JP2015002606A - Dc arc detection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、回路保護のために、例えば太陽光発電装置(photovoltiacs, PV)などにおいて発生する直流(DC)アークの発生を検知するDCアーク検知装置に関する。 The present invention relates to a DC arc detection device that detects the generation of a direct current (DC) arc generated in, for example, a photovoltaic generator (PV) for circuit protection.
近年、自然エネルギーの活用が活発化し、家庭向けの太陽光発電装置及びメガソーラー発電設備など、多数の太陽光発電装置が導入されてきている。それに伴い、太陽光発電装置において発生したDCアークに起因する火災事故が問題視されてきている。米国では、米国電気工事基準としてNEC690.11が規格化され、太陽光発電装置にはDCアークを検知して保護可能なデバイスを実装することが義務付けられた。今後、日本及びヨーロッパにおいても同様の規格が制定されて施行される方向に向かうと思われる。 In recent years, the use of natural energy has been activated, and a large number of solar power generation devices such as home-use solar power generation devices and mega solar power generation facilities have been introduced. Accordingly, a fire accident caused by a DC arc generated in the solar power generation apparatus has been regarded as a problem. In the United States, NEC 690.11 was standardized as a US electrical work standard, and it was obliged to mount a device capable of detecting and protecting a DC arc in a photovoltaic power generation apparatus. In the future, similar standards will be established and implemented in Japan and Europe.
DCアークには、直列DCアーク及び並列DCアークの2種類がある。直列DCアークは、主に、設置時の締め付け不良又は長年の振動などにより電流経路に含まれるネジなどの部品が緩み、電流経路に接触不良(不連続区間)が生じたときに発生する。並列DCアークは、正負の電源線の被覆が腐食したとき又は動物にかじられたときに正負の芯線が露出して互いに接触し(短絡)、その後に正負の芯線が離隔したときに発生する。交流(AC)電源の場合、周期的に電流が0になる瞬間があり、このときアークは消弧される。一方、DC電源の場合、常に電流が流れているので、アークが長時間持続することでアークの発生箇所が高温になり、発火して焼損する事故につながる可能性がAC電源の場合よりも高くなる。 There are two types of DC arcs: a series DC arc and a parallel DC arc. The series DC arc is generated mainly when a part such as a screw included in the current path is loosened due to a tightening failure at the time of installation or vibration for many years, and a contact failure (discontinuous section) occurs in the current path. A parallel DC arc occurs when the positive and negative power wires are corroded or when the positive and negative core wires are exposed to contact each other (short circuit) when the animal is bitten, and then the positive and negative core wires are separated. In the case of an alternating current (AC) power supply, there are moments when the current periodically becomes 0, and the arc is extinguished at this time. On the other hand, in the case of a DC power supply, current always flows, so that the arc is generated for a long period of time, so that there is a higher possibility that an arc will be generated at a high temperature, resulting in an accident that may ignite and burn. Become.
一般的に回路保護のために使用される遮断器は、過電流を検知して回路を遮断する。しかしながら、太陽光発電装置では、発電できる電力が限られているので、直列DCアークが発生しても電流は正常状態とほとんど変わることなく、また、並列DCアークが発生して回路が短絡しても大きな短絡電流が流れることはない。従って、太陽光発電装置では、直列DCアーク又は並列DCアークが発生しても、遮断器で検知可能な過電流は発生しない。 A circuit breaker generally used for circuit protection detects an overcurrent and interrupts the circuit. However, in a photovoltaic power generation device, the power that can be generated is limited, so even if a series DC arc occurs, the current hardly changes from the normal state, and a parallel DC arc occurs and the circuit is short-circuited. However, a large short circuit current does not flow. Therefore, in the photovoltaic power generation apparatus, even if a series DC arc or a parallel DC arc is generated, no overcurrent that can be detected by the circuit breaker is generated.
DCアークを検知するために、従来、太陽光発電装置の出力電圧が印加される正負の電源線(以下、「PVライン」という)のDC電圧を測定する方法が知られている。例えば、特許文献1は、負荷に印加されたDC電圧が一定時間しきい値を下回ったとき、DCアークの発生を検知する方法を開示している。
In order to detect a DC arc, a method of measuring a DC voltage of a positive and negative power supply line (hereinafter referred to as “PV line”) to which an output voltage of a photovoltaic power generator is applied is conventionally known. For example,
しかし、PVラインのDC電圧を直接に検知する場合、PVラインとDCアーク検知装置とを電気的に絶縁することができない。そのため、DCアーク検知装置が故障したときに、その故障を原因とする短絡が発生した場合には、PVラインに接続された他の装置(太陽光発電装置、パワーコンディショナ、など)に影響を及ぼすことになる。 However, when the DC voltage of the PV line is directly detected, the PV line and the DC arc detector cannot be electrically insulated. For this reason, when a short circuit occurs due to the failure of the DC arc detection device, it affects other devices (solar power generation devices, power conditioners, etc.) connected to the PV line. Will be affected.
回路を電気的に絶縁するために、トランスを利用することが知られている。しかし、トランスを介してDCアーク検知装置をPVラインに接続しても、PVラインのDC電圧の大きさを検知することができず、特許文献1の方法を適用することができない。従って、監視対象の回路を電気的に絶縁したときであっても、DCアークの発生を検知することができるDCアーク検知装置が必要とされる。
It is known to use a transformer to electrically insulate a circuit. However, even if the DC arc detector is connected to the PV line via a transformer, the magnitude of the DC voltage of the PV line cannot be detected, and the method of
また、回路中の遮断器が閉極及び開極したときにもDCアークが発生するが、このDCアークとは区別して、回路の接触不良又は短絡によるDCアークの発生のみを検知することができるDCアーク検知装置が必要とされる。 In addition, a DC arc is also generated when the circuit breaker in the circuit is closed and opened. In contrast to this DC arc, it is possible to detect only the occurrence of a DC arc due to circuit contact failure or short circuit. A DC arc detector is required.
