(57)【要約】  【課題】構成が比較的簡単であり、装置費用を低減することができ、さらに経済性側面からより競争力がある、電圧型コンバーターに適した高速遮断機能を有する直流電流ＤＣ遮断装置及び方法を提供する。  【解決手段】事故発生時、直流電流を遮断するための直流電流遮断装置において、正常動作状態の電流を通電させるための主通電路上に正常通電時の電力損失を低減するために、直列連結され設けられる３個の高速機械スイッチを含む主通電部と、主通電部の電流遮断のために主通電部に設けられる高速スイッチのいずれか１個の高速機械スイッチに並列連結し設けられる電力半導体スイッチと、前記主通電路と並列連結された回路上に設けられるキャパシタと、前記主通電路と並列連結された回路上にキャパシタと並列接続されるように設けられる避電器、とを含む直流電流遮断装置とそれを用いた直流電流遮断方法。  【選択図】  図１
2016541088.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
事故発生時直流電流を遮断するための直流電流遮断装置において、
正常動作状態の電流を通電させるための主通電路上に直列連結され設けられる３個の高速機械スイッチを含む主通電部と、
前記主通電部に属された高速機械スイッチのいずれか１個の機械スイッチに並列連結された１次転流回路上に設けられる電力半導体スイッチと、
前記主通電路中の２つの直列連結された高速機械スイッチと並列連結された回路である２次転流回路上に設けられるキャパシタと、
前記主通電路中の２つの直列連結された機械スイッチと並列連結された回路上のキャパシタと並列連結された回路である３次転流回路上に設けられる避電器と、
を含むことを特徴とする直流電流遮断装置。
【請求項２】
電力半導体スイッチが連結される１次転流回路と並列連結される主通電回路の機械スイッチは、直列連結された他の２つの機械スイッチの定格電圧より低い定格電圧を有する機械スイッチを設けることを特徴とする請求項１に記載の直流電流遮断装置。
【請求項３】
前記１次転流回路に設けられる電力半導体スイッチは、前記電力半導体スイッチと並列連結された機械スイッチが、通電状態で開極（open）時に、アーク電圧より低い順方向電圧が印加されることで、主通電部の電流が前記電力半導体スイッチに転流が容易に行われるようにすることを特徴とする請求項１に記載の直流電流遮断装置。
【請求項４】
前記１次転流回路の電力半導体スイッチと並列連結される主通電回路の機械スイッチは、単安定（monostable）スイッチであり、直流電流ｄｃ遮断器のトリップ（trip）信号を受けて開極動作を開始し、主通電部電流が２次転流回路に完全に転流された時点以後には、自動的に閉極（close）状態に復帰される機能を有するものであり、開極応答特性が直列連結された他の２つ高速スイッチより速く、アーク電圧の上昇が速やかに生ずることを特徴とする請求項１に記載の直流電流遮断装置。
【請求項５】
前記キャパシタは、投入／分離スイッチの後端で、主通電路から分岐された回路上に設けられることを特徴とする請求項１に記載の直流電流遮断装置。
【請求項６】
前記キャパシタは、電力半導体スイッチにより主通電路の電流が遮断される時点で印加される過電圧が保護スイッチと転流スイッチとに分担される時、転流スイッチと並列連結され、同じ印加電圧がかかる電力半導体スイッチの定格耐電圧（rated withstand voltage）を超えないようにする静電容量を有することを特徴とする請求項１または２に記載の直流電流遮断装置。
【請求項７】
投入／分離スイッチにより最終的に直流電流の遮断動作が終了された後、前記キャパシタに充電された電圧を放電させるための放電部を、さらに含むことを特徴とする請求項１に記載の直流電流遮断装置。
【請求項８】
前記放電部は、キャパシタが設けられた回路と並列連結された放電路上に互いに直列連結され設けられる放電スイッチと放電抵抗とを含んで構成されることを特徴とする請求項７に記載の直流電流遮断装置。
【請求項９】
前記第１電流回路の電力用半導体スイッチは、１個の単方向導通スイッチで形成されるか、または２個の単方向導通スイッチを互いに逆方向に直列連結し、各単方向導通スイッチに、並列にフリーホイールリングダイオードを接続して形成されることを特徴とする請求項１に記載の直流電流遮断装置。
【請求項１０】
事故発生時直流電流を遮断するための直流電流遮断方法において、
正常動作状態の電流を通電させるための主通電路上に直列連結され設けられる３個の高速機械スイッチである投入／分離スイッチ、保護スイッチ及び転流スイッチを含む主通電部と、
前記主通電路の転流スイッチと並列連結された回路上の電力半導体スイッチと、
前記主通電路と並列連結された回路上に、保護スイッチ及び転流スイッチと並列接続されるように設けられるキャパシタと、
前記主通電路と並列連結された回路上に、キャパシタと並列接続されるように設けられる避電器と、
を含む直流電流遮断装置を用い、
