直流電力の遮断 - university of electro...
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直流電力の遮断
薮野光平，徳山俊二（日立製作所，日立研究所）
嶋田隆一（日本原子力研究所核融合研究センター）
（1984年4月19日 受理）
目 次
1．
2．
2．1
2．2
2．3
2．4
3．
3．1
3．2
3．3
4．
5．
6．
はじめに……・…・・……9一………………9一
直流遮断器の遮断方式・・………・
限流方式 ’●…’…………●●辱………………’
振動方式 …… …
自己消弧方式 一・
直流遮断器の開発状況………………・・…・…・………
核融合試験装置用直流遮断器…… ・・…
変流器コイル電源における直流遮断器の構成・・ …・…
各種核融合試験装置用直流遮断器……・…・……
中性粒子入射装置用半導体直流スイッチ・…・…
直流遮断器の技術的課題……
まとめ・一……………・………………”●…
参考文献………・………………
page
429
．．． 430
430
…。 431
。。φ●● 434
434
436．
436
437
447
448
448
449
Kohei Yabuno，Shunji Tokuyanla：Hitachi Research Laboratory，Hitachi，，Ltd
Ryuichi Sh㎞ada：Japan Atomic Energy Research Institute
428
核融合研究 第51巻第6号 1984年6月
DC Power Interruption Technology
（Received April19，1984）
Abstract
This report describes the newest technology for large DC power i皿terruption
of hig｝塾voltage direct current （HVE）C）tra，nsmission lines and them監onuclea，r fusion
equipment power supPly system． 丁血e main switching eleme皿ts of DC interrupters
are co皿structedわy the most judicious use of VCB，ABB，or tkyristor switck based
on the indivi｛lua霊devices． ln particular，utilization of semiconductor switches is
わecomi皿gl more common in fusion equipment pow吐・r supPly system． The circuit
i皿terrupters based on this DC power interruption technology should be useful in
futurethermo疑uclearfusionequipment．
1．はじめに
直流電流は交流電流のように電洗が零点を有しないため，直流遮断に際しては何らかの方法で電流
零点を発生きせる必要がある。それにはアーク電圧を高めて消弧する方法と電流を強制的に零まで減
少させ，電流零点を作ってから遮断を行なう方法とがある。電流零点を発生きせる方法は種々のアイ
ディアがあり，古くは今世紀始めに特許が出されている1）。
これまで直流遮断器（以下，DCCBと呼ぶ）と言えば一般産業用としての概念が強く，最近にな
って直流送電（以下HVDCと呼ぶ），核融合試験装置等に適用する大容量のDCCBの開発が要求さ
れるようになって急速に注目されるようになって来た・
一般産業用のDCCBは，電気鉄道の歴史と共に歩んできたと言える。すなわち初期の電気鉄道では
回転変流機が使われていたため，整流子問で火花短絡を起こすと，変流機保護のための高速度直流遮断
器が必要になり，開発された礼 水銀整流器，シリコン整流器の時代になっても高速度直流遮断器の
価値は失われていない。
電気車両用としても電気機関車の主回路短絡，地絡等の保護用遮断器としてDCCBは重要な役目
をはたしている。
その他変電所における給電線用，直流電動機や発電機の過電流保護用に高速度直流遮断器が使われ
ている。
429
．技術報告 直流電力の遮断 薮野，他
一方，近年電力用大容量直流遮断器として，HVDC用DCCBの開発が活発になって来た。1959
年ソ連で発表3）されて以来，25年を経過し現在までに20機種程のDCCBの発表がなされている。
最近は更に大容量化が進み500kV級のHVDC用DCCBの開発が進んでいる4）。
DCCBのも、う一つの開発の一端は核融合試験装置用のものである。核融合試験装置も近年ますま
す大型化し，その電源も従来のコンデンサ方式から誘導性エネルギー蓄積方式となり，あらかじめ直
流電源から変流器コイルを励磁してエネルギーを蓄積しておき，変流器コィル電流をDCCBによっ
て遮断し抵抗回路に転流させた後に起る急激な電流変化による誘起電圧で真空容器内にプラズマを発
生させるものである。
こうした変流器コイル電源はトカマク形核融合試験装置における電源設備の中でも最も重要な回路
の1つになっている。しかも変流器コイルに蓄積きれた巨大な電磁エネルギーをパルス的に取り扱う
技術は直流大電流遮断技術を伴うためDCCBの責務は重い。
最近のトカマク型核融合試験装置の変流器コィル電源に使われているDCCBはJT－60（日本原
子力研究所：臨界プラズマ試験装置），TFTR（プリンストン大：TOKAMAK Fusion Test
