JP7330366B2 - 開閉装置及び電力変換装置 - Google Patents

Description

本開示は、電力機器用の開閉装置及び、開閉装置を用いた電力変換装置に関するものである。

近年、直流送電システムとして、ＨＶＤＣ（Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ，ＨＶＤＣ）又はＳＴＡＴＣＯＭ（Ｓｔａｔｉｃ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ，ＳＴＡＴＣＯＭ）に用いられる自励式変換器において、ＭＭＣ（Ｍｏｄｕｌａｒ Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ＭＭＣ）変換器の導入が進んでいる。ＭＭＣ変換器は、小型変換器であるサブモジュールを多段に直列接続することで構成されている。サブモジュール単位で冗長化が可能で、故障時においてもサブモジュールの交換を容易に行うことができる。

ＭＭＣ変換器には、一部のサブモジュールの故障時でも継続して運転するために、各サブモジュールに、故障したサブモジュールの出力端子を短絡する開閉装置が備えられている。開閉装置は、サブモジュール内でアーク発生が伴う故障の影響を抑制するために、高速に動作する必要がある。開閉装置は、故障の際爆破技術を用いて動作する駆動装置を備えているものがあった（例えば、特許文献１参照）。

特表２０１１―５１０４４０号公報

しかしながら、このような従来の爆破技術は、火薬を用いた駆動装置を使用することから、信頼性確保のためには、開閉装置に備えられた駆動装置の交換が定期的に必要であり、交換時にコストが発生する可能性があった。

本開示は、上述のような課題を解決するためになされたもので、駆動装置の定期的な交換というコストを削減し、信頼性を確保する開閉装置を提供することを目的とする。

本開示に係る開閉装置は、固定電極と、固定電極に対向するように設けられ、固定電極と接離可能な可動電極と、可動電極に接続された可動軸を介して可動電極を駆動するように、固定電極と反対側に設けられたピストンと、ピストンを収容する容器と、容器内であり固定電極と反対側の位置に設けられ、外部の回路と接続された端子部を橋絡し、通電すると端子部との回路を開くことにより開かれた箇所でアークを発生させる金属の発弧機構と、を備えている。

本開示に係る開閉装置は、駆動装置の定期的な交換が不要で、信頼性を確保することができる。

実施の形態１に係る開閉装置の断面図の例である。 実施の形態１に係る開閉装置の閉極動作の流れを示す図である。 実施の形態２に係る開閉装置の断面図の例である。 実施の形態２に係る開閉装置の閉極動作の流れを示す図である。 実施の形態３に係る開閉装置の断面図の例である。 実施の形態３に係る開閉装置の閉極動作の流れを示す図である。 実施の形態４に係る開閉装置の断面図の例である。 実施の形態４に係る開閉装置の閉極動作の流れを示す図である。 実施の形態５に係る開閉装置の断面図の例である。 実施の形態５に係る開閉装置の閉極動作の流れを示す図である。 実施の形態６に係る電力変換装置の構成図の例である。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態に係る開閉装置１Ａの断面図の例である。図１を用いて、開閉装置１Ａについて説明する。

図１に示すように、開閉装置１Ａは、固定電極２、可動電極３、真空容器５、上側端子６、下側端子７、駆動装置１０Ａ、発弧機構２０Ａ、及び端子部２２で構成されている。端子部２２は、駆動電源３０と接続されており、例えば電源端子である。
駆動装置１０Ａは、可動軸４及び容器１２を有しており、容器１２は、ピストン１１、開放ばね１３及び金属の発弧機構２０Ａを収容している。また、容器１２は、絶縁性であることが望ましい。

可動電極３は、固定電極２と対向するように設けられ、固定電極２と接離可能である。
また、可動電極３は、可動軸４に接続されている。可動軸４は、絶縁性であることが望ましい。
固定電極２及び可動電極３が接触する接点は、真空容器５内に収容されている。

ピストン１１は、固定電極２とは反対側に設けられており、可動軸４を介して可動電極３を駆動する。ピストン１１は、容器１２に沿って摺動する。
発弧機構２０Ａは、固定電極２と反対側の容器１２内に設けられ、端子部２２を橋絡する。端子部２２を介して外部の回路である駆動電源３０と接続され、発弧機構２０Ａ、端子部２２及び駆動電源３０で回路を形成している。