前記主通電路の３個の機械スイッチのみを介して正常電流が流れる正常動作状態でトリップ（trip）信号を受ければ、３個の高速機械スイッチをオープンさせ、次いで、転流スイッチの電極間アーク発生直後、これを介して流れる線路電流が１次転流回路に設けられた電力半導体スイッチに転流されるようにし、保護スイッチの極間間隔が一定以上広がれば、電力半導体スイッチをターンオフさせ、主通電路の電流を２次転流回路に変わるようにしてキャパシタを充電し、前記キャパシタの充填電圧が避電器の放電開始電圧まで上昇すれば、３次転流回路に設けられた避電器が放電を開始しながら線路電流が避電器を介して流れるようになり、電流の遮断が行われるようにすることを特徴とする直流電流遮断方法。
【請求項１１】
前記電力半導体スイッチが、制御部の制御信号に応じてターンオフされ、電力半導体スイッチを介して流れる電流が遮断される時点は、アークが発生された前記保護スイッチの電極間距離が、以後発生される過電圧に対して絶縁回復しうる電極間距離になる時に設定することを特徴とする請求項１０に記載の直流電流遮断方法。
【請求項１２】
前記投入／分離スイッチがオープンされた後、キャパシタに充電された電圧を放電させるための放電部を動作させることを特徴とする請求項１０に記載の直流電流遮断方法。
【請求項１３】
前記放電部は、キャパシタが設けられた回路と並列連結された放電路上に互いに直列連結され設けられる放電スイッチと放電抵抗とを含んで構成され、放電路を介してキャパシタに充電された電圧が放電されるように、放電スイッチを閉極した後、開極させることを特徴とする請求項１１に記載の直流電流遮断方法。
【請求項１４】
前記主通電部の保護スイッチを、まず、閉極させた後、前記投入／分離スイッチを閉極させ、直流電流ｄｃ遮断装置を投入することを特徴とする請求項１０に記載の直流電流遮断方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電流遮断装置及び方法に関し、さらに詳しくは、従来の電流型コンバーター方式に比べ、顕著に速い遮断時間が求められる電圧型コンバーターを使用した送変電線路で、高圧直流電流（ＤＣ）を迅速に遮断することができる電流遮断装置及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電圧型直流グリッド（DC grid）の必要性が予測されることよって、速い事故電流遮断時間が求められている。そして、これに対する代案として、特許文献１に提示されたハイブリッド直流遮断器が２０１１年ＡＢＢにより提示されたことがある。
【０００３】
提示されたハイブリッド直流遮断器は、機械スイッチと電力半導体スイッチとを混用して構成するため、要求に応えられる迅速な遮断時間と比較的小さな正常状態の通電損失を確保できるようになった。
【０００４】
このようなハイブリッド直流遮断器構造には、主通電路で転流された電流の主遮断役割を果たす部分が電力半導体遮断器で構成され、正常通電状態では電力損失を誘発しない肯定的な点があるが、適用系統の定格電圧を基準に、これより高い電圧定格を有しなければならないため、超高圧直流送電（ＨＶＤＣ）系統に適用される場合には、多数の電力半導体素子が必要とされており、これは遮断器システムの構造が複雑になると同時に、それに伴う費用側面でも大きな負担になる問題があった。また、この電力半導体遮断器は、電流通電の方向性を有するため、双方向遮断器を構成する場合には、その経済的負担はさらに加重されてしまう。また、主通電部に適用される補助電力半導体スイッチも少量の電力半導体で構成されるが、正常状態の定格電流を通電しなければならない役割を果たさなければならないため、機械スイッチの場合に比べ、電力損失を追わなければならなく、これと共に、電力半導体スイッチの冷却システムに対する負担も伴うことになる。また、投入サージ電流の容量も制限的であるしかなく、実系統適用において考慮しなければならない要素が多い問題もあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開２０１１／０５７６７５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、前述のような問題を解決するためのものであり、主通電路を３個の高速機械スイッチで構成した簡単な構造を有する直流電流遮断装置を提供することを目的とする。
【０００７】
また、このような簡単な構造を有しながらも目的とする遮断動作速度を確保することができる直流電流遮断装置を提供することを目的とする。
【０００８】
また、電力損失が少なく、種々系統でも融通性あるように適用可能な直流電流遮断装置を提供すること目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記した目的を達成するために、本発明では、事故発生時直流電流を遮断するための直流電流遮断装置において、正常動作状態の電流を通電させるための主通電路上に直列連結され設けられる３個の高速機械スイッチを含む主通電部と、前記主通電部に属された高速機械スイッチのいずれか１個の機械スイッチに並列連結された１次転流回路上に設けられる電力半導体スイッチと、前記主通電路中の２つの直列連結された高速機械スイッチと並列連結された回路である２次転流回路上に設けられるキャパシタと、前記主通電路中の２つの直列連結された機械スイッチと並列連結された回路上のキャパシタと並列連結された回路である３次転流回路上に設けられる避電器と、を含むことを特徴とする直流電流遮断装置を提供する。
