特許 7188854 直流電流遮断装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-12-05

(45)【発行日】2022-12-13

(54)【発明の名称】直流電流遮断装置

(51)【国際特許分類】

   H01H 33/59 20060101AFI20221206BHJP

   H01H 9/54 20060101ALI20221206BHJP

【ＦＩ】

H01H33/59 D

H01H33/59 C

H01H9/54 A

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020000421

(22)【出願日】2020-01-06

(65)【公開番号】P2021111450

(43)【公開日】2021-08-02

【審査請求日】2022-03-07

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２７年度～平成２９年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構 次世代洋上直流送電システム開発事業 システム開発／要素技術開発委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001634

【氏名又は名称】弁理士法人志賀国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】児山 裕史

(72)【発明者】

【氏名】石黒 崇裕

【審査官】内田 勝久

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１８／２３０２２４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００２－１１０００６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－２３００６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－０８９１２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１３００９４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｈ ９／５４ － ９／５６

Ｈ０１Ｈ ３３／２８ － ３３／５９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

直流系統を構成する直流送電線路を電気的に遮断する、又は導通させる主回路と、
コンデンサを有する転流回路と、
電源装置によって供給される電力を前記コンデンサに供給する第１電力供給部と、前記電源装置によって供給される電力を前記コンデンサに供給する第２電力供給部と、前記第１電力供給部と前記転流回路との接続状態を切り替える第１開閉器と、前記第２電力供給部と前記転流回路との接続状態を切り替える第２開閉手段とを有し、前記コンデンサを充電する充電回路とを備え、
前記第１電力供給部は、前記第２電力供給部に比して大きい電力を出力する、
直流電流遮断装置。

【請求項2】

前記第１電力供給部は、前記第２電力供給部に比して絶縁耐圧が低く、且つ前記第２電力供給部に比して大きい電力を出力し、
前記第２電力供給部は、前記第１電力供給部に比して絶縁耐圧が高く、且つ前記第１電力供給部に比して小さい電力を出力する、
請求項１に記載の直流電流遮断装置。

【請求項3】

前記第１開閉器と前記第２開閉手段のそれぞれの開閉状態を制御する制御部を更に備え、
前記制御部は、
前記主回路が前記直流送電線路を通電させていない場合に、少なくとも前記第１開閉器を閉状態にして前記第１電力供給部が出力する電力によって前記コンデンサを充電し、
前記主回路が前記直流送電線路を通電させている場合に、前記第１開閉器を開状態にし、且つ前記第２開閉手段を閉状態にして前記第２電力供給部が出力する電力によって前記コンデンサを充電する、
請求項１又は２に記載の直流電流遮断装置。

【請求項4】

前記第１電力供給部、及び前記第２電力供給部のそれぞれは、変圧器を備え、
前記第１電力供給部が備える第１変圧器は、前記第２電力供給部が備える第２変圧器に比して耐圧が低く、前記第２電力供給部に比して大きい電力を出力する、
請求項１から３のうちいずれか一項に記載の直流電流遮断装置。

【請求項5】

前記第２電力供給部は、前記電源装置によって供給される電力を用いて光を射出する発光ユニットと、前記発光ユニットに第１端が接続された光伝送路と、前記光伝送路の第２端に接続され、前記発光ユニットによって射出され前記光伝送路によって伝送された光を用いて電力を出力する受光ユニットと、前記受光ユニットから出力された電力を前記コンデンサを充電可能な電力に変換する変換部とを備える、
請求項１から４のうちいずれか一項に記載の直流電流遮断装置。

【請求項6】

前記第２電力供給部は、前記電源装置によって供給される電力によって磁界を発生させる送電コイルと、前記送電コイルが発生させた磁界によって電力を発生させる受電コイルと、前記受電コイルから出力された電力を前記コンデンサを充電可能な電力に変換する変換部とを備える、
請求項１から５のうちいずれか一項に記載の直流電流遮断装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、直流電流遮断装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、複数の直流送電線路で構成された直流系統による電力の送電が行われている。直流系統においては事故が発生した場合、特定の送電線路のみを遮断し、残りの送電線路によって電力の送電を継続する場合がある。これについて、機械式接点と半導体遮断器の双方を備え、直流送電線路に流れる電流を遮断する直流電流遮断装置に関する技術が知られている。

【0003】

ところで、直流電流遮断装置は、機械式接点と、半導体遮断器との他、転流回路を備える場合がある。この直流電流遮断装置は、機械式接点に流れる電流を、転流回路を動作させることによって半導体遮断器に転流させ、半導体遮断器がターンオフすることによって、特定の送電線路を遮断する。機械式接点に流れる電流を半導体遮断器に転流させる際に、転流回路は、機械式接点の電極間のアークを消弧するように電流を流すように動作する。これによって、機械式接点は、電気的にも機械的にも開状態に制御され、機械式接点に流れる電流を半導体遮断器に転流させることができる。したがって、直流電流遮断装置が特定の送電線路を遮断するためには、少なくとも初期状態の遮断動作時において、転流回路が備えるコンデンサが充電されていることが求められる。

【0004】

しかしながら、直流電流遮断装置は非常に電圧の高い直流系統に設置されるため、コンデンサを充電するための外部電源は、直流系統電圧相当の耐圧を持つ絶縁トランスが必要になる。耐圧が非常に高いと、絶縁トランスも大型化する場合があった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１６－１６２７１３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明が解決しようとする課題は、転流回路が備えるコンデンサを簡便に充電することができる直流電流遮断装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

