JP6392154B2 - 直流電流遮断装置およびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、直流電流遮断装置およびその制御方法に関する。

直流送電は交流送電に比べて送電効率が高い。また、長距離送電や海中送電などでは、直流送電は設備コストが交流送電に比べて有利になる。このため、直流送電は、二つの拠点間での送電に利用されてきた。近年、発電電力のうち再生可能エネルギーを用いた発電電力の比率を向上させ、より大きな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発電などを用いて、主要な電力消費地である都市部から遠く離れた場所で大規模な発電を行い、長距離送電する方法が検討されている。それに伴い、複数の電力の供給地点と需要地点とを接続した直流送電網の構築が計画されている。

三つ以上の拠点間を接続した送電網を構築する際には、送電網で事故が発生した場合に、事故点を健全な系統から迅速に遮断可能な装置が必要となる。一般的に、交流電流系統においては機械接点式遮断器が用いられている。これは、交流電流によって発生する電流ゼロ点において接点を開極し、絶縁性媒体を接点間のアーク電流に吹き付けることで事故電流を遮断するものである。対して直流送電系統においては、事故電流には電流ゼロ点が発生しないため、従来の機械接点式遮断器では事故電流を迅速に遮断するのは難しいとされてきた。

そこで、単独で直流電流を遮断可能な半導体遮断器として、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ：Insulated Gate Bipolar Transistor）などの、自己消弧能力をもつ複数の自励式半導体素子を用いた半導体遮断器が提案されている。しかし、送電する電力の全てが複数の自励式半導体素子を常時通過するため大きな導通損失が発生し、通常運転時の送電効率の低下を招いてしまう。

この問題を解決するために、機械接点式断路器と補助半導体遮断器とを直列に接続した回路に、もう一つの半導体遮断器を並列に接続するハイブリッド遮断器が提案されている。このハイブリッド遮断器において、定常送電時は機械接点式断路器と補助半導体遮断器とが導通状態になっており、上記のもう一つの半導体遮断器が遮断状態になっている。よって送電電流は機械接点式断路器と補助半導体遮断器とを流れる。

また、事故発生時においては、補助半導体遮断器が遮断状態とされ、同時に機械接点式断路器には開極指令が与えられる。このように補助半導体遮断器が遮断状態となることで、機械接点式断路器と補助半導体遮断器との経路に流れる事故電流が、上記のもう一つの半導体遮断器へと転流される。そして機械接点式断路器の開極動作が完了し、定常通電経路の耐電圧を確保した後に、上記のもう一つの半導体遮断器を遮断することで、事故電流の遮断が完了する。

このようなハイブリッド遮断器は、定常通電時における導通損失が補助半導体遮断器の導通損失だけであるため、定常通電経路を、上記のように単独で直流電流を遮断可能な半導体遮断器のみとした構成に比べて導通損失を低減することが出来る。しかしながら補助半導体遮断器の通電損失は未だ発生してしまうため、従来のような、定常通電経路が機械接点のみで構成される機械接点式遮断器に比べると、ハイブリッド遮断器は、導通損失が大きい。

そこで、半導体遮断器と、ハーフブリッジ回路で構成される転流回路とを直列に接続した回路に、機械接点式遮断器を並列に接続する直流電流遮断装置が提案されている。
この直流電流遮断装置において、定常送電時は機械接点式断路器が導通状態になっており、半導体遮断器および転流回路が遮断状態になっている。よって、定常送電時における送電電流は機械接点式断路器のみを流れる。

また、事故発生時においては、機械接点式遮断器に開極指令が与えられ、半導体遮断器が導通状態とされ、転流回路に転流指令が与えられる。すると、転流回路は、機械接点式遮断器に流れる事故電流とは逆の方向に電流を流して機械接点式遮断器の電流にゼロ点を生成し、この機械接点式遮断器が開極することで、事故電流が機械接点式遮断器から半導体遮断器および転流回路へと転流する。事故電流転流後、半導体遮断器が遮断されることで事故電流の遮断が完了する。

このような直流電流遮断装置は、定常通電経路が機械接点式遮断器のみで構成されるため、導通損失を大幅に低減することが可能となる。

国際公開２０１１／０５７６７５号パンフレット 国際公開２０１３／１３１５８２号パンフレット

しかしながら上記の直流電流遮断装置は、機械接点式遮断器、半導体遮断器、転流回路など、多くの構成要素を持つため、装置およびこの装置を収める建屋が大型化し、建屋の建造コストが増加する場合がある。また、直流電流遮断装置を設置するための基礎は、機械接点式開閉器の大きな操作力に耐え、かつ半導体遮断器の数トン〜数十トンの自重に耐えるように、強固なものである必要がある。そのため、直流電流遮断装置の設置面積の増加はコストアップに直結してしまう。

本発明が解決しようとする課題は、導通損失が少なく、かつ設置容量および設置面積を低減し、建屋および基礎の建造コストを低減可能な直流電流遮断装置およびその制御方法を提供することである。

