JPH08140257A - 直流コンデンサの保護装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電力変換器の直流主回路に設けられる直流コ
ンデンサの短絡事故による爆発を防止する。 【構成】 電力変換器４の直流主回路に１台以上の冗長
を持って直列接続された直流コンデンサ５Ａ，５Ｂと、
該直流コンデンサの各々に設けられ直流コンデンサの短
絡を個別に検出する短絡検出手段１０Ａ，１０Ｂと、前
記各々の直流コンデンサに並列接続されたスイッチ１４
Ａ，１４Ｂと、前記短絡検出手段の出力に応答し短絡し
た直流コンデンサに並列接続されている前記スイッチに
投入指令を発し該スイッチを投入する手段１３Ａ，１３
Ｂを具備した直流コンデンサの保護装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電力変換器の直流主回
路に設けられる直流コンデンサの保護装置に係り、特に
電圧が高くヒュ―ズによるコンデンサ保護ができない大
容量の電力変換器の直流コンデンサの保護装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の直流コンデンサの保護装置を、自
励式無効電力補償装置を例にして図４に基づいて説明す
る。図４において、１は交流系統、２は遮断器、３は変
圧器、４はゲ―トタ―ンオフサイリスタ等の自己消弧素
子から構成される自励式変換器、５は直流コンデンサ、
６は直流コンデンサ５が短絡したときに切られるように
設計された直流ヒュ―ズである。

【０００３】中高圧直流回路に適用されるコンデンサ
は、オイルコンデンサが多く、セルフヒ―リング形（自
己回復形、以下ＳＨと略す）とノ―ヒ―リング（非回復
形、以下ＮＨと略す）に大別される。ＳＨ形コンデンサ
はコンデンサの誘電体欠損により極間で短絡が発生して
も、電極が局部的に飛散してすぐに絶縁を回復する。こ
の作用をセルフヒ―リングと呼ぶ。ＳＨ形コンデンサは
極間の短絡によって破局故障にはいたらず、局部短絡を
繰り返しながら長時間かけて劣化して行く。その劣化の
検出は、短絡によって発生するガスでコンデンサのケ―
スが膨らむことにより行うことが多い。また、ケ―スの
膨らみによって切れる保護装置をコンデンサに内蔵して
保護する場合もある。しかし、ＳＨ形コンデンサは極間
耐圧を高くとれないので、２〜４ｋｖ以上の回路にはＮ
Ｈ形コンデンサが使用される。ＮＨ形コンデンサはセル
フヒ―リング作用がないため、何らかの原因で極間短絡
が発生すると、その短絡は継続し破局故障にいたる。

【０００４】図４に示す自励式無効電力補償装置の直流
電圧は数ｋｖ〜１０ｋｖ以上となるため直流コンデンサ
はＮＨ形を使用する。図４において、直流コンデンサ５
が短絡すると、電力系統から自励式変換器４のダイオ―
ドを経由して短絡したコンデンサ５にエネルギが流れ込
む。すると、短絡したコンデンサ内でガスが急速にかつ
大量に発生し、爆発することもある。

【０００５】図４に示す回路で、ヒュ―ズ６をコンデン
サに直列に接続して、短絡事故時のコンデンサへの流入
電流でヒュ―ズが切れることで、事故コンデンサを切離
し爆発しないように保護している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、直流ヒ
ュ―ズには、１０ｋｖ程度以下の定格のものしかないた
め、直流電圧が１０ｋｖを超える自励式無効電力変換装
置、直流送電システム等で使用される大容量変換器に適
したものがなく、直流コンデンサに短絡が発生したとき
の保護ができなかった。

【０００７】本発明の目的は、前述した不具合を解消す
るためになされたものであり、電力変換器の直流主回路
に設けられる直流コンデンサが短絡しときも爆発を招く
こと無くシステムから切離し、電力変換器の運転を継続
することが出来る直流コンデンサの保護装置を提供する
ことを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前述の目的を達成するた
めに、請求項１に対応する発明は、電力変換器の直流主
回路に１台以上の冗長を持って直列接続された直流コン
デンサと、該直流コンデンサの各々に設けられ直流コン
デンサの短絡を個別に検出する短絡検出手段と、前記各
々の直流コンデンサに並列接続さたスイッチと、前記短
絡検出手段の出力に応答し短絡した直流コンデンサに並
列接続されている前記スイッチに投入指令を発し該スイ
ッチを投入する手段を具備した直流コンデンサの保護装
置である。 又、前述の目的を達成するために、請求項
２に対応する発明は、電力変換器の直流主回路に１台以
上の冗長を持って直列接続された直流コンデンサと、該
直流コンデンサの各々に並列接続さたスイッチと、該直
流コンデンサの各々の電圧を検出する電圧検出手段と、
該電圧検出手段の出力信号が印加され各コンデンサ電圧
の差が一定値を超えたことで前記直流コンデンサの短絡
を検出する不平衡電圧検出回路と、該不平衡電圧検出回
路の出力に応答し短絡した直流コンデンサに並列接続さ
れている前記スイッチに投入指令を発し該スイッチを投
入する手段を具備した直流コンデンサの保護装置であ
る。