Reactor）ではVCB（Vacuum Circuit Breaker）方式を，J ET（ヨーロッパ連合；Joint
European Torus）では空気吹付遮断器（ABB3Air Blast Circuit Breaker）方式を，HELI－
OTRON－E（京大）ではサイリスタ遮断器（TCB；Thyristor Circuit Breaker）方式を採用して
いる。
以上から，本報告は大容量直流遮断技術の動向に的をしぼり，HVDCと核融合試験装置のDCCB
について述べる。
なお直流電力の遮断にっいては，電気学会木電流技術調査専門委員会（原田委員長，稲葉副委員長，
嶋田幹事）でも大電流技術の調査の中で取り扱われており，一部調査内容を参考にさせていただいたこ
とを最初にお断りしておく。
2．直流遮断器の遮断方式5λ6）
2．1 限流方式
2．1．1 逆電圧発生方式
表1に直流遮断器の遮断方式の分類を示す。逆電圧発生方式はアークに磁界を加えたり，、強制的に
圧縮空気を吹き付けたりしてアークを伸ばす方式である。少油量遮断器（MOB）を使用した例がBBC
にある7）。バィパススイッチでは数kVのバルブ降下電圧以上のアーク電圧を発生すれば，容易に電
流をバルブに転流することができる。このためアーク電圧の高い交流遮断器がそのまま使え実用化さ
れている。ABBを使ったDCC2が北海道一本州直流連系装置に適用（250kV1．2kA）されている8）。
430
核融合研究 第511巻第16号’ 1984年6月
表1 直流遮断器の遮断方式
遽 断 方 式 遮 断 部 基本回路卜 遮断部電流波形 適 用 例’
1 限流方式
逆電圧発生方式
・気中遮断器（ACB）●少油量遮断器（MOB）？高速度直流遮断器（HSCB）
一ひ1噸 遮断部CB 1ヒL CB開極 t ・電 鉄。HVDC
転 流 方 式・MOB 廊
1巨」 G放電 電 g HVDC
2 振動方式
自励振動方式
・空気吹付遮断器（ABB）●SF6ガス遮断器（GCB）・真空遮断器（VCB）
磁o o C
Ih虹 CB開極 量 。HVDC
他励振動方式
・ABB・GCB。VCB・サイリスタ遮断器（TCB）
騰’ヒL－ S投入 t ・HVDC・核融合装置（変流器コイル電源）
自 己 消 弧 方 式・GTO →骨 IbL Ga璽e t ・核融合装置（NBl電源）
2．1．2．転流方式
遮断部開極と同時に一旦別の回路要素（例えば抵抗，コンデンサ等）に転流させて遮断部の電流を
限流させ訪式である、遮断部には液化SF、（LSF6）遮断器を適用した例（ETNA社9）），MOBを適
用した例（Hughes社10）’11〉’12），ASEA社13））がありそれぞれの回路構成を図1に示す。補助遮断
部は各社異ったスイッチを設けているのが特徴的である。ETNA社（図1一（a））は遮断部と同じ・
LSF6CB，Hughes社（図1一（b））はクロスフィールド放電管，ASEA社（図1一（c））は放電ギャ
ップを適用している。最終段のエネルギー吸収はZnOが，直流避雷器（DLA）が使われている。
しかし現在も実系統に設置されているのはASEA社のDCCBのみでCU連系（米：Cooperative
Power AssociationとUnited Power Associationの2つの電力系連系）の帰線保護用直流遮
断器（Metallic Return Protecting Breaker：MRPB）として運転されている。
この方式は，回路が若千複雑になるのが難点であろう。
2．2「振動方式
2．21．自励振動方式
この方式の基本は振動電流を回路で人為的に作ってやって電流零点を作ることである。遮断部開極
と同時にコンデンサ等の回路要素に一旦転流させると，L，Cの振動電流となって電流零点を作るこ
とができる・（表1）。これを「自励振動方式」と呼んで他と区別してし、・る。
431
技術報告 直流電力の遮断 薮野，他
C2
R
O OCB21LSFoCB）
O O
CB箪（LSF6CB）
C l
（a） ETNA社
C2
Z nO
T2CB（MOB）
O Q
（クロスフィールド放電管）
γ1
C B
㈲Hughes社
DLA（直流避寧器〉
ZnO
O OCBIABB，or GCB）
C L
（a）日立（定格40kV，L2KA）
Z nO
乙nり
O OCB（ABB）R S（投入器）
ZnO
C
G
Rc
C
O O CB IM OB）
le） ASEA社『 HDS
（b） B B C
S（》→
C1
0 0 0 0
CB2（VCB） CB，（VCB）
C2
Zn O
O O
図1．転流方式直流遮断器
（直流送電用）一
lc） W H
C B（G C B）
R SO VC BO
C L
ldl WH（5｛）Ok、，2．2猷）
図2．自励振動方式直流遮断器
（直流送電用） 1
図2にこれまで醐発練た自励振動方式のpccBの醜構成を示す，遮断部はABB（日立14）・15！
BBC16）），VCB（WH社17）），GCB（WH社18））が使われている6特働なのはWH社のDCCBで，
図2一（c）に示すように遮断部1とCB、CB2の2台のVCBが直列に接続され，一方の遮断部にはVCB
開極時に発生するアーク電圧を制御するための磁場コイルがスイッチの両端に設置されている点であ
る。C1はあらかじめ充電しておき，CB1，CB2を開極して充分アークが延びた状態でスイッチSを
投入し，放電電流の作る磁場とアークが相互作用する構造になっている。
遮断部の電流が遮断された後，ZnO形エネルギー吸収装置によって，エネルギーが吸収され遮断
、432