実施形態における直流電流遮断装置は、機械接点式遮断器、半導体遮断器、転流装置を備える直流電流遮断装置であって、前記機械接点式遮断器は、少なくとも１つの高耐電圧接点と、少なくとも１つの電流遮断接点とが直列に接続される機械接点と、円筒状の圧力容器と、前記圧力容器に接続するブッシングと、を備え、前記圧力容器は、前記機械接点を内部に封入し、かつ接地電位と等電位であり、前記ブッシングは、前記機械接点の両端から導体を前記圧力容器の外部に引き出し、それぞれの前記導体を直流送電系統と接続し、前記半導体遮断器は、半導体モジュールと、モジュール支持板と、絶縁支柱と、を備え、前記半導体モジュールは、自励式半導体素子を２個以上一列に積層して直列接続した半導体スタックと、前記半導体スタックの付属回路と、絶縁支持部とを有し、前記絶縁支持部は、前記半導体スタック及び前記付属回路を、前記モジュール支持板に対して電気的に絶縁すると共に、前記モジュール支持板に対して機械的に接続し、前記絶縁支柱は、前記モジュール支持板を機械的に支持または固定し、前記半導体遮断器は、前記機械接点式遮断器に対して並列に接続され、前記転流装置は、前記機械接点式遮断器の前記高耐電圧接点、前記電流遮断接点のうち少なくとも前記高耐電圧接点に対して並列に接続され、前記半導体遮断器に対して直列に接続され、前記直流送電系統の定常送電時は、送電電流が前記機械接点式遮断器だけに流れ、前記直流送電系統に事故電流が発生したときは、前記機械接点式遮断器の前記高耐電圧接点と、前記電流遮断接点を開路して、前記半導体遮断器の前記自励式半導体素子を通電状態にして、前記転流装置によって前記電流遮断接点に流れる電流を一時的にゼロとすることで、前記事故電流を前記機械接点式遮断器から前記半導体遮断器へと転流させ、前記事故電流の転流後に前記半導体遮断器の前記自励式半導体素子を遮断状態とすることで、前記直流送電系統の前記事故電流を遮断する。

本発明によれば、直流電流遮断装置の導通損失を少なくし、かつ設置容量および設置面積を低減し、建屋および基礎の建造コストを低減することができる。

第１の実施形態における直流電流送電装置の全体構成の一例を示す正面図。 第１の実施形態における直流電流送電装置の全体構成の一例を示す側面図。 第１の実施形態における直流電流送電装置の機械接点式遮断器の部分拡大図の断面図。 第１の実施形態における直流電流送電装置の半導体モジュールの構成例を示す断面図。 第１の実施形態における直流電流送電装置の転流回路、半導体遮断器、機械接点式遮断器の接続関係の一例を示す回路図。 第１の実施形態における直流電流送電装置の転流回路モジュールの構成例を示す断面図。 第１の実施形態における直流電流送電装置のハーフブリッジ回路の回路構成例を示す図。 第２の実施形態における直流電流遮断装置の全体構成の一例を示す正面図。 第２の実施形態に係る直流電流遮断装置の全体構成の一例を示す側面図。 第２の実施形態における直流電流送電装置の転流回路、半導体遮断器、機械接点式遮断器の接続関係の一例を示す回路図。 第２の実施形態に係る機械接点式遮断器の部分拡大図の断面図。

以下、実施形態について図面を用いて説明する。
（第１の実施形態）
［１−１．構成］
まず、第１の実施形態における直流電流遮断装置の構成について、図１〜６を参照して説明する。
図１、図２は、本実施形態の直流電流遮断装置の全体構成を示す図である。具体的には、図１は、第１の実施形態における直流電流送電装置の全体構成の一例を示す正面図であり、図２は、第１の実施形態における直流電流送電装置の全体構成の一例を示す側面図である。図３は、第１の実施形態における直流電流送電装置の機械接点式遮断器の部分拡大図の断面図である。図４は、第１の実施形態における直流電流送電装置の半導体モジュールの構成例を示す断面図である。図５は、第１の実施形態における直流電流送電装置の転流回路、半導体遮断器、機械接点式遮断器の接続関係の一例を示す回路図である。

第１の実施形態における直流電流遮断装置１は、機械接点式遮断器２と、半導体遮断器３と、転流装置４とを備える。図１、図２、図５に示すように、機械接点式遮断器２は、半導体遮断器３と転流装置４との直列回路に対して並列に電気的に接続されており、かつ直流送電線２０、２１と電気的に接続され、定常状態において電力融通電流を通電する。

（機械接点式遮断器２）
機械接点式遮断器２は、圧力容器５と、操作機構７と、ブッシング（bushing）８を有する。圧力容器５は機械接点６を内部に封入する。
圧力容器５は、円筒状の金属タンク９と、電流遮断装置を設置するための基礎１４に金属タンク９を支持するための固定脚１０と、金属タンク９から導体１１を延出するための２つの開口部１２と、操作機構７に接続するための接続部１３とを備える。金属タンク９は、固定脚１０により基礎１４に固定され、電気的には接地電位と等電位になっている。