【０００９】更に、前述の目的を達成するために、請求
項３に対応する発明は、直流主回路が並列接続される各
電力変換器の各々の直流主回路に１台以上の冗長を持っ
て直列接続され、且つ電力変換器相互間ではそれぞれ並
列に接続される直流コンデンサと、前記各々の直流コン
デンサに並列接続さたスイッチと、少くともいずれか１
台の前記電力変換器の直流コンデンサの各々に設けられ
直流コンデンサの短絡を個別に検出する短絡検出手段
と、該短絡検出手段の出力に応答し短絡した直流コンデ
ンサに並列接続されている前記スイッチと該スイッチに
並列接続されいてる前記スイッチに同時に投入指令を発
し該各スイッチを同時に投入する手段を具備した直流コ
ンデンサの保護装置である。

【００１０】

【作用】前述のように構成された請求項１に対応する発
明によれば、短絡検出手段の検出信号により、短絡事故
を起したコンデンサと並列に接続されたスイッチが投入
されるため、短絡したコンデンサに並列のスイッチを介
して電流が流れ、短絡したコンデンサには電流が流れな
いため爆発等の事故を防止でき、コンデンサ全体として
は直列数に１台以上の冗長を持っているので、１台が短
絡しても、直列に接続された健全なコンデンサで運転を
継続できる。

【００１１】又、前述構成から成る請求項２に対応する
発明によれば、短絡検出手段として、直列接続された各
コンデンサ電圧の差が一定値を超えたことを検出する不
平衡電圧検出回路を用いていることにより、電力変換器
の停止時に、直流コンデンサの電圧が徐々に低下して検
出レベルまで低下しても、差電圧を検出しているため、
差電圧が一定値を超えることなく、電力変換器の停止時
或いは起動時に保護装置が誤動作することを防止でき
る。従って、保護装置が直流主回路の電圧が確立した後
に動作するように直流電圧確立検出のインタロックが不
要になり、より単純で信頼性の高い直流コンデンサの保
護装置を提供できる。

【００１２】更に、前述構成から成る請求項３に対応す
る発明によれば、多重形電力変換器を構成するためのい
ずれかの電力変換器の直流コンデンサに短絡が発生する
と短絡した直流コンデンサに並列接続されているスイッ
チと該スイッチに並列接続されいてる他の電力変換器側
のスイッチを同時に投入するので、コンデンサを並列接
続する導体にインダクタンス分があっても、確実に短絡
したコンデンサに電流を流さないようにできる直流コン
デンサの保護装置を提供できる。

【００１３】

【実施例】以下請求項１に記載の発明の一実施例を図１
の構成図を参照して説明する。図１において既に説明し
た図４と同一の要素には同一の符号を付してその説明を
省略する。

【００１４】図１におい、５Ａ，５Ｂは直流コンデンサ
である。７は直流主回路極間電圧を計測するための直流
分圧器、８Ａ，８Ｂはコンデンサ５Ａ，５Ｂの容量や漏
れ電流に差があった場合も、分担電圧をバランスさせる
ための分圧抵抗、１０Ａ，１０Ｂは直流コンデンサ５
Ａ，５Ｂの電圧が一定値以下であることを検出するレベ
ル検出器、１０Ｃは直流分圧器７で計測した極間電圧が
一定値以上であることを検出するレベル検出器、１１
Ａ，１１Ｂはレベル検出器１０Ａ，１０Ｂの出力を光信
号に変換する電気／光変換回路、１２Ａ，１２Ｂは光信
号を電気信号に変換する光／電気変換回路、１３Ａ，１
３Ｂは論理積回路、５１Ａ，５１Ｂはスイッチ１４Ａ，
１４Ｂの投入指令である。

