JP2017529818A5 - - Google Patents

Description

光起電力システムにおけるアークを検出するための方法およびアークの検出装置

本発明は、インバータを有し、かつ集電線を介してインバータと並列に接続された複数の集電装置ユニットを有する光起電力システムにおいてアークを検出するための方法に関する。この場合、光起電力モジュールの複数のストリングが、ストリング線を介して各集電装置ユニットと並列に接続され、方法は、独立特許請求項１の前提部に記載の特徴を含む。さらに、本発明は、このような光起電力システムにおけるアークの検出装置であって、独立特許請求項７および８の前提部に記載の特徴を有する、検出装置に関する。

本明細書においてインバータと呼ばれる光起電力システムのユニットは、少なくとも１つの、光起電力モジュールによって生成された直流電流を交流電流に反転するＤＣ／ＡＣコンバータを備える。典型的には、インバータは、ＤＣ／ＡＣコンバータに加えて、個々の集電線が直接、またはＤＣ／ＤＣコンバータを介して接続されているブスバー（ｂｕｓｂａｒ）を備える。例えば、交流電流の各相につき１つのＤＣ／ＡＣコンバータといったように、複数のＤＣ／ＡＣコンバータをこれらのブスバーに接続することも可能である。出力側ＡＣ電力グリッドなどに個々の集電装置ユニットを接続するためのスイッチ、および／またはＤＣ／ＡＣコンバータを接続するためのスイッチも存在している場合が多い。

光起電力システムの集電装置ユニットは、コンバイナまたはコンバイナボックスとも呼ばれる。集電装置ユニットからインバータに延びる集電線は、ホームランと呼ばれることが多い。光起電力モジュールのストリングは、少数個であっても多数個であってもよく、集電装置ユニット内で並列に接続することができる。逆電流から保護するためのヒューズおよび／またはダイオードと、場合によっては個々のストリングを接続するためのスイッチとが集電装置ユニットに設けられている場合も多い。

本明細書および添付の請求項には記載されていないが、場合によっては、集電装置ユニットによって並列に接続されたストリングは、個別にサブストリングとも呼ばれることがあり、そのときには、集電装置ユニットを介して並列に接続されたサブストリングの集合のみがストリングと呼ばれる。

ストリングとインバータのＤＣ／ＡＣコンバータとの間にＤＣ／ＤＣコンバータが接続されていない場合には、光起電力システムのストリング線間に存在する電圧は、集電線間に存在する電圧の高さと正確に同じであり、さらに、インバータのブスバー間に存在する電圧の高さとも同じである。しかしながら、集電装置ユニットおよびインバータ内で並列接続されている結果として、電流の強度は増大する。定電圧は、典型的には、数百から数千ボルトの範囲にあり、電圧が相対的に高いため、電流の強度が相対的に小さく、したがって、同等の電力レベルを伝導するのに相対的に断面積の小さい電線でも十分であるという利点に結び付く。

各ストリングのストリング線間、集電線の各対の集電線間、およびインバータのブスバー間だけでなく、接地電位にある光起電力システムの接地または構成部品に対するこれらの線およびブスバーのそれぞれの間の絶縁体の絶縁不良が原因で、アークが生じる場合がある。ストリング線、集電線もしくはインバータのブスバー間、またはこれらの線の１つと接地との間に生じるアークは、通常パラレルアークと呼ばれる。パラレルアークに加えて、特定の電線の１つにおいて、または電線の同じ電位の別の電線への電気接続においてもアークが生じる場合があり、このとき、前記アークは、シリーズアークと呼ばれる。シリーズアークの原因には、例えば、局部に限定された電線の損傷、または電線への電気接続における接触抵抗の増大があり得る。スイッチの不良、例えば、スイッチの誤開放は、さらにその接点でアークを引き起こすおそれもある。何れのタイプのアーク、すなわちパラレルアークおよびシリーズアークの何れも、それ自体の絶縁不良に加えて危険電位を構成する。したがって、燃焼アークは、例えば、既存の絶縁不良を増大させるだけでなく、他の広範囲にわたる損傷の原因となるおそれがある。これには、光起電力システムの火災原因となることも含まれる。したがって、アークを消滅させ、かつアークの原因を除去できるようにするには、光起電力システムにおいて生じるアークを早期に検出することが重要である。

独立特許請求項１の前提部に記載の特徴を有する方法は既知であり、また、独立特許請求項７および８の前提部に記載の特徴を有する検出装置は既知である。本方法および検出装置では、電気変量の測定値が、集電装置ユニットの１つのストリング当たりのストリング線の少なくとも１つにおいて取得され、電気変量の測定値は、光起電力システムにおけるアークのサインの存在に対して分析され、アークの存在サインが所定の基準を満たす場合に、光起電力システムにおけるアークの存在を表示するアーク信号が生成される。アーク故障回路安全装置（ＡＦＣＩ）が、アーク信号により起動される。アーク検出のためにその測定値が取得される電気変量は、例えば、ストリング線間のＤＣ電圧、接地電位に対する個々のストリング線のＤＣ電圧、ストリング線を通るＤＣ電流、またはストリング線を介してアークによって放射される高周波電気干渉スペクトルである。電気変量の測定値の取得は、各集電装置ユニットに設けられた終端キャパシタの、ストリングに対向する側で行われる場合が多い。終端キャパシタは、アークによって引き起こされる、影響を受けているストリング線を通る電流の高周波変調を低インピーダンスで提供可能にする。