導体１１を延出する開口部１２にはブッシング８が接続されている。また、操作機構７との接続部１３には図示しないシール部が設けられている。よって、圧力容器５の内部は密封状態にある。
このような圧力容器５の金属タンク９の内部には絶縁性媒体１５が充填されている。この絶縁性媒体１５は、例えば、六フッ化硫黄ガス（SF6ガス）、二酸化炭素、窒素、乾燥空気、またはそれらの混合ガス、絶縁油等であることができる。第１の実施形態では金属タンク９の内部には絶縁性媒体１５としてSF6ガスが充填されている。

機械接点６は、高耐電圧接点であるガス接点１７と、電流遮断接点である真空バルブ１８とで構成されている。これらのガス接点１７および真空バルブ１８は、圧力容器５中の、絶縁性媒体１５が充填された金属タンク９中に封入され、図示しない絶縁物で金属タンク９内部に固定されており、圧力容器５とは電気的に絶縁されている。

また、ガス接点１７と真空バルブ１８は、導体１６を介して直列に電気的に接続されている。対して、ガス接点１７と真空バルブ１８とを電気的に接続してなる機械接点６の真空バルブ１８側の端部は、１つ目の摺動接点１９および、この摺動接点１９と電気的に接続される導体１１を介して１つ目の開口部１２へ導出され、ブッシング８先端の端子５１と電気的に接続される。また、機械接点６のガス接点１７側の端部は、２つ目の摺動接点１９および、この摺動接点１９と電気的に接続される導体１１を介して２つ目の開口部１２へ導出され、ブッシング８の先端の端子５２と電気的に接続される。

この端子５１は、半導体遮断器３と転流装置４を直列に電気的に接続した回路の転流装置４側の端子５３と電気的に接続され、この端子５３は、端子５３用の導体３８を介して直流送電線２０と電気的に接続される。また、端子５２は、半導体遮断器３と転流装置４を直列に電気的に接続した回路の半導体遮断器３側の端子５４と電気的に接続され、この端子５４は、端子５４用の導体３８を介して直流送電線２１と電気的に接続される。

さらに、ガス接点１７は、絶縁性材料である1つ目の絶縁ロッド２２および金属材料でなる１つ目のシールロッド２３を介して、圧力容器５内部の気密性を保ちつつ、圧力容器５外部の１つ目の操作機構７と接続されている。また、真空バルブ１８は、２つ目の絶縁ロッド２２および２つ目のシールロッド２３を介して、圧力容器５内部の気密性を保ちつつ、圧力容器５外部の２つ目の操作機構７と接続されている。

操作機構７は、圧力容器５の一端の接続部１３および他端の接続部１３のそれぞれに固定され、操作機構７内部の図示しない駆動装置がシールロッド２３と接続されている。この駆動装置は、ガス接点１７における導体１６側の固定接点２４に対してガス接点１７内の可動接点２５を接触または開離させるように駆動し、また、真空バルブ１８における導体１６側の固定接点２４に対して真空バルブ１８内の可動接点２５を接触または開離させるように駆動することで、ガス接点１７および真空バルブ１８の開閉操作を行う。

ブッシング８の一端は、機械接点式遮断器２の設置面である基礎１４の垂直方向に対して、このブッシング８における軸方向に沿った角度を傾斜させるように圧力容器５に固定される。このブッシング８は、遮断時における他の部位との絶縁距離を確保可能な範囲で、半導体遮断器３の方にブッシング８上端が近付くように配置される。

（半導体遮断器３）
図２などに示すように、半導体遮断器３は、半導体モジュール２６と、モジュール支持板２７と、避雷器ユニット２８と、絶縁支柱２９、３０を有する。
また、図４に示すように、半導体モジュール２６は、半導体スタック３１と、半導体スタック３１の付属回路３２と、収納容器３３と、絶縁支持部３４とを有する。

半導体スタック３１は、IGBTやIEGT（注入促進形絶縁ゲートトランジスタ：Injection Enhanced Gate Transistor）などの自励式半導体素子（以下、IGBT３５とする）を２個以上直列接続して構成されている。これらのIGBT３５を一列に積層して両端を圧縮することで、各IGBT３５の接続部の接触抵抗を低減する。
また、半導体スタック３１には付属回路３２が接続される。この付属回路３２は、IGBT３５の通電方向に対して逆方向に電流を通過させるダイオードと、各IGBT３５の間の電圧分布を均一化するスナバ回路と、IGBT３５へのスイッチング指令を出力するゲートユニットとを含む。

これら半導体スタック３１および付属回路３２は、絶縁物である収納容器３３に納められる。また、複数直列に接続した半導体スタック３１を１つの半導体スタックとみなした場合の、この半導体スタックの両端の端子３６と、収納容器３３の両端に接続された端子３７との間を半導体モジュール２６内部用の圧縮ばね状の導体３８によって電気的に接続することで、半導体スタック３１を圧縮してIGBT３５間の接触抵抗を低減しつつ、端子３６と端子３７とを導通させる。
絶縁支持部３４は、収納容器３３下部に機械的に接続され、この絶縁支持部３４を含む半導体モジュール２６と、この半導体モジュール２６を支持するモジュール支持板２７との絶縁距離を保持しつつ、半導体モジュール２６をモジュール支持板２７に固定する。

