JP2018087709A - 雷サージ検出回路及び雷サージ検出システム - Google Patents

Abstract

【課題】雷サージの侵入経路を把握可能な雷サージ検出回路を提供すること。【解決手段】アース線９４の電流を計測可能な計測部２１を備えた雷サージ検出回路１であって、計測部から出力された値を検知可能な検知部２２には、基準値よりも正側に特定閾値が設定された第一検知部１３と、基準値よりも負側に第一検知部の特定閾値と値幅が同じとなる特定閾値が設定された第二検知部１４と、を備え、検知部に接続された判定部１５により、第一検知部と第二検知部のいずれが先に特定閾値に達したのかを判定し、雷サージの侵入経路を判定する構成とする。【選択図】図１

Description

本発明は、雷サージを検出する雷サージ検出回路及び雷サージ検出システムに関するものである。

雷の影響により、雷サージが発生すると、回路の損傷を招く虞があることが知られている。また、特許文献１に記載されているように、回路を雷サージから保護する技術も知られている。特許文献１に記載の技術では、避雷器が作動すると地絡電流が流れるため、これを障害情報の一種である雷情報として検出している。

特開２０１６−３９７１４号公報

ところで、特許文献１に記載されているような技術では、雷サージの極性がわからず、雷サージの侵入経路を知ることができなかった。

本件の発明者は、この点について鋭意検討することにより、解決を試みた。本発明の課題は、雷サージの侵入経路を把握可能な雷サージ検出回路を提供することである。

上記課題を解決するため、次のような手段を採用する。第一の手段は、アース線の電流を計測可能な計測部を備えた雷サージ検出回路であって、計測部から出力された値を検知可能な検知部には、基準値よりも正側に特定閾値が設定された第一検知部と、基準値よりも負側に第一検知部の特定閾値と値幅が同じとなる特定閾値が設定された第二検知部と、を備え、検知部に接続された判定部により、第一検知部と第二検知部のいずれが先に特定閾値に達したのかを判定し、雷サージの侵入経路を判定する雷サージ検出回路である。

第一の手段において、計測部と接続された演算部が、計測部から出力された値が特定閾値を超えた時間を計測し、演算部と接続された判定部は、演算部で計測した時間が定めた時間を超える場合に、雷サージであると判定をする構成とすることが好ましい。

第一の手段において、第一検知部と第二検知部の各々が複数の閾値を備え、演算部は、計測部から出力された値が閾値を超えた際に、計測部から出力された値が到達した閾値のうち、基準値との差が最も大きな閾値である最大閾値と、基準電圧と、の差の絶対値に対して、最大閾値を超えた時間をかけた積を求め、判定部は、演算部で求められた積が判定値を越えた際に雷サージであるとの判定をする構成とすることが好ましい。

第一の手段に記載の雷サージ検出回路を複数備えた雷サージ検出システムであって、各々の雷サージ検出回路の判定情報と位置情報を収集する収集手段と、収集した判定情報と位置情報をマッピングするマッピング手段と、を備えた雷サージ検出システムとすることが好ましい。また、この雷サージ検出システムにおいて、判定情報の中心部を特定する特定手段を備えた構成とすることが好ましい。更には、特定手段が、負極性判定値を用いて中心部を特定する構成とすることが好ましい。

本発明では、雷サージの侵入経路を把握可能な雷サージ検出回路を提供することが可能となる。

本実施形態の雷サージ検出回路周りの概念図である。 商用電源側から電流が流れた際の電圧値の挙動を示した図である。 アース側から電流が流れた際の電圧値の挙動を示した図である。 極性判断の手順の一例を示すフローチャートである。 第一の例で、閾値Ｖ３を超えた電圧が検出された場合における、判定値と比較される値の概念を示す図である。ただし、斜線部が積を表している。 第一の例で、検出された最大電圧値がＶ２以上Ｖ３未満である場合における、判定値と比較される値の概念を示す図である。ただし、斜線部が積を表している。 第一の例で、検出された最大電圧値がＶ１以上Ｖ２未満である場合における、判定値と比較される値の概念を示す図である。ただし、斜線部が積を表している。 雷サージの判定手順の一例を示すフローチャートである。 第二の例で、判定値と比較される値の概念を示す図である。ただし、斜線部が積を表している。 第三の例で、判定値と比較される値の概念を示す図である。ただし、斜線部が積を表している。 雷雲から地上に向かって雷が発生した状態を表すイメージ図である。 雷雲から地上に向かって雷が発生した場合のマッピング例である。 地上から雲に向かって雷が発生した状態を表すイメージ図である。 地上から雲に向かって雷が発生した場合のマッピング例である。

