JP2007159253A - コンデンサ収容箱 - Google Patents

Abstract

【課題】給電系の安定化のため給電系に取付けられるコンデンサ収容箱において、収容箱を構成するヒューズやコンデンサなどの部品を故障又は劣化により交換する場合に、収容箱内のコンデンサが全て並列接続され、プリチャージ回路に接続される構成であったため、故障した部品だけを交換することができず、収容箱全体を交換する必要があった。
【解決手段】プリチャージ回路とコンデンサを直列接続したコンデンサユニットを複数並列に接続して搭載枠に取り付けることとした。負荷装置に対する通電を停止することなく、故障又は劣化部品を有するコンデンサユニットだけ交換することで収容箱の保守を行うことができ、保守費用の低減や作業性、安全性の改善に効果がある。
【選択図】 図４

Description

本発明は、電源電圧の安定性を確保するため給電系に取り付けられるコンデンサ収容箱に関し、特に、コンデンサ収容箱を複数のコンデンサユニットで構成することにより、保守作業における作業性、安全性を向上したコンデンサ収容箱に関する。

特開2004-159463号公報

図2は、直流給電系に接続した従来のコンデンサ収容箱の回路図である。
C-BOXは安定化を図る通信装置Uの入力端または電流分配装置IBSに接続する。C-BOXは、外部接続端子2A、2Bと、内部端子3A、4A、5Aを有する。2A端子と4A端子の間にヒューズ端子台FS1A、2A端子と3A端子の間に充電スイッチSW1が接続される。3A端子と4A端子の間には抵抗R1が接続され、3A端子と5A端子の間に充電表示ランプLED、ダイオードDが並列に接続され、4A端子と5A端子の間に抵抗R2が接続される。4A端子と2B端子の間に、コンデンサC11、C12がヒューズ端子台FS1Bを介して並列に接続される。また、これと並列になるようコンデンサC13、C14がヒューズ端子台FSICを介して並列に接続され、コンデンサC15、C16がヒューズ端子台FS1Dを介して並列に接続される。

直流給電系では、電源装置Eから数十メートル前後離れた場所に電流分配装置IBSが接続され、IBSからさらに数十メートル前後離れた場所に、通信装置Uが接続される。コンデンサ収容箱C-BOXは、通信装置Uの入力用端子または電流分配装置IBSに対して、距離を極力短くした配線で、2A、2B端子を介して接続される。
このように配線したC-BOXにおいて、初期状態としてヒューズFS1Aを未挿入、充電スイッチSW1を開放とし、ヒューズ端子台FS1B、FS1C、FS1Dにヒューズを挿入する。ヒューズを挿入した後、充電スイッチSW1を投入すると、コンデンサC11乃至C16がLEDの内部抵抗、及び、抵抗R1、R2の合成抵抗によって同時に緩やかに充電される。充電中はLEDが点灯し、充電が終了するとLEDは消灯する。LEDが消灯した後、ヒューズ端子台FS1Aにショートヒューズを挿入し、充電スイッチSW1を開放することにより直流給電系にC-BOXが安全に接続される。

電流分配装置にコンデンサ収容箱を接続するための手順を自動化した公知例があるが(例えば特許文献1)、コンデンサ収容箱内の一部のコンデンサあるいはヒューズが故障した場合に、コンデンサ収容箱を電流分配装置に接続した状態で故障部品のみを交換できるものではない。

従来のコンデンサ収容箱C-BOXでは、コンデンサC11乃至C16または各ヒューズがひとつでも故障した場合には、直流給電系がコンデンサ容量の低下により不安定になる可能性がある。その場合に、故障したコンデンサやヒューズを取り外し新しいコンデンサやヒューズを接続する際に、コンデンサを充電する突入電流が必ず発生する。そのため直流給電系に電圧変動が発生し、電流分配装置IBSから供給されている通信装置Uが誤動作するおそれがあり、ヒューズやコンデンサを部分的に交換することは不可能であった。したがって、C-BOXのヒューズ及びコンデンサの交換が必要な場合はC-BOX本体を交換する必要があった。C-BOXの交換時には、同じ容量である別の仮C-BOXを通信装置Uの入力端に接続し、新しいC-BOXに取替え、仮C-BOXを取り外すという作業が必要であった。このように、従来のC-BOXでは、一部の部品が故障すれば直流給電系が不安定になるばかりでなく、C-BOX本体を新しいものに交換する必要があった。

