直流回路遮断器
HVDCサーキットブレーカー：機能、課題、および解決策
HVDC（高電圧直流）サーキットブレーカーは、電気回路内の異常な直流の流れを遮断するための特別なスイッチング装置です。システムに障害が発生すると、サーキットブレーカーの機械的な接触部が分離し、効果的に回路を開きます。しかし、HVDCシステムでの回路の遮断は、AC（交流）システムと比較して困難なタスクです。これは主に、HVDC回路の電流が単一方向に流れ、自然にゼロ電流値を通過しないためであり、これがACサーキットブレーカーでのアーク消滅に重要だからです。
HVDCサーキットブレーカーの主な機能は、電力ネットワーク内の高電圧直流の流れを遮断することです。一方、ACサーキットブレーカーは、電流がAC波形の自然なゼロ点に達したときにアークを容易に遮断できます。このゼロ電流の瞬間に必要な中断エネルギーもゼロになるため、接触間隔が絶縁強度を取り戻し、自然な過渡復帰電圧に耐えることができます。
HVDCサーキットブレーカーの場合、状況ははるかに複雑です。DC波形には自然な電流ゼロがないため、強制的なアーク遮断は非常に高い過渡復帰電圧の生成につながります。適切なアーク遮断がなければ、再ストライクのリスクがあり、最終的にはブレーカーの接触部が破壊される可能性があります。HVDCサーキットブレーカーを設計する際、エンジニアは以下の3つの主要な課題に対処する必要があります：
人工的な電流ゼロの作成：DCでは自然な電流ゼロがないため、アーク消滅のために必要です。
再ストライクアークの防止：アークが遮断された後、再燃を防ぐための措置が必要です。これにより、ブレーカーの損傷やシステムの混乱が引き起こされる可能性があります。
蓄積エネルギーの放出：システムコンポーネントに蓄積されたエネルギーを安全に放出することで、潜在的な危険を避ける必要があります。
自然な電流ゼロの不足を克服するために、HVDCサーキットブレーカーはアーク消滅のための人工的な電流ゼロを作成する原理を使用します。一般的なアプローチの一つは、並列L-C（インダクタ-キャパシタ）回路を導入することです。この回路が活性化されると、アーク電流が振動します。これらの振動は激しく、複数の人工的な電流ゼロを生成します。サーキットブレーカーはこれらの人工的なゼロ電流点の一つでアークを消滅させます。この方法が効果的であるためには、振動のピーク電流が遮断する必要のある直流を超える必要があります。
より詳細な実装では、従来のDCサーキットブレーカーの主接触部（M）に、補助接触部（S1）を通じてインダクタ（L）とキャパシタ（C）からなる直列共振回路を接続します。さらに、抵抗（R）を接触部（S2）を通じて接続します。通常の動作条件下では、主接触部（M）と充電接触部（S2）は閉じたままです。キャパシタ（C）は高抵抗（R）を通じてライン電圧まで充電されます。一方、接触部（S1）は開いたままとなり、それにライン電圧がかかります。この設定は、故障シナリオでDC電流を遮断するための必要条件を生成し、関連する電気プロセスを管理する基礎となります。
主回路電流Idを遮断する際には、動作機構が一連のアクションを開始します。まず、接触部S2を開き、同時に接触部S1を閉じます。この構成により、キャパシタCがインダクタンスL、主接触部M、補助接触部S1を通じて放電されます。その結果、下図に示すように振動電流が確立されます。この振動電流は、サーキットブレーカーの適切な動作に重要な人工的な電流ゼロを生成します。サーキットブレーカーの主接触部Mは、これらの人工的な電流ゼロ点の一つで正確に開かれます。主接触部Mが電流を成功裏に遮断した後、接触部S1を開き、接触部S2を閉じることで、将来的な動作のためのシステムをリセットし、HVDC回路遮断プロセスの整合性を確保します。
主直流を遮断する別の方法
高電圧直流（HVDC）システムで主直流を遮断する別のアプローチは、電流をキャパシタに迂回させることで、サーキットブレーカーが遮断する必要のある電流の大きさを効果的に減らすことです。この方法は下図に示されており、最初に未充電状態のキャパシタCがあります。
サーキットブレーカーの主接触部Mが開き始めると、重要なイベントが発生します：主回路電流が主接触部Mを通って流れていたものが、キャパシタCに流れ始めます。この迂回により、中断プロセス中に主接触部Mが取り扱う必要がある電流負荷が大幅に減少します。電流の大きさの減少により、サーキットブレーカーの負担が軽減され、中断プロセスがより管理可能になり、損傷や故障のリスクが低くなります。
キャパシタが電流を迂回させる役割に加えて、非線形抵抗Rもこのシステムの重要な構成要素です。非線形抵抗Rは、電流の流れに関連するエネルギーを吸収し、主接触部Mにかかる電圧が大幅に上昇することなく、効率的にエネルギーを放出する重要な役割を果たします。エネルギーの効率的な放出により、非線形抵抗はサーキットブレーカーと全体の電気システムの整合性を維持し、電流中断プロセス中の電圧レベルが許容範囲内に保たれます。キャパシタCと非線形抵抗Rの調整された動作により、HVDCシステムで主直流を遮断するための効果的かつ信頼性の高い方法が提供されます。
Mにかかる復帰電圧の上昇率は以下の式で表されます
振動電流を用いて電流の流れを遮断するDCサーキットブレーカーにおいて、再ストライクを防ぐことは特に困難な課題です。これは、電流が遮断または「切断」される時間があまりにも短いためです。電流が非常に短い時間で急速に遮断されると、ブレーカーターミナル間で急激に上昇する再ストライク電圧が発生します。この高マグニチュードの急速に上昇する電圧は、サーキットブレーカーの整合性にとって重大な脅威となります。信頼性のある動作を確保するためには、サーキットブレーカーはこの強烈な再ストライク電圧に耐えられる十分な絶縁強度と電圧耐性を持つように設計する必要があります。そうでなければ、再ストライクによる損傷、電気アーク、システムの障害につながる可能性があります。