実施形態の直流電流遮断装置は、主回路と、転流回路と、充電回路を持つ。主回路は、直流系統を構成する直流送電線路を電気的に遮断する、又は導通させる。転流回路は、コンデンサを有する。充電回路は、第１電力供給部と、第２電力供給部と、第１開閉器と、第２開閉手段とを持つ。第１電力供給部は、電源装置によって供給される電力を前記コンデンサに供給する。第２電力供給部は、前記電源装置によって供給される電力を前記コンデンサに供給する。第１開閉器は、前記第１電力供給部と前記転流回路との接続状態を切り替える。第２開閉手段は、前記第２電力供給部と前記転流回路との接続状態を切り替える。充電回路は、前記コンデンサを充電する。前記第１電力供給部は、前記第２電力供給部に比して大きい電力を出力する。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】第１の実施形態の直流電流遮断装置１の構成の一例を示す図である。

【図2】第１の実施形態に係る充電回路８０の初期状態の一例を示す図である。

【図3】第１の実施形態に係る充電回路８０の通常導通状態の一例を示す図である。

【図4】コンデンサＣの充電に係る直流電流遮断装置１の処理の一例を示すフローチャートである。

【図5】変形例の第２変圧器８４の構成の一例を示す図である。

【図6】第２の実施形態の充電回路８０－１の構成の一例を示す図である。

【図7】第３の実施形態の充電回路８０－２の構成の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、実施形態の直流電流遮断装置を、図面を参照して説明する。

【0010】

（第１の実施形態）
［構成］
図１は、第１の実施形態の直流電流遮断装置１の構成の一例を示す図である。直流電流遮断装置１は、直流系統を構成する直流送電線路のうち、第１直流送電線路ＬＮ１と、第２直流送電線路ＬＮ２とを電気的に導通（通電）させ、または遮断する装置である。以降の説明において、第１直流送電線路ＬＮ１における直流電圧を第１電圧ＶＤＣ１と記載し、第２直流送電線路ＬＮ２における直流電圧を第２電圧ＶＤＣ２と記載する。第１電圧ＶＤＣ１や第２電圧ＶＤＣ２は、例えば、数十～数百［ｋＶ］程度の電圧である。例えば、第１直流送電線路ＬＮ１側には、送電設備が存在し、第２直流送電線路ＬＮ２側には、需要家が存在する。この場合、通常、第１電圧ＶＤＣ１が第２電圧ＶＤＣ２よりも大きい電圧となる。したがって、通常であれば第１直流送電線路ＬＮ１から第２直流送電線路ＬＮ２の方向に直流系統電流が流れる。

【0011】

図１に示される通り、直流電流遮断装置１は、例えば、断路器１０と、機械式遮断器２０と、転流回路３０と、半導体遮断器４０と、アレスタ５０と、ダイオード６０と、リアクトル７０と、充電回路８０と、制御部１００とを備える。断路器１０は、第１端子１０ａと、第２端子１０ｂとを備える。機械式遮断器２０は、第１端子２０ａと、第２端子２０ｂとを備える。転流回路３０は、第１端子３０ａと、第２端子３０ｂとを備える。直流電流遮断装置１のうち、機械式遮断器２０と、転流回路３０と、半導体遮断器４０と、アレスタ５０と、ダイオード６０とによって構成される回路は、「主回路」の一例である。

【0012】

断路器１０の第１端子１０ａは、第１直流送電線路ＬＮ１に接続される。図示するリアクトルＬ１は、第１直流送電線路ＬＮ１が有するインダクタンス成分を仮想的に示すものである。断路器１０の第２端子１０ｂと、機械式遮断器２０の第１端子２０ａと、転流回路３０の第１端子３０ａとは、互いに接続されている。

【0013】

なお、直流電流遮断装置１（断路器１０）は、補助断路器ＭＳを介して第１直流送電線路ＬＮ１に接続されてもよい。以下、断路器１０が補助断路器ＭＳを介して第１直流送電線路ＬＮ１に接続される場合について説明する。補助断路器ＭＳは、第１端子ＭＳａと、第２端子ＭＳｂとを備える。第１端子ＭＳａは、第１直流送電線路ＬＮ１に接続され、第２端子ＭＳｂと、第１端子１０ａとは、互いに接続される。

【0014】

機械式遮断器２０の第２端子２０ｂは、第２直流送電線路ＬＮ２に接続される。また、第２端子２０ｂと、第２端子３０ｂとの間には、リアクトル７０が接続される。

【0015】

半導体遮断器４０は、例えば、互いに直列に接続された複数（図では４つ）のスイッチング部を備える。スイッチング部は、それぞれ、互いに並列に接続されたスイッチング素子とダイオードとを備える。具体的には、ダイオードのカソードと、スイッチング素子のコレクタとが互いに接続され、ダイオードのアノードと、スイッチング素子のエミッタとが接続されている。スイッチング素子は、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（以下、ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体スイッチング素子である。ただし、スイッチング素子は、ＩＧＢＴに限定されない。スイッチング素子は、自己消弧を実現可能なスイッチング素子であれば、いかなる素子でもよい。以降の説明では、スイッチング素子がＩＧＢＴである場合について説明する。また、以降の説明において、スイッチング部のスイッチング素子のエミッタを、「スイッチング部のエミッタ」とも記載し、スイッチング部のスイッチング素子のコレクタを、「スイッチング部のコレクタ」とも記載する。

【0016】

半導体遮断器４０において、スイッチング部のエミッタと、当該スイッチング部に隣り合うスイッチング部のコレクタとが接続されている。半導体遮断器４０は、第１端子４０ａと、第２端子４０ｂとを備える。第１端子４０ａには、半導体遮断器４０が備える複数のスイッチング部のうち、端部のスイッチング部のコレクタと、当該コレクタに並列に接続されるダイオードのカソードとが接続される。第２端子４０ｂには、半導体遮断器４０が備える複数のスイッチング部のうち、他の端部のスイッチング部のエミッタと、当該エミッタに並列に接続されるダイオードのアノードとが接続される。

