WO2016194898A1

WO2016194898A1 - 直流電流遮断装置

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Publication number: WO2016194898A1
Application number: PCT/JP2016/066018
Authority: WO
Inventors: 裕史児山; 隆太長谷川; 尚隆飯尾
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2015-06-02
Filing date: 2016-05-31
Publication date: 2016-12-08
Anticipated expiration: 2017-12-02
Also published as: EP3306635A1; JP6591204B2; JP2016225198A; EP3306635B1; EP3306635A4

Abstract

実施形態によれば、直流送電線網の中で３つ以上の直流送電線（１１～１３）が電気的に結合される結合点に設置される直流電流遮断装置が提供される。直流電流遮断装置は、それぞれが、異なる２つの直流送電線の端部と接続され、２つ以上の電流断路器（２１）の直列接続を含む、３つ以上の直列回路（２）と、各直列回路の中点に一端が接続され、他端が全て１点で互いに接続された、電流を転流する転流回路（３１）を含む、３つ以上の結線回路（３）とを備える。

Description

直流電流遮断装置

　本発明の実施形態は、直流送電網に好適な直流電流遮断装置に関する。

　近年、風力発電や太陽光発電、太陽熱発電などの再生可能エネルギーの普及が促進されている。より大電力を再生可能エネルギーでまかなうために、洋上風力発電や、砂漠地帯での太陽光、太陽熱発電が検討され始めている。

　洋上風力発電においては、発電された電力を消費地である都市まで海底ケーブルで大電力送電する必要があり、また太陽光発電、太陽熱発電では、アフリカや中国奥部の砂漠地帯から、ヨーロッパや沿岸地帯の大都市まで大電力を長距離にわたって高効率に送電することが必要になる。

　このような長距離送電の要求には、従来の３相交流による電力送電よりも、直流送電のほうが高効率で、コストを抑えながら設置することが可能になるため、直流送電網の構築が検討され始めている。

　直流送電においては、発電された交流電力を直流送電用の直流に変換するコンバータや、送電されてきた直流を都市内の交流に変換するインバータなどの電力変換装置が必要になる。交流系統にコンバータ、インバータのスイッチングに伴う高調波が流出しないように、正弦波に近い電圧波形を出力することができるモジュラーマルチレベル変換器回路などの検討や実用化が進められている。

　直流送電システムは、従来の交流送電システムに比べて、長距離大電力送電に適用した場合に、低コストで設置が可能で、送電損失が少ない高効率システムを構築することが可能であるが、その反面、落雷などに起因した系統事故が発生した個所を遮断することが難しい。

　交流システムにおいては、交流電流が交流周波数５０［Ｈｚ］または６０［Ｈｚ］の半サイクル毎にゼロ電流を横切るタイミングで、機械接点式の遮断器により高速に電流遮断ができるのに対して、直流電流では電流がゼロを横切るタイミングがないので、機械式接点では電流を容易に遮断できない。半導体素子を介して電流を遮断する方法もあるが、送電線には常に大電流が流れるため、当該半導体素子での大きな導通損失が定常的に消費されることになる。

　電力送電網を構築する場合、事故発生点を短時間のうちに送電網から切り離して健全な送電網だけで運転を継続することが求められており、そのために図６に示すような直流電流遮断装置が提案されている。

　図６の（Ａ）は直流電流遮断装置４の回路構成を示す図、図６の（Ｂ）は図６の（Ａ）中の転流回路（Ｈ）３１の具体的な回路素子構成を示す図である。

　この図６においては直流送電線路の正極線のみを図示しており、負極線は省略している。以後、図においては正極線のみを示し、負極線は省略するものとする。

　この直流電流遮断装置４は、２つの機械接点式電流断路器２１による直列回路２を、２つ並列に接続し、その中点同士を転流回路３１による結線回路３で接続した回路構成である。

　さらに転流回路３１は、コンデンサを直流電圧源とした単相フルブリッジ構成である。直流電流遮断装置４は直流送電網の送電線１１中の所要個所に直列に挿入される。

　この直流電流遮断装置４によれば、定常動作時には、全ての機械接点式電流断路器２１は図６の（Ａ）の状態とは反対にオンにする。この定常動作時において、通常の直流電流は機械接点式電流断路器２１を通って流れる。

　系統事故発生時には、対角上の２つの機械接点式電流断路器２１をオフにし、電流は２つのオンを維持する機械接点式電流断路器２１を用いて、機械接点式電流断路器２１、転流回路３１、機械接点式電流断路器２１と流れるようにする。そして転流回路３１が流れる電流をゼロに制御し、機械接点式電流断路器２１に流れる電流がゼロとなった瞬間に残る２つの機械接点式電流断路器２１をオフにする。これにより事故電流は遮断される。

