(57)【要約】【課題】定常時の主回路電流による定常損失が無く、また機械スイッチを遮断するために事故電流を相殺する電流を発生させる電源の供給を外部から供給する必要がない、かつ、低損失で、構成の簡単なハイブリッド式の直流遮断装置を提供する。【解決手段】第１，第２直流系統１０，２０間における直流線路の正極と負極との間に複数のコンデンサ３ａ，３ｂが並列接続される。複数のコンデンサ３ａ，３ｂに対してそれぞれ抵抗４１ａ，４１ｂおよび半導体スイッチ４２ａ，４２ｂが直列接続される。複数のコンデンサ３ａ，３ｂは直列経路により直列接続される。直列経路の各コンデンサ３ａ，３ｂ間に中間半導体スイッチ５が設けられる。直列経路にはインダクタ７が設けられる。電力変換回路６と第１直流系統１０の正極または負極との間には第１機械式遮断器１が接続される。【選択図】図１
2018206539.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１，第２直流系統間における直流線路の正極と負極との間に並列接続された複数のコンデンサと、
前記複数のコンデンサに対して、それぞれ直列に接続された抵抗および半導体スイッチと、
前記複数のコンデンサを直列接続する直列経路と、
前記直列経路の各コンデンサ間に設けられた中間半導体スイッチと、
前記直列経路に設けられたインダクタと、
を有する電力変換回路と、
前記電力変換回路と前記第１直流系統の正極または負極との間に接続された第１機械式遮断器と、
備えたことを特徴とする直流遮断装置。
【請求項２】
第１，第２直流系統間における直流線路の負極に一端が接続され、第１抵抗と第１半導体スイッチを直列接続した第１アームスイッチ部と、一端が前記第１アームスイッチ部の他端に接続され、他端が前記直流線路の正極と接続された第１コンデンサと、を有する第１コンデンサアームと、
前記直流線路の正極に一端が接続され、第２抵抗と第２半導体スイッチを直列接続した第２アームスイッチ部と、一端が前記第２アームスイッチ部の他端に接続され、他端が前記直流線路の負極に接続された第２コンデンサと、を有する第２コンデンサアームと、
前記第１コンデンサと前記第１アームスイッチ部の共通接続点と、前記第２コンデンサと前記第２アームスイッチ部の共通接続点と、を接続し、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサを直列接続する直列経路と、
前記直列経路の各コンデンサ間に直列接続された中間半導体スイッチと、
前記直列経路に設けられたインダクタと、
を備えた電力変換回路と、
前記電力変換回路と前記第１直流系統の正極または負極との間に接続された第１機械式遮断器と、
を備えたことを特徴とする直流遮断装置。
【請求項３】
第１，第２直流系統間における直流線路の負極に一端が接続され、第１抵抗と第１半導体スイッチとを直列接続した第１アームスイッチ部と、一端が前記第１アームスイッチ部の他端に接続され、他端が前記直流線路の正極と接続された第１コンデンサと、を有する第１コンデンサアームと、
前記直流線路の正極に一端が接続され、正極半導体スイッチを有する正極アームスイッチ部と、前記直流線路の負極に一端が接続され、負極半導体スイッチを有する負極アームスイッチ部と、前記正極アームスイッチ部の他端と前記負極アームスイッチ部の他端との間に接続された第２〜第ｎ−１コンデンサと、を有する１つ、または、複数の第２〜第ｎ−１コンデンサアームと（ｎ＝３以上の整数）、
前記直流線路の正極に一端が接続され、第ｎ抵抗と第ｎ半導体スイッチとを直列接続した第ｎアームスイッチ部と、一端が前記第ｎアームスイッチ部の他端に接続され、他端が前記直流線路の負極に接続された第ｎコンデンサと、を有する第ｎコンデンサアームと、
前記第１〜第ｎコンデンサを直列接続する直列経路と、
前記直列経路の各コンデンサ間に設けられた中間半導体スイッチと、
前記直列経路に設けられたインダクタと、
を備えた電力変換回路と、
前記電力変換回路と第１直流系統の正極または負極との間に接続された第１機械式遮断器と、
を備えたことを特徴とする直流遮断装置。
【請求項４】
第１，第２直流系統間における直流線路の負極に一端が接続され、第１抵抗と第１半導体スイッチとを直列接続した第１アームスイッチ部と、一端が前記第１アームスイッチ部の他端に接続され、他端が前記直流線路の正極と接続された第１コンデンサと、を有する第１コンデンサアームと、
前記直流線路の正極に一端が接続され、第２抵抗と第２半導体スイッチとを直列接続した第２アームスイッチ部と、一端が前記第２アームスイッチ部の他端に接続され、他端が前記直流線路の負極に接続された第２コンデンサと、を有する第２コンデンサアームと、
前記第１抵抗と前記第１半導体スイッチの共通接続点と前記第２抵抗と前記第２半導体スイッチの共通接続点との間に抵抗と中間コンデンサとを直列接続した中間コンデンサアームと、
前記第１コンデンサ、前記中間コンデンサ、前記第２コンデンサを直列接続する直列経路と、
前記直列経路の前記第１コンデンサと前記中間コンデンサの間，および、前記中間コンデンサと前記第２コンデンサの間に各々設けられた中間半導体スイッチと、
前記直列経路に設けられたインダクタと、
を備えた電力変換回路と、
前記電力変換回路と前記第１直流系統の正極または負極との間に接続された第１機械式遮断器と、
を備えたことを特徴とする直流遮断装置。
【請求項５】
前記中間コンデンサアームを複数設け、前記複数の中間コンデンサアームの各中間コンデンサ間に中間半導体スイッチを接続したことを特徴とする請求項４記載の直流遮断装置。
【請求項６】
前記第１機械式遮断器の前記第１直流系統側の正負極間に直流コンデンサを設けたことを特徴とする請求項２〜５のうち何れかに記載の直流遮断装置。
【請求項７】
前記第１直流系統から前記第２直流系統に電流が流れており、前記第２直流系統で事故が発生した場合は、前記半導体スイッチをオフし、前記中間半導体スイッチをオンし、前記第１機械式遮断器に流れる電流が所定値以下になった後、前記第１機械式遮断器に開放状態とすることを特徴とする請求項１〜６のうち何れかに記載の直流遮断装置。
【請求項８】
前記電力変換回路と前記第２直流系統の正極または負極との間に接続された第２機械式遮断器を備えたことを特徴とする請求項２〜７のうち何れかに記載の直流遮断装置。
【請求項９】
前記第２機械式遮断器の前記第２直流系統側の正負極間に直流コンデンサを設けたことを特徴とする請求項８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、直流遮断装置に係り、特に、機械式遮断器の電流を遮断するために、補助回路を用いた直流遮断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
直流送配電システムは、交流のシステムに比べて、損失やシステムの簡素化，直流負荷との接続の容易性，高調波や三相不平衡，同期，無効電力など交流に起因する問題を回避できることなどの利点があり、注目されている。
【０００３】
一方、短絡や地絡などの事故が発生した際、直流送配電システムでは交流システムと比較して電流遮断が難しいという問題がある。交流システムでは、交流電流が電源周波数の半周期ごとに零となることを利用し、交流電流の零点で遮断器を開くことで比較的容易に事故電流を遮断できる。