以下に発明を実施するための形態を示す。本実施形態の雷サージ検出回路１は、アース線の電流を計測可能な計測部２１を備えた雷サージ検出回路１である。計測部２１から出力された値を検知可能な検知部２２には、基準値よりも正側に特定閾値が設定された第一検知部１３と、基準値よりも負側に第一検知部１３の特定閾値と値幅が同じとなる特定閾値が設定された第二検知部１４と、を備えている。また、検知部２２に接続された判定部１５により、第一検知部１３と第二検知部１４のいずれが先に特定閾値に達したのかを判定し、雷サージの侵入経路を判定する。したがって、雷サージの侵入経路を把握可能な雷サージ検出回路１とすることができる。

図１に示すように、商用電源９１に接続された分電盤９２から延びるアース線９４には、ＳＰＤ（Ｓｕｒｇｅ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ Ｄｅｖｉｃｅ）と呼ばれる避雷器９３が備えられており、電流計測部１１は、この避雷器９３よりも接地面側で電流を計測するように設置されている。また、本実施形態の雷サージ検出回路１は、電流計測部１１から電流情報を得る波形処理部１２を備えている。第一検知部１３と、第二検知部１４は、この波形処理部１２から電圧情報を得ている。この波形処理部１２には、波形処理部１２の情報から演算を行う演算部１６が接続されている。本実施形態の雷サージ検出回路１は、演算部１６の情報と判定部１５の情報を表示する表示部１７を備えており、各々の情報を外部機器などに通信する通信部１８も備えている。なお、雷サージの判定を行う判定部１５は、第一検知部１３と第二検知部１４に接続されている。

本実施形態の演算部１６は、マイコンであり、波形処理部１２からの電圧情報から、ＡＤ変換して時間単位の電圧値や積算電圧値を演算する。このような演算部１６であると、避雷器９３の劣化状態の判断材料とすることができる。なお、この演算情報は表示部１７や通信部１８に出力する。また、判定部１５での判定の為の電圧情報の演算を演算部１６で行うものであってもよい。

本実施形態の表示部１７は、雷サージの検出表示をすることができる。また、この表示部１７は、極性表示や、演算情報表示などをすることも可能である。

本実施形態の通信部１８は、外部のサーバや通信端末に通信することができる。また、この通信部１８は、表示部１７の表示内容の通信や位置情報を通信することも可能である。

本実施形態の波形処理部１２は、電流情報を電圧情報に変換する。この実施形態の波形処理部１２は、計測情報の入力がないときの電圧値である基準電圧Ｖ０が設定されている。

本実施形態の第一検知部１３は、波形処理部１２で設定された基準電圧Ｖ０から正側に閾値を設けている。また、本実施形態の第二検知部１４は、波形処理部１２で設定された基準電圧Ｖ０から負側に閾値を設けている。

電源側から電流が流れると、図２に示すように、最初は基準電圧Ｖ０より正側の電圧値となる。また、アース側から電流が流れると、図３に示すように、最初は基準電圧Ｖ０より負側の電圧値となる。したがって、電圧値が最初に第一検知部１３の閾値に達すれば、電源側から電流が流れていることが分かり、電圧値が最初に第二検知部１４の閾値に達すれば、アース側から電流が流れていることが分かる。

本実施形態の判定部１５は、検出された電圧が先に閾値に達した側の検出部を雷サージの判定対象とする。このような構成とすると、雷サージの極性が分かるので、雷サージの侵入経路が分かる。

ここで、極性判定の手順を図４に示すフローチャートを用いて説明する。まず、電流計測部１１として用いる電流センサにより電流を検知する（ＳＴ１０１）。次に、波形処理部１２により電流情報から電圧情報に変換する（ＳＴ１０２）。波形処理部１２から得られた電圧情報が、第一検知部１３と第二検知部１４の何れかの閾値に到達するか否かを確認する（ＳＴ１０３）。第二検知部１４側の閾値に電圧情報が到達した場合、負側からの侵入と判定する（ＳＴ１０４）。この極性情報は通信手段を用いて送信する（ＳＴ１０５）。送信が行われると、極性判定に関する手順が終了する。

ステップ１０３で、第一検知部１３側の閾値に電圧情報が到達した場合、正側からの侵入と判定する（ＳＴ１０６）。この極性情報は通信手段を用いて送信する（ＳＴ１０５）。送信が行われると、極性判定に関する手順が終了する。

ステップ１０３で、所定の条件下、第一検知部１３側の閾値及び第二検知部１４側の閾値のいずれにも電圧情報が到達しなかった場合、雷でないと判定する（ＳＴ１０７）。この判定がなされた後、極性判定に関する手順が終了する。