　しかしながら図６に示した直流電流遮断装置４では、図７のような複数、例えば３つの直流送電線１１，１２，１３の結合点ｋにおいて、事故が起きた系統のみを遮断するために、各直流送電線１１，１２，１３に対して１つずつ、前述の直流電流遮断装置４を配置する必要がある。

　そのため、システム全体として部品点数が増加し、部品点数の増加はそのまま高コスト化、装置の大型化につながる。

　このようなことから、複数の直流送電線の結合点において、事故電流を高速に遮断可能としながら、部品点数を低減し、低コストで小型化が可能な直流電流遮断装置を提供することが望まれる。

　一実施形態によれば、直流送電線網の中で３つ以上の直流送電線が電気的に結合される結合点に設置される直流電流遮断装置において、それぞれが、異なる２つの直流送電線の端部と接続され、２つ以上の電流断路器の直列接続を含む、３つ以上の直列回路と、各直列回路の中点に一端が接続され、他端が全て１点で互いに接続された、電流を転流する転流回路を含む、３つ以上の結線回路と、を備える直流電流遮断装置が提供される。

　また、他の実施形態によれば、直流送電線網中で３つ以上の直流送電線が電気的に結合される結合点に設置される直流電流遮断装置において、それぞれが、異なる２つの直流送電線の端部と接続され、転流手段を含む２つ以上の要素の直列接続を含む、３つ以上の直列回路と、各直列回路の中点に一端が接続され、他端が全て１点で互いに接続された電流断路器を含む、３つ以上の結線回路と、を備える直流電流遮断装置が提供される。

第１の実施形態に係る直流電流遮断装置の構成を示す図である。同実施形態に係る実行発生時の機械接点式電流断路器のオン／オフ制御手順を段階的に示す図である。第２の実施形態に係る直流電流遮断装置の構成を示す図である。第３の実施形態に係る直流電流遮断装置の構成を示す図である。第４の実施形態に係る直流電流遮断装置の構成を示す図である。一般的な直流電流遮断装置の回路構成を示す図である。図６の直流電流遮断装置を３つの直流送電線の結合点を中心に配置した構成例を示す図である。

　以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。　
　（第１の実施形態）　
　図１は、本発明の第１の実施形態に係る直流電流遮断装置の構成を示す図である。　
　図１の（Ａ）に示すように直流電流遮断装置は、３本の直流送電線１１，１２，１３が電気的に結合する結合点に設けられる。直流送電線１１，１２，１３それぞれの線路を互いに、２つの機械接点式電流断路器２１からなる直列回路２で接続する。これら３つの直流送電線１１，１２，１３の結合点において、直列回路２は線路上の点ａ，ｂ，ｃをデルタ結線する構成となる。

　そして、各直列回路２の２つの機械接点式電流断路器２１の中点には、それぞれ転流回路（Ｈ）３１を含んだ結線回路３の一端が接続され、これら各結線回路３の他端が全て接点ｊにて互いに接続される。これら結線回路３はスター結線に相当する。

　図１の（Ｂ）に示すように、転流回路３１はコンデンサを電圧源とした単相フルブリッジ構成である。　
　前記直列回路２の機械接点式電流断路器２１の全てが、ここでは図示しない制御回路により定常動作時及びいずれかの送電線での実行発生時に応じてオン／オフ動作が制御される。　
　また前記結線回路３の転流回路３１も、前記制御回路により出力電圧が制御される。

　次に、本実施形態に係る直流電流遮断装置の電流遮断時の動作を説明する。　
　定常動作時は、前記制御回路により全ての直列回路２で機械接点式電流断路器２１をオンとさせ、電流が機械接点式電流断路器２１を通じて伝送されるようにする。

　図２の（Ａ）に示すように、１本の直流送電線、例えば直流送電線１３で事故が発生すると、その直流送電線１３に向かって事故電流ｉfが流れる。事故を検出すると前記制御回路では、図２の（Ｂ）に示すように接点ｊを挟んだ一対の機械接点式電流断路器２ａをオフさせ、事故電流ｉfが機械接点式電流断路器２１、転流回路３１、機械接点式電流断路器２ｂを通じて流れるようにする。

　ここで前記制御回路は、転流回路３１での事故電流ｉfがゼロになるよう、出力電圧を制御し、電流量を制御させる。そして、ゼロ電流となった時点で、図２の（Ｃ）に示すように、前記事故電流ｉfが流れていた機械接点式電流断路器２ｂをオフにさせることで、事故が発生した直流送電線１３が遮断される。