【０００４】
しかし、直流送配電システムでは電源周波数の半周期ごとに電流が零にならないため、機械式遮断器を開いても、その接点間にアークが発生し、遮断ができない、もしくは遮断に長い時間がかかる。また、そのアークにより、遮断器の寿命が短くなる問題もある。
【０００５】
直流送配電システムに利用される直流遮断装置には、主に、機械式，半導体式，機械と半導体のハイブリッド式の３種類が存在している。
【０００６】
機械式は、空気遮断器や真空遮断器，ガス遮断器など機械的に線路を開放するものである。ＬＣ共振回路などを併設し、電流遮断するものも存在する（例えば、非特許文献１の図１及び図２）。機械接点のため、通常の導通時は定常損失が発生しない特長が有る。
【０００７】
半導体式は、半導体スイッチを用いて遮断器を構成したもので、アークの発生がなく、高速に遮断できる特長を持つ（例えば、非特許文献１の図３）。一方、送配電線路の電流が常に半導体スイッチを流れるため、定常損失が発生する問題がある。
【０００８】
ハイブリッド式は、機械式遮断器と半導体式遮断器を組み合わせて構成されたもので、両者の特長を併せ持っている。図１９は特許文献１で示されるハイブリッド式の遮断器の構成である。
【０００９】
機械式遮断器１０１，および、半導体スイッチング素子を逆直列して構成された半導体スイッチ１０４をオンすることで、定常時は直流電流を流すことができる。短絡などによる過電流を検出すると、半導体スイッチ１０４をオフすると同時に、複数の半導体スイッチ１０２を直列接続することによって構成された転流回路１１０をオンする。これにより、事故電流を機械式遮断器１０１が含まれる経路から、転流回路１１０に転流する。転流が完了すると、機械式遮断器１０１に流れる電流がゼロになるため、アークを発生させることなく機械式遮断器１０１を開くことができる。
【００１０】
その後、転流回路１１０をオフする事で直流の遮断を完了させる。非線形抵抗素子１０３は、転流回路１１０をオフすることで、主回路が持つインダクタンスが保持していたエネルギーによって回路両端に発生する過電圧を制限する。
【００１１】
図２０は特許文献２で示されるハイブリッド式遮断器の構成である。図２０のハイブリット式遮断器は、機械式遮断器２０１と、半導体スイッチ２０２と、電力変換装置２１０と、非線形抵抗２０３と、を備える。電力変換装置２１０は、半導体スイッチング素子とコンデンサによって構成されるＨブリッジ回路２０４を一つもしくは直列に複数接続することによって構成される。
【００１２】
図２０のハイブリット式遮断器は、機械式遮断器２０１をオンすることで、通常時には直流電流を流すことができる。短絡などによる過電流を検出すると、半導体スイッチ２０２をオンし、また、電力変換装置２１０によって機械式遮断器２０１に流れる事故電流をゼロにするように電流出力することで、機械式遮断器２０１にアークを発生させることなく、回路を開くことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】ＥＰ２５０２２４８Ｂ１
【特許文献２】特開２０１４−２３５８３４号公報
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】X. Pei, O. Cwikowski, D. S. Vilchis-Rodriguez, M. Barnes, A. C. Smith and R. Shuttleworth, "A review of technologies for MVDC circuit breakers," IECON 2016 - 42nd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, Florence, 2016, pp. 3799-3805.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかし、機械式遮断器はその遮断にアーク発生を伴う問題があり、遮断速度や遮断器の寿命に悪影響を与える。また、遮断までにかかる時間が非常に長い問題もある。一方、半導体式遮断器は、通常動作時に定常損失が発生する問題がある。
【００１６】
ハイブリッド式遮断器は、機械式，半導体式と比較し両方の利点を持ち、直流遮断器に求められる低損失，高速遮断を実現することが可能になる。
【００１７】
しかし、特許文献１で示される手法は直流システムが通常動作している場合、主電流が半導体スイッチ１０４を必ず通過するため定常損失が発生するという問題がある。半導体式の遮断器と比較し、半導体スイッチ１０４を構成する半導体素子の耐電圧は小さくてよい。そのため、特許文献１は導通損失の小さなスイッチング素子を利用でき、定常損失は小さくなる。しかし、機械式遮断器に比べれば、定常損失が発生するデメリットがある。
【００１８】
一方、特許文献２で示される手法は、通常時は機械式遮断器２０１のみに電流が流れるため、定常損失をほぼゼロにすることができる。しかし、電力変換装置２１０を構成するＨブリッジ回路２０４のコンデンサを充電しておく必要があり、外部から電源供給する機構が必要になる。また、多数の半導体スイッチが必要で、回路構成も複雑である。
【００１９】
以上示したようなことから、定常時の主回路電流による定常損失が無く、また機械スイッチを遮断するために事故電流を相殺する電流を発生させる電源の供給を外部から供給する必要がない、かつ、低損失で、構成の簡単なハイブリッド式の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】
【００２０】
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，第２直流系統間における直流線路の正極と負極との間に並列接続された複数のコンデンサと、前記複数のコンデンサに対して、それぞれ直列に接続された抵抗および半導体スイッチと、前記複数のコンデンサを直列接続する直列経路と、前記直列経路の各コンデンサ間に設けられた中間半導体スイッチと、前記直列経路に設けられたインダクタと、を有する電力変換回路と、前記電力変換回路と前記第１直流系統の正極または負極との間に接続された第１機械式遮断器と、備えたことを特徴とする。
【００２１】
また、その一態様として、第１，第２直流系統間における直流線路の負極に一端が接続され、第１抵抗と第１半導体スイッチを直列接続した第１アームスイッチ部と、一端が前記第１アームスイッチ部の他端に接続され、他端が前記直流線路の正極と接続された第１コンデンサと、を有する第１コンデンサアームと、前記直流線路の正極に一端が接続され、第２抵抗と第２半導体スイッチを直列接続した第２アームスイッチ部と、一端が前記第２アームスイッチ部の他端に接続され、他端が前記直流線路の負極に接続された第２コンデンサと、を有する第２コンデンサアームと、前記第１コンデンサと前記第１アームスイッチ部の共通接続点と、前記第２コンデンサと前記第２アームスイッチ部の共通接続点と、を接続し、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサを直列接続する直列経路と、前記直列経路の各コンデンサ間に直列接続された中間半導体スイッチと、前記直列経路に設けられたインダクタと、を備えた電力変換回路と、前記電力変換回路と前記第１直流系統の正極または負極との間に接続された第１機械式遮断器と、を備えたことを特徴とする。