【0017】

半導体遮断器４０の第１端子４０ａと、第２端子ＭＳｂと、第１端子１０ａとは、互いに接続される。これにより、半導体遮断器４０は、補助断路器ＭＳを介して第１直流送電線路ＬＮ１に接続される。また、半導体遮断器４０の第２端子４０ｂは、ダイオード６０のアノードに接続されている。ダイオード６０のカソードと、第２端子３０ｂと、リアクトル７０の一端とが互いに接続されている。以降の説明において、半導体遮断器４０が備えるスイッチング素子がオン状態であることを、「半導体遮断器４０が閉状態」であるとも記載し、半導体遮断器４０が備えるスイッチング素子がオフ状態であることを、「半導体遮断器４０が開状態」であるとも記載する。

【0018】

アレスタ５０は、第１直流送電線路ＬＮ１（この一例では、補助断路器ＭＳ）と、ダイオード６０との間に、半導体遮断器４０と互いに並列に接続されている。アレスタ５０は、半導体遮断器４０が開状態に制御されることにより発生するサージ電圧を吸収する。アレスタ５０は、「避雷器」の一例である。

【0019】

上述した接続関係により、ダイオード６０は、第１直流送電線路ＬＮ１から第２直流送電線路ＬＮ２の方向に流れる電流を許容し、第２直流送電線路ＬＮ２の方向から第１直流送電線路ＬＮ１の方向に流れる電流を阻止する。

【0020】

転流回路３０は、例えば、複数のダイオード（図示するダイオード３１０ａ，３１０ｂ）と、複数のスイッチング部（スイッチング部３２０ａ，３２０ｂ）と、コンデンサＣと、サイリスタ３５とを備える。スイッチング部３２０ａ，３２０ｂとのそれぞれは、スイッチング素子と、ダイオードとを備える。スイッチング部３２０ａ，３２０ｂが備えるスイッチング素子と、ダイオードとは、互いに並列に接続されている。具体的には、ダイオードのカソードと、スイッチング素子のコレクタとが接続され、ダイオードのアノードと、スイッチング素子のエミッタとが接続されている。

【0021】

コンデンサＣは、正極と負極を有する。以下、コンデンサＣの正極と負極との間に生じる電圧を「コンデンサ電圧」とも記載し、転流回路３０のうちコンデンサＣの正極と同電位の回路を「転流回路３０の正極」とも記載し、転流回路３０のうちコンデンサＣの負極端子と同電位の回路を「転流回路３０の負極」とも記載する。ダイオード３１０ａとスイッチング部３２０ａとは、記載の順序によって、転流回路３０の正極と負極の間に直列に接続され、スイッチング部３２０ｂとダイオード３１０ｂとは、記載の順序によって、転流回路３０の正極と負極の間に直列に接続される。ダイオード３１０ａのアノードと、スイッチング部３２０ａのコレクタとが互いに接続されている。スイッチング部３２０ｂのエミッタと、ダイオード３１０ａのカソードとが互いに接続されている。ダイオード３１０ａのカソードと、スイッチング部３２０ｂのコレクタと、コンデンサＣの正極とが互いに接続されている。スイッチング部３２０ａのエミッタと、ダイオード３１０ｂのアノードと、コンデンサＣの負極とが互いに接続されている。

【0022】

ダイオード３１０ａのアノードと、スイッチング部３２０ａのコレクタとの接続点には、転流回路３０の第１端子３０ａが設けられる。スイッチング部３２０ｂのエミッタと、ダイオード３１０ｂのカソードとの接続点には、転流回路３０の第２端子３０ｂが設けられる。サイリスタ３５のアノードと、転流回路３０の第１端子３０ａとは、互いに接続され、サイリスタ３５のカソードと、転流回路３０の第２端子３０ｂとは、互いに接続される。

【0023】

上述した接続関係により、サイリスタ３５は、オフの状態において、第１直流送電線路ＬＮ１から第２直流送電線路ＬＮ２方向に流れる電流、および第２直流送電線路ＬＮ２から第１直流送電線路ＬＮ１の方向に流れる電流の双方を遮断する。また、サイリスタ３５は、オンの状態において、第１直流送電線路ＬＮ１から第２直流送電線路ＬＮ２の方向に流れる電流を許容し（つまり、第１直流送電線路ＬＮ１から第２直流送電線路ＬＮ２の方向に電気的に導通させ）、第２直流送電線路ＬＮ２から第１直流送電線路ＬＮ１の方向に流れる電流を阻止する。

【0024】

なお、転流回路３０は、ダイオード３１０ａ，３１０ｂに代えて、スイッチング部３２０ｃ，３２０ｄを備えるフルブリッジ回路であってもよい。

【0025】

充電回路８０は、電源装置８１と、第１変圧器８２と、第１開閉器８３と、第２変圧器８４と、第２開閉器８５と、整流器８６とを備える。充電回路８０は、第１端子８０ａと、第２端子８０ｂとを備える。第１端子８０ａは、転流回路３０のコンデンサＣの正極に接続される。第２端子８０ｂは、転流回路３０のコンデンサＣの負極に接続される。第１開閉器８３は、第１端子８３ａと、第２端子８３ｂとを備える。第２開閉器８５は、第１端子８５ａと、第２端子８５ｂとを備える。第２開閉器８５は、「第２開閉手段」の一例である。

【0026】

電源装置８１と、第１変圧器８２の一次側と、第２変圧器８４の一次側とは、互いに接続される。第１変圧器８２の二次側と、第１開閉器８３の第１端子８３ａとが、互いに接続される。第２変圧器８４の二次側と、第２開閉器８５の第１端子８５ａとが、互いに接続される。第２端子８３ｂと、整流器８６とが接続される。第２端子８５ｂと、整流器８６とが接続される。

