JP7362943B2 - スイッチング装置及び直流遮断装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、スイッチング装置及び直流遮断装置に関する。

遠方で、かつ分散配置された風力発電や太陽光発電の電力を集積して送電するするシステムとして直流多端子送電システムが有力視されている。直流多端子送電システムでは、例えば、直流地絡や直流短絡などの万一の事故が発生した場合に、直流送電系の高速な切り離し保護を行うための直流遮断装置が設けられる。

直流遮断装置には、機械遮断と半導体素子遮断を組み合わせたハイブリッド直流遮断装置が開発されているが、構造物として巨大な装置となることが問題となっている。

従来、直流送電では、送電効率を確保するため、数百ｋＶという送電電圧で設計される。そのような送電系に適用できよう、直流遮断装置の構成要素を高電圧化していく。特に、直流遮断装置の構成要素であるスイッチ装置は、例えば、ＩＥＧＴやＩＧＢＴなどのパワー半導体素子を用いたスイッチング装置、ダイオード、その他コンデンサ、抵抗、基板などの周辺回路を実装したユニットで構成されるが、パワー半導体装置の耐電圧が数ｋＶである。このため、数百ｋＶ耐電圧の直流遮断装置を実現するには、例えばこのユニットを直列に接続していく。一般に、所定の絶縁を確保しなければならないので、棚段を積み上げるようなタワー構成の装置となるが、構造物として極めて巨大な装置となる問題がある。そこで、直流遮断装置には、ワイドギャップ半導体がもつ負の電子親和力を電子放出源とする超高電圧のプラズマスイッチ装置を用いることがある。

プラズマスイッチは、周囲を大気とする場合には、数百ｋＶに高電圧化していくと、内部はパッシェン特性に準じたコンパクトなギャップ設計が可能になる。しかし、大気に接する外部沿面の絶縁協調をとるためには、スイッチング装置を支持する誘電支持体を伸長させなければならず、装置が極端に長くなる傾向にある。このため、装置として大型化する問題がある。

米国特許第５８２８１７６号明細書 特許第６４３０２９４号公報

本発明が解決しようとする課題は、小型のスイッチング装置及び直流遮断装置を提供することである。

実施形態のスイッチング装置は、プラズマスイッチと、外郭部と、を持つ。プラズマスイッチは、第１端子が接続された第１電極、第２端子が接続され、前記第１電極と離れて配置された第２電極、第３端子が接続され、前記第１電極と前記第２電極の間に配置された第１グリッド、第４端子が接続され、前記第１グリッドと前記第２電極の間に配置された第２グリッド、を有する。外郭部は、前記プラズマスイッチの外側に設けられ、前記プラズマスイッチとの間に密閉空間を形成する。

第１の実施形態のスイッチング装置１の側断面図。 スイッチング装置１の作用を説明するための模式図。 第１状態ＳＴ１のプラズマスイッチ２０を示す模式図。 第２状態ＳＴ２のプラズマスイッチ２０を示す模式図。 プラズマスイッチ２０に水素を補填する状態を説明する説明図。 第２の実施形態のスイッチング装置２の側断面図。 第３の実施形態のスイッチング装置３の側断面図。 第４の実施形態のスイッチング装置４の側断面図。 第５の実施形態のスイッチング装置５の側断面図。 第６の実施形態のスイッチング装置６の側断面図。 第７の実施形態のスイッチング装置７の側断面図。 第８の実施形態のスイッチング装置８の側断面図。 第９の実施形態の直流遮断装置１００を含む直流送電系統Ｋ１の構成を示す図。 Ｈブリッジ回路１４０の構成を示す図。 直流送電系統Ｋ１の電流の流れを説明する図。 シミュレーション実施回路の動作状態を表す図。 直流送電系統Ｋ１の電流の流れを説明する図。 直流送電系統Ｋ１の電流の流れを説明する図。 直流送電系統Ｋ１の電流の流れを説明する図。 直流送電系統Ｋ１の電流の流れを説明する図。 第１０の実施形態の直流遮断装置１００を含む直流送電系統Ｋ２の構成を示す図。 第１１の実施形態の直流送電系統Ｋ３に含まれる直流遮断装置１００の構成を示す図。 第１２の実施形態の直流送電系統Ｋ４に含まれる直流遮断装置１００の構成を示す図。 第１３の実施形態の直流送電系統Ｋ５に含まれる直流遮断装置１００の構成を示す図。 第１３の実施形態の直流遮断装置１００の構造の一例を示す斜視図。 第１４の実施形態の直流遮断装置１００を含む直流送電系統Ｋ６の構成を示す図。 第１５の実施形態の直流遮断装置１００を含む直流送電系統Ｋ７の構成を示す図。 片方向遮断の直流遮断装置による直流３端子送電システムの事故保護を説明する図。

以下、実施形態のスイッチング装置及び直流遮断装置を、図面を参照して説明する。以下の説明では、まず、スイッチング装置について、８個の実施形態を第１の実施形態から第８の実施形態として説明し、続いて、これらのスイッチング装置のうち少なくとも１つを用いた直流遮断装置として、７個の実施形態を第９の実施形態から第１５の実施形態として説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態のスイッチング装置１の側断面図である。第１実施形態のスイッチング装置１は、絶縁容器１０と、プラズマスイッチ２０と、水素貯蔵金属２０Ｈと、を備える。プラズマスイッチ２０は、絶縁容器１０に収容されている。絶縁容器１０は、外郭部の一例である。

絶縁容器１０は、例えば、絶縁筒１１と天端板１２と底端板１３を備える。絶縁容器１０は、絶縁ガスが充填された圧力容器である。絶縁筒１１は、例えば、ＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics）製またはセラミック製である筒状の絶縁体である。天端板１２は、絶縁筒１１の上端開口を閉塞し、底端板１３は、絶縁筒１１の下端開口を閉塞する。

天端板１２及び底端板１３は、例えば金属製であり、導電性を有している。天端板１２と底端板１３の間に絶縁筒１１が介在されることにより、天端板１２と底端板１３の間の絶縁性が維持されている。絶縁筒１１の上端開口及び下端開口がそれぞれ天端板１２及び底端板１３に塞がれることにより、絶縁容器１０の内部には密閉空間が形成されている。

絶縁筒１１の外周部には、絶縁ひだ１４が設けられている。絶縁ひだ１４は、例えば、ポリマー沿面を備える。絶縁ひだ１４は、例えば、蛇腹状をなすフレキシブル管である。絶縁ひだ１４は、容易に変形可能であり、絶縁筒１１の外周を保護している。絶縁容器１０は、例えばセラミックス製の絶縁筒１１、天端板１２、底端板１３をろう付け溶接によって接合して気密容器として製造される。

絶縁容器１０の内部における密閉空間には、サポート１５及びリード導体１６が設けられている。サポート１５は、例えば金属製の導電体であり、底端板１３上に立設されている。底端板１３の上には、プラズマスイッチ２０が搭載される。リード導体１６は、天端板１２から吊り下げられている。リード導体１６は、プラズマスイッチ２０に接続されており、プラズマスイッチ２０と絶縁容器１０の外部との電気的接続を実現させている。サポート１５は、絶縁容器１０の外部との電気的接続を実現させる導電体としても機能する。

絶縁容器１０の密閉空間には絶縁ガス１０Ｇが充填されている。第１の実施形態において、絶縁容器１０には、絶縁ガス１０Ｇとして、絶縁性の高いＳＦ６ガスが充填されている。絶縁ガス１０Ｇとしては、ＳＦ６ガス以外の絶縁性の高いガスが用いられていてもよい。

プラズマスイッチ２０は、ワイドギャップ半導体がもつ負の電子親和力を電子放出源とする超高電圧のスイッチである。プラズマスイッチ２０は、ケース部２１を備える。ケース部２１は、底板部２１Ｌ、天板部２１Ｕ、及び側壁部２１Ｓを備える。底板部２１Ｌは、円盤状をなし、サポート１５の天面上に載置されている。側壁部２１Ｓは、例えばセラミック製の絶縁体である。側壁部２１Ｓは、底板部２１Ｌの外周に沿って立設されている。絶縁容器１０における絶縁筒１１は、プラズマスイッチ２０の外側に配置されている。

側壁部２１Ｓは、側壁下部２１Ｓ１、側壁中部２１Ｓ２、及び側壁上部２１Ｓ３を含み、これらが分割配置されて構成されている。底板部２１Ｌと側壁下部２１Ｓ１の間に第１接合部Ｄ１１が設けられ、側壁下部２１Ｓ１と側壁中部２１Ｓ２の間には、第２接合部Ｄ１２が設けられる。側壁中部２１Ｓ２と側壁上部２１Ｓ３の間には、第３接合部Ｄ１３が設けられ、側壁上部２１Ｓ３と天板部２１Ｕの間には、第４接合部Ｄ１４が設けられている。第１接合部Ｄ１１～第４接合部Ｄ１４は、接合部の一例である。

ケース部２１には、第１電極２２及び第２電極２３が収容されている。第１電極２２は、第１層２２Ａと、ケース部２１の底板部２１Ｌの上面に立設されたベース脚部２２Ｂと、ベース脚部２２Ｂに取り付けられ、第１層２２Ａを支持するベース支持部２２Ｃと、を備える。ベース支持部２２Ｃは、幅広面を有しており、ベース支持部２２Ｃの幅広面に第１層２２Ａが設けられている。第１電極２２は、ベース脚部２２Ｂ、及びベース支持部２２Ｃを備えず、第１層２２Ａのみが第１電極２２を構成してもよいし、ベース支持部２２Ｃを備えず、第１層２２Ａ及びベース脚部が第１電極２２を構成してもよい。

第２電極２３は、ケース部２１の天板部２１Ｕに吊り下げられた吊持ベース２５に吊持されている。第２電極２３は、第１電極２２から離れて配置されている。吊持ベース２５は、ケース部２１の天板部２１Ｕを介してリード導体１６に電気的に接続されている。吊持ベース２５は、ベース支持部２２Ｃと同様の幅広面を有する板材を吊持し、この板材に第２電極２３が取り付けられるようにしてもよい。

第１電極２２の第１層２２Ａは、例えば、Ｂ、Ｃ、Ａｌ、Ｓｉ、及びＧａのうち少なくとも１つの材料（第１材料）を含む。第１電極２２は、例えば、これらの原料を用いた気相成長などによって形成されている。第２電極２３は、例えば、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｉｒ、及びＰｔのうち少なくとも１つの材料（第２材料）を含む。

第１電極２２の第１層２２Ａは、例えば、ダイヤモンド、ＡｌＮ、ＧａＮ等の窒化物半導体でもよく、第２電極２３は、例えば、高融点伝導体のグラファイトやモリブデンなどでもよい。ベース脚部２２Ｂ及びベース支持部２２Ｃは、例えば、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｉ及びＣｕのうち少なくとも１つの材料（第３材料）を含む。