また、複数の半導体モジュール２６のそれぞれにおける収納容器３３の端子３７の間を半導体モジュール２６間接続用の導体３８で電気的に接続することで、複数の半導体モジュール２６のそれぞれは直列に接続される。これら複数直列に接続した半導体モジュール２６を１つのモジュールとみなした場合の、このモジュールの両端の端子３７の片側は、転流回路モジュール４０との接続用の導体３８を介して転流回路モジュール４０と電気的に接続される。端子３７のもう片側は、機械接点式遮断器２との接続用の導体３８および端子５４を介して機械接点式遮断器２のガス接点１７側と電気的に接続される。

第１の実施形態では、半導体モジュール２６の半導体スタック３１および付属回路３２を収納容器３３に収めた上で、絶縁支持部３４を介してモジュール支持板２７に固定すると説明したが、半導体スタック３１および付属回路３２を収納容器３３内に納めずに、絶縁支持部３４を介してモジュール支持板２７に直接固定してもよい。

モジュール支持板２７は、FRP（繊維強化プラスチック：Fiber Reinforced Plastic）製の複数の絶縁支柱２９に機械的に固定される。これにより、それぞれのモジュール支持板２７間の絶縁距離や、モジュール支持板２７と、このモジュール支持板２７が支持する半導体モジュール２６との絶縁距離を保持している。また、最下部の半導体モジュール２６を支持するモジュール支持板２７と、基礎１４との間は、碍子製の複数の絶縁支柱３０で機械的に支持される。これにより、最下部のモジュール支持板２７と基礎１４との絶縁距離を保持している。

図１、図２に示すように、第１の実施形態では、４つの半導体モジュール２６を縦方向に積層しているが、この積層する数は１個または複数でよく、特に個数を限定するものではない。また、第１の実施形態では１つのモジュール支持板２７で１つの半導体モジュール２６を支持しているが、１つのモジュール支持板２７で２つ以上の半導体モジュール２６を支持してもよい。

図１に示すように、半導体遮断器３の避雷器ユニット２８は、複数の避雷器３９と、避雷器ユニット２８用の絶縁支柱３０とで構成されている。避雷器３９は、避雷器ユニット２８用の絶縁支柱３０上に軸方向に複数積層して設置され、それぞれ直列に接続される。また、避雷器３９は半導体モジュール２６に対して、避雷器ユニット２８用の導体３８を介してそれぞれ並列に接続される。

絶縁支柱２９、３０は、複数の部材を電気的に絶縁しつつ、機械的に接続するために使用される。第１の実施形態では、FRP製の絶縁支柱２９と碍子製の絶縁支柱３０を使用しているが、どちらか一方または他の材料のものを用いてもよい。

（転流装置４）
図１、図２に示すように、転流装置４は、転流回路モジュール４０と、この転流回路モジュール４０用のモジュール支持板２７を有し、このモジュール支持板２７は、半導体遮断器３で説明した絶縁支柱２９に機械的に固定される。また、図１、２に示すように、絶縁支柱２９の上端部には、転流回路モジュール４０の上部を覆うモジュール支持板２７を機械的に固定してもよい。つまり、第１の実施形態では、半導体遮断器３と転流装置４とで絶縁支柱２９を共有して、この絶縁支柱を半導体遮断器３と転流装置４とに跨る１つの構造体として構成する。

図６は、第１の実施形態における直流電流送電装置の転流回路モジュールの断面図の構成例を示す図である。
図６に示すように、転流回路モジュール４０は、ハーフブリッジ回路（以下、Hブリッジ回路４１という）と、転流回路モジュール４０用の収納容器３３と、転流回路モジュール４０用の絶縁支持部３４とを有する。

図７は、第１の実施形態における直流電流送電装置のハーフブリッジ回路の回路構成例を示す図である。
図７に示すように、Hブリッジ回路４１は、自励式半導体素子（以下、IGBT４２とする）を２個直列に接続した２つのレグと、コンデンサ４３とが並列に接続された構成となっており、インバータとして機能する。また、Hブリッジ回路４１のIGBT４２には、IGBT４２の通電方向に対して逆方向に電流を通過させるダイオード４９が並列に接続されている。

図６に示すように、第１の実施形態において、Hブリッジ回路４１は２個直列に接続されて収納容器３３に収められる。また、Hブリッジ回路４１を２個直列に接続した回路の両端の端子４４と、収納容器３３の両端に接続された端子３７との間を導体４５によって電気的に接続することで、端子４４と端子３７とを導通させる。転流回路モジュール４０用の絶縁支持部３４は、転流回路モジュール４０用の収納容器３３の下部に機械的に接続されている。これにより、転流回路モジュール４０と、転流回路モジュール４０用のモジュール支持板２７との絶縁距離を保持しつつ、転流回路モジュール４０をモジュール支持板２７に固定する。