【0027】

電源装置８１は、例えば、商用電力が供給される。電源装置８１は、商用電力を第１変圧器８２と第１開閉器８３とに供給する。なお、電源装置８１に供給される電力は、商用電力に限られず、送電電力や、配電電力、蓄電電力であってもよい。また、充電回路８０が電源装置８１を備える場合について説明したが、これに限られない。充電回路８０は、電源装置８１から電力の供給を受けることが可能であれば電源装置８１を備えていなくてもよい。

【0028】

第１変圧器８２と、第２変圧器８４とのそれぞれは、電源装置８１から供給される電力の電圧を、コンデンサＣを充電可能な電圧に変換する。ここで、第１変圧器８２は、第２変圧器８４よりも絶縁耐圧が低く、且つ第２変圧器８４よりも出力電力が大きい変換器である。換言すると、第２変圧器８４は、第１変圧器８２よりも絶縁耐圧が高く、且つ第１変圧器８２よりも出力電力が小さい変換器である。コンデンサＣの充電が可能な電圧とは、例えば、整流した際にコンデンサＣの定格電圧よりも高い電圧である。第１の実施形態において、第１変圧器８２は、「第１電力供給部」の一例であり、第２変圧器８４は、「第２電力供給部」の一例である。第１変圧器８２は、例えば、耐圧の低い絶縁トランスによって実現され、第２変圧器８４は、例えば、耐圧の高い絶縁トランスによって実現される。

【0029】

第１開閉器８３は、制御部１００によって開閉状態が制御され、閉状態において、第１変圧器８２とコンデンサＣとを整流器８６を介して接続し、開状態において、第１変圧器８２とコンデンサＣとを遮断する。第２変圧器８４は、制御部１００によって開閉状態が制御され、閉状態において、第２変圧器８４とコンデンサＣとを整流器８６を介して接続し、開状態において、第２変圧器８４とコンデンサＣとを遮断する。第１開閉器８３や第２変圧器８４は、断路器や機械式遮断機等の機械式接点によって実現される。

【0030】

整流器８６は、第１変圧器８２によって変換された電力と、第２変圧器８４によって変換された電力とを整流する。なお、第１変圧器８２、及び第２変圧器８４によって変換された電力が直流である場合には、充電回路８０は、整流器８６を備えていなくてもよい。

【0031】

制御部１００は、補助断路器ＭＳ、断路器１０、機械式遮断器２０、半導体遮断器４０、第１開閉器８３、及び第２開閉器８５の開閉制御、サイリスタ３５のオンとオフの切り替え制御、並びに転流回路３０の動作の制御（つまり、スイッチング部３２０ａ，３２０ｂの開閉制御）等を行う。

【0032】

直流電流遮断装置１によって第１直流送電線路ＬＮ１と、第２直流送電線路ＬＮ２とが電気的に導通されている状態（以下、通常導通状態）において、各部は以下のような状態となっている。
・補助断路器ＭＳ：閉状態
・断路器１０：閉状態
・機械式遮断器２０：閉状態
・半導体遮断器４０：開状態
・サイリスタ３５：オフの状態
・転流回路３０：オフの状態
・転流回路３０が備えるコンデンサＣ：充電された状態
・第１開閉器８３：開状態
・第２開閉器８５：閉状態

【0033】

これにより、通常導通状態において直流系統電流は、第１直流送電線路ＬＮ１から、補助断路器ＭＳ、断路器１０、及び機械式遮断器２０を経由する経路ｒｔ１を介して第２直流送電線路ＬＮ２まで流れる。

【0034】

直流電流遮断装置１によって第１直流送電線路ＬＮ１と、第２直流送電線路ＬＮ２とを電気的に遮断させる場合、制御部１００は、制御システム（不図示）から遮断指示信号を受信する。制御システムは、例えば、各電力系統間の電力の供給（融通）を制御するシステムであり、直流系統に異常等が生じた場合、対象の直流電流遮断装置１（制御部１００）に遮断指示信号を送信する。遮断指示信号は、例えば、第１直流送電線路ＬＮ１と、第２直流送電線路ＬＮ２とを電気的に遮断させることを指示する信号である。直流系統の異常とは、例えば、直流送電線路に生じる地絡や短絡等の事故によって生じる異常である。制御部１００は、制御システムから遮断指示信号を受信した場合、断路器１０と、機械式遮断器２０とを開状態に制御し、転流回路３０（スイッチング部３２０ａ，３２０ｂ）をオンの状態に制御する。

【0035】

上述した制御部１００の制御によって、直流電流遮断装置１の断路器１０と、機械式遮断器２０とは、機械的に開状態に制御されるが、接点を単に切り離しても接点間にアークが生じるため、電気的に遮断することができない。この状態で、制御部１００が転流回路３０を動作させることにより、転流回路３０が備えるスイッチング部３２０ａ，３２０ｂは、オンの状態に制御される。すると、転流回路３０は、コンデンサＣに蓄電される電荷を放電し、コンデンサＣの正極からスイッチング部３２０ｂ、リアクトル７０、機械式遮断器２０、およびスイッチング部３２０ａを介してコンデンサＣの負極までの経路ｒｔ２を電流が還流する回路を形成する。この回路が形成されるのは、リアクトル７０に対して上述した向きによってダイオード６０が接続されていることにより、第２直流送電線路ＬＮ２の方向から第１直流送電線路ＬＮ１の方向に流れる電流が阻止されるためである。この回路を還流する電流は、機械式遮断器２０において第１直流送電線路ＬＮ１から第２直流送電線路ＬＮ２の方向に流れる電流と逆方向の電流であるため、機械式遮断器２０に生じたアークを打ち消すように作用する。この結果、機械式遮断器２０に流れる電流がゼロになり、機械式遮断器２０が電気的な遮断状態となる。

