(57)【要約】【課題】双方向の電流遮断が可能で、かつ、半導体スイッチを用いずに機械接点開極時のアークを抑制できる直流遮断装置を提供する。【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の共通接続点に第１コンデンサＣ１の一端を接続する。第１コンデンサＣ１の他端には第１ダイオードＤ１のカソードを接続する。第１ダイオードＤ１のアノードは第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。第１直流系統１の＋端子と機械遮断器ＣＢの共通接続点に第２コンデンサＣ２の一端を接続する。第２コンデンサＣ２の他端には第２ダイオードＤ２のアノードを接続する。第２ダイオードＤ２のカソードは第２直流系統２の＋端子と機械遮断器ＣＢの共通接続点を接続する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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に一端が接続された第１コンデンサと、
前記第１コンデンサの他端にカソードが接続され、アノードが前記第２直流系統の＋端子と前記機械遮断器の共通接続点に接続された第１ダイオードと、
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に一端が接続された第２コンデンサと、
前記第２コンデンサの他端にアノードが接続され、カソードが前記第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直流遮断装置。
【請求項２】
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に一端が接続された第１コンデンサと、
前記第１コンデンサの他端にカソードが接続され、アノードが前記第２直流系統の＋端子と前記機械遮断器の共通接続点に接続された第１ダイオードと、
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に一端が接続された第２コンデンサと、
前記第２コンデンサの他端にカソードが接続され、アノードが前記第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直流遮断装置。
【請求項３】
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に一端が接続された第１コンデンサと、
前記第１コンデンサの他端にカソードが接続され、アノードが前記第２直流系統の−端子と前記機械遮断器の共通接続点に接続された第１ダイオードと、
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に一端が接続された第２コンデンサと、
前記第２コンデンサの他端にアノードが接続され、カソードが前記第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直流遮断装置。
【請求項４】
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に一端が接続された第１コンデンサと、
前記第１コンデンサの他端にカソードが接続され、アノードが前記第２直流系統の−端子と前記機械遮断器の共通接続点に接続された第１ダイオードと、
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に一端が接続された第２コンデンサと、
前記第２コンデンサの他端にカソードが接続され、アノードが前記第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直流遮断装置。
【請求項５】
前記第１コンデンサに並列に接続された第１放電用抵抗と、
前記第１放電用抵抗に直列に接続された第１スイッチと、
前記第２コンデンサに並列に接続された第２放電用抵抗と、
前記第２放電用抵抗に直列に接続された第２スイッチと、
を備えたことを特徴とする請求項１〜４のうち何れか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】
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。
【背景技術】
【０００２】
２つの直流系統を持つ直流配電システムでは、一方の直流系統に事故が発生した時、２系統間に設けた直流遮断器によって事故が発生した系統を切り離すことによって、もう一方の正常な系統から負荷に配電できるようにしている。
【０００３】
図７に示す直流遮断器は機械遮断器４のみで構成されており、第１，第２直流系統１，２いずれかの箇所の事故発生時に機械接点が開極動作を行い、事故が発生した直流系統を切り離す。
【０００４】
また、この機械遮断器４は第１直流系統１及び第２直流系統２に接続されており、双方向電流に対して開極動作が可能である。再生可能エネルギーの活用や安定した電力の需給など、ネットワーク化された直流送配電システムにおいては、一本の経路に双方向の電流が流れるケースが考えられるため、この双方向電流遮断技術が必要となる。
【０００５】