この問題への対策として、例えば、特願2005-009188号公報(出願時未公開)に記載したように、内蔵するコンデンサの個数を冗長構成N+1とし、コンデンサごとの充電を可能にする回路を構成し、規定の交換手順で新しいコンデンサを接続することで安全に交換する技術がある。具体的には、コンデンサの搭載数に冗長性を持たせ、交換時に冗長分を取り除いても給電系の安定性に問題がないことを利用して、給電系からコンデンサを切り離せる回路構成とし、交換対象のコンデンサへの通電のみを停止した上でコンデンサを交換するものである。

上記特願2005-009188号公報に記載した方法では、交換するために一回一回所定の手続きを行い、通電を停止した上でコンデンサを交換する必要がある。しかし、この方法で交換対象以外の周辺コンデンサが通電された状態でコンデンサの交換を行う場合、誤って通電中のコンデンサを外してしまうことによってコンデンサの容量不足に陥る懸念がある。また、コンデンサを一つ一つ交換していくため、交換作業に大変な時間がかかる。さらに、作業用の工具と筐体フレームが接触することで短絡事故が発生したり、人体が充電部に触れることで感電したりする懸念があるなど、作業の危険性が高いという問題がある。
さらに、従来のコンデンサ収容箱C-BOXでは、内部に搭載されるコンデンサの寿命を把握することが難しかった。コンデンサの寿命は周囲の温度によって異なるからである。

以上の問題を解決するために、本発明は、コンデンサとプリチャージ回路を搭載する独立したコンデンサユニットを複数具備し、内蔵するコンデンサが寿命かどうか判定する手段を設け、寿命に達した場合や、コンデンサまたはヒューズ故障が発生した場合に、劣化部品や故障部品を容易に交換できるコンデンサ収容箱を提供するものである。

本発明（１）は、電源装置、電流分配装置、負荷装置を順に直流給電ケーブルにより配線して構成される直流給電系の前記電流分配装置又は前記負荷装置の入力端子に接続され電源電圧を安定化するコンデンサ収容箱において、前記コンデンサ収容箱が、並列接続された複数のコンデンサユニットと前記コンデンサユニットを取付ける搭載枠とから構成され、前記コンデンサユニットが、直列接続されたプリチャージ回路と少なくとも1個のコンデンサとから構成されることを特徴とするコンデンサ収容箱である。

本発明（２）は、前記コンデンサユニットと前記搭載枠とを勘合コネクタにより接続することを特徴とする前記発明（1）のコンデンサ収容箱である。

本発明（３）は、前記コンデンサユニットが、それぞれ2個のネジ端子形のコンデンサを内蔵し、前記コンデンサのネジ端子がある面が向かい合わせとなるように前記コンデンサを配置することを特徴とする前記発明（１）乃至前記発明（２）のコンデンサ収容箱である。

本発明（４）は、コンデンサが劣化しても前記電源電圧の安定化に必要なコンデンサ容量を確保できるコンデンサ初期容量をC_Bとし、コンデンサユニット1個あたりの初期容量をC₀とし、前記コンデンサ収容箱にN+1個のコンデンサユニットを搭載する時に、C₀≧C_B/NとなるようにC₀を設定することを特徴とする前記発明（1）乃至前記発明（３）のコンデンサ収容箱である。

本発明（５）は、内蔵するコンデンサに接触して取り付けられた温度計測部と、前記温度計測部から前記コンデンサの温度データを受信するデータ受信部と、前記温度データから前記コンデンサの余命を算出する演算部と、算出された前記余命により前記コンデンサが寿命に達したと判定される場合に、前記コンデンサが寿命に達したことを外部に通知する送信部とからなる寿命判定装置を有することを特徴とする前記発明（１）乃至前記発明（４）のコンデンサ収容箱である。