光起電力システムにおけるアークを検出するための既知の方法および既知の装置は、すでに、インバータの集電線もしくはブスバーにおいて、またはインバータの集電線もしくはブスバー間に、またはインバータの集電線もしくはブスバーと接地との間に生じるアークを取得するのに適していない。なぜなら、特に終端キャパシタの、インバータに対向するそれぞれの側でアークが生じる場合には、ストリング線において測定される電気変量に有意な影響を及ぼさないからである。しかしながら、電気変量の測定をインバータへとシフトしたとしても、この問題を克服することにはならないであろう。なぜなら、アークによってストリング線の領域に引き起こされた電圧ジャンプおよび電流ジャンプは、定格電圧および定格電流と比べて非常に軽微なものにとどまり得るだけでなく、アークによって、インバータからさらに離れた集電線の領域に引き起こされた電圧ジャンプおよび電流ジャンプもまた、前記定格電圧および定格電流と比べて非常に軽微なものにとどまり得るからである。アークによって放射された高周波電気干渉スペクトルに基づいてアークを検出するとき、高周波信号を周波数的に非常に高い直流電流から遮断することがここで必要である。これに適したデカップリング手段は、反応器および変圧器の形態であるが、大きいＤＣ電流の場合には直ちに不釣り合いに大型になり、高価になる。加えて、そのようなデカップリング手段は、望ましくない電気損失を引き起こす。加えて、それでもなお許容可能な程度の費用で、集電線に流れるＤＣ電流に対する反応器および変圧器の形態の適切なデカップリング手段が実装可能な場合であっても、検出の対象となる、終端キャパシタの、インバータに対向する側の電気干渉スペクトルの高周波信号は、集電線が概して高インダクタンスであるために、大きく減衰される。このように減衰される信号の検出は、シグナル対ノイズ比が低いことに起因する困難を伴ってのみ可能であり、構成面において複雑な下流の評価電子機器類によって提供される情報の信頼性は、ごく限られた程度に過ぎない。

独国特許出願公開第１９６１７２４３Ａ１号明細書は、中間電圧電力グリッドの切換局または測定局からの、アークが燃焼しているケーブル故障の距離を測定するための方法および装置を開示している。この開示では、アークによってケーブルに生成された電気信号および／または音響信号の伝送時間が、アークの両側のケーブル区分で測定され、ケーブル区分の端部からの故障の発生源の距離がそこから計算される。これは、アーク自体によって生成された信号を利用することを意味する。これには、電気パルスおよびまったく恣意的な信号プロファイルを有する固体伝播ノイズ信号の両方が含まれる。アークによって生成された信号のプロファイルは、センサで測定され、高速アナログ／デジタルコンバータで変換後に、デジタル信号としてメモリに記憶される。高速フーリエ変換および相関分析でフィルタリングすることによって、アークによってセンサの方向に発せられる信号の正確な到達時間を決定することが可能である。アークの指標としての固体伝播ノイズを取得するために、圧電セラミック音響変換器が使用される。

欧州特許第１６２３２４０Ｂ１号明細書は、また、高圧導体の絶縁体内での部分放電活動も化学的方法、音響学的方法および電気的方法を含む様々な方法によって検出可能であることを開示している。部分放電の電気的な検出にセンサを使用することが具体的に教示されており、電気的に前記センサは、容量性電圧センサ、誘導性電圧センサ、または長手方向電圧センサとして具体化されている。

独国特許出願公開第１０２０１００２６８１５Ａ１号明細書は、特に、電気エネルギーの送電および配電の役割を果たし、かつ接地に敷設されたケーブルの故障箇所を決定するための方法および装置を開示している。ケーブルの故障箇所で生成された、特に、電気パルスによってトリガされた閃絡ノイズまたは放電ノイズである音響信号が利用されている。この場合、音響信号の識別を困難にし、したがって故障箇所の決定も困難にしている重畳干渉ノイズの影響を低減するために、故障箇所で生成された音響信号を含む受信信号が、故障箇所で生成された音響信号の記憶された信号パターンまたは特徴もしくは特徴セットと比較され、信号パターンまたは特徴もしくは特徴セットと一致、または所定の類似性を有する場合に、信号を識別するようにする。

本発明は、光起電力システムにおいてアークを検出するための方法および検出装置を具体的に示し、この方法および検出装置を用いて、許容できる程度の費用で、アークの発生について光起電力システムのＤＣ範囲の完全なモニタリングを実施可能にするという目的に基づいている。