次に、判定部１５が雷サージの判定を行う条件の例について説明する。演算部１６は、計測部２１から出力された値が閾値を超えた際に、出力された値を時間で積分して積分値を算出し、判定部１５は、演算部１６で求められた積分値が判定値を越えた際に雷サージであるとの判定をしている。これにより、瞬時に発生するノイズを雷サージの判定から除外でき、雷サージを高精度で検出することが可能となる。以下に、その第一の例、第二の例、第三の例を説明する。第一の例では、基準電圧Ｖ０より正側又は負側に複数の閾値を設けている。つまり、第一検知部１３と第二検知部１４の各々が、複数の閾値を備えている。この閾値のうち、「電圧が到達した基準電圧Ｖ０との差が最も大きな閾値（最大閾値）と基準電圧Ｖ０との差の絶対値」に対して、「当該閾値（最大閾値）以上に電圧が検知された時間」をかけることによって積を求め、この積が定められた判定値を越えた場合に雷サージが生じたとの判定を行う。これを図５乃至図７を用いて説明する。この例では、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３と三つの閾値を設定している。図５に示すように、波形処理部１２から得られた電圧情報が、電圧がＶ３を超えた場合、Ｖ３の値と基準電圧Ｖ０との差の絶対値と、Ｖ３以上に電圧が検知された時間を掛け合わせると、図５において斜線を付した部分の面積と同様の値が求められることになる。この値が定められた判定値を越えた場合に雷サージが生じたとの判定を行う。

図６に示すように、波形処理部１２から得られた電圧情報の最大電圧値がＶ２以上Ｖ３未満である場合、Ｖ２の値と基準電圧Ｖ０との差の絶対値と、Ｖ２以上に電圧が検知された時間を掛け合わせることで求められた値が、定められた判定値を越えた場合に雷サージが生じたとの判定を行う。図７に示すように、波形処理部１２から得られた電圧情報の最大電圧値がＶ１以上Ｖ２未満である場合、Ｖ１の値と基準電圧Ｖ０との差の絶対値と、Ｖ１以上に電圧が検知された時間を掛け合わせることで求められた値が、定められた判定値を越えた場合に雷サージが生じたとの判定を行う。

本例においては、電圧値の大きさに関わらず、判定値は１つとして設定されている。つまり、図５乃至図７で示した状態のいずれにおいても、判定値は同じ値としている。このようにすると、波形の違いにより最大閾値が異なっても、積（面積）が統一された判定値を超えるか超えないかで、雷サージの判定をおこなえる。したがって、瞬時的に高電圧になるパターンや一定時間低電圧が続くパターンなど波形が異なる雷サージが入力されても、同等の条件で判定することが可能となる。また、計測部２１と接続された演算部１６が、計測部２１から出力された値が特定閾値を超えた時間を計測し、演算部１６と接続された判定部１５は、演算部１６で計測した時間が定めた時間を超える場合に、雷サージであると判定をするため、瞬時に発生するノイズを雷サージの判定から除外でき、雷サージを高精度で検出することが可能となる。

ここで、雷サージの判定手順の例について、図８に示したフローチャートを用いて説明する。まず、電圧がＶ１に到達したことを確認する（ＳＴ２０１）。その後、上記した積を求める面積演算をおこなう（ＳＴ２０２）。面積演算の結果が判定値に未到達の時点で、電圧がＶ２に到達したことが確認された場合（ＳＴ２０３）、再び、積を求める面積演算をする（ＳＴ２０４）。面積演算の結果が判定値に未到達の時点で、電圧がＶ３に到達したことが確認された場合（ＳＴ２０５）、再び、積を求める面積演算をする（ＳＴ２０６）。その後、所定の条件下で、判定値に未到達の状態であれば、雷サージの判定をしないものとする（ＳＴ２０７）。

ステップ２０２において、面積演算の結果が判定値に到達すれば、雷サージの判定を行う（ＳＴ２０８）。また、ステップ２０４において、面積演算の結果が判定値に到達すれば、雷サージの判定を行う（ＳＴ２０９）。同様に、ステップ２０６において、面積演算の結果が判定値に到達すれば、雷サージの判定を行う（ＳＴ２１０）。

