JP2018121434A - アーク故障検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ダイオード等の逆流防止素子の有無に関わらず、同一の回路構成及び信号処理方法によって分岐系統のアーク故障を確実に検出可能としたアーク故障検出装置を提供する。【解決手段】正側母線Ｐ及び負側母線Ｎに接続された一対の分岐線のうち一方の分岐線に流れる電流の交流成分及び直流成分を検出する電流検出装置１０５と、一方の分岐線上の二点間の電圧を検出可能な電圧検出装置１０６と、一対の分岐線間の電圧を検出する電圧検出装置１０７と、電流検出装置１０５が検出した交流成分及び直流成分を閾値と比較する電流閾値判定回路１２３〜１２５と、電圧検出装置１０６，１０７が検出した電圧を閾値と比較する電圧閾値判定回路１２１，１２２と、各判定回路１２１〜１２５の出力の論理演算により、分岐系統５Ａにおけるアーク故障を判定するオアゲート１２６、アンドゲート１２７と、判定出力部１３１と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光発電システム等の直流発電システムや直流電力供給システムにおいて、分岐系統に発生するアークを検出するためのアーク故障検出装置に関するものである。

太陽光発電システム等の直流回路におけるアークを検出する従来技術として、以下に示すものが提案されている。
例えば、特許文献１に記載されたアーク検出手段では、太陽電池パネルに接続された端子台でのネジの締め忘れ等により、アークの発生、短絡及び断路故障が発生すると考え、端子台から出力側配線との間の電圧の変動と、端子台から出力側配線に流れる電流の変動とを同時に検出している。

また、特許文献２に記載されたアーク検出装置は、メガソーラのように太陽電池パネルの数が多く複数の箇所に配置されており、かつ、パワーコンディショナ（ＰＣＳ）のインバータのスイッチングノイズが重畳するような直流回路への適用を前提としている。
このアーク検出装置では、複数個の太陽電池パネルが直列接続された直流回路の両端電圧を検出し、その出力をパワースペクトルに変換した後にインバータのスイッチングノイズに相当する周波数帯域を除去し、除去した後のパワースペクトルの複数点で求めたパワースペクトルの傾きが所定の基準値を超えた場合に、直流回路におけるアークの発生を判定している。

特許文献１に記載された従来技術では、その原理上、端子台の近傍、言い換えれば電圧センサの近傍でアークが発生し、電圧等が変動した場合に検出できるものである。しかしながら、特にメガソーラ等の大規模な太陽光発電システムでは、ケーブルが長距離にわたって敷設されているため、ケーブルの断線等に起因するアーク故障が様々な箇所で発生する場合がある。
このため、端子台より太陽電池パネル側のケーブル等で発生したアーク故障に関しては、端子台付近の電圧センサの設置位置における急激な電圧変動はほとんどなく、検出が困難である。

また、特許文献２に記載された従来技術は、アーク発生時に発生する電圧の高周波成分に着目した検出方法であり、主幹系統に接続された複数の分岐系統（ストリング）のうち、故障が発生した系統と健全な系統とを区別して検出するためには、逆流防止ダイオード付きの太陽光発電システムであることを必要とする。
なお、国内では、上記の逆流防止ダイオードを備えた太陽光発電システムが主流となりつつある。

特開２０１１−７７６５号公報（段落［００３１］〜［００４０］、図１〜図３等） 特開２０１４−１３４４４５号公報（段落［００１２］〜［００１４］、図１等）

一方、近年における太陽光発電システムの世界的な主流では、逆流に対する安全策として、逆流防止ダイオードを用いずにＰＶヒューズが使用されている。この種のシステムによると、特許文献２に記載の検出方法では故障系統と健全系統とを区別できないため、故障発生時にはシステム全体を停止する必要があると共に、故障点の特定や復旧に多くの時間や手間が必要であった。
すなわち、太陽光発電システムの構成によっては故障系統を判別することができず、太陽光発電を安定的に継続することが困難であった。