また、回路のノイズとは区別して、DCアークの発生のみを検知することができるDCアーク検知装置が必要とされる。 Further, there is a need for a DC arc detection device that can detect only the occurrence of a DC arc in distinction from circuit noise.
本発明の目的は、以上の課題を解決し、監視対象の回路に影響を与えることなく、高精度でDCアークの発生を検知することができるDCアーク検知装置を提供することにある。 An object of the present invention is to solve the above-described problems and to provide a DC arc detection device capable of detecting the occurrence of a DC arc with high accuracy without affecting the circuit to be monitored.
本発明の態様に係るDCアーク検知装置によれば、
DC電圧を有する電圧源と負荷装置とが2本のケーブルを介して接続され、上記電圧源と上記負荷装置との間に並列に接続され、DCアークの発生を検知するDCアーク検知装置において、上記DCアーク検知装置は、
上記電圧源と上記負荷装置との間にトランスを介して並列にAC結合して接続され、上記2本のケーブル間のライン電圧から、所定の基準電圧からの電圧変化成分を抽出する電圧変化成分抽出手段と、
上記電圧変化成分が正の第1のしきい値を越えたことを検知する電圧上昇検知手段と、
上記電圧変化成分が負の第2のしきい値よりも下がったことを検知する電圧小降下検知手段と、
上記電圧変化成分が、上記第2のしきい値よりも低い負の第3のしきい値よりも下がったことを検知する電圧大降下検知手段と、
上記電圧変化成分に含まれる高周波ノイズの大きさが、予め決められた不感時間及び予め決められた第1の時間にわたって第4のしきい値を超えたことを検知する第1のノイズ検知手段と、
上記電圧変化成分に含まれる高周波ノイズの大きさが、予め決められた第2の時間にわたって上記第4のしきい値を超えたことを検知する第2のノイズ検知手段と、
上記電圧上昇検知手段、上記電圧小降下検知手段、上記電圧大降下検知手段、上記第1のノイズ検知手段、及び上記第2のノイズ検知手段の検知結果の組み合わせに基づいてDCアークの発生を検知する判定手段とを備え、上記判定手段は、
(a)上記電圧変化成分が上記第2のしきい値よりも低くかつ上記第3のしきい値よりも高くなったとき、かつ、上記高周波ノイズの大きさが上記不感時間及び上記第1の時間にわたって上記第4のしきい値を超えているとき、上記DCアーク検知装置に対して上記電圧源が位置した側において直列DCアークが発生したことを検知し、
(b)上記電圧変化成分が上記第1のしきい値よりも低い正の値になったとき、かつ、上記高周波ノイズの大きさが上記第2の時間にわたって上記第4のしきい値を超えているとき、上記DCアーク検知装置に対して上記負荷装置が位置した側において直列DCアークが発生したことを検知し、
(c)上記電圧変化成分が上記第3のしきい値よりも低くなったとき、かつ、上記高周波ノイズの大きさが上記不感時間及び上記第1の時間にわたって上記第4のしきい値を超えているとき、並列DCアークが発生したことを検知することを特徴とする。
According to the DC arc detection device according to the aspect of the present invention,
In a DC arc detection device that connects a voltage source having a DC voltage and a load device via two cables, is connected in parallel between the voltage source and the load device, and detects the occurrence of a DC arc. The DC arc detector is
A voltage change component that is AC-coupled in parallel via a transformer between the voltage source and the load device and extracts a voltage change component from a predetermined reference voltage from the line voltage between the two cables. Extraction means;
Voltage rise detection means for detecting that the voltage change component has exceeded a positive first threshold;
A small voltage drop detecting means for detecting that the voltage change component has fallen below a negative second threshold;
A large voltage drop detecting means for detecting that the voltage change component has fallen below a negative third threshold value lower than the second threshold value;
First noise detecting means for detecting that the magnitude of the high-frequency noise included in the voltage change component exceeds a fourth threshold value over a predetermined dead time and a predetermined first time; ,
Second noise detection means for detecting that the magnitude of the high-frequency noise contained in the voltage change component exceeds the fourth threshold value over a predetermined second time;
DC arc generation is detected based on a combination of detection results of the voltage rise detection means, the voltage drop detection means, the voltage drop detection means, the first noise detection means, and the second noise detection means. Determination means for
(A) When the voltage change component is lower than the second threshold and higher than the third threshold, and the magnitude of the high-frequency noise is the dead time and the first When the fourth threshold is exceeded over time, detecting that a series DC arc has occurred on the side where the voltage source is located relative to the DC arc detector;
(B) When the voltage change component becomes a positive value lower than the first threshold, and the magnitude of the high-frequency noise exceeds the fourth threshold over the second time. And detecting that a series DC arc is generated on the side where the load device is located with respect to the DC arc detection device,
(C) When the voltage change component becomes lower than the third threshold, and the magnitude of the high frequency noise exceeds the fourth threshold over the dead time and the first time. It is characterized by detecting that a parallel DC arc has occurred.