本発明（６）は、前記温度計測部による温度計測周期をt、i回目に計測された温度をT_i、i+1回目に計測された温度をT_i+1、平均温度をT_ai = (T_i + T_i+1)/2、コンデンサの定格温度をT₀、コンデンサの余命の減少分をL_ai = t×2^(Tai-T0)/10、コンデンサの使用開始時から現時点であるn回目の温度測定時までの積算された余命減少分を

、定格温度におけるコンデンサの寿命をL₀とする時に、
L₁ ≧ L₀の時にコンデンサが寿命に達したと判定することを特徴とする前記発明（５）のコンデンサ収容箱である。

本発明（７）は、しきい値Xを予め設定し、前記温度計測部による温度計測周期をt、i回目に計測された温度をT_i、i+1回目に計測された温度をT_i+1、平均温度をT_ai = (T_i + T_i+1)/2、コンデンサの定格温度をT₀、コンデンサの余命の減少分をL_ai = t×2^(Tai-T0)/10、コンデンサの使用開始時から現時点であるn回目の温度測定時までの積算された余命減少分を

、定格温度におけるコンデンサの寿命をL₀とする時に、
(L₁ / L₀) ≧Xの時にコンデンサが寿命に達したと判定することを特徴とする前記発明（５）のコンデンサ収容箱である。

（１）ンデンサ収容箱を、複数のコンデンサユニットからなる構成とすることにより、内蔵するコンデンサが寿命に達した場合や、コンデンサ、ヒューズが故障した場合に、負荷装置に対する通電を停止することなく、劣化部品や故障部品のあるコンデンサユニットのみを安全に交換できる。コンデンサ収容箱全体を交換する必要がない。
（２）コンデンサユニットの抜き差しを行うだけで故障部品の交換作業を行えるので、保守作業の作業性が向上し、作業時間の短縮にも効果がある。
（３）部品の交換を行なう際、誤った操作によってコンデンサの容量不足から直流給電系が不安定になる事故や、周囲の充電部に人体又は部材や工具が接触することによる短絡事故の発生を防止できる。
（４）周囲温度の変化によらず内蔵するコンデンサが寿命に達したかどうか判定することができ、保守作業を安全な時期に行うことができる。
（５）コンデンサユニット内で2個のネジ端子形コンデンサを搭載する時に、ネジ端子の面を向かい合わせに配置することにより、搭載枠からコンデンサまでの配線インダクタンスを等しくできるので、給電系の安定性が向上する。

以下、図面に基づいて本発明の最良の形態を説明する。
（コンデンサ収容箱の回路図）
図1は、直流給電系に接続した本発明のコンデンサ収容箱の具体例の回路図である。本発明のコンデンサ収容箱は、コンデンサ、プリチャージ回路、ヒューズ充填台、充電スイッチから構成される複数のコンデンサユニットC-Un(n = 1, 2, …)と、複数のコンデンサを取付け可能な搭載枠とから構成させる。搭載枠において、端子P0、M1は、給電系の負荷装置として、例えば、通信装置Uの入力端子に接続されている。各コンデンサユニットは同じ内部回路を有する。例えば、コンデンサユニットC-U1は、外部接続端子2A、2Bと、内部端子3A、4A、5Aを有する。2A端子と4A端子の間にヒューズ端子台FS1A、2A端子と3A端子の間に充電スイッチSW1が接続される。3A端子と4A端子の間には抵抗R1が接続され、3A端子と5A端子の間に充電表示ランプLED、ダイオードDが並列に接続され、4A端子と5A端子の間に抵抗R2が接続される。4A端子と2B端子の間に、コンデンサC11、C12がヒューズ端子台FS1Bを介して並列に接続される。