太陽光発電システムでは、逆流防止ダイオードの有無に応じてアーク故障時の特性が異なるため、アーク故障検出装置の構成も異ならざるを得ないが、汎用性という観点からは、国内で主流の逆流防止ダイオードを有するシステムと世界的に主流の逆流防止ダイオードのないシステムとの両方に対応可能なアーク故障検出装置の実現が求められている。
しかしながら、現状では、逆流防止ダイオードの有無に関わらず、同一の回路構成及び信号処理方法のもとでアーク故障を検出することが困難であり、これを可能にするアーク故障検出装置の実現が望まれていた。

そこで、本発明の解決課題は、ダイオード等の逆流防止素子の有無に関わらず、同一の回路構成及び信号処理方法によって分岐系統のアーク故障を確実に検出可能としたアーク故障検出装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、交流電源系統にパワーコンディショナを介して接続された直流母線に接続され、かつ、直流発電設備による発電電力を一対の分岐線を介して前記直流母線に供給する分岐系統におけるアーク故障検出装置において、
一方の前記分岐線に流れる電流の直流成分及び交流成分を検出する電流検出手段と、
一方の前記分岐線上の二点間の電圧を検出可能な第１の電圧検出手段と、
前記一対の分岐線間の電圧を検出する第２の電圧検出手段と、
前記電流検出手段により検出した電流の直流成分を所定の閾値と比較する直流成分用電流閾値判定手段と、
前記電流検出手段により検出した電流の交流成分を所定の閾値と比較する交流成分用電流閾値判定手段と、
前記第１の電圧検出手段により検出した電圧及び前記第２の電圧検出手段により検出した電圧を所定の閾値とそれぞれ比較する電圧閾値判定手段と、
前記直流成分用電流閾値判定手段の出力及び前記電圧閾値判定手段の出力を組み合わせた論理演算結果と、前記交流成分用電流閾値判定手段による判定結果とに基づいて、前記分岐系統におけるアーク故障を判定する故障判定手段と、
を備えたことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載したアーク故障検出装置において、一方の前記分岐線には、前記直流母線から前記直流発電設備に向かう方向の直流電流を阻止するための逆流防止素子が接続され、前記第１の電圧検出手段は、前記逆流防止素子の両端電圧を検出することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１に記載したアーク故障検出装置において、一方の前記分岐線に、前記直流母線から前記直流発電設備に向かう方向の直流電流を阻止するための逆流防止素子が接続されていない時に、前記第１の電圧検出手段の入力端子間を短絡することを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載したアーク故障検出装置において、前記故障判定手段は、前記交流成分用電流閾値判定手段による判定結果に基づいて、一方の前記分岐線で発生した直列アーク故障を判定することを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１〜４の何れか１項に記載したアーク故障検出装置において、前記故障判定手段は、前記第１の電圧検出手段の出力を用いた前記電圧閾値判定手段による判定結果と前記直流成分用電流閾値判定手段による逆方向電流の判定結果との論理和、及び、前記第２の電圧検出手段の出力を用いた前記電圧閾値判定手段による判定結果と前記直流成分用電流閾値判定手段による順方向電流の判定結果との論理積に基づいて、前記一対の分岐線間で発生した並列アーク故障を判定することを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項１〜５の何れか１項に記載したアーク故障検出装置において、前記直流成分用電流閾値判定手段の出力及び前記電圧閾値判定手段の出力を組み合わせた論理演算結果に時限を設ける第１のタイマ手段と、前記交流成分用電流閾値判定手段による判定結果に時限を設ける第２のタイマ手段と、を更に備え、前記故障判定手段は、前記第１のタイマ手段及び前記第２のタイマ手段の出力に基づいて前記分岐系統におけるアーク故障を判定することを特徴とする。

請求項７に係る発明は、請求項１〜６の何れか１項に記載したアーク故障検出装置において、前記パワーコンディショナと前記直流母線との間に接続された主幹系統用断路用開閉器と、前記分岐系統に接続された分岐系統用断路用開閉器と、を更に備え、前記故障判定手段は、アーク故障判定時に前記主幹系統用断路用開閉器または前記分岐系統用断路用開閉器を開放する機能を有することを特徴とする。

本発明によれば、分岐系統における逆流防止素子の有無に関わらず、アーク故障を確実に検出することができ、故障箇所を切り離して保護すると共に健全系統からの電力供給を継続することができる。