第１電極２２のベース脚部２２Ｂ及びベース支持部２２Ｃは、ケース部２１としての耐圧性と熱伝導性の両方を備えることが望ましい。ベース脚部２２Ｂ及びベース支持部２２Ｃとしては、例えば、焼結ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド、黒鉛(グラファイト)、窒化物半導体およびアルミナセメントのうち少なくとも１種以上を含む。ベース脚部２２Ｂ及びベース支持部２２Ｃの上に形成する第１層２２Ａは、例えば、焼結ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド、黒鉛(グラファイト)、窒化物半導体およびアルミナセメントのうち少なくとも１つ以上で構成された層を二層以上積層させた積層体でもよい。

第１電極２２と第２電極２３の間には、第１グリッド２６が配置されている。第１グリッド２６と第２電極２３の間には第２グリッド２７が配置されている。第１グリッド２６及び第２グリッド２７における第１電極２２と第２電極２３に挟まれる部分は、いずれもメッシュ状をなしている。

第１グリッド２６及び第２グリッド２７のそれぞれの外側には、第１シールド２６Ｓ及び第２シールド２７Ｓが設けられている。第１シールド２６Ｓ及び第２シールド２７Ｓはケース部２１を貫通し、第１シールド２６Ｓ及び第２シールド２７Ｓの外端部はケース部２１の外側に配置されている。

第１シールド２６Ｓは、ケース部２１における第２接合部Ｄ１２を貫通し、第２シールド２７Ｓは、第３接合部Ｄ１３を貫通する。ケース部２１における第１接合部Ｄ１１～第４接合部Ｄ１４は、いずれもろう付けによって形成されている。このため、第１シールド２６Ｓ及び第２シールドがケース部２１を貫通しているが、ケース部２１内は密閉状態とされている。

ケース部２１における底板部２１Ｌには、連結管２１Ｈが設けられている。プラズマスイッチ２０は、連結管２１Ｈの先端部（下端部）に設けられた水素貯蔵金属２０Ｈを備える。水素貯蔵金属２０Ｈは、第１電極２２及び第２電極２３を収める放電ガス２０Ｇの雰囲気を生成する水素を貯蔵する。

水素貯蔵金属２０Ｈは、例えば、水素を貯蔵する金属本体と、金属本体を加熱するヒータとを備える。ヒータに電力を供給してヒータが金属本体を加熱することにより、水素貯蔵金属２０Ｈが貯蔵する水素がプラズマスイッチ２０の内部に補填される。水素貯蔵金属２０Ｈは、水素貯蔵部の一例である。

ケース部２１の内側に水素が供給される。底板部２１Ｌには、さらに、封止管２１Ｐが設けられている。プラズマスイッチ２０の内側には、水素を含むアルゴンなどの不活性ガスの希薄ガスが放電ガス２０Ｇとして封入されている。封止管２１Ｐは、プラズマスイッチ２０の内部が所定の圧力Ｐ（１気圧未満の減圧状態）となるように放電ガス２０Ｇが導入された後に気密封止する。

第１電極２２及び第２電極２３は、ケース部２１内に収容されることにより、放電ガスの雰囲気中に収められている。放電ガス２０Ｇは、水素を含むアルゴンとされているが、他の気体でもよく、例えば、水素でもよいし、重水素でもよい。放電ガスは、アルゴン、ヘリウム、及び水素のうち少なくとも１つを含んでいればよい。

プラズマスイッチ２０において、第１電極２２には、サポート１５及び絶縁容器１０の底端板１３を介して第１端子Ｔ１が電気的に接続されている。第２電極２３には、吊持ベース２５、リード導体１６、及び天端板１２を介して第２端子Ｔ２が電気的に接続されている。

第１グリッド２６には、第３端子Ｔ３が電気的に接続されている。第２グリッド２７には、第４端子Ｔ４が電気的に接続されている。水素貯蔵金属２０Ｈのヒータは、第５端子Ｔ５及び第６端子Ｔ６に接続されている。第１グリッド２６と第３端子Ｔ３、第２グリッド２７と第４端子Ｔ４をそれぞれ結ぶリード１３Ｌ、及び水素貯蔵金属２０Ｈのヒータと第５端子Ｔ５、及び水素貯蔵金属２０Ｈのヒータと第６端子Ｔ６をそれぞれ結ぶリード５０Ｌは、底端板１３に設けられた絶縁ブッシング１３Ｂを介して絶縁容器１０の内部に導入される。絶縁ブッシング１３Ｂが設けられていることにより、これらの配線を絶縁容器１０の内部に導入しながら、絶縁容器１０の内部の気密状態が維持される。

次に、第１の実施形態のスイッチング装置１の作用について説明する。プラズマスイッチ２０には、第１状態及び第２状態などの複数の状態が設けられる。プラズマスイッチ２０の状態は、第１電極２２と第２電極２３の間の空間に配置した第１グリッド２６及び第２グリッド２７の電位、すなわち、スイッチング装置１における第３端子Ｔ３と第４端子Ｔ４の間の電位に基づく。

図２は、スイッチング装置１の作用を説明するための模式図である。図２においては、第１電極２２、第２電極２３、第１グリッド２６、及び第２グリッド２７と、それらの間の放電状態を示している。第１電極２２には第１端子Ｔ１、第２電極２３には第２端子Ｔ２、第１グリッド２６には第３端子Ｔ３、第２グリッド２７には第４端子Ｔ４がそれぞれ接続されている。

図３は、第１状態ＳＴ１のプラズマスイッチ２０を示す模式図である。例えば、第１端子Ｔ１が第１電位Ｖ１に設定され、第２端子Ｔ２が第２電位Ｖ２に設定され、第３端子Ｔ３が、第３電位Ｖ３に設定され、第４端子Ｔ４が、第４電位Ｖ４に設定されたとする。

第２電位Ｖ２は、第１電位Ｖ１よりも高く、第３電位Ｖ３は、第１電位Ｖ１と第２電位Ｖ２との間である（Ｖ１＜Ｖ３＜Ｖ２）。第４電位Ｖ４は、第３電位Ｖ３よりも低い（Ｖ４＜Ｖ３）。第１電位Ｖ１は、例えば、負電位またはグランド電位である。第２電位Ｖ２は、例えば、正電位である。第３電位Ｖ３は、例えば、中間電位である。第４電位Ｖ４は、例えば、負電位である。この場合に、プラズマスイッチ２０は第１状態ＳＴ１となる。第１状態ＳＴ１は、非導通状態（オフ状態）である。

図４は、第２状態ＳＴ２のプラズマスイッチ２０を示す模式図である。例えば、第１端子Ｔ１が第１電位Ｖ１に設定され、第２端子Ｔ２が第２電位Ｖ２に設定され、第３端子Ｔ３が、第３電位Ｖ３に設定され、第４端子Ｔ４が、第５電位Ｖ５に設定されたとする。第５電位Ｖ５は、第３電位Ｖ３よりも高い（Ｖ３＜Ｖ５）。第５電位Ｖ５は、例えば正電位である。この場合に、プラズマスイッチ２０は第２状態ＳＴ２となる。第２状態ＳＴ２は、導通状態（オン状態）である。

第１状態ＳＴ１において第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２との間に流れる電流よりも、第２状態ＳＴ２において第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２との間に流れる電流は大きい。第１状態ＳＴ１は、例えば、高抵抗状態である。第２状態ＳＴ２は、例えば、低抵抗状態である。

スイッチング装置１は、プラズマスイッチ２０が第１状態と第２状態との間で変化することにより、スイッチ動作が行われる。スイッチング装置１は、例えば、大電流の高電圧直流遮断器である。第１電極２２は例えば陰極であり、第２電極は例えば陽極である。

プラズマスイッチ２０が第１状態ＳＴ１である場合、第１電極２２と第１グリッド２６との間の第１空間ＳＰ１に第１プラズマＳＰ１Ｐが生成される。このとき、第１グリッド２６と第２電極２３の間は絶縁状態である。このため、第１状態ＳＴ１のプラズマスイッチ２０は、第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２の間で非導通状態となる。

プラズマスイッチ２０が第２状態である場合、第１グリッド２６と第２グリッド２７の間の第２空間ＳＰ２に第２プラズマＳＰ２Ｐが生成され、第２グリッド２７と第２電極の間の第３空間ＳＰ３に第３プラズマＳＰ３Ｐが生成される。このため、第２状態のプラズマスイッチ２０は、第１端子Ｔ１と第２端子の間で導通状態となる。

次に、プラズマスイッチ２０内に水素を補填する手順について説明する。図５は、プラズマスイッチ２０に水素を補填する状態を説明する説明図である。プラズマスイッチ２０の内部は、高電圧化や還元雰囲気にしたいなどの理由、あるいは、ダイヤモンド半導体の水素終端の消耗の補填などの理由で、ケース部２１の内部には、アルゴン等のガスとともに水素が予め封入されている。

水素貯蔵金属２０Ｈは、ケース部２１内の水素を補填するものである。水素貯蔵金属２０Ｈを、図示しないヒータで加熱することにより、水素貯蔵金属２０Ｈから水素を取り出して、ケース部２１内の水素を補填する。第５端子Ｔ５及び第６端子Ｔ６は、水素貯蔵金属２０Ｈに設けられたヒータに電力を供給するための端子である。水素貯蔵金属２０Ｈを加熱して水素を供給するので、例えば、弁などを用いた水素の供給などと比較して、ケース部２１内の圧力を安定的に維持させやすくすることができる。

第１電極２２における第１層２２Ａは、Ｂ、Ｃ、Ａｌ、Ｓｉ、及びＧａのうち少なくとも１つを含む第１材料を含む。１つの例において、第１層２２Ａは、例えば、ダイヤモンド、黒鉛（グラファイト）、窒化物半導体、焼結ダイヤモンド及びアルミナセメントのうち少なくとも１種以上を含む。

ダイヤモンド、窒化物半導体と酸化物半導体も電子親和力に優れるため、大電流をスイッチングする観点からこれらの材料も好ましい。焼結ダイヤモンドは、ダイヤモンドを主体とするため、電子親和力に優れる。また、黒鉛は、熱伝導率の高さと化学結合の強固さによる熱的安定性により好ましい。また、アルミナセメントの電子化物は電子親和力に優れるため好ましい。

以上説明した第１の実施形態のスイッチング装置１において、プラズマスイッチ２０が用いられている。スイッチング装置１におけるプラズマスイッチ２０は、ワイドギャップ半導体がもつ負の電子親和力を電子放出源とする超高電圧のプラズマスイッチである。をコンパクトに実現する。このため、例えばスイッチング装置１を直流遮断装置の遮断回路部とすることにより、従来、巨大な構造部となっていた直流遮断装置の据付面積、体積（体格）とも大幅に縮小すること。これにより、洋上プラットフォームを従来より小型に設計でき、プラントコストのダウンを図ることができる。

一般的に、プラズマスイッチ２０において、例えば、第１電極２２が第２電極２３と対向する場合、交差電界をかけることで比較的安定な動作を得やすいと考えられる。しかし、プラズマスイッチ２０を高電圧化していくことを想定した場合、プラズマスイッチ２０の外部沿面が大気中に露出していると、ケース部２１の内部はパッシェン特性に準じたコンパクトなギャップ設計が可能になるのに対して、大気に接する外部沿面の絶縁協調をとるためには、誘電支持体を伸長させなければならず、装置が極端に長くなるという問題がある。その結果、スイッチング装置１が大型化し、構造強度や製造性に弊害となる。