核融合研究 第51号第6号 1984年6月
が完了する。
自励振動方式は，遮断動作を開始するためのスイッチやコンデンサCをあらかじめ充電しておく充
電器も不用であるため，経済的で信頼性が高い。
既に日立のDCCB（図2一（a））は北海道一本州直流連系装置のMRPB用として実用化され，電圧
40kVp，電流1．2kAを遮断した15）。
また，500kV送電系統への適用を目標にしてWH社でDCCB（図2一（d〉，定路500kM 2・2kA）
z。o P が開発され1984年Pacific Intertie（米）でフィー
ルドテストが行なわれた18）。
ZnO
1一
O O CB（VCB）十 一『囲
ZnO－2
ZnO－2
C L G
（a）G E社
ZnO
＿1O O
2
十 一 C
S Zn
（b）東 芝
ZnO
ZnO－1
ZnO
CBl（TCB） CBざ（VCB）
O O o ◎
Cd Rd C2 P．Tr
幅2 Z
綱 G
（c） 日 立
ZnO－1
2．2．2．他励振動方式
転流コンデンサにあらかじめ充電しておき遮断部開
極と同時にコンデンサを放電させ，その放電電流で強制
的に遮断部の電流の零点を作る方式であるため振動方
式の中で特に「他励振動方式」と呼んで他と区別する。
図3，図4にこれまでに開発された他励振動方式
DCCBの回路構成を示す・図3がHVDC用・図4が
核融合試験装置用のDCCBの回路構成を示す。遮断
部がVCB（図3一（a）：GE，図4一（a）：東芝）， GCB
（図3一（c）：日立），VCB＋GCB（図3一（b）二東芝），
TCB（図4一（⑤：日立）等が使われている。
遮断部の特徴はHVDC用の場合は電圧が高いため
R（時定数調整抵抗）
SL C8（VCB）
十 一
図3．他励振動方式直流遽断器
（直流送電用）
o o
－ 1
岡C L
㈲ 東 芝
G
R（時定数調整抵抗）
←1
TSWl（サイリスタ）
c副十一 TSW2（サイリスタ〉
（b♪ 日 立
図4．他励振動方式直流遽断器
（核融合試験装置用）
433
、技術報告 直流電力の遮断 薮野，他
GE社はVCBを8s×1p（定格電圧400kV，遮断電流10kA）で構成し18）’19）’20），核融合試験
装置用の場合は大電流のため東芝はVCBを2s×4p（定格電圧25kV，遮断電流92kA）で構成
している21）。
またVCBとGCBをハイブリッドで構成22）（東芝）し，VCBの高いdi／dt－dV／dt特性とGCB
のすぐれた緯縁回復特性をr緒にして全体で遮断特性をねらったものもある。
ガス絶縁形DCCB3）（日立）として，GCBを適用しガス絶縁タンク内に収納しコンパクト化を
図った特徴あるタィプもある。ガス絶縁形DCC Bとしては世界最大容量の遮断器（定格電圧400
kVp・遮断電流8kA）である・
サイリスタを適用したTCB形の直流遮断器は核融合試験装置用とし京大，日本原子力研究所が中
心になり日立で開発24）が進められHELIOTRON－E（京大）で始めて実用化された25）。
他励振動方式DCCBにおける転流回路は転流コンデンサにあらかじめ充電しておき，放電ギャッ
プ（GE，東芝），投入スイッチ等で転流コンデンサを放電しその放電電流で直流電流を遮断するのが通
常の方式である。
転流コンデンサを大地電位に置き（図3一㈲）パルストランスと転流コンデンサで構成された高周
波パルス電流発生器を設けたものもある26）。
TCBの場合の転流回路はサイリスタスイッチが適用されるのが普通である。
2．3 自己消弧方式
最近自己消弧形半導体素子GTO（Gate Turn－off）サイリスタを直流の高圧スイッチとして，
従来用いられていた真空管に代って適用される動きがあり注目されている醜 これは核融合試験装置
のNB Iの加速電源に適用しようとするものである。
2．4 直流遮断器の開発状況
直流送電用と核融合試験装置用とに限って1983年末現在までの開発状況をまとめたのが図55）’6）
である。遮断部には各々の遮断方式に適した遮断器が適用されている。代表的な遮断器としては少油
量遮断器（MOB）・液化SF6遮断器（LSF6CB）・特殊放電管・空気吹付遮断器（ABB）・SF6
ガス遮断器（GCB），真空遮断器（VCB），サイリスタ遮断器（TCB）等があげられる。
遮断方式から見るとHVDC用DCCBは限流方式（逆電圧発生方式および転流方式）と振動方式
（自励振動方式および他励振動方式）のいづれの方式についても開発が進められている。しかし大容
量化が進むにっれて振動方式の開発が多くなっているようである。すでに自励振動方式では国内では
434
1，000
核融合研究 第51巻第6号 1984年6月
a＞邑α＞
国糖渓辮
・100
1Q
1
一500kV×1 800kVl・脊謀C隅1
口丁（VCB＋GCB） ・丁（VCB）8雫1鶴）＋ざ掛B〉
▽篇囎蹴CB・r
lEC（MO与）GE（VCB）．・GEIVむB）
蕊舗踏鷺噺1謄1〉～｝に㎜ BBC（AB四膿阜）。）・△H（GCB） 1●N・T（VCB〉 1 ▽▽C（帯板）皿H（ABB） AEG（A83〉E（ABB） l EC（MOB）▽C（帯板）1 ● ●N汀（VCB）JU（MBB）
P』一一一十▽C（LSF6）
ii
Oソi車（VCB）
1△ △C（LSF。）
i F（抵抗）
記号 遮断方式
△ 逆電圧発生方式
▽ 転流方式
口 自励振動方式
O 他励振動方式（HVDC用）
● 他励振動方式（核融合用）
△C（パイプ）●WH（VCB）｝
NU（SF6）
▽C（帯板）
△△C（LSF。）
」c（ノ×プ）
▽C（帯板）
0．1 1 10 100
遮断電流1 （kA）
