WO2016152147A1 - 直流遮断装置 - Google Patents

Abstract

　実施形態の直流遮断装置は、通電路、転流回路、半導体遮断器、および非線形抵抗器を有する。通電路は、直流電流を流し、第1、第２の開閉器を有する。第２の開閉器は、前記第１の開閉器と直列に接続され、前記第1の開閉器より低い絶縁耐圧を有する。半導体遮断器および非線形抵抗器は、通電路と並列に接続される。

Description

直流遮断装置

　本発明の実施形態は、直流電流を遮断する直流遮断装置に関する。

　電力を送る送電系統は、一般に、事故等に対応するために、送電電流を遮断する機能を有することが求められる。このために遮断器が用いられる。
　交流には電流が0になる時間(電流零点)が存在するため、この電流零点において、電流を比較的容易に遮断できる。一方、交流と異なり、直流には電流零点が存在しないため、遮断時にアークが生じ易い。このため、直流遮断器は、一般に、アークを低減する仕組みを備える。

　直流遮断器は、例えば、開閉器（スイッチ）を有する通電路と、通電路と並列に接続され、電流を漸減できる電流遮断路と、を有する。
　通常時には、通電路上の開閉器（スイッチ）を閉じて、通電路に電流を流す。一方、事故時には、電流遮断路を一時的に導通させ、かつ開閉器（スイッチ）を開くことによって、電流の経路を通電路から電流遮断路に切り替え、電流遮断路に電流を流す（転流）。その後、電流遮断路の電流を速やかに減らして、電流を遮断する。

　ここで、通電路から電流遮断路への電流の切り替えは速いことが好ましい。切り替えが遅くなると、事故時の電流が増加して、電流遮断路が遮断すべき電流が大きくなる。この結果、大容量の電流遮断路が必要になり、遮断器が大型化する可能性がある。

Juergen Haefner, Bjoern Jacobson,"Proactive Hybrid HVDC Breakers － A key innovation for reliable HVDC grids", Cigre, The electric power system of the future － Integrating supergrids and microgrids International Symposium in Bologna, Italy 13-15 September, 2011 Per Skarby, Ueli Steiger"An Ultra-fast Disconnecting Switch for a Hybrid HVDC Breaker － a technical breakthrough", Cigre, Canada conference, Calgary ,Canada 9-11 September, 2013

　本発明が解決しようとする課題は、小型化を図った直流遮断装置を提供することにある。

　実施形態の直流遮断装置は、通電路、転流回路、半導体遮断器、および非線形抵抗器を有する。通電路は、直流電流を流し、第1、第２の開閉器を有する。第２の開閉器は、前記第１の開閉器と直列に接続され、前記第1の開閉器より低い絶縁耐圧を有する。半導体遮断器および非線形抵抗器は、通電路と並列に接続される。

第１実施形態の直流遮断装置の構成を示す図である。 図１の直流遮断装置の転流回路の具体例を示す図である。 直流遮断装置の真空バルブの構成を示す断面図である。 図３の真空バルブの縦磁界電極部分の構成を示す斜視図である。 第１実施形態の直流遮断装置における各回路の電流の変化を示す図である。 第１実施形態において過渡電圧抑制回路の有無の効果の違いを示す図である。 過渡電圧抑制回路の他の構成例を示す図である。 過渡電圧抑制回路の他の構成例を示す図である。 過渡電圧抑制回路の他の構成例を示す図である。 変形例１の直流遮断装置の構成を示す図である。 第２実施形態の直流遮断装置の構成を示す図である。 第２実施形態の直流遮断装置における各回路の電流の変化を示す図である。 変形例２の直流遮断装置の構成を示す図である。 第３実施形態の直流遮断装置の構成を示す図である。 第３実施形態の直流遮断装置における各回路の電流の変化を示す図である。 変形例３の直流遮断装置の構成を示す図である。 第４実施形態の直流遮断装置の構成を示す図である。 第４実施形態の直流遮断装置における各回路の電流の変化を示す図である。 変形例４の直流遮断装置の構成を示す図である。

　（第１実施形態）
　以下、図面を参照して実施形態を詳細に説明する。図１は第１実施形態の直流遮断装置の構成を示す。

　図１に示すように、第１実施形態の直流遮断装置は、通電路１０、電流遮断路３０、電流検出器２１、および制御器５０を有する。電流遮断路３０は、通電路１０に並列に接続される。電流検出器２１は、通電路１０および電流遮断路３０全体の電流を検出する。制御器５０は、電流検出器２１により検出された電流の値に基づいて、通電路１０および電流遮断路３０の電流の流れを制御する。

　通電路１０は、第１の開閉器としての開閉器１１、第２の開閉器としての開閉器１２、抵抗器１３、転流回路１４、および過渡電圧抑制回路１５を有する。

　開閉器１１と開閉器１２は直列に接続される。開閉器１１は、第１の絶縁耐圧を有する。開閉器１１は、制御器５０によって閉制御または開制御されて、半導体遮断器３１によらずに（半導体遮断器３１とは無関係に）、電流の通、不通を切り替える。