本発明のDCアーク検知装置によれば、監視対象の回路に影響を与えることなく、高精度でDCアークの発生を検知することができる。 According to the DC arc detector of the present invention, it is possible to detect the occurrence of a DC arc with high accuracy without affecting the circuit to be monitored.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。各図面にわたって、同様の構成要素は、同じ符号により示す。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Throughout the drawings, similar components are designated by the same reference numerals.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る太陽光発電システム及びDCアーク検知装置の構成を示すブロック図である。太陽光発電システムは、正負の電源線(PVライン)を介して接続された太陽光発電装置1及びパワーコンディショナ3を備え、さらに、PVケーブル上には遮断器2が設けられている。太陽光発電装置1は、PVライン上にDC電圧(PVライン電圧)Vdc1を供給する電圧源として機能する。DCアーク検知装置は、AC成分抽出回路11、電圧上昇検知回路12、電圧小降下検知回路13、電圧大降下検知回路14、整流回路15、イベント時ノイズ検知回路16、常時ノイズ検知回路17、及び判定回路18を備える。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a photovoltaic power generation system and a DC arc detection device according to
AC成分抽出回路11は、太陽光発電装置1とパワーコンディショナ3との間(図1では、遮断器2とパワーコンディショナ3との間)において、PVラインに並列に接続される。以下、本明細書において、AC成分抽出回路11に対して太陽光発電装置1及び遮断器2が位置した側を「上流」と呼び、AC成分抽出回路11に対してパワーコンディショナ3が位置した側を「下流」と呼ぶ。AC成分抽出回路11は、PVラインにAC結合され、PVライン電圧Vdc1から、所定の基準電圧からの電圧変化成分Vacを抽出する。図2は、図1のAC成分抽出回路11の詳細構成を示す回路図である。AC成分抽出回路11は、2つのコンデンサC、トランスTR、及び抵抗Rを含む。コンデンサCは、トランスTRの一次巻線に印加される電圧のDC成分を遮断するために入れる。コンデンサCを入れないと、PVラインの+側と−側が電圧のDC成分で短絡した状態になる。トランスTRは、DCアーク検知装置のうちのAC成分抽出回路11以外の部分と太陽光発電システムとを電気的に絶縁しながら、PVライン電圧Vdc1に含まれる電圧変化成分Vacのみを抽出することができる。抵抗Rは、電位を検知するための負荷抵抗である。PVライン電圧Vdc1は通常80V〜1000Vである。遮断器2を開極又は閉極したとき、あるいは、DCアークが発生したとき、短時間ではあるがPVライン電圧Vdc1とほぼ等しい電圧がトランスTRに印加されて大電流が流れ、発熱によりDCアーク検知装置が破壊される可能性がある。従って、回路を保護するために、AC成分抽出回路11にバリスタ等を設けてもよい。このとき、バリスタの飽和電圧は、DCアークにより発生する陰極降下電圧(例えば10〜15V)よりも高く、PVライン電圧Vdc1の最低値(例えば80V)よりも低い値に設定される。これにより、トランスTRよりも後段の回路の耐圧を低くすることができ、後段の回路の設計に対する要件を緩和することができるという効果がある。
The AC
電圧上昇検知回路12は、電圧変化成分Vacが、予め設定された正のしきい値Vth1を超えたことを検知する。このしきい値Vth1については後述する。
The voltage
電圧小降下検知回路13は、電圧変化成分Vacが、予め設定された負のしきい値Vth2よりも下がったことを検知する。このしきい値Vth2については後述する。
The small voltage
電圧大降下検知回路14は、電圧変化成分Vacが、しきい値Vth2よりも低い、予め設定された負のしきい値Vth3よりも下がったことを検知する。このしきい値Vth3については後述する。
The large voltage
整流回路15は、DCアークにより発生する高周波ノイズ(DCアークノイズ)を検知するための前処理を行う。整流回路15は、電圧変化成分Vacを増幅して全波整流し、DC電圧Vdc2として出力する。DC電圧Vdc2は、電圧変化成分Vacに含まれる高周波ノイズの大きさを表す。全波整流を行うことにより、電圧変化成分Vacの電圧はその絶対値に変換される。整流回路15は、平滑化のためにローパスフィルタをさらに備えてもよい。
The
イベント時ノイズ検知回路16は、電圧変化成分Vacがしきい値Vth2よりも下がったことを電圧小降下検知回路13が検知したとき、又は、電圧変化成分Vacがしきい値Vth3よりも下がったことを電圧大降下検知回路14が検知したときに起動され、PVライン電圧Vdc1に基づいて、電圧変化成分Vacに含まれる高周波ノイズの大きさを検知する。イベント時ノイズ検知回路16は、その起動後、予め設定された不感時間t0にわたって待機し、その後、予め設定された時間t1にわたって高周波ノイズの大きさが予め設定されたしきい値Vth4を越えたときに、DCアークノイズの発生を検知する。イベント時ノイズ検知回路16は、時間t1のうちの連続又は不連続な一定時間にわたって高周波ノイズの大きさがしきい値Vth4を越えたとき、高周波ノイズの大きさが時間t1にわたってしきい値Vth4を越えたと判断し、DCアークノイズの発生を検知してもよい。不感時間t0及び時間t1については後述する。しきい値Vth4は、予め決められた値を設定してもよく、又は、正常時の移動平均値などから標準偏差の3倍以上の値を設定してもよい。
The event
常時ノイズ検知回路17は、常時、PVライン電圧Vdc1に基づいて、電圧変化成分Vacに含まれる高周波ノイズの大きさを検知する。常時ノイズ検知回路17は、予め設定された時間t2にわたって高周波ノイズの大きさがしきい値Vth4を越えたときに、DCアークノイズの発生を検知する。常時ノイズ検知回路17は、時間t2のうちの連続又は不連続な一定時間にわたって高周波ノイズの大きさがしきい値Vth4を越えたとき、高周波ノイズの大きさが時間t2にわたってしきい値Vth4を越えたと判断し、DCアークノイズの発生を検知してもよい。時間t2については後述する。
The constant
非特許文献1によれば、DCアークが発生すると、1Hz〜100kHzの周波数にわたって高周波ノイズが現れ、この高周波ノイズはDCアークが続く限り存在する。この周波数のうち、パワーコンディショナ3に起因するインバータノイズの影響が少ないのは、約1kHzから上の周波数帯域である。
According to
判定回路18は、電圧上昇検知回路12、電圧小降下検知回路13、電圧大降下検知回路14、イベント時ノイズ検知回路16、及び常時ノイズ検知回路17の検知結果の組み合わせに基づいてDCアークの発生を検知する。検知方法の詳細については後述する。
The
ここで、図10〜図16を参照して、一般的な比較例のDCアーク検知装置の動作について説明する。 Here, with reference to FIGS. 10-16, operation | movement of the DC arc detection apparatus of a general comparative example is demonstrated.
