続され、制御信号により導通及び非導通が制御される半導体素子を有する半
導体スイッチ部と、
前記交流回路から検出された電流に基づいて事故を検出する事故検出部と、
前記交流回路から検出された電流に基づいて電流零点を検出し、検出された前記電流零点
より後の電流零点及び前記制御信号の出力にかかる遅延時間を推定する零点検出部と、
前記事故検出部が事故を検出したとき又は電流を遮断する指令を受けて前記遅延時間に基
づいて前記後の電流零点となるとき、前記半導体スイッチ部を非導通にする前記制御信号
を出力する制御信号出力部と
を備えることを特徴とする半導体遮断器。
【請求項５】
交流回路に接続され、制御信号に基づいて導通及び非導通が制御される半導体スイッチ部
と、
前記交流回路から検出された電流に基づいて事故を検出する事故検出部と、
前記交流回路から検出された電流に基づいて電流零点を検出し、検出された前記電流零点
より後の電流零点及び前記制御信号の出力にかかる遅延時間を推定する零点検出部と、
前記事故検出部が事故を検出したとき又は電流を遮断する指令を受けて前記遅延時間に基
づいて前記後の電流零点となるとき、前記半導体スイッチ部を非導通にする前記制御信号
を出力する制御信号出力部と
を備え、
前記交流回路の各相に対応してそれぞれ前記半導体スイッチ部、前記事故検出部、前記零
点検出部及び前記制御信号出力部を備え、少なくとも１つの相の前記事故検出部が事故を
検出したとき電流を遮断する指令を出力し、事故が検出された相の前記制御信号出力部は
、事故が検出された相の前記半導体スイッチ部を非導通にする前記制御信号を出力し、他
の相の前記制御信号出力部は、事故が検出された相の前記事故検出部から電流を遮断する
指令を受けて前記遅延時間に基づいて前記後の電流零点となるとき、前記他の相の前記半
導体スイッチ部を非導通にする前記制御信号を出力することを特徴とする半導体遮断器。
【請求項６】
前記事故検出部は、前記交流回路から検出された電流から電流信号を取得して電圧信号に
変換するアンプと、前記電圧信号と事故か否かを判定する閾値とを比較して比較結果を示
す信号を出力する比較部とを備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記
載の半導体遮断器。
【請求項７】
前記零点検出部は、前記交流回路から検出された電流から電流信号を取得して電圧信号に
変換するアンプと、電圧信号と零電位とを比較して比較結果を示す信号を出力する比較部
と、前記比較部から２つに分岐されて出力された前記比較結果を示す信号のうち、一方の
信号を論理反転して出力するＮＯＴ回路とを備えることを特徴とする請求項１から６のい
ずれか一項に記載の半導体遮断器。
【請求項８】
前記制御信号出力部は、前記事故検出部及び前記零点検出部から出力された信号の出力を
それぞれ保持するラッチと、前記ラッチから出力された信号の論理積に応じて前記制御信
号を出力するＡＮＤ回路とを備えることを特徴とする請求項６又は７に記載の半導体遮断
器。
【請求項９】
前記制御信号出力部は、前記事故検出部から出力された信号の出力を保持するラッチと、
前記零点検出部から出力された信号に応じて、電流を遮断する指令信号の出力を保持する
Ｄラッチと、前記ラッチ及び前記Ｄラッチから出力された信号の論理積に応じて前記制御
信号を出力するＡＮＤ回路とを備えることを特徴とする請求項６又は７に記載の半導体遮
断器。
【請求項１０】
電源に接続された母線から分岐された分岐線路に接続された請求項１から９のいずれか一
項に記載の半導体遮断器と、前記母線に接続された主幹スイッチに並列に接続された限流
器とを備えることを特徴とする遮断装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
本発明に係る半導体遮断器は、交流回路に接続され、制御信号により導通及び非導通が
制御される半導体素子を有する半導体スイッチ部と、交流回路から検出された電流に基づ
いて事故を検出する事故検出部と、交流回路から検出された電流に基づいて電流零点を検
出する零点検出部と、事故検出部が事故を検出したとき又は電流を遮断する指令を受けて
零点検出部が電流零点を検出したとき、半導体スイッチ部を非導通にする制御信号を出力
する制御信号出力部とを備える。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
図２は、本発明の実施の形態１に係る半導体遮断器の半導体スイッチ部を示す概略構成
図である。半導体スイッチ部１０が有する半導体素子は、位相制御部２０から出力される
制御信号によって、導通と非導通とが切り替わる。図２に示すように、半導体スイッチ部
１０が有する半導体素子は、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏ
ｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）である。半導体スイッチ部１０は、第１の半導体素子１
１ａと、第１の半導体素子１１ａに並列に接続された、第１の半導体素子１１ａの電流と
逆向きの電流を流す第１のダイオード１２ａと、第１の半導体素子１１ａと逆向きに接続
された第２の半導体素子１１ｂと、第２の半導体素子１１ｂの電流と逆向きの電流を流す
第２のダイオード１２ｂとを備える。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
ここで、半導体スイッチ部１０が有する半導体素子がＩＧＢＴである例を示したが、制
御信号により導通及び非導通が制御されるものであればよく、例えばＧＴＯ（Ｇａｔｅ  
Ｔｕｒｎ−Ｏｆｆ  ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）、ＧＣＴ（Ｇａｔｅ  Ｃｏｍｍｕｔａｔｅｄ  
Ｔｕｒｎ−Ｏｆｆ  ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）等であってもよい。
【国際調査報告】
2020021656.tif 000024
2020021656.tif 000025
2020021656.tif 000026
2020021656.tif 000027