本発明の第１実施形態が適用される太陽光発電システムの構成図である。 本発明の第１実施形態に係るアーク故障検出装置の構成を示すブロック図である。 図１において直列アーク５０１が発生した時の電流経路の説明図である。 直列アーク５０１発生時の各部の電圧信号、電流信号を示す波形図である。 アーク発生時の電圧閾値判定回路、電流閾値判定回路等の動作を示す図である。 図１において並列アーク５０２が発生した時の電流経路の説明図である。 並列アーク５０２発生時の各部の電圧信号、電流信号を示す波形図である。 図１において並列アーク５０３が発生した時の電流経路の説明図である。 並列アーク５０３発生時の各部の電圧信号、電流信号を示す波形図である。 本発明の第２実施形態が適用される太陽光発電システムの構成図である。 本発明の第２実施形態に係るアーク故障検出装置の構成を示すブロック図である。 図１０において並列アーク５０２が発生した時の電流経路の説明図である。 並列アーク５０２発生時の各部の電圧信号、電流信号を示す波形図である。 図１０において並列アーク５０３が発生した時の電流経路の説明図である。 並列アーク５０３発生時の各部の電圧信号、電流信号を示す波形図である。 本発明の第３実施形態に係るアーク故障検出装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第４実施形態に係るアーク故障検出装置の構成を示すブロック図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の第１実施形態が適用される太陽光発電システムの構成図である。図１において、１は交流電源系統、２はパワーコンディショナ（ＰＣＳ）、３は主幹系統用の断路用開閉器、４は正側母線Ｐ及び負側母線Ｎからなる直流母線であり、この直流母線４には、同一構成の分岐系統５Ａ，５Ｂが互いに並列に接続されている。
なお、分岐系統５Ａ，５Ｂに対して、直流母線４からＰＣＳ２に至るまでの系統を主幹系統と呼ぶ。

次に、分岐系統５Ａの構成を説明する。
この分岐系統５Ａは、直流母線４を構成する正側母線Ｐ及び負側母線Ｎに一対の分岐線４１を介して接続された直流発電設備としての太陽電池パネル１０４を有すると共に、正側母線Ｐにカソードが接続された逆流防止ダイオード（以下、単にダイオードともいう）１０１と、断路用開閉器１０２と、短絡用開閉器１０３とを備えている。
また、分岐系統５Ａには、一方の分岐線４１を流れる電流の交流成分及び直流成分を検出する電流検出装置１０５と、ダイオード１０１の両端電圧を検出する電圧検出装置１０６と、一対の分岐線４１，４１間の電圧を検出する電圧検出装置１０７と、各検出装置１０５〜１０７による検出値が入力されてアーク故障を判定する判定回路１１１と、が設けられている。
同様に、分岐系統５Ｂも、一対の分岐線４２、ダイオード２０１、断路用開閉器２０２、短絡用開閉器２０３、太陽電池パネル２０４、電流検出装置２０５、電圧検出装置２０６，２０７、及び判定回路２１１を備えている。

上記構成において、分岐系統５Ａの各検出装置１０５〜１０７及び判定回路１１１、分岐系統５Ｂの各検出装置２０５〜２０７及び判定回路２１１が、それぞれ、本実施形態におけるアーク故障検出装置の主要部を構成している。
次に、分岐系統５Ａのアーク故障検出装置（分岐系統５Ｂも同一）の具体的構成を図２に基づいて説明する。

図２において、ダイオード１０１の両端には分圧器１１２が接続され、その出力側には絶縁アンプ１１４、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１１６、第１の電圧閾値判定回路１２１が順次接続されている。また、太陽電池パネル１０４（図示せず）に接続された分岐線４１，４１間には分圧器１１３が接続され、その出力側には絶縁アンプ１１５、ＬＰＦ１１７、第２の電圧閾値判定回路１２２が順次接続されている。