　開閉器１１には、ＳＦ_６ガスなどの絶縁性のガスを用いた開閉器（ガス開閉器）を利用できる。この場合、開閉器１１の電極を収納した容器内に、絶縁性ガスが充填される。絶縁性に優れたＳＦ_６ガスなどを用いることによって、開閉器１１の絶縁耐圧が向上し、その小型化が図れる。

　開閉器１２は、第１の絶縁耐圧より低い第２の絶縁耐圧（例えば、数ｋＶ程度）を有する。開閉器１２は、制御器５０によって閉制御または開制御されて、半導体遮断器３１によらずに（半導体遮断器３１とは無関係に）、電流の通、不通を切り替える。
　開閉器１２には、例えば、真空開閉器を利用できる。真空開閉器のスイッチ部分に真空バルブ１２０（後述の図３、図４参照）を利用できる。

　転流回路１４は、開閉器１２と並列に接続される。転流回路１４は、遮断する電流（通電路１０を流れる直流電流）の向きと逆向きの電流を出力する電流源である。なお、この詳細は後述する。

　過渡電圧抑制回路１５は、開閉器１２と並列に接続される。過渡電圧抑制回路１５は、例えば、コンデンサ１５ａを有し、開閉器１２に印加される過渡電圧から開閉器１２を保護する。
　ここでは、過渡電圧抑制回路１５を開閉器１２のみに設置している。しかし、過渡電圧抑制回路１５を開閉器１１、１２双方に設置してもよい。

　電流遮断路３０は、半導体スイッチとしての半導体遮断器３１と、この半導体遮断器３１と並列に接続された非線形抵抗器３２と、を有する。

　制御器５０は、電流検出器２１により検出された電流の値が予め設定された閾値を超えた場合、開閉器１１、１２の電極を開動作させる開制御（遮断制御）を開始する。

　また制御器５０は、開制御（遮断制御）の開始後に、転流回路１４を制御して、通電路１０から半導体遮断器３１への電流経路の切り替え（転流）を促進する。具体的には、制御器５０は、転流回路１４を制御して、開閉器１２の電流方向とは逆向きの電流を開閉器１２に注入することによって、開閉器１２（通電路１０）の電流を０とする。この結果、通電路１０を流れていた電流が、半導体遮断器３１を流れるようになる。

　制御器５０は、開閉器１１、１２の電極の開制御の開始後、オン状態の半導体遮断器３１を制御し、オフ状態へと切り替える。

　以下、この直流遮断装置の動作を説明する。　
　通常時の直流遮断装置では、通電路１０の開閉器１１、１２が閉じられ、通電路１０を通して、電流が流れる。
　電流遮断時（事故等で電流遮断を要するとき）には、半導体遮断器３１がオン状態とされる一方、開閉器１１、１２が遮断される。さらに、開閉器１２に流れる電流とは逆向きの電流が転流回路１４から開閉器１２に注入され、開閉器１２（通電路１０）に流れる電流がゼロとなる。この結果、通電路１０から電流遮断路３０へと電流の経路が速やかに切り替わる（転流）。その後、電流遮断路３０の電流が速やかに減じられ、電流が遮断される。

　図１において、通常時の直流電流は、一般的には、図の左から右、右から左の双方が考えられる。この直流遮断装置は、この双方に対応できる。
　以下、説明を分かりやすくするため、通常時の直流電流は、図の左から右に流れるとする。

　開閉器１１、１２は、半導体遮断器３１によらずに電流の通、不通を切り替えることができる。開閉器１１は、所定の大きな耐圧性（後述）を有する。開閉器１２の耐圧性は、開閉器１１の耐圧性よりも低い。一方、開閉器１２の瞬断性能（開閉の高速性）は、開閉器１１の瞬断性能（開閉の高速性）よりも、高い。なお開閉器１２の詳細については後述の図３、図４で説明する。

　開閉器１１、１２は、このように特性（耐圧性、高速性）、ひいては、その役割が異なる。開閉器１１、１２は直列に接続され、制御器５０によって制御されて、それぞれの電極を開閉する。

　抵抗器１３は、開閉器１２と並列に接続される。この抵抗器１３の抵抗は、電流遮断時の半導体遮断器３１のオン抵抗より大きく、半導体遮断器３１と並列に接続される非線形抵抗器３２の抵抗より小さい。

　開状態の開閉器１１は、絶縁状態であり、その抵抗は、開閉器１２に並列接続した抵抗器１３の抵抗より十分大きい。このため、開閉器１１が開状態となったとき、開閉器１１および１２の両端間の電圧の大部分は開閉器１１に印加される。この結果、開閉器１２の絶縁破壊が防止される。