これに対して、第１の実施形態１のスイッチング装置１においては、プラズマスイッチ２０の周囲を絶縁ガスとする絶縁容器１０の中に配置している、このため、プラズマスイッチ２０の外部沿面と大気中への露出が抑制されるので、高電圧化による大型化を抑制し、コンパクトで高電圧大電流をスイッチング可能なスイッチング装置１を提供できる。

また、第１電極２２の第１層２２Ａは小さい電子親和力の材料としている。これにより、第１層２２Ａからの電子が効率的に放出され、大電流を安定してスイッチングすることができる。第１電極２２の第１層２２Ａをダイヤモンド、黒鉛（グラファイト）などの熱伝導性の優れた材料とすると、第１電極２２の温度上昇を抑制することができる。第１層２２Ａの温度が上昇すると、スイッチ動作可能なグロー放電した状態から、電流が遮断できないアーク放電をする状態に移行しやすい。第１層２２Ａの温度上昇を抑制することで、アーク放電を抑制し、安定したグロー放電が可能となって、動作が安定した信頼性の高いスイッチング装置１を提供することができる。また、プラズマスイッチ２０の周囲を絶縁ガスとする絶縁容器１０の中に配置することで、高電圧化による大型化を抑制し、コンパクトで高電圧大電流をスイッチング可能なスイッチング装置１を提供できる。

また、プラズマスイッチ２０は、第１電極２２から第２電極２３に向けて電子を放出する。第１電極２２において、第１層２２Ａは、第２電極２３を向く表面に設けられている。このため、第１電極２２から第２電極２３に効率的に電子を放出させることができる。さらに、第１層２２Ａは、第２電極２３を向く面の全面に設けられている。このため、第１電極２２から第２電極２３に電子をさらに効率的に放出させることができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図６は、第２の実施形態のスイッチング装置２の側断面図である。第２の実施形態以降の実施形態において、第１の実施形態と共通する部分については同一の符号を付し、説明を省略することがある。

第２の実施形態のスイッチング装置２においては、天端板１２及び底端板１３のそれぞれにおける平面視した中央部分にドーナツ状の開口１２Ｈ及び１３Ｈが設けられている。天端板１２には、サポート１５と同一形状であり、サポート１５を天地逆さまとして配置された上部サポート１７が設けられている。

上部サポート１７の底面には天板部２１Ｕが取り付けられている。第２電極２３は、天板部２１Ｕに吊り下げられた吊持ベース２５に吊持されている。吊持ベース２５は、天板部２１Ｕを介して上部サポート１７に電気的に接続されている。その他の点は、上記第１の実施形態と共通である。

第２の実施形態のスイッチング装置２は、上記第１の実施形態のスイッチング装置１と同様の作用効果を奏する。さらに、第２の実施形態のスイッチング装置１において、サポート１５は、第１電極２２及び第１電極２２と第１端子Ｔ１をつなぐ導体で発生する熱を放出する。底端板１３に設けられた開口１３Ｈは、サポート１５の熱を大気に向けて放熱する。上部サポート１７は、第２電極２３及び第２電極２３と第２端子Ｔ２をつなぐ導体で発生する熱を放出する。天端板１２に設けられた開口１２Ｈは、上部サポート１７の熱を大気に向けて放熱する。このため、スイッチング装置１の放熱性を高めることができ、スイッチング電流の許容量を増大させることができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図７は、第３の実施形態のスイッチング装置３の側断面図である。第３の実施形態のスイッチング装置３は、ケース部２１において、側壁部２１Ｓは、側壁下部２１Ｓ１、側壁中部２１Ｓ２、側壁上部２１Ｓ３のほかに、側壁中上部２１Ｓ４を含み、分割配置されて構成される。側壁中上部２１Ｓ４と側壁上部２１Ｓ３の間には、浮遊電位接合部Ｄ１５が設けられている。第３接合部Ｄ１３は、側壁中部２１Ｓ２と側壁中上部２１Ｓ４の間に設けられている。浮遊電位接合部Ｄ１５は、第１接合部Ｄ１１～第４接合部Ｄ１４と同様にろう付けによって形成されている。

ケース部２１の内側には、浮遊電位接合部Ｄ１５の電位である浮遊電位の浮遊電位シールド２８が設けられている。浮遊電位シールド２８は中実のシールドである。浮遊電位接合部Ｄ１５の側方におけるケース部２１の外側には、浮遊電位の外部シールド２８Ｋが設けられている。浮遊電位シールド２８は、プラズマスイッチ２０内と絶縁容器１０内の電界を緩和する作用がある。浮遊電位シールド２８は、浮遊電位シールド部の一例である。

さらに、第４接合部Ｄ１４の側方におけるケース部２１の外側には、第２電極２３の電位のシールド２９が設けられている。その他の点は、上記第１の実施形態と共通である。さらに、図示はしないが、第１接合部の側方におけるケース部２１の外側に、第１電極２２の電位のシールドを設けてもよい。

第３の実施形態のスイッチング装置３は、上記第１の実施形態のスイッチング装置１と同様の作用効果を奏する。さらに、第３の実施形態のスイッチング装置３は、ケース部２１の内側に設けられた浮遊電位シールド２８を備える。浮遊電位シールド２８は、絶縁容器１０の体積を調整する機能と、絶縁筒１１の高さ方向の長さを調節して、浮遊電位接合部Ｄ１５を適切な中間電位となるようにして、絶縁容器１０内の浮遊電位シールド２８による電界緩和の効果を高めることができる。また、外部浮遊電位の外部シールド２８Ｋを設けることにより、絶縁ガスを充填した絶縁容器１０内の電界緩和の効果を高めることができる。

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。図８は、第４の実施形態のスイッチング装置４の側断面図である。第４実施形態のスイッチング装置４は、第１電極２２と、第２電極２３と、第１グリッド２６と、第２グリッド２７とが、いずれも、中央部が空間となる回転体の形状をなしている。第１電極２２と、第２電極２３と、第１グリッド２６と、第２グリッド２７は、同心円を描くように、互いに同軸上に配置されている。第１電極２２は、第１層２２Ａと、ベース２２Ｄによって構成される。

プラズマスイッチ２０のケース部２１は、中央が凹んだ略Ｕ字形状に形成されており、中央には第２電極２３と、ケース部２１の外側となる空間が形成されている。ケース部２１は、略Ｕ字形状の底壁となる第１電極２２のベース２２Ｄと、側壁中部２１Ｓ２と、側壁中上部２１Ｓ４と、側壁上部２１Ｓ３を含んで構成される。第１電極２２のベース２２Ｄと側壁中部２１Ｓ２の間には、第２接合部Ｄ１２が設けられている。側壁中部２１Ｓ２と側壁中上部２１Ｓ４の間には、第３接合部Ｄ１３が設けられている。側壁中上部２１Ｓ４と側壁上部２１Ｓ３の間には、浮遊電位接合部Ｄ１５が設けられている。側壁上部２１Ｓ３と天板部２１Ｕの間には、第４接合部Ｄ１４が設けられている。

ケース部２１における天板部２１Ｕの上部には、第２実施形態と同様の上部サポート１７が設けられている。上部サポート１７の中央部分は開口している。ケース部２１における天板部２１Ｕも、上部サポート１７と同様に開口している。これの開口からケース部２１の内側が覗けるようになっている。

ケース部２１の内側では、第２電極２３が最も内側に配置され、第２グリッド２７、第１グリッド２６、第１電極２２の順で外側に向けて配置されている。プラズマスイッチ２０は、ケース部２１の外側に設けられた放熱フィン２１Ｆを備えている。放熱フィン２１Ｆは、プラズマスイッチ２０が発する熱を放出して第１電極２２を冷却する。

ケース部２１には、第３の実施形態と同様の浮遊電位接合部Ｄ１５が設けられている。ケース部２１の内側には、第３の実施形態と同様の浮遊電位シールド２８が設けられている。浮遊電位接合部Ｄ１５の側方におけるケース部２１の外側には、浮遊電位の外部シールド２８Ｋが設けられている。第２電極２３の電位のシールドや第１電極２２の電位のシールドは設けられていないが、これらが設けられていてもよい。

略Ｕ字形状の第１電極２２を製造する方法として、例えば、円筒形のベース材料の内側にフィラメントを貼り、炭素源を供給して熱ＣＶＤでベース材料の内側に第１層２２Ａとしてダイヤモンド膜を形成する方法がある。第１電極２２は、他の方法で製造してもよい。

第４の実施形態のスイッチング装置２は、上記第１の実施形態のスイッチング装置１と同様の作用効果を奏する。さらに、第４の実施形態のスイッチング装置４においては、第２電極２３を中心として、第２グリッド２７、第１グリッド２６、及び第１電極２２が同心円を描くように配置されている。このため、対称性が良くなるので、大電流特性に優れたものとすることができるとともに、グロー放電を安定させることができる。

さらに、第１電極２２と、第２電極２３と、第１グリッド２６と、第２グリッド２７を同軸上に配置した同軸構造とすることにより、均一な電界によって意図しない放電を防止することができる。その結果、スイッチング装置４の信頼性を向上させることができる。さらに、第１電極２２及び第２電極２３の面積を大きくすることができるので、より多くの電流をスイッチさせることができる。

さらに、同軸構造とすることにより、陽極である第２電極２３に向かって電界が増大するため、電子なだれを促進することができ、電流増幅効果が大きくすることができる。さらに、陰極である第１電極２２付近では相対的に電界が弱まるので、陰極に衝突する陽イオンの運動エネルギーが小さくなる。したがって、陰極のダメージを抑制することができ、スイッチング装置１の長寿命化を図ることができる。

第４の実施形態のスイッチング装置４は、放熱フィン２１Ｆを備える。第１電極２２はグロー放電による発熱があるが、第１電極２２の熱を放熱フィン２１Ｆによって放出することで、第１電極２２の温度上昇を抑制することができる。第１電極２２の温度が上昇すると、スイッチ動作可能なグロー放電した状態から、電流が遮断できないアーク放電をする状態に移行しやすい。第１電極２２の温度上昇を抑制することで、アーク放電を抑制し、安定したグロー放電が可能となって、大電流における動作が安定する。したがって、信頼性の高いスイッチング装置４を提供することができる。

（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。図９は、第５の実施形態のスイッチング装置５の側断面図である。第５の実施形態のスイッチング装置５は、第４の実施形態のスイッチング装置４と比較して、第２電極２３の構造が異なる。第４の実施形態の第２電極２３は、中央部が空間となる回転体の形状をなしているのに対して、第５の実施形態の第２電極２３は、中央部が中実となる回転体の形状をなしている。その他の点は、第４の実施形態のスイッチング装置４の構成と共通である。

第５の実施形態のスイッチング装置５は、上記第４の実施形態のスイッチング装置４と同様の作用効果を奏する。さらに、第５の実施形態のスイッチング装置５において、第２電極２３は中実とされている。このため、第２電極２３の質量を大きくし、熱容量を大きくすることができる。したがって、プラズマスイッチ２０が第２状態ＳＴ２であるときに、例えば、大電流の導通状態における第２電極２３の温度上昇を抑えることができる。よって、アーク放電への移行による遮断不能を防ぎ、安定した電流遮断が可能とすることができる。