更に、一方の分岐線４１には変流器（ＣＴ）３０１が設けられ、その出力はＬＰＦ１１８及びバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１１９に入力されている。
ＬＰＦ１１８の出力は第１，第２の電流閾値判定回路１２３，１２４に入力されていると共に、ＢＰＦ１１９の出力は、整流回路１２０を介して第３の電流閾値判定回路１２５に入力されている。
ここで、第１，第２の電流閾値判定回路１２３，１２４は請求項における直流成分用電流閾値判定手段を構成し、第３の電流閾値判定回路１２５は請求項における交流成分用電流閾値判定手段を構成している。

第１の電圧閾値判定回路１２１の出力及び第１の電流閾値判定回路１２３の出力は、オアゲート１２６と第１のタイマ回路１２８とを順次介して判定出力部１３１に入力されている。また、第２の電圧閾値判定回路１２２の出力及び第２の電流閾値判定回路１２４の出力は、アンドゲート１２７と第２のタイマ回路１２９とを順次介して判定出力部１３１に入力されている。
更に、第３の電流閾値判定回路１２５の出力は、第３のタイマ回路１３０を介して判定出力部１３１に入力されている。

判定出力部１３１は、第１〜第３のタイマ回路１２８〜１３０の出力信号に基づいてアーク故障の有無及び種類を判定し、その結果を状態表示回路１３１ａにより表示すると共に、保護制御回路１３１ｂにより断路用開閉器や短絡用開閉器を開閉制御して系統の保護動作を行うものである。
なお、図２では、各部に電源を供給する電源回路の図示を省略してある。

次に、この実施形態の動作を説明する。
図２における分岐線４１，４１間の数百［Ｖ］〜１［ｋＶ］程度の電圧を後続の電子回路によって処理可能な大きさにするため、分圧器１１２，１１３により検出電圧を低下させ、絶縁アンプ１１４，１１５を介してＬＰＦ１１６，１１７に通すことにより、不要な高周波ノイズ成分が除去される。
また、ＣＴ３０１により検出された分岐線４１の電流の直流成分がＬＰＦ１１８により検出され、交流成分がＢＰＦ１１９により検出される。ここで、ＢＰＦ１１９では、高周波成分を検出し、かつ不要なノイズ成分を除去するために、１［ｋＨｚ］〜１００［ｋＨｚ］の周波数成分を抽出している。

第１の電圧閾値判定回路１２１は、入力信号が所定の閾値以上である場合に「Ｈ」（Ｈｉｇｈ）レベルの信号を出力し、第２の電圧閾値判定回路１２２は、入力信号が所定の閾値未満である場合に「Ｈ」レベルの信号を出力する。
第１の電流閾値判定回路１２３は、電流の通電方向が逆方向であることを検出するものであり、例えば、入力信号が所定の閾値未満である場合に「Ｈ」レベルの信号を出力する。第２の電流閾値判定回路１２４は、電流の通電方向が順方向であることを検出するものであり、入力信号が所定の閾値以上である場合に「Ｈ」レベルの信号を出力する。第３の電流閾値判定回路１２５は、ＢＰＦ１１９の信号を整流回路１２０により全波整流した後の信号が所定の閾値以上となった場合に、「Ｈ」レベルの信号を出力する。

上述した電圧，電流閾値判定回路１２１〜１２５の出力側に設けられた論理演算部では、第１の電圧閾値判定回路１２１による判定結果と第１の電流閾値判定回路１２３による判定結果との論理和をオアゲート１２６により求めると共に、第２の電圧閾値判定回路１２２による判定結果と第２の電流閾値判定回路１２４による判定結果との論理積をアンドゲート１２７により求め、真の場合に「Ｈ」レベルの信号をそれぞれ出力する。
オアゲート１２６の出力、アンドゲート１２７の出力、及び第３の電流閾値判定回路１２５の出力は、タイマ回路１２８〜１３０において、それぞれ一定時間継続した場合に「Ｈ」レベルの信号が出力されるようになっている。

タイマ回路１２８〜１３０の時限は数［ｍｓ］〜数百［ｍｓ］の範囲で設定されており、各時限は、タイマ回路１２９＜同１２８＜同１３０となっていてタイマ回路１２９からの出力が最も早く、次いでタイマ回路１２８、タイマ回路１３０の順序になっている。
なお、タイマ回路１２８，１２９は請求項における第１のタイマ手段に相当し、タイマ回路１３０は請求項における第２のタイマ手段に相当する。