【0036】

その後、制御部１００は、半導体遮断器４０を閉状態に制御する。これにより、直流系統電流は、第１直流送電線路ＬＮ１から補助断路器ＭＳ、断路器１０、転流回路３０、及びリアクトル７０を介して第２直流送電線路ＬＮ２まで流れる経路から、第１直流送電線路ＬＮ１から半導体遮断器４０、ダイオード６０、及びリアクトル７０を介して第２直流送電線路ＬＮ２まで流れる経路ｒｔ３に転流する。そして、制御部１００は、半導体遮断器４０を開状態に制御する。半導体遮断器４０が開状態に制御されることに伴って発生するサージ電圧は、アレスタ５０によって吸収される。これにより、直流電流遮断装置１は、第１直流送電線路ＬＮ１と、第２直流送電線路ＬＮ２とを電気的に遮断することができる。

【0037】

このように、直流電流遮断装置１が第１直流送電線路ＬＮ１と第２直流送電線路ＬＮ２とを電気的に遮断するには、転流回路３０が動作して経路ｒｔ２に電流を還流させることが求められる。

【0038】

転流回路３０が電流を還流させるには、充電回路８０は、初期状態において、コンデンサＣを所定の充電容量まで充電することが求められる。所定の充電容量とは、例えば、コンデンサ電圧が所定の電圧となるまでに必要な電力量であって、転流回路３０の動作時に、機械式遮断器２０を電気的に開状態に制御可能なだけ、経路ｒｔ２に電流を還流させるのに必要な電力量である。所定の電圧とは、例えば、ある時間内に機械式遮断器２０を電気的に開状態に制御可能なコンデンサＣの電圧である。初期状態とは、例えば、直流電流遮断装置１が設置された時や、直流電流遮断装置１の運用開始時のタイミングや、これまでに直流電流遮断装置１が遮断動作を行っていない状態や、直流電流遮断装置１が遮断動作を行った後にコンデンサＣの充電が行われていない状態等であって、直流電流遮断装置１が第１直流送電線路ＬＮ１と第２直流送電線路ＬＮ２とを電気的に遮断している状態である。

【0039】

また、転流回路３０が電流を還流させるには、充電回路８０は、通常導通状態において、コンデンサＣが初期状態以降に自然放電した分だけ逐次充電し、所定の充電容量を保つことが求められる。通常導通状態とは、例えば、直流電流遮断装置１によって第１直流送電線路ＬＮ１と、第２直流送電線路ＬＮ２とが電気的に導通されている状態である。

【0040】

以下、初期状態のコンデンサＣが充電される場合の直流電流遮断装置１の状態について説明し、次に、通常導通状態のコンデンサＣが充電される場合の直流電流遮断装置１の状態について説明する。

【0041】

［初期状態のコンデンサＣの充電］
制御部１００は、初期状態において、直流電流遮断装置１が第１直流送電線路ＬＮ１と第２直流送電線路ＬＮ２とが電気的に非導通になるように、直流電流遮断装置１の各部を以下のような状態に制御する。
・補助断路器ＭＳ：開状態
・断路器１０：開状態
・機械式遮断器２０：開状態
・半導体遮断器４０：開状態
・サイリスタ３５：オフの状態
・転流回路３０：オフの状態
・転流回路３０が備えるコンデンサＣ：充電されていない状態

【0042】

そして、制御部１００は、初期状態のコンデンサＣを充電するに際して、充電回路８０の各部を、以下のような状態に制御する。
・第１開閉器８３：閉状態→開状態
・第２開閉器８５：開状態→閉状態

【0043】

図２は、第１の実施形態に係る充電回路８０の初期状態の一例を示す図である。図２の状態において、第１開閉器８３が閉状態に制御され、第２開閉器８５が開状態に制御されることに伴い、第１端子８０ａと第２端子８０ｂとの間には、第１変圧器８２によって変換された電圧が整流器８６を通じて生じる。これにより、コンデンサＣは、第１変圧器８２によって変換された電力によって充電される。

【0044】

なお、初期状態では、少なくとも第１開閉器８３が閉状態に制御されていれば、第２開閉器８５が閉状態に制御されていてもよい。

【0045】

次に、制御部１００は、初期状態においてコンデンサＣが所定の充電容量まで充電された場合、第１開閉器８３を開状態に制御し、第２開閉器８５を閉状態に制御する。

【0046】

［通常導通状態のコンデンサＣの充電］
制御部１００は、通常導通状態において、直流電流遮断装置１が第１直流送電線路ＬＮ１と第２直流送電線路ＬＮ２とを電気的に導通させるように、直流電流遮断装置１の各部を以下のような状態に制御する。
・補助断路器ＭＳ：閉状態
・断路器１０：閉状態
・機械式遮断器２０：閉状態
・半導体遮断器４０：開状態
・サイリスタ３５：オフの状態
・転流回路３０：オフの状態
・転流回路３０が備えるコンデンサＣ：充電され、自然放電している状態

【0047】

そして、制御部１００は、通常導通状態のコンデンサＣを充電するに際して、充電回路８０の各部を、以下のような状態に制御する。
・第１開閉器８３：開状態
・第２開閉器８５：閉状態

【0048】

図３は、第１の実施形態に係る充電回路８０の通常導通状態の一例を示す図である。図３の状態において、第１開閉器８３が開状態に制御され、第２開閉器８５が閉状態に制御されることに伴い、第１端子８０ａと第２端子８０ｂとの間には、第２変圧器８４によって変換された電圧が整流器８６を通じて生じる。これにより、コンデンサＣは、第２変圧器８４によって変換された電力によって充電される。