【００２２】
また、他の態様として、第１，第２直流系統間における直流線路の負極に一端が接続され、第１抵抗と第１半導体スイッチとを直列接続した第１アームスイッチ部と、一端が前記第１アームスイッチ部の他端に接続され、他端が前記直流線路の正極と接続された第１コンデンサと、を有する第１コンデンサアームと、前記直流線路の正極に一端が接続され、正極半導体スイッチを有する正極アームスイッチ部と、前記直流線路の負極に一端が接続され、負極半導体スイッチを有する負極アームスイッチ部と、前記正極アームスイッチ部の他端と前記負極アームスイッチ部の他端との間に接続された第２〜第ｎ−１コンデンサと、を有する１つ、または、複数の第２〜第ｎ−１コンデンサアームと（ｎ＝３以上の整数）、前記直流線路の正極に一端が接続され、第ｎ抵抗と第ｎ半導体スイッチとを直列接続した第ｎアームスイッチ部と、一端が前記第ｎアームスイッチ部の他端に接続され、他端が前記直流線路の負極に接続された第ｎコンデンサと、を有する第ｎコンデンサアームと、前記第１〜第ｎコンデンサを直列接続する直列経路と、前記直列経路の各コンデンサ間に設けられた中間半導体スイッチと、前記直列経路に設けられたインダクタと、を備えた電力変換回路と、前記電力変換回路と第１直流系統の正極または負極との間に接続された第１機械式遮断器と、を備えたことを特徴とする。
【００２３】
また、他の態様として、第１，第２直流系統間における直流線路の負極に一端が接続され、第１抵抗と第１半導体スイッチとを直列接続した第１アームスイッチ部と、一端が前記第１アームスイッチ部の他端に接続され、他端が前記直流線路の正極と接続された第１コンデンサと、を有する第１コンデンサアームと、前記直流線路の正極に一端が接続され、第２抵抗と第２半導体スイッチとを直列接続した第２アームスイッチ部と、一端が前記第２アームスイッチ部の他端に接続され、他端が前記直流線路の負極に接続された第２コンデンサと、を有する第２コンデンサアームと、前記第１抵抗と前記第１半導体スイッチの共通接続点と前記第２抵抗と前記第２半導体スイッチの共通接続点との間に抵抗と中間コンデンサとを直列接続した中間コンデンサアームと、前記第１コンデンサ、前記中間コンデンサ、前記第２コンデンサを直列接続する直列経路と、前記直列経路の前記第１コンデンサと前記中間コンデンサの間，および、前記中間コンデンサと前記第２コンデンサの間に各々設けられた中間半導体スイッチと、前記直列経路に設けられたインダクタと、を備えた電力変換回路と、前記電力変換回路と前記第１直流系統の正極または負極との間に接続された第１機械式遮断器と、を備えたことを特徴とする。
【００２４】
また、その一態様として、前記中間コンデンサアームを複数設け、前記複数の中間コンデンサアームの各中間コンデンサ間に中間半導体スイッチを接続したことを特徴とする。
【００２５】
また、その一態様として、前記第１機械式遮断器の前記第１直流系統側の正負極間に直流コンデンサを設けたことを特徴とする。
【００２６】
また、その一態様として、前記第１直流系統から前記第２直流系統に電流が流れており、前記第２直流系統で事故が発生した場合は、前記半導体スイッチをオフし、前記中間半導体スイッチをオンし、前記第１機械式遮断器に流れる電流が所定値以下になった後、前記第１機械式遮断器に開放状態とすることを特徴とする。
【００２７】
また、その一態様として、前記電力変換回路と前記第２直流系統の正極または負極との間に接続された第２機械式遮断器を備えたことを特徴とする。
【００２８】
また、その一態様として、前記第２機械式遮断器の前記第２直流系統側の正負極間に直流コンデンサを設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、定常時の主回路電流による定常損失がほとんど無く、また機械スイッチを遮断するために事故電流を相殺する電流を発生させる電源の供給を外部から供給する必要がない、かつ、低損失で、構成の簡単なハイブリッド式の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】
【００３０】
【図１】実施形態１における直流遮断装置を示す回路図。
【図２】実施形態１における遮断時のシーケンスを示すタイムチャート。
【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】実施形態１における復帰時のシーケンス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回路図。
【図６】実施形態３における直流遮断装置を示す回路図。
【図７】実施形態３における遮断時の直流遮断装置を示す図。
【図８】実施形態３における遮断時のシーケンスを示すタイムチャート。
【図９】実施形態４における直流遮断装置を示す回路図。
【図１０】実施形態５における直流遮断装置を示す回路図。
【図１１】実施形態５における遮断時の直流遮断装置を示す図。
【図１２】実施形態５における遮断時のシーケンスを示すタイムチャート。
【図１３】実施形態５における復帰時のシーケンスを示すタイムチャート。
【図１４】実施形態６における直流遮断装置を示す回路図。
【図１５】実施形態７における直流遮断装置を示す回路図。
【図１６】実施形態７における遮断時のシーケンスを示すタイムチャート。
【図１７】実施形態７における復帰時のシーケンスを示すタイムチャート。
【図１８】実施形態８における直流遮断装置を示す回路図。
【図１９】従来の直流遮断装置の一例を示す図。
【図２０】従来の直流遮断装置の他例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本願発明の直流遮断装置の実施形態１〜８を図１〜図１８に基づいて詳述する。
【００３２】
［実施形態１］
本実施形態１の直流遮断装置の構成を図１に示す。第１，第２直流系統１０，２０間における直流線路に、第１機械式遮断器１，および、電力変換回路６が挿入される。電力変換回路６は、第１コンデンサアーム２ａおよび第２コンデンサアーム２ｂと、中間半導体スイッチ５と、インダクタ７と、で構成される。
【００３３】
第１コンデンサアーム２ａは、直流線路の正極と負極との間に第１コンデンサ３ａと第１アームスイッチ部４ａを直列に接続することによって構成される。第１アームスイッチ部４ａは第１抵抗４１ａおよび第１半導体スイッチ４２ａを直列に接続することによって構成される。第１アームスイッチ部４ａは、片方向の電流を制御し、その逆方向への電流は導通する機能を持つ。第１アームスイッチ部４ａの第１抵抗４１ａと第１半導体スイッチ４２ａの接続順序はどのような順序でも良い。
【００３４】
第２コンデンサアーム２ｂは、直流線路の正極と負極との間に第２アームスイッチ部４ｂと第２コンデンサ３ｂを直列に接続することによって構成される。第１コンデンサアーム２ａと第２コンデンサアーム２ｂは、第１，第２コンデンサ３ａ，３ｂと第１，第２アームスイッチ部４ａ，４ｂの接続の順序が２線の直流線路の極性に対して、逆になるように接続される。
【００３５】
例えば、第１コンデンサアーム２ａは直流線路の正極側に第１コンデンサ３ａ，負極側に第１アームスイッチ部４ａが接続され、第２コンデンサアーム２ｂは直流線路の正極側に第２アームスイッチ部４ｂ，負極側に第２コンデンサ３ｂが接続される。ただし、第１，第２アームスイッチ部４ａ，４ｂが導通を制御できる電流方向は、いずれも直流線路の正極側から負極側への方向である。