(初期充電)
コンデンサ収容箱内のコンデンサやヒューズを交換するときは、故障部品や劣化部品を有するコンデンサユニットを取外す。新規のコンデンサユニットを取り付ける時は、コンデンサを安全に充電するため、手順に従って初期充電を行う。例えば、コンデンサユニットC-U1を取り付ける時は、取り付け前にヒューズ端子台FS1A、FS1Bを未挿入とし、充電スイッチSW1を開放とする。次に、コンデンサユニットC-U1の外部接続端子2A、2Bをコンデンサ収容箱の搭載枠に取り付け、給電系の正極の導体POとコンデンサユニットの端子2B、給電系の負極の導体M1とコンデンサユニットの端子2Aを接続する。この状態では、コンデンサユニット内の回路に電流が流れることはない。
ここでヒューズFS1Bを挿入後、充電スイッチSW1を投入すると、抵抗R1および充電表示ランプLED、抵抗R2を通じて充電電流が流れ、内部のコンデンサC11、C12が充電される。これらの充電電流は、電流経路にある抵抗R1、R2、LEDの内部抵抗の合成抵抗によって十分に抑制されるため、コンデンサ収容箱を介して接続される直流給電系に突入電流による電圧変動を発生させることはない。コンデンサC11、C12が充電されるとLEDに電流が流れなくなるので、LEDは消灯する。LEDが消灯することを確認してから、ヒューズ端子台FS1Aにショートヒューズを挿入する。このとき、既にコンデンサC11、C12は充電されているので、2A端子と4A端子間に電位差はない。従って、ショートヒューズの挿入時に突入電流が流れることはなく、直流給電系に電圧変動が生じることもない。最後にSW1を開放することにより直流給電系にコンデンサユニットC-U1が安全に接続される。
他のコンデンサユニットについても、ユニットの交換時に、同様の方法で給電系に安全に接続することができる。

（コンデンサ収納箱とコンデンサユニットの構造）
図3は本発明のコンデンサ収容箱とコンデンサユニットの形状の具体例を示す構造図である。
コンデンサ収容箱の搭載枠に対し、勘合コネクタによりコンデンサユニットを取り付ける。コンデンサユニットを差し込むと、搭載枠とコンデンサユニットとにそれぞれ設けられたコネクタが勘合し、コンデンサユニットの外部接続端子が給電系の正極の導体PO、給電系の負極の導体M1に接続される。例えば、コンデンサユニットC-U1の場合は、端子2Aと端子M1、及び、端子2Bと端子P0が、前記コネクタを介して接続される。また、コンデンサユニットをコンデンサ収容箱から引き抜くだけで、前記コネクタによる接続を外すことができる。
このような形状にすることにより、コンデンサ収容箱の充電部周辺に触れることなくコンデンサユニットをコンデンサ収容箱に安全に接続し、切り離すことができる。

（コンデンサユニットの内部構造図）
図5は、本発明のコンデンサユニットの内部構造図である。コンデンサユニットにネジ端子形コンデンサ2個を縦に1列に搭載する場合、コンデンサの両極であるネジ端子がある面を向かい合わせとして搭載する。コンデンサのネジ端子の面を向かい合わせに配置することによって、コンデンサのネジ端子の面を同一方向に並べた場合と比較して、コンデンサ収容箱の搭載枠から上記2個のコンデンサまでの配線長を等しくすることができる。搭載枠からコンデンサまでのインダクタンスは直流給電系の安定性に大きな影響を与えるが、これらの配線長を等しくすることによって、上記2個のコンデンサまでの配線インダクタンスを等しくすることができる。このことによって、収容するコンデンサの部位によって、給電系の安定性に寄与する能力を等しくすることができる。