【0049】

［動作フロー］
図４は、コンデンサＣの充電に係る直流電流遮断装置１の処理の一例を示すフローチャートである。まず、制御部１００は、直流電流遮断装置１の状態が初期状態であるか否かを判定する（ステップＳ１００）。制御部１００は、直流電流遮断装置１の状態が初期状態であると判定した場合、第１開閉器８３を閉状態に制御し、第２開閉器８５を開状態に制御する（ステップＳ１０２）。これにより、コンデンサＣは、第１変圧器８２が出力する電力によって充電される。制御部１００は、直流電流遮断装置１の状態が初期状態ではないと判定した場合、直流電流遮断装置１が通常導通状態であるものとみなし、第１開閉器８３を開状態に制御し、第２開閉器８５を閉状態に制御する（ステップＳ１０４）。これにより、コンデンサＣは、第２変圧器８４が供給する電力によって充電される。

【0050】

制御部１００は、初期状態のコンデンサＣが第１変圧器８２が出力する電力によって所定の充電容量まで充電されたか否かを判定する（ステップＳ１０６）。制御部１００は、初期状態のコンデンサＣが所定の充電容量まで充電されるまでの間、待機する。制御部１００は、初期状態のコンデンサＣが所定の充電容量まで充電されたと判定した場合、第１開閉器８３を開状態に制御し、第２開閉器８５を閉状態に制御する（ステップＳ１０８）。これにより、直流電流遮断装置１は、所定の充電容量までコンデンサＣが充電された状態で、絶縁耐圧の低い第１変圧器８２を切り離しつつ、自装置の状態を通常導通状態とすることができる。

【0051】

［第１の実施形態のまとめ］
以上説明したように、本実施形態の直流電流遮断装置１は、機械式接点（この一例では、断路器１０、及び機械式遮断器２０）と、転流回路３０と、充電回路８０を持つ。断路器１０、及び機械式遮断器２０は、直流系統を構成する直流送電線路（この一例では、第１直流送電線路ＬＮ１と第２直流送電線路ＬＮ２との接続点）に設けられる。転流回路３０は、コンデンサＣを有する。充電回路８０は、第１電力供給部（この一例では、第１変圧器８２）と、第２電力供給部（この一例では、第２変圧器８４）と、第１開閉器８３と、第２開閉器８５とを持つ。第１変圧器８２は、電源装置８１によって供給される電力をコンデンサＣに供給する。第２変圧器８４は、電源装置８１によって供給される電力をコンデンサＣに供給する。第１開閉器８３は、第１変圧器８２と転流回路３０との接続状態を切り替える。第２開閉器８５は、第２変圧器８４と転流回路３０との接続状態を切り替える。充電回路は、コンデンサＣを充電する。第１変圧器８２は、第２変圧器８４に比して大きい電力を出力する。

【0052】

ここで、初期状態ではコンデンサＣが充電されていない状態であるため、コンデンサＣに充電することが求められる充電容量は、通常導通状態に比して大きくなる。上述したように、第１変圧器８２は、第２変圧器８４に比して出力電力が大きい。本実施形態の直流電流遮断装置１は、初期状態において、第１変圧器８２と第２変圧器８４とのうち、第１変圧器８２によってコンデンサＣを充電することにより、第２変圧器８４によってコンデンサＣを充電する場合に比して、短時間でコンデンサＣの充電を完了することができる。

【0053】

また、通常導通状態では、コンデンサＣが初期状態において充電された後、自然放電している状態であるため、コンデンサＣに充電することが求められる電力容量は、初期状態に比して小さくなる。また、通常導通状態では直流送電線路ＬＮに直流系統電圧が印加されるため、充電回路８０の内部回路は、高耐圧であることが求められる。本実施形態の直流電流遮断装置１は、通常導通状態において、第１変圧器８２と第２変圧器８４とのうち、高耐圧な第２変圧器８４によってコンデンサＣを充電することにより、充電回路８０が絶縁破壊することなく、自然放電した充電容量を充電することができる。

【0054】

（変形例）
以下、図面を参照して第１の実施形態に係る変形例について説明する。第１の実施形態では、第２電力供給部が一つの第２変圧器８４によって実現される場合について説明した。変形例では、第２電力供給部が複数の変換器によって実現される場合について説明する。なお、上述した実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

【0055】

図５は、変形例の第２変圧器８４の構成の一例を示す図である。変形例の第２変圧器８４は、電源装置８１と第２開閉器８５との間に、直列に接続した複数の絶縁トランスＴＲによって実現される。この一例では、第２変圧器８４が、絶縁トランスＴＲ－１、絶縁トランスＴＲ－２、…、絶縁トランスＴＲ－ｎ（ｎは自然数）によって実現される。

【0056】

［変形例のまとめ］
以上説明したように、変形例の直流電流遮断装置１が備える第２変圧器８４は、電源装置８１と第２開閉器８５との間に、直列に接続した複数の絶縁トランスＴＲによって実現される。これにより、変形例の直流電流遮断装置１によれば、複数の絶縁耐圧の低い絶縁トランスＴＲを用いて、絶縁耐圧の高い第２変圧器８４を実現することができる。

【0057】

（第２の実施形態）
以下、図面を参照して第２の実施形態について説明する。第１の実施形態では、第２電力供給部が第２変圧器８４によって実現される場合について説明した。第２の実施形態では、第２電力供給部が光伝送路を用いた構成によって実現される場合について説明する。なお、上述した実施形態、及び変形例と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

