JP2006304450A - 複数の直流給電ケーブルを備えた高信頼度通信機用直流給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、電流分配装置２とコンデンサ収容箱３とを結ぶ給電ケーブルの好ましい接続構成を明らかにして、通信設備の一つが短絡事故を起こしたとき、直流給電系の過渡的な電圧変動を最小限に抑えるための高信頼度通信機用直流給電システムの提供を目的とする。
【解決手段】通信装置４１〜４３に直流電力を分配する電流分配装置２と該電流分配装置２に付加するコンデンサ収容箱３とを有する通信機用直流給電システムにおいて、該電流分配装置２と該コンデンサ収容箱３とを複数の直流給電ケーブルＫ５で並列接続して、短絡時に発生する過渡電圧を抑制するようにしたことを特徴とする高信頼度通信機用直流給電システム。
【選択図】図１

Description

本発明は通信設備に直流電力を供給する電源装置に接続して給電系の安定性を確保するためのコンデンサ収容箱と電流分配装置とを結ぶ直流給電ケーブルの接続構成に関する。詳しくは、通信設備の一つが短絡事故を起こしたとき、直流給電系の過渡的な電圧変動を最小限に抑えるための、コンデンサ収容箱と電流分配装置とを結ぶ直流給電ケーブルの構成に関する。

これまで使われてきている通信設備に直流電力を供給する直流給電系の系統概念図の一例を図４に示す。通信装置が３台接続されている例を示している。通信装置４１〜４３は電流分配装置２を介して電源装置１から直流電力の供給を受ける。電源装置１は商用の交流電力を整流して直流電力を出力する。停電で商用の交流電力が得られないときのために蓄電池５が備えられている。電源装置１から数ｍないし数１００ｍ離れた場所に電流分配装置２が配置され、電源装置１と電流分配装置２とは直流給電ケーブルＫ０によって接続される。電流分配装置２の内部または外部にコンデンサ収容箱３を設ける。電流分配装置２とコンデンサ収容箱３とは直流給電ケーブルＫ５により接続する。

電源装置１と電流分配装置２とを結ぶ直流給電ケーブルＫ０と、電流分配装置２と通信装置４１〜４３とを結ぶ直流給電ケーブルＫ１〜Ｋ３の、配線インダクタンスと抵抗はケーブル全体に分布しているが、発振が起こった場合の発振波長と実際のケーブル長とを比較して十分に集中定数として扱うことができる（発振波長＞＞ケーブル長）。

また通信装置４１〜４３にはＤＣ−ＤＣコンバータが搭載されており、−４８Ｖの入力電圧を負荷に必要な５Ｖ又は３.３Ｖなど安定した電圧に変換して使用している。このＤＣ−ＤＣコンバータの効率が入力電圧によって著しく変化せず、通信装置の消費電力が短時間の間一定であるとすると、ＤＣ−ＤＣコンバータ以降の消費電力はＤＣ−ＤＣコンバータの入力電圧、すなわち直流給電系の電圧に無関係に一定となる。従って電源装置１から通信装置４１〜４３を見ると、通信装置は定電力負荷として扱うことができる。ここで、例えば、商用電源が停止して蓄電池５の放電が開始され、直流給電系の電圧が低下、すなわちＤＣ−ＤＣコンバータの入力電圧が低下すると、入力電流は増加するため、ＤＣ−ＤＣコンバータの動的な抵抗は負の値をもつこととなり、ＤＣ−ＤＣコンバータは負性抵抗特性を持つことになる。

直流給電系の発振は、このＤＣ−ＤＣコンバータの負性抵抗特性と、系の電圧、通信装置４１〜４３の消費電流、直流ケーブルインピーダンスと通信装置入力部のコンデンサを含むフィルタ構成・定数により決定される。説明を簡単にすると、系の電圧が低く、通信装置の消費電流が大きく、直流ケーブルのインダクタンス成分が大きく、抵抗が小さく、通信装置に搭載されているコンデンサが小さいときに発振を起こしやすい。ここで、電流分配装置２にコンデンサ収容箱３を接続すると、一般的に電源装置１と電流分配装置２を結ぶ直流給電ケーブルＫ０の配線インピーダンスによる系の発振に及ぼす影響を抑えることができ、端子Ｂと端子Ｃ間の電圧を一定に保つことができる。従って電流分配装置２にコンデンサ収容箱３を接続しない場合に比べて、通信装置に搭載するコンデンサ容量を少なくしても系全体を安定に保つことができるため、通信装置の設計・導入が簡単になる。