（第６の実施形態）
次に、本発明の第６の実施形態について説明する。図１０は、第６の実施形態のスイッチング装置６の側断面図である。第６の実施形態のスイッチング装置６において、プラズマスイッチ２０における第１電極２２、第１グリッド２６、第２グリッド２７、及び第２電極２３の配置は、第４の実施形態と共通である。第６の実施形態のスイッチング装置６は、プラズマスイッチ２０の上部及び下部が大気中に露出されている。スイッチング装置６は、サポート１５を備えておらず、プラズマスイッチ２０の下側が、絶縁容器１０の底端板１３を通り抜けて大気中に露出する。このため、第１電極２２が大気中に露出している。

プラズマスイッチ２０の上方には、上部サポート１７が設けられている。上部サポート１７の底面には天板部２１Ｕが取り付けられている。上部サポート１７は、柱状態をなしている。上部サポート１７の上端部と天端板１２の間には、封止フランジ３０が取り付けられている。封止フランジ３０が設けられていることにより、絶縁容器１０内が密閉状態に維持されている。

上部サポート１７及び天板部２１Ｕの中央には、開口が設けられている。プラズマスイッチ２０は、開口を介して大気と通じている。プラズマスイッチ２０においては、第２電極２３が最も内側（回転体の回転軸に近い側）に設けられている。このため、第２電極２３が大気中に露出している。

プラズマスイッチ２０におけるケース部２１の内側には、中実シールド３１が設けられている。第４の実施形態では、ケース部２１の内側には浮遊電位シールド２８が設けられていたが、第６の実施形態では、中実シールド３１が設けられている点において、第３の実施形態と異なる。

上部サポート１７と天板部２１Ｕの間におけるプラズマスイッチ２０の外側には、上部シールド３２が設けられている。中実シールド３１及び上部シールド３２は、いずれも第２電極２３の電位のシールドである。そのほかに、浮遊電位接合部Ｄ１５や側壁中上部２１Ｓ４が設けられていない点などを除いた以外の点において、第６の実施形態の構成は、第４の実施形態の構成と共通である。

第６の実施形態のスイッチング装置６は、上記第４の実施形態のスイッチング装置４と同様の作用効果を奏する。さらに、第６の実施形態のスイッチング装置６においては、第１電極２２及び第２電極２３が大気中に露出している。このため、第１電極２２と第２電極２３の放熱性能を高めることができる。したがって、プラズマスイッチ２０が第１状態ＳＴ１である場合における第１電極２２の温度上昇を抑えることができる。さらに、プラズマスイッチ２０が第２状態ＳＴ２である場合における第２電極２３の温度上昇を抑えることができる。よって、アーク放電への移行による遮断不能を防ぎ、安定した電流遮断が可能となる

第６の実施形態のスイッチング装置６においては、中実シールド３１が設けられている。中実シールド３１が設けられていることにより、絶縁容器１０の空間体積を調整することができる。さらに、対抗する第２グリッド２７との間の電界を緩和する効果を発揮することができる。したがって、放熱性に優れるとともに、遮断電流を大きくすることができる。

（第７の実施形態）
次に、本発明の第７の実施形態について説明する。図１１は、第７の実施形態のスイッチング装置７の側断面図である。第７の実施形態のスイッチング装置７は、第６の実施形態のスイッチング装置６と比較して、中実シールド３１が設けられていない代わりに、第４の実施形態で説明した浮遊電位シールド２８及び外部シールド２８Ｋが設けられている。第７の実施形態のスイッチング装置７は、さらに、浮遊電位接合部Ｄ１５や側壁中上部２１Ｓ４が設けられている。その他の構成については、第６の実施形態のスイッチング装置６と共通する。

第７の実施形態のスイッチング装置７は、上記第４の実施形態のスイッチング装置４と同様の作用効果を奏する。さらに、第７の実施形態のスイッチング装置７においては、第１電極２２及び第２電極２３が大気中に露出している。このため、第１電極２２と第２電極２３の放熱性能を高めることができる。したがって、プラズマスイッチ２０が第１状態ＳＴ１である場合における第１電極２２の温度上昇を抑えることができる。さらに、プラズマスイッチ２０が第２状態ＳＴ２である場合における第２電極２３の温度上昇を抑えることができる。よって、アーク放電への移行による遮断不能を防ぎ、安定した電流遮断が可能となる。したがって、放熱性に優れるとともに、遮断電流を大きくすることができる。

（第８の実施形態）
次に、本発明の第８の実施形態について説明する。図１２は、第８の実施形態のスイッチング装置８の側断面図である。第８の実施形態のスイッチング装置８は、第７の実施形態のスイッチング装置７と比較して、プラズマスイッチ２０における第１電極２２及び第２電極２３を伸長させて、その長さが長くなっている点で主に異なっている。

第８の実施形態のスイッチング装置８における第１電極２２の長さは、第１電極２２の高さ方向の長さＬを２倍し、さらに幅方向の長さを加えた長さである。このため、第１電極２２を高さ方向に伸長させることにより、プラズマスイッチ２０の大型化を抑制しながら、第１電極２２を長くすることができる。

第８の実施形態のスイッチング装置８は、上記第７の実施形態のスイッチング装置７と同様の作用効果を奏する。さらに、第８の実施形態のスイッチング装置８は、第１電極２２及び第２電極２３が伸長されているので、遮断電流をさらに大きくすることができる。

（第９の実施形態）
続いて、第１の実施形態のスイッチング装置１から第８の実施形態のスイッチング装置８のうち少なくとも１つを用いた、第９の実施形態の直流遮断装置１００について説明する。第９の実施形態の直流遮断装置１００は、例えば、直流系統において、系統事故などが生じたときに、直流系統を遮断する装置である。以下の各実施形態においても同様である。以下の説明において、「通常時」とは、直流送電系統において正常な電流が流れている状態をいい、「事故時」とは、雷等に起因する系統事故によって、過大な事故電流が生じた状態をいう。

図１３は、第９の実施形態の直流遮断装置１００を含む直流送電系統Ｋ１の構成を示す図である。直流送電系統Ｋ１は、例えば、第１直流送電網２００Ａと第２直流送電網２００Ｂを正側でつなぐ正側送電線３００と、負側でつなぐ負側送電線４００と、を備える。

第９の実施形態の直流遮断装置１００は、上記第１の実施形態のスイッチング装置１と同様の作用効果を奏する。さらに、第９の実施形態において、直流遮断装置１００は、直流送電系統Ｋ１の正側送電線３００に設けられている。ここでは、正側送電線３００において、第１直流送電網２００Ａから第２直流送電網２００Ｂへ送電される例を主に説明する。

直流遮断装置１００には、機械式断路器１１０と、機械式遮断器１２０と、並列回路１３０と、Ｈブリッジ回路１４０とが設けられている。機械式断路器１１０及び機械式遮断器１２０は、いずれも正側送電線３００に接続される。機械式遮断器１２０は、機械式断路器１１０に直列に接続される。並列回路１３０は、機械式断路器１１０及び機械式遮断器１２０に並列に接続される。Ｈブリッジ回路１４０は、正側送電線３００と並列回路１３０とを接続する。

より具体的には、並列回路１３０は、プラズマスイッチングユニット１３１と、プラズマスイッチングユニット１３１に直列に接続されたリアクトル１３２を備える。並列回路１３０において、プラズマスイッチングユニット１３１にのみ並列にアレスタ１５０が接続されている。Ｈブリッジ回路１４０は、正側送電線３００の機械式断路器１１０と機械式遮断器１２０の間の一点と、並列回路１３０のプラズマスイッチングユニット１３１とリアクトル１３２の間の一点を接続するように構成されている。

機械式断路器１１０は、公知の種々の構成を用いることができる。本実施形態では、後述するように並列回路１３０を用いて直流電流の遮断が行われるため、機械式断路器１１０自体に電流遮断能力は不要である。このため、機械式断路器１１０は、機械接点を持つものであって、接点が切り離された状態で、事故点を切り離すのに必要な直流電圧に耐える絶縁耐圧を持つものであれば足りる。機械式断路器１１０は、例えば、回路の端子間に回動接触子を設け、この回動接触子が回動して各端子に取り付けられた固定接触子と接離することによって、回路の切り離しを行う構成とすることができる。

機械式断路器１１０は、通常時には導通状態、すなわち接点が接触した状態になるように制御される。第１直流送電網２００Ａからの電流は、機械式断路器１１０を通過して第２直流送電網２００Ｂへ流れる。事故時は、後述するが、並列回路１３０に電流が流れるように制御が行われ、機械式断路器１１０を流れる電流が略ゼロになったところで、非導通状態に切り換えられ、回路が切り離される。

機械式遮断器１２０は、公知の種々の構成を用いることができる。機械式遮断器１２０は、機械接点を持つものであって、接点を開くことにより小電流を遮断する能力を有するものであれば足りる。機械式遮断器１２０は、は、例えば、回路の端子間に回動接触子を設け、この回動接触子が回動して各端子に取り付けられた固定接触子と接離することによって、小電流の遮断を行う構成とすることができる。

機械式遮断器１２０は、通常時には導通状態、すなわち接点が接触した状態になるように制御される。第１直流送電網２００Ａからの電流は、機械式断路器１１０及び機械式遮断器１２０を通過して第２直流送電網２００Ｂへ流れる。事故時には、機械式遮断器１２０に流れる電流が増大する。機械式遮断器１２０には、図示しない電流センサが取り付けられている。直流送電系統Ｋ１において発生する事故は、例えば、機械式遮断器１２０に流れる電流を電流センサで測定し、事故を示す閾値と比較することで検出される。詳細は後述するが、事故時に、Ｈブリッジ回路１４０に電流が流れ、機械式遮断器１２０を流れる電流が略ゼロになる制御が行われる。機械式遮断器１２０は、流れる電流が略ゼロになったところで非導状態に切り換えられ、回路が切り離される。

並列回路１３０には、設けられたプラズマスイッチングユニット１３１は、互いに並列に接続された第１スイッチング装置１３１Ａと、第２スイッチング装置１３１Ｂを備える。第１スイッチング装置１３１Ａ及び第２スイッチング装置１３１Ｂは、いずれも例えば上記第１の実施形態のスイッチング装置１から第８の実施形態のスイッチング装置８のいずれかである。

第１スイッチング装置１３１Ａと、第２スイッチング装置１３１Ｂは、いずれも直流送電系統Ｋ１の電流の供給及び遮断を切り換える。リアクトル１３２は、第１スイッチング装置１３１Ａと、第２スイッチング装置１３１Ｂの双方に対して直列に接続される。

第９の実施形態で説明するプラズマスイッチングユニット１３１は、逆並列に接続した第１スイッチング装置１３１Ａ及び第２スイッチング装置１３１Ｂを備えている。第１直流送電網２００Ａ側を第１電極２２とした第２スイッチング装置１３１Ｂと、第２直流送電網２００Ｂ側を第１電極２２とした第１スイッチング装置１３１Ａがあるため、第１直流送電網２００Ａから第２直流送電網２００Ｂ、もしくは第２直流送電網２００Ｂから第１直流送電網２００Ａの双方向の電流を導通および遮断可能となっている。