【００１５】前述のように構成された直流コンデンサの
保護装置によれば、自励式変換器４が正常に運転してい
る時は、コンデンサ５Ａ，５Ｂの電圧は分圧抵抗８Ａ，
８Ｂによってバランスしており、直流主回路極間電圧の
約１／２である。レベル検出器１０Ａ，１０Ｂからは信
号は出力されず、スイッチ投入指令５１Ａ，５１Ｂも出
力されない、自励式変換器４が運転を停止し、遮断器２
が開の時は、コンデンサ５Ａ，５Ｂの電圧は並列の分圧
抵抗８Ａ，８Ｂや自励式変換器４のインピ―ダンスによ
り徐々に低下する。一定値以下になると、レベル検出器
１０Ａ，１０Ｂから信号が出力される。しかし、分圧器
７で検出される直流主回路極間電圧も同様に低下しレベ
ル検出器１０Ｃで検出している直流電圧確立信号が出力
されなくなるので、論理積回路１３Ａ，１３Ｂの論理積
は成立せず、スイッチ投入指令５１Ａ，５１Ｂは出力さ
れない。

【００１６】次に、自励式変換器４の運転中に直流コン
デンサ５Ａが短絡故障した場合を考える。直流コンデン
サ５Ａの電圧は低下し、レベル検出器１０Ａから信号が
出力される。直流主回路極間電圧は、直流コンデンサ５
Ａの短絡直後は直流コンデンサ５Ｂの電圧だけとなり低
下するが、自励式変換器４を介して直ぐにコンデンサ５
Ｂは定格電圧まで充電される。従って、レベル検出器１
０Ｃから、直流電圧確立信号が出力される。論理積回路
１３Ａの入力は、２入力とも１となるので、スイッチ投
入指令５１Ａが出力されスイッチ１４Ａが投入される。
通常運転電流はスイッチ１４Ａを流れるため、短絡した
コンデンサ５Ａに過剰にエネルギが注入されることな
く、爆発事故を防止できる。又、直流コンデンサは１台
以上の冗長を持って直列接続されており、図１の場合は
１台の冗長であるので、健全なコンデンサ５Ｂだけで運
転を継続できる。

【００１７】以上コンデンサ５Ａが短絡した場合につい
て説明したが、コンデンサ５Ｂが短絡した場合も、同様
にスイッチ１４Ｂが投入されて保護できる。尚、図１に
おいては、直流コンデンサの直列数が２の場合で説明し
たが、直列数が３以上あっても同様の効果が得られこと
は明らかである。

【００１８】以上説明したように本実施例によれば、通
常運転中は不要な動作をせず、直流コンデンサの短絡事
故のときはコンデンサの短絡を検出し、並列のスイッチ
を投入することによりコンデンサの爆発を防止し、直列
数に冗長を持たせてあるので残りの健全な直流コンデン
サで運転を継続できる。

【００１９】図２は、請求項２の発明に関わる一実施例
の構成図である。図２おいて既に説明した図１と同一の
要素には同一の符号を付してその説明を省略する。図２
におい、１５は電圧検出抵抗９Ａで検出されたコンデン
サ５Ａの電圧と、電圧検出抵抗９Ｂで検出されたコンデ
ンサ５Ｂの電圧の差を検出し、コンデンサ５Ａの値が大
きい時に正の値を、小さい時に負の値を出力する差電圧
検出器である。１０Ｄは入力が負の値且つ一定値以下の
時に動作するレベル検出器、１０Ｅは入力が正の値且つ
一定値以上の時に動作するレベル検出器である。差電圧
検出器１５と、レベル検出器１０Ｄ，１０Ｅで不平衡電
圧検出回路を構成し、この不平衡電圧検出回路で直流コ
ンデンサ５Ａ，５Ｂの短絡を検出する。

【００２０】次に、前述構成から成る図２の動作を説明
する。正常に運転している時は、コンデンサ５Ａ，５Ｂ
の電圧は等しいので、差電圧検出回路１５の出力はほぼ
零である。従って、レベル検出器１０Ａ，１０Ｂの出力
は零であり、スイッチ１４Ａ，１４Ｂは投入されない。