　電流検出器２１は、通電路１０および電流遮断路３０全体に流れる電流を検出し、検出した電流の値を制御器５０に伝える。このため、電流検出器２１は、電流が流れる回路上の通電路１０と電流遮断路３０との合流位置の手前に配置されている。

　電流検出器２１としては、例えば、次の（ａ），（ｂ）のような構成を採用できる。
　（ａ）ごく小さい抵抗値の抵抗器を通電路１０に挿入する。この抵抗器両端の電圧を検出し、電流に換算する。
　（ｂ）ホール素子等によって、通電路１０から発生する磁界を検出し、電流に換算する。この場合、非接触で、通電路１０に流れる電流を検出できる。

　半導体遮断器３１は、制御器５０に制御されて、電流の通、不通を切り替えるスイッチである。半導体遮断器３１の具体例としては、図示するように、ここでは、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）とダイオードの組み合わせを用いることができる。ＩＧＢＴとダイオードの対を逆並列に（順方向が互いに逆の並列）接続する。この２対を逆方向（向かい合わせ）に直列に接続して、単位要素とする。多数の単位要素を直列に接続し、その両端に端子を付加することで、半導体遮断器３１を構成できる。

　単位要素中の２つのＩＧＢＴのゲート双方に電圧（制御器５０からの制御信号に起因する）が印加されると、単位要素はオン状態（いずれの方向にも電流が流れる状態）となる。単位要素中の２つのゲートへの電圧印加の有無の組み合わせによって、電流の遮断、右方向の電流の通過、左方向の電流の通過、双方向の電流の通過（オン状態）を切り替えられる。

　半導体遮断器３１の具体的構成は、図２の構成以外にも、種々採用できる。半導体遮断器３１は、一般に、オン状態において、抵抗（オン抵抗）を有し、通電により電圧降下が生じる。
　図１に示した半導体遮断器３１の場合、この電圧降下は、上記の単位要素の直列数に依存して大きくなる。すなわち、半導体遮断器３１全体のオン抵抗もこの直列数に依存して大きくなる。

　電流遮断のためにオフ状態となった半導体遮断器３１が、印加される高電圧に耐えられるように、単位要素の直列数は決定される。直流電圧が数１００ｋＶの場合に必要な直列数は、一般に、ある程度大きな数（例えば、数百）となる。

　制御器５０による半導体遮断器３１の標準的な制御は次の通りである。通常時は、半導体遮断器３１をオフ状態とする。遮断時には、半導体遮断器３１を一度オン状態に切り替えた後、速やかにオフ状態に戻す。

　但し、半導体遮断器３１は、この標準的な手法以外でも、制御可能である。例えば、通常時に、半導体遮断器３１をオン状態としてもよい。この場合でも、半導体遮断器３１のオン抵抗のために、電流遮断路３０には電流はほとんど流れず、通電路１０に事実上全電流が流れる。

　転流回路１４は、開閉器１２と並列に接続される。転流回路１４の電流注入動作は、制御器５０によって、制御される。転流回路１４は、制御器５０によって制御されて、遮断する電流とは逆方向の電流（以下、「逆電流」ともいう）を開閉器１２に注入する。

　転流回路１４は、図２に示すように、コンデンサ１４ａ、リアクトル１４ｂ、および半導体スイッチ１４ｃを直列に接続した直列回路を利用できる。
　コンデンサ１４ａは、図示しない充電装置によって、所定の電圧に充電される。半導体スイッチ１４ｃは、制御器５０によって、開（遮断）、閉（注入）状態が制御される。リアクトル１４ｂは、注入時の電流の流れを緩和する。後述の第２実施形態および第２変形例のように、リアクトル１４ｂを省略することも可能である。なお、電流遮断時の転流回路１４の動作、およびこのときの電流の波形の詳細は、後述する。

　事故等により電流遮断が必要な場合、制御器５０は、転流回路１４を制御して、電流を強制的に発生させ、開閉器１２に注入する。この電流の方向は、開閉器１２に流れている電流（遮断される電流）の方向と逆である。この結果、通電路１０全体を流れる電流が０となり、電流の経路が通電路１０から電流遮断路３０（半導体遮断器３１）へと速やかに切り替わる（転流）。

　すなわち、転流回路１４を用いることによって、事故時の電流がまだ小さいうちに、通電路１０から半導体遮断器３１への転流を実現できる。これにより、半導体遮断器３１に流れる電流を抑制し、その許容電流の増大化を避けることができる（半導体遮断器３１の小型化容易）。

　非線形抵抗器３２は、半導体遮断器３１と並列に接続される。非線形抵抗器３２は、この直流遮断装置の遮断動作の最終段階で機能する。具体的には、通電路１０および半導体遮断器３１の双方が電流不通のときに、非線形抵抗器３２は電流を一時的に流す。

　非線形抵抗器３２に一時的に流れる最初の段階では、その直前に半導体遮断器３１に流れていた電流と同じ値の電流が流れる。この電流によって、非線形抵抗器３２に比較的大きな電圧降下が生じるため、電流は減少する。電流が減少すると、抵抗の非線形性により抵抗値が増大する。増大した抵抗値によって、実質的に電流ゼロに至って、電流の遮断が完了する。