【００１０】
また、電力半導体スイッチが連結される１次転流回路と並列連結される主通電回路の機械スイッチは、直列連結された他の２つの機械スイッチの定格電圧より低い定格電圧を有する機械スイッチを設けることを特徴とする直流電流遮断装置を提供する。
【００１１】
また、前記１次転流回路に設けられる電力半導体スイッチは、前記電力半導体スイッチと並列連結された機械スイッチが、通電状態で開極（open）時に、アーク電圧より低い順方向電圧が印加されることで、主通電部の電流が前記電力半導体スイッチで転流が容易に行われるようにすることを特徴とする直流電流遮断装置を提供する。
【００１２】
また、前記１次転流回路の電力半導体スイッチと並列連結される主通電回路の機械スイッチは、単安定（monostable）スイッチであり、直流電流ｄｃ遮断器のトリップ（trip）信号を受けて開極動作を開始し、主通電部電流が２次転流回路に完全に転流された時点以後には、自動的に閉極（close）状態に復帰される機能を有するものであり、開極応答特性が直列連結された他の２つ高速スイッチより速く、アーク電圧の上昇が速やかに生ずることを特徴とする直流電流遮断装置を提供する。
【００１３】
また、前記キャパシタは、投入／分離スイッチの後端で、主通電路から分岐された回路上に設けられることを特徴とする直流電流遮断装置を提供する。
【００１４】
また、前記キャパシタは、電力半導体スイッチにより主通電路の電流が遮断される時点で印加される過電圧が保護スイッチと転流スイッチとに分担される時、転流スイッチと並列連結され、同じ印加電圧がかかる電力半導体スイッチの定格耐電圧（rated withstand voltage）を超えないようにする静電容量を有することを特徴とする請求項１または２に記載の直流電流遮断装置を提供する。
【００１５】
また、投入／分離スイッチにより最終的に直流電流の遮断動作が終了された後、前記キャパシタに充電された電圧を放電させるための放電部を、さらに含むことを特徴とする直流電流遮断装置を提供する。
【００１６】
また、前記放電部は、キャパシタが設けられた回路と並列連結された放電路上に互いに直列連結され設けられる放電スイッチと放電抵抗とを含んで構成されることを特徴とする直流電流遮断装置を提供する。
【００１７】
また、前記第１電流回路の電力用半導体スイッチは、１個の単方向導通スイッチで形成されるか、または２個の単方向導通スイッチを互いに逆方向に直列連結し、各単方向導通スイッチに、並列にフリーホイールリングダイオードを接続して形成されることを特徴とする直流電流遮断装置を提供する。
【００１８】
また、事故発生時直流電流を遮断するための直流電流遮断方法において、正常動作状態の電流を通電させるための主通電路上に直列連結され設けられる３個の高速機械スイッチである投入／分離スイッチ、保護スイッチ及び転流スイッチを含む主通電部と、前記主通電路の転流スイッチと並列連結された回路上の電力半導体スイッチと、前記主通電路と並列連結された回路上に、保護スイッチ及び転流スイッチと並列接続されるように設けられるキャパシタと、前記主通電路と並列連結された回路上に、キャパシタと並列接続されるように設けられる避電器と、を含む直流電流遮断装置を用い、前記主通電路の３個の機械スイッチのみを介して正常電流が流れる正常動作状態でトリップ（trip）信号を受ければ、３個の高速機械スイッチをオープンさせ、次いで、転流スイッチの電極間アーク発生直後、これを介して流れる線路電流が１次転流回路に設けられた電力半導体スイッチに転流されるようにし、保護スイッチの極間間隔が一定以上広がれば、電力半導体スイッチをターンオフさせ、主通電路の電流を２次転流回路に変わるようにしてキャパシタを充電し、前記キャパシタの充填電圧が避電器の放電開始電圧まで上昇すれば、３次転流回路に設けられた避電器が放電を開始しながら線路電流が避電器を介して流れるようになり、電流の遮断が行われるようにすることを特徴とする直流電流遮断方法を提供する。
【００１９】
また、前記電力半導体スイッチが、制御部の制御信号に応じてターンオフされ、電力半導体スイッチを介して流れる電流が遮断される時点は、アークが発生された前記保護スイッチの電極間距離が、以後発生される過電圧に対して絶縁回復しうる電極間距離になる時に設定することを特徴とする直流電流遮断方法を提供する。
【００２０】
また、前記投入／分離スイッチがオープンされた後、キャパシタに充電された電圧を放電させるための放電部を動作させることを特徴とする直流電流遮断方法を提供する。
【００２１】
また、前記放電部は、キャパシタが設けられた回路と並列連結された放電路上に互いに直列連結され設けられる放電スイッチと放電抵抗とを含んで構成され、放電路を介してキャパシタに充電された電圧が放電されるように、放電スイッチを閉極した後、開極させることを特徴とする直流電流遮断方法を提供する。
【００２２】