【００２１】自励式変換器４が運転を停止し、遮断器２
が開の時は、コンデンサ５Ａ，５Ｂの電圧は並列の分圧
抵抗や自励式変換器４のインピ―ダンスにより徐々に低
下する。しかし、コンデンサ５Ａ，５Ｂの電圧も等しく
低下するので、差電圧検出回路１５の出力は零であり、
レベル検出器１０Ａ，１０Ｂは動作らず、スイッチ１４
Ａ，１４Ｂは投入されない。

【００２２】次に、コンデンサ５Ａが短絡した場合を考
える。この時は、コンデンサ５Ａの電圧は零となるの
で、差電圧検出回路から負の値が出力され、レヘル検出
器１０Ｄが動作し、電気／光変換回路１１Ａ、光／電気
変換回路１２Ａを経由してスイッチ１４Ａの投入信号５
１Ａが出力され、スイッチ１４Ａが閉となる。通常運転
電流はスイッチ１４Ａを流れるため、短絡したコンデン
サ５Ａに過剰なエネルギが注入されることなく、爆発事
故を防止できる。又、直流コンデンサは１台以上の冗長
を持って直列接続されており、図２の場合は１台の冗長
であるので、健全なコンデンサ５Ｂだけで運転を継続で
きる。

【００２３】本実施例においては、コンデンサ５Ａ，５
Ｂの電圧差で短絡を検出しているので、直流電圧確立状
態とのインタロックが不要となり、回路が単純化でき、
信頼性を上げることができる。

【００２４】以上、コンデンサ５Ａが短絡した場合につ
いて説明したが、コンデンサ５Ｂが短絡場合も、同様に
スイッチ１４Ｂが投入されて保護できる。尚、図２にお
いては、直流コンデンサの直列数が２の場合で説明した
が、直列数が３以上あっても同様の効果が得られことは
明らかである。

【００２５】図３は、請求項３の発明に関わる一実施例
の構成図である。図３おいて既に説明した図１と同一の
要素には同一の符号を付してその説明を省略する。図３
におい、変圧器３Ａ，３Ｂは、系統側の巻線は直列接続
され、変換器側の巻線はそれぞれ変換器に接続されいて
る。４Ａ，４Ｂは自励式変換器、５Ｃは５Ａと並列に、
５Ｄは５Ｂと並列に接続された直流コンデンサである。
１４Ｃは１４Ａと並列に、１４Ｄは１４Ｂと並列に接続
されたスイッチである。

【００２６】自励式無効電力補償装置等では電力系統へ
流出する高調波を抑制するために、図３に示すように、
変換器及び変圧器を複数台設けて、変圧器の系統側巻線
は直列接続し、変換器側巻線は変圧器に個別に接続し、
変換器の直流側並列に接続することが一般的に行われて
いる。そのような場合、直流コンデンサはそれぞれの変
圧器の近傍に等容量ずつ配置する場合が多い。すると、
各変換器のコンデンサを並列に接続するための導体が長
くなり、導体のインダクタンス分が無視できなくなる。

【００２７】例えば、図３において、自励式変換器４Ｂ
の近傍に配置されている直流コンデンサ５Ｃが短絡した
時に、自励式変換器４Ａの近傍に配置されているスイッ
チ１４Ａを閉じたとする。コンデンサ５Ｃとスイッチ１
４Ａの距離が長く導体のインダクタンスがあると、変換
器４Ｂのリプル電流は、導体のインダクタンスによって
インピ―ダンスが大きくなったスイッチではなく、短絡
したコンデンサ５Ｃに流れてしまう。そこで図３におい
ては、スイッチ１４Ｃと１４Ｄを設けて、投入指令５１
Ａでスイッチ１４Ａと１４Ｃが共に閉じるようにし、
又、投入指令５１ＢでスイッチヌウＢと１４Ｄが共に閉
じるようにしている。このようにすれば、導体のインダ
クタンスの影響を受けることなく、スイッチに運転電流
が流れ、短絡したコンデンサに過剰エネルギが注入され
ることがなく、爆発事故を防止できる。又、直流コンデ
ンサは１台以上の冗長を持つて直列接続されており、健
全なコンデンサで運転を継続できる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に対応す
る発明によれば、短絡検出手段の検出信号により、短絡
事故を起したコンデンサと並列に接続されたスイッチが
投入されるため、短絡したコンデンサに並列のスイッチ
を介して電流が流れ、短絡したコンデンサには電流が流
れないため爆発等の事故を防止でき、コンデンサ全体と
しては直列数に１台以上の冗長を持っているので、１台
が短絡しても、直列に接続された健全なコンデンサで運
転を継続できる直流コンデンサの保護装置を提供でき
る。