本発明によれば、この目的は、独立特許請求項１に記載の特徴を有する方法により、ならびに独立特許請求項７および８に記載の特徴を有する検出装置により達成される。本発明による方法の好適な実施形態は、従属特許請求項２〜６に記載されている。従属特許請求項９〜１４は、本発明による検出装置の好適な実施形態に関する。特許請求項１５は、本発明による検出装置を有する光起電力システムを対象にしている。

インバータを有し、かつ集電線を介してインバータと並列に接続された複数の集電装置ユニットを有する光起電力システムにおいてアークを検出するための本発明による方法であって、光起電力モジュールの複数のストリングが、ストリング線を介して各集電装置ユニットと並列に接続される、方法は、電気変量の測定値を、（ｉ）各ストリングのストリング線の少なくとも１つにおいて、および／または（ｉｉ）複数のストリングが並列に接続されている、上流の集電線の各対の少なくとも１つの上流の集電線において、および／または（ｉｉｉ）集電装置ユニット内の各集電装置ユニットの集電線の少なくとも１つにおいて取得するステップと、音響変量の測定値を、（ｉｖ）各集電装置ユニットの少なくとも１つの集電線において、および／または（ｖ）インバータに割り当てられた少なくとも１つの電流ブスバーであって、各集電装置ユニットの集電線が接続されている、電流ブスバーにおいて取得するステップと、光起電力システムにおけるアークのサインの存在に対して電気変量の測定値および音響変量の測定値の両方を分析するステップと、アークの存在サインが所定の基準を満たす場合に、光起電力システムにおけるアークの存在を表示するアーク信号を生成するステップとを含む。

インバータに割り当てられた少なくとも１つのブスバー上の、および／または各集電装置ユニットの集電線の１つの音響変量の測定値は、インバータの場所で、特にインバータのハウジングにおいて一元的に取得することができる。しかしながら、各集電装置ユニットの少なくとも１つの集電線上の音響変量の測定値を、集電装置ユニットのハウジング付近で、特に、集電装置ユニットのハウジング内で取得することも可能である。各集電装置ユニットの少なくとも１つの集電線上の音響変量の測定値が、インバータにおいてまたはインバータの付近で取得される場合には、インバータに割り当てられた少なくとも１つの電流ブスバーにおける音響変量の測定値を追加で取得することが省略可能である場合が多い。なぜなら、そのとき、例えば、電流ブスバーにおいて生成された音響信号が、この電流ブスバーに接続された集電線においても十分な強度で取得されるからである。当然ながら、インバータに割り当てられたブスバーのそれぞれ、および各集電装置ユニットのすべての集電線の両方において、音響変量の測定値を取得することも可能であり、および特に、光起電力システム内のアークの場所を可能な限り最も正確に決定することに関して有利である。

ストリング線において、またはストリング線と集電線との間に随意にのみ存在し、かつ複数のストリングが並列に接続されている上流の集電線において、または集電装置ユニット内の集電線において、電気変量の測定値を取得することに加えて、音響変量の測定値、すなわち他の変量が取得される。音響変量をインバータ内で取得する場合には、電気変量とは別の場所でこれらの他の変量が追加で取得される。それを用いてアークのモニタリングを行うことが可能な音響変量は、インバータに流れる電流が大きいため、電気変量よりも容易にインバータ内で取得される。また特に、前記モニタリングは、大きい通電電流による悪影響を受けずに、およびこれらの電流のその時点の電流強度とは無関係に実現可能である。しかしながら、大きい電流が流れているときには、電気変量の測定値を取得するよりも音響変量の測定値を取得し易いだけでなく、音響変量の測定値は、光起電力システムにおけるアークのサインの存在に対して分析することも容易になる。なぜなら、音響変量は、電気変量の測定値の場合のように、重畳される情報価値のないＤＣ成分がそれほど高くないからである。したがって、本発明は、高いＤＣ電流が流れている電線については特に、アークにより生成された音響変量を取得することにより、前記アークの電気変量を取得することによるよりも効率的かつ容易にアークのモニタリングを行うことが可能であるという認識に基づいている。しかしながら、これは、アークをモニタリングするための音響変量および電気変量の両方を都合よくかつ費用の点でより許容できるように取得することが可能な電線がある可能性を排除するものではない。しかしながら、電線内の電流の強度が増大するにつれて、アークによって生成された音響変量の取得に基づいて電線上のアークをモニタリングすることが、アークによって生成された電気変量に基づいて取得することに比べて有利になっているという傾向は明らかである。

変量の測定値が取得される音響変量は、音振動の周波数および／または振幅である。アークは、そのような音振動を特徴的に励起する。音は、特に固体伝播ノイズとすることが可能であるが、基本的には、空気伝播音とすることも可能である。空気伝播音をインバータまたは集電装置ユニット内で測定する場合、インバータまたは集電装置ユニット自体における空気伝播音を取得するだけでなく、周囲からインバータまたは集電装置ユニットに入ってきた空気伝播音も取得するように測定を行うことが好ましい。