第１スイッチング装置１３１Ａ及び第２スイッチング装置１３１Ｂは、いずれもプラズマスイッチ２０を備えるスイッチング装置（以下「プラズマスイッチング装置」という）である。プラズマスイッチング装置は、第１の実施形態から第８の実施形態で説明したように、第３端子Ｔ３と第４端子Ｔ４の電位に基づいて第１状態（非導通状態）、あるいは第２状態（導通状態）となる。このように第４端子Ｔ４の電位を切り替えることにより、第１状態から第２状態に移行して導通状態とし、逆に、第２の状態から第１の状態として非導通状態とするスイッチング装置である。

第１スイッチング装置１３１Ａは、第１直流送電網２００Ａ側を第２電極２３に接続し、第２直流送電網２００Ｂ側を第１電極２２とする。第２スイッチング装置１３１Ｂは、第１直流送電網２００Ａ側を第１電極２２に接続し、第２直流送電網２００Ｂ側を第２電極２３とする。

スイッチング装置、例えば第１スイッチング装置１３１Ａと逆並列のスイッチング装置、例えば第２スイッチング装置１３１Ｂは、それぞれの第３端子Ｔ３と第４端子Ｔ４の電位を制御することによって、導通状態である導通状態と非導通状態である非導通状態が切り換えられる。導通状態では、プラズマスイッチングユニット１３１を介して並列回路１３０へ電流が供給され、非導通状態では直流送電系統から並列回路１３０への電流は遮断される。

プラズマスイッチングユニット１３１には、一定電圧以上が印加されると導通する非線形素子からなるアレスタ１５０が並列に接続されている。アレスタ１５０は、プラズマスイッチングユニット１３１が非導通状態に切り換えられたときに、サージ電圧を吸収して安全な電流遮断を可能とする。リアクトル１３２は、電流変化率低減用のものである。リアクトル１３２は、Ｈブリッジ回路１４０による電流制御を可能とするために設けられている。

Ｈブリッジ回路１４０は、複数のＨブリッジユニット１４１を備える。Ｈブリッジ回路１４０は、複数のＨブリッジユニット１４１を直列に接続した構成となっている。Ｈブリッジ回路１４０は、機械式断路器１１０及び前記機械式遮断器１２０の間の一点と、プラズマスイッチングユニット１３１と、リアクトル１３２の間の一点を接続する。

図１４は、Ｈブリッジ回路１４０の構成を示す図である。Ｈブリッジ回路１４０は、複数のＨブリッジユニット１４１を有する、Ｈブリッジユニット１４１は、スイッチング素子１４２、レグ１４３、ダイオード１４４、及びコンデンサ１４５かを備える。Ｈブリッジ回路１４０は、出力電圧制御により機械式遮断器１２０に流れる電流を制御する。

Ｈブリッジ回路１４０の各Ｈブリッジユニット１４１は、スイッチング素子１４２を直列に２個接続した２つのレグ１４３を有する。スイッチング素子１４２は、それぞれ自己消弧能力を持つものが用いられる。各スイッチング素子１４２にはダイオード１４４が並列に接続されている。これら２つのレグ１４３は並列に接続され、さらにコンデンサ１４５が２つのレグ１４３と並列に接続されている。コンデンサ１４５は、定常動作時に正側送電線３００を流れる電流によって充電される。

以上の構成を有する直流遮断装置１００の動作を、図１５～図２０を参照し、通常時と事故時に分けて説明する。通常時は、機械式断路器１１０及び機械式遮断器１２０を導通状態、プラズマスイッチングユニット１３１およびＨブリッジ回路１４０を非導通状態に制御する。図１５、図１７～図２０は、直流送電系統Ｋ１の電流の流れを説明する図である。図１５に示すように、第１直流送電網２００Ａからの電流は、機械式断路器１１０及び機械式遮断器１２０のみを通過して第２直流送電網２００Ｂへ流れ、並列回路１３０及びＨブリッジ回路１４０には流れない。

ここで、プラズマスイッチスイッチング装置を用いた直流遮断装置１００の有効性について説明する。図１６は、シミュレーション実施回路の動作状態を表す図である。シミュレーションは、直流遮断装置１００の有効性を説明するために実施したものである。

シミュレーション実施回路は、第１直流送電網２００Ａを模擬した回路構成の中に、図１３に示すプラズマスイッチング装置を用いた直流遮断装置１００を接続し、直流遮断装置１００に直流電圧３２０ｋＶを印加した状態とした後、模擬化した第１直流送電網２００Ａの正側送電線３００に雷などに起因する地絡事故を発生させたものである。

シミュレーションでは、図１７に示すように、地絡事故が正側送電線３００における直流遮断装置１００と第２直流送電網２００Ｂの間の事故地点Ｊで発生したものを想定している。図１６中の実線Ｌ１は機械式遮断器１２０を流れる電流を示す。一点鎖線Ｌ２はＨブリッジ回路１４０を流れる電流を示す。二点鎖線Ｌ３はプラズマスイッチングユニット１３１を流れる電流を示す。

事故発生時においては、事故電流は時間と共に増大していく。プラズマスイッチング装置を用いた直流遮断装置１００は、全体として見ると二段階の遮断動作を行う。まず、事故電流の小さい初期の段階で、機械式遮断器１２０の遮断動作を行って事故電流を並列回路１３０に転流させ、事故電流の増大した後期の段階で、プラズマスイッチングユニット１３１の遮断動作を行う。以下、詳細に説明する。

時間ｔ１において地絡事故が発生すると、実線Ｌ１で示すように機械式遮断器１２０に流れる電流は増大する。機械式遮断器１２０に取り付けられた電流センサは、機械式遮断器１２０を流れる電流Ｉｄｃ_Ｍを検出し、予め設定した事故発生検出閾値Ｉｄｃ_Ｊと比較する。検出された電流Ｉｄｃ_Ｍが事故発生検出閾値Ｉｄｃ_Ｊを超過した時間ｔ２において、並列回路１３０のプラズマスイッチングユニット１３１の第２スイッチング装置１３１Ｂの第４端子Ｔ４の第４電位Ｖ４が第５電位Ｖ５となって、第２スイッチング装置１３１Ｂは導通状態となる。同時に、Ｈブリッジ回路１４０の出力電圧制御を行う。具体的には、Ｈブリッジ回路１４０の出力電圧Ｖ_Ｈを以下の（１）式で演算して、出力する。
Ｖ_Ｈ＝Ｇ（ｓ）×（ＩｄｃＭ－０） ・・・（１）
上記（１）において、Ｇ（ｓ）は制御ゲイン、ｓはラプラス演算子である。制御ゲインＧ（ｓ）は、例えば一般的な比例積分制御を行う。

各Ｈブリッジユニット１４１における各レグ１４３のスイッチング素子１４２を予め定めるオン・オフ時間の比（ｄｕｔｙ）に従ってパルス幅変調制御を実行することにより、機械式遮断器１２０に流れる電流Ｉｄｃ_Ｍが略ゼロとなるように制御し続ける。言い換えると、各レグ１４３のスイッチング素子１４２に対してパルス幅変調制御を実施することにより、Ｈブリッジユニット１４１の出力電圧Ｖ＿Ｈを可変出力する。

このようなＨブリッジ回路１４０による制御により、図１６の実線Ｌ１で示すように、機械式遮断器１２０に流れる電流Ｉｄｃ_Ｍは略ゼロになるまで制御され続ける。この状態で機械式遮断器１２０を非導通状態に移行させる。機械式遮断器１２０に流れる電流は略ゼロとなっているため、接点を非導通状態に移行させても通常の直流電流導通時のように、アークを引いて電流が流れ続けることがない。そのため、高速に電流を遮断することができる。

Ｈブリッジユニット１４１による出力電圧制御を行う場合は、ほぼ導通抵抗ゼロの機械式遮断器１２０にＨブリッジユニット１４１の出力電圧が直接印加され、短絡電流が流れて、電流制御ができなくなるおそれがある。しかしながら、本実施形態では、Ｈブリッジ回路１４０に接続された並列回路１３０に、電流変化率低減用のリアクトル１３２が設けられている。このリアクトル１３２によって機械式遮断器１２０にＨブリッジユニット１４１の出力電圧が直接印加されることが防止されるため、機械式遮断器１２０に流れる電流の制御が可能となる。

具体的に説明すると、機械式遮断器１２０に流れる電流Ｉｄｃ_Ｍの電流変化率ｄＩｄｃ_Ｍ／ｄｔは、リアクトル１３２のインダクタンス値Ｌを用いて以下の（２）式で表される。
ｄＩｄｃ_Ｍ／ｄｔ＝Ｖ＿Ｈ／Ｌ ・・・（２）

リアクトル１３２がない場合、インダクタンス値Ｌ＝０となるため、Ｈブリッジユニット１４１の出力電圧Ｖ＿Ｈがゼロでない限り、電流変化率ｄＩｄｃ_Ｍ／ｄｔは無限大となってしまい、機械式遮断器１２０に流れる電流Ｉｄｃ_Ｍの制御ができなくなる。本実施形態では、並列回路１３０にリアクトル１３２を設けることによって、上記式においてインダクタンス値Ｌが挿入されるため、電流変化率ｄＩｄｃ_Ｍ／ｄｔが有限となる。したがって、Ｈブリッジユニット１４１の出力電圧Ｖ＿Ｈの大きさに応じて電流変化率ｄＩｄｃ_Ｍ／ｄｔを制御することが可能となる。これによって、機械式遮断器１２０にＨブリッジユニット１４１の出力電圧が直接印加されることを防止し、機械式遮断器１２０を流れる電流Ｉｄｃ_Ｍを略ゼロにする電流制御が可能となる。

Ｈブリッジ回路１４０による出力電圧制御により、機械式遮断器１２０に流れる電流Ｉｄｃ_Ｍは略ゼロになるまで制御され続ける。具体的には、図１８に示すように、正側送電線３００を流れる電流は、機械式遮断器１２０を通らずにＨブリッジ回路１４０を通り、さらにＨブリッジ回路１４０に接続された並列回路１３０を通って、正側送電線３００に戻る。このため、機械式遮断器１２０に流れる電流Ｉｄｃ_Ｍが略ゼロになる。この状態で機械式遮断器１２０を非導通状態に移行させる。機械式遮断器１２０に流れる電流は略ゼロとなっているため、接点を非導通状態に移行させても通常の直流電流導通時のように、アークを引いて電流が流れ続けることがない。そのため、高速に電流を遮断することができる。

次に、Ｈブリッジユニット１４１のスイッチング素子１４２を全てオフにする（図１６の一点鎖線Ｌ２を参照）。すると、図１９に示すように、Ｈブリッジユニット１４１のコンデンサ１４５に予め蓄えていた電圧が、機械式断路器１１０を流れ続ける事故電流を減少させる方向に印加される。これによって、機械式断路器１１０を流れる事故電流は減少する。機械式断路器１１０に流れる事故電流が減少した分、機械式断路器１１０に並列に接続された並列回路１３０に事故電流が転流される。