判定出力部１３１では、後に詳述するように、タイマ回路１２８〜１３０の出力信号の何れかが「Ｈ」レベルになった時点で何らかのアーク故障が発生したと判断し、状態表示回路１３１ａ及び保護制御回路１３１ｂにより、判定結果に応じた状態表示動作や保護制御動作を行う。
上記構成において、オアゲート１２６、アンドゲート１２７、タイマ回路１２８〜１３０、及び判定出力部１３１は、請求項における故障判定手段を構成している。

次に、アーク故障が発生した時の具体的な検出動作を説明する。
図３は、分岐系統５Ａ内の一方の分岐線４１が断線して直列アーク５０１が発生した場合を示しており、符号ａは太陽電池パネル１０４からの電流経路である。なお、単一の分岐線上で発生するアークを直列アークといい、正負の分岐線間で発生するアークを並列アークというものとする。
図３の直列アーク５０１により、太陽電池パネル１０４による発電電力は、断路用開閉器１０２から、判定回路１１１を含む本実施形態のアーク故障検出装置、断路用開閉器３を経てＰＣＳ２に供給される。

図４は、直列アーク５０１が発生した時の各部の電圧信号、電流信号を示す波形図であり、電圧信号（１），（２）はそれぞれＬＰＦ１１６，１１７の出力、電流信号（１），（２）はＬＰＦ１１８の出力、電流信号（３）はＢＰＦ１１９の出力を示している。図４では、時間０の時点で直列アーク５０１が発生している。
図５は、アーク故障発生時の電圧閾値判定回路１２１，１２２、電流閾値判定回路１２３〜１２５等の動作を示しており、左欄の符号Ａ〜Ｅは、それぞれ判定回路１２１〜１２５の出力、同じく符号α，β，γは、それぞれタイマ回路１２８，１２９，１３０の入力である。
図４の直列アーク５０１が発生した時には、図５における「故障形態（１）直列アーク故障（ａ）逆流防止ダイオード有りのシステム」に示す動作となる。

直列アーク５０１が発生すると、ダイオード１０１には順方向の電流が流れ続けるため、図４に示すように電圧信号（１）（ＬＰＦ１１６の出力）はダイオード１０１の電圧降下分を考慮しても閾値未満であるため、電圧閾値判定回路１２１の出力は「Ｌ」（Ｌｏｗ）レベルである。
また、分岐線４１の線間電圧も健全時の動作電圧相当（数百［Ｖ]〜１［ｋＶ]程度）から殆ど変化がないため、電圧信号（２）（ＬＰＦ１１７の出力）は閾値以上であり、電圧閾値判定回路１２２の出力も「Ｌ」レベルである。

また、電流は健全時と同方向（順方向）に流れ続けるため、電流の直流成分である電流信号（１），（２）（ＬＰＦ１１８の出力）は順方向を示している。なお、図４において、電流信号（１），（２）は１．５を基準値として、基準値以上である場合を順方向、基準値未満の場合を逆方向としている。
このため、電流閾値判定回路１２３からは「Ｌ」レベルの信号が出力され、電流閾値判定回路１２４からは「Ｈ」レベルの信号が出力される。

また、電流にはアーク発生時の特有の信号である高周波成分（アークノイズ）が含まれるため、電流の交流成分である電流信号（３）（ＢＰＦ１１９の出力）は故障発生後に大きくなる。従って、この電流信号（３）の基準を０にシフトさせた後、整流回路１２０によって全波整流すると、図４における電流信号（３）整流後の信号となって閾値以上の値になり、電流閾値判定回路１２５からは「Ｈ」レベルの信号が出力される。

以上により、オアゲート１２６及びアンドゲート１２７の出力は「Ｌ」レベルとなり、電流閾値判定回路１２５の出力側のタイマ回路１３０による設定時限の経過後に「Ｈ」レベルの信号が出力される。この「Ｈ」レベルの信号により、出力判定部１３１が直列アーク故障５０１と判定し、その後に断路開閉器１０２を開放して分岐系統５Ａから事故点を除去する。