また、前記主通電部の保護スイッチを、まず、閉極させた後、前記投入／分離スイッチを閉極させ、直流電流ｄｃ遮断装置を投入することを特徴とする請求項１０に記載の直流電流遮断方法を提供する。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の直流電流遮断装置と方法によれば、主遮断機能が電力半導体遮断方式により遂行される従来の直流電流遮断装置に比べ、電力半導体遮断部がキャパシタに代替され、構成が簡単になるので、これに伴う信頼性向上と費用低減が可能になる利点がある。
【００２４】
また、主通電部が機械スイッチのみで構成されることで、正常状態の電力損失が機械スイッチと電力半導体スイッチとが混用され構成された場合より、顕著に低くなり、これにより、騷音低減と長期運転時の信頼性低下の原因になる電力半導体スイッチの冷却システム簡素化長所も得ることができる。
【００２５】
また、主通電部の機械スイッチ構成は、直流電流ｄｃ遮断器の投入サージ電流容量を向上させることができる。これは、従来の機械スイッチ及び電力半導体スイッチの混用方式で電力半導体スイッチ素子のターンオン（turn-on）特性に制限的であったものから自由になり得るからである。
【００２６】
また、本発明の直流電流遮断装置は、高速遮断特性を有するハイブリッド型直流電流遮断装置であり、電圧型コンバーターで運用される高圧直流電流（ＤＣ）線路に様々な方式で有用に適用できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施例に係る直流電流遮断装置の構成を示す回路図である。
【図２】本発明に係る直流電流遮断装置の動作方法を示す流れ図である。
【図３】本発明に係る直流電流遮断装置の動作において経時による電流の形態と、これに対する動作素子の相関関係を説明するための図である。
【図４】図３に示したＴ２時点以後からの電流波形と電力用半導体スイッチ及び高速機械スイッチに印加される電圧波形を拡大して示した図である。
【図５】本発明の別の実施例に係る直流電源遮断装置の構成を示す回路図であり、双方向電流通電に対する遮断装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、添付した図面を参照して本発明の好ましい実施例に対して本発明が属する技術分野における通常の知識を有した者が容易に実施できるように詳細に説明する。
【００２９】
本発明は、高速遮断機能を有する直流電流（ＤＣ）遮断装置及び方法に関する。特に、電圧型コンバーターで運用される高圧ＤＣ線路で求められる高速遮断特性のハイブリッド方式の高圧用直流電流遮断装置及びその運用方法に関するものである。
【００３０】
また、本発明は、正常状態の通電損失を低減し、構成が比較的簡単で、装置費用を低くすることができて経済性側面で競争力を確保できる直流電流遮断装置と方法を提示しようとするものであり、主遮断部が電力半導体スイッチを含まず、高速の機械スイッチだけで構成され、主遮断機能が電力用半導体スイッチによる遮断方式で遂行される従来の複雑、且つ高価の直流電流遮断方式と比較して、新しく差別性を有する装置構成及びその構成に対する運用方法を提示しようとするものである。
【００３１】
そのために、本発明では、従来技術において、主通電部に電力半導体スイッチが含まれることによって発生された正常状態における電力損失を低減させるために、主通電部を高速の機械スイッチで構成し、費用と複雑性の原因になった電力用半導体素子及びこれにより遂行されるソリッドステート遮断機能を最小化するために、これをキャパシタに変える装置構成と運用方法を提示する。
【００３２】
まず、装置構成を見ると、本発明の直流電流遮断装置では、電源供給部と負荷と間に速やかな直流電流遮断機能が遂行できるように３個の高速機械スイッチ（high-speed mechanical switch）を互いに直列連結し、正常電流を通電させる主通電部で構成されており、前記電源供給部と負荷と間で前記主通電部上に含まれた１個の高速機械スイッチに対して、電力半導体スイッチを並列連結して構成する。
【００３３】
また、主通電部に設けられた３個の高速機械スイッチは、第１番目が回路分離及び投入用の機械スイッチ（以下、‘投入／分離スイッチ’という）であり、第２番目は、電流遮断時発生される過電圧から後端に連結された機械スイッチと、これと並列連結された電力半導体スイッチとを保護する機能を遂行する機械スイッチ（以下、‘保護スイッチ’という）であり、第３番目の機械スイッチ（以下、‘転流（commutate）スイッチ’という）は、電流遮断時遮断電流をこれと並列連結される１次転流（commutate）回路に電力半導体スイッチを設け、遮断電流を転流（commutate）する役割を果たすよう構成される。
【００３４】
用いられる機械スイッチとしては、投入／分離スイッチと保護スイッチは、高速で動作する双安定（bistable）スイッチでオン（on）、オフ（off）状態が安定するように存在する通常のスイッチと同じ形態を有しており、転流スイッチは、高速の単安定（monostable）スイッチであり、トリップ（trip）信号が印加される瞬間の一定時間だけ接点が開極（open）状態になり、自動的に閉極（close）状態に復帰されるスイッチを適用する。従って、転流スイッチの開極（open）状態は、遮断電流が、キャパシタが設けられた２次電流回路に完全に転流された以後の時点で、閉極状態に復帰しなければならない。このとき、ｄｃ遮断器に印加される電圧は、いずれも保護スイッチで果たせるようになる。