　事故が直流送電線１３以外の他の系統の直流送電線１１または１２，１３で発生した場合でも、同様に処理を行なうことで、直流送電線１１または１２で事故が起きた場合でも、事故が起きた直流送電線を切り離すことが可能となる。

　以上に述べた如く本実施形態によれば、直流送電線１１，１２，１３それぞれに個別に、図６で示した従来の直流電流遮断装置を接続した場合と比較して、直列回路２の構成規模を半分に削減することができ、ひいては全体の部品点数を低減して、低コスト化と小型化とが可能な直流電流遮断装置を実現できる。

　なお本実施形態及び以下第２の実施形態以下において共通する事項についても述べておく。

　前記機械接点式電流断路器２１に代えて、半導体遮断器でも同様の動作が可能である。

　図１では、各直列回路２において中点を挟んで機械接点式電流断路器２１がそれぞれ1つずつ配置されているが、それら直列回路２は機械接点式電流断路器２１を中点を挟んでそれぞれ複数直列接続した構成であっても良い。

　また前記転流回路３１は、複数直列接続して結線回路３を構成しても良い。また転流回路３１の電流制御方向を限定するのであれば、ハーフブリッジ回路による構成でも構わない。

　例えば点ａ，ｂ，ｃを結線する線路上には、リアクトルが直列に存在していても構わない。このリアクトルにより、事故時に流れる交流電流のピークを抑制すると共に、交流電流の周波数を低くし、ひいては交流電流の傾きを低くすることで、機械接点式電流断路器２１での電流遮断を容易にすることもできる。

　（第２の実施形態）　
　図３は、第２の実施形態に係る直流電流遮断装置の構成を示す図である。なお、以下において、図１に示した構成と基本的な考え方は同様であるため、図１に示す直流電流遮断装置の構成要素と同一または相当する構成要素には、図１で使用した符号と同一の符号を付して説明するものとする。

　本実施形態は、４つの直流送電線１１～１４の結合点における直流電流遮断装置の構成例である。前記結合点において、直流送電線１１～１４それぞれの線路で互いに隣り合う２本の間を、２つの機械接点式電流断路器２１からなる直列回路２で接続する。

　そして、各直列回路２の２つの機械接点式電流断路器２１の中点に、それぞれ転流回路（Ｈ）３１を含んだ結線回路３の一端を接続し、これら各結線回路３の他端を全て接点ｊにて互いに接続する。

　転流回路３１は、図１の（Ｂ）で示したようにコンデンサを電圧源とした単相フルブリッジ構成である。　
　前記直列回路２の機械接点式電流断路器２１の全てが、ここでは図示しない制御回路により定常動作時及びいずれかの送電線での実行発生時に応じてオン／オフ動作が制御される。　
　また前記結線回路３の転流回路３１も、前記制御回路により出力電圧が制御される。

　本直流電流遮断装置の電流遮断動作は、前記第１の実施形態と同様であり、直流送電線１１～１４のいずれかで事故が起きた場合でも、事故が起きた直流送電線を短時間で切り離すことが可能である。

　本実施形態によれば、直流送電線１１～１４それぞれに個別に、図６に示した従来の直流電流遮断装置を接続する場合と比較して、直列回路２の構成数を半減させることができ、ひいては部品点数を低減し、低コスト化、小型化が可能な直流電流遮断装置を実現できる。

　直流送電線がｎ本であるとき、図６で示した従来の直流電流遮断装置を接続する場合は、機械接点式電流断路器２１の直列回路２が２ｎ個必要となる。これに対し、本実施形態では直列回路２はその半分のｎ個で実現することが可能となる。

　さらに５本以上の直流送電線の接合点においても、本実施形態と同様に構成することで、従来より部品点数を半減することができる。

　なお図３では、例えば直流送電線１１が直流送電線１３，１４とそれぞれ直列回路２で接続した構成としているが、直流送電線１１～１４は全て等価であるので、直列回路２を介して直流送電線１１と接続されるのは、直流送電線１２と１３、または直流送電線１２と１４であっても構わない。また他の直流送電線についても同様である。

　（第３の実施形態）　
　図４は、第３の実施形態に係る直流電流遮断装置の構成を示す図である。なお、以下において、図１に示した構成と基本的な考え方は同様であるため、図１に示す直流電流遮断装置の構成要素と同一または相当する構成要素には、図１で使用した符号と同一の符号を付して説明するものとする。