（注〉1） （〉内の記号は，主遮断部に使用する遮断器・または遮断方式を示す。
V C B：真空遮断器 G C B：ガス遮断器 A B B：空気遮断器
MOB：少油量遽断器 LSF。1液化SF。遮断器 MBB：磁気吹袴遮断器
2） （）の左側の記号は開発機関，1メーカ，国名等を示す．
C l電力中央研究所 N ：日本原子力研究所 K U：京都大学
丁 ：東芝 F：富士 H：日立 NU ：名 大 JU：上智大 E ：電総研
ヒ1000
図5．直流遮断器開発現状（1♀83年末現在）
ABBを適用してMRPB用DCCB（日立）が実用化され，，国外では将来のHVDC送電を対象に定
格500kVp，2・2kAのDCCBの実用化がBBCとW：H社で進められている。
核融合試験装置用DC CBは，現状ではすべて他励振動方式で，HVDC用と違って，電流容量の大
きい大容量化が進んでいる・ま罐断器唖並轍術瑚発が進められ・実用イヒを可能にしている点
が大』き塗特徴と芦える。更に将来の大容量化・多頻度開閉を考慮して半永久的な半導体を使ったTCB
435
技術報告 直流電力の遮断 薮野，他
，の開発も行なわれ，一部実用化に至っているのも特徴としてあげられる。
スイッチの半導体化は・核融合試験装置の中性粒子入射装置の加速電源に従来の真空管に代って高圧
半導体スイッチが適用きれる動きがあり注目される。
3．核融合試験装置用直流遮断器
3．1 変流器コイル電源における直流遮断器の構成
．核融合試験装置の変流器コイル電源に適用する直流遮断器は2章で述べたように他励振動方式を基
本としている。直流遮断器の適用方法によって変流器コイル電源の回路方式も若千異なる。図6一（ゆ，
㈲，（c）は現在トカマク形核融合試験装置における変流器コイル電源の代表的な基本回路方式を示した
60） ものである。
DCCB
変換器
本
OO
＼
（al直列方式（1）
時定数調整抵抗
プ7マ
8 ＼
変流器コイル
時定数調整抵抗
O O
DCCB
本変換器
＼
㈲ 直列方式（2）
SWロ
プラスマ
台＼変流器コイル
188 DCCB
本Oo
変 匹
換器 匿
＼SW2
（c）並列方式（3）
時定数調整抵抗
ブ7
9 ＼
変流器コイル
図6．変流器コイル電源の基本回路
方式を大別すると直列方式と並列方式に分けることがで
きる。直列方式はDCCBと変流器コィルおよび直流電源
が直列に接続されて設置される方式である。また並列方式
はDCCB と変流器コイルが並列に接続されて設置される
方式である。更に前者は時定数調整抵抗の位置によって2
種類の形が考えられる。
図6一（a）は直列方式であるが時定数調整抵抗が変流器コ
イルと並列に接続された方式である。直流電流をDCCB
で遮断した後，変流器コイル電流は時定数調整抵抗に転流
するため，変流器コイル端子間にその電流と抵抗値の積で
決まる電圧が発生する。この電圧によって変顔器コイルと
電磁結合した真空容器内に電圧が誘起されプラズマが発生
する。，
この方式はJ ETの変流器コイル電源に適用され，遮断
部にはABBが適用されている・
図6一（b）はDCCBと時定数調整抵抗が並列に接続され
た回路方式で，動作は（a）と同じである。この方式はJ T－
60に採用されている24）。
図6一（c）は並列方式の基本回路を示す。この方式は直流
電流を遮断するのに一旦直流電源とDCCBを切離すもの
436
核融合研究 第51巻第6号 1984年6月
である・スィッチSW1。2は投入状態にしDCCBは開路状態にしておく。こういう回路構成にする理
由は，1つには，変流器コィル電流は極性を反転させてプラズマ電流を維持制御するため，一旦直流
電流遮断を別回路で行なっておき，その間極性切換スイッチで極性反転を行なっておけばよいことに
なる。もう1つの理由は，半導体スイッチを適用する場合は通電時間を短縮し短時間定格で設計する
ことにより，安価なDCCBを開発することにある。これによって，機能を分離したシステムの合理化
がはかれる。
従って，最初サイリスタ変換器よリスイッチSW1，2を通して変流器コイルを励磁し，その後サイリスタ
変換器をインバータ運転にして逆電圧が発生した所で，DCCBを投入すれば，変流器コイル電流は
DCCBに転流する。この場合，配線のインダクタンス等で電流はすぐにはDCCBには移らない。
電流が完全にDCCBに移った後｝スイッチSWl，2を開極し，サイリスタ電流と変流器コイルとを切離す
ことができる。
次にDCCBの遮断動作により，変流器コイル電流は時定数調整抵抗に転流し，変流器コイル端子
間に高電圧を発生する。変流器コイル端子間に発生する電圧は直列方式，並列方式いづれの場合も最
終的には同じになる。しかし，並列方式の場合は，変流器コィル電流が，DCCB に転流する間に配
線等での損失で若干電流値が低下するが，変流器コイルのインダクタンスが大きければ問題にならない。
品） 並列方式は，TFT謂）HERIOTRON－E25），TORESUPRA等の装置が適用している。特
に後の2つは装置はサイリスタを短時間定格で使用することにより，サイリスタ数を低減し，より経
済的なDCCBの開発を行なっている。
3．2 各種核融合試験装置用直流遮断器
3．2．1．直流遮断器の比較
表2は現在核融合試験装置用直流遮断器として開発あるいは実用化されているものについての比較
表である。分類は主遮断部の形態別に行なった。大別するとVCB，ABB等の機械スイッチを使用し
たものとサイリスタのような半導体スイッチを使用したものとに別けられる。現在は機械スイッチを
適用したものが主流で過渡回復電圧25kV，遮断電流125kAと大容量のものが開発されている。