【0058】

図６は、第２の実施形態の充電回路８０－１の構成の一例を示す図である。第２の実施形態の充電回路８０－１は、電源装置８１と、第１変圧器８２と、第１開閉器８３と、第２開閉器８５と、整流器８６と、第２電力供給部８７とを備える。第２電力供給部８７は、例えば、レーザドライバＬＤと、発光素子ＬＥと、光伝送路ＦＢと、受光素子ＲＥと、第１変換部ＣＶ１とを備える。レーザドライバＬＤと、電源装置８１とは、互いに接続される。レーザドライバＬＤと、発光素子ＬＥとは、互いに接続される。発光素子ＬＥと、受光素子ＲＥとは、光伝送路ＦＢによって互いに接続される。具体的には、光伝送路ＦＢの第一端には、発光素子ＬＥが接続され、光伝送路ＦＢの第２端には、受光素子ＲＥが接続される。受光素子ＲＥと、第１変換部ＣＶ１とは、互いに接続される。第１変換部ＣＶ１と第１端子８５ａとは、互いに接続される。本実施形態の電源装置８１には、例えば、商用電力が供給され、電源装置８１は、商用電力をレーザドライバＬＤによって用いられる電力に変換する。

【0059】

レーザドライバＬＤは、電源装置８１から供給された電力によって動作し、発光素子ＬＥに射出させる光の強度や、ＯＮ／ＯＦＦを制御する。発光素子ＬＥは、レーザドライバＬＤの制御に基づいて、光伝送路ＦＢによって接続される受光素子ＲＥに対して光を射出する。レーザドライバＬＤと発光素子ＬＥとは、「発光ユニット」の一例である。また、以降の説明では、発光素子ＬＥが射出する光の強度が一定である場合について説明する。

【0060】

受光素子ＲＥは、発光素子ＬＥによって射出される光を受光する。受光素子ＲＥは、受光した光の強度に応じた電力を出力する。受光素子ＲＥは、例えば、フォトダイオードによって実現される。受光素子ＲＥが供給する電力において、例えば、電圧と電流は光の強度と出力負荷に応じて変化する。ここで、受光素子ＲＥが供給する電力の大きさは、発光素子ＬＥが射出した光と変換効率に応じた電力を最大値とする電力であり、例えば、コンデンサＣを充電可能な電力である。

【0061】

なお、受光素子ＲＥは、受光した光の波長に応じた電力を出力する構成であってもよい。受光素子ＲＥは、「受光ユニット」の一例である。

【0062】

第１変換部ＣＶ１は、受光素子ＲＥによって出力される電力の電圧を、所定の電圧に変換（例えば、昇圧、又は降圧）する。上述したように、所定の電圧とは、例えば、コンデンサＣの充電電圧である。

【0063】

なお、制御部１００が、初期状態であるか、又は通常導通状態であるかに応じて、直流電流遮断装置１の状態を制御する処理については、上述した実施形態と同様であるため、説明を省略する。また、本実施形態において、直流電流遮断装置１は、第２開閉器８５を備えていなくてもよい。この場合、制御部１００は、初期状態である場合に、レーザドライバＬＤの動作を停止させ、通常導通状態である場合に、レーザドライバＬＤを動作させる処理を行う。また、直流電流遮断装置１が第２開閉器８５を備えていない場合、第２電力供給部８７は、レーザドライバＬＤの動作、又は停止が切り替わることに伴い、「第２開閉手段」としての役割も兼ねる。

【0064】

［第２の実施形態のまとめ］
以上説明したように、第２の実施形態の直流電流遮断装置１が備える第２電力供給部８７は、レーザドライバＬＤと、発光素子ＬＥと、受光素子ＲＥと、第１変換部ＣＶ１とを持つ。レーザドライバＬＤは、電源装置８１によって供給された電力を用いて発光素子ＬＥに光を射出させる。光伝送路ＦＢは、第１端が発光素子ＬＥに接続され、第２端が受光素子ＲＥに接続される。受光素子ＲＥは、発光素子ＬＥによって射出され、光伝送路ＦＢによって伝送された光を用いて電力を出力する。第１変換部ＣＶ１は、受光素子ＲＥから出力された電力をコンデンサＣを充電可能な電力に変換する。これにより、第２の実施形態の直流電流遮断装置１は、通常導通状態において十分な絶縁耐圧を確保しつつ、コンデンサＣを充電することができる。

【0065】

（第３の実施形態）
以下、図面を参照して第３の実施形態にについて説明する。第１の実施形態では、第２電力供給部が第２変圧器８４によって実現される場合について説明した。第３の実施形態では、第２電力供給部が無接点充電方式を用いた構成によって実現される場合について説明する。なお、上述した実施形態、及び変形例と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

【0066】

図７は、第３の実施形態の充電回路８０－２の構成の一例を示す図である。第２の実施形態の充電回路８０－２は、電源装置８１と、第１変圧器８２と、第１開閉器８３と、第２開閉器８５と、整流器８６と、第２電力供給部８８とを備える。第２電力供給部８８は、例えば、送電回路ＬＣ１と、受電回路ＬＣ２と、第２変換部ＣＶ２とを備える。電源装置８１と、送電回路ＬＣ１とは、互いに接続される。受電回路ＬＣ２と、第２変換部ＣＶ２とは、互いに接続される。第２変換部ＣＶ２と、第１端子８５ａとは、互いに接続される。本実施形態の電源装置８１には、例えば、商用電力が供給され、電源装置８１は、商用電力を送電回路ＬＣ１によって用いられる電力に変換する。

【0067】

送電回路ＬＣ１は、例えば、コンデンサと、コイルとが互いに並列に接続された励磁回路により実現され、電源装置８１から供給された電力によってコイルに磁界を生じさせる。送電回路ＬＣ１は、「送電コイル」の一例である。