図２を用いて、通信装置４１の電源入力部で短絡事故が起きた場合に直流給電系でどのように過渡的な電圧変動が起きるかを説明する。説明を分かりやすくするために、図４の直流給電ケーブルＫ５が持つ寄生インダクタンスＬ５と抵抗成分Ｒ５を図２では明記している。

図２に示すように通信装置４１の電源入力部で短絡事故が起こると、ヒューズ台Ｆ１を経由して短絡電流ｉが流れる。短絡電流ｉは、コンデンサ収容箱３内のコンデンサ容量が大きければ、端子Ｂと端子Ｃ間の電圧は電源装置１の出力電圧Ｅであるとみなすことができるとして、短絡する給電系の直流給電ケーブルＫ１のインダクタンス成分Ｌ₁と抵抗成分Ｒ₁の値により、次式(１)で表すことができる。説明を簡単にするために、直流給電ケーブルＫ１に関係する電流分配装置２内の配線とヒューズ台のインダクタンス成分および抵抗成分は、直流給電ケーブルＫ１のインダクタンス成分Ｌ₁と抵抗成分Ｒ₁に含めることにする。

短絡事故を短絡スイッチの投入で模擬すると、短絡スイッチの投入時刻をｔ＝０として、ｔ秒後の電流をi(ｔ)とするとキルヒホッフの電圧則により、
Ｅ＝Ｒ_１ｉ＋Ｌ_１ｄｉ/ｄｔ ・・・(１)
この微分方程式を解くと、電流i(ｔ)は次式（２）で表される。
i(ｔ)＝Ｅ(１−exp(Ｒ_１/Ｌ_１)ｔ)/ Ｒ_１ ・・・(２)

ヒューズが短絡開始から遮断するまでの挙動は、溶断期間とアーク期間で異なる。ヒューズ台Ｆ1に短絡電流が流れると、ヒューズ台Ｆ1内のヒューズ金属エレメントが発熱し、融点に達すると溶断する。ここまでの期間が溶断期間である。その後、アークが発生し、アークエネルギーが周囲に放散してアークが消え、ヒューズ台Ｆ1の両端は電気的に開放状態となる。この期間がアーク期間であり、アーク期間が終了してヒューズ台Ｆ1は遮断する。ヒューズが溶断するまで短絡電流は直流給電ケーブルＫ１に流れ続け、溶断後のアーク期間に入ると短絡電流は急激に低下する。この時、短絡電流の減少する傾きが急激であればあるほど電流分配装置内の接続点Ｂの過渡電圧変動も大きくなり、電流分配装置に接続されている他の通信装置にこの過渡電圧変動が波及して悪影響を及ぼし、装置破壊などに至る場合がある。

このような悪影響を防止するする目的で、大容量のコンデンサを搭載したコンデンサ収容箱３が電流分配装置２に接続されている。このコンデンサ収容箱３内のコンデンサ容量により、通信装置４１〜４３の入力部で短絡事故が発生しても、給電系の過渡電圧変動を抑制することができるが、コンデンサ収容箱３は電流分配装置２の架上に設置されることが多く、電流分配装置２の入力部は架下にあるため、その間を電気的に接続するためには３ｍから５ｍの長さの直流給電ケーブルＫ５で接続する必要がある。直流給電ケーブルＫ５には抵抗成分とインダクタンス成分が寄生的に必ず存在しており、抵抗成分を低減するため、ケーブル径を太くする（導体断面積を大きくする）と、抵抗成分に比べてインダクタンス成分の割合が大きくなるため、短絡事故時に発生する給電系の過渡電圧変動が大きくなってしまうという問題があった。