【００３６】
それぞれの第１，第２コンデンサアーム２ａ，２ｂの第１，第２コンデンサ３ａ，３ｂと第１，第２アームスイッチ部４ａ，４ｂの共通接続点Ｍの間を接続し、第１コンデンサ３ａ，第２コンデンサ３ｂを直列接続する直列経路を形成する。この直列経路には、中間半導体スイッチ５およびインダクタ７が設けられる。ここで中間半導体スイッチ５は、第２コンデンサアーム２ｂから第１コンデンサアーム２ａの方向への電流が制御できる極性（逆方向は導通）に接続する。
【００３７】
第１，第２半導体スイッチ４２ａ，４２ｂおよび中間半導体スイッチ５は一方向へ導通し、そのオン・オフを制御できるスイッチング素子と、それに対して逆並列にダイオードを接続することによって構成される。片方向への電流の導通を制御し、それと逆方向への電流を導通させるスイッチング素子の構成であれば、どのような種類の半導体スイッチング素子を用いても良い。
【００３８】
第１，第２半導体スイッチ４２ａ，４２ｂおよび中間半導体スイッチ５は、定常状態および遮断時などの過渡状態において発生しうる最大の直流線路間の電圧に耐えられるような耐電圧を持つ半導体スイッチを適用する。また、その構成は、複数の半導体スイッチング素子を直列・並列して構成しても良い。複数直列とした場合、その電圧バランスを調整するような補助回路（例えば各半導体スイッチと並列に同じ値の抵抗を挿入するなど）を備えても良い。
【００３９】
第１機械式遮断器１は、図１では直流線路正極側に接続されているが負極側でも良い。第１機械式遮断器１は、オフ状態において、定常状態及び遮断時や事故時等における過渡状態などにおいて直流線路間に発生する最大の直流電圧に耐えられる耐電圧となる。
【００４０】
第１，第２抵抗４１ａ，４１ｂや第１，第２コンデンサ３ａ，３ｂ，第１機械式遮断器１も複数の素子で構成しても良い。第１，第２コンデンサ３ａ，３ｂの容量は第１機械式遮断器１に流れる事故電流を相殺させるに足りる大きさとするのが望ましい。第１，第２抵抗４１ａ，４１ｂは第１，第２コンデンサ３ａ，３ｂの充電用であり、比較的大きな値とするのが望ましい。
【００４１】
以下、本実施形態１における直流遮断装置の動作を説明する。本実施形態１では、基本的に第１機械式遮断器１のある第１直流系統１０側に直流電圧源を有し、第２直流系統２０側の端子間に負荷が接続され、かつ、短絡や地絡の事故は第２直流系統２０側において発生する事を想定している。
【００４２】
直流線路に事故がない定常動作時においては、第１機械式遮断器１をオン状態とし、また、第１，第２半導体スイッチ４２ａ，４２ｂをオンとする。また、中間半導体スイッチ５はオフ状態としておく。
【００４３】
このとき直流電流は、第１直流系統１０側から第１機械式遮断器１および正負の直流線路を通って第２直流系統２０側に流れる。第１，第２コンデンサアーム２ａ，２ｂには、第１，第２アームスイッチ部４ａ，４ｂ，第１，第２コンデンサ３ａ，３ｂを介して電流が流れ、第１，第２コンデンサ３ａ，３ｂがそれぞれ第１系統電圧ＶＤＣ１（＝第２系統電圧ＶＤＣ２）と等しくなるまで充電される。
【００４４】
直流線路に地絡・短絡等が発生した場合の動作を図２，図３に基づいて説明する。短絡によって発生した事故電流ｉｓを図示しない直流電流検出器で検出する。例えば、第１機械式遮断器１に流れる電流（以下、機械式遮断器通過電流と称する）ｉ１を検出し、それが閾値以上になった場合に事故と判定する（図２の時刻Ｔ１）。
【００４５】
それに伴って第１，第２コンデンサアーム２ａ，２ｂの第１，第２半導体スイッチ４２ａ，４２ｂをオフする（時刻Ｔ１）。第１，第２半導体スイッチ４２ａ，４２ｂの遮断が完了した後、中間半導体スイッチ５をオンする（時刻Ｔ２）。
【００４６】
これにより、第１，第２コンデンサアーム２ａ，２ｂの第１，第２コンデンサ３ａ，３ｂは中間半導体スイッチ５によって直流線路の正負極間に直列接続された形となり、電力変換回路６は最大で２≡ＶＤＣ１の電圧を直流端子間に発生させる。
【００４７】
その結果、第１機械式遮断器１には事故電流ｉｓと逆方向の共振電流ｉｃが流れ、機械式遮断器通過電流ｉ１（＝ｉｓ−ｉｃ）は減少を開始する。機械式遮断器１を開路操作し（時刻Ｔ３）、第１機械式遮断器１の物理的な開路動作の完了後（時刻Ｔ４）もアーク放電により開路した端子間に電流が流れ続ける。しかし、共振電流ｉｃが増加し事故電流ｉｓと等しくなると、機械式遮断器通過電流ｉ１がゼロとなるため、アーク放電が切れ、第１機械式遮断器１の開路が完了する（時刻Ｔ５）。
【００４８】
第１機械式遮断器１の開路操作を開始するタイミングは、機械式遮断器通過電流ｉ１が零に至る前に物理的に開路状態となり、充分遮断状態を維持できるタイミングで良い。従って、図２では中間半導体スイッチ５をＯＮした時刻Ｔ２の後に、第１機械式遮断器１の開路操作を開始しているが、機械式遮断器通過電流ｉ１がゼロに至る前に充分遮断状態を維持できるのであれば、時刻Ｔ２の前に開路動作を開始してもよい。
【００４９】
開路完了後、直流線路での地絡・短絡等の障害が取り除かれた場合に復帰する際のシーケンスを図４に示す。時刻Ｔ１で中間半導体スイッチ５をまずオフし、次に時刻Ｔ２で第１，第２半導体スイッチ４２ａ，４２ｂをオンする。その後、第１機械式遮断器１をオン（時刻Ｔ３→時刻Ｔ４）する。これにより第１，第２コンデンサ３ａ，３ｂが第１系統電圧ＶＤＣ１に充電され、次の遮断動作を実施する準備が完了する。
【００５０】
以上示したように、本実施形態１における直流遮断装置によれば、直流遮断装置における定常時の電流による損失を無くすことができる。（第１機械式遮断器１の抵抗損失をゼロと仮定した場合）
また、事故電流ｉｓを相殺する電流の電源を外部から供給する必要がない。さらに、低損失、構成が簡単なハイブリッド式の直流遮断装置を提供することが可能となる。
【００５１】
また、地絡や短絡等の事故発生時は、電力変換回路６による共振電流ｉｃにより、素早く第１機械式遮断器１のアークを消し、第１機械式遮断器１を開放することが可能となる。
【００５２】
［実施形態２］
本実施形態２における直流遮断装置の構成を図５に示す。本実施形態２は、実施形態１と電力変換回路６の構成が実施形態１とは異なる。
【００５３】
電力変換回路６は、３つ以上の複数のコンデンサアームと、２つ以上の複数の中間半導体スイッチ５と、インダクタ７によって構成される。以下ではアーム数がｎ（ｎ＝３以上の整数）である時の場合について説明する。
【００５４】
電力変換回路６の両端に配置される第１コンデンサアーム２−１および第ｎコンデンサアーム２−ｎは、実施形態１の第１コンデンサアーム２ａおよび第２コンデンサアーム２ｂと同じである。
【００５５】
第２コンデンサアーム２−２から第ｎ−１コンデンサアーム２−（ｎ―１）は、直流線路の正極に接続された正極アームスイッチ部４ｃと、直流線路の負極に接続された負極アームスイッチ部４ｄと、正極アームスイッチ部４ｃと負極アームスイッチ部４ｄとの間に接続された第２〜第ｎ−１コンデンサ３ｃによって構成される。
【００５６】
正極アームスイッチ部４ｃは、直列接続された抵抗４１ｃと正極半導体スイッチ４２ｃと、を備える。負極アームスイッチ部４ｄは、直列接続された抵抗４１ｄと負極半導体スイッチ４２ｄとを備える。