通電すると、発弧機構２０Ａは、端子部２２との回路を開くことにより、開かれた箇所でアークを発生させる。発生するアークの圧力によって、ピストン１１は、可動電極３を閉極する方向に動作する。
アークの圧力によって動作する可動部は、可動電極３、可動軸４及びピストン１１である。開閉装置１Ａの固定部は、可動部以外である。
また、本実施の形態では、発弧機構２０Ａはヒューズである。

図２は、本実施の形態に係る開閉装置１Ａの閉極動作の流れを示す図である。図２（１）は、初期状態の位置である開極状態、図２（２）は、発弧機構２０Ａが動作している途中の駆動状態、図２（３）は、発弧機構２０Ａの動作後の閉極状態を示している。

図２（１）の初期状態の位置である開極状態では、ピストン１１は、容器１２内の開極側の空間に位置した状態で配置されている。発弧機構２０Ａは、接触した端子部２２を橋絡する。開極状態は、弾性部材である開極ばね１３を可動部に接続して保持する。開極状態の保持のその他の例としては、可動部の自重か、永久磁石又は電磁石によって可動部を開極側に吸着保持するか、若しくは、初期位置の状態で、開閉装置１Ａを収容している外壁又は固定部と可動部とを繋ぐ部品を設け、発弧機構２０Ａの動作時に部品を解除又は破壊してもよい。

図２（２）の矢印Ｐは、駆動電源３０で発弧機構２０Ａに通電した場合の通電経路を表している。矢印Ｑは、容器１２内の圧力によって可動部が動く向きを示している。
通電すると、矢印Ｐで示すように、駆動電源３０から端子部２２を介して発弧機構２０Ａに流れるため、発弧機構２０Ａは、速やかに焼き切れて端子部２２との回路が開かれ、開かれた箇所でアーク２３を発生させる。容器１２内でアーク２３が発生することで、容器１２内の空気の温度が急激に上昇するとともに、容器１２内の圧力が上昇する。その結果、ピストン１１は、圧力を受けて可動電極３の閉極方向であるQ方向へ上昇するように動作し、可動軸４を介して可動電極３を閉極方向に駆動する。

図２（３）の閉極状態では、閉極後、上側端子６、固定電極２、可動電極３及び下側端子７で通電経路が形成される。
通電されると、固定電極２及び可動電極３の間に電磁反発力が発生するため、固定電極２及び可動電極３の両接点間を加圧する必要がある。圧接方法は、例えば、可動軸４の内部に弾性部材を設けて、可動電極３と可動軸４の各々と接続して加圧するか、又は、ピストン１１内の減少する圧力を調整して保持できる圧力の利用をしてもよい。

また、閉極状態の保持は、開極状態での保持と同様に、閉極方向に荷重を発生させる弾性部材を可動部に接続することで保持する。弾性部材の例としては、可動軸４と開閉装置１Ａを収容している外壁とを皿ばねで接続して保持する。閉極状態での保持のその他の例としては、可動部の自重か、永久磁石又は電磁石によって可動部を閉極側に吸着保持するか、若しくは、閉極状態の位置で、可動部と開閉装置１Ａを収容している外壁とを繋ぐ部品を設けて支持してもよい。

本開示によれば、開閉装置１Ａに設けた発弧機構２０Ａが焼き切れることで発生するアーク２３によって、容器１２内の温度が急激に上昇した結果生じる圧力を受けて、可動電極３は閉極方向へ移動し、開閉装置１Ａを閉極することができる。したがって、爆発技術を用いることがないため、定期的な部品の交換が不要で、長期の信頼性が高い開閉装置１Ａとなることができる。
また、アーク２３による急激な容器１２内の圧力上昇を利用することで、高速に開閉装置１Ａを動作させることができる。

また、ピストン１１を駆動させるとき、火薬又はその他の媒体を用いる場合は爆発しないように管理する必要があるが、本実施の形態では、端子部２２を橋絡する発弧機構２０Ａを設けることでよいため、開閉装置１Ａの組立作業が簡易である。

なお、発弧させるため通電させる駆動電源３０は、自然に消弧されにくい直流が望ましい。
また、駆動電源３０は、コンデンサ充放電回路を備えたパルス電流であれば、一気に放電するため、開閉装置１Ａをさらに高速化することができる。
駆動電源３０は、コンデンサ放電回路であれば、動作時にコンデンサの電荷が無くなると、発弧機構２０Ａ内のアーク２３は自然に消孤される。