電流分配装置２にコンデンサ収容箱３を接続するための手順を自動化した公知例（例えば特許文献１）や、コンデンサ収容箱内のコンデンサ取り替え方法等を示した本願発明者らの先願（特願２００５−９１８８）はあるが、直流給電系の過渡的な電圧変動を最小限に抑えるための、電流分配装置２とコンデンサ収容箱３とを結ぶ給電ケーブルＫ５の好ましい接続構成を示した技術は見あたらない。
特開２００４−１５９４６３号公報

本発明は、電流分配装置とコンデンサ収容箱とを結ぶ給電ケーブルの好ましい接続構成を明らかにして、通信装置の一つが短絡事故を起こしたとき、直流給電系の過渡的な電圧変動を最小限に抑えるための高信頼度通信機用直流給電システムの提供を目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載した、通信装置に直流電力を分配する電流分配装置と該電流分配装置に付加するコンデンサ収容箱とを有する通信機用直流給電システムにおいて、該電流分配装置と該コンデンサ収容箱とを複数の直流給電ケーブルで並列接続して、短絡時に発生する過渡電圧を抑制するようにしたことを特徴とする高信頼度通信機用直流給電システム。

請求項２に記載した、許容電圧降下から算出される必要断面積を満たす以上にケーブル断面積の小さい複数の直流給電ケーブルで並列接続したことを特徴とする請求項１の高信頼度通信機用直流給電システム。

請求項３に記載した、ケーブル断面積１００mm^２以下の直流給電ケーブルを２本以上並列接続したことを特徴とする請求項２の高信頼度通信機用直流給電システム。

請求項１の発明によれば、通信装置に直流電力を分配する電流分配装置と該電流分配装置に付加するコンデンサ収容箱とを有する通信機用直流給電システムにおいて、該電流分配装置と該コンデンサ収容箱とを複数の直流給電ケーブルで並列接続して、短絡時に発生する過渡電圧を抑制するようにしたことを特徴とする高信頼度通信機用直流給電システムを使用できるので、通信装置の短絡事故時の直流給電系の過渡電圧変動を抑制でき、高信頼度が要求される通信システムを安定に稼動できる。

請求項２の発明によれば、許容電圧降下から算出される必要断面積を満たす以上にケーブル断面積の小さい複数の直流給電ケーブルで並列接続したことを特徴とする請求項１の高信頼度通信機用直流給電システムを使用できるので、通信装置の短絡事故時の直流給電系の過渡電圧変動をより抑制でき、高信頼度が要求される通信システムを安定に稼動できる。

請求項３の発明によれば、ケーブル断面積１００mm^２以下の直流給電ケーブルを２本以上並列接続したことを特徴とする請求項２の高信頼度通信機用直流給電システムを使用できるので、通信装置の短絡事故時の直流給電系の過渡電圧変動を請求項２以上に抑制でき、高信頼度が要求される通信システムを安定に稼動できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の請求項１記載の高信頼度通信機用直流給電システムを示す。電流分配装置２とコンデンサ収容箱３との間を複数の細い直流給電ケーブルＫ５で並列接続する。図１は２並列であるが、３並列、４並列としてもよい。平行２線の直流給電ケーブルの往復単位長さあたりのインダクタンスＬは下の式（３）で表すことができる。
Ｌ＝μ_Ｓ/４π＋(μ₀/π)log((d-r)/ r) ・・・（３）
ここで、円形導体の比透磁率をμ_Ｓ、空気中の比透磁率をμ₀、円形導体中心間距離をｄ、円形導体半径をｒとする。

平行２線の直流給電ケーブルの抵抗Ｒに関しては下の式（４）で表すことができる。
Ｒ＝ρ(ｌ/Ｓ) ・・・（４）
ここで、導体の抵抗率をρ、導体の長さをｌ、導体断面積をＳとする。

これらの式をもとにコンデンサ収容箱用ケーブルの具体的なインピーダンス値を計算した結果を表１、２に示す。表１では一例として通信用電力ケーブルとして普及しているＣＦＤケーブルにおけるケーブル断面積１００ｍｍ^２と２００ｍｍ^２の単位長あたりのインダクタンス値と抵抗値を示している。ケーブル長はプラスラインとマイナスラインの往復線長である。表より断面積が２倍になると抵抗値は半分になるのに対して、インダクタンス値は減少するが、半分にはならない。