それに加え、少なくとも音響変量が、集電線から生じた固体伝播ノイズ振動の周波数および／または振幅を含むときに、音響変量の測定値を用いることによって、それぞれの集電装置ユニットとインバータとの間の比較的長い距離にわたって延在しているこれらの集電線もまた、アークの発生を確実にモニタリングできることが明らかになっている。従来の集電線は、固体伝播ノイズに対する伝導性が十分に高いが、例えばそれらの線のインダクタンスのために、電気変量の関連情報に対して高度の減衰を示す場合が多い。

具体的には、本発明による方法では、集電線において、および／または電流ブスバーまたは複数の電流ブスバーにおいて、その測定値が取得される音響変量は、それぞれの集電線または電流ブスバーの固体伝播ノイズ振動の周波数および／または振幅を含むことができる。

基本的に、すべての集電線および両方の電流ブスバーの固体伝播ノイズ振動は、取得することが可能である。機械的結合が存在するときには、電流ブスバーの固体伝播ノイズ振動の取得時に、電流ブスバーに接続された集電線の固体伝播ノイズ振動も取得される。したがって、電流ブスバーの固体伝播ノイズ振動のみを取得する場合には、取得費用を全体として非常に低く保つことが可能である。その一方で、集電線の固体伝播ノイズ振動の取得を用いることによって、特定の集電装置ユニットの集電線上で検出されたアークの場所を決定することが可能であり、同時に、機械的結合があるため、電流ブスバーの固体伝播ノイズ振動も取得される。アークの発生の冗長な検出を確立するために、それぞれの固体伝播ノイズ振動は、すべての集電線においても、また両方の電流ブスバーにおいても取得することが可能である。

本発明による方法において、その測定値が集電装置ユニット内で取得される電気変量は、それぞれのストリング線または上流の集電線もしくは集電線を通る電流の周波数および／または振幅、ならびに／あるいはそれぞれのストリング線または上流の集電線もしくは集電線の間の電圧の周波数および／または振幅、ならびに／あるいはそれぞれのストリング線、上流の集電線または集電線の１つと、接地との間の電圧の周波数および／または振幅を含むことができる。本明細書では、基準は、電流または電圧のＤＣ成分または高周波ＡＣ成分における電流ジャンプまたは電圧ジャンプの発生とすることができる。

電気変量の測定値は、ストリング線間で作用する終端キャパシタの、ストリングに対向する側で取得されることが好ましい。終端キャパシタは、ストリングの１つにおいて、またはそのストリング線の領域において燃焼しているアークの高周波干渉信号を、規定された低インピーダンスで構成する。本明細書では、終端キャパシタは、各ストリングのストリング線の間、および／または上流の集電線の各対の間、および／または集電線間に接続された１つまたは複数のキャパシタ間に接続されたキャパシタを含むことができる。集電線間に１つまたは複数のキャパシタが提供されている終端キャパシタの場合には、それぞれの集電装置ユニットの集電線においてのみ電気変量の測定値を取得すれば十分である。高周波干渉信号をストリングごとにデカップリングすることも可能であり、かつアークの場所をより良好に決定することに関して有利であるが、これは費用の増大に結び付き、それに応じてコストが高くなる。

本発明による方法では、アークの存在サインとの比較に用いられる所定の基準は、電気変量の測定値の場合のアークのサインと、音響変量の測定値の場合のアークのサインとの組み合わせを含むことができる。すなわち、電気変量の測定値におけるサインまたは音響変量の測定値におけるサインが所定の基準を満たしているという事実のみによらずに、アークを検出することが可能である。電気変量の測定値および音響変量の測定値におけるサインがそれぞれ、それ自体では十分でない比較的弱い基準のみを満たしているが、それでもそれらを全部合わせると、アークの存在には十分であると見なすことができれば、アークを検出することも可能である。この場合、電気変量および音響変量の測定値間の時系列の相関性を、例えばそれぞれの測定値のタイムスタンプによって確立することが有利である。タイムスタンプは、それぞれの測定値を取得した時間を表示する。アークは、電気変量および音響変量の両方、ならびにアークが発生した時間から開始している信号を出力する。その伝播速度が高速であるため、電気信号は、対応する電気センサ、特に電流センサおよび／または電圧センサの場所において、場合により別の場所で起こっている電気信号の発生と事実上同時に認識される。音響信号の場合には、たとえ固体伝播ノイズの伝播速度が大体において空気伝播音の伝播速度を大幅に上回っていても、音響信号の伝播速度がはるかに低速であるため、これは当てはまらない。したがって、音響変量の測定値は、アークの場所および音響センサの場所によっては、大部分が発生後にかなりの時間オフセットを伴ってはじめて取得される。音響変量の測定値および電気変量の測定値が何れも、このときタイムスタンプを備えていると、電気変量および音響変量の測定値の比較は、アークの追加の妥当性チェックだけでなく、それぞれの電線の一定の区分までアークの場所のさらに正確な決定も可能になる。