【００５７】
第１コンデンサアーム２−１の第１コンデンサ３ａと第１アームスイッチ部４ａとの共通接続点Ｍと、その隣の第２コンデンサアーム２−２の正極アームスイッチ部４ｃと第２コンデンサ３ｃの共通接続点Ｍ１を、直列経路により接続する。直列経路には、中間半導体スイッチ５およびインダクタ７が設けられる。
【００５８】
第２コンデンサアーム２−２の第２コンデンサ３ｃと負極アームスイッチ部４ｄの共通接続点Ｍ２と、その隣の第３コンデンサアーム２−３の正極アームスイッチ部４ｃと第３コンデンサ３ｃの共通接続点Ｍ１を、直列経路によって接続する。直列経路には、中間半導体スイッチ５およびインダクタ７が設けられる。
【００５９】
以下、同様に第２コンデンサアーム２−２から第ｎ−１コンデンサアーム２−（ｎ−１）の間を直列経路で接続し、直列経路には中間半導体スイッチ５およびインダクタ７を設ける。第ｎ−１コンデンサアーム２−（ｎ−１）と第ｎコンデンサアーム２−ｎの間は、第ｎ−１コンデンサアーム２−（ｎ−１）の共通接続点Ｍ２と、第ｎコンデンサアーム２−ｎの共通接続点Ｍを直列経路で接続し、直列経路には中間半導体スイッチ５およびインダクタ７を設ける。
【００６０】
第２コンデンサアーム２−２から第ｎ−１コンデンサアーム２−（ｎ−１）における正極，負極アームスイッチ部４ｃ，４ｄの抵抗４１ｃ，４１ｄは、それぞれのアームスイッチ部４ｃ，４ｄに設けても良いし、片方（１つのアームスイッチ部４ｃまたは４ｄ）に集約しても良い。また、個々の抵抗４１ｃ，４１ｄの抵抗値は同じとする必要は無い。ただし、コンデンサアーム２毎の抵抗４１ｃ，４１ｄによる抵抗値（抵抗４１ｃの抵抗値と抵抗４１ｄの抵抗値の和）は同じとするのが望ましい。同様に、中間半導体スイッチ５に直列に接続されるインダクタ７は、各中間半導体スイッチ５毎に配置しても、一つ、もしくは、いくつかに集約しても良い。
【００６１】
本実施形態２の動作および作用を説明する。基本的な動作・作用は、実施形態１と同様である。短絡発生時、すべての第１〜第ｎコンデンサアーム２−１〜２−ｎの第１，第２半導体スイッチ４２ａ，４２ｂ，正極半導体スイッチ４２ｃ，負極半導体スイッチ４２ｄをオフし、また、すべての中間半導体スイッチ５をオンする。
【００６２】
これにより、すべての第１〜第ｎコンデンサ３ａ〜３ｃが直列接続され、電力変換回路６の両端には最大で第１系統電圧ＶＤＣ１のｎ倍の電圧が発生する。この電圧源によって発生する電流（コンデンサ３ａ〜３ｃとインダクタ７による共振電流）によって、第１機械式遮断器１に流れる事故電流ｉｓの短絡電流を相殺し、機械式遮断器通過電流ｉ１を零とすることで、アークを遮断する。その後の動作は実施形態１と同様である。
【００６３】
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、実施形態１と比較して、電力変換回路６の出力電圧を高くすることができ、素早く共振電流ｉｃを大きくすることができる。その結果、素早く機械式遮断器通過電流ｉ１（＝ｉｓ−ｉｃ）を減少させることができるため、より早く第１機械式遮断器１のアークを消弧し、第１機械式遮断器１を開放できる。
【００６４】
［実施形態３］
本実施形態３における直流遮断装置の構成を図６に示す。本実施形態３は、電力変換回路６の両端に第１機械式遮断器１ａおよび第２機械式遮断器１ｂを配置したものである。図６では、実施形態１の電力変換回路６の両端に第１，第２機械式遮断器１ａ，１ｂを設けているが、実施形態２の電力変換回路６の両端に第１，第２機械式遮断器１ａ，１ｂを設けても良い。
【００６５】
以下、本実施形態３の動作および作用を図７，図８に基づいて説明する。本実施形態３では、直流電圧源を第１直流系統１０側，第２直流系統２０側のいずれかまたは両方に設けてもよく、また事故電流の方向も限定しない。
【００６６】
初期状態において、第１機械式遮断器１ａおよび第２機械式遮断器１ｂは開路状態とする。また、第１，第２コンデンサ３ａ，３ｂはいずれも放電されているとする。このとき、第１，第２半導体スイッチ４２ａ，４２ｂをいずれもオンしておく。また、中間半導体スイッチ５はオフしておく。
【００６７】
次に、第１機械式遮断器１ａを閉路にする。これにより２つの第１，第２コンデンサ３ａ，３ｂが第１，第２アームスイッチ部４ａ，４ｂを介していずれも第１系統電圧ＶＤＣ１に充電される。充電が完了したら、第２機械式遮断器１ｂを閉路する。以上の手順により、第１直流系統１０と、第２直流系統２０を導通させる前に、第１，第２コンデンサ３ａ，３ｂを充電することができる。第１機械式遮断器１ａと第２機械式遮断器１ｂの投入順序は逆にしても良い。
【００６８】
次に、第２直流系統２０側で短絡が発生したときの動作を図７，図８に基づいて説明する。ここで、第１機械式遮断器１ａを通過する電流を第１機械式遮断器通過電流ｉ１ａと表現している。この場合の動作は、短絡発生の検出まで、実施形態１における動作と同様である。ただし、短絡電流の方向の検出が必要である。短絡電流が直流線路の正側において、第１直流系統１０側から第２直流系統２０側へ流れていた場合、以下の動作を実施する。
【００６９】
第１，第２半導体スイッチ４２ａ，４２ｂをいずれもオフし（時刻Ｔ１）、次に中間半導体スイッチ５をオンする（時刻Ｔ２）。第１機械式遮断器１ａをオフする（時刻Ｔ３〜Ｔ４）。電力変換回路６の直流線路両端の電圧が第１系統電圧ＶＤＣ１より高くなり、事故電流ｉｓを相殺する共振電流ｉｃが流れる。その結果、第１機械式遮断器通過電流ｉ１ａが減少し、第１機械式遮断器１ａのアークが切れることで遮断される。
【００７０】
その後、第２機械式遮断器１ｂをオフする（時刻Ｔ６〜Ｔ７）。第１，第２機械式遮断器１ａ，１ｂをオフ状態を確認し、中間半導体スイッチ５をオフした後に、第１，第２半導体スイッチ４２ａ，４２ｂをオンしても良い。その場合、第１，第２抵抗４１ａ，４１ｂによって、第１，第２コンデンサ３ａ，３ｂに充電されたエネルギーが放出される。
【００７１】
第１直流系統１０側で短絡が発生したときの動作を説明する。事故電流が直流線路の正極側において、第２直流系統２０側から第１直流系統１０側へ流れていた場合、以下の動作を実施する。第１，第２半導体スイッチ４２ａ，４２ｂをいずれもオフし、次に中間半導体スイッチ５をオンする。
【００７２】
また、第２機械式遮断器１ｂをオフする。電力変換回路６の直流線路両端の電圧が第２系統電圧ＶＤＣ２より高くなり、事故電流ｉｓを相殺する共振電流ｉｃが流れる。その結果、第２機械式遮断器通過電流ｉ１ｂ（＝ｉｓ−ｉｃ）は減少し、第２機械式遮断器１ｂのアークが切れることで遮断される。
【００７３】
その後、第１機械式遮断器１ａをオフする。第１，第２機械式遮断器１ａ，１ｂをオフし遮断を確認し、中間半導体スイッチ５をオフした後に、第１，第２半導体スイッチ４２ａ，４２ｂをオンしても良い。その場合、第１，第２抵抗４１ａ，４１ｂによって、第１，第２コンデンサ３ａ，３ｂに充電されたエネルギーが放出される。
【００７４】
復帰シーケンスは、実施形態１の図４の復帰シーケンス例と同じであるが、初期充電シーケンス同様、第１機械式遮断器１ａと第２機械式遮断器１ｂとでタイミングをずらす動作を行う。
【００７５】