【００３５】
また、主通電部に直列連結された保護スイッチと、転流スイッチと並列連結された回路にキャパシタを設け、主通電路の電流が遮断されれば２次転流回路として機能するように構成し、さらに線路に蓄積されたエネルギーを放出させるために、キャパシタと並列連結された回路に避電器（surge arrester）を設けるため３次転流回路で構成される。
【００３６】
このような本発明の直流電流遮断装置に対して、図面を参照してもう少し詳しく説明すれば、図１は、本発明の一実施例に係る直流電流遮断装置の構成を示す回路図であり、単方向電流通電に対する実施例の構成を示す図である。
【００３７】
図１に示されるように、電源供給部と負荷と間で正常動作状態の電流を通電させるために使われる回路１（以下、‘主通電路’という）に高速機械スイッチ３個を互いに直列連結するように設け、主通電部１０を構成する。
【００３８】
また、主通電路上の転流スイッチと並列連結された回路上に、電力半導体スイッチを設け、電流遮断時に転流スイッチに流れる電流を電力半導体スイッチに転流させた後、電力半導体スイッチの遮断機能で主通電部電流を遮断するように構成する。
【００３９】
また、電源供給部と負荷と間で主通電路１と並列連結された回路１４上に、キャパシタ１５を設け、前記キャパシタ１５が設けられた回路１４と並列連結された回路１９（以下、‘放電路’という）上に、機械スイッチ２０（以下、‘放電スイッチ’という）と放電抵抗２１とを互いに直列連結するように設け、放電部１８を構成する。
【００４０】
ここで、キャパシタ１５は、投入／分離スイッチ１１の後端で主通電路１から分岐された回路１４上に設けられ、主通電部１０の保護スイッチ１２及び転流スイッチ１３と並列接続されるよう備えられる。
【００４１】
また、電力半導体スイッチ２により主通電部１０の電流が遮断される時点で印加される過電圧が主通電部の保護スイッチ１２と電流スイッチ１３に分担されるとき、保護スイッチ１２と転流スイッチ１３の両端にかかる過電圧の大きさが、低い定格電圧に設計された転流スイッチ１３と、これと並列連結された電力半導体スイッチ２の定格耐電圧（rated withstand voltage）を越えないように、キャパシタ１５の静電容量が設定される。
【００４２】
さらに、主通電路１と放電路１９、及び前記キャパシタ１５が設けられた回路１４と並列連結されたさらに別の回路１６上に避電器１７を設ける。
【００４３】
このような構成で、投入／分離スイッチ１１、保護スイッチ１２、転流スイッチ及び半導体スイッチ１３は未図示された制御部の制御信号に応じてクローズ（close）及びオープン（open）動作が制御される。
【００４４】
また、直流電流ｄｃ遮断器の遮断動作は、制御部によるトリップ信号に応じて、投入／分離スイッチ、保護スイッチ、そして電流スイッチが同時に開極（open）動作を開始し、転流スイッチが開極後、一定のアーク電圧が発生されれば、これと並列連結された電力半導体スイッチがオン（on）となり、転流スイッチに流れる電流は、電力半導体スイッチに転流されながら、極間のアークは消弧（extinguish）される。
【００４５】
また、前記電力半導体スイッチ２は、電流遮断動作時、制御部の制御信号によりターンオフされ、主通電部１０に流れる電流を数十μｓ時間以内に高速遮断する機能を遂行し、電力半導体スイッチ１３が遮断される時、電流の流れはキャパシタ１５に転流される。
【００４６】
前記保護スイッチ１２は、電力半導体スイッチ２が電流を遮断する直前時点で、接点間の一定の距離を確保した状態で、アーク（arc）により通電を維持していたが、半導体スイッチが電流を遮断すると、アークが消弧（extinguish）されながら極間絶縁を回復するようになる。
【００４７】
このとき、保護スイッチ１２の接点（電極）間で電力半導体スイッチ１３の遮断時点から発生する過度回復電圧（Transient Interrupt Voltage）をよく維持され得るように電力半導体スイッチの遮断時点を適宜設定することが重要である。
【００４８】
即ち、制御部の制御信号により電力半導体スイッチ２が、ターンオフされ、電力半導体スイッチを介して流れる電流が完全に遮断される時点は、アークが発生された保護スイッチ１２の電極間間隔が以後発生される過電圧に対して絶縁耐圧特性を十分に有し得る電極間距離が確保される時に設定される。
【００４９】
また、主通電部１０からキャパシタ１５に転流された電流は、キャパシタを充填し、電圧を上昇させる。このとき、充填電圧の大きさが避電器１７の放電開始電圧（spark over voltage）より大きくなれば、電流は避電器１７に転流され、これを通じて、ＤＣ線路上に蓄積されたエネルギーが放出されることで、電流遮断が行われる。
【００５０】