インバータを有し、かつ集電線を介してインバータと並列に接続された複数の集電装置ユニットを有する光起電力システムにおけるアークの本発明による検出装置であって、光起電力モジュールの複数のストリングが、ストリング線を介して各集電装置ユニットと並列に接続される、検出装置は、各集電装置ユニット内の少なくとも１つの電気センサであって、電気変量の測定値を、各ストリングのストリング線の少なくとも１つにおいて、および／または複数のストリングが並列に接続されている上流の集電線の各対の少なくとも１つの上流の集電線において、および／または各集電装置ユニットの集電線の少なくとも１つにおいて取得する、少なくとも１つの電気センサと、少なくとも１つの音響センサであって、音響変量の測定値を、各集電装置ユニットの少なくとも１つの集電線において、および／またはインバータに割り当てられた少なくとも１つの電流ブスバーであって、各集電装置ユニットの集電線が接続されている、電流ブスバーにおいて取得する、少なくとも１つの音響センサと、集電装置ユニット内に存在するセンサの少なくともすべてが接続される少なくとも１つの分析装置とを備える。電気センサおよび音響センサのすべてを少なくとも１つの分析装置に接続することが可能であり、分析装置は、光起電力システムにおけるアークのサインの存在に対して電気変量の測定値および音響変量の測定値を分析し、かつアークの存在サインが所定の基準を満たす場合に、光起電力システムにおけるアークの存在を表示するアーク信号を生成するように設計されることが可能である。

複数の別個の分析装置を設けることも可能であり、この場合、電気センサは、各集電装置ユニット内の分析装置に接続され、少なくとも１つの音響センサは、さらなる分析装置に接続されている。それに応じて、各集電装置ユニット内の分析装置は、次に、アークのサインの存在に対して各集電装置ユニットからの電気変量の測定値のみを分析する。一方で、例えばインバータ内に配置されたさらなる分析装置は、音響変量の測定値を分析する。次に、分析装置が入手可能なアークのサインが所定の基準を満たす場合に、光起電力システムにおけるアークの存在を表示するアーク信号が、それぞれの分析装置によって生成される。

しかしながら、共通の分析装置を設けて電気変量の測定値および音響変量の測定値を分析する場合には、分析装置は、アークの存在サインが所定の基準を満たす場合に、アーク信号を生成するように設計することも可能である。この所定の基準は、電気変量の測定値の場合のアークのサインと、音響変量の測定値の場合のアークのサインとの組み合わせを含む。共通の分析装置は、特に、音響変量の測定値および／または電気変量の測定値が、それらの測定値を取得した時間を表示するタイムスタンプとともに測定値を取得するセンサによって提供される場合に有利である。また、これらのタイムスタンプは、例えば、アークの追加の妥当性チェックまたはアークの場所のさらに正確な決定に関する音響変量および電気変量の実際の測定値に追加して分析される。

本発明による検出装置では、少なくとも１つの音響センサは、特に固体伝播ノイズセンサである。実際、単一の音響センサのみが設けられる場合には、音響センサは、インバータ内の各集電装置ユニットからの１つの集電線が接続されている電流ブスバーの固体伝播振動の周波数および／または振幅を取得する。これに代わり、またはこれに加え、本発明による装置内の固体伝播ノイズセンサの形態の音響センサは、各集電装置ユニットの少なくとも１つの集電線の固体伝播ノイズ振動の周波数および／または振幅を取得することができる。固体伝播ノイズセンサは、典型的には加速度センサであり、これを用いて、固体伝播ノイズ振動の、例えば対応する物体の振動の周波数および／または振幅が検出対象物上で直接取得される。この場合、固体伝播ノイズセンサを検出対象物に直接接続すると有利である。しかしながら、代替的または累積的にマイクロホンを音響センサとして使用することも考えられる。マイクロホンは、典型的には間接的に、伝送媒体、例えば空気を介して固体伝播ノイズ振動を測定する。この場合、検出対象物の固体伝播ノイズ振動は、典型的には伝送媒体に音響波を励起し、この音響波は、伝送媒体によってマイクロホンに伝えられることにより取得される。したがって、固体伝播ノイズ振動を検出するためには、マイクロホンを検出対象物に直接接続してはならない。むしろ、距離が原因の大幅な減衰なしに伝送媒体の音響波を取得するには、検出対象物の近傍にマイクロホンを取り付けるのみで十分である。

本発明による検出装置の少なくとも１つの電気センサは、それぞれのストリング線または上流の集電線もしくは集電線を通る電流の周波数および／または振幅を取得する電流センサ、ならびに／あるいはそれぞれのストリング線または上流の集電線もしくは集電線の間の電圧の周波数および／または振幅、ならびに／あるいはそれぞれのストリング線または上流の集電線もしくは集電線の１つと、接地との間の電圧の周波数および／または振幅を取得する電圧センサを含むことができる。少なくとも１つの電圧センサが、ストリング線または上流の集電線もしくは集電線と、接地との間の電圧の周波数および／または振幅を取得することも可能である。