【００２９】又、請求項２に対応する発明によれば、短
絡検出手段として、直列接続された各コンデンサ電圧の
差が一定値を超えたことを検出する不平衡電圧検出回路
を用いていることにより、電力変換器の停止時に、直流
コンデンサの電圧が徐々に低下して検出レベルまで低下
しても、差電圧を検出しているため、差電圧が一定値を
超えることなく、電力変換器の停止時或いは起動時に保
護装置が誤動作することを防止できる。従って、保護装
置が直流主回路の電圧が確立した後に動作するように直
流電圧確立検出のインタロックが不要になり、より単純
で信頼性の高い直流コンデンサの保護装置を提供でき
る。

【００３０】更に、請求項３に対応する発明によれば、
多重形電力変換器を構成するためのいずれかの電力変換
器の直流コンデンサに短絡が発生すると短絡した直流コ
ンデンサに並列接続されているスイッチと該スイッチに
並列接続されいてる他の電力変換器側のスイッチを同時
に投入するので、コンデンサを並列接続する導体にイン
ダクタンス分があっても、確実に短絡したコンデンサに
電流を流さないようにして、爆発等の事故を防止できる
直流コンデンサの保護装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１記載の発明の直流コンデンサの保護装
置の一実施例を示す構成図。

【図２】請求項２記載の発明の直流コンデンサの保護装
置の一実施例を示す構成図。

【図３】請求項３記載の発明の直流コンデンサの保護装
置の一実施例を示す構成図。

【図４】従来の直流コンデンサの保護装置の構成図。

【符号の説明】

１ …交流電圧源 ２ …
遮断器 ３，３Ａ，３Ｂ…変圧器 ４，４Ａ，４Ｂ…
自励式変換器器 ５Ａ〜５Ｈ …直流コンデンサ ６ …
ヒュ―ズ ７ …直流分圧器 ８Ａ，８Ｂ …
分圧抵抗 ９Ａ，９Ｂ …電圧検出用抵抗 １０Ａ〜１０Ｃ…
レベル検出器 １１Ａ，１１Ｂ…電気／光変換回路 １２Ａ，１２Ｂ…
光／電気変換回路 １３Ａ，１３Ｂ…論理積回路 １４Ａ〜１４Ｄ…
スイッチ １５ …差電圧検出器 ５１Ａ，５１Ｂ…
スイッチ投入指令

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電力変換器の直流主回路に１台以上
   の冗長を持って直列接続された直流コンデンサと、該直
   流コンデンサの各々に設けられ直流コンデンサの短絡を
   個別に検出する短絡検出手段と、前記各々の直流コンデ
   ンサに並列接続されたスイッチと、前記短絡検出手段の
   出力に応答し短絡した直流コンデンサに並列接続されて
   いる前記スイッチに投入指令を発し該スイッチを投入す
   る手段を具備した直流コンデンサの保護装置。
2. 【請求項２】 電力変換器の直流主回路に１台以上
   の冗長を持って直列接続された直流コンデンサと、該直
   流コンデンサの各々に並列接続さたスイッチと、該直流
   コンデンサの各々の電圧を検出する電圧検出手段と、該
   電圧検出手段の出力信号が印加され各コンデンサ電圧の
   差が一定値を超えたことで前記直流コンデンサの短絡を
   検出する不平衡電圧検出回路と、該不平衡電圧検出回路
   の出力に応答し短絡した直流コンデンサに並列接続され
   ている前記スイッチに投入指令を発し該スイッチを投入
   する手段を具備した直流コンデンサの保護装置。
3. 【請求項３】 直流主回路が並列接続される各電力
   変換器の各々の直流主回路に１台以上の冗長を持って直
   列接続され、且つ電力変換器相互間ではそれぞれ並列に
   接続される直流コンデンサと、前記各々の直流コンデン
   サに並列接続さたスイッチと、少くともいずれか１台の
   前記電力変換器の直流コンデンサの各々に設けられ直流
   コンデンサの短絡を個別に検出する短絡検出手段と、該
   短絡検出手段の出力に応答し短絡した直流コンデンサに
   並列接続されている前記スイッチと該スイッチに並列接
   続されいてる前記スイッチに同時に投入指令を発し該各
   スイッチを同時に投入する手段を具備した直流コンデン
   サの保護装置。