さらに、前記のような電流遮断手順が終了される時点で、投入／分離スイッチの接点間に発生していたアークも消弧され、遮断部の入出力端子が電気的に完全に分離される。
【００５１】
前記放電部１８は、直流電流の遮断動作が終了された後、遮断装置を再投入する時、キャパシタ１５に充電された電圧により過度な放電電流が流れながら発生しうる諸般現象を防止するための回路部である。
【００５２】
本発明で、主通電部１０の電流遮断作動終了後、投入／分離スイッチ１１が開極された状態で放電用スイッチを閉極し、遮断装置投入時、主通電部１０の保護スイッチ１２を閉極させる前に、放電用スイッチ２０を開極状態にする。
【００５３】
図２は、本発明に係る直流電流遮断装置の動作方法を示す流れ図であり、これを参照して、図１に図示された遮断装置により直流電流が遮断される過程を説明する。
【００５４】
主通電部１０を通して正常電流が流れる正常動作状態で（Ｓ１）、本発明の直流電流遮断装置が連結された高電圧ＤＣ線路にＴ１時点で事故が発生すれば（Ｓ２）、まず、高速機械スイッチリン投入／分離スイッチ、保護スイッチ、転流スイッチが開極し、電力半導体スイッチがオンになるＴ２時点で遮断動作が開示され（Ｓ３）、各スイッチ接点間にアークが発生し始め、Ｔ２’時点で転流スイッチの全ての電流が１次転流回路上に設けられた電力半導体スイッチに転流され、次いで、Ｔ３時点で電力半導体スイッチがオープンされることで、主通電路の電流遮断が行われる（Ｓ４）。
【００５５】
即ち、保護スイッチ１２が、電極（接点）間間隙が発生するようオープンされた後（開極）、保護スイッチ１２の電極間アーク発生直後に、電力半導体スイッチ１３をターンオフさせることで、直流電流ＤＣ遮断装置の主通電路オープン（“open”）動作が行われる。
【００５６】
このとき、主通電部１０に流れる線路電流が２次転流回路上に設けられたキャパシタ１５に転流されながらキャパシタが充電される。このとき、キャパシタ１５の充填電圧の上昇が開始され、避電器１７の放電開始電圧まで上昇するようになる。
【００５７】
次いで、キャパシタ１５の電圧上昇後、避電器１７が放電を開始しながら、線路電流は、３次転流回路上に設けられた避電器を介して流れるようになり、線路に充電されたエネルギーが避電器１７を介して吸収されながら、電流が完全に遮断されるところ、これより、直流電流遮断装置の電流遮断作動が全て完了される。
【００５８】
要するに、事故時、主通電部１０の転流スイッチのアーク電圧で電力半導体スイッチに電流を転流させた後、保護スイッチ１２がオープンされる状態で、１次転流回路上に設けられた電力半導体スイッチ２をターンオフさせ、まず、電流を遮断し、これを通じて２次転流回路上に設けられたキャパシタ１５上に電流が流れるようにし、キャパシタ１５の充填が行われるようにした後、キャパシタ充填電圧がある程度上昇したら、３次転流回路上に設けられた避電器１７に電流が流れるようにし、線路のエネルギーが全て吸収されるようにするところ、これより、完全な電流遮断が行われるようになる。
【００５９】
前述のように、事故電流の遮断作動が行われる過程で、投入／分離スイッチ１１に流れる電流が０（ゼロ）になれば、極間のアークが消弧されながら、絶縁回復し、これにより、完全な電気的分離がＴ３’時点で行われるようになる（Ｓ４）。
【００６０】
次いで、投入／分離スイッチ１１がオープンされたら、以後の遮断装置投入時に、キャパシタ１５に充電された電圧の過度な放電電流が流れながら発生しうる誤動作の危険を防止するために、放電路１９に設けられた放電スイッチ２０をＴ４時点でクローズし後、オープンして、キャパシタ１５に充電された電圧を放電させる（Ｓ５）。
【００６１】
この後、前述のように、電流が遮断された後、再び直流電流遮断装置が投入される過程では、Ｔ５時点で、主通電部１０に設けられた保護スイッチ１２をまた閉じ（Ｓ６）、次いで、Ｔ６時点で投入／分離スイッチ１１を閉じれば（Ｓ７）、再び主通電部１０を介して直流電流が流れるようになる正常通電状態になる（直流電流遮断装置のクローズ（“close”）完了）。
【００６２】
一方、図３は、本発明に係る直流電流遮断装置の動作で経時による電流の形態と、これに対する動作素子の相関関係を説明するための図であり、図２に示した各動作時点で直流電流遮断装置を介して流れる通電電流の形状を示している。
【００６３】
図３で、Ｔ１は事故発生時点を示し、Ｔ２は主通電部１０の高速機械スイッチ３個が全てトリップ信号により、開極を開始し、また、電力半導体スイッチがオン状態に転換され、Ｔ２’時点では転流スイッチに流れる主通電部の電流が全て電力半導体スイッチに転流されることになる。このとき、２時点間で転流スイッチ１３極間アーク電圧が電力半導体スイッチ２の順方向動作電圧以上のとき、主通電部の電流が転流スイッチで電力半導体スイッチ２に転流が開始される。
【００６４】
Ｔ３時点では、電力半導体スイッチのオープン動作により、主通電部電流がキャパシタ１５に転流され始まる時点を示し、ｉ１は主通電路１を介して流れる電流を、ｉ１’は電力半導体スイッチに転流された電流を、ｉ２はキャパシタ１５に流れる電流を、ｉ３は避電器１７に流れる電流をそれぞれ示す。
【００６５】