インバータを有し、かつ集電線を介してインバータと並列に接続された複数の集電装置ユニットを有する本発明による検出装置であって、光起電力モジュールの複数のストリングが、ストリング線を介して各集電装置ユニットと並列に接続される、光起電力システムは、本発明による検出装置も有する。

本発明の有利な発展形態は、特許請求項、本明細書、および図面に見出すことができる。本明細書に明記されている特徴、および複数の特徴の組み合わせの利点は、例示的なものに過ぎず、本発明による実施形態によって利点を達成することを必ずしも必要とせずに代替的または累積的にもたらされてもよい。これにより、添付の特許請求項の主題を修正することなく、原出願の文献および特許の開示内容に関して、以下のことが当てはまる。すなわち、さらなる特徴、特に、図示されている複数の構成部品の相対配置およびそれらの間の連動は、図面に見出すことができる。特許請求項の選択された従属的な参照とは異なるように、本発明の様々な実施形態の特徴または様々な特許請求項の特徴を組み合わることも可能であり、本明細書によって示唆されている。このことは、別個の図面に図示された、または図面の説明において明記された特徴にも適用される。これらの特徴を、様々な特許請求項の特徴と組み合わせることも可能である。本発明のさらなる実施形態について特許請求項で明記された特徴は、同様に省略することも可能である。

特許請求項および本明細書で明記された特徴は、それらの数に関して、正確にその数または明記された数よりも大きい数が存在するように理解されるものとし、副詞「少なくとも」を使用して明確に表現する必要はない。したがって、例えば、１つの要素が言及される場合には、これは、正確に１つの要素、２つ以上の要素が存在することを意味すると理解されるものとする。これらの特徴は他の特徴によって補足されてもよく、またはそれぞれの方法、それぞれの検出装置、もしくは光起電力システムを構成する唯一の特徴であってもよい。

特許請求項に含まれる参照符号は、特許請求項によって保護される主題の範囲の限定を構成するものではない。それらは、単に特許請求項を理解し易くするという目的を果たすためのものである。

以下の本文では、図面に図示されている好適な例示的実施形態に関して、本発明をさらに説明し、記述する。

図１は、本発明による、光起電力システムにおけるアークの検出装置を有する、本発明による光起電力システムの概略図である。

図１に概略的に図示された光起電力システム１では、当業者によく知られている光起電力システムの詳細であるが、本発明にとって特に重要でない詳細の多くは図示されていない。これらは例えば、通常は存在しているスイッチおよびヒューズを含む。それに加え、類似した、またさらには同一の様式で多数存在する光起電力システムの構成部品は、複数個のみで表示されている。特に、光起電力システム１のこれらの多数存在する構成部品の数は、図から推量することはできない。したがって、図１に表示されているある構成部品の数は、図からはこれが明らかでなくても、表示されている別の構成部分の数よりもはるかに多い場合がある。

図１による光起電力システム１は、インバータ２を有する。複数の集電装置ユニット５が、それぞれ１対の集電線３、４を介してインバータ２に並列に接続されている。直列に接続された光起電力モジュール７を有する複数のストリング６が、ストリング線８および９の対を介して各集電装置ユニット５に並列に接続されている。集電装置ユニット５では、それぞれのストリング線８は、それぞれの集電線３に接続されている。また、それぞれのストリング線９は、それぞれの集電線４に接続されている。この場合、ストリング線８、９を例えば対にして、集電線３、４に接続するように、ここでは図示されていないスイッチを設けることができる。対応するように、インバータ２では、個々の集電装置ユニット５の集電線３は、電流ブスバー１０に接続されている。また、集電装置ユニット５の集電線４は、電流ブスバー１１に接続されている。ＤＣ／ＡＣコンバータ１２は、光起電力モジュール７によって生成された直流電流を、例えば、ＡＣ電力グリッド１３に給電する交流電流に変換するが、このＤＣ／ＡＣコンバータ１２は、電流ブスバー１０および１１に接続されている。ＤＣ／ＡＣコンバータ１つだけではなく、複数のＤＣ／ＡＣコンバータを、例えば、ＡＣ電力グリッド１３に給電される三相交流電流の１つの相につき１つのＤＣ／ＡＣコンバータを電流ブスバー１０および１１に並列に接続することも可能である。集電装置ユニット５の数は、典型的には、１つの集電装置ユニット５当たりのストリング６の数よりも少ない。しかしながら、必ずしもこれが当てはまるとは限らない。これらの数は、同じとすることも可能であり、または１つの集電装置ユニット５当たり、ストリング６よりも多くの集電装置ユニット５を設けることも可能である。