以上の第１，第２機械式遮断器１ａ，１ｂ及び第１，第２半導体スイッチ４２ａ，４２ｂ，中間半導体スイッチ５の動作は、実施形態２に対して、第１，第２機械式遮断器１ａ，１ｂを電力変換回路６の両端に設けた場合でも同様である。
【００７６】
以上示したように、本実施形態３によれば、実施形態１，２と同様の作用効果を奏する。また、短絡電流の方向に寄らず、電流を遮断できる。
【００７７】
また、初期状態から第１，第２機械式遮断器１ａ，１ｂを投入する際、既に線路に短絡が発生していたとしても、両直流線路が閉路される前に電力変換回路６のコンデンサの充電が可能になる。その結果、第１，第２機械式遮断器１ａ，１ｂが完全に投入された際にすぐに遮断動作を実行でき、事故に対する保護性能が向上する。
【００７８】
［実施形態４］
本実施形態４における直流遮断装置の構成を図９に示す。本実施形態４は、実施形態３に対し、第１機械式遮断器１ａの第１直流系統１０側の正負極間および第２機械式遮断器１ｂの第２直流系統２０側の正負極間に、直流コンデンサ８ａおよび直流コンデンサ８ｂを設けたものである。本実施形態４は、第１，第２実施形態の第１機械式遮断器１ａに対しても同様に適用できる。
【００７９】
本実施形態４の動作および作用を説明する。基本的な開路動作は実施形態３における動作と同様であるため説明は省略する。
【００８０】
直流コンデンサ８ａは、遮断動作時に機能する。例えば、第２直流系統２０側で短絡が発生し、第１機械式遮断器１ａの遮断動作を行う場合について説明する。電力変換回路６の第１，第２半導体スイッチ４２ａ，４２ｂをオフし、その後、中間半導体スイッチ５をオンすることで、電力変換回路６が正・負の直流線路両端に電圧を発生させる。
【００８１】
そのとき、共振電流は電力変換回路６の正側から第１機械式遮断器１ａを通り、直流コンデンサ８ａと、第１直流系統１０側とに別れ、電力変換回路６の負極側に流れる。第１直流系統１０側は内部インピーダンスや線路のインダクタンスを含むインピーダンスにより電流が制限される。
【００８２】
一方、直流コンデンサ８ａは、電力変換回路６の電圧変化にともなって過渡的に低いインピーダンスとなるため、瞬間的に大きな電流が流れやすい。結果として、第１直流系統１０側の電源又は負荷への電流を抑制すると共に、第１機械式遮断器１ａへの共振電流を素早く大きくすることができる。
【００８３】
その結果、第１機械式遮断器１ａの開放速度を速くすることができる。また、第１機械式遮断器１ａが開放された後、第１直流系統１０側の電源又は負荷の線路インピーダンスが有するエネルギーを、直流コンデンサ８ａが吸収することで、電圧上昇を抑制する事ができる。
【００８４】
以上の動作・作用は直流コンデンサ８ｂおよび第２機械式遮断器１ｂ側も同様である。
【００８５】
以上示したように、本実施形態４によれば、実施形態１〜３と同様の作用効果を奏する。また、第１，第２機械式遮断器１ａ，１ｂに流れる短絡電流に対して、電力変換回路６から流れる共振電流の増加を早くすることで、第１，第２機械式遮断器１ａ，１ｂの遮断をより高速化できる。
【００８６】
［実施形態５］
本実施形態５における直流遮断装置を図１０に示す。本実施形態５における直流遮断装置は、第１，第２直流系統１０，２０間における直流線路に電力変換回路６を設ける。また、電力変換回路６と第１直流系統１０との間に第１機械式遮断器１を設ける。第１機械式遮断器１は正極、負極のいずれの線路に挿入しても良い。
【００８７】
電力変換回路６は、第１コンデンサアーム２ａと、第２コンデンサアーム２ｂと、中間コンデンサ２１と、抵抗２２と、中間半導体スイッチ５と、インダクタ７と、を有する。
【００８８】
第１コンデンサアーム２ａは、第１，第２直流系統１０，２０間における直流線路の正極と負極との間に第１コンデンサ３ａと第１アームスイッチ部４ａを直列接続することによって構成される。第１アームスイッチ部４ａは、第１抵抗４１ａおよび第１半導体スイッチ４２ａを直列接続することにより構成される。第１コンデンサ３ａは一端が第１アームスイッチ部４ａに接続され、他端が直流線路の正極または負極に接続される。図１０では、第１コンデンサ３ａの他端は直流線路の正極に接続されている。
【００８９】
第２コンデンサアーム２ｂは、第１，第２直流系統１０，２０間における直流線路の正極と負極との間に第２コンデンサ３ｂと第２アームスイッチ部４ｂを直列接続することによって構成される。第２アームスイッチ部４ｂは、第２抵抗４１ｂおよび第２半導体スイッチ４２ｂを直列接続することによって構成される。第２コンデンサ３ｂは一端が第２アームスイッチ部４ｂに接続され、他端が直流線路の正極または負極のうち第１アームスイッチ部４ａの第１コンデンサ３ａとは逆側に接続される。図１０では、第２コンデンサ３ｂの他端は直流線路の負極に接続される。
【００９０】
第１抵抗４１ａと第１半導体スイッチ４２ａの共通接続点と、第２抵抗４１ｂと第２半導体スイッチ４２ｂの共通接続点と、の間には中間コンデンサアームが接続される。中間コンデンサアームは抵抗２２と中間コンデンサ２１と抵抗２２を直列接続することによって構成される。
【００９１】
第１コンデンサ３ａと中間コンデンサ２１、および、中間コンデンサ２１と第２コンデンサ３ｂを接続し、第１，中間，第２コンデンサ３ａ，２１，３ｂを直列接続する直列経路を形成する。この直列経路には、第１コンデンサ３ａと中間コンデンサ２１の間，および、中間コンデンサ２１と第２コンデンサ３ｂの間に中間半導体スイッチ５とインダクタ７が設けられる。
【００９２】
中間半導体スイッチ５は、片方向の電流の導通・遮断を制御し、その逆方向への電流は導通する機能を有する。中間半導体スイッチ５の導通・遮断を制御できる電流方向は、直流線路の負側から正側とする。
【００９３】
第１，第２半導体スイッチ４２ａ，４２ｂの通電・導通を制御できる電流極性は、直流線路の正極側から負極側とする。
【００９４】
第１，第２抵抗４１ａ，４１ｂ，抵抗２２は第１，第２，中間コンデンサ３ａ，３ｂ，２１を充電するための抵抗である。第１，第２半導体スイッチ４２ａ，４２ｂは、想定される直流電圧最大値に耐えられる耐電圧をもつ半導体スイッチを適用する。第１，第２半導体スイッチ４２ａ，４２ｂは、複数の半導体スイッチング素子を直列、又は、並列に接続して構成してもよく、またスイッチング素子の種類は特定のものに限定されるものではない。インダクタ７は各中間半導体スイッチ５に直列に設ける必要は無く、必要に応じて一つのインダクタにまとめても良い。
【００９５】
本実施形態５における動作および作用を説明する。本実施形態５では、基本的に第１機械式遮断器１のある第１直流系統１０側に直流電圧源を有し、第２直流系統２０側の端子間に負荷が接続され、かつ、短絡や地絡の事故は第２直流系統２０側において発生する事を想定している。
【００９６】
直流線路に事故がない定常動作時においては、第１機械式遮断器１をオン状態とする。また、第１，第２半導体スイッチ４２ａ，４２ｂをオンとし、中間半導体スイッチ５はオフ状態とする。
【００９７】
このとき直流電流は、第１直流系統１０側から第１機械式遮断器１および正負の直流線路を通って流れる。第１，第２半導体スイッチ４２ａ，４２ｂをオン，中間半導体スイッチ５がオフの状態では、すべての第１，第２コンデンサ３ａ，３ｂ，中間コンデンサ２１は直流線路の正極と負極の間に第１，第２抵抗４１ａ，４１ｂ，抵抗２２を介して並列に接続された状態となり、その結果、すべての第１，第２コンデンサ３ａ，３ｂ，中間コンデンサ２１は第１系統電圧ＶＤＣ１（＝第２系統電圧ＶＤＣ２）に充電される。