図10は、比較例に係る太陽光発電システム及びDCアーク検知装置の構成を示すブロック図である。図10の太陽光発電システムは、図1の太陽光発電システムと同様に、太陽光発電装置1、遮断器2、及びパワーコンディショナ3を備える。太陽光発電装置1は、PVライン上にDC電圧Vdcを供給する電圧源として機能する。図10のDCアーク検知装置は、電圧検知回路21及び判定回路22を備える。電圧検知回路21は、図2のAC成分抽出回路11のようにPVラインにAC結合されたものではなく、PVラインのDC電圧を直接に検知する。
FIG. 10 is a block diagram illustrating a configuration of a photovoltaic power generation system and a DC arc detection device according to a comparative example. The solar power generation system of FIG. 10 includes a solar
PVラインのDC電圧Vdcが変化する要因として、遮断器2の開閉動作がある。遮断器2は通常、工事及び事故などの際にPVラインを電気的に接続したり切り離したりするために実装される。
As a factor for changing the DC voltage Vdc of the PV line, there is an opening / closing operation of the
図11は、図10の遮断器2が閉極するときの電圧Vdc1、Vac、Vdc2の変化を示すタイミングチャートである。遮断器2が閉極するとき、その接点はチャタリングしながら最終的に接触し、PVラインのDC電圧Vdcは太陽光発電装置1の出力電圧まで上昇する。そのため、DC電圧Vdcが太陽光発電装置1の出力電圧より低いしきい値Vth11を一定時間t11にわたって超えたとき、遮断器2の閉極を検知する。
FIG. 11 is a timing chart showing changes in the voltages Vdc1, Vac, and Vdc2 when the
図12は、図10の遮断器2が開極するときの電圧Vdc1、Vac、Vdc2の変化を示すタイミングチャートである。遮断器2が開極すると、PVラインのDC電圧Vdcは0Vになる。DC電圧Vdcが0Vになったことを検知するために、DC電圧Vdcがしきい値Vth12(Vth12>0)よりも一定時間t12にわたって低くなったとき、遮断器の開極を検知する。
FIG. 12 is a timing chart showing changes in the voltages Vdc1, Vac, and Vdc2 when the
図13は、図10のAC成分抽出回路2の上流で直列DCアークが発生したときの電圧Vdcの変化を示すタイミングチャートである。直列DCアークが発生した瞬間(すなわち、電流経路に不連続区間が発生した瞬間)、PVラインのDC電圧Vdcは、10〜15Vの幅にわたって急減に低下する。この10〜15Vという電圧の低下幅は、DCアークが発生する際の陰極降下電圧である。電圧の低下幅は、電流経路の不連続区間の長さに応じて変動する。太陽光発電システムでは、ねじの緩みによるDCアークの発生を想定しているので、電圧の低下幅の変動は、10〜15Vよりも若干大きな値になる程度であると考えられる。また、電圧の低下幅の時間変動の速さは、DCアークが発生した瞬間における電圧の急激な変化に比べれば遅い。図13では、説明の簡単化のため、DC電圧VdcはDCアーク発生後において変動しないように示している。以後の図においても同様に示す。AC成分抽出回路2の上流でDCアークが発生したことは、DC電圧Vdcが太陽光発電装置1の出力電圧より低いしきい値Vth13よりも一定時間t13にわたって低くなったとき、検知することができる。しきい値Vth13は、太陽光発電装置1の出力電圧と、その電圧よりも10〜15V低い電圧とを区別するように設定される。一定時間t13が必要なのは、ノイズによる影響を除去するためである。
FIG. 13 is a timing chart showing changes in the voltage Vdc when a series DC arc occurs upstream of the AC
図14は、図10のAC成分抽出回路2の下流で直列DCアークが発生したときの電圧Vdcの変化を示すタイミングチャートである。DCアークが発生すると、パワーコンディショナ3にかかる電圧は10〜15V低下する。この低下は急激であるので、パワーコンディショナ3の負荷制御は追従できず、DCアーク発生時において負荷は一定であると考えられる。図16は、太陽光発電装置1のIV特性を示すグラフである。パワーコンディショナ3は、太陽光発電装置1のIV特性において最大の電力が取り出せるように負荷を制御する。図16において、A点において最大電力を取り出せると想定する。DCアーク電圧が発生したとき、パワーコンディショナ3に掛かる電圧が低下する。そのため、太陽光発電装置1の出力電流は瞬時に低下する。すると、図16のIV特性において電流が低下したことにより、動作点がA点からB点に移動するので、太陽光発電装置1の出力電圧が上昇する。この出力電圧の上昇幅は、出力電流の大きさ及び太陽光発電装置1の仕様にもよるが、10V程度である。太陽光発電装置1の出力電圧が過渡特性を持つので、出力電圧は瞬間的には上昇しないが、その上昇速度は、日射量などによる変化に比べれば十分に速い。よって、AC成分抽出回路2の下流でDCアークが発生したことは、DC電圧Vdcが太陽光発電装置1の通常の出力電圧よりも増大し、一定時間t14以内にしきい値Vth14よりも高くなったとき、検知することができる。しきい値Vth13は、太陽光発電装置1の通常の出力電圧と、その電圧よりも10程度高い電圧とを区別するように設定される。
FIG. 14 is a timing chart showing changes in the voltage Vdc when a series DC arc occurs downstream of the AC
図15は、図10のAC成分抽出回路2の上流又は下流で並列DCアークが発生したときの電圧Vdcの変化を示すタイミングチャートである。AC成分抽出回路2の上流で並列DCアークが発生した場合でも、下流で並列DCアークが発生した場合でも、PVラインのDC電圧Vdcは同様に変動する。並列DCアークが発生すると、PVラインのDC電圧Vdcは10〜15V程度に急激に低下する。よって、並列DCアークが発生したことは、DC電圧Vdcが一定時間t15にわたって2つのしきい値Vth12及びVth15の範囲内にあるとき、検知することができる。一方のしきい値Vth12は、遮断器2の開極と識別するためのしきい値である(図12参照)。他方のしきい値Vth15は、しきい値Vth12よりも高い、電圧の急激な低下を検知するためのしきい値である。