なお、本実施の形態に係る発弧機構２０Ａで用いたヒューズは、容器１２内を蛇行させて配線することで、発生するアーク２３の長さが伸び圧力上昇が高まる効果が期待できる。

また、本実施の形態では、図２を用いて閉極動作を行う開閉装置１Ａについて述べたが、駆動方向を反対にして高速な開極動作が必要な開閉装置に使用してもよい。

実施の形態２．
実施の形態１と実施の形態２との相違点は、発弧機構の違いである。実施の形態１の発弧機構はヒューズを使用していたが、実施の形態２の発弧機構は、スイッチを使用する。
なお、以下では、実施の形態１と実施の形態２との相違点のみ説明し、同一又は、対応する部分についての説明は省略する。符号についても、実施の形態１と同一又は相当部分は同一符号とし、説明を省略する。

図３は、本実施の形態に係る開閉装置１Ｂの断面図の例である。図３を用いて、開閉装置１Ｂについて説明する。
駆動装置１０Ｂは、可動軸４及び容器１２を有しており、容器１２は、ピストン１１、開放ばね１３及び発弧機構２０Ｂを収容している。

発弧機構２０Ｂは、本実施の形態では、スイッチである。発弧機構２０Ｂは、固定導体２０Ｂ１、可動導体２０Ｂ２、及び接触子２０Ｂ３で構成されている。可動導体２０Ｂ２の一端は、一方の固定導体２０Ｂ１と接点で離接できるようになっている。可動導体２０Ｂ２の他端は、接触子２０Ｂ３によってもう一方の固定導体２０Ｂ１に接続されており、接触子２０Ｂ３を介して接点との離接動作ができるようになっている。一方の固定導体２０Ｂ１と接続され、もう一方の固定導体２０Ｂ１と離接可能なものであれば、可動導体２０Ｂ２ではなく板状であってもよいし、接触子２０Ｂ３を使用せず可とう性を有する可とう導体を用いてもよい。固定導体２０Ｂ１は、容器１２内に端子部２２を橋絡して設けられ、発弧機構２０Ｂ，端子部２２及び駆動電源３０で回路を形成している。

通電すると、発弧機構２０Ｂは、可動導体２０Ｂ２が固定導体２０Ｂ１との接点から電磁反発力により離れ、端子部２２との回路を機械的に開くことにより開かれた箇所でアークを発生させる。発生するアークの圧力によって、ピストン１１は、可動電極３を閉極する方向に動作する。

図４は、本実施の形態に係る開閉装置１Ｂの閉極動作の流れを示す図である。図４（１）は、初期状態の位置である開極状態、図４（２）は発弧機構２０Ｂが動作している途中の駆動状態、図４（３）は、発弧機構２０Ｂの動作後の閉極状態を示している。

図４（１）の、初期状態の位置である開極状態では、ピストン１１は、容器１２に接するように配置されている。実施の形態１と同様に、本実施の形態では、開極状態は、開極方向に荷重を発生させる弾性部材である開極ばね１３を可動部に接続して保持している。発弧機構２０Ｂの固定導体２０Ｂ１と可動導体２０Ｂ２は接点で接している。

図４（２）の矢印Ｐは、駆動電源３０で発弧機構２０Ｂに通電した場合の通電経路を表している。矢印Ｑは、容器１２内の圧力によって可動部が動く向きを示している。
通電すると、矢印Ｐで示すように、駆動電源３０から端子部２２を介して発弧機構２０Ｂに流れるため、発弧機構２０Ｂには、固定導体２０Ｂ１と可動導体２０Ｂ２の接点間に電磁反発力が発生する。発生する電磁反発力によって、可動導体２０Ｂ２は、固定導体２０Ｂ１から離れる。可動導体２０Ｂ２が固定導体２０Ｂ１から離れるような荷重であるように、発弧機構２０Ｂの接圧荷重は、あらかじめ設定されている。可動導体２０Ｂ２が固定導体２０Ｂ１から離れると、端子部２２との回路が開かれ、端子部２２を橋絡する固定導体２０Ｂ１と可動導体２０Ｂ２との接点間にアーク２３が発生する。

アーク２３によって加熱され膨張した気体による圧力によって、ピストン１１は、矢印Ｑの向きへの動作速度が上昇する。
その結果、ピストン１１は、圧力を受けて可動電極３の閉極方向へ上昇するように動作し、可動軸４を介して可動電極３を閉極方向に駆動する。

図４（３）の閉極状態では、実施の形態１と同様に、閉極後、上側端子６、固定電極２、可動電極３及び下側端子７で通電経路が形成するように示している。通電されると、固定電極２及び可動電極３の間に電磁反発力が発生するため、実施の形態１と同様に、両接点間を加圧し、閉極状態を保持する。