図１６の二点鎖線Ｌ３で示すように、プラズマスイッチングユニット１３１に流れる電流が増大し、時間の経過により、最終的に機械式断路器１１０に流れる電流はゼロになり、すべての事故電流がプラズマスイッチングユニット１３１を流れるようになる。この動作状態を図２０に示す。このタイミングで、機械式断路器１１０をオフにする。機械式断路器１１０には電流が流れていないため、接点を切り離しの際にアークが生じて電流が流れ続けることはない。

最後に、図２０に示す動作状態において、第２スイッチング装置１３１Ｂの第４端子Ｔ４の第５電位Ｖ５を第４電位Ｖ４に切り換えて、並列回路１３０に流れる事故電流を遮断する。このとき発生するサージ電圧はアレスタ１５０に吸収され、電流遮断が完了する。

第９の実施形態の直流遮断装置１００においては、通常時には、電流が機械式断路器１１０及び機械式遮断器１２０のみを通過するため、導通損失がほぼゼロとすることができ、効率をよいものとすることができる。一方、事故時には、Ｈブリッジ回路１４０を用いた出力電圧制御により、並列回路１３０に電流を誘導して機械式断路器１１０を流れる電流を、アークを生じさせずに回路の切り離しを行うことができるように、例えば略ゼロにすることで、電流遮断能力のない機械式断路器１１０であっても、安全に事故点の切り離しを行うことができる。さらに、並列回路１３０に設けたプラズマスイッチングユニット１３１によって高速の電流遮断を実現することができる。

さらに、プラズマスイッチングユニット１３１は、プラズマスイッチング装置で構成されている。このため、極めてコンパクトな装置とすることができる。したがって、送電効率の向上だけでなく、直流多端子送電設備における直流遮断器の設備面積を大幅な縮小し、設備コストの低減に寄与することができる。

（第１０の実施形態）
次に、第１０の実施形態について説明する。図２１は、第１０の実施形態の直流遮断装置１００を含む直流送電系統Ｋ２の構成を示す図である。第１０の実施形態の直流遮断装置１００を含む直流送電系統Ｋ２において、直流遮断装置１００は、機械式断路器１１０及びプラズマスイッチングユニット１３１を多数直列に接続して構成されている。複数のプラズマスイッチングユニット１３１のそれぞれには、アレスタ１５０が並列に接続されている。その他の点については、おおよそ第９の実施形態の直流送電系統Ｋ１と共通の構成を有している。

第１０の実施形態の直流送電系統Ｋ２に設けられた直流遮断装置１００は、上記第９の実施形態の直流遮断装置１００と同様の作用効果を奏する。さらに、第１０の実施形態の直流送電系統Ｋ２に設けられた直流遮断装置１００は、多数直列に接続された機械式断路器１１０及びプラズマスイッチングユニット１３１を備えている。このため、直列接続の接続数を適切に設計することにより、直流送電系統Ｋ２における各所の電圧に対して適切に対応することができる。したがって、標準化による生産性の向上に寄与することができる。

（第１１の実施形態）
次に、第１１の実施形態について説明する。図２２は、第１１の実施形態の直流送電系統Ｋ３に含まれる直流遮断装置１００の構成を示す図である。第１１の実施形態の直流送電系統Ｋ３に含まれる直流遮断装置１００は、機械式断路器１１０、機械式遮断器１２０、プラズマスイッチングユニット１３１、及びＨブリッジユニット１４１を制御する制御装置５００を備える。直流送電系統Ｋ３は、全体的には、第９の実施形態に係る直流送電系統Ｋ１と同様の構成を有している。

制御装置５００は、例えば、通信部５１０と、判定部５２０と、操作部５３０と、を、を備える。判定部５２０及び操作部５３０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）（コンピュータ）等のハードウェアプロセッサがプログラム（ソフトウェア）を実行することにより実現される。また、これらの構成要素のうち一部または全部は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等のハードウェア（回路部；circuitryを含む）によって実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアの協働によって実現されてもよい。プログラムは、予めコントローラのＨＤＤやフラッシュメモリ等の記憶装置（非一過性の記憶媒体を備える記憶装置）に格納されていてもよいし、ＤＶＤやＣＤ－ＲＯＭ等の着脱可能な記憶媒体に格納されており、記憶媒体（非一過性の記憶媒体）がドライブ装置に装着されることで記憶装置にインストールされてもよい。プログラムは、記憶部に記憶されていてもよい。

制御装置５００は、例えば、直流送電系統Ｋ３における事故発生時に、プラズマスイッチングユニット１３１及びＨブリッジユニット１４１を導通状態に移行させ、Ｈブリッジ回路１４０の出力電圧制御により機械式遮断器１２０に流れる電流を制限して機械式遮断器１２０を非導通状態に移行させる。

制御装置５００は、Ｈブリッジユニット１４１を非導通状態に移行させ、Ｈブリッジ回路１４０におけるコンデンサ１４５の電圧印加により並列回路１３０に事故電流を転流させて機械式断路器１１０を非導通状態に移行させる。制御装置５００は、プラズマスイッチングユニット１３１で事故電流を遮断する。制御装置５００は、制御部の一例である。

通信部５１０は、例えば、各種情報を送信及び受信するための無線通信モジュールである。通信部５１０は、例えば、管理センターなどにより送信される事故情報を受信し、判定部５２０に出力する。通信部５１０は、例えば、操作部５３０が生成する制御信号を、直流遮断装置１００に含まれる各種機器に送信する。

判定部５２０は、通信部５１０により出力される事故情報に基づいて、直流送電系統Ｋ３における事故の発生を判定する。判定部５２０は、直流送電系統Ｋ３に事故が発生したと判定した場合、事故の発生及び事故の状況を含む事故発生情報を操作部５３０に通知する。

操作部５３０は、判定部５２０により通知された事故発生情報に基づいて、断路器操作信号、遮断機操作信号、スイッチ操作信号、及びブリッジ操作信号を生成する。断路器操作信号は、機械式断路器１１０を操作する信号である。遮断機操作信号は、機械式遮断器１２０を操作する信号である。スイッチ操作信号は、プラズマスイッチングユニット１３１を操作する信号である。ブリッジ操作信号は、Ｈブリッジユニット１４１を操作する信号である。

操作部５３０は、生成した断路器操作信号、遮断機操作信号、スイッチ操作信号、及びブリッジ操作信号を、それぞれ機械式断路器１１０、機械式遮断器１２０、プラズマスイッチングユニット１３１、及びＨブリッジユニット１４１に向けて、通信部５１０に送信させる。

スイッチ操作信号には、第１スイッチ操作信号から第４スイッチ操作信号が含まれる。第１スイッチ操作信号は、第１スイッチング装置１３１Ａの第１グリッド２６に対応する第３端子Ｔ３の電位を切り換える情報である。第２スイッチ操作信号は、第１スイッチング装置１３１Ａの第２グリッド２７に対応する第４端子Ｔ４の電位を切り換える情報である。第３スイッチ操作信号は、第２スイッチング装置１３１Ｂの第１グリッド２６に対応する第３端子Ｔ３の電位を切り換える情報である。第４スイッチ操作信号は、第２スイッチング装置１３１Ｂの第２グリッド２７に対応する第４端子Ｔ４の電位を切り換える情報である。

事故発生情報は、例えば、直流送電の送電方向、及び直流系統での事故の発生の情報を含む。判定部５２０は、直流送電の送電方向は認識する機能及び直流系統での事故発生を判断する機能を含む。判定部５２０は、例えば、送電方向が第１端子２０１から第２端子２０２である場合には、事故発生時の最終電流遮断として、第１スイッチング装置１３１Ａを選択する。判定部５２０は、例えば、送電方向が第２端子２０２から第１端子２０１である場合には、事故発生時の最終電流遮断として、第２スイッチング装置１３１Ｂを選択する。

直流遮断装置１００は、例えば、正極側の直流送電線に接続される。このため。直流遮断装置１００は大地から相応の絶縁を確保して構成される。制御装置５００は、例えば、直流遮断装置１００の各種機器の近くに設置されるが、大地電位の地上に据え付けられる。このため、制御装置５００は、絶縁トランスを介した電線ケーブル手段や、光信号によって電気的な絶縁をとった光ファイバーケーブル手段により、各機器に操作信号を送信する。

第１１の実施形態の直流送電系統Ｋ３に設けられた直流遮断装置１００は、上記第９の実施形態の直流遮断装置１００と同様の作用効果を奏する。さらに、第１１の実施形態の直流送電系統Ｋ３に設けられた直流遮断装置１００は、送電方向を判断し、事故が発生場合に、第１スイッチング装置１３１Ａ及び第２スイッチング装置１３１Ｂのいずれを遮断するかを選択する。このため、双方向の事故電流を遮断することができる。

（第１２の実施形態）
次に、第１２の実施形態について説明する。図２３は、第１２の実施形態の直流遮断装置１００を含む直流送電系統Ｋ４の構成を示す図である。第１２の実施形態の直流遮断装置１００は、第１１の実施形態の直流遮断装置１００と比較して、水素量制御部５４０を備える点で主に異なる。

第１２の実施形態の直流遮断装置１００において、通信部５１０は、第１スイッチング装置１３１Ａ及び第２スイッチング装置１３１Ｂの動作回数を受信し、水素量制御部５４０に出力する。

水素量制御部５４０は、出力された動作回数に基づいて、第１スイッチング装置１３１Ａ及び第２スイッチング装置１３１Ｂのそれぞれにおける第１電極２２の表面終端の水素消費の監視、水素濃度の監視、耐電圧レベルの監視を行う。水素量制御部５４０は、これらの監視結果に基づいて、第１スイッチング装置１３１Ａ及び第２スイッチング装置１３１Ｂのそれぞれにおけるプラズマスイッチ２０に水素を補填するか必要があるか否かを判定する。

水素量制御部５４０は、水素を補填する必要があると判定した場合に、第１スイッチング装置１３１Ａ及び第２スイッチング装置１３１Ｂに向けて補填操作信号を通信部５１０に送信させる。補填操作信号は、水素貯蔵金属２０Ｈを加熱して水素を放出させ、プラズマスイッチ２０内に水素を補填させるための信号である。

第１２の実施形態の直流送電系統Ｋ４に設けられた直流遮断装置１００は、上記第１１の実施形態の直流遮断装置１００と同様の作用効果を奏する。さらに、第１２の実施形態の直流送電系統Ｋ４に設けられた直流遮断装置１００は、第１スイッチング装置１３１Ａ及び第２スイッチング装置１３１Ｂにおけるプラズマスイッチ２０内の水素濃度が低下した際に、プラズマスイッチ内の減圧圧力を阻害することなく、水素を供給することができる。

（第１３の実施形態）
次に、第１３の実施形態について説明する。図２４は、第１３の実施形態の直流送電系統Ｋ５に含まれる直流遮断装置１００の構成を示す図である。直流送電系統Ｋ５に含まれる直流遮断装置１００は、機械遮断バルブ１０１、プラズマスイッチバルブ１０２、及びＨブリッジバルブ１０３を備える。直流送電系統Ｋ５は、全体的には、第９の実施形態に係る直流送電系統Ｋ１と同様の構成を有している。