（コンデンサの容量値とコンデンサユニットの個数の設定）
図4は、図１に回路図を示す本発明のコンデンサ収容箱において、コンデンサの容量値とコンデンサユニット数の適切範囲の説明図である。
直流給電系の安定化のために必要な容量をCAとする。コンデンサは劣化すると容量値が初期容量に比べ減少する。そこで、コンデンサが劣化してもCAを確保できる容量をCBとする。一般的なコンデンサではCAはCBの8割程度となる。
各コンデンサユニットに搭載するコンデンサの容量値は、コンデンサ収納箱に搭載するコンデンサユニットの数をN+1個とした時に、CBを自然数Nで除した値CB/N以上とするのが好ましい。例えば、コンデンサユニットC-U1におけるコンデンサC11とC12の容量の合計がCB/N以上とするのが好ましい。
コンデンサユニットをN+1ユニットの冗長構成にすることによって、コンデンサユニットのヒューズやコンデンサの―つが寿命等で故障した場合、故障したヒューズやコンデンサを搭載しているコンデンサユニットごと簡単に交換することができ、交換により直流給電系が不安定になることもない。
例えば、コンデンサユニットC-U1のコンデンサC11またはコンデンサC12、ヒューズFS1Bのいずれかが故障した場合、ヒューズFS1Bを取り外す。ヒューズ端子台FS1Bからヒューズを取外すことにより、コンデンサユニットC-U1には電流が流れなくなる。また、1個のコンデンサユニットを取外したN個のコンデンサユニットでCBの容量が確保されているので、コンデンサ収容箱に搭載されている残りのコンデンサユニットだけで、仮に全てのコンデンサが劣化していても、直流給電系を安定化できるだけのコンデンサ容量CAを確保できる。
この状態でコンデンサユニットC-U1とコンデンサ収容箱C-BOXとの接続を切り離し、コンデンサユニットC-U1と直流給電系との接続を切り離す。この後、新しいコンデンサユニットを取付け、図１により説明した初期充電の方法で、コンデンサの充電を行う。
なお、コンデンサユニットをコンデンサ収容箱C-BOXから取り外した後、内蔵するコンデンサやヒューズを新品に交換した後に、コンデンサユニットを再使用できることは言うまでもない。

（コンデンサの寿命判定）
図6は、本発明のコンデンサ寿命判定機能を備えたコンデンサユニットの内部構造図である。例えば、計測部はコンデンサユニット内部のコンデンサ表面に設置された熱電対または温度センサであり、データ受信部は熱電対または温度センサの出力電圧をサンプリングして、温度データに変換する。この温度データをもとに演算部はコンデンサの余命を求める演算処理を行い、コンデンサが寿命に達したかどうか判定する。図7は、寿命判定を行う演算処理回路のシステム構成図である。

図8は、本発明のコンデンサ寿命を判定するフローチャートである。
コンデンサユニットに通電を開始すると、計測部、データ受信部、演算部および送信部に動作に必要な電力が供給され、動作が開始される。演算部は、あらかじめ記憶されていたコンデンサユニットに搭載されているコンデンサの定格温度To、寿命時間Loなどを読み込む。その後、計測部である熱電対はコンデンサの周囲温度を計測する。熱電対によって計測されたコンデンサ周囲の温度は、データ受信部を介して周期ｔごとに演算部に送信される。演算部は、i回目に計測された温度をTi、i+1回目に計測された温度をTi＋1として、以下に(式1)として示す演算式を実行することによりその期間中の平均温度Taiを算出する。
平均温度T_ai＝(T_i + T_i+1) / 2・・・(式1)
得られた平均温度T_aiを元に、以下に(式2)として示すアレニウスの法則に従う演算式を実行することによって、計測部が内蔵するコンデンサの温度をi回目に検出してからi+1回目に検出するまでの期間ｔにおけるコンデンサの余命の減少分を算出する。
コンデンサの余命の減少分L_ai＝ｔ×2^(Tai-T0)/10・・・(式2)
コンデンサの使用を開始してから現時点であるｎ回目に温度を検出するまでのコンデンサの余命の減少分は、コンデンサの寿命の減少分L_aiである(式2)を使用開始時から現時点までの期間にわたって合計するためにｎ回積算した結果であり、以下に(式3)として示す演算式を演算部が実行することによって求められる。

使用開始から現時点までの余命の減少分

・・・(式3)

演算部は、使用開始から現時点までの余命の減少分L₁とコンデンサの定格温度における寿命時間Loを比較し、L₁がLo以下になったとき、コンデンサは寿命に達したと判定する。コンデンサが寿命に達したという情報は、演算部から送信部に通知され、送信部から保守担当者に通知されるため、コンデンサ劣化による問題が発生する前にコンデンサを交換することが可能となる。
また、上記フローチャートにおいてコンデンサの寿命を判定する場合に、使用開始から現時点までの寿命の減少分L_１がコンデンサの定格温度における寿命時間Lo以上になったことを判定基準とするのではなく、閾値Xを予め設定し、L_１/Loが設定値X以上になったことを判定基準とすることも可能である。