電流分配装置とコンデンサ収容箱間の距離が５ｍで、ケーブル断面積１００ｍｍ^２のケーブルを２本並列使用したときと、ケーブル断面積２００ｍｍ^２のケーブルを１本使用したときのケーブルの抵抗値とインダクタンス値を表２に示す。どちらも合計の断面積は等しいため、抵抗値は同じである。―方インダクタンス値はケーブル断面積１００ｍｍ^２のケーブルを２本並列使用すると、ケーブル断面積２００ｍｍ^２のケーブルを１本使用し時に比べて半分となっている。したがって同じ抵抗値でインダクタンス値を低減したい場合には、細いケーブルを複数並列使用することで実現できる。また、太いケーブルを複数並列接続すればさらにインダクタンス値は低減できるが、抵抗値も減少してしまうため、給電系の発振抑制の観点からは好ましくない。またケーブル径が太くなることにより、施工時に端子間に余裕空間が確保できないため、ケーブルの収容や接続で問題が生じる。従って本発明のように細いケーブルを複数並列接続することにより、抵抗値は従来のままとして、給電系の発振を抑制し、かつインダクタンスを低減して、短絡事故でヒューズが遮断した際の過渡電圧変動も抑制することができる。

図２の電流分配装置２とコンデンサ収容箱３とを、２本ないし１本の給電ケーブルＫ５を使用して接続した時の、短絡事故を起こしていない通信装置４２の電源入力端Ｘ'点の過渡電圧波形を図３に示す。図３（ａ）はケーブル断面積１００ｍｍ^２で５ｍ長の給電ケーブルを２本並列使用した場合、図３（ｂ）はケーブル断面積２００ｍｍ^２で５ｍ長の給電ケーブルを1本使用した場合の過渡電流・電圧変動を示している。どちらも合計のケーブル断面積と長さが等しいため合成抵抗は等しい。図３（ａ）の場合は、Ｘ'点の最大電圧Ｖ０は６０.１Ｖであるのに対し、図３（ｂ）の場合は、Ｘ'点の最大電圧は６９.１Ｖとなり、細い給電ケーブルを複数本使用したときのほうが、過渡電圧変動を抑制できることがわかる。このように、コンデンサ収容箱用給電ケーブルは細い給電ケーブルを複数並列接続することにより、短絡事故発生時のヒューズ遮断での過渡電圧変動を抑制することができ、追加費用をかけることなく他の給電系統への電圧変動を少なくすることができる。

本発明の実施例に係るコンデンサ収容箱が接続された直流給電系を示す概念図。 通信装置の一つが短絡事故を起こしたとき、他の装置への影響を検討するために用いた直流給電系を示す概念図。 本発明の実施例に係る直流給電系で、短絡事故発生時の過渡現象を示す電流・電圧波形図。（ａ）ケーブル断面積１００ｍｍ^２で５ｍ長の給電ケーブルを２本使用。（ｂ）ケーブル断面積２００ｍｍ^２で５ｍ長の給電ケーブルを1本使用。 従来のコンデンサ収容箱が接続される直流給電系を示す概念図。

符号の説明

１．電源装置
２．電流分配装置
３．コンデンサ収容箱
５．蓄電池
４１〜４３．通信装置
Ｋ０〜Ｋ５．給電ケーブル

Claims (3)

1. 通信装置に直流電力を分配する電流分配装置と該電流分配装置に付加するコンデンサ収容箱とを有する通信機用直流給電システムにおいて、該電流分配装置と該コンデンサ収容箱とを複数の直流給電ケーブルで並列接続して、短絡時に発生する過渡電圧を抑制するようにしたことを特徴とする高信頼度通信機用直流給電システム。
2. 許容電圧降下から算出される必要断面積を満たす以上にケーブル断面積の小さい複数の直流給電ケーブルで並列接続したことを特徴とする請求項１の高信頼度通信機用直流給電システム。
3. ケーブル断面積１００mm^２以下の直流給電ケーブルを２本以上並列接続したことを特徴とする請求項２の高信頼度通信機用直流給電システム。
   
   

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