【００９８】
直流線路に地絡・短絡等の事故が発生した場合の動作を図１１，図１２に基づいて説明する。短絡によって発生した過大な事故電流ｉｓを図示しない直流電流検出器で検出する。例えば、第１機械式遮断器１の線路に電流検出器を備え、機械式遮断器通過電流ｉ１を監視し、一定の閾値以上の電流が流れたときに短絡と判断する。
【００９９】
それに伴って、第１，第２半導体スイッチ４２ａ，４２ｂをオフし（時刻Ｔ１）、その後すべての中間半導体スイッチ５をオンする（時刻Ｔ２）。また、第１機械式遮断器１を開路操作する（時刻Ｔ３〜Ｔ４）。
【０１００】
その結果、すべての第１，第２コンデンサ３ａ，３ｂ，中間コンデンサ２１は直流線路の正極と負極の間に直列接続された形となり、電力変換回路６はコンデンサ３個の電圧を足し合わせた電圧（全ての第１，第２コンデンサ３ａ，３ｂ，中間コンデンサ２１の電圧が第１系統電圧ＶＤＣ１だった場合、３×ＶＤＣ１）を直流線路間に発生させる。
【０１０１】
その結果、「電力変換回路６の両端の電圧≠第１機械式遮断器１側の第１系統電圧ＶＤＣ１」となっている期間において、電力変換回路６から第１機械式遮断器１に共振電流ｉｃが供給される。共振電流ｉｃは第１，第２コンデンサ３ａ，３ｂ，中間コンデンサ２１とインダクタ７によって共振する。
【０１０２】
この共振電流ｉｃが事故電流ｉｓと等しくなると、機械式遮断器通過電流ｉ１（＝ｉｓ−ｉｃ）がゼロになる瞬間が発生し、開路操作によって発生していた第１機械式遮断器１のアークが消弧し、開路が完了する。
【０１０３】
開路完了後は、中間半導体スイッチ５および第１，第２半導体スイッチ４２ａ，４２ｂをオンしても良い。オンする事で、中間コンデンサ２１およびインダクタ７のエネルギーを第１，第２抵抗４１ａ，４１ｂにより発散することができる。
【０１０４】
次に、図１３に基づいて、本実施形態５の復帰シーケンスを説明する。時刻Ｔ１で中間半導体スイッチ５をまずオフし、次に時刻Ｔ２で第１，第２半導体スイッチ４２ａ，４２ｂをオンする。その後、第１機械式遮断器１をオン（時刻Ｔ３→時刻Ｔ４）する。これにより第１，第２コンデンサ３ａ，３ｂ，中間コンデンサ２１が第１系統電圧ＶＤＣ１に充電され、次の遮断動作を実施する準備が完了する。
【０１０５】
以上示したように、本実施形態５によれば、直流遮断装置における定常時の電流による損失を無くすことができる。（機械式遮断器の抵抗をゼロと仮定した場合）
また、電力変換回路６の共振電流により、素早く第１機械式遮断器１のアークを消弧し、第１機械式遮断器１を開放できる
［実施形態６］
本実施形態６における直流遮断装置を図１４に示す。本実施形態６は、実施形態５と電力変換回路６の構成が異なる。
【０１０６】
本実施形態６は、第１アームスイッチ部４ａと第２アームスイッチ部４ｂとの間に抵抗２２，中間コンデンサ２１，抵抗２２を直列接続した中間コンデンサアームを複数並列接続したものである。電力変換回路６が備える第１，第２コンデンサ３ａ，３ｂ，中間コンデンサ２１の数は合計で４つ以上となる。
【０１０７】
また、各コンデンサ２１の間の直列経路には中間半導体スイッチ５およびインダクタ７が設けられる。インダクタ７は各中間半導体スイッチ５に備えても、一つのインダクタにまとめても良い。
【０１０８】
本実施形態６における動作および作用を説明する。基本的な動作・作用は、実施形態５と同じである。
【０１０９】
直流線路に事故がない定常動作時においては、第１機械式遮断器１をオン状態とする。また、第１，第２アームスイッチ部４ａ，４ｂの第１，第２半導体スイッチ４２ａ，４２ｂをオンとし、すべての中間半導体スイッチ５はオフとする。
【０１１０】
このとき直流電流は第１直流系統１０側から第１機械式遮断器１および正負の直流線路を通って流れる。第１，第２半導体スイッチ４２ａ，４２ｂをオン，中間半導体スイッチ５がオフの状態では、すべての第１，第２コンデンサ３ａ，３ｂ，中間コンデンサ２１は、直流線路の正極と負極との間に第１，第２抵抗４１ａ，４１ｂ，抵抗２２を介して並列に接続された状態となり、すべての第１，第２コンデンサ３ａ，３ｂ，中間コンデンサ２１は第１系統電圧ＶＤＣ１（＝第２系統電圧ＶＤＣ２）に充電される。
【０１１１】
直流線路に地絡・短絡等が発生した場合、短絡電流を図示しない直流電流検出器で検出する。例えば、第１機械式遮断器１の線路に電流検出器を備え、機械式遮断器通過電流ｉ１を監視し、一定の閾値以上の電流が流れたときに短絡と判断する。
【０１１２】
短絡の判定にともなって、第１，第２アームスイッチ部４ａ，４ｂの第１，第２半導体スイッチ４２ａ，４２ｂをオフする。その後、中間半導体スイッチ５をオンとする。また、第１機械式遮断器１を開路操作する。
【０１１３】
その結果、すべての第１，第２コンデンサ３ａ，３ｂ，中間コンデンサ２１は直流線路の正極と負極の間に直列接続された形となり、電力変換回路６は直流線路間にすべてのコンデンサの電圧を足し合わせた電圧（第１，第２コンデンサ３ａ，３ｂと中間コンデンサ２１の合計数をｎ個とし、第１，第２コンデンサ３ａ，３ｂ，中間コンデンサ２１すべての電圧がＶＤＣ１の場合、ｎ×ＶＤＣ１）を直流線路間に発生させる。
【０１１４】
これにより、「電力変換回路６の両端の電圧≠第１機械式遮断器１側の第１系統電圧ＶＤＣ１」となっている期間において、電力変換回路６から第１機械式遮断器１に共振電流ｉｃが供給される。共振電流ｉｃは第１，第２コンデンサ３ａ，３ｂ，中間コンデンサ２１とインダクタ７によって共振する。
【０１１５】
第１機械式遮断器１に流れる電流は事故電流ｉｓと共振電流ｉｃが等しくなるとゼロになる瞬間が発生し、開路操作によって発生していた第１機械式遮断器１のアークが消弧し、開路が完了する。
【０１１６】
開路完了後は、第１，第２半導体スイッチ４２ａ，４２ｂおよび中間半導体スイッチ５をオンしても良い。オンする事で、第１，第２コンデンサ３ａ，３ｂ，中間コンデンサ２１およびインダクタ７のエネルギーを第１，第２抵抗４１ａ，４１ｂにより発散することができる。
【０１１７】
以上示したように、本実施形態６によれば、実施形態５と同様の作用効果を奏する。また、実施形態５に対して、電力変換回路６の出力電圧を高くすることができ、素早く共振電流を大きくすることができることで、より早く第１機械式遮断器１のアークを消弧し、第１機械式遮断器１を開放できる
［実施形態７］
本実施形態７の直流遮断装置を図１５に示す。図１５に示すように、本実施形態７は、実施形態５の電力変換回路６の両端に第１機械式遮断器１ａおよび第２機械式遮断器１ｂを配置したものである。実施形態６の電力変換回路６の両端に第１機械式遮断器１ａおよび第２機械式遮断器１ｂを配置しても良い。
【０１１８】
本実施形態７の動作および作用を図１５に基づいて説明する。本実施形態７では、直流電圧源が第１直流系統１０側，第２直流系統２０側のいずれか、または両方に存在していてもよく、また事故電流ｉｓの方向も限定しない。
【０１１９】
初期状態において、第１機械式遮断器１ａおよび第２機械式遮断器１ｂはオフ状態とする。また、第１，第２コンデンサ３ａ，３ｂ，中間コンデンサ２１はいずれも放電されているとする。このとき、第１，第２アームスイッチ部４ａ，４ｂの第１，第２半導体スイッチ４２ａ，４２ｂをいずれもオンしておく。また、中間半導体スイッチ５は全てオフしておく。