次に、図６は、分岐系統５Ａの太陽電池パネル１０４と短絡用開閉器１０３との間で一対の分岐線４１，４１が短絡し、並列アーク５０２が発生した場合を示している。符号ｂは、並列アーク５０２を通過する太陽電池パネル１０４からの電流経路である。
この場合、分岐系統５Ａにはダイオード１０１が存在するため、健全系統である分岐系統５Ｂから故障点への電流の流入はなく、ＰＣＳ２は通常動作を維持する。

図６の並列アーク５０２が発生した場合の動作を、図５、図７を参照しつつ説明する。なお、このケースの動作は、図５における「故障形態（２）並列アーク故障（ａ）逆流防止ダイオード有りのシステム」に示すようになる。また、図７では、時間０の時点で並列アーク５０２が発生している。

並列アーク５０２の発生により、分岐線４１の線間電圧はアーク電圧相当（数十[Ｖ]）まで低下する一方、ダイオード１０１を介して、直流母線４の線間電圧は健全時の動作電圧（数百[Ｖ]〜１[ｋＶ]）を維持している。
このため、図７における電圧信号（１）（ＬＰＦ１１６の出力）は閾値以上となり、電圧閾値判定回路１２１の出力は「Ｈ」レベルとなる。また、分岐線４１の線間電圧はアーク電圧相当まで低下するため、電圧信号（２）（ＬＰＦ１１７の出力）は閾値未満となり、電圧閾値判定回路１２２の出力も「Ｈ」レベルとなる。

更に、変流器３０１には電流が流れなくなるため、電流信号（１），（２）（ＬＰＦ１１８の出力）は電流０に相当する１．５となる。よって、電流閾値判定回路１２３，１２４の出力は「Ｌ」レベルとなる。また、電流が流れないので、電流信号（３）（ＢＰＦ１１９の出力）及びその整流後の信号も閾値未満となり、電流閾値判定回路１２５の出力は「Ｌ」レベルとなる。

従って、オアゲート１２６の出力は「Ｈ」レベル、アンドゲート１２７の出力は「Ｌ」レベルとなり、所定の時限経過後に、タイマ回路１２８から「Ｈ」レベルの信号が出力される。
これにより、判定出力部１３１は並列アーク５０２の発生を検出し、断路開閉器１０２を開放すると共に、短絡開閉器１０３を短絡させてアーク故障点よりも低インピーダンスの電流経路を形成することにより、並列アーク５０２を消去して事故点を除去する制御を行う。

次に、図８は、分岐系統５Ａのダイオード１０１と断路用開閉器１０２との間で一対の分岐線４１，４１が短絡し、並列アーク５０３が発生した場合を示している。
図８において、符号ｃは、健全な他方の分岐系統５Ｂによる電流経路であり、一方の分岐系統５Ａにはダイオード１０１が存在するため、分岐系統５Ｂから故障点への電流の流入はなく、ＰＣＳ２は通常動作を維持する。なお、符号ｄは分岐系統５Ａにおける並列アーク５０３を介した電流経路である。

図８の並列アーク５０３が発生した場合の動作を、図５、図９を参照しつつ説明する。このケースの動作は、図５における「故障形態（３）並列アーク故障（ａ）逆流防止ダイオード有りのシステム」に示すようになる。また、図９では、時間０の時点で並列アーク５０２が発生している。

並列アーク５０３が発生した場合、図９における電圧信号（１），（２）は、並列アーク５０２が発生した場合の図７における電圧信号（１），（２）とそれぞれ同じ挙動を示し、電圧閾値判定回路１２１，１２２の出力は何れも「Ｈ」レベルとなる。
また、電流は健全時と同方向（順方向）に流れ続けるため、図９における電流信号（１），（２）は、直列アーク５０１が発生した場合の図４における電流信号（１），（２）とそれぞれ同じ挙動を示す。よって、電流閾値判定回路１２３からは「Ｌ」レベルの信号が出力され、電流閾値判定回路１２４からは「Ｈ」レベルの信号が出力される。
更に、電流の交流成分である電流信号（３）（ＢＰＦ１１９の出力）は図４と同様に大きくなり、電流閾値判定回路１２５からは「Ｈ」レベルの信号が出力される。