本開示によれば、実施の形態１と同様に、開閉装置１Ｂに設けた発弧機構２０Ｂの電磁反発力により発生するアーク２３の圧力上昇を利用することで、可動電極３は閉極方向へ移動し、開閉装置１Ｂを閉極することができる。
したがって、爆発技術を用いることがないため、定期的な部品の交換が不要で、長期信頼性が高い開閉装置１Ｂとなることができる。
また、アーク２３による急激な容器１２内の圧力上昇を利用することで、高速に開閉装置１Ｂを動作させることができる。

実施の形態１では、発弧機構２０Ａがヒューズであることから、動作時ヒューズが溶断するため、一度動作をするとヒューズを取り替える必要が生じる。
一方、本実施の形態では、発弧機構２０Ｂがスイッチであることから、複数回動作させることが可能である。したがって、事前に動作確認することも定期的に動作確認することも可能であるため、さらに信頼性の高い開閉装置１Ｂとなる。

また、実施の形態１と同様に、ピストン１１を駆動させるとき、火薬又はその他の媒体を用いる場合は、例えば爆発しないように管理する必要があるが、本実施の形態では、端子部２２を橋絡する発弧機構２０Ｂを設ければよいため、開閉装置１Ｂの組立作業が簡易である。

本実施の形態では、図４を用いて閉極動作を行う開閉装置１Ｂについて述べたが、駆動方向を反対にして高速な開極動作が必要な開閉装置に使用してもよい。

実施の形態３．
実施の形態１及び２と実施の形態３との相違点は、発弧機構の違いである。
実施の形態３に係る発弧機構は、導体を使用する。
なお、以下では、実施の形態１及び２との相違点のみ説明し、同一又は、対応する部分についての説明は省略する。符号についても、実施の形態１及び２と同一又は相当部分は同一符号とし、説明を省略する。

図５は、本実施の形態に係る開閉装置１Ｃの断面図の例である。図５を用いて、開閉装置１Ｃについて説明する。
駆動装置１０Ｃは、可動軸４及び容器１２を有しており、容器１２は、ピストン１１、開放ばね１３及び発弧機構２０Ｃを収容している。

本実施の形態では、発弧機構２０Ｃは、実施の形態２の可動導体２０Ｂ２として述べた導体である。実施の形態２では、可動導体２０Ｂ２は、固定導体２０Ｂ１と接続されスイッチとなっていた。本実施の形態の発弧機構２０Ｃは、ピストン１１内に設けられ、端子部２２を橋絡するよう、端子部２２に対面する面であるピストン１１内の受圧面の内側に配置する。発弧機構２０Ｃは、端子部２２とは接離可能である。
つまり、発弧機構２０Ｃは、端子部２２を介して駆動電源３０と接続され、発弧機構２０Ｃ、端子部２２及び駆動電源３０で回路を形成している。

図６は、本実施の形態に係る開閉装置１Ｃの閉極動作の流れを示す図である。図６（１）は、初期状態の位置である開極状態、図６（２）は発弧機構２０Ｃが動作している途中の駆動状態、図６（３）は、発弧機構２０Ｃの動作後の閉極状態を示している。

図６（１）の初期状態の位置である開極状態では、ピストン１１は、容器１２に接するように位置した状態で配置されている。端子部２２は、発弧機構２０Ｃと接触しており橋絡されている状態である。実施の形態１及び２と同様に、本実施の形態では、開極状態は、弾性部材である開極ばね１３を可動部に接続して保持している。

図６（２）の矢印Ｐは、駆動電源３０で発弧機構２０Ｃに通電した場合の通電経路を表している。矢印Ｑは、容器１２内の圧力によって可動部が動く向きを示している。
通電すると、矢印Ｐで示すように、駆動電源３０から端子部２２を介して発弧機構２０Ｃに流れるため、発弧機構２０Ｃには、端子部２２に流れる電流との相互作用により、電磁反発力が発生する。発生する電磁反発力は、閉極方向である矢印Ｑの向きへの力である。発生する電磁反発力によって、発弧機構２０Ｃが端子部２２から離反することで端子部２２との回路が開かれ、端子部２２と発弧機構２０Ｃとの間にアーク２３が発生する。図６（２）に示すように、アーク２３は、発弧機構２０Ｃが端子部２２を橋絡しており開かれた箇所２カ所に発生する。