【０１２０】
次に、第１機械式遮断器１ａを閉路する。これにより３つの第１，第２コンデンサ３ａ，３ｂ，中間コンデンサ２１がいずれも第１系統電圧ＶＤＣ１に充電される。充電が完了したら、第２機械式遮断器１ｂを閉路する。
【０１２１】
以上の手順により、第１直流系統１０側と、第２直流系統２０側を導通させる前に、第１，第２コンデンサ３ａ，３ｂ，中間コンデンサ２１を充電することができる。これにより、万が一、第１，第２機械式遮断器１ａ，１ｂの投入直後に短絡が発生したり、直流線路に電源がなく、短絡が発生している状態が不明であったりした場合に、電力変換回路６が機能しない状態で過電流が発生するのを抑制できる。第１，第２機械式遮断器１ａ，１ｂの投入順序は逆にしても良い。
【０１２２】
次に、第２直流系統２０側で短絡が発生したときの動作を図１６に基づいて説明する。短絡発生の検出までは、実施形態５における動作と同様である。ただし、短絡電流の極性の検出が必要である。短絡電流が直流線路の正側において、第１直流系統１０側から第２直流系統２０側へ流れていた場合、以下の動作を実施する。
【０１２３】
第１，第２アームスイッチ部４ａ，４ｂの第１，第２半導体スイッチ４２ａ，４２ｂをいずれもオフし（時刻Ｔ１）、次に中間半導体スイッチ５を全てオンする（時刻Ｔ２）。また、第１機械式遮断器１ａをオフする（時刻Ｔ３〜Ｔ４）。電力変換回路６の直流線路両端の電圧が第１系統電圧ＶＤＣ１より高くなり、短絡電流を相殺する共振電流ｉｃが流れ、第１機械式遮断器通過電流ｉ１ａが減少する。その際に第１機械式遮断器１ａのアークが消弧することで遮断される。
【０１２４】
その後、第２機械式遮断器１ｂをオフする。両方の第１，第２機械式遮断器１ａ，１ｂのオフ状態を確認した後、第１，第２半導体スイッチ４２ａ，４２ｂをオンしても良い。その場合、第１，第２抵抗４１ａ，４１ｂによって、コンデンサ２１に充電されたエネルギーが放出される。
【０１２５】
第１直流系統１０側で短絡が発生したときの動作を説明する。短絡電流が直流線路の正側において、第２直流系統２０側から第１直流系統１０側へ流れていた場合、以下の動作を実施する。第１，第２アームスイッチ部４ａ，４ｂの第１，第２半導体スイッチ４２ａ，４２ｂをいずれもオフし、次に中間半導体スイッチ５をオンする。また、第２機械式遮断器１ｂをオフする。電力変換回路６の直流線路両端の電圧が第２系統電圧ＶＤＣ２より高くなり、短絡電流を相殺する共振電流が流れ、第２機械式遮断器通過電流ｉ１ｂが減少する。その際に第２機械式遮断器１ｂのアークが消弧することで遮断される。
【０１２６】
その後、第１機械式遮断器１ａをオフする。両方の第１，第２機械式遮断器１ａ，１ｂのオフ状態を確認した後、第１，第２半導体スイッチ４２ａ，４２ｂをオンしても良い。その場合、第１，第２抵抗４ａ，４ｂ，抵抗２２によって、第１，第２コンデンサ３ａ，３ｂ，中間コンデンサ２１に充電されたエネルギーが放出される。
【０１２７】
次に、図１７に基づいて、本実施形態７の復帰シーケンスを説明する。時刻Ｔ１で中間半導体スイッチ５をまずオフし、次に時刻Ｔ２で第１，第２半導体スイッチ４２ａ，４２ｂをオンする。その後、第１機械式遮断器１ａをオン（時刻Ｔ３→時刻Ｔ４）する。これにより第１，第２コンデンサ３ａ，３ｂが第１系統電圧ＶＤＣ１に充電され、次の遮断動作を実施する準備が完了する。その後、第２機械式遮断器１ｂをオン（時刻Ｔ５〜Ｔ６）する。
【０１２８】
以上の第１，第２機械式遮断器１ａ，１ｂ及び第１，第２半導体スイッチ４２ａ，４２ｂ，中間半導体スイッチ５の動作は実施形態６に対して、第１，第２機械式遮断器１ａ，１ｂを電力変換回路６の両端に設けた場合でも同様である。
【０１２９】
以上示したように、本実施形態７によれば、短絡電流の方向に寄らず、電流を遮断できる。
【０１３０】
また、初期状態から第１，第２機械式遮断器１ａ，１ｂを投入する際、既に線路に短絡が発生していたとしても、両直流線路が閉路される前に電力変換回路６の充電が可能になる。その結果、第１，第２機械式遮断器１ａ，１ｂが完全に投入された際にすぐに遮断動作を実行でき、事故に対する保護性能が向上する。
【０１３１】
［実施形態８］
本実施形態８における直流遮断装置を図１８に示す。図１８に示すように、本実施形態８は、実施形態７に対して、第１，第２機械式遮断器１ａ，１ｂの第１直流系統１０側，第２直流系統２０側に、直流コンデンサ８ａ，８ｂを設けたものである。実施形態５，６の第１機械式遮断器１に対しても同様に適用できる。
【０１３２】
本実施形態８における直流遮断装置の動作および作用を説明する。基本的な開路動作は実施形態７における動作と同様であるので省略する。
【０１３３】
直流コンデンサ８ａは、遮断動作時に機能する。例えば、第２直流系統２０側で短絡が発生し、第１機械式遮断器１ａの遮断動作を行う場合について説明する。第１，第２アームスイッチ部４ａ，４ｂの第１，第２半導体スイッチ４２ａ，４２ｂをオフし、その後、中間半導体スイッチ５をオンすることで、電力変換回路６が正・負の直流線路両端に電圧を発生させる。
【０１３４】
そのとき、電流は電力変換回路６の正極側から第１機械式遮断器１ａを通り、直流コンデンサ８ａと、第１直流系統１０の直流負荷側とに別れ、電力変換回路６の負極側に流れる。第１直流系統１０は内部インピーダンスや線路のインダクタンスを含むインピーダンスにより電流が制限される。
【０１３５】
一方、直流コンデンサ８ａは、電力変換回路６の電圧変化にともなって過渡的に低いインピーダンスとなるため、瞬間的に大きな電流が流れやすくなる。結果として、第１直流系統１０側の電源又は負荷への電流を抑制すると共に、第１機械式遮断器１ａへの逆電流を素早く大きくすることができる。
【０１３６】
それにより、第１機械式遮断器１ａの開放速度を速くすることができる。また、第１機械式遮断器１ａが開放された後、第１直流系統１０側の電源又は負荷の線路インピーダンスが有するエネルギーを、直流コンデンサ８ａが吸収することで、第１直流系統１０の電圧上昇を抑制する事が出来る。
【０１３７】
以上の動作・作用は直流コンデンサ８ｂおよび第２機械式遮断器１ｂ側も同様である。
【０１３８】
以上示したように、本実施形態８によれば、機械式遮断器通過電流に対して、電力変換回路６が発生させる共振電流の増加を早くすることで、遮断をより高速化できる。
【０１３９】
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。
【符号の説明】
【０１４０】
１…機械式遮断器
２ａ，２ｂ…コンデンサアーム
３ａ，３ｂ，３ｃ…コンデンサ
４ａ，４ｂ…アームスイッチ部
４１ａ，４１ｂ…抵抗
４２ａ，４２ｂ…半導体スイッチ
５…中間半導体スイッチ
６…電力変換回路
７…インダクタ
８ａ，８ｂ…直流コンデンサ
【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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【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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