以上により、オアゲート１２６及びアンドゲート１２７の出力は何れも「Ｈ」レベルとなる。ここで、判定出力部１３１は、タイマ回路１２８〜１３０の中で時限が最も短いタイマ回路１２９の出力が最初に「Ｈ」レベルになることに基づいて、並列アーク５０３が発生したことを検出する。
この故障に対しては、判定出力部１３１が断路開閉器１０２を開放するように制御して事故点を切り離す。

次いで、分岐系統に逆流防止ダイオードが設けられていない太陽光発電システムを対象として、第２実施形態に係るアーク故障検出装置の構成及び動作を説明する。
図１０は、第２実施形態が適用される太陽光発電システムの構成を示しており、図１１はアーク故障検出装置のブロック図である。図１０，図１１が前述した図１，図２と異なる点は、分岐系統５Ａ’，５Ｂ’に逆流防止ダイオードが設けられていないほか、図１０の電圧検出装置１０６（図１１の分圧器１１２）の入力端子間が短絡されている点のみであり、他の構成については図１，図２と同一であるため説明を省略する。

次に、具体的なアーク故障検出動作について説明する。
なお、分岐系統における直列アークの検出動作は、分岐系統がダイオードを有する場合について説明した図３，図４等と同様である。すなわち、各判定回路１２１〜１２５、タイマ回路１２８〜１３０等の動作は、図５における「故障形態（１）直列アーク故障（ｂ）逆流防止ダイオード無しのシステム」のようになる。

図１２は、分岐系統５Ａ’の太陽電池パネル１０４と短絡用開閉器１０３との間で一対の分岐線４１，４１が短絡し、並列アーク５０２が発生した場合を示している。符号ｂは、並列アーク５０２を通る太陽電池パネル１０４からの電流経路である。また、分岐系統５Ａ’にはダイオードが存在しないため、健全な分岐系統５Ｂ’から分岐系統５Ａ’に電流が流入して並列アーク５０２を通る電流経路ｅが形成され、ＰＣＳ２は動作を停止する。

図１２の並列アーク５０２が発生した場合の動作を、図５、図１３を参照しつつ説明する。このケースの動作は、図５における「故障形態（２）並列アーク故障（ｂ）逆流防止ダイオード無しのシステム」に示すようになる。また、図１３では、時間０の時点で並列アーク５０２が発生している。

並列アーク５０２の発生により、分岐線４１の線間電圧はアーク電圧相当（数十[Ｖ]）まで低下する。ここで、分圧器１１２は入力端子間が短絡されているので、電圧信号（１）（ＬＰＦ１１６の出力）は閾値未満となり、電圧閾値判定回路１２１の出力は「Ｌ」レベルとなる。同時に、電圧信号（２）（ＬＰＦ１１７の出力）も閾値未満となり、電圧閾値判定回路１２２の出力は「Ｈ」レベルとなる。

更に、変流器３０１には、並列アーク５０２に向かって逆方向の電流が流れ続ける。これにより、直流成分である電流信号（１），（２）（ＬＰＦ１１８の出力）は閾値未満になって電流閾値判定回路１２３の出力は「Ｈ」レベルとなり、電流閾値判定回路１２４の出力は「Ｌ」レベルとなる。また、電流信号（３）（ＢＰＦ１１９の出力）の全波整流後の信号は閾値以上になり、電流閾値判定回路１２５の出力は「Ｈ」レベルとなる。

従って、オアゲート１２６の出力は「Ｈ」レベル、アンドゲート１２７の出力は「Ｌ」レベルとなる。ここで、タイマ回路１２８とタイマ回路１３０とでは、タイマ回路１２８の時限の方が短く、先に「Ｈ」レベルの信号が出力されるため、判定出力部１３１はこの「Ｈ」レベルの信号に基づいて並列アーク５０２の発生を検出する。
その後、判定出力部１３１は断路開閉器１０２を開放すると共に、短絡開閉器１０３を短絡させてアーク故障点よりも低インピーダンスの電流経路を形成することにより、並列アーク５０２を消去して事故点を除去する制御を行う。