また、図１、図２に示すように、転流回路モジュール４０は、転流回路モジュール４０用の収納容器３３の端子３７の片側が、機械接点式遮断器２への接続用の導体３８を介して機械接点式遮断器２の真空バルブ１８側と電気的に接続され、端子３７のもう片側が、半導体遮断器３への接続用の導体３８を介して半導体遮断器３に電気的に接続される。

第１の実施形態では、Hブリッジ回路４１は、転流回路モジュール４０用の収納容器３３に収めた上で、絶縁支持部３４を介してモジュール支持板２７に固定したが、Hブリッジ回路４１は、収納容器３３内に納めずに絶縁支持部３４を介してモジュール支持板２７に直接固定されてもよい。

図１、図２に示すように、転流回路モジュール４０を固定するモジュール支持板２７は、半導体遮断器３の絶縁支柱２９に機械的に固定される。これにより、モジュール支持板２７間の絶縁距離や、モジュール支持板２７と転流回路モジュール４０との絶縁距離を保持している。

（建屋への設置）
保守性や、汚損による絶縁性能の低下防止などを考慮して、図１、図２に示すように、上記の構成を有する直流電流遮断装置１は、建屋４６内に設置され、機械接点式遮断器２のブッシング８上端、半導体遮断器３、転流装置４などの高電圧部と、建屋壁面４７との絶縁距離を十分保持する位置に配置される。

また、機械接点式遮断器２は、半導体遮断器３の側面のうち面積がより広い側面側に、この側面と圧力容器５の軸方向とが平行になるように配置される。また、機械接点式遮断器２は、この機械接点式遮断器２と半導体遮断器３との距離が絶縁距離を保持可能な範囲で近づけるように設置される。

また、図１に示すように、直流電流遮断装置１と接続される直流送電線２０、２１は、建屋壁面４７に固定されたブッシング４８を介して、建屋壁面４７との絶縁距離を保持しつつ、建屋４６の外部へと導出される。

［１−２．作用］
以上のような、第１の実施形態の直流電流遮断装置の作用を説明する。
直流送電線２０または２１において事故が発生する前の定常状態では、直流送電線２０、機械接点式遮断器２、直流送電線２１の経路で電流が流れ、直流電力が送電される。この電流は、抵抗が非常に小さい機械接点６のみを通過するため、導通損失が非常に小さく、高効率に送電することができる。

直流送電線２１において事故が発生すると、直流電流遮断装置１の図示しない制御装置は、電流の増大で事故が発生したことを検知し、機械接点式遮断器２の操作機構７に、真空バルブ１８と、ガス接点１７を開路する指令を与え、半導体遮断器３の付属回路３２に、IGBT３５をオン（通電状態に）する指令を与える。

機械接点式遮断器２の操作機構７に、真空バルブ１８とガス接点１７とを開路する指令が与えられると、同時に図示しない制御装置によって、転流装置４の付属回路３２に、Hブリッジ回路４１がコンデンサ４３の電荷を放電する指令が与えられる。すると、転流装置４、半導体遮断器３、機械接点式遮断器２、直流送電線２０の経路で電流が流される。この電流は事故電流と逆方向に流れるため、機械接点式遮断器２の電流にゼロ点が発生し、真空バルブ１８によって機械接点式遮断器２の電流が遮断される。

すると、事故電流は、直流送電線２０、転流装置４、半導体遮断器３、直流送電線２１の経路へと転流するので、機械接点式遮断器２のガス接点１７が開路動作を完了し、事故遮断時の過渡回復電圧に対して十分な耐電圧を確保した後に、図示しない制御装置が、直流電流遮断装置１の半導体遮断器３の付属回路３２に、IGBT３５をオフ（遮断状態に）する指令を与えることで、半導体遮断器３の電流を遮断する。

半導体遮断器３の電流を遮断すると、この半導体遮断器３の両端には定格電圧の１．５倍以上である高い過渡回復電圧が発生して、この電圧が、半導体遮断器３に対して並列に接続した避雷器３９の制限電圧を超過する。このため、事故電流は、直流送電線２０、避雷器３９、直流送電線２１の経路へ転流する。この事故電流は、避雷器３９を通って流れ続ける。また、この事故電流は、直流送電線２０、２１や、この直流送電線２０、２１に電気的に接続されている図示しないリアクトルに蓄積されたエネルギーが、避雷器３９で消費され、最終的に事故電流がゼロになる。
以上の動作を以て、直流電流遮断装置１は事故電流の遮断を完了する。

［１−３．効果］
以上のような第１の実施形態の直流電流遮断装置の効果は以下の通りである。
（１）定常状態では、電力融通電流が、抵抗が非常に小さい機械接点式遮断器２だけを流れる。このため、導通損失がほとんど発生しなくなり、高効率な直流電流遮断装置１を提供できる。

（２）ブッシング８を基礎１４の平板方向に対して垂直に配置する場合、機械接点式遮断器２内の圧力容器５と、建屋４６内の建屋壁面４７との間は、ブッシング８上端と建屋壁面４７との間の絶縁距離以上離す必要がある。