ここで、交流電流の遮断方式について説明する。交流遮断器は、機械接点の閉極時（定常時）は導体として機能するため通電しており、事故発生時は機械接点を開極する。機械接点開極時はアークが発生するが、電流零点でアークを消弧できるため電流遮断が可能となる。
【０００６】
また、遮断状態は絶縁体として機能するため電流は流れない。この交流遮断器では主にガス遮断器や真空遮断器が利用されており、アークを消弧する媒体は異なるものの、どちらも電流零点でアークを消弧する方式が採用されている。
【０００７】
しかし、直流電流遮断の場合は交流電流と異なり零点が生じないため、図７に示した構成では機械接点開極時に発生するアークを消弧できず、接点の損傷または遮断失敗となる。
【０００８】
そのため、直流遮断装置は電流零点を生じさせる補助回路等が必要となる。このような補助回路を備えた遮断方式として、特許文献１，特許文献２（実施例２）が開示されている。図８に特許文献１の直流電流開閉装置を、図９に特許文献２の実施例２の直流電流開閉装置をそれぞれ示す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１６−２８３７８号公報
【特許文献２】特開２０１６−１２６９２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前述のように、ネットワーク化された直流配電システムにおいては双方向の電流遮断が必要である。しかしながら、特許文献１と特許文献２の実施例２は双方向電流の遮断を目的としていないため、双方向の電流遮断ができないという問題があった。
【００１１】
また、特許文献２の実施例２では、２つの半導体スイッチ（ＩＧＢＴ）と２つのダイオードと１つのコンデンサから成るブリッジ回路５を、複数段直列している。さらに、通電接点６（真空遮断器など）を直列接続したブリッジ回路５に並列接続している。この構成では、開閉装置が大型化、高コスト化する問題がある。
【００１２】
さらに、特許文献２の実施例２では、遮断動作時に直列接続した各ブリッジ回路の半導体スイッチ（ＩＧＢＴ）に電流が流れる。半導体スイッチは電流が流れている時に定常オン損失が発生する。さらに、半導体スイッチをオフするときにスイッチング損失が発生する。よって、直流遮断装置に図９のように半導体スイッチを用いることは、直流配電システム全体の効率の面から好ましくない。
【００１３】
以上示したようなことから、双方向の電流遮断が可能で、かつ、半導体スイッチを用いずに機械接点開極時のアークを抑制できる直流遮断装置を提供することが課題となる。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
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に一端が接続された第１コンデンサと、前記第１コンデンサの他端にカソードが接続され、アノードが前記第２直流系統の＋端子と前記機械遮断器の共通接続点に接続された第１ダイオードと、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に一端が接続された第２コンデンサと、前記第２コンデンサの他端にアノードが接続され、カソードが前記第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。
【００１５】
また、他の態様として、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に一端が接続された第１コンデンサと、前記第１コンデンサの他端にカソードが接続され、アノードが前記第２直流系統の＋端子と前記機械遮断器の共通接続点に接続された第１ダイオードと、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に一端が接続された第２コンデンサと、前記第２コンデンサの他端にカソードが接続され、アノードが前記第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。
【００１６】
また、他の態様として、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に一端が接続された第１コンデンサと、前記第１コンデンサの他端にカソードが接続され、アノードが前記第２直流系統の−端子と前記機械遮断器の共通接続点に接続された第１ダイオードと、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に一端が接続された第２コンデンサと、前記第２コンデンサの他端にアノードが接続され、カソードが前記第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。
【００１７】
また、他の態様として、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に一端が接続された第１コンデンサと、前記第１コンデンサの他端にカソードが接続され、アノードが前記第２直流系統の−端子と前記機械遮断器の共通接続点に接続された第１ダイオードと、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に一端が接続された第２コンデンサと、前記第２コンデンサの他端にカソードが接続され、アノードが前記第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。