次に、図１４は、分岐系統５Ａ’において直流母線４と断路用開閉器１０２との間で一対の分岐線４１，４１が短絡し、並列アーク５０３が発生した場合を示している。
図１４において、符号ｄは、並列アーク５０３を通る太陽電池パネル１０４からの電流経路である。また、分岐系統５Ａ’にはダイオードが存在しないため、健全な分岐系統５Ｂ’から電流が流入して並列アーク５０３を通る電流経路ｆが形成されることになり、ＰＣＳ２は動作を停止する。

図１４の並列アーク５０３が発生した場合の動作を、図５、図１５を参照しつつ説明する。このケースの動作は、図５における「故障形態（３）並列アーク故障（ａ）逆流防止ダイオード無しのシステム」に示すようになる。また、図１５では、時間０の時点で並列アーク５０３が発生している。

並列アーク５０３の発生により、分岐線４１の線間電圧はアーク電圧相当（数十[Ｖ]）まで低下するので、図１２に示した並列アーク５０２の発生時と同様に、電圧信号（１）（ＬＰＦ１１６の出力）は閾値未満になって電圧閾値判定回路１２１の出力は「Ｌ」レベルとなる。同時に、電圧信号（２）（ＬＰＦ１１７の出力）も閾値未満となり、電圧閾値判定回路１２２の出力は「Ｈ」レベルとなる。

変流器３０１には、図１２と異なって順方向の電流が流れ続ける。
これにより、直流成分である電流信号（１），（２）（ＬＰＦ１１８の出力）は閾値以上になるため、電流閾値判定回路１２３の出力は「Ｌ」レベルとなり、電流閾値判定回路１２４の出力は「Ｈ」レベルとなる。また、電流信号（３）（ＢＰＦ１１９の出力）の全波整流後の信号は閾値以上になり、電流閾値判定回路１２５の出力は「Ｈ」レベルとなる。

従って、オアゲート１２６の出力は「Ｌ」レベル、アンドゲート１２７の出力は「Ｈ」レベルとなる。ここで、タイマ回路１２９とタイマ回路１３０とでは、タイマ回路１２９の時限の方が短く、先に「Ｈ」レベルの信号が出力されるため、判定出力部１３１はこの「Ｈ」レベルの信号に基づいて並列アーク５０３の発生を検出し、断路開閉器１０２を開放して事故点を除去する制御を行う。
また、並列アーク５０３によって形成される分岐系統５Ａ’の電流経路ｄと分岐系統５Ｂ’の電流経路ｆとは電気的に等価であるから、分岐系統５Ｂ’の電流検出装置２０５、電圧検出装置２０６，２０７、判定回路２１１は分岐系統５Ａ’側と同じ動作となり、断路開閉器２０２を開放する。

なお、図２，図１１では、電流検出装置として変流器３０１を用いているが、図１６の第３実施形態に示すように、電流検出装置としてシャント抵抗３０２を用い、絶縁アンプ１３２を介してＬＰＦ１１８及びＢＰＦ１１９に接続しても良い。
更に、図２，図１１における変流器３０１や図１６のシャント抵抗３０２では、電流の直流成分及び交流成分を纏めて検出しているが、図１７の第４実施形態に示すように、２個の変流器３０１ａ，３０１ｂ（または、２個のシャント抵抗）にＬＰＦ１１８、ＢＰＦ１１９をそれぞれ接続して電流の直流成分と交流成分とを分離して検出しても良い。

本発明は、逆流防止ダイオードの有無に関わらず、分岐系統における直列アーク故障や並列アーク故障を検出して保護動作を行う場合に適用可能である。また、分岐系統が有する直流発電設備は太陽電池パネル以外の直流電源でも良く、言い換えれば、本発明は太陽光発電システムを始めとして各種の直流発電システム、直流電力供給システムに利用することができる。

１：交流電源系統
２：ＰＣＳ（パワーコンディショナ）
３：断路用開閉器
４：直流母線
５Ａ，５Ａ’，５Ｂ，５Ｂ’：分岐系統
４１，４２：分岐線
１０１，２０１：逆流防止ダイオード（逆流防止素子）
１０２，２０２：断路用開閉器
１０３，２０３：短絡用開閉器
１０４，２０４：太陽電池パネル（直流発電設備）
１０