直流給電系に接続した本発明のコンデンサ収容箱の具体例の回路図である。 直流給電系に接続した従来のコンデンサ収容箱の回路図である。 本発明のコンデンサ収容箱とコンデンサユニットの形状の具体例を示す構造図である。 コンデンサの容量値とコンデンサユニット数の適切範囲の説明図である。 本発明のコンデンサユニットの内部構造図である。 寿命判定機能を備えたコンデンサユニットの内部構造図である。 寿命判定を行う演算処理回路のシステム構成図である。 寿命判定のためのフローチャートである。

符号の説明

E 電源装置
IBS 電流分配装置
U 通信装置
C-U1、C-U2、C-U(N+1) コンデンサユニット
FP、FS1A、FS1B、FS1C、FS1D ヒューズ端子台
C11、C12、C13、C14、C15、C16 コンデンサ
SW1 充電スイッチ
R1、R2 抵抗
LED 充電表示ランプ
D ダイオード

Claims (7)

1. 電源装置、電流分配装置、負荷装置を順に直流給電ケーブルにより配線して構成される直流給電系の前記電流分配装置又は前記負荷装置の入力端子に接続され電源電圧を安定化するコンデンサ収容箱において、前記コンデンサ収容箱が、並列接続された複数のコンデンサユニットと前記コンデンサユニットを取付ける搭載枠とから構成され、前記コンデンサユニットが、直列接続されたプリチャージ回路と少なくとも1個のコンデンサとから構成されることを特徴とするコンデンサ収容箱。
2. 前記コンデンサユニットと前記搭載枠とを勘合コネクタにより接続することを特徴とする請求項1記載のコンデンサ収容箱。
3. 前記コンデンサユニットが、それぞれ2個のネジ端子形のコンデンサを内蔵し、前記コンデンサのネジ端子がある面が向かい合わせとなるように前記コンデンサを配置することを特徴とする請求項１乃至２のいずれか1項記載のコンデンサ収容箱。
4. コンデンサが劣化しても前記電源電圧の安定化に必要なコンデンサ容量を確保できるコンデンサ初期容量をC_Bとし、コンデンサユニット1個あたりの初期容量をC₀とし、前記コンデンサ収容箱にN+1個のコンデンサユニットを搭載する時に、C₀≧C_B/NとなるようにC₀を設定することを特徴とする請求項1乃至３のいずれか１項記載のコンデンサ収容箱。
5. 内蔵するコンデンサに接触して取り付けられた温度計測部と、前記温度計測部から前記コンデンサの温度データを受信するデータ受信部と、前記温度データから前記コンデンサの余命を算出する演算部と、算出された前記余命により前記コンデンサが寿命に達したと判定される場合に、前記コンデンサが寿命に達したことを外部に通知する送信部とからなる寿命判定装置を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか1項記載のコンデンサ収容箱。
6. 前記温度計測部による温度計測周期をt、i回目に計測された温度をT_i、i+1回目に計測された温度をT_i+1、平均温度をT_ai = (T_i + T_i+1)/2、コンデンサの定格温度をT₀、コンデンサの余命の減少分をL_ai = t×2^(Tai-T0)/10、コンデンサの使用開始時から現時点であるn回目の温度測定時までの積算された余命減少分を
   

   

   、定格温度におけるコンデンサの寿命をL₀とする時に、
   L₁ ≧ L₀の時にコンデンサが寿命に達したと判定することを特徴とする請求項５記載のコンデンサ収容箱。
7. しきい値Xを予め設定し、前記温度計測部による温度計測周期をt、i回目に計測された温度をT_i、i+1回目に計測された温度をT_i+1、平均温度をT_ai = (T_i + T_i+1)/2、コンデンサの定格温度をT₀、コンデンサの余命の減少分をL_ai = t×2^(Tai-T0)/10、コンデンサの使用開始時から現時点であるn回目の温度測定時までの積算された余命減少分を
   

   

   、定格温度におけるコンデンサの寿命をL₀とする時に、
   (L₁ / L₀) ≧Xの時にコンデンサが寿命に達したと判定することを特徴とする請求項５記載のコンデンサ収容箱。
   

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