FIG. 15 is a timing chart showing a change in the voltage Vdc when a parallel DC arc occurs upstream or downstream of the AC
図10〜図16を参照して説明したように、PVラインのDC電圧Vdcを検知できれば、一定時間にわたってDC電圧Vdcをしきい値と比較することにより、遮断器2の開閉動作と区別して、DCアークを検知することができる。
As described with reference to FIGS. 10 to 16, if the DC voltage Vdc of the PV line can be detected, the DC voltage Vdc is compared with a threshold value over a certain period of time, so that it can be distinguished from the opening / closing operation of the
しかしながら、図2のAC成分抽出回路11のようにDCアーク検知装置がPVラインにAC結合される場合には、図10〜図16を参照して説明した方法を適用することができない。DC電圧Vdcが検知できないと、PVラインの電圧の変化だけに基づいてDCアークを検知しなければならない。しかし、図10〜図16を参照して説明した方法では、遮断器2を開極したときにはDC電圧Vdcが0Vになり、並列DCアークが発生したときにはDC電圧Vdcが10〜15Vになることにより、単純にしきい値を用いてこれらを区別することができたが、PVラインのDC電圧を検知できないと区別できなくなる。また、ノイズ除去するために一定時間にわたってDC電圧を検知していたが、DC電圧の変化だけ抽出する場合には、ノイズなのかDCアークなのかを区別できなくなる。
However, when the DC arc detection device is AC-coupled to the PV line as in the AC
以下、図1のDCアーク検知装置の動作について説明する。 Hereinafter, the operation of the DC arc detection device of FIG. 1 will be described.
図3は、図1の遮断器2が閉極するときの電圧Vdc1、Vac、Vdc2の変化を示すタイミングチャートである。遮断器2が閉極するとき、その接点はチャタリングしながら最終的に接触する。チャタリング時には接点の接触と分離が繰り返されるので、短い時間でアーク発生と消弧が繰り返される。よって、高周波ノイズの大きさは、少なくともチャタリング時間以上にわたって、しきい値Vth4を越えている。しかし、これは事故時のDCアークに起因する高周波ノイズではないので、DCアークとして検知しないことが望ましい。よって、不感時間t0は、遮断器2の閉極時のチャタリング時間以上の値を設定する。通常、チャタリング時間は100ミリ秒以下である。また、遮断器2が閉極したことを検知するために、電圧上昇検知回路12に、遮断器2の接点の接触を検知するしきい値Vth1を設定し、電圧大降下検知回路14に、遮断器2の接点の分離を検知するしきい値Vth3を設定する。
FIG. 3 is a timing chart showing changes in the voltages Vdc1, Vac and Vdc2 when the
図4は、図1の遮断器2が開極するときの電圧Vdc1、Vac、Vdc2の変化を示すタイミングチャートである。遮断器2が開極すると、PVライン電圧Vdc1は0Vになる。しかし、遮断器2は小型化され、その接点の間の距離が近いので、接触した接点が開極により分離した後でアークが発生する。このアークは、AC電源であれば電流が0になる瞬間があるので、いずれ消弧するが、DC電源ではアークが持続する。アークが持続するとアーク箇所が高温になり、焼損の可能性があるので、遮断器2にはアークを一定時間以内に消弧する機構が備わっている。通常、アークは100ミリ秒以内に消弧される。しかし、このアークは事故時に起因するものではないので、DCアークとして検知しないことが望ましい。よって、不感時間t0は、遮断器2の開極時に遮断器2のアークが消弧する時間(100ミリ秒)以上の値を設定する。遮断器2が開極すると、電圧変化成分Vacは図4の中段に示すような波形になる。遮断器2の開極を検知するので、しきい値Vth3は、PVライン電圧Vdc1が0Vになることを検知できるしきい値を設定するが、後述する並列DCアークの電圧低下も検知するので、並列DCアークの電圧低下を検知でき、かつ、直列DCアークを検知しないようにするしきい値を設定する。前述のように、電圧大降下検知回路14には、遮断器2の接点の分離を検知するしきい値Vth3が設定されている。電圧大降下検知回路14は、後述する並列DCアークの電圧低下も検知するので、しきい値Vth3は、並列DCアークの電圧低下を検知でき、かつ、直列DCアークを検知しないように設定される。
FIG. 4 is a timing chart showing changes in the voltages Vdc1, Vac, and Vdc2 when the