　なお、制御器５０には、電流検出器２１で検出した電流が伝えられる。そして、制御器５０は、開閉器１１、１２の電極の開閉、および半導体遮断器３１のオン／オフの切り替えを制御する。また、制御器５０は、逆電流の発生源である転流回路１４のオン／オフおよびその出力電流を制御する。

　制御器５０の内部には、これらの各制御に対応してそれぞれ下位の制御器が存在する。これらの下位の制御器は互いに接続され、制御に必要な情報が伝達、共有される。

　過渡電圧抑制回路１５を設置しない場合、開閉器１２の電流を０とした瞬時に、開閉器１１、１２に急峻な電圧が生じる。しかし、過渡電圧抑制回路１５を設置することで、電流を０とした瞬時（図３の時刻Ｅの付近）に生じる過渡的な電圧を抑制できる。

　ここで、図３、図４を参照して直流遮断装置の開閉器１２の具体例（ハードウェア構成）を説明する。
　図３は、直流遮断装置の開閉器１２のスイッチ部分である真空バルブ１２０のハードウェア構成を示す。図４は、図３の真空バルブ１２０の縦磁界電極部分の構成を示す。

　開閉器１２には、開閉器の一種の真空バルブ（真空開閉器）１２０が用いられている。
　図３に示すように、真空バルブ１２０は、主たる構成要素として、円筒状の碍管１２１、固定側電極１２２、可動側電極１２３、固定側通電軸１２４、可動側通電軸１２５、およびベローズ１２６を有する。
　ここでは真空バルブ１２０の主要構成を例示した。この他、真空バルブ１２０は、可動側通電軸１２５をその軸方向に移動させるための駆動機構（不図示）も備える。

　円筒状の碍管１２１は、両端の開口部分が封止される、筒形状の容器である。この容器は、その内部がほぼ真空に保持される、真空容器である。

　碍管１２１と可動側通電軸１２５との摺動部分にベローズ１２６が配置される。ベローズ１２６によって、この真空容器の真空状態を保持しつつ（外部と遮断しつつ）、可動側通電軸１２５を矢印方向に駆動できる。

　一般に、真空開閉器は、絶縁耐圧性はそれほど高くないが、絶縁回復特性に優れる。このため、真空開閉器は、開閉器１２として好適に使用できる。通電路１０の電流がゼロとなった後、オン状態の半導体遮断器３１の電圧降下による、比較的低い電圧が、開閉器１２に印加される。真空開閉器は、この低印加電圧に耐え、直流遮断装置として優れた絶縁回復特性を有する。

　この真空バルブ１２０の固定側電極１２２と可動側電極１２３は、縦磁界電極を構成する。
　図４に示すように、固定側電極１２２と可動側電極１２３の周縁部（外周面）には、中心軸に対して螺旋を描くように、スリット１２７、１２８が斜め方向に配置される。この螺旋の方向（ここでは、右ネジ方向）は、固定側電極１２２と可動側電極１２３で同一であるため、電流１２９、１３０は同一方向に回転する。この結果、回転する電流１２９、１３０によって、真空バルブ１２０内のアーク１３１に縦磁界１３２が印加される。

　通電中の開閉器１２の可動側通電軸１２５を駆動し、可動側電極１２３と固定側電極１２２とを開くと（開制御、遮断制御ともいう）、固定側電極１２２と可動側電極１２３間にアーク１３１が生じる。

　このとき、アーク１３１に起因する電流１２９，１３０によって、縦磁界１３２が発生する。縦磁界１３２によって、アーク１３１が安定化し、電極全体に均一に分布されるようになる。この結果、アーク１３１による電極の部分的な損傷が抑制される。このように、電極の損傷を抑制することで、優れた絶縁回復特性を保持できる。

　次に、図５を参照して第１実施形態の直流遮断装置の時系列的な動作を説明する。図５は、直流遮断装置の各部の電流の時系列的な変化を示す。

　図５は、通電路１０に流れる電流と電流遮断路３０に流れる電流との和の電流である全電流４１、半導体遮断器３１の電流４２、開閉器１２の電流４３、直流遮断器への印加電圧４５それぞれの時系列的な変化を示す。

　事故が発生する時刻Ａ以前の最初の段階では、通常時の電流が流れているとする。
　このとき、電流は、開閉器１２にのみ（通電路１０にのみ）流れる。すなわち、この段階では、半導体遮断器３１（電流遮断路３０）には電流４２は流れていない。

　時刻Ａにおいて、直流送電系統に事故が発生したとする。時刻Ａ以降、全電流４１は増加していく。そして、電流検出器２１によって検出された電流（通電路１０を流れる電流）の値が、設定閾値を超えると、制御器５０は、異常と判定する（事故発生の検出、時刻Ｂ）。