機械遮断バルブ１０１は、機械式断路器１１０と機械式遮断器１２０を含む。プラズマスイッチバルブ１０２は、プラズマスイッチングユニット１３１とアレスタ１５０を含む。機械遮断バルブ１０１、プラズマスイッチバルブ１０２、及びＨブリッジバルブ１０３は、互いに独立して配設されている。Ｈブリッジバルブ１０３は、Ｈブリッジユニット１４１及びリアクトル１３２を含む。機械遮断バルブ１０１は、例えば図示しない独立した架台上に載置されている。

機械遮断バルブ１０１、プラズマスイッチバルブ１０２、及びＨブリッジバルブ１０３は、それぞれ第１端子２０１から第８端子２０８を介して導体で接続されている。機械遮断バルブ１０１、プラズマスイッチバルブ１０２、及びＨブリッジバルブ１０３は、いずれも電流を流したり止めたりする機能を有する。図２５は、第１３の実施形態の直流遮断装置１００の構造の一例を示す斜視図である。

第１３の実施形態の直流送電系統Ｋ５に設けられた直流遮断装置１００は、上記第９の実施形態の直流遮断装置１００と同様の作用効果を奏する。さらに、第１３の実施形態の直流遮断装置１００は、機械遮断バルブ１０１を独立した架台に載置している。このため、機械遮断バルブ１０１に実装されている機械式断路器１１０及び機械式遮断器１２０の電極開閉に伴う操作振動が、プラズマスイッチバルブ１０２とＨブリッジバルブ１０３に伝わらないようにすることを容易に実現できる。したがって、耐久性などの信頼性を向上させることができる。

第１３の実施形態の直流遮断装置１００では、機械遮断バルブ１０１、プラズマスイッチバルブ１０２、及びＨブリッジバルブ１０３はそれぞれ独立して配設されている。このため、側面からのアクセスが容易となり、メンテナンスを有利となるようにすることができる。

例えば、一つのステージに機械式断路器１１０、機械式遮断器１２０、プラズマスイッチングユニット１３１、及びＨブリッジユニット１４１を配置すると、ステージ面積が広くなり、奥のほうへのアクセスが難しくなる。また、一段のステージで負担する機器重量も増加するため、ステージを強固に構成する必要があり、全体重量が増加し、コストも高くなる。

この点、第１３の実施形態の直流遮断装置１００では、機械遮断バルブ１０１、プラズマスイッチバルブ１０２、及びＨブリッジバルブ１０３はそれぞれ独立して配設されている。このため、構成用品の取り扱いに対する注意項目が限定され組立性を向上させることができる。さらに、バルブ単位での試験による品質向上を図ることができる。したがって、プラズマスイッチング装置を用いた直流遮断装置１００の耐久性、保守性、組立性、品質を向上させることができる。

（第１４の実施形態）
次に、第１４の実施形態について説明する。図２６は、第１４の実施形態の直流遮断装置１００を含む直流送電系統Ｋ６の構成を示す図である。第１４の実施形態の直流送電系統Ｋ６において、直流遮断装置１００は、機械式断路器１１０及びＨブリッジ回路１４０（図１３参照）を備えていない。

機械式遮断器１２０に並列に接続された並列回路１３０には、逆並列に接続された第１スイッチング装置１３１Ａ及び第２スイッチング装置１３１Ｂを備えるプラズマスイッチングユニット１３１とアレスタ１５０が並列に接続されている。プラズマスイッチングユニット１３１と直列にリアクトル１３２（図１３参照）が接続されていてもよい。

第１４の実施形態の直流遮断装置１００は、第１スイッチング装置１３１Ａ及び第２スイッチング装置１３１Ｂのプラズマスイッチ２０が第２の状態にあるときにおける電圧降下が大幅に改良できたものである。以下、第１４の実施形態の直流遮断装置１００の動作について、通常時と事故時に分けて説明する。なお、事故時については、第２直流送電網２００Ｂで直流短絡事故が発生した場合について説明する。

通常時は、機械式断路器１１０を導通状態、プラズマスイッチングユニット１３１の第１スイッチング装置１３１Ａ及び第２スイッチング装置１３１Ｂを非導通状態（第２状態ＳＴ２）に制御する。このとき、第１直流送電網２００Ａからの電流は、機械式遮断器１２０のみを通過して第２直流送電網２００Ｂへ流れ、並列回路１３０には流れない。

事故発生時、機械式断路器１１０に取り付けられた電流センサが事故発生検出閾値Ｉｄｃ_Ｊを超える電流Ｉｄｃ_Ｍを検出したら、第１直流送電網２００Ａ側に第２電極２３が接続されたプラズマスイッチングユニット１３１の第１スイッチング装置１３１Ａを制御して第２状態（導通状態）に切り換える。

機械式断路器１１０に取り付けられた電流センサが電流Ｉｄｃ_Ｍの検出と同時に、機械式断路器１１０は、接点電極が開く方向に動作を開始する。機械式断路器１１０の接点電極が離れ始めると接点電極間にはアークが発生し、同時にアーク電圧が発生する。電流は継続して流れ続けようとするが、機械式断路器１１０を流れる事故電流は、並列回路１３０に分流する。

プラズマスイッチングユニット１３１の第２状態における電圧降下が大幅に低減できれば、機械式断路器１１０を流れる事故電流はほとんどが並列回路１３０に転流する。さらに、機械式断路器１１０の接点電極が離れる部位に圧縮ガスを吹き付けて接点電極やその周囲気のプラズマ化を抑制するのと、接点電極の開極動作を最大ギャップに向けて継続する動作中することで、アーク電圧が高くなり、さらに並列回路１３０に事故電流が流れやすくなり、機械式断路器１１０のアークが消え、電流がゼロになる。

機械式断路器１１０の電流がゼロとなった後、機械式遮断器１２０が持つ絶縁回復時間を待って、プラズマスイッチングユニット１３１の第１スイッチング装置１３１Ａを第２状態（導通状態）から第１状態（非導通状態）に切り換えて、並列回路１３０に流れる電流を遮断する。こうして、直流遮断装置１００による事故電流遮断が完了する。

第１４の実施形態の直流送電系統Ｋ６に設けられた直流遮断装置１００は、上記第９の実施形態の直流遮断装置１００と同様の作用効果を奏する。さらに、第１４の実施形態の直流遮断装置１００は、Ｈブリッジ回路を備えずに、直流遮断装置１００を実現できるため、低コスト化、小型化に寄与することができる。さらに、装置部品点数を削減したことによる、保守性、生産性（リードタイム）、信頼性が向上させることができる。

（第１５の実施形態）
次に、第１５の実施形態について説明する。図２７は、第１５の実施形態の直流遮断装置１００を含む直流送電系統Ｋ７の構成を示す図である。第１５の実施形態の直流送電系統Ｋ７は、複数、例えば３つの直流遮断装置１００（第１直流遮断装置１００Ａ～第３直流遮断装置１００Ｃ）を備える。直流遮断装置１００は、第９実施形態におけるプラズマスイッチングユニット１３１に代えて、第１スイッチング装置１３１Ａを備えており、第２スイッチング装置１３１Ｂは設けられていない。直流遮断装置１００は、片方向遮断の直流遮断装置である。

直流送電系統Ｋ７は、第１直流送電網２００Ａ、第２直流送電網２００Ｂ、及び第３直流送電網２００Ｃの３つの直流送電網を備える。第１直流送電網２００Ａ、第２直流送電網２００Ｂ、及び第３直流送電網２００Ｃは、いずれも図示しない交直電力変換装置（コンバータ）を備える。

第１直流遮断装置１００Ａの正側送電線３００には、第１直流送電網２００Ａ側に第１端子２０１が設けられ、第１直流送電網２００Ａの反対側に第２端子２０２が設けられている。第２直流遮断装置１００Ｂの正側送電線３００には、第２直流送電網２００Ｂ側に第２端子２０２が設けられ、第２直流送電網２００Ｂの反対側に第２端子２０２が設けられている。第３直流遮断装置１００Ｃの正側送電線３００には、第３直流送電網２００Ｃ側に第１端子２０１が設けられ、第３直流送電網２００Ｃの反対側に第２端子２０２が設けられている。

次に、直流送電系統Ｋ７に含まれる片方向遮断の直流遮断装置１００（第１直流遮断装置１００Ａ～第３直流遮断装置１００Ｃ）の動作に、複数の事故ケースを例示して説明する。図２８は、片方向遮断の直流遮断装置による直流３端子送電システムの事故保護を説明する図である。この説明において、直流送電系統Ｋ７では、第２直流送電網２００Ｂに向けて、第１直流送電網２００Ａと第３直流送電網２００Ｃから、正側送電線３００と負側送電線４００により直流送電しているものとする。

まず、事故ケース１について説明する。事故ケース１は、第１直流送電網２００Ａと第１直流遮断装置１００Ａとの間の正側送電線３００の第１事故点Ｊ１で地絡事故が発生したケースである。

第１事故点Ｊ１で地絡事故が発生することにより、第１事故点Ｊ１の電圧は大地電位となる。このため、事故電流は、第１事故点Ｊ１に向けて流れる。すなわち、第１直流送電網２００Ａ側から第１事故点Ｊ１に向けて、そして、第２直流送電網２００Ｂ側と第３直流送電網２００Ｃ側からの電流が第１事故点Ｊ１に向けて流れ込む。

このとき、第１直流遮断装置１００Ａが保護動作し、事故電流を遮断して、第１事故点Ｊ１を正側送電線３００切り離す。第２直流送電網２００Ｂと第３直流送電網２００Ｃは、第１事故点Ｊ１が正側送電線３００から切り離されたことで、第２直流送電網２００Ｂに向けて第３直流送電網２００Ｃから送電を継続、または、再開できる。

次に、事故ケース２について説明する。事故ケース２は、第１直流送電網２００Ａと第２直流送電網２００Ｂと第３直流送電網２００Ｃとを接続する正側送電線３００の第２事故点Ｊ２で地絡事故が発生したケースである。

第２事故点Ｊ２で地絡事故が発生することにより、第２事故点Ｊ２の電圧は大地電位となる。このため、事故電流は第２事故点Ｊ２に向けて流れる。すなわち、第１直流送電網２００Ａ側から第２事故点Ｊ２に、第２直流送電網２００Ｂ側から第２事故点Ｊ２に、そして、第３直流送電網２００Ｃ側から第２事故点Ｊ２に向けて、事故電流が流れ込む。

このとき、第１直流遮断装置１００Ａ～第３直流遮断装置１００Ｃのそれぞれが保護動作し、事故電流を遮断して、第２事故点Ｊ２を正側送電線３００から切り離す。保護動作とは、直流遮断装置１００におけるプラズマスイッチを第１状態（非導通状態）から第２状態（導通状態）に切り換える動作である。事故ケース２は、第２事故点Ｊ２を復旧しないかぎり、第１直流送電網２００Ａ～第３直流送電網２００Ｃのいずれとも連系できないこととなる。