図１に例として図示されている光起電力システム１では、ストリング６とＤＣ／ＡＣコンバータ１２との間に、ＤＣ／ＤＣコンバータが存在しない。これにより、基本的には、同じ電圧が、ストリング線８および９の各対、集電線３および４の各対、ならびに電流ブスバー１０および１１の間に生じる。しかしながら、電流の強度は、ストリング６および集電装置ユニット５のそれぞれの並列接続によって増大する。導体間の、または接地に対する絶縁不良の場合に、電圧が何れの箇所でも同じ大きさ、典型的には数百から数千ボルトである結果、光起電力システム１においてアーク１４が生じるリスクが至る所に存在する。上記で説明し、具体的に図１に図示され、パラレルアークとも呼ばれることがあるアーク１４に加え、導体内、例えば、ストリング線８、９または集電線３、４内に、（図１には図示されていない）シリーズアークのリスクも存在する。何れのアーク１４の検出も、すなわち、ストリング線８および９の各対の領域におけるパラレルアークおよびシリーズアークの何れの検出も、少なくとも１つの電気センサ、ここでは電流センサ１５および電圧センサ１６を用いて行われ、電気センサは、ここでは各ストリング６のストリング線８および９に対して設けられている。しかしながら、複数のストリング６がそれぞれに接続し、かつ集電線３、４に並列に接続された（図１には図示されていない）随意の上流の集電線の複数の対のそれぞれに対して、１つの電流センサ１５および／または１つの電圧センサ１６でも十分である。またはさらには、各集電装置ユニット５の集電線３、４に対して、１つの電流センサ１５および／または１つの電圧センサ１６でも十分である。何れの場合も、すべての電流センサ１５および電圧センサ１６は、それぞれの集電装置ユニット５内の終端キャパシタ３１の、ストリングに対向する側に配置される。終端キャパシタ３１は、集電線４および５の間に接続されたキャパシタによって形成され、ストリング６、およびそれらのストリング線８および９の領域におけるアーク１４を低インピーダンスで提供可能にする。電流センサ１５および電圧センサ１６は、個々の測定値が取得された時間を表示するタイムスタンプとともにそれらが取得した電気変量の測定値を提供することができる。

アーク１４が生じると、通電している電流およびストリング線８および９の間の電圧に有意なジャンプがあり、かつ／または電流もしくは電圧に高周波変動がある。これらは、それぞれの電流センサ１５または電圧センサ１６によって取得される。測定値１８および１９は、可能であればタイムスタンプとともに提供されるが、これら電気センサの測定値は、分析装置１７においてアーク１４のサインの存在に対して分析される。これらのサインが所定の基準を満たす場合に、分析装置１７は、アーク信号２０を出力する。アーク信号２０は、アークを消滅させるための手段を開始することが可能であり、かつ／または光起電力システム１のオペレータに警告メッセージを出すことが可能である。

しかしながら、集電線３および４、ならびにブスバー１０および１１の終端キャパシタ３１の後ろに位置する領域におけるアーク１４は、電気センサおよび分析装置１７では確実には検出されない。基本的には、何れのアーク１４でも検出するように、電気変量を測定することもここではまた可能であろうが、これは、電気変量の測定値における、アークの存在のサインが、ここでは比較的高いＤＣレベルで重畳されるため、電流の強度が大きくなることにより、コストが増大することがわかる。加えて、集電線３、４の線のインダクタンスが時として高くなることにより、アークにより生じた高周波電気信号がかなり大きく減衰される。したがって、何れのアーク１４でも検出するように、固体伝播ノイズセンサ２１および２２が、集電線３および４上に設けられているだけでなく、固体伝播ノイズセンサ２３および２４が、電流ブスバー１０および１１上にも設けられている。本発明の音響センサの特定の実施形態としての固体伝播ノイズセンサ２１〜２４はすべて、図１に図示された実施形態のインバータ２に配置されている。しかしながら、少なくとも固体伝播ノイズセンサ２１および２２を集電装置ユニット５にも配置することができれば、有利な場合がある。なぜなら、インバータ２の内部に比べて、干渉ノイズが少ないため、集電装置ユニットでは概して騒音が少ないからである。固体伝播ノイズセンサ２１〜２４は、個々の測定値が取得された時間を表示するタイムスタンプとともにそれらが取得した音響変量の測定値を提供することができる。