一方，半導体スイッチを適用したものは将来のDCCBとして注目されており，現在実用化されて
いるのはHELIOTRON－Eに》イリスタ遮断器（TCB）が適用されているだけである。
437
I
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438
核融合研究 第51巻第6号・ 1984年6月
3．2．2． VCB形直流遮断器
遮断方式は2．1の分類によれば他励振動方式に属する。核融合試験装置でVCB形直流遮断器を適
用しているシステムはJT－60，TFTR，DOUBLET一皿1等でいづれも大容量のDCCBである。
主遮断部にVCBを適用し，転流回路はコンデンサ投入スイッチを設ける。VCBは単体では遮断容量
が小きいため，これを直列，並列接続して大容量化をはかった。JT－60，DOUBLET－1皿は電圧，電流
28）定格がほぼ同じであるため2sx4p（2直列×4並列） で構成（図7，図8）され，TFTRでは2s×1p
で構成（図9）されている。Max・Plank－InstitutのW－V∬ステラレータでは1s×1p（25kV，30kA）
のVCB力櫛れている29㌔」T－6・のVC彫直瀧断器の平面図を図・・嫁す30≧
遮断器の大容量化のために，機械スイッチを直並列接続して使うという例はこれまでなかった。核
融合試験装置で始めて実用化されたと言える。元来，VCBについてはアーク電圧と電流の関係が正
図7
Cc SVl
RI Vll Vl2
V』～V l8：遮断部R2Ls聖 Cc ：転流コンデンサ
Ls2 Rl～R4 ：分流用抵抗R3
SV量 ：コンデンサ投入スイッチR4Ls3 しs1～L s4：可飽和リアクトル
Ls4
JT－60用VCB形直流遮断器の構成39）
（日本原研／東芝：定格25kV，92kA）
可飽和リアクトル
抵抗真空遮断器
1 ： 1 ： 3
図8．VCB形直流遮断器の回路接続図28）
（2S×4P）
No．2CB No．l CB
lG
イ
グ
ナ ●イト
ロ
ン
転流コ
ン
デーン
サ
Oo
oO
VCB1（主遮断部）
’可飽和リアクトル
麓 斜No．4CB
VC B2（主遙断部）
No．3CB
36）図9，TFTRのVCB型直流遮断器
（定格25kV，24kA）
28）図10．VCB形直流遮断器の平面図
（JT－60用）
439
、技術報告 直流電力の遮断 薮野，他
特性をもっているため自然に電流の均一化が可能であるとされており，またアーク電圧が安定してい
るため並列遮断が安定して行なえるとも言われている。これを実証するために開発当初から並列遍断
の実験が行なわれた31）’32）’33）。
機械スィッテの場合のもう1つの問題1よ開極時にアークが発生するため，アークによる接触子の
消耗が懸念される。特に核融合試験装置の場合は，多頻度遮断（20～30万回）が行なわれるため長
寿命，高信頼度化が要求される。VCBの場合は軸方向に磁界を加える方式33）により，基礎実験を重
ね長寿命の検証がなされた34）。
転流回路は，コンデンサ投入スイッチ，転流コンデンサ等から構成きれ，転流リァクトルは可飽和リァク
トルが使われ，電流零点近傍でのdi／dtを抑制している。転流コンデンサはあらかじめ充電器より充電し
ておき投入スイッ牙を投入して放電を行なう。この投入スイッチには放電ギャップ，イグナイトロン
等が通常使われる。投入スイッチも遮断電流が大きい場合は大きなパルス電流となるため並列接続す
る場合が多い。そのため放電時の点弧特性彰あげることが大きな課題となる。J Tr60では長寿命の
トリガーギャップとして5，000～10，000回の寿命のギャップを開発している133）’“5）。TFTRはイ
グナイトロンが使用きれている36）。
しかし，更に放電点弧特性と長寿命化をはかりかつ信頼性を向上させるために半導体化の研究がな
きれ，J T－60では転流回路にサィリスタスィッチが使われることになった37）・38）。これは表2にも
示す通り，サイリスタ（定格4000V，3000A）を18s×6pで接続して構成したもので，コンデン
サバング（25kV，1m：F）の投入スイッチとして実用化されている。
なお，遮断性能をあげるために，電流零点近傍でのdi／dtを抑制するために可飽和リアクトルが
各々遮断器に直列に接続され，更に電流分担をよくするために分流抵抗も使用される（図7）。
VCB形直流遮断器の試験法としては，JT－60で． Cb
驚総灘総紬“・ 、路は転流コンデンサC ，放電ギャップGで構成さ C C
れ，Gcを放電してCcの放電電流で供試遮断器に流 Cb：ハィバスコンテンサごCd l分圧器
C v：電圧コンテンサれる電流を遮断する。遮断後の回復電圧はコンデンサ Lp：電源側インダクタンスC によって印加される方式になっている。遮断試験 Rg l放電用抵抗。EG’：キヤソプスタ｝タ
VGv，Gr，Gclキャップ，Rv：制限抵抗では最大130kAまで遮断を行なった40）。
図11、JT－60用VCB形直流遮断器39） 1983年には，JT－60模擬負荷コイルを使って， の等価遮断試験回路
LpMls
Cc，乱s・ Gc
Rv
『T
RgGrCd c 舌
P．G．
440
核融合研究 第51巻第6号 1984年6月
定格値の遮断試験が行なわれている41）。
LASL（Los Alamos Scientific Labウでは，WH，東芝のVCBを使用Pし遮断性能の比較試
験を行なっている42）。その等価試験回路を図12に示す。
また，Texas大学ではWHのVCBを使用し再起電圧30kV，1遮断電流30kAの遮断試験を実施