　事故が検出された場合、制御器５０は、開閉器１１、１２に対して、それぞれの電極を開動作（遮断動作）させるための遮断制御（電極開制御）を開始する（時刻Ｃ）。
　開閉器１１、１２の遮断制御（電極開制御）が開始されると、これらの開閉器１１、１２それぞれの一対の電極は物理的に離間してゆくが、離間の当初は一対の電極間にアークが生じ電流が流れ続ける。

　遮断制御（電極開制御）の開始後、制御器５０が転流回路１４を制御して、転流回路１４から開閉器１２に逆電流が注入される（時刻Ｄ）。開閉器１２に逆電流が注入されると、開閉器１２の電流４３は減少し、ゼロに至る（時刻Ｅ）。これにより、通電路１０を流れる電流の電流遮断路３０への転流が完了する。

　時刻ＥからＦまでの間、半導体遮断器３１のみに電流が流れる。このとき、半導体遮断器３１に流れる電流４２およびそのオン抵抗のため、ある程度の電圧降下４４が生じる。このとき、この電圧降下４４（例えば、数ｋＶ）が直流遮断装置への印加電圧４５となり得る（半導体遮断器３１の両端間の電圧（電圧降下４４）が、ほぼそのまま開閉器１２に印加される）。開閉器１１の電極の開状態が確立していない可能性があるためである。
　開閉器１２は、この電圧降下４４に耐えるように、既述のように、例えば、数ｋＶ程度の絶縁耐圧を有する。

　時刻Ｅの後、開閉器１１、１２の電極の開状態が確立した（と考えられる）時点（時刻Ｆ）以後に、制御器５０は半導体遮断器３１を制御し、オフ（電流の流れを遮断した状態）とする。
　時刻Ｅの時点で、既に通電路１０の電流は不通とされており、時刻Ｆで半導体遮断器３１はオフ制御されて電流不通の状態に切り換えられる。このため、時刻Ｆ以降、非線形抵抗器３２に電流が一時的に流れる。

　非線形抵抗器３２に一時的に電流が流れる最初の段階では、その直前に半導体遮断器３１に流れていた電流と同じ値の電流が流れる。これにより、非線形抵抗器３２に比較的大きな電圧降下（例えば、５００ｋＶ）が生じ、電流は減少する。
　電流が減少すると、非線形抵抗器３２の抵抗の非線形性により抵抗値が増大する。増大した抵抗値によって、全電流４１が実質的にゼロに至り、電流遮断が完了する（時刻Ｇ）。

　時刻Ｇ以降、この直流送電系統に応じた直流電圧４４（例えば、３００ｋＶ）が、この直流遮断装置に印加された状態になる。

　図５に示したような標準的なタイミングで直流遮断装置を動作させることで、開閉器１１または１２において、その電極の開制御後に電極間にアークによる電流が流れて、電気抵抗が増加する。この結果、より素早く、通電路１０から電流遮断路３０に電流を転流できる。すなわち、直流遮断装置の動作がより高速となる。

　ここで、図６を参照して過渡電圧抑制回路１５の効果について説明する。　
　図６に示すように、過渡電圧抑制回路１５を設置していない場合（過渡電圧抑制回路１５なしの場合）、転流が完了したとき（時刻Ｅ）、高い過渡電圧５１が突発的に発生する。しかし、過渡電圧抑制回路１５を設置すると、コンデンサ１５ａによって、過渡的な電圧が吸収され、過渡電圧５２は低くなる。

　このように、この第１実施形態の直流遮断装置では、通電路１０には半導体を用いた開閉器（半導体遮断器３１）を使わないことから、通電時の電力損失を大きく減じることができる。また、開閉器１２と並列に転流回路１４を配置しため、通電路１０の電流を、強制的に素早く（一例として、数ｍｓ程度で）電流遮断路３０に転流できる。

　したがって、電流遮断路３０で遮断する電流の値を小さくすることが可能になり、遮断器の大型化を回避できる。より具体的には、半導体遮断器３１の電流定格を小さく抑えることにより大型化を回避できる。
　すなわち、通電路１０を通過する直流電流の値が大きい場合であっても、小型で通常時の通電損失を低く抑えることができる。

　第１実施形態では、過渡電圧抑制回路１５に、コンデンサ１５ａを用いたが、この他、例えば、図７～図９に示すような回路を採用できる。図７は、コンデンサ１５ａとリアクトル１５ｂの直列回路を示す。図８は、コンデンサ１５ａと抵抗器１５ｃの直列回路を示す。図９は、コンデンサ１５ａとリアクトル１５ｂと抵抗器１５ｃの直列回路を示す。

　これらの例のように、過渡電圧抑制回路１５を、コンデンサ１５ａとリアクトル１５ｂの直列回路、コンデンサ１５ａと抵抗器１５ｃの直列回路、コンデンサ１５ａとリアクトル１５ｂと抵抗器１５ｃの直列回路とすることができる。この結果、リアクトル１５ｂまたは抵抗器１５ｃにより、開閉器１２の電極間に流れる電流、ひいては放電による電極の損傷を抑制できる。