ピストン１１は、発生するアーク２３の圧力と電磁力の力により、矢印Ｑの向きへの動作速度が上昇する。
その結果、ピストン１１は、圧力を受けて可動電極３の閉極方向へ上昇するように動作し、可動軸４を介して可動電極３を閉極方向に駆動する。

図６（３）の閉極状態では、実施の形態１及び２と同様に、閉極後、上側端子６、固定電極２、可動電極３及び下側端子７で通電経路が形成される。通電経路に通電されると、固定電極２及び可動電極３の間に電磁反発力が発生するため、両接点間を加圧し、閉極状態を保持する。

本開示によれば、実施の形態１及び２と同様に、開閉装置１Ｃに設けた発弧機構２０Ｃの電磁反発力により端子部２２との間で発生するアーク２３によって加熱され、図５及び図６の容器１２の底面側の空間にある膨張した気体による圧力を受けて、可動電極３は閉極方向へ移動し、開閉装置１Ｃを閉極することができる。したがって、爆発技術を用いることがないため、定期的な部品の交換が不要で、長期信頼性が高い開閉装置１Ｃとなることができる。
また、アーク２３による急激な容器１２内の圧力上昇を利用することで、高速に開閉装置１Ｃを動作させることができる。
また、膨張する気体は、図５及び図６で示した容器１２の底面の位置でなくても、発生するアーク２３によって膨張することができる箇所に配置しておくことができればよい。

本実施の形態では、アーク２３が２箇所発生するため、実施の形態１及び２よりもアーク２３により加熱され膨張した気体による圧力が増加する。したがって、本実施の形態では、２箇所に発生するアーク２３の圧力上昇による駆動力に加えて、発弧機構２０Ｃで発生する閉極方向への電磁反発力によって、さらに高速な開閉装置１Ｃを動作させることができる。

また、実施の形態１及び２と同様に、ピストン１１を駆動させるとき、火薬又はその他の媒体を用いる場合は、例えば爆発しないように管理する必要があるが、本実施の形態では、端子部２２を橋絡する発弧機構２０Ｃを設ければよいため、開閉装置１Ｃの組立作業が簡易である。

本実施の形態では、図６を用いて閉極動作を行う開閉装置１Ｃについて述べたが、駆動方向を反対にして高速な開極動作が必要な開閉装置に使用してもよい。

本実施の形態では、発弧機構２０Ｃはピストン１１内に備えるとしたが、アーク２３を発生させるピストン１１を駆動できる容器１２内にあればよい。例えば、ピストン１１の外部であり、ピストン１１の端子部２２に対面する面である受圧面に配置してもよいが、ピストン１１と容器１２との隙間から空気が漏れてしまうことから、端子部２２と受圧面との間の体積は大きい方がよい。

実施の形態４．
実施の形態１から実施の形態３と実施の形態４との相違点は、発弧機構の違いである。
実施の形態４に係る発弧機構は、複数の導体を使用する。
なお、以下では、実施の形態１から実施の形態３との相違点のみ説明し、同一又は、対応する部分についての説明は省略する。符号についても、実施の形態１から３と同一又は相当部分は同一符号とし、説明を省略する。

図７は、本実施の形態に係る開閉装置１Ｄの断面図の例である。図７を用いて、開閉装置１Ｄについて説明する。
駆動装置１０Ｄは、可動軸４及び容器１２を有しており、容器１２は、ピストン１１、開放ばね１３及び発弧機構２０Ｄを収容している。

本実施の形態では、発弧機構２０Ｄは、複数の導体である。実施の形態３では、ピストン１１内に設けられていたが、本実施の形態の導体は、ピストン１１内に加えて、容器１２内にも設けられている。つまり、発弧機構２０Ｄは、端子部２２を橋絡するよう、端子部２２と対面する面であるピストン１１内の受圧面の内側に配置する導体と、ピストン１１の受圧面に対面するように容器１２内に配置する導体で構成されている。容器１２内に配置する導体及びピストン１１内に配置する導体は、直列に接続されるように互いに当接して設けられている。発弧機構２０Ｄのうちピストン１１内の導体は、端子部２２とは接離可能である。
つまり、発弧機構２０Ｄは、端子部２２を介して駆動電源３０と接続され、発弧機構２０Ｄ、端子部２２及び駆動電源３０で回路を形成している。

図８は、本実施の形態に係る開閉装置１Ｄの閉極動作の流れを示す図である。図８（１）は、初期状態の位置である開極状態、図８（２）は発弧機構２０Ｄが動作している途中の駆動状態、図８（３）は、発弧機構２０Ｄの動作後の閉極状態を示している。