固体伝播ノイズセンサ２１および２２は、集電線３および４の固体伝播ノイズ振動を直接取得して、可能であればタイムスタンプとともに提供されるこれらの固体伝播ノイズ振動の周波数および振幅に関する測定値２５および２６を出力する。固体伝播ノイズセンサ２３および２４は、電流ブスバー１０および１１の固体伝播ノイズ振動を取得して、したがって、集電線３および４の固体伝播ノイズ振動も間接的に取得して、電流ブスバー１０および１１の固体伝播ノイズ振動の周波数および振幅を表示する測定値２７および２８を出力する。測定値２５〜２８は、分析装置２９によって分析され、次に、分析装置２９は、アーク１４のサインが所定の基準を満たす場合に、アーク信号３０を出力する。したがって、光起電力システム１におけるアークの検出装置は、電気センサ、例えば電流センサ１５および電圧センサ１６だけでなく、個々の集電装置ユニット５内の分析装置１７と、固体伝播ノイズセンサ２１〜２４と、分析装置２９とを備える。図１に図示された実施形態では、固体伝播ノイズセンサ２１〜２４および分析装置２９は、インバータ２内に位置する。しかしながら、原則として、図示された固体伝播ノイズセンサ２１〜２４の位置の割り当てと同様、分析装置１７および２９の位置の割り当ては、単に例示的なものに過ぎず、限定するように理解されるものではない。例えば、集電線３、４に対する固体伝播ノイズセンサ２１、２２の一部またさらには全部を、対応する集電装置ユニット５内に配置することができる。図１に図示された実施形態の場合には、個々のセンサは、その場所に関して異なるだけでなく、個々のセンサが測定値を取得する変量に関しても異なっている。

集電線３および４の間のアーク１４のみが関わっており、集電線３、４および電流ブスバー１０、１１内のシリーズアークと同様に個々の集電線３および４の地絡アークも除外することが可能である場合には、固体伝播ノイズセンサ２１〜２４のうち、固体伝播ノイズセンサ２３および２４の１つのみを設ければよい。また、固体伝播ノイズセンサ２１または固体伝播ノイズセンサ２２の何れかのみでも十分である。しかしながら、（シリーズ）アークと同様に地絡アークもまた、集電線３、４および電流ブスバー１０、１１内で検出の対象となる場合には、固体伝播ノイズセンサ２３、２４は、少なくとも２つの電流ブスバー１０、１１上に、または電流ブスバー１０、１１に接続しているすべての集電線３、４上にも設けなければならない。

固体伝播ノイズセンサ２１〜２４が、それらの測定原理の結果、電気変量とは無関係に、寸法がまったく異なっているインバータ２に対して同一の設計で作ることができるため、有利であることがわかっている。換言すれば、固体伝播ノイズセンサは、相対的に高い電力レベルに構成されているインバータを、相対的に低い電力レベルに構成されているインバータ２とは異なるように構成する必要がない。それに加え、固体伝播ノイズセンサ２１〜２４によって提供される測定値２５〜２８は、シリーズアークおよびパラレルアークの何れであっても、また集電線３および４が非常に長い場合でさえも、アーク１４を確実に検出するのに適していることが明らかになっている。したがって、全体として、図１による光起電力システム１のアーク１４の検出装置は、光起電力システム１の任意の場所において生じるアーク１４を確実に検出するのに適している。この場合、電気センサ、例えば電流センサ１５および電圧センサ１６の測定値１８および１９におけるサインによってだけでなく、固体伝播ノイズセンサ２１〜２４の測定値２５〜２８におけるサインによってもまた、アーク１４を検出するように、分析装置１７および２９は、組み合わせることも可能であり、または協働することも可能である。この場合、電気変量の測定値１８、１９、音響変量の測定値２５〜２８、および／またはアーク信号２０、３０は、（詳細には図示されていない）通信装置によって、例えば無線通信によって、分析装置１７および２９の間でまたは集電装置ユニット５とインバータ２との間で伝送することができる。

図１に従って、ストリング６とＤＣ／ＡＣコンバータ１２との間にＤＣ／ＤＣコンバータがなく、したがって、ストリング線８および９の各対、集電線３および４の各対、ならびに電流ブスバー１０および１１の間に、基本的に同一の電圧が生じる光起電力システム１の例を用いて、本発明による、光起電力システムにおけるアークの検出装置について説明してきた。しかしながら、本発明による方法ならびに本発明による検出装置は、このような光起電力システムに限定されるものではなく、より正確に言えば、ストリング６とＤＣ／ＡＣコンバータ１２との間に１つまたは複数のＤＣ／ＤＣコンバータを有する光起電力システムに適用することも可能である。当然ながら、これらの光起電力システムでは、ストリング線８および９、集電線３および４、ならびに電流ブスバー１０および１１の間で異なる電圧であることが可能である。

１ 光起電力システム
２ インバータ
３ 集電線
４ 集電線
５ 集電装置ユニット
６ ストリング
７ 光起電力モジュール
８ ストリング線
９ ストリング線
１０ 電流ブスバー
１１ 電流ブスバー
１２ ＤＣ／ＡＣコンバータ
１３ ＡＣ電力グリッド
１４ アーク
１５ 電流センサ
１６ 電圧センサ
１７ 分析装置
１８ 測定値
１９ 測定値
２０ アーク信号
２１ 固体伝播ノイズセンサ
２２ 固体伝播ノイズセンサ
２３ 固体伝播ノイズセンサ
２４ 固体伝播ノイズセンサ
２５ 測定値
２６ 測定値
２７ 測定値
２８ 測定値
２９ 分析装置
３０ アーク信号
３１ 終端キャパシタ