次に、事故ケース３について説明する。事故ケース３は、第２直流送電網２００Ｂと第２直流遮断装置１００Ｂの間の正側送電線３００の第３事故点Ｊ３で地絡事故が発生したケースである。

第３事故点Ｊ３で地絡事故が発生することにより、第３事故点Ｊ３の電圧は大地電位となる。このため、事故電流は第３事故点Ｊ３に向けて流れる。すなわち、第２直流送電網２００Ｂ側から第３事故点Ｊ３に向けて、そして、第１直流送電網２００Ａ側と第３直流送電網２００Ｃ側から第３事故点Ｊ３に向けて、事故電流が流れ込む。

このとき、第２直流遮断装置１００Ｂが保護動作し、事故電流を遮断して、第３事故点Ｊ３を正側送電線３００から切り離す。第１直流送電網２００Ａと第３直流送電網２００Ｃは、第３事故点Ｊ３が正側送電線３００から切り離されたことで、連系可能状態となる。

次に、事故ケース４について説明する。事故ケース４は、第３直流送電網２００Ｃと第３直流遮断装置１００Ｃとの間の正側送電線３００の第４事故点Ｊ４で地絡事故が発生したケースである。

第４事故点Ｊ４で地絡事故が発生することにより、第４事故点Ｊ４の電圧は大地電位となる。このため、事故電流は、第４事故点Ｊ４に向けて流れる。すなわち、第１直流送電網２００Ａ側と第２直流送電網２００Ｂ側から第４事故点Ｊ４に向けて、そして、第３直流送電網２００Ｃ側からの電流が第４事故点Ｊ４に向けて流れ込む。

このとき、第３直流遮断装置１００Ｃが保護動作し、事故電流を遮断して、第４事故点Ｊ４を正側送電線３００切り離す。第１直流送電網２００Ａと第２直流送電網２００Ｂは、第４事故点Ｊ４が正側送電線３００から切り離されたことで、第２直流送電網２００Ｂに向けて第１直流送電網２００Ａから送電を継続、または、再開できる。

第１５の実施形態の直流送電系統Ｋ７に設けられた直流遮断装置１００は、上記第９の実施形態の直流遮断装置１００と同様の作用効果を奏する。さらに、第１５の実施形態の直流遮断装置１００は、片方向遮断の直流遮断器であっても、直流多端子送電線の事故点を切り離し、事故の拡大を抑制することができる。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、第１端子が接続された第１電極、第２端子が接続され、前記第１電極と離れて配置された第２電極、第３端子が接続され、前記第１電極と前記第２電極の間に配置された第１グリッド、及び、第４端子が接続され、前記第１グリッドと前記第２電極の間に配置された第２グリッド、を有するプラズマスイッチと、前記プラズマスイッチの外側に設けられ、前記プラズマスイッチとの間に密閉空間を形成する外郭部と、を備え、前記密閉空間に絶縁ガスが充填されている、スイッチング装置であることにより、小型のスイッチング装置及び直流遮断装置を提供することができる。

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ものである。

１～８…スイッチング装置、１０…絶縁容器、１０Ｇ…絶縁ガス、１１…絶縁筒、１２…天端板、１２Ｈ…開口、１３…底端板、１４…絶縁ひだ、１３Ｂ…絶縁ブッシング、１３Ｈ…開口、１３Ｌ…リード、１５…サポート、１６…リード導体、１７…上部サポート、２０…プラズマスイッチ、２０Ｇ…放電ガス、２０Ｈ…水素貯蔵金属、２１…ケース部、２１Ｆ…放熱フィン、２１Ｈ…連結管、２１Ｌ…底板部、２１Ｐ…封止管、２１Ｓ…側壁部、２１Ｓ１…側壁下部、２１Ｓ２…側壁中部、２１Ｓ３…側壁上部、２１Ｓ４…側壁中上部、２１Ｕ…天板部、２２…第１電極、２２Ａ…第１層、２２Ｂ…ベース脚部、２２Ｃ…ベース支持部、２２Ｄ…ベース、２３…第２電極、２５…吊持ベース、２６…第１グリッド、２６Ｓ…第１シールド、２７…第２グリッド、２７Ｓ…第２シールド、２８…浮遊電位シールド、２８Ｋ…外部シールド、２９…シールド、３０…封止フランジ、３１…中実シールド、３２…上部シールド、５０Ｌ…リード、１００…直流遮断装置、１００Ａ…第１直流遮断装置、１００Ｂ…第２直流遮断装置、１００Ｃ…第３直流遮断装置、１０１…機械遮断バルブ、１０２…プラズマスイッチバルブ、１０３…Ｈブリッジバルブ、１１０…機械式断路器、１２０…機械式遮断器、１３０…並列回路、１３１…プラズマスイッチングユニット、１３１Ａ…第１スイッチング装置、１３１Ｂ…第２スイッチング装置、１３２…リアクトル、１４０…Ｈブリッジ回路、１４１…Ｈブリッジユニット、１４２…スイッチング素子、１４３…レグ、１４４…ダイオード、１４５…コンデンサ、１５０…アレスタ、２００Ａ…第１直流送電網、２００Ｂ…第２直流送電網、２００Ｃ…第３直流送電網、３００…正側送電線、４００…負側送電線、５００…制御装置、５１０…通信部、５２０…判定部、５３０…操作部、５４０…水素量制御部、Ｄ１１…第１接合部、Ｄ１２…第２接合部、Ｄ１３…第３接合部、Ｄ１４…第４接合部、Ｄ１５…浮遊電位接合部、Ｋ１～Ｋ７…直流送電系統、ＳＰ１……第１空間、ＳＰ１Ｐ…第１プラズマ、ＳＰ２…第２空間、ＳＰ２Ｐ…第２プラズマ、ＳＰ３…第３空間、ＳＰ３Ｐ…第３プラズマ

Claims (17)

1. 第１端子が接続された第１電極、
   第２端子が接続され、前記第１電極と離れて配置された第２電極、
   第３端子が接続され、前記第１電極と前記第２電極の間に配置された第１グリッド、及び、
   第４端子が接続され、前記第１グリッドと前記第２電極の間に配置された第２グリッド、を有するプラズマスイッチと、
   前記プラズマスイッチの外側に設けられ、前記プラズマスイッチとの間に密閉空間を形成する外郭部と、を備え、
   前記密閉空間に絶縁ガスが充填されている、
   スイッチング装置。
2. 前記外郭部は、
   前記プラズマスイッチの外側に配置された絶縁筒と、
   前記絶縁筒の開口をそれぞれ閉塞する端板と、
   前記プラズマスイッチにおける前記第１電極、前記第２電極、前記第１グリッド、及び前記第２グリッドを接合する接合部と、
   を有する圧力容器を含む、
   請求項１に記載のスイッチング装置。
3. 前記第１電極は、Ｂ、Ｃ、Ａｌ、Ｓｉ、及びＧａのうち少なくとも１つの材料を含む、
   請求項１に記載のスイッチング装置。
4. 前記第１電極は、ダイヤモンド、黒鉛、窒化物半導体、及びアルミナセメントのうち少なくとも１つの材料を含む、
   請求項１に記載のスイッチング装置。
5. 前記第１電極及び前記第２電極は、放電ガスの雰囲気中に収められており、
   前記放電ガスは、アルゴン、ヘリウム、及び水素のうち少なくとも１つを含む、
   請求項１に記載のスイッチング装置。
6. 前記放電ガスは、水素を少なくとも含み、
   前記プラズマスイッチは、前記第１電極及び前記第２電極を収める前記放電ガスの雰囲気を生成する水素を貯蔵する水素貯蔵部を更に備える、
   請求項５に記載のスイッチング装置。
7. 前記プラズマスイッチは、前記プラズマスイッチにおける浮遊電位シールド部をさら備える、
   請求項１に記載のスイッチング装置。
8. 前記第１電極及び前記第２電極のうち少なくとも一方が大気中に露出している、
   請求項１に記載のスイッチング装置。
9. 前記プラズマスイッチは、前記第１電極を冷却する放熱フィンを更に備える、
   請求項１に記載のスイッチング装置。
10. 前記第１電極と前記第２電極が導通状態である第１状態にあるときに、前記第１端子と前記第２端子との間に流れる電流よりも、前記第１電極と前記第２電極が非導通状態である第２状態にあるときに、前記第１端子と前記第２端子との間に流れる電流の方が大きく
    前記第１状態では、前記第１端子が第１電位に設定され、前記第２端子が前記第１電位よりも高い第２電位に設定され、前記第３端子が前記第１電位と前記第２電位との間の第３電位に設定され、前記第４端子が前記第３電位よりも低い第４電位に設定され、
    前記第２状態では、前記第１端子が前記第１電位に設定され、前記第２端子が前記第２電位に設定され、前記第３端子が前記第３電位に設定され、前記第４端子が前記第３電位よりも高い第５電位に設定される、
    請求項１に記載のスイッチング装置。
11. 前記第１状態において、前記第１電極と前記第２電極の間の第１空間に第１プラズマが生成される、
    請求項１０に記載のスイッチング装置。
12. 前記第２状態において、前記第１グリッドと前記第２グリッドの間の第２空間に第２プラズマが生成される、
    請求項１０または１１に記載のスイッチング装置。
13. 前記第２状態において、前記第２グリッドと前記第２電極の間の第３空間に第３プラズマが生成される、
    請求項１２に記載のスイッチング装置。
14. 直流送電系統に設けられる機械式断路器と、
    前記直流送電系統に設けられ、前記機械式断路器に直列に接続される機械式遮断器と、
    前記機械式断路器及び前記機械式遮断器に並列に接続され、前記直流送電系統の電流の供給及び遮断を切り換える請求項１から１３のうちいずれか１項に記載のスイッチング装置と、前記スイッチング装置に直列に接続されたリアクトルとを有する並列回路と、
    前記機械式断路器及び前記機械式遮断器の間の一点と、前記スイッチング装置及び前記リアクトルの間の一点を接続し、複数のスイッチング素子、ダイオード、及びコンデンサからなるＨブリッジユニットを有し、出力電圧制御により前記機械式遮断器に流れる電流を制御するＨブリッジ回路と、
    を備える直流遮断装置。
15. 前記直流送電系統における事故の発生時に、
    前記スイッチング装置及び前記Ｈブリッジユニットを導通状態に移行させ、前記Ｈブリッジ回路の出力電圧制御により前記機械式遮断器に流れる電流を制限して前記機械式遮断器を非導通状態に移行させ、
    前記Ｈブリッジユニットを非導通状態に移行させて、前記Ｈブリッジ回路の前記コンデンサの電圧印加により前記並列回路に事故電流を転流させ、前記機械式断路器を非導通状態に移行させてから、前記プラズマスイッチで事故電流を遮断する制御部を更に備える、
    請求項１４に記載の直流遮断装置。
16. 前記Ｈブリッジ回路は、直列に接続された複数の前記Ｈブリッジユニットを備える、
    請求項１４または１５に記載の直流遮断装置。
17. 前記スイッチング装置にアレスタが並列に接続されている、
    請求項１４から１６のうちいずれか１項に記載の直流遮断装置。

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