　これらの例の場合、開閉器１２を開状態から閉状態とする過程で、開閉器１２の電極間距離が狭まると、過渡電圧抑制回路１５のコンデンサ１５ａに蓄えられた電荷が放電され、開閉器１２の電極間に電流が流れる。このため、電流遮断時の時刻Ｅでの電圧抑制効果はコンデンサ１５ａを単独で用いた場合と同様である。

　また上記第１実施形態では、抵抗器１３として抵抗値が固定の抵抗器を用いたが、これ以外に例えば非線形抵抗器を用いてもよい。非線形抵抗器として、例えば、避雷器素子を利用できる。

　抵抗器１３として用いる非線形抵抗器の電圧は、半導体遮断器３１のオン抵抗による電圧より高く、半導体遮断器３１に並列接続された非線形抵抗器３２より低いことが好ましい。この抵抗器１３として用いる非線形抵抗器の抵抗は、開閉器１２の絶縁耐圧の限界より低い電圧で低下することが好ましい。

　開閉器１２に、絶縁耐圧より高い電圧が印加されると、抵抗器１３として用いた非線形抵抗器の抵抗値が低くなる。その結果、開閉器１２に印加される電圧が低減され、開閉器１２の絶縁破壊を防止できる。

　（変形例１）
　図１０は変形例１の直流遮断装置の構成を示す。変形例１の直流遮断装置では、第１実施形態の電流遮断装置から過渡電圧抑制回路１５を除外している。このように、過渡電圧抑制回路１５を有しなくても、直流遮断装置として動作可能である。この動作は、第１実施形態の電流遮断装置と同様、図５によって表せるので、説明を省略する。

　（第２実施形態）
　次に、図１１を参照して第２実施形態の電流遮断装置を説明する。この第２実施形態は図１に示した第１実施形態の直流遮断装置の開閉器１２近傍の回路を変形した例であり、第１実施形態と同じ構成には同一の符号を付しその説明は省略する。

　この第２実施形態では、開閉器１２と直列に可飽和リアクトル１６を接続している。転流回路１４はコンデンサ１４ａと半導体スイッチ１４ｃとの直列回路で構成している。
　すなわちこの第２実施形態では、開閉器１２と可飽和リアクトル１６の直列回路、コンデンサと半導体スイッチが直列に接続された転流回路１４、および抵抗器１３が並列に接続されている。
　この例では、転流回路１４はリアクトル１４ｂを有しないが、図２のように、リアクトル１４ｂを有してもよい。

　この第２実施形態では、転流回路１４、可飽和リアクトル１６、開閉器１２が閉回路を構成する。可飽和リアクトル１６は、開閉器１２で遮断すべき電流以下の電流値において、飽和状態と非飽和状態の変化点を持つ。この電流値は、通常の状態での直流電流程度である。

　以下、図１２を参照してこの第２実施形態の直流遮断装置の電流遮断時の動作のうち第１実施形態と電流の変化が異なる部分を説明する。

　制御器５０は、時刻Ｃにおいて開閉器１２を開制御（遮断）した後、時刻Ｄの時点で転流回路１４を制御して、開閉器１２に逆電流を注入させる。
　これにより、可飽和リアクトル１６には、開閉器１２と同値の電流が流れる。この電流が減少し、飽和状態から非飽和状態に遷移すると、可飽和リアクトル１６のインダクタンスが増加する。その結果、図１２に示す半導体遮断器３１に流れる電流４２の時系列的な変化のうち、時刻ＤからＥの間、例えば、時刻６２で電流の変化が緩やかになる。このため、開閉器１２を流れる電流４３の変化が、電流零点直前の時刻６３で、緩やかになる。

　このように、この第２実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られると共に、電流零点で確実に電流を電流遮断路３０に転流させることができる。開閉器１２と直列に接続された可飽和リアクトル１５によって、電流遮断時に開閉器１２を流れる電流の変化率が電流零点直前で緩やかになり、小電流状態の期間が生じるためである。

　（変形例２）
　図１３は変形例２の直流遮断装置の構成を示す。変形例２の直流遮断装置では、第２実施形態の電流遮断装置から過渡電圧抑制回路１５を除外している。このように、過渡電圧抑制回路１５を有しなくても、直流遮断装置として動作可能である。この動作は、第２実施形態の電流遮断装置と同様、図１２によって表せるので、説明を省略する。

　（第３の実施形態）
　次に、図１４、図１５を参照して第３の実施形態の電流遮断装置を説明する。この第３の実施形態は図１に示した第１実施形態の直流遮断装置の変形例であり、第１実施形態と同じ構成には同一の符号を付しその説明は省略する。