これに対し、第１の実施形態のように、ブッシング８を基礎１４の垂直方向に対して傾斜させ、半導体遮断器３の方にブッシング８上端が近付くように配置することで、半導体遮断器３の方にブッシング８上端を近づけた距離分だけ、圧力容器５と建屋壁面４７との間の距離を短縮することができ、建屋４６の規模を縮小することが可能となり、コストダウンの効果が生ずる。

（３）第１の実施形態では、機械接点式遮断器２を、半導体遮断器３の側面のうち面積がより広い側面側に、この側面と圧力容器５の軸方向とが平行になるように配置し、かつ機械接点式遮断器２と半導体遮断器３との距離を、絶縁距離を保持可能な範囲で近づけるように設置する。これにより、圧力容器５と建屋壁面４７との間の距離を短縮することができ、建屋４６の規模を縮小することが可能となり、コストダウンの効果が生ずる。

（４）第１の実施形態では、複数の半導体モジュール２６を積層して配置し、更に半導体遮断器３と転流装置４とで絶縁支柱２９を共有して１つの構造体として構成することで直流電流遮断装置１の設置面積を小さくすることができる。

よって、直流電流遮断装置１を設置する基礎１４の建築費を抑えることができ、かつ建屋４６の規模を縮小することが可能となるため、コストダウンの効果を生ずる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。
［２−１．構成］
第２の実施形態の直流電流遮断装置の構成について、図８〜１１を参照して説明する。図８、図９は、第２の実施形態における直流電流遮断装置の全体構成を示す図である。具体的には、図８は、第２の実施形態における直流電流遮断装置の全体構成の一例を示す正面図であり、図９は、第２の実施形態における直流電流遮断装置の全体構成の一例を示す側面図である。図１０は、第２の実施形態における直流電流送電装置の転流回路、半導体遮断器、機械接点式遮断器の接続関係の一例を示す回路図である。図１１は、第２の実施形態における直流電流遮断装置の機械接点式遮断器の部分拡大図の断面図である。

第２の実施形態の大半の構成は、第１の実施形態の構成と同じである。よって、第１の実施形態と異なる点のみを説明し、第１の実施形態と同じ部分については同じ符号を付して詳細な説明は省略する。

第２の実施形態は、第１の実施形態と比較すると、転流装置４の接続位置が異なり、かつ転流調整リアクトル５５を有する点で異なる。
図８、９、１０に示すように、転流調整リアクトル５５は、並列に接続された機械接点式遮断器２と半導体遮断器３の接続点のうち、真空バルブ（電流遮断接点）１８側の接続点である、端子５１と端子５６との間に接続される。端子５６は、半導体遮断器３および転流調整リアクトル５５の接続点である。また、転流装置４の転流回路モジュール４０は、端子５７と端子５６との間に電気的に接続される。端子５７は、機械接点式遮断器２のガス接点１７および真空バルブ１８の接続点を、ブッシング８を介して引き出した端子である。
なお、ガス接点１７および真空バルブ１８の接続点は、圧力容器５の開口部５８へ導出され、この開口部５８に接続されたブッシング８先端の端子５７と電気的に接続される。

［２−２．作用］
以上のような第２の実施形態の直流電流遮断装置の作用を説明する。
直流送電線２０または２１において事故が発生する前の定常状態では、直流送電線２０、機械接点式遮断器２、直流送電線２１の経路で電流が流れ、直流電力を送電する。この電流は、抵抗が非常に小さい機械接点６のみを通過するため、導通損失が非常に小さく、高効率に送電することができる。

直流送電線２１において事故が発生すると、直流電流遮断装置１の図示しない制御装置は、電流が増大することで事故が発生したことを検知し、機械接点式遮断器２の操作機構７に、真空バルブ１８とガス接点１７とを開路する指令を与え、半導体遮断器３の付属回路３２に、IGBT３５をオン（通電状態に）する指令を与える。

直流電流遮断装置１の図示しない制御装置が機械接点式遮断器２の操作機構７に開路指令を与えると、同時に、図示しない制御装置によって、転流装置４の付属回路３２に、Hブリッジ回路４１がコンデンサ４３の電荷を放電する指令が与えられる。すると、転流調整リアクトル５５、転流装置４、機械接点式遮断器２の真空バルブ１８の経路で電流が流れる。この電流は事故電流と逆方向に流れるため、機械接点式遮断器２の真空バルブ１８の電流にゼロ点が発生し、上記のように真空バルブ１８が開路することによって、この真空バルブ１８に流れる電流が遮断される。すると、事故電流は直流送電線２０、転流調整リアクトル５５、転流装置４、機械接点式遮断器２のガス接点１７、直流送電線２１の経路へと転流する。