前記Ｔ３時点から発生される過度回復電圧が、主通電部１０内に直列連結された２スイッチ、即ち、保護スイッチと電流スイッチ１２、１３に、それぞれ印加され、Ｔ３’時点では、主通電部１０の投入／分離スイッチがオープンされることで、事故電流の遮断が完了される。
【００６６】
また、Ｔ４時点では、放電スイッチ２０のクローズ−オープン（close-open）動作を通してキャパシタ１５を放電し、Ｔ５時点では直流電流遮断装置の投入のために、主通電部１０の保護スイッチ１２を閉じた後、最後に、Ｔ６時点で投入／分離スイッチ１１を閉じれば、正常動作状態の電流通電が行われるようにする。図４は、電流波形と電力用半導体スイッチ及び高速機械スイッチに印加される電圧波形を拡大して示した図であり、事故電流が主通電部１０からキャパシタ１５に転流されるとき、キャパシタの上昇電圧（充填電圧）が主通電部の保護スイッチ１２と電力半導体スイッチ１３に分担される形態を示している。
【００６７】
電力半導体スイッチ１３に通電された電流が完全に遮断され、全ての電流がキャパシタ１５に流れるようになる時点まで、保護スイッチ１２には接点間のアーク電圧が存在し、このとき、現れるキャパシタ１５の初期上昇電圧Ｖ１がほとんど電力半導体スイッチ１３に印加される。
【００６８】
また、電力半導体スイッチ１３が電流を完全に遮断するようになれば、全電流がキャパシタ１５に流れ、キャパシタが充電されながら電圧が継続して上昇し、このときから保護スイッチ１２が極間絶縁回復を試みるようになり、大部分の過度回復電圧を保護スイッチが担当しなければならない。このためには、一定割合の電圧Ｖ２が保護スイッチ１２に印加されるよう保護スイッチの漂遊（stray）静電容量を考慮して、電力半導体スイッチと並列に電圧分担型キャパシタの連結が必要とされる。
【００６９】
一方、図５は、本発明の別の実施例に係る直流電源遮断装置の構成を示す回路図であり、双方向電流通電に対する遮断装置の構成を示す図である。
【００７０】
図５に示されるように、図５の実施例は、図１の実施例と同様に、キャパシタ１５及び避電器１７、放電スイッチ２０及び放電抵抗２１を主通電部１０と並列連結した簡単な構成の直流電流遮断装置であるが、図１の実施例と比較して、通電電流が双方向に全て可能な構造を有する実施例である。
【００７１】
即ち、図５の実施例は、図１の実施例と比較して、主通電部１０の電流スイッチと並列連結された電力半導体スイッチ１３を単方向導通スイッチから双方向導通スイッチの構成に代替したものである。ここで、双方向導通スイッチの構成は、２個の単方向導通スイッチ２２を互いに逆方向に直列連結した構造を有する。
【００７２】
このような構成で、導通電流方向において、互いに逆方向の各半導体スイッチ２２を介して流れる通電電流は、相手側の逆方向スイッチに並列連結されたフリーホイールリングダイオード（free-wheeling diode）Ｄ１、Ｄ２を介して流れ、通電される。
【００７３】
このように、電力半導体スイッチ１３のみ単方向通電構造から双方向通電構造に変更すれば、遮断電流の方向を単方向から双方向に拡張できるようになる（双方向電流の遮断機能遂行が可能になる）。
【００７４】
また、本構成で使われる電力半導体スイッチ１３は、遮断装置の定格電圧より遥かに低い耐電圧（withstand voltage）特性を有するように構成されるため、図５の実施例では、双方向型電流の遮断性能確保のために、既存方向と逆方向の通電特性を有するようにする電力半導体素子の個数を低減することができ、これにより、費用節減の大きな長所がある。
【００７５】
以上で、本発明の実施例について詳細に説明したが、本発明の権利範囲は、前述した実施例に限定されなく、次の特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念を利用した、当業者の種々の変形及び改良形態もまた本発明の権利範囲に含まれる。
【図１】
2016541088.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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【手続補正書】
【提出日】平成28年4月22日(2016.4.22)
【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】
事故発生時直流電流を遮断するための直流電流遮断装置において、
正常状態で電流が流れる主通電路上に、順に直列連結され設けられる転流スイッチ、前記転流スイッチを保護する保護スイッチ、及び主通電部の電流流れを最終的に遮断する投入／分離スイッチを含む主通電部と、
前記転流スイッチに並列連結された電力半導体スイッチと、
前記転流スイッチ及び前記保護スイッチと並列連結されたキャパシタと、
前記キャパシタと並列連結された避電器と、
を含むことを特徴とする直流電流遮断装置。
【請求項２】
前記転流スイッチは、前記保護スイッチ並びに前記投入／分離スイッチの定格電圧より低い定格電圧を有する機械スイッチであることを特徴とする請求項１に記載の直流電流遮断装置。
【請求項３】