ステップ２０２において、面積演算の結果、所定の条件下で、判定値に未到達であれば、雷サージの判定をしないものとする（ＳＴ２１１）。また、ステップ２０４において、面積演算の結果、所定の条件下で、判定値に未到達であれば、雷サージの判定をしないものとする（ＳＴ２１２）。なお前記の雷サージの判定をしない所定の条件とは、第１の例においては、電圧が到達した最大の閾値を下回ったときである。具体的には、ＳＴ２０７ではＶ３を下回ったとき、ＳＴ２１１ではＶ１を下回ったとき、ＳＴ２１２ではＶ２を下回ったときである。

次に、判定部１５が雷サージの判定を行う条件の例について第二の例を説明する。第二の例でも、第一検知部１３と第二検知部１４の各々に複数の閾値を設定する。ただし、第二の例では、図９に示すように、「ある閾値を超えた時点から、この閾値を下回るまでの時間」、若しくは、「ある閾値を超えた時点から、より基準電圧Ｖ０との差が大きくなるように設定された閾値に到達するまでの時間」、をある閾値とかけあわせた積について、全ての閾値で求め、再び基準電圧Ｖ０となるまでの、その積の和が判定値を越えたときに雷サージの判定をする。このようにすると、面積演算を複数の閾値の各々において行う為、雷サージの判定をより高精度で行うことができる。

また、判定部１５が雷サージの判定を行う条件の例について第三の例を説明する。第三の例でも、第一検知部１３と第二検知部１４の各々に複数の閾値を設定する。ただし、第三の例では、図１０に示すように、「電圧が到達した基準電圧Ｖ０との差が最も大きな閾値から、この閾値を下回るまでの時間」、をこの閾値とかけあわせた積を求め、これから順に再び基準電圧Ｖ０となるまで、「その時点の電圧が越えている最も基準電圧Ｖ０との差が大きな閾値」と、「この閾値を下回るまでの時間」とをかけあわせた積を求め、各々の積の和が判定値を越えたときに雷サージの判定をする。雷サージの場合、電圧値の最初の上昇が急峻となる場合が想定されるため、このように基準電圧Ｖ０との差が最も大きな閾値に電圧が到達した時以降で、面積演算を複数の閾値の各々において行うと、高精度な面積演算能力を必要とすること無く、雷サージの判定を高精度で行うことができる。

なお、第一乃至第三の例とは異なり、電圧が閾値に達した時点で、雷サージの判定を行うものとしても良い。

このような雷サージ検出回路１を複数用いると、雷サージの極性のビッグデータを収集することが可能となる。例えば、特定区域に備えられた各々の雷サージ検出回路１についての判定情報と位置情報を収集する収集手段と、収集した判定情報と位置情報をマッピングするマッピング手段と、を備えた雷サージ検出システムとすれば、特定区域の雷サージの極性のビッグデータを収集することが可能となる。

本実施形態の収集手段は、特定区域の各々の雷サージ検出回路１の判定情報と位置情報を収集する。また、演算部１６での雷の演算情報を収集することができる。このため、避雷器９３の劣化の推定をすることができる。また、本実施形態のマッピング手段は、収集手段からの情報を視認できるようにマッピングする。

ところで一般的に、雷雲は、雲の下層にマイナス電荷が、上層にプラス電荷が溜まる。この場合、図１１に示すように、雷雲の下層に集まったマイナス電荷が地面のプラス電荷を引き付けて、鉄塔や避雷針などを介して、雷雲から地上に向かって雷が発生する。このように落雷が発生すると、図１１に示すように雷サージが流れ、落雷地点から近い建物Ａはアース側から雷サージが流れる。また、建物Ａに流れた雷サージは通信線や電線を通じて、建物Ａより落雷地点から遠い建物Ｂに流れる。この建物Ｂに流れた雷サージはアースへ流れる。

したがって、建物Ａに設置された雷サージ検出回路１は、雷サージがアース側から侵入したと判定する。また、建物Ｂに設置された雷サージ検出回路１は、雷サージが電源側から侵入したと判定する。

これらの複数の雷サージ検出回路１から情報を収集し、マッピングすると、図１２に示すように、落雷地点付近には負極性判定（アース側から侵入）が位置し、その外側には正極性判定（電源側から侵入）が位置する。さらにその外側には、雷サージ判定がされなかった地点が位置する。なお、図１２においては、黒丸は負極性判定がなされた地点を表し、白丸は正極性判定がなされた地点を表し、三角は雷サージの判定がされなかった地点を表し、星印は中心部として推定された地点を表している。

また、上層と下層では風の強さが違うために，雲は斜めに上昇し、上層に溜まったプラス電荷が地上のマイナス電荷を引き付けて、地上から雷雲に向かって雷が発生することもある。この場合、図１３に示すように雷サージが流れ、建物Ｂはアース側から雷サージが流れる。また、建物Ｂに流れた雷サージは通信線や電線を通じて建物Ａに流れる。この建物Ａに流れた雷サージはアースへ流れる。