次に、直流電流遮断装置１の図示しない制御装置が、転流装置４の付属回路３２に、Hブリッジ回路４１を構成する４個のIGBT４２のゲートをブロックする指令を与える。すると、事故電流を直流送電線２０、転流調整リアクトル５５、半導体遮断器３、直流送電線２１の経路へと転流する。これにより機械接点式遮断器２に事故電流が流れなくなるため、機械接点式遮断器２のガス接点１７が開路動作を完了し、事故遮断時の過渡回復電圧に対して十分な耐電圧を確保した後に、図示しない制御装置が、直流電流遮断装置１の半導体遮断器３の付属回路３２に、IGBT３５をオフ（遮断状態に）する指令を与えることで、半導体遮断器３の電流を遮断する。
その後の動作は、第１の実施形態と同様である。

［２−３．効果］
以上のような、第２実施形態における直流電流遮断装置は、第１の実施形態と同様の効果を有する。

［その他の実施形態］
本明細書においては、本発明に係る複数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って、発明の範囲を限定することを意図していない。具体的には、第１または第２の実施形態を組み合わせたものも包含される。以上のような実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことができる。これらの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。

例えば、以下のような態様も発明の範囲に含まれる。
（１）第１、第２の実施形態では、直流電流遮断装置１に対して電界緩和用のシールドを取り付けていなかったが、半導体遮断器３や避雷器３９、ブッシング８などの電界集中部に対して電界緩和用のシールドを取り付けてもよい。

（２）第１、第２の実施形態では、機械接点式遮断器２は１つの圧力容器５にガス接点１７と真空バルブ１８を封入し、これらを圧力容器５内部で直列に接続したが、別個の圧力容器５にガス接点１７と真空バルブ１８とをそれぞれ封入してもよい。その際、ガス接点１７および真空バルブ１８は、別個の圧力容器５に接続されたブッシング８を介して直列に接続してもよい。もしくは、別個の圧力容器５の間を金属タンク９によって接続し、ガス接点１７および真空バルブ１８を導体１６によって直列に接続してもよい。

第２の実施形態において、別個の圧力容器５の間を金属タンク９によって接続する場合は、別個の圧力容器５の間を接続する金属タンク９にブッシング８を接続し、そのブッシング８から、ガス接点１７および真空バルブ１８の接続点を導出してもよい。

１…直流電流遮断装置、２…機械接点式遮断器、３…半導体遮断器、４…転流装置、５…圧力容器、６…機械接点、７…操作機構、８，４８…ブッシング、９…金属タンク、１０…固定脚、１１，１６，３８，４５…導体、１２，５８…開口部、１３…接続部、１４…基礎、１５…絶縁性媒体、１７…ガス接点、１８…真空バルブ、１９…摺動接点、２０，２１…直流送電線、２２…絶縁ロッド、２３…シールロッド、２４…固定接点、２５…可動接点、２６…半導体モジュール、２７…モジュール支持板、２８…避雷器ユニット、２９，３０…絶縁支柱、３１…半導体スタック、３２…付属回路、３３…収納容器、３４…絶縁支持部、３５，４２…IGBT、３６，３７，４４，５１，５２，５３，５４，５６，５７…端子、３９…避雷器、４０…転流回路モジュール、４１…Hブリッジ回路、４３…コンデンサ、４６…建屋、４７…建屋壁面、４９…ダイオード、５５…転流調整リアクトル。

Claims (12)