図８（１）の初期状態の位置である開極状態では、ピストン１１は、容器１２に接するように位置した状態で配置されている。端子部２２は、発弧機構２０Ｄと接触しており橋絡されている。実施の形態１から３と同様に、本実施の形態では、開極状態は、開極方向に荷重を発生させる弾性部材である開極ばね１３を可動部に接続して保持している。

図８（２）の矢印Ｐは、駆動電源３０で発弧機構２０Ｄに通電した場合の通電経路を表している。矢印Ｑは、容器１２内の圧力によって可動部が動く向きを表している。
通電すると、矢印Ｐで示すように、駆動電源３０から端子部２２を介して発弧機構２０Ｄに電流が流れるため、発弧機構２０Ｄには、端子部２２に流れる電流との相互作用により、ピストン１１内の導体、容器１２内の導体及び端子部２２との間で電磁反発力が発生する。発生する電磁反発力は、閉極方向である矢印Ｑの向きへの力である。発生する電磁反発力によって、発弧機構２０Ｄである容器１２内の導体が端子部２２から離反することで、端子部２２との回路が開かれ、端子部２２とピストン１１内の導体、及び容器１２内の導体との間にアーク２３が発生する。

図８（２）に示すように、アーク２３は、発弧機構２０Ｄが端子部２２を橋絡しており、開かれた箇所４カ所に発生する。ピストン１１は、発生するアーク２３の圧力と電磁力の力により、矢印Ｑの向きへの動作速度が上昇する。その結果、ピストン１１は、可動軸４を介して可動電極３を閉極方向に駆動する。

図８（３）の閉極状態では、実施の形態１から３と同様に、閉極後、上側端子６、固定電極２、可動電極３及び下側端子７で通電経路が形成される。通電経路に通電されると、固定電極２及び可動電極３の間に電磁反発力が発生するため、両接点間を加圧し、閉極状態を保持する。

本開示によれば、実施の形態１から３と同様に、開閉装置１Ｄに設けた発弧機構２０Ｄの電磁反発力により端子部２２と発弧機構２０Ｄとの間に発生するアーク２３によって加熱され膨張した気体による圧力を受けて、可動電極３は閉極方向へ移動し、開閉装置１Ｄを閉極することができる。したがって、爆発技術を用いる必要がないため、定期的な部品の交換が不要で、長期信頼性が高い開閉装置１Ｄとなることができる。
また、アーク２３による急激な容器１２内の圧力上昇を利用することで、高速に開閉装置１Ｄを動作させることができる。

本実施の形態では、アーク２３が４箇所発生するため、実施の形態１から３よりもアーク２３による圧力が増加する。したがって、本実施の形態では、４箇所に発生するアーク２３の圧力上昇による駆動力に加えて、発弧機構２０Ｄに発生する閉極方向への電磁力によって、さらに高速な開閉装置１Ｄを動作させることができる。

また、実施の形態１から３と同様に、ピストン１１を駆動させるとき、火薬又はその他の媒体を用いる場合は、例えば爆発しないように管理する必要があるが、本実施の形態では、端子部２２を橋絡する発弧機構２０Ｄを設ければよいため、開閉装置１Ｄの組立作業が簡易である。

本実施の形態では、図８を用いて閉極動作を行う開閉装置１Ｄについて述べたが、駆動方向を反対にして高速な開極動作が必要な開閉装置に使用してもよい。

実施の形態５．
実施の形態１から４と実施の形態５との相違点は、開閉装置内にアブレーション材が配置されているかどうかの違いである。
なお、以下では、実施の形態１から４との相違点のみ説明し、同一又は、対応する部分についての説明は省略する。符号についても、実施の形態１から４と同一又は相当部分は同一符号とし、説明を省略する。

図９は、本実施の形態に係る開閉装置１Ｅの断面図の例である。図９を用いて、開閉装置１Ｅについて説明する。
駆動装置１０Ｅは、可動軸４及び容器１２を有しており、容器１２は、ピストン１１、開放ばね１３及び発弧機構２０Ｅを収容している。
発弧機構２０Ｅは、本実施の形態では、実施の形態１と同様に、ヒューズであるとし、端子部２２を介して駆動電源３０と接続され、発弧機構２０Ｅ、端子部２２及び駆動電源３０で回路を形成している。