したがって、建物Ｂに設置された雷サージ検出回路１は、雷サージがアース側から侵入したと判定する。また、建物Ａに設置された雷サージ検出回路１は、雷サージが電源側から侵入したと判定する。

これらの複数の雷サージ検出回路１から情報を収集し、マッピングすると、図１４に示すように、落雷地点付近には正極性判定（電源側から侵入）が位置し、その外側には負極性判定（アース側から侵入）が位置する。さらにその外側には、雷サージ判定がされなかった地点が位置する。なお、図１４においては、黒丸は負極性判定がなされた地点を表し、白丸は正極性判定がなされた地点を表し、三角は雷サージの判定がされなかった地点を表し、星印は中心部として推定された地点を表している。

ところで、雷サージの侵入経路が分かることによって、特定区域の極性のマッピングをしたときに、中心部が落雷箇所であると推測できる。そこで、本実施形態の雷サージ検出システムは、マッピング情報から判定情報の中心部を特定することが可能な特定手段を備えた構成としている。この特定手段を用いて特定した中心部が落雷地点であると推測できるため、雷の移動予想が可能となる。また、特定手段で中心部を特定する際に、正極性判定地の情報を用いず、負極性判定地の情報を用いて中心部を特定すれば、簡易に落雷地点を特定することができる。なお、本実施形態では、マッピングや中心部の情報について、ネットワークを介してＰＣなどに伝えている。

本実施形態では、整流回路を設けていない。整流回路を設けると、その抵抗により電圧降下が起こり、微弱な電流を検出できなくなるが、整流回路を設けなければ、そのような事態を回避できる。また、整流回路を設ける代わりに、第一検知部１３と第二検知部１４を設けている。このような構成とすることにより、正と負の極性を区別して検出できる。しかも、簡易な構造で正と負の極性を検出することができる。また、整流回路のダイオードのような大きな抵抗を設ける必要が無いので、電圧降下が少なく、微弱な電流の検出が可能となる。

以上、いくつかの実施形態を説明してきたが、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、各種の態様とすることが可能である。例えば、第一検知部内に第二検知部の機能を設けても良い。また、第一検知部や第二検知部をマイコン内に設けることも可能である。

第一検知部や第二検知部で設定される閾値は、ノイズなど、雷サージの検出に関する環境にあわせて変更できる構成とすることも可能である。

判定部は、どこに配置しても良く、例えば、検知部内やマイコン内とすることも可能である。

雷サージ検出回路は、本実施形態のようにＳＰＤ、分電盤、系統電源を介するものに限定されない。例えば、鉄塔とアース間に設けてもよい。

第一検知部と第二検知部は、正側の検知と負側の検知をいずれで行うものとしても良い。

１ 雷サージ検出回路
１１ 電流計測部
１２ 波形処理部
１３ 第一検知部
１４ 第二検知部
１５ 判定部
１６ 演算部
１７ 表示部
１８ 通信部

Claims (6)

1. アース線の電流を計測可能な計測部を備えた雷サージ検出回路であって、
   計測部から出力された値を検知可能な検知部には、
   基準値よりも正側に特定閾値が設定された第一検知部と、
   基準値よりも負側に第一検知部の特定閾値と値幅が同じとなる特定閾値が設定された第二検知部と、を備え、
   検知部に接続された判定部により、第一検知部と第二検知部のいずれが先に特定閾値に達したのかを判定し、雷サージの侵入経路を判定する雷サージ検出回路。
2. 計測部と接続された演算部が、計測部から出力された値が特定閾値を超えた時間を計測し、
   演算部と接続された判定部は、演算部で計測した時間が定めた時間を超える場合に、雷サージであると判定をする請求項１記載の雷サージ検出回路。
3. 演算部は、計測部から出力された値が閾値を超えた際に、出力された値を時間で積分して積分値を算出し、
   判定部は、演算部で求められた積分値が判定値を越えた際に雷サージであるとの判定をする請求項２に記載の雷サージ検出回路。
4. 請求項１に記載の雷サージ検出回路を複数備えた雷サージ検出システムであって、
   各々の雷サージ検出回路の判定情報と位置情報を収集する収集手段と、
   収集した判定情報と位置情報をマッピングするマッピング手段と、
   を備えた雷サージ検出システム。
5. 判定情報の中心部を特定する特定手段を備えた請求項４に記載の雷サージ検出システム。
6. 特定手段が、負極性判定値を用いて中心部を特定する請求項５に記載の雷サージ検出システム。

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