　図１４に示すように、この第３の実施形態では、第１実施形態の開閉器１２に電極間距離検出器２２が設置される。電極間距離検出器２２は、開閉器１２の電極間距離を検出して制御器５０に通知する。制御器５０は電極間距離検出器２２から通知された開閉器１２の電極間距離に基づいて開閉器１２および転流回路１４を制御する。

　この第３の実施形態の場合、図１５に示すように、時刻Ｃ１を考慮に入れて開閉器１２を制御する。時刻Ｃ１は、開閉器１２の電極距離が所定の距離に到達する時刻であり、開閉器１２への電極開制御の開始時刻Ｃから予想される。

　制御器５０は、この時刻Ｃ１より遅い時点で通電路１０から電流遮断路３０への転流が完了するように（転流完了は時刻Ｅ）転流回路１４の半導体スイッチ１４ｃをオンするタイミングを決定し、転流回路１４を制御する。

　すなわち、この第３の実施形態では、電極間距離検出器２２により検出された開閉器１２の電極間距離が連続的に制御器５０に伝えられる。制御器５０は、電極間距離検出器２２により検出された開閉器１２の電極距離が所定の距離（閾値）に到達する時刻Ｃ１を予測演算する。制御器５０は、時刻Ｃ１の前の、開閉器１２への電極開制御の開始タイミング（時刻Ｃ）で、開閉器１２の電極開を制御する。その後の動作は第１の実施形態と同様である。

　このように、この第３の実施形態によれば、開閉器１２に電極間距離検出器２２が設置され、開閉器１２の制御タイミングを取得される。このため、開閉器１２の耐圧性が十分に確保される状態になってから、半導体遮断器３１による電圧降下分の開閉器１２への電圧印加が生じる（その期間は時刻Ｅ以降時刻Ｆまで）。この結果、開閉器１２の運用上、非常に好ましい結果が得られる。

　なお、第３の実施形態では、開閉器１２に電極間距離検出器２２を設置し、開閉器１２の電極間距離を検出して遮断制御している。但し、電極間の距離が所定の距離に到達する時間は予め判っている。このため、電極間距離検出器２２を設置せず、開閉器１２の電極距離が所定の距離に到達する時刻Ｃ１を開閉器１２への電極開制御の開始の時刻Ｃから予測し、遮断動作開始後の経過時刻に従って制御してもよい。

　（変形例３）
　図１６は変形例３の直流遮断装置の構成を示す。変形例３の直流遮断装置では、第３実施形態の電流遮断装置から過渡電圧抑制回路１５を除外している。このように、過渡電圧抑制回路１５を有しなくても、直流遮断装置として動作可能である。この動作は、第２実施形態の電流遮断装置と同様、図１５によって表せるので、説明を省略する。

　（第４実施形態）
　次に、図１７、図１８を参照して第４実施形態の電流遮断装置を説明する。この第４実施形態は図１、図１４に示した第１，第３実施形態の直流遮断装置の変形例であり、第１、第３実施形態と同じ構成には同一の符号を付しその説明は省略する。

　図１７に示すように、この第４実施形態では、第１実施形態の開閉器１１に電極間距離検出器２３を増設している。電極間距離検出器２３は、開閉器１１の電極間距離を検出して制御器５０に通知する。制御器５０は、電極間距離検出器２３から通知された開閉器１１の電極間距離または電極開制御後の経過時間に基づいて、開閉器１１および半導体遮断器３１を制御する。

　この第４実施形態の場合、図１８に示すように、時刻Ｃ２を考慮に入れて開閉器１２の制御を行う。時刻Ｃ２は、開閉器１１への電極開制御の開始の時刻Ｃから予想される、開閉器１１の電極距離が所定の距離に到達する時刻である。制御器５０はこの時刻Ｃ２より遅い時点（例えば時刻Ｆ）で、オン状態の半導体遮断器３１をオフ（通電を切る状態）に切り替えるよう制御する。

　すなわち、この第４実施形態のでは、電極間距離検出器２２により検出された開閉器１１の電極間距離が常に制御器５０に伝えられる。制御器５０は、電極間距離検出器２３によって検出された開閉器１１の電極距離が予め設定された所定の距離（閾値）に到達する時刻Ｃ２を予測演算する。制御器５０は、時刻Ｃ２より前の、開閉器１１への電極開制御の開始タイミング（時刻Ｃ）を決定し、開閉器１１および半導体遮断器３１を遮断制御する。その後の動作は変形例１，３と同様である。

　このようにこの第４実施形態によれば、開閉器１１に電極間距離検出器２３を配置し、開閉器１１の制御タイミングを取得する。このため、開閉器１１の耐圧性が十分に確保されるような状態になってから、直流遮断装置への高印加電圧が生じることになる（その期間は時刻Ｆ以降）。この結果、開閉器１１の運用上、非常に好ましい結果を得ることができる。