【0068】

受電回路ＬＣ２は、例えば、コンデンサと、コイルとが互いに並列に接続された励磁回路により実現される。受電回路ＬＣ２は、送電回路ＬＣ１が生じさせた磁界によって、受電回路ＬＣ２が備えるコイルに電磁誘導が生じるため、電磁誘導による誘導起電力を生じさせる。受電回路ＬＣ２は、「受電コイル」の一例である。

【0069】

第２変換部ＣＶ２は、受電回路ＬＣ２によって出力される誘導起電力の電圧を、所定の電圧に変換（例えば、昇圧、又は降圧）する。上述したように、所定の電圧とは、例えば、コンデンサＣの充電電圧である。

【0070】

なお、制御部１００が、初期状態であるか、又は通常導通状態であるかに応じて、直流電流遮断装置１の状態を制御する処理については、上述した実施形態と同様であるため、説明を省略する。また、本実施形態において、直流電流遮断装置１は、第２開閉器８５を備えていなくてもよい。この場合、制御部１００は、初期状態である場合に、送電回路ＬＣ１の動作を停止させ、通常導通状態である場合に、送電回路ＬＣ１を動作させる処理を行う。また、直流電流遮断装置１が第２開閉器８５を備えていない場合、第２電力供給部８８は、送電回路ＬＣ１の動作、又は停止が切り替わることに伴い、「第２開閉手段」としての役割も兼ねる。

【0071】

［第３の実施形態のまとめ］
以上説明したように、第３の実施形態の直流電流遮断装置１が備える第２電力供給部８８は、送電コイル（この一例では、送電回路ＬＣ１）と、受電コイル（この一例では、受電回路ＬＣ２）と、第２変換部ＣＶ２とを持つ。送電回路ＬＣ１は、電源装置８１によって供給される電力によって磁界を発生させる。受電回路ＬＣ２は、送電回路ＬＣ１が発生させた磁界によって電力（誘導起電力）を発生させる。第２変換部ＣＶ２は、受電回路ＬＣ２から出力された電力をコンデンサＣを充電可能な電力に変換する。これにより、第３の実施形態の直流電流遮断装置１は、通常導通状態において十分な絶縁耐圧を確保しつつ、コンデンサＣを充電することができる。

【0072】

［第１開閉器８３と第２開閉器８５との他の例］
なお、上述では、第１電力供給部と整流器８６との間には一つの第１開閉器８３が設けられ、第２電力供給部と整流器８６との間には一つの第２開閉器８５が設けられる場合について説明したが、これに限られない。第１電力供給部と整流器８６との間、第２電力供給部と整流器８６との間のそれぞれには、複数の開閉器が直列に設けられてもよい。これにより、直流電流遮断装置１は、第１開閉器８３や第２開閉器８５の絶縁耐圧を高めることができる。

【0073】

［複数の転流回路３０を備える場合］
また、上述では、直流電流遮断装置１が一つの転流回路３０を備える場合について説明したが、これに限られない。直流電流遮断装置１は、複数の転流回路３０を備えていてもよい。この場合、直流電流遮断装置１は、転流回路３０－１、転流回路３０－２、…、転流回路３０－ｍ（ｍは自然数）を備え、転流回路３０－１、転流回路３０－２、…、転流回路３０－ｍは、互いに直列に接続される。以下、転流回路３０－１、転流回路３０－２、…、転流回路３０－ｍを互いに区別しない場合には、単に転流回路３０と記載する。隣り合う転流回路３０は、第２端子３０ｂと、第１端子３０ａとが互いに接続される。複数の転流回路３０のうち、端部の転流回路３０の第１端子３０ａと、第２端子１０ｂと、第１端子２０ａとは、互いに接続される。また、複数の転流回路３０のうち、他の端部の転流回路３０の第２端子３０ｂと、ダイオード６０のカソードと、リアクトル７０の一端とは、互いに接続される。この場合、複数の転流回路３０のコンデンサＣの正極のそれぞれに第１端子８０ａが接続され、コンデンサＣの負極のそれぞれに第２端子８０ｂが接続される。

【0074】

ここで、機械式遮断器２０を電気的に開状態にする際に転流回路３０が動作して経路ｒｔ２に電流を還流させるためには、多数のコンデンサＣを用いて高いコンデンサ電圧を得ることが求められる場合がある。複数の転流回路３０を備える直流電流遮断装置１によれば、コンデンサＣを直列に接続することにより、複数のコンデンサＣの電圧の和によって、高いコンデンサ電圧を実現することができる。

【0075】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら実施形態は、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同様に、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ものである。

【符号の説明】

【0076】

１…直流電流遮断装置、１０…断路器、２０…機械式遮断器、３０、３０－１、３０－２、３０－ｍ…転流回路、３５…サイリスタ、４０…半導体遮断器、５０…アレスタ、６０…ダイオード、７０…リアクトル、８０、８０－１、８０－２…充電回路、８１…電源装置、８２…第１変圧器、８３…第１開閉器、８４…第２変圧器、８５…第２開閉器、３１０ａ、３１０ｂ…ダイオード、３２０ａ、３２０ｂ、３２０ｃ、３２０ｄ…スイッチング部、Ｃ…コンデンサ、ＣＶ１…第１変換部、ＣＶ２…第２変換部、８６…整流器、８７、８８…第２電力供給部、１００…制御部、ＦＢ…光伝送路、Ｌ１…リアクトル、ＬＣ１…送電回路、ＬＣ２…受電回路、ＬＤ…レーザドライバ、ＬＥ…発光素子、ＬＮ１…第１直流送電線路、ＬＮ２…第２直流送電線路、ＭＳ…補助断路器、ＲＥ…受光素子、ＴＲ、ＴＲ－１、ＴＲ－２、ＴＲ－ｎ…絶縁トランス

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】