【００１８】
また、その一態様として、前記第１コンデンサに並列に接続された第１放電用抵抗と、前記第１放電用抵抗に直列に接続された第１スイッチと、前記第２コンデンサに並列に接続された第２放電用抵抗と、前記第２放電用抵抗に直列に接続された第２スイッチと、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、双方向の電流遮断が可能で、かつ、半導体スイッチを用いずに機械接点開極時のアークを抑制できる直流遮断装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施形態１における直流遮断装置を示す図。
【図２】実施形態１における定常時の直流遮断装置を示す図。
【図３】実施形態１における遮断時の直流遮断装置を示す図。
【図４】第２直流系統側で事故が発生した場合の直流遮断装置の等価回路、および、定常状態から遮断完了までの各波形を示すタイムチャート。
【図５】実施形態２における直流遮断装置を示す図。
【図６】実施形態２における放電時の直流遮断装置を示す図。
【図７】従来の直流遮断器の一例を示す図。
【図８】特許文献１の直流電流開閉装置を示す図。
【図９】特許文献２の直流電流開閉装置を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本願発明の直流遮断装置の実施形態１，２を図１〜図６に基づいて詳述する。
【００２２】
［実施形態１］
図１に本実施形態１の直流遮断装置３を示す。図１に示すように、直流遮断装置３は第１直流系統１および第２直流系統２に接続される。直流遮断装置３は、機械遮断器ＣＢ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、を備える。
【００２３】
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。
【００２４】
第１直流系統１の＋端子と機械遮断器ＣＢの共通接続点には第１コンデンサＣ１の一端が接続される。第１コンデンサＣ１の他端には第１ダイオードＤ１のカソードが接続される。第１ダイオードＤ１のアノードは第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される。
【００２５】
また、第１直流系統１の＋端子と機械遮断器ＣＢの共通接続点には第２コンデンサＣ２の一端が接続される。第２コンデンサＣ２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直流系統２の＋端子と機械遮断器ＣＢの共通接続点に接続される。
【００２６】
なお、第２コンデンサＣ２と第２ダイオードＤ２の接続位置は逆でも良い。この場合、第２直流系統２の＋端子と機械遮断器ＣＢの共通接続点に第２コンデンサＣ２の一端が接続される。第２コンデンサＣ２の他端には第２ダイオードＤ２のカソードが接続される。第２ダイオードＤ２のアノードは第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される。
【００２７】
次に、本実施形態１における直流遮断装置３の動作を説明する。図２に、本実施形態１の定常状態における直流遮断装置３を示す。定常状態では機械遮断器ＣＢが閉極状態であり、双方向の通電経路を得る。
【００２８】
このとき、第１，第２ダイオードＤ１，Ｄ２には電流が流れず、第１，第２コンデンサＣ１，Ｃ２は充電されていない状態である。また、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。
【００２９】
図３に、第２直流系統２側で事故が発生した場合の直流遮断装置３を示す。第２直流系統２側の事故発生時に機械遮断器ＣＢを開極することで、図３に示すように、第１直流系統１側から第２コンデンサＣ２→第２ダイオードＤ２の経路で短絡電流が流れる。
【００３０】
その後、短絡電流により第２コンデンサＣ２が充電され、充電が進むと短絡電流は減少する。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。
【００３１】
図４（ａ）は第２直流系統２側で事故が発生した時の直流遮断装置の等価回路、図４（ｂ）は本実施形態１における定常状態から遮断完了までの各波形を示すタイムチャートである。
【００３２】
ここで、Ｉｃｂは機械遮断器通過電流、Ｉａｕｘはコンデンサ充電電流、Ｖｃｂは機械遮断器両端電圧を示す。また、機械遮断器ＣＢの閉極状態をＯＮ、開極状態をＯＦＦとしている。時刻ｔ１以前は定常状態、時刻ｔ１は事故発生時、時刻ｔ２は機械遮断器ＣＢ開極時を示している。
【００３３】
時刻ｔ１以前の定常時は、図４（ｂ）に示すように、機械遮断器ＣＢは閉極しており、機械遮断器通電電流Ｉｃｂは通常状態、コンデンサ充電電流Ｉａｕｘは０、機械遮断器両端電圧Ｖｃｂは０である。
【００３４】
時刻ｔ１で第２直流系統２側に事故が発生すると、機械遮断器通電電流Ｉｃｂが上昇し始める。
【００３５】
時刻ｔ２において機械遮断器ＣＢを開極する。時刻ｔ２では、機械遮断器ＣＢの両端の電圧Ｖｃｂ（≒第２コンデンサＣ２の両端の電圧）は零であるため、機械遮断器ＣＢを開いた時にアークは発生しない。コンデンサ充電電流Ｉａｕｘとして第２コンデンサＣ２，第２ダイオードＤ２を通過する。
【００３６】