図5は、図1のAC成分抽出回路2の上流で直列DCアークが発生したときの電圧Vdc1、Vac、Vdc2の変化を示すタイミングチャートである。AC成分抽出回路2の上流で直列DCアークが発生すると、PVライン電圧Vdc1が10〜15V程度低下する。このとき電圧変化成分Vacは、図5の中段に示すような信号になる。AC成分抽出回路11に含まれる各素子の定数は、抽出するAC電圧の成分が発振しないで急峻な変化を表すだけの信号になるように調整される。しきい値Vth2は、10〜15Vの急峻な電圧低下を検知できるように設定される。電圧変化成分Vacがしきい値Vth2又はVth3を下回ったことを検知すると、イベント時ノイズ検知回路16が起動される。イベント時ノイズ検知回路16は、不感時間t0にわたって待機し、その後、高周波ノイズの大きさが時間t1にわたってしきい値Vth4を越えたときに、DCアークノイズの発生を検知する。DC電圧Vdc2は、数mVレベルのDCアークノイズでも検知できるように電圧変化成分Vacに対して大きな増幅を行って取得するで、飽和している可能性がある。従って、不感時間t0は、DC電圧Vdc2が0V付近に落ちつくまでの時間を待つために設定する。この時間は、電圧変化成分Vacの大きさ、DC電圧Vdc2の大きさ、整流回路15内の増幅器の増幅率及び電源電圧などに応じて、適切に設定される。また、不感時間t0は、前述した遮断器2が開極するときに発生するアーク時間よりも長く設定される。時間t1は、10ミリ秒程度以上の値が設定される。DCアークノイズ以外のノイズの影響を少なくするためには、長い時間t1を設定すればよい。但し、あまり長くすると検知時間が延びるので、最大で100ミリ秒程度までが適切な値である。イベント時ノイズ検知回路16は、時間t1のうちの連続又は不連続な90%程度の時間にわたって高周波ノイズの大きさがしきい値Vth4を越えたとき、高周波ノイズの大きさが時間t1にわたってしきい値Vth4を越えたと判断し、DCアークノイズの発生を検知してもよい。
FIG. 5 is a timing chart showing changes in the voltages Vdc1, Vac, and Vdc2 when a series DC arc is generated upstream of the AC
図6は、図1のAC成分抽出回路2の下流で直列DCアークが発生したときの電圧Vdc1、Vac、Vdc2の変化を示すタイミングチャートである。AC成分抽出回路2の下流で直列DCアークが発生すると、PVライン電圧Vdc1が10V程度上昇する。この上昇に対応する電圧変化成分Vacの変化は、しきい値Vth1では検知できないレベルである。常時ノイズ検知回路17には、遮断器2の開極時及び閉極時に発生するアークの持続時間よりも長い時間t2を設定しているので、常時ノイズ検知回路17は事故時のDCアークのみを検知する。
FIG. 6 is a timing chart showing changes in the voltages Vdc1, Vac, and Vdc2 when a series DC arc is generated downstream of the AC
図7は、図1のAC成分抽出回路2の上流又は下流で並列DCアークが発生したときの電圧Vdc1、Vac、Vdc2の変化を示すタイミングチャートである。並列DCアークが発生すると、PVライン電圧Vdc1は急激に10〜15V程度の電圧になる。しきい値Vth3は、(アーク発生前PVライン電圧Vdc1)−(10〜15V)の電圧降下を検知できるように設定される。電圧大降下検知回路14は、電圧変化成分Vacがしきい値Vth3よりも低くなったことを検知する。
FIG. 7 is a timing chart showing changes in the voltages Vdc1, Vac, and Vdc2 when a parallel DC arc is generated upstream or downstream of the AC
図8は、図1の判定回路18による判定結果を示す表である。図1の各検出回路がイベントを検知したときは「○」、検知しないときは「−」を記している。判定回路18は、電圧変化成分Vacがしきい値Vth2よりも低くかつしきい値Vth3よりも高くなったとき、かつ、高周波ノイズの大きさが不感時間t0及び時間t1にわたってしきい値Vth4を超えているとき、AC成分抽出回路11の上流において直列DCアークが発生したことを検知する。判定回路18は、電圧変化成分Vacがしきい値Vth3よりも低くなったとき、かつ、高周波ノイズの大きさが不感時間t0及び時間t1にわたってしきい値Vth4を超えているとき、並列DCアークが発生したことを検知する。判定回路18は、電圧変化成分Vacがしきい値Vth1よりも低い正の値になったとき、かつ、高周波ノイズの大きさが時間t2にわたってしきい値Vth4を超えているとき、AC成分抽出回路11の下流において直列DCアークが発生したことを検知する。判定回路18は、電圧変化成分Vacが交互にしきい値Vth1を超えた値及びしきい値Vth3よりも低い値になったとき、かつ、高周波ノイズの大きさがしきい値Vth4を超えている時間の長さが不感時間t0を越えないとき、遮断器2の閉極を検知する。判定回路18は、電圧変化成分Vacがしきい値Vth3よりも低くなったとき、かつ、高周波ノイズの大きさがしきい値Vth4を超えている時間の長さが不感時間t0を越えないとき、遮断器2の開極を検知する。このように各検知回路の出力結果を組み合わせることにより、直列DCアーク、並列DCアーク、遮断器の開極、閉極を判別することができる。また、直列DCアークについては、上流で発生したのか下流で発生したのかを判別することができる。
FIG. 8 is a table showing the determination results by the
実施の形態1の構成としたことで、PVラインとDCアーク検知装置を絶縁することができ、遮断器の開極及び閉極の動作に影響されないで、直列DCアーク及び並列DCアークを検知することができる。また、直列DCアークについては上流で発生したのか下流で発生したのかを判別できるので、DCアーク事故発生時に発生箇所の範囲を狭く特定することができ、探索時間を短くすることが可能になる。 With the configuration of the first embodiment, the PV line and the DC arc detection device can be insulated, and the series DC arc and the parallel DC arc are detected without being affected by the operation of the circuit breaker opening and closing. be able to. Further, since it is possible to determine whether the series DC arc is generated upstream or downstream, it is possible to narrowly specify the range of the occurrence location when the DC arc accident occurs, and to shorten the search time.