1. 機械接点式遮断器、半導体遮断器、転流装置を備える直流電流遮断装置であって、
   前記機械接点式遮断器は、
   少なくとも１つの高耐電圧接点と、少なくとも１つの電流遮断接点とが直列に接続される機械接点と、
   円筒状の圧力容器と、
   前記圧力容器に接続するブッシングと、を備え、
   前記圧力容器は、前記機械接点を内部に封入し、かつ接地電位と等電位であり、
   前記ブッシングは、前記機械接点の両端から導体を前記圧力容器の外部に引き出し、それぞれの前記導体を直流送電系統と接続し、
   前記半導体遮断器は、
   半導体モジュールと、モジュール支持板と、絶縁支柱と、を備え、
   前記半導体モジュールは、
   自励式半導体素子を２個以上一列に積層して直列接続した半導体スタックと、
   前記半導体スタックの付属回路と、
   絶縁支持部とを有し、
   前記絶縁支持部は、
   前記半導体スタック及び前記付属回路を、前記モジュール支持板に対して電気的に絶縁すると共に、前記モジュール支持板に対して機械的に接続し、
   前記絶縁支柱は、
   前記モジュール支持板を機械的に支持または固定し、
   前記半導体遮断器は、前記機械接点式遮断器に対して並列に接続され、
   前記転流装置は、
   前記機械接点式遮断器の前記高耐電圧接点、前記電流遮断接点のうち少なくとも前記高耐電圧接点に対して並列に接続され、
   前記半導体遮断器に対して直列に接続され、
   前記直流送電系統の定常送電時は、送電電流が前記機械接点式遮断器だけに流れ、
   前記直流送電系統に事故電流が発生したときは、前記機械接点式遮断器の前記高耐電圧接点と、前記電流遮断接点を開路して、前記半導体遮断器の前記自励式半導体素子を通電状態にして、前記転流装置によって前記電流遮断接点に流れる電流を一時的にゼロとすることで、前記事故電流を前記機械接点式遮断器から前記半導体遮断器へと転流させ、前記事故電流の転流後に前記半導体遮断器の前記自励式半導体素子を遮断状態とすることで、前記直流送電系統の前記事故電流を遮断する
   ことを特徴とする直流電流遮断装置。
2. 前記転流装置は、
   前記機械接点式遮断器の前記高耐電圧接点、前記電流遮断接点の双方に対して並列に接続される
   ことを特徴とする請求項１に記載の直流電流遮断装置。
3. 前記半導体遮断器および前記転流装置の接続点と、前記電流遮断接点および前記直流送電系統の接続点との間に、転流調整リアクトルが接続され、
   前記転流装置は、
   前記機械接点式遮断器の前記高耐電圧接点および前記電流遮断接点の接続点と、前記半導体遮断器および前記転流調整リアクトルの接続点との間に接続される
   ことを特徴とする請求項１に記載の直流電流遮断装置。
4. 前記高耐電圧接点はガス接点であり、
   前記電流遮断接点は真空バルブである
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の直流電流遮断装置。
5. 前記転流装置は、
   転流回路モジュールと、
   モジュール支持板と、
   絶縁支柱とを有し、
   前記転流回路モジュールは、
   前記自励式半導体素子を２個直列に接続した２つのレグとコンデンサとを並列に接続して構成されるハーフブリッジ回路と、
   前記ハーフブリッジ回路を前記転流装置の前記モジュール支持板に対して電気的に絶縁し、前記転流装置の前記モジュール支持板に対して機械的に接続する絶縁支持部と、を有し、
   前記ハーフブリッジ回路を、１つまたは複数直列接続して構成され、
   前記転流装置の前記絶縁支柱は、前記転流装置の前記モジュール支持板を機械的に固定する
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の直流電流遮断装置。
6. 前記半導体遮断器の前記絶縁支柱と、前記転流装置の前記絶縁支柱とが共有される
   ことを特徴とする請求項５に記載の直流電流遮断装置。
7. 前記半導体遮断器は、
   前記半導体モジュールおよび前記モジュール支持板を前記絶縁支柱に対して２段以上積層して配置され、
   複数の前記半導体モジュール間が直列に接続される
   ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の直流電流遮断装置。
8. 絶縁支柱上に少なくとも１個の避雷器を軸方向に積層し、これらを直列に接続して構成した避雷器ユニットをさらに備え、
   前記避雷器は前記半導体モジュールに対して並列に接続される
   ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の直流電流遮断装置。
9. 前記機械接点式遮断器の前記ブッシングの角度を、自装置の設置面の垂直方向に対して傾斜させた
   ことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の直流電流遮断装置。
10. 前記機械接点式遮断器を、前記半導体遮断器の側面のうち面積がより広い側面側に、前記広い側面と前記圧力容器の軸方向とが平行になるように配置する
    ことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の直流電流遮断装置。
11. 前記半導体遮断器や前記ブッシングに存在する電界集中部に取り付けた電界緩和用のシールドを有する
    ことを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の直流電流遮断装置。
12. 機械接点式遮断器、半導体遮断器、転流装置を備えて、前記機械接点式遮断器は、少なくとも１つの高耐電圧接点と、少なくとも１つの電流遮断接点とが直列に接続される機械接点と、円筒状の圧力容器と、前記圧力容器に接続するブッシングと、を備え、前記圧力容器は、前記機械接点を内部に封入し、かつ接地電位と等電位であり、前記ブッシングは、前記機械接点の両端から導体を前記圧力容器の外部に引き出し、それぞれの前記導体を直流送電系統と接続し、前記半導体遮断器は、半導体モジュールと、モジュール支持板と、絶縁支柱と、を備え、前記半導体モジュールは、自励式半導体素子を２個以上一列に積層して直列接続した半導体スタックと、前記半導体スタックの付属回路と、絶縁支持部とを有し、前記絶縁支持部は、前記半導体スタック及び前記付属回路を、前記モジュール支持板に対して電気的に絶縁すると共に、前記モジュール支持板に対して機械的に接続し、前記絶縁支柱は、前記モジュール支持板を機械的に支持または固定し、前記半導体遮断器は、前記機械接点式遮断器に対して並列に接続され、前記転流装置は、前記機械接点式遮断器の前記高耐電圧接点、前記電流遮断接点のうち少なくとも前記高耐電圧接点に対して並列に接続され、前記半導体遮断器に対して直列に接続される直流電流遮断装置の制御方法であって、
    前記直流送電系統に事故電流が発生したときは、前記高耐電圧接点と、前記電流遮断接点を開路して、前記半導体遮断器の前記自励式半導体素子を通電状態にして、前記転流装置によって前記電流遮断接点に流れる電流を一時的にゼロとすることで、前記事故電流を前記機械接点式遮断器から前記半導体遮断器へと転流させ、前記事故電流の転流後に前記半導体遮断器の前記自励式半導体素子を遮断状態とすることで、前記直流送電系統の前記事故電流を遮断する
    ことを特徴とする直流電流遮断装置の制御方法。