また、本実施の形態に係る開閉装置１Ｅは、アブレーション材５０を備えている。アブレーション材５０は、例えば熱可塑性樹脂のように、アークの光と熱によって自らが分解し気化する材料である。本実施の形態では、図９に示すように、一方のアブレーション材５０は、ピストン１１内に設けられており、端子部２２に対面する面であるピストン１１内の受圧面の内側に配置する。もう一方のアブレーション材５０は、ピストン１１の受圧面に対面するように容器１２内に配置する。

図１０は、本実施の形態に係る開閉装置１Ｅの閉極動作の流れを示す図である。図１０（１）は、初期状態の位置である開極状態、図１０（２）は発弧機構２０Ｅが動作している途中の駆動状態、図１０（３）は、発弧機構２０Ｅの動作後の閉極状態を示している。

図１０（１）の初期状態の位置である開極状態では、ピストン１１は容器１２内の開極側の空間に接するように位置した状態で配置されている。端子部２２は、発弧機構２０Ｅによって橋絡されている。実施の形態１から４と同様に、本実施の形態では、開極状態は、開極方向に荷重を発生させる弾性部材である開極ばね１３を可動部に接続して保持している。

図１０（２）の矢印Ｐは、駆動電源３０で発弧機構２０Ｅに通電した場合の通電経路を表している。矢印Ｑは、容器１２内の圧力動く向きを示している。
通電すると、矢印Ｐで示すように、駆動電源３０から端子部２２を介して発弧機構２０Ｅに流れるため、実施の形態１と同様に、発弧機構２０Ｅは、速やかに焼き切れ端子部２２との回路が開かれ、開かれた箇所にアーク２３が発生する。アブレーション材５０は、表面がアーク２３よって分解されて気化する。
本実施の形態では、容器１２内は、発生するアーク２３よって加熱され膨張した気体による圧力に加え、アブレーション材５０が気化した気体による圧力が生じる。
ピストン１１は、発生するアーク２３の圧力とアブレーション材５０による圧力を受けて、矢印Ｑの向きへの動作速度が上昇する。その結果、ピストン１１は、圧力を受けて可動電極３の閉極方向へ上昇するように動作し、可動軸４を介して可動電極３を閉極方向に駆動する。

図１０（３）の閉極状態では、実施の形態１から４と同様に、閉極後、上側端子６、固定電極２、可動電極３及び下側端子７で通電経路が形成される。通電経路に通電されると、固定電極２及び可動電極３の間に電磁反発力が発生するため、実施の形態１と同様に、両接点間を加圧し、閉極状態を保持する。

本開示によれば、実施の形態１から４と同様に、開閉装置１Ｅに設けられた発弧機構２０Ｅにより、発弧機構２０Ｅが焼き切れて発生するアーク２３によって容器１２の内部の温度が上昇し、気体の膨張とアブレーション材５０の気化によって、容器１２内の温度が急激に上昇した結果膨張した体積の圧力が、可動電極３を閉極方向へ駆動させ、開閉装置１Ｅを閉極することができる。したがって、爆発技術を用いることなく、定期的な部品の交換が不要で、長期信頼性が高い開閉装置となることができる。
また、アーク２３による急激な容器１２内の圧力上昇を利用することで、高速に開閉装置を動作させることができる。

本実施の形態では、アブレーション材５０の気化による圧力が加わるため、実施の形態１よりも高速に開閉装置を動作させることができる。
本実施の形態では、実施の形態１の発弧機構であるヒューズにアブレーション材を加えて説明したが、実施の形態２から４のいずれにも同様に、アブレーション材を加え、圧力上昇を増加させ、さらに高速化することができる。

本実施の形態では、アブレーション材は、ピストン１１内と、ピストン１１の受圧面に対面する容器１２内に配置したが、これに限定されず、例えば、ピストン１１の受圧面側かつ容器１２内であればよい。アブレーション材５０は、発弧機構２０Ｅの通電により発生するアーク２３によって気化される箇所に配置されていればよい。

また、実施の形態１から４と同様に、ピストン１１を駆動させるとき、火薬又はその他の媒体を用いる場合は、例えば爆発しないように管理する必要があるが、本実施の形態では、端子部２２を橋絡する発弧機構２０Ｅを設ければよいため、開閉装置１Ｅの組立作業が簡易である。

本実施の形態では、図１０を用いて閉極動作を行う開閉装置１Ｅについて述べたが、駆動方向を反対にして高速な開極動作が必要な開閉装置に使用してもよい。

実施の形態６．
図１１は、実施の形態６に係る電力変換装置１００の構成図である。図１１に示す電力変換装置１００は、交流電力を直流電力に変換するＭＭＣ方式（Ｍｏｄｕｌａｒ Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）の電力変換装置である。図１１（１）は、電力変換装置１００の全体の構成図であり、図１１（２）は、パワーモジュール１０１の構成図の例である。