している。これはLASLのIES（Inductive Energy Storage）ジステムヘの適用を考えて実施
されたものである。等価試験回路を図13に示す43）’4変
C l
l1貫瀞
S1
しヘドら
回し LAF2 LSR’ LAFl TP4S1 、イ
0◎
TP6 V巴 共試遮断器
S2 Rし しSR HPc3 可飽和リアクトル
R1
（イグナイトロン） （1．5Ω）
回 O O路 RD TP3 TP2
S⊃「イグナイトロン）
C2
電圧源170μF l
T P1
図12．LASLのVCB形直流遮断器の等価試験回路42）
／電流源（C＝62μF，10kV）
Cd CdlG1（20kV）
主遮断部 卜辺カ キヤンフ 間隙キ（YCB） 畜
PS 高
IG6
監o飢ぐ臨oo
Cd R Vf
GI G2書 ：魅」
CH
源（C－62μF10kV）転流回路
（C属62μF，10kV）
主遮断部 トリガーギャップ 間隙ギャッブ
（120kV）
可飽和リアクトル 電圧源（C菖O．2μF，120kV）
図13． テキサス大学の直流遮断器等価試験回路44）
441
技術報告 直流電力の遮断 薮野，他
3．2．3。 ABB形直流遮断器
ABBを主遮断部の遮断器として使ったDCCB45）の
例としては現在J ETとASDEXが代表的なものだろ
う。図14はJET46！およびASDEXのDCCBの回
路構成を示す。遮断方式はVCB形DCCBと同じ他励振
動方式である。
転流回路は転流コンデンサCとCの投入器としての放
電ギャップGとから構成されている。S1は保護投入器，
R1，C1，はサージ吸収装置である。
遮断電流は80kAである。転流コンデンサCの初期充
電電圧は20kVである。
転流コンデンサC ギャンプG
－F一→ CBIABB） ＿ ◎ o
『可飽和リアクトル Ro Co サーシ吸収容量
S 保護投入器
図14・JETおよびASDEXの
ABB形直流遮断器の構 成（AEG）46）
ABBはAEG製で最大160kA，最大電圧15．5kV，遮断容量2500MVAの交流遮断器さある。
開極時間は6．5ms，最大開極速度は12m／s，time jitterは200μ“である4兜 接触子の開極速
度が早いため，核融合試験装置特有のDCCBの寿命に対しては充分耐えられる47）。
3．2．4 TCB形直流遮断器
（1）TCB型直流遮断器の基礎検討
サイリスタスイッチを主遮断部と転流回路部とに設けて構成した半導体遮断器をTC旦形直流遮断器と
呼ぶことにする。遮断方式は他励振動方式である。トカマク形核融合試験装置では放電回数が30万回程
度におよぶため変流器コイル電源に使用きれる直流遮断器は多数回繰返しに耐えられるものでなけれ
ばならない。TCB形直流遮断器は遮断性能はもとより，半導体を使用しているため高速制御が可能
であるばかりか，信頼性，フレキシビリティなども高い。また，遮断時刻のばらつきが小さく再現性
がよい。さらには無接点，低騒音のため保守点検，調整が容易であるため転流コンデンサの寿命を考
えても遮断器としての寿命が極めて長いと考えられる48）’49）。
TCB形直流遮断器を変流器コイル電源用DCCBに適用する研究はJ T－60のR＆Dの時（1975
年）に始まる50）。 サィ、）スタを直接並列接続して構成した5s×4pを1ユニットとするサイリス
タスイッチ（図15）を試作し，変流器コイル電源の縮小モデルで模擬負荷試験を行なった51）’52）。
その回路構成を図16に示す。この方式の特徴はTCB形直流遮断器の並列方式（図17）に相当し，
主遮断部の通常時間は0．1sec（短時間定格）であるためサイリスタ数の低減がはかれる点にある。
従ってせん頭オフ状態電圧2000V，定格平均電流500Aのサィリスタ1個で3500Aの電流を遮断できる。
442
（A）
核融合研究 第51巻第6号 1984年6月
AX
万ノ瓦箭SWf1000A／100mV
学
Cdl5kV15μFRd l150Ω
一
Nα5Nα2Nα3Nα2
変圧器 THC重
APPS白
A C200V 充電器 制御装置
P．AMPCAlRA1
図16．変流器コイル電源の縮少モデル試験回路51） SWf
Nα1RD THYl
本
r一一一一一 CSWI TSWII ／
（K）
直流電源
THCf」一層甲一
il一』Lsw1
抵抗Rl
1TCB
分流器
図16．変流器コイル電源の縮少モデル試験回路51）
ホユ流器コ
イ
ルLl
84mH
42mΩ
SWf
Lf
《1
直流 ．＿ 電源 変フフズマ ホ （K） 婁 ヲ 図15・主サイリスタスイツチTSWlの （サイりスタしゃ断器） ル
1ユニット内部接続図
図17、サイリスタしゃ断器を使った変流器コイル電源の
基本回路（並列方式）
しかし，高速遮断が要求きれるため，主遮断部のサイリスタスイッチは高速形サイリスタが使用され
る。
転流回路のコンデンサ投入スイッチにもサイリスタスイッチが使われるが，主遮断部と違いターンオフタィ
ムの制約がないので，一般形のサイリスタが使われる。ユニットの構成は主遮断部と同様に，5sX4pで
構成される。サイリスタの定格は蘭ん頭オフ状態電圧2000V，定格平均電流500Aで，サィリスタ
の並列接続は直接並列接続される。
試験はR＆Dで2ユニットを使い，模擬負荷試験を行なった。本来サイリスタ装置はサイリスタの
直並列数を増せば設備容量を増加でき為性質があるのでわぎわぎ実機大のものを作って検証する必要
はない。試験は1ユニット内の各サイ、リスタの電圧分担，ユニット間の電圧分担，電流分担等の検証
を行なった。その結果サイリスタ内㊨電流不平衡を考慮しても1ユニット（5s×4p）で12．7kA
、443
、技術報告 直流電力の遮断 薮野，他