　なお、第４実施形態では、開閉器１１に電極間距離検出器２３を配置し、開閉器１１の電極間距離を検出して遮断制御している。但し、電極間の距離が所定の距離に到達する時間は予め判っている。このため、電極間距離検出器２３を配置せず、開閉器１１の電極距離が所定の距離に到達するまでの時刻Ｃ２を、開閉器１１への電極開制御の開始の時刻Ｃから予測し、遮断動作開始後（開閉器１１の電極開制御開始後）の経過時刻に従って制御してもよい。

　（変形例４）
　図１９は変形例４の直流遮断装置の構成を示す。変形例４の直流遮断装置では、第４実施形態の電流遮断装置から過渡電圧抑制回路１５を除外している。このように、過渡電圧抑制回路１５を有しなくても、直流遮断装置として動作可能である。この動作は、第２実施形態の電流遮断装置と同様、図１８によって表せるので、説明を省略する。

　以上説明した少なくとも一つの実施形態および変形例によれば、通常時の通電損失を低く抑えかつ装置構成の大型化を回避することができる。換言すると、遮断すべき電流が大きい場合であっても小型で通常時の通電損失を低く抑えることができる直流遮断装置を提供できる。

　本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Claims (17)

1. 　第1の開閉器と、
   　前記第１の開閉器と直列に接続され、前記第1の開閉器より低い絶縁耐圧を有する第２の開閉器と、
   　を有し、直流電流を流すための通電路と、
   　前記第２の開閉器と並列に接続され、前記直流電流の向きと逆向きの電流を前記第２の開閉器に注入する転流回路と、
   　前記通電路と並列に接続される半導体遮断器と、
   　前記通電路と並列に接続される非線形抵抗器と、
   を具備する直流遮断装置。
2. 　前記転流回路が、互いに直列に接続される、コンデンサおよびスイッチを有する
   請求項１の直流遮断装置。
3. 　前記転流回路が、前記コンデンサおよび前記スイッチと直列に接続される、リアクトルをさらに有する
   請求項２の直流遮断装置。
4. 　前記第２の開閉器と並列に接続され、第２のコンデンサを含む電圧抑制回路
   をさらに具備する請求項１記載の直流遮断装置。
5. 　前記電圧抑制回路が、
   　前記第２のコンデンサと直列に接続される第２のリアクトル、
   　前記第２のコンデンサと直列に接続される第２の抵抗器、または
   　前記第２のコンデンサと直列に接続される第２のリアクトルおよび第２の抵抗器
   　をさらに有する、
   請求項４の直流遮断装置。
6. 　前記第２の開閉器と並列に接続される第３の抵抗器
   をさらに具備する請求項１記載の直流遮断装置。
7. 　前記第３の抵抗器が、非線形抵抗器である
   請求項６記載の直流遮断装置。
8. 　前記第１、第２の開閉器と直列に接続される可飽和リアクトルをさらに具備し、
   　前記直列に接続された前記第２の開閉器および前記可飽和リアクトルが、前記転流回路と並列に接続される、
   　請求項１の直流遮断装置。
9. 　前記第２の開閉器が、真空開閉器である
   　請求項１記載の直流遮断装置。
10. 　前記第２の開閉器が、縦磁界電極を有する真空開閉器である
    　請求項９記載の直流遮断装置。
11. 　前記第１の開閉器が、ガス開閉器である
    　請求項１記載の直流遮断装置。
12. 　前記通電路を流れる前記直流電流に異常が検出された場合、前記第１および第２の開閉器を遮断する遮断制御を開始し、
    　前記遮断制御の開始後に、前記転流回路を制御して、前記逆向きの電流を前記第２の開閉器に注入させることによって、前記直流電流の経路を前記通電路から前記半導体遮断器に切り替え、
    　前記切替後に、前記半導体遮断器を制御して、オンからオフに切り替える
    　制御器をさらに具備する
    請求項１記載の直流遮断装置。
13. 　前記制御器は、
    　前記第２の開閉器が開となってから所定の時間後に、前記転流回路の制御を開始する、
    　請求項１２記載の直流遮断装置。
14. 　前記第２の開閉器の電極間距離を検出する検出器をさらに具備し、
    　前記制御器は、
    　前記検出された電極間距離に基づいて、前記転流回路の制御を開始する、
    　請求項１２項に記載の直流遮断装置。
15. 　前記制御器は、
    　前記第１の開閉器が開となってから所定の時間後に、前記半導体遮断器を制御して、オンからオフに切り替える、
    　請求項１２項に記載の直流遮断装置。
16. 　前記第１の開閉器の電極間距離を検出する検出器をさらに具備し、
    　前記制御器は、
    　前記検出された電極間距離に基づいて、前記半導体遮断器をオンからオフに切り替える、
    　請求項１２項に記載の直流遮断装置。
17. 　前記制御器は、
    　前記転流回路が前記逆向きの電流を前記第２の開閉器に注入した後、前記電極間距離が所定の距離に到達した場合に、前記半導体遮断器をオンからオフに切り替える、
    　請求項１６記載の直流遮断装置。

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