その後、第２コンデンサＣ２の充電が進むと、コンデンサ充電電流Ｉａｕｘは減少し、最終的に零になり電流の遮断が完了する。なお、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の接点を動作させることで、機械遮断器ＣＢを開閉させる。
【００３７】
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、コンデンサ充電電流Ｉａｕｘは第１ダイオードＤ１，第１コンデンサＣ１を通過し、第２コンデンサＣ２ではなく第１コンデンサＣ１が充電される。
【００３８】
以上示したように、本実施形態１によれば、双方向の直流電流に対してアークを発生させない直流遮断が可能となる。
【００３９】
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。
【００４０】
また、本実施形態１における直流遮断装置３は、機械遮断器ＣＢが１台だけで良いため、コストを抑制することができる。機械遮断器ＣＢはコストが高く、開閉により機械的・電気的に消耗するため交換の必要が生じる。そのため、必要な機械遮断器は少ない方が望ましい。
【００４１】
また、本実施形態１における直流遮断装置は、短絡電流の向きを検出する必要がない。
【００４２】
［実施形態２］
図５に本実施形態２の直流遮断装置３を示す。実施形態１と同様の箇所については同様の符号を付してその説明を省略する。
【００４３】
本実施形態２の直流遮断装置３は、実施形態１の構成に加え、第１コンデンサＣ１に対して並列に第１放電用抵抗Ｒ１を接続し、第２コンデンサＣ２に対して並列に第２放電用抵抗Ｒ２を接続したものである。
【００４４】
また、第１放電用抵抗Ｒ１に対して直列に第１スイッチＳＷ１を接続し、第２放電用抵抗Ｒ２に対して直列に第２スイッチＳＷ２を接続する。
【００４５】
第１，第２スイッチＳＷ１，ＳＷ２は機械遮断器ＣＢと同様に、機械遮断器を用いる。ただし、第１，第２スイッチＳＷ１，ＳＷ２には第１，第２コンデンサＣ１，Ｃ２の放電動作時のみの短時間しか電流が流れないため、電流容量の小さなものでよい。
【００４６】
さらに、第１，第２スイッチＳＷ１，ＳＷ２は機械遮断器の代わりに半導体スイッチに置き換えても良い。半導体スイッチに置き換えた場合、半導体スイッチに生じる損失は、機械遮断器ＣＢが開いたときのみ発生するので、システム全体の効率にはほとんど関係しない。
【００４７】
次に、本実施形態２の直流遮断装置３の動作を説明する。実施形態１と同様な箇所は説明を省略する。本実施形態２は、電流を遮断する際に充電された第１コンデンサＣ１または第２コンデンサＣ２を放電する回路を追加したものである。
【００４８】
図６は、本実施形態２の直流遮断装置３の構成図であるとともに、第２直流系統２側での短絡事故による短絡電流を遮断し終えた後の状態を示す。機械遮断器ＣＢは開極し、第２コンデンサＣ２は短絡電流により充電されている。
【００４９】
本実施形態２では、遮断完了後に再投入する場合、すなわち繰り返し直流遮断装置３の導通と遮断の機能を利用する場合に、第２スイッチＳＷ２を閉極状態にし、第２コンデンサＣ２を放電する。
【００５０】
放電が完了したら、第２スイッチＳＷ２を開極、機械遮断器ＣＢを閉極し直流系統を再投入する。放電が完了したか否かは、第２コンデンサＣ２の両端電圧Ｖｃ２を検出し、Ｖｃ２≒０となった時に放電完了と判定する。または、第２コンデンサＣ２と第２放電用抵抗Ｒ２の積から時定数を求め、第２スイッチＳＷ２閉極から時定数よりも十分長い時間（１０倍程度）の経過をもって放電完了と判定してもよい。
【００５１】
本実施形態２では第２直流系統２側で事故が発生した場合の遮断及び再投入動作を記載したが、第１直流系統１側で事故が発生した場合も同様に遮断及び再投入が可能である。この場合、操作する第１スイッチはＳＷ１である。または、事故の発生箇所にかかわらず第１スイッチＳＷ１，第２スイッチＳＷ２両方のスイッチを操作してもよい。この場合、短絡電流の向きを検出するなど事故発生箇所の特定が不要になる。
【００５２】
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、第１，第２放電用抵抗Ｒ１，Ｒ２と第１，第２スイッチＳＷ１，ＳＷ２を接続することで、繰り返し直流電流の遮断及び再投入動作が可能である。
【００５３】
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。
【００５４】
なお、実施形態１，２では、第１直流系統１の＋端子と第２直流系統２の＋端子との間に直流遮断装置３を接続する構成について説明したが、第１直流系統１の−端子と第２直流系統２の−端子との間に直流遮断装置３を接続しても良い。
【符号の説明】
【００５５】
１…第１直流系統
２…第２直流系統
３…直流遮断装置
４…機械遮断器
５…ブリッジ回路
６…通電接点
ＣＢ…機械遮断器
Ｄ１，Ｄ２…第１，第２ダイオード
Ｃ１，Ｃ２…第１，第２コンデンサ
Ｒ１，Ｒ２…第１，第２放電用抵抗
ＳＷ１，ＳＷ２…第１，第２スイッチ
Ｉｃｂ…機械遮断器通電電流
Ｉａｕｘ…コンデンサ充電電流
Ｖｃｂ…機械遮断器両端電圧
【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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