図１１（１）に示すように、本実施の形態に係る電力変換装置１００は、三相の交流電力の入力系統に対して、各相と直流出力線との間に複数のパワーモジュール１０１が直列で接続されている。
図１１（２）に示すように、各パワーモジュール１０１は、２つのパワー半導体回路１０２が直列に接続されており、その直列接続された２つのパワー半導体回路１０２と並列に、エネルギー蓄積器としてコンデンサ１０３が接続されている。さらに、各パワーモジュール１０１の入力端子と出力端子との間に、実施の形態１の開閉装置１Ａが並列に接続されている。

本実施の形態に係る電力変換装置１００に開閉装置１Ａを備えることで、パワーモジュール１０１が故障した際に、開閉装置１Ａを閉極して、故障したパワーモジュール１０１の入力と出力を短絡し、電力変換装置１００全体が運転停止することを防ぐことができる。

また、故障したパワーモジュール１０１の出力を短絡しても、直列接続するパワーモジュールの個数に冗長性を持たせることで、電力変換装置１００は継続運転が可能となる。

また、パワーモジュール１０１内で半導体素子が短絡故障した場合アークを伴う素子破壊に至る可能性があるため、パワー半導体周辺には、防爆構造を設ける場合がある。開閉装置１Ａは、アークの発生時高速に閉極することにより、アークの発生時間を短縮することができるため、パワーモジュール１０１電力変換装置１００の防爆構造を簡素化することができる。

本実施の形態に係る開閉装置１Ａは、実施の形態２～５に示した開閉装置を適用してもよい。

また、パワーモジュール１０１の台数が大規模になると部品交換のコストも大きくなるが、実施の形態１～６で説明した開閉装置であれば、部品交換が不要となり、簡素な防爆構造により安価な電力変換装置を提供することができる。
また、実施の形態２～５で説明した開閉装置であれば、複数回動作させることができるため、動作確認を行うことができ、より信頼性の高い電力変換装置を提供することができる。

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ 開閉装置
２ 固定電極
３ 可動電極
４ 可動軸
５ 真空容器
６ 上側端子
７ 下側端子
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ 駆動装置
１１ ピストン
１２ 容器
１３ 開放ばね
２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ，２０Ｅ 発弧機構
２０Ｂ１ 固定導体
２０Ｂ２ 可動導体
２０Ｂ３ 接触子
２２ 端子部
２３ アーク
３０ 駆動電源
５０ アブレーション材
１００ 電力変換装置
１０１ パワーモジュール
１０２ パワー半導体回路
１０３ コンデンサ

Claims (7)

1. 固定電極と、
   前記固定電極に対向するように設けられ、前記固定電極と接離可能な可動電極と、
   前記可動電極に接続された可動軸を介して前記可動電極を駆動するように、前記固定電極と反対側に設けられたピストンと、
   前記ピストンを収容する容器と、
   前記容器内であり前記固定電極と反対側の位置に設けられ、外部の回路と接続された端子部を橋絡し、通電すると前記端子部との回路を開くことにより前記開かれた箇所でアークを発生させる金属の発弧機構と、
   を備えた開閉装置。
2. 前記発弧機構は、ヒューズである、
   ことを特徴とする請求項１に記載の開閉装置。
3. 前記発弧機構は、前記端子部と接続された固定導体、及び前記固定導体と接離可能である可動導体を有するスイッチである
   ことを特徴とする請求項１に記載の開閉装置。
4. 前記発弧機構は、前記ピストン内の前記端子部に対面する面である受圧面に設けられている導体である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の開閉装置。
5. 前記発弧機構の前記導体は、複数に分割され、前記ピストン内及び前記容器内に設けられており、
   前記ピストン内の前記導体及び前記容器内の前記導体は直列に接続されるように互いに当接して設けられている
   ことを特徴とする請求項４に記載の開閉装置。
6. 前記アークによって気化される位置にアブレーション材を備えている
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の開閉装置。
7. 直列に接続されたパワー半導体回路と、
   前記パワー半導体回路に並列に接続されたエネルギー蓄積器と、
   を有するパワーモジュールと、
   前記パワーモジュールの入力端子と出力端子との間に接続されている請求項１から６のいずれか１項に記載の開閉装置と、
   を備えた電力変換装置。

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