前記電力半導体スイッチの順方向電圧は、前記転流スイッチが通電状態で開極（open）時に発生させるアーク電圧より低く、前記電力半導体スイッチは、前記転流スイッチより発生するアーク電圧によってターンオンされ、前記主通電部に流れる電流が、前記電力半導体スイッチに転流されるようにすることを特徴とする請求項１に記載の直流電流遮断装置。
【請求項４】
前記転流スイッチは、単安定（monostable）スイッチであり、直流電流遮断器のトリップ（trip）信号を受けて開極動作を開始し、主通電部電流が前記キャパシタに完全に転流された時点以後には、自動的に閉極（close）状態に復帰されることを特徴とする請求項１に記載の直流電流遮断装置。
【請求項５】
前記転流スイッチの開極応答特性は、前記保護スイッチ及び前記投入／分離スイッチの開極応答特性より速く、アーク電圧の上昇が前記保護スイッチ及び前記投入／分離スイッチより速やかに生ずることを特徴とする請求項１に記載の直流電流遮断装置。
【請求項６】
前記キャパシタは、前記電力半導体スイッチにより主通電路の電流が遮断される時点で印加される過電圧が保護スイッチと転流スイッチとに分担される時、前記保護スイッチと前記転流スイッチの両端にかかる過電圧の大きさが、前記電力半導体スイッチの耐電圧限界値を超えないようにする静電容量を有することを特徴とする請求項１に記載の直流電流遮断装置。
【請求項７】
投入／分離スイッチにより最終的に直流電流の遮断動作が終了された後、前記キャパシタに充電された電圧を放電させるための放電部を、さらに含むことを特徴とする請求項１に記載の直流電流遮断装置。
【請求項８】
前記放電部は、前記キャパシタと並列連結された放電路上に、互いに直列連結され設けられる放電スイッチと放電抵抗とを含んで構成されることを特徴とする請求項７に記載の直流電流遮断装置。
【請求項９】
前記電力用半導体スイッチは、１個の単方向導通スイッチで形成されるか、または２個の単方向導通スイッチを互いに逆方向に直列連結し、各単方向導通スイッチに、並列にフリーホイールリングダイオードを接続して形成されることを特徴とする請求項１に記載の直流電流遮断装置。
【請求項１０】
直流電流遮断装置を利用して事故発生時に、直流電流を遮断する直流電流遮断方法であって、
前記直流電流遮断装置は、
正常動作状態で電流が流れる主通電路上に、順に直列連結され設けられる転流スイッチ、前記転流スイッチを保護する保護スイッチ、及び主通電部の転流流れを最終的に遮断する投入／分離スイッチを含む主通電部と、
前記転流スイッチに並列連結された電力半導体スイッチと、
前記転流スイッチ及び前記保護スイッチと並列連結されたキャパシタと、
前記キャパシタと並列連結された避電器と、を含み、
前記直流電流遮断方法は、
事故発生時、前記転流スイッチ、前記保護スイッチ、及び前記投入／分離スイッチを介して電流が流れる状態で、前記スイッチにトリップ信号を印加して、前記スイッチのオープン動作を開始させるステップと、
前記転流スイッチの接点間アークが発生して、前記転流スイッチを介して流れる電流が、前記電力半導体スイッチに転流されれば、前記電力半導体スイッチをターンオフさせ、主通電路に流れる電流を前記キャパシタに転流させて、前記キャパシタを充電させるステップと、
前記キャパシタの充電電圧が、前記避電器の放電開始電圧まで上昇すれば、前記避電器が放電を開始しながら、前記避電器を介して電流が流れるようにし、線路上のエネルギーを、前記避電器を介して吸収することで、電流を完全に遮断させるステップと、
を含むことを特徴する直流電流遮断方法。
【請求項１１】
前記電力半導体スイッチが、制御部の制御信号に応じてターンオフされ、電力半導体スイッチを介して流れる電流が遮断される時点は、アークが発生された前記保護スイッチの電極間距離が、以後発生される過電圧に対して絶縁回復しうる電極間距離になる時に設定することを特徴とする請求項１０に記載の直流電流遮断方法。
【請求項１２】
前記投入／分離スイッチが、完全にオープンされた後、キャパシタに充電された電圧を放電させるための放電部を動作させるステップを、さらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の直流電流遮断方法。
【請求項１３】
前記放電部は、前記キャパシタと並列連結された放電路上に互いに直列連結されて設けられる放電スイッチと放電抵抗とを含んで構成され、放電路を介してキャパシタに充電された電圧が放電されるように、放電スイッチを閉極した後、開極させることを特徴とする請求項１２に記載の直流電流遮断方法。
【請求項１４】
前記主通電部の保護スイッチを、まず、閉極させた後、前記投入／分離スイッチを閉極させ、直流電流遮断装置を投入するステップを、さらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の直流電流遮断方法。
【国際調査報告】
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2016541088.tif 000009
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