また、実施の形態1の検知結果を警報用に使用したり、またDCアーク事故発生時には遮断器2を切るなどすることができる。
Further, the detection result of the first embodiment can be used for alarming, or the
また、遮断器2の開閉を検知できることにより、遠隔で遮断器2の作業確認をすることができる。
Moreover, since the opening / closing of the
実施の形態2.
図9は、本発明の実施の形態2に係る太陽光発電システム及びDCアーク検知装置の構成を示すブロック図である。実施の形態2は、実施の形態1のDCアーク検知装置に、PVラインに流れるDC電流を検知する電流検知回路19を新たに設けている。図9の判定回路18Aは、図1の判定回路18の動作に加えて、電流検知回路19の検知結果に基づいて動作する。電流検知回路19の上流で並列DCアークが発生すると、電流検知回路19は電流を検知せず、下流で発生すると検知する。
FIG. 9 is a block diagram showing the configuration of the photovoltaic power generation system and the DC arc detection device according to
電流検知回路19としては、DC電流が検知可能なフラックスゲート式、ホール効果式、磁気抵抗式などを利用した電流センサが用いられる。これらは電気的にPVラインと絶縁可能な電流センサである。
As the
図9の判定回路18Aは、図1の判定回路18と同様にDCアークノイズの発生を判定することに加えて、電流検知回路19の検知結果に基づいて、並列DCアークの発生時に、上流で発生したのか下流で発生したのかを判別することが可能になる。判定回路18Aは、電圧変化成分Vacがしきい値Vth3よりも低くなったとき、かつ、高周波ノイズの大きさが不感時間t0及び時間t1にわたってしきい値Vth4を超えているとき、かつ、PVラインに電流が流れているとき、下流において並列DCアークが発生したことを検知する。判定回路18Aは、電圧変化成分Vacがしきい値Vth3よりも低くなったとき、かつ、高周波ノイズの大きさが不感時間t0及び時間t1にわたってしきい値Vth4を超えているとき、かつ、PVラインに電流が流れていないとき、上流において並列DCアークが発生したことを検知する。
The
まとめ.
AC電圧に対して急激に変化する信号に対して3つのしきい値を設けて判定し、更にDCアークが発生する際のDCアークノイズを検知する手段を設け、それらの検知結果のパターンによってDCアークを判別するようにした。これにより、PVラインとDCアーク検知装置を絶縁することができ、AC電圧だけで、直流DCアーク及び並列DCアークを遮断器の開閉動作に影響されず、検知することができる。また、直流アークが上流側、下流で発生したかを検知することができる。
Summary.
Three thresholds are provided for a signal that changes rapidly with respect to the AC voltage, and a means for detecting DC arc noise when a DC arc is generated is provided. The arc was discriminated. As a result, the PV line and the DC arc detection device can be insulated, and the DC DC arc and the parallel DC arc can be detected only by the AC voltage without being affected by the switching operation of the circuit breaker. In addition, it is possible to detect whether a DC arc has occurred upstream or downstream.
また、電流検知手段を設けたことにより、並列DCアークについても上流側、下流側を検知することが可能になる。 Further, by providing the current detection means, it is possible to detect the upstream side and the downstream side of the parallel DC arc.
本発明のDCアーク検知装置によれば、監視対象の回路に影響を与えることなく、高精度でDCアークの発生を検知することができる。 According to the DC arc detector of the present invention, it is possible to detect the occurrence of a DC arc with high accuracy without affecting the circuit to be monitored.
1 太陽光発電装置、2 遮断器、3 パワーコンディショナ、11 AC成分抽出回路、12 電圧上昇検知回路、13 電圧小降下検知回路、14 電圧大降下検知回路、15 整流回路、16 イベント時ノイズ検知回路、17 常時ノイズ検知回路、18,18A 判定回路、19 電流検知回路、C コンデンサ、R 抵抗、TR トランス。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
上記電圧源と上記負荷装置との間にトランスを介して並列にAC結合して接続され、上記2本のケーブル間のライン電圧から、所定の基準電圧からの電圧変化成分を抽出する電圧変化成分抽出手段と、
上記電圧変化成分が正の第1のしきい値を越えたことを検知する電圧上昇検知手段と、
上記電圧変化成分が負の第2のしきい値よりも下がったことを検知する電圧小降下検知手段と、
上記電圧変化成分が、上記第2のしきい値よりも低い負の第3のしきい値よりも下がったことを検知する電圧大降下検知手段と、
上記電圧変化成分に含まれる高周波ノイズの大きさが、予め決められた不感時間及び予め決められた第1の時間にわたって第4のしきい値を超えたことを検知する第1のノイズ検知手段と、
上記電圧変化成分に含まれる高周波ノイズの大きさが、予め決められた第2の時間にわたって上記第4のしきい値を超えたことを検知する第2のノイズ検知手段と、
上記電圧上昇検知手段、上記電圧小降下検知手段、上記電圧大降下検知手段、上記第1のノイズ検知手段、及び上記第2のノイズ検知手段の検知結果の組み合わせに基づいてDCアークの発生を検知する判定手段とを備え、上記判定手段は、
(a)上記電圧変化成分が上記第2のしきい値よりも低くかつ上記第3のしきい値よりも高くなったとき、かつ、上記高周波ノイズの大きさが上記不感時間及び上記第1の時間にわたって上記第4のしきい値を超えているとき、上記DCアーク検知装置に対して上記電圧源が位置した側において直列DCアークが発生したことを検知し、
(b)上記電圧変化成分が上記第1のしきい値よりも低い正の値になったとき、かつ、上記高周波ノイズの大きさが上記第2の時間にわたって上記第4のしきい値を超えているとき、上記DCアーク検知装置に対して上記負荷装置が位置した側において直列DCアークが発生したことを検知し、
(c)上記電圧変化成分が上記第3のしきい値よりも低くなったとき、かつ、上記高周波ノイズの大きさが上記不感時間及び上記第1の時間にわたって上記第4のしきい値を超えているとき、並列DCアークが発生したことを検知することを特徴とするDCアーク検知装置。 In a DC arc detection device that connects a voltage source having a DC voltage and a load device via two cables, is connected in parallel between the voltage source and the load device, and detects the occurrence of a DC arc. The DC arc detector is
A voltage change component that is AC-coupled in parallel via a transformer between the voltage source and the load device and extracts a voltage change component from a predetermined reference voltage from the line voltage between the two cables. Extraction means;
Voltage rise detection means for detecting that the voltage change component has exceeded a positive first threshold;
A small voltage drop detecting means for detecting that the voltage change component has fallen below a negative second threshold;
A large voltage drop detecting means for detecting that the voltage change component has fallen below a negative third threshold value lower than the second threshold value;
First noise detecting means for detecting that the magnitude of the high-frequency noise included in the voltage change component exceeds a fourth threshold value over a predetermined dead time and a predetermined first time; ,