　図４の（Ａ）に示すように本実施形態における直流電流遮断装置は、３本の直流送電線１１，１２，１３が電気的に結合する結合点において、直流送電線１１，１２，１３それぞれの線路を互いに、リアクトル２２と半導体遮断器２３からなる直列回路２で接続する。

　図４の（Ｂ）に示すように各半導体遮断器２３は、２つの半導体スイッチング素子２３１を互いに逆方向を向くように直列接続して、それと並列にアレスタ２３２を接続した構成である。

　３つの直流送電線１１，１２，１３の結合点において、直列回路２は線路上の点ａ，ｂ，ｃをデルタ結線する構成となる。そして、直列回路２のリアクトル２２と半導体遮断器２３との中点には、それぞれ機械接点式電流断路器３２を備えた結線回路３の一端が接続され、それら結線回路３の他端は全て接点ｊにて互いに接続されている。これはスター結線に相当する。

　前記直列回路２の半導体遮断器２３の全てが、ここでは図示しない制御回路により定常動作時及びいずれかの送電線での実行発生時に応じてオン／オフ動作が制御される。　
　また結線回路３の機械接点式電流断路器３２も、前記制御回路によりオン／オフ動作が制御される。

　次に、本実施形態に係る直流電流遮断装置の電流遮断時の動作を説明する。　
　定常動作時は、前記制御回路により全ての機械接点式電流断路器３２をオンとする一方で、全ての半導体遮断器２３はオフとし、電流が機械接点式電流断路器３２とリアクトル２２を通じて伝送されるものとする。

　直流送電線で事故が発生すると、事故が発生した直流送電線に向かって事故電流ｉfが流れる。前記制御回路は事故を検出すると、事故が起きた直流送電線につながる半導体遮断器２３をオンにする。すると事故電流ｉfは、事故が起きた直流送電線につながるリアクトル２２と機械接点式電流断路器３２から、オンにした半導体遮断器２３に転流する。その時、当該機械接点式電流断路器３２がゼロ電流となるタイミングが生じるので、その瞬間に前記制御回路により当該機械接点式電流断路器３２をオフにする。次に、事故電流が転流した半導体遮断器２３をオフにする。これにより、事故が起きた直流送電線は遮断される。

　事故が他の系統で発生した場合でも、同様に処理を行なうことで、いずれの直流送電線で事故が起きた場合でも、事故が起きた直流送電線を短時間に切り離すことが可能となる。

　また、半導体遮断器２３の半導体スイッチング素子２３１は、４個以上にして直列に接続しても良い。また電流制御方向を限定するのであれば、各素子が１方向のみを向くように構成しても良い。　
　またアレスタ２３２は、個々の半導体スイッチング素子２３１に対して並列、あるいは複数の半導体スイッチング素子２３１に対して並列に接続しても良いし、半導体遮断器２３自体が複数直列に接続しても良い。

　なお図４では説明しなかったが、同様の構成を４本以上の直流送電線の結合点における直流電流遮断装置にも適用することが可能である。

　（第４の実施形態）　
　図５は、第４の実施形態に係る直流電流遮断装置の構成を示す図である。なお、以下において、図１に示した構成と基本的な考え方は同様であるため、図１に示す直流電流遮断装置の構成要素と同一または相当する構成要素には、図１で使用した符号と同一の符号を付して説明するものとする。

　この直流電流遮断装置は、各直列回路２がそれぞれ２つのリアクトル２２と２つの半導体遮断器２３を交互接続して構成されている。各直列回路２の中点ｅ，ｆ，ｇには、それぞれ機械接点式電流断路器３２の一端が接続され、同機械接点式電流断路器３２の他端は全て接点ｊにて互いに接続されている。

　直列回路２の中点ｅ，ｆ，ｇに接続されていないリアクトル２２と半導体遮断器２３の接合点には、それぞれ機械接点式電流断路器３３の片端が接続され、同機械接点式電流断路器３３の他端は隣接する直列回路２のリアクトル２２と半導体遮断器２３の接合点に接続される。このとき、機械接点式電流断路器３３は、同じ直流送電線から２分岐した各直列回路２に属するリアクトル２２と半導体遮断器２３の接合点同士を接続する。

　前記直列回路２の半導体遮断器２３の全てが、ここでは図示しない制御回路により定常動作時及びいずれかの送電線での実行発生時に応じてオン／オフ動作が制御される。　
　また結線回路３の機械接点式電流断路器３２，３３も、前記制御回路によりオン／オフ動作が制御される。