まで遮断でき解伽つ嫡輝聯担特性も良好である礎検韻戒その後・・98・年煉芝よ り解ツト3鱒・2Pで構成したTφ師直瀧断糊綿果が・
S・FTで発罫，紳木容量イ曄岬駐遮断部のサイリ初イ擁1鰍逆阻止電圧
40・OV・3000吻イリ嘩齢てしる一咳転流回路部9卿スタスィ』ツチには4…
V・1500Aの吻嘩鰍弊一・ト鰹6Pで構脚1る・一1胞』卜鱗騨5・kA（3sec潭l！，姿定擁庄ほ4麻茄
試験回路の概要を図18跡す・これはコンデンサ放電によ萌激働僻価講法である・主
遮断部丁3嘩点孤し・コンデ≧サ¢cが放電すると放電電流が¢ぺTS㍗L・らミbごC・1こ
流れ電流が最木値近くに達し獅で転流回聯サィリスタスイ遡騨点聯ζφ猫
め5kVに充電しておいた転流マ 』転測アクトルド
ンデンサCcが放電し転流電流に
ょつてTS礪流噛さ穐、，一一1輸1』 （2）TCB形直流遮断器の実用 一 ・b。 ，．
化・．監．．．一、嘱艶 1廓1 1瀕幣瑠子ブ・チl
TCB形醸遮断器を核融合試、 盛 SD LO TCB フロックダイオード リアクトル（50μH maxl験装置の変流器コイル電源に適用
した例としてH聞qTゆ十丁卜一1 図18・TCBの等価遮断試験回路53）
（東芝，3kV，50kA〉Eカミあ私こ桝等9＄1に運開し
牟54！・55㌔
変雌コイル電即嘩櫛の，・、 ISCRミW… If騨図を図19に示す・主サイリ
スタ冬イッチTSW1は高速度サ
イリスタ（定格2kV，500A）を 変 一
483X，3P鰭璽骸してい 婆 コる・サィリ・スタは酵並列接続ヤ・ 託・．各々の電流分担は図20に示すよ
うになっている。
また，実機運転において100％・電
流遮断を行った時の変流器コィル端 図19．HELlOTRON－E変流器コイル電源回路54）
、間の電圧は図21のようになる。’
o
FDlフ矯工許
δ臼輔需唇・ 一一r一 『
掌
TρB、
T、SWlCTSW2
本
R2TSW3
直流電源
444
核融合研究 第51巻第6号 1984年6月
Nα1
，サイリスター
電流
Nα『2
サイリスタ
電流
Nα3－1
サイリスタ
電流 騨1…繭…’・淀1二↓‡1‡
糖搬烈む！珊
盤 讐咽嗣 モロ
譲、響盤蝶まひ ．工． lr 一挿 繋：… L…田モ葺．
、， ，i 9 ヤ220ms 彗≡
54） 図20、電流分担試験結果
無購不泥 ｝1 ム
繍肖→昇li，u』1仁 4．
申
『 雛灘牌→息L』．
F →’1 ▼
13％・’縄繍一 す犀繊1 P
←目＋1，
”1r’目 一トー
1… 朧 葡
‘一．1 脚 ＋2刎襟・に惚脚痴燭＾▼脚 噌4
ト劾掬』
e卜曾封 轟響難’ i…i
→‡
’‡
コ：
0
1↑
10kVノ、dlv
→1ms／div
図21．100％電流遽断時の変流器コイル端子間電圧波形・
可飽和リアクトル イグァィトロγ
SW2
ド 流 電 源 T SW，寛サイリスタスイッチ 転流コγデンサ・
（48μF，3娠V）図22．TORE SUPRAのTCB形直流遮断器模擬負荷試験回路56）
（審集：灘鰍v39、A）
冒
w，
1 R
一
Lf
立
＼
もう1つの例はフランスのFontenay－aux－Roses原子力研究所で建設が進められているトカマク型
核融合試験装置丁ORE SUPRAのポロイダル磁場コイル電源への適用例がある56）。遮断器の定格は過渡回
復電圧27kV，電流55kAである。直流遮断器の構成は日本原研のR＆Dで実施した方式と同じて～コィルの励
磁電流は一旦DCCBへ転流する並列方式である。主サィリスタスィッチTSW1へ転流させた後通電時間
は30msで遮断を行なう。転流回路の転流コンデンサCの放電スィッチにはイグナィトロンが使用され，また主
Cサイリスタスイッチと直列に可飽和リアクトルが設けられている。
試験回路は図22に示すように模擬負荷試験を行なっている。ただし，ユニット試験のみ実施され，過渡回
復電圧23kV，遮断電流3．9kAまでの試験がなされている。ユニットの構成はサイリスタ24s×1pである。
3．2．5 TCB形直流遮断器の応用例
TCB形直流遮断器の高速制御性を生かした多段繰返し方式による変流器コイル電源の例を図23に
示す51）。これはJT－60のようにプラズマ電流を多段で立上げる場合は，本来DCCBが複数台必要
になる。しゆしこれを1台のDCCBを繰返し使用して立上げることも可能である。1例として図23
445
技術報告 直流電力の遮断 薮野，他
投入
ス イ
ツチ
SWAnl
本THG3
一 TSW8 TSW7
SW5LP臼團 ThTh3
TSW6
r一一閣一幽暉囎齢 本IES3 15μH
第 第 2本磐 イ ル
μH 一’
L一＿一聾・TCB
Th4
Th2
THCf
図23，TCB多段繰返し方式による変流器コイル電源の電磁縮小モデル51）
①TSWlの電伍 0
⑫）THC‘（THC5）電源電圧 0
③TSWlの電流 0
④転流コンデンサ電圧
ン⑤TS脇の電圧
⑥第3段コイル励磁電源電圧
0
0
0
⑦変流器コイル端子間電圧 O
V」f
⑧プラズマ電流lp 0
伽㌧r、
伊 ～ へ＼ NへN～ 犠N 9￥、NN
＼＼脚
5 ， 『『
IN
NNlN触
THCfと・使用 して 1THCsとして使用
1
量 ，
60
0
H N N NN へ へ～
＼＼0 t’Fl』
亀
0，
幅一1甲
Om5
図24． 試験結果の1例
は1台のTCB直流遮断器を8回繰返して遮断に使う場合の回路構成を示したものである。初期の蓄積エ
ネルギー源としては変流器コイル，第2段誘導性エネルギー蓄積コイルIES2，第3段誘導性エネルギー蓄積
コイルIES3の3個があり，ある時間間隔で順次各コイル電流を主サイリスタスイッチTSW1に転流して遮