Second noise detection means for detecting that the magnitude of the high-frequency noise contained in the voltage change component exceeds the fourth threshold value over a predetermined second time;
DC arc generation is detected based on a combination of detection results of the voltage rise detection means, the voltage drop detection means, the voltage drop detection means, the first noise detection means, and the second noise detection means. Determination means for
(A) When the voltage change component is lower than the second threshold and higher than the third threshold, and the magnitude of the high-frequency noise is the dead time and the first When the fourth threshold is exceeded over time, detecting that a series DC arc has occurred on the side where the voltage source is located relative to the DC arc detector;
(B) When the voltage change component becomes a positive value lower than the first threshold, and the magnitude of the high-frequency noise exceeds the fourth threshold over the second time. And detecting that a series DC arc is generated on the side where the load device is located with respect to the DC arc detection device,
(C) When the voltage change component becomes lower than the third threshold, and the magnitude of the high frequency noise exceeds the fourth threshold over the dead time and the first time. A DC arc detection device that detects that a parallel DC arc has occurred.
上記判定手段は、
(c1)上記電圧変化成分が上記第3のしきい値よりも低くなったとき、かつ、上記高周波ノイズの大きさが上記不感時間及び上記第1の時間にわたって上記第4のしきい値を超えているとき、かつ、上記正又は負の電圧ケーブルに電流が流れているとき、上記DCアーク検知装置に対して上記負荷装置が位置した側において並列DCアークが発生したことを検知し、
(c2)上記電圧変化成分が上記第3のしきい値よりも低くなったとき、かつ、上記高周波ノイズの大きさが上記不感時間及び上記第1の時間にわたって上記第4のしきい値を超えているとき、かつ、上記正又は負の電圧ケーブルに電流が流れていないとき、上記DCアーク検知装置に対して上記DC電圧を有する電圧源が位置した側において並列DCアークが発生したことを検知することを特徴とする請求項1記載のDCアーク検知装置。 The DC arc detection device further includes current detection means for detecting the presence or absence of current flowing through the cable,
The determination means is
(C1) When the voltage change component becomes lower than the third threshold, and the magnitude of the high frequency noise exceeds the fourth threshold over the dead time and the first time. And when a current is flowing through the positive or negative voltage cable, it is detected that a parallel DC arc has occurred on the side where the load device is located with respect to the DC arc detection device,
(C2) When the voltage change component becomes lower than the third threshold, and the magnitude of the high frequency noise exceeds the fourth threshold over the dead time and the first time. And when no current is flowing through the positive or negative voltage cable, it is detected that a parallel DC arc has occurred on the side where the voltage source having the DC voltage is located with respect to the DC arc detector. The DC arc detection device according to claim 1, wherein:
上記判定手段は、
(d)上記電圧変化成分が交互に上記第1のしきい値を超えた値及び上記第3のしきい値よりも低い値になったとき、かつ、上記高周波ノイズの大きさが上記第4のしきい値を超えている時間の長さが上記不感時間を越えないとき、上記遮断器の閉極を検知し、
(e)上記電圧変化成分が上記第3のしきい値よりも低くなったとき、かつ、上記高周波ノイズの大きさが上記第4のしきい値を超えている時間の長さが上記不感時間を越えないとき、上記遮断器の開極を検知することを特徴とする請求項1又は2記載のDCアーク検知装置。 The voltage source and the load device are connected via a circuit breaker,
The determination means is
(D) When the voltage change component alternately exceeds the first threshold value and lower than the third threshold value, and the magnitude of the high frequency noise is the fourth value. When the length of time exceeding the threshold value does not exceed the dead time, the circuit breaker is detected to be closed,
(E) When the voltage change component becomes lower than the third threshold value, the length of time that the magnitude of the high frequency noise exceeds the fourth threshold value is the dead time. The DC arc detection device according to claim 1 or 2, wherein the opening of the circuit breaker is detected when not exceeding.
上記第1及び第2のノイズ検知手段は、上記増幅して整流された電圧変化成分から、上記電圧変化成分に含まれる高周波ノイズの大きさを取得することを特徴とする請求項1から4のうちのいずれか1つに記載のDCアーク検知装置。 The DC arc detector further includes means for amplifying and rectifying the voltage change component,
5. The first and second noise detecting means acquires the magnitude of high-frequency noise contained in the voltage change component from the amplified and rectified voltage change component. The DC arc detection apparatus as described in any one of them.
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