　本実施形態に係る直流電流遮断装置の電流遮断時の動作は、前記第３の実施形態と同様であり、いずれの直流送電線で事故が起きた場合でも、事故が起きた直流送電線を切り離すことが可能である
　本実施形態によれば、前記第３の実施形態の構成と比較して、機械接点式電流断路器３２，３３にかかる電圧が低いため、必要な絶縁耐性が低下する。すると、絶縁距離を短くして、開閉速度が遅く安価な機械接点式電流断路器３２，３３を用いることができるため、さらに低コスト化が可能な直流電流遮断装置を構築することができる。

　また、直列回路２と結線回路３によるブリッジ回路は、さらに多段とすることもできる。その場合の直流電流遮断装置の電流遮断動作も前記第４の実施形態と同様であり、いずれの直流送電線で事故が起きた場合でも、事故が起きた直流送電線を短時間に切り離すことが可能である。

　また、こうしたさらなる多段化により、機械接点式電流断路器にかかる電圧がさらに低くできるため、より開閉速度が遅く、より安価な機械接点式電流断路器を用いて、より一層コストの低い直流電流遮断装置を構築することも可能となる。

　また、前記直列回路２と結線回路３を、第１の実施形態の構成要素に置き換えても、同様に直流電流遮断装置を構成できる。

　例えば、図５に示される直列回路２と結線回路３を、それぞれ、図１に示される直列回路２と結線回路３に置き換えて実施することが可能である。その場合、直列回路２は、例えば４つ以上の機械接点式電流断路器２１を直接接続した構成としてもよい。

　以上詳述したように、少なくとも１つの実施形態によれば、複数の直流送電線の結合点において、事故電流を高速に遮断可能としながら、部品点数を低減し、低コストで小型化が可能となる。

　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。

Claims

　直流送電線網の中で３つ以上の直流送電線が電気的に結合される結合点に設置される直流電流遮断装置において、
　それぞれが、異なる２つの直流送電線の端部と接続され、２つ以上の電流断路器の直列接続を含む、３つ以上の直列回路と、
　各直列回路の中点に一端が接続され、他端が全て１点で互いに接続された、電流を転流する転流回路を含む、３つ以上の結線回路と、
　を備えることを特徴とする直流電流遮断装置。
　定常動作時は、各電流断路器が全てオンとして動作させられ、
　前記直流送電線網の系統事故発生時は、事故が発生した直流送電線と他の直流送電線との間に流れる電流が、前記電流断路器、前記結線回路、前記電流断路器の順で流れるように、一部の前記電流断路器がオフに移行させられ、
　前記結線回路に含まれる前記転流回路は、事故が発生した直流送電線に流れる電流がゼロとなるように制御され、事故が発生した直流送電線に接続された前記電流断路器は、ゼロ電流の状態でオフに移行させられることを特徴とする請求項１記載の直流電流遮断装置。
　各直列回路は、前記中点と前記異なる２つの直流送電線の端部との間にそれぞれ、複数の電流断路器の直列接続を含み、
　各直流送電線の端部から２分岐する各直列回路における前記複数の電流断路器の結合点同士を接続する転流回路をそれぞれが含む、３つ以上の結線回路をさらに備えることを特徴とする請求項１または２記載の直流電流遮断装置。
　直流送電線網中で３つ以上の直流送電線が電気的に結合される結合点に設置される直流電流遮断装置において、
　それぞれが、異なる２つの直流送電線の端部と接続され、転流手段を含む２つ以上の要素の直列接続を含む、３つ以上の直列回路と、
　各直列回路の中点に一端が接続され、他端が全て１点で互いに接続された電流断路器を含む、３つ以上の結線回路と、
　を備えることを特徴とする直流電流遮断装置。
　定常動作時は、各電流断路器が全てオンとして動作させられ、
　系統事故発生時は、事故が発生した直流送電線に流れる電流が通る、前記結線回路が備える前記電流断路器の電流がゼロとなるように前記転流手段が動作させられ、ゼロ電流の状態で、事故が発生した直流送電線に流れる電流が通る、前記電流断路器がオフに移行させられることを特徴とする請求項４記載の直流電流遮断装置。
　各直列回路は、前記中点と前記異なる２つの直流送電線の端部との間にそれぞれ、前記転流手段を含む複数の要素の直列接続を含み、
　各直流送電線の端部から２分岐する各直列回路における前記転流手段を含む複数の要素の結合点同士を接続する電流断路器をそれぞれが含む、３つ以上の結線回路をさらに備えることを特徴とする請求項４または５記載の直流電流遮断装置。
　前記直列回路は、リアクトルと半導体遮断器とを含むことを特徴とする請求項４または５記載の直流電流遮断装置。