断を繰り返しながらプラズマ電流を立上げて行く方式である。従って，誘導性エネルギー蓄積コイルは何段あ
446
核融合研究 第51巻第6号 1984年6月
っても原理的には，繰り返し使用することができる。実際には転流コンデンサを繰り返し使用して行
く間に電圧が低下する問題があるので充電器による電圧の確保が重要であろう。
図24はこの原理を使ってシミュレータで実際に実験を行なった結果あ1例を示している51）。プラ
ズマ電流は3段動作で立上がっている。
3．3 中性粒子入射装置用半導体直流スイッチ
核融合試験装置のプラズマ加熱装置の1つに
中性粒子入射（NBI）装置があり，そのイオン
源用加速電源はイオン源内の放電破壊に対し高
速（数μs以下）で遮断し，再び電圧を高速で立
上げることが要求される高電圧，大容量のパル
ス電源である。現在最も多く用いられている回
路方式は図25に示すような大容量の4極真空管
（RT1）によって直流電流のスイッチングおよ
び定電圧制御を行なラ方式である。
1極具空管町 fオン源へ
直
流
電
源
本＝二 RI2
図25』NBlイオン源用加速電源の概略図
（真空管方式）
しかし，大容量4極真空管は高電圧，大容量化に伴ない，開発費，効率，冷却設備，信頼性等の問
題解決が必要となる。そこで，こうした真空管に対し数年前より半導体素子を多数直列接続した直流
スイッチが開発され実用化されつつある。
図26は，サイリスタを用いた120kV，65A直流スイッチの加速電源への適用例を示す57）。
THY1・THY2共にサイリスタを400個直列接続し・投入時はTHY2をオンし・遮断時にはTHY1
ドヒ D・ D・投鼎サ）1劇塑子源 巨
。1ぎH 。』もH
峯一姦
欝・…一驚
影
低圧
電充源電
C6C5 C72
図26．
R2
12，000μF （68巨窒）
800V
LBLのNBl加速電源（サイリスタ直流スイツチ方式）
巨
447
技術報告 直流電力の遮断 薮野，他
GTOn
GTOn－1
GTO3
GTO2
GTO1紅ト・
図27．GTO直流スイッチ の基本回路58）
をオンしてTHY2の電流をTHY1の回路にバィパスしTHY2をオフ
させる。またTHY1はL2，C4による振動電流によリターンオフする。
このサィリスタの代りに自己消弧素子GTOを用いれば転流回路が要ら
ない直流スイッチが可能である。これは120kV，90Aの加速電源シ
ステムとして，すでに名大テストスタンド用NBI加速電源に適用さ
れ実用化されている”）。
GTOを用いた高電圧直流スイッチの例として図27に示すような
マスタースレーブ方式による直流スイッチの開発も行なわれている5曳
GTO1がターンオンすると順次GTOnまでターンオンして全GTO
がオン状態になるというものである。これはターンオフ時も同様な動
作をする。
以上のように，．真空管に代る半導体スイッチの出現に注目に値する。
4．直流遮断器の技術的課題
直流送電用DCCBの場合は，エネルギー吸収と過電圧抑制が最大の課題である。直流送電系統に
は大容量の直流リブクトルがあリィンダクタンスが大きい。このため電流遮断時に発生する過電圧が
大きく，それを吸収するエネルギー装置用開発は重要である。
核融合試験装置のDCCBの場合は，初期にエネルギーを蓄積しておき，それをプラズマヘ転送す
る手段としてP（）CBが必要で夢る・、プラズマを発生させるために・ DqCBを使わず乳予備電離を
行なってプラズマ電流を立上げる方法も考えられているが，当面はDCCBが必要であろう。従って
Hvpc用・DCCBと違って大電流に対する技術課題がある。今後核融合試験装置はますます大きな
エネルギーの蓄積を必要とするため，DCCBの大電流遮断技術については，電流分担の技術確立が重
要であろう。最近VCBの大電流化が進み，1バルブで100kAの通電容量のものが実用化されようと
している59≧
また，D㏄Bの信頼性を向上させるには，ますます長寿命化が要求されるであろう。
また，将来は負荷として，超電導コイルが僅用されるため，変換器，スイッチ類の半醇体での損失低
減が大きな問題となろう◎』
5 まとめ 一般産業用の直流遮断器を除いた，『直流電力の遮断技術の最近の動向についてまとめた結果次のよ
448
核融合研究 第51巻第6号 1984年6月
ようなことが言える。
① 大容量の直流遮断器は直流送電用と核融合試験装置用とに大別できる。
（2）・遮断方式から見ると直流送電用は限流方式，振動方式が適用きれている帆大型核融合試験装置用
は振動方式に限られている己また自己消孤方式としてGTOを適用した高圧半導体スィッチが実用化
されるようになった。P
（3）容量から見ると直流送電用は高圧，小電流が多く，現在は500kVまで実用化されつつある。
核融合試験装置は，大電流化が進んでおり，125kA『の電流まで遮断できるようになり，実用化され
ている。
（4）直流遮断器の主遮断部を半導体化する傾向は進んでいる。すなわち高圧大電流めものは機械ス
イッチ1こ代って，高圧小電流のものは真空管に代っセそれぞれ核融合試験装置への適用が進んでいる。
最後に本報告をまとめるにあたり，種々のご意見をいただいた日本原子力研究所大型トカマク開発部
吉川部長，JT．60計画室田村室長，京都大学ヘリオトロン核融合研究センター大引教授，日立製作所原
子力事業部寺沢次長，同日立工場加沢副技師長，同核融合推進本部JT－60推進部森野部長，同日立研究
所天野主管研究員，大西第1部部長，吉岡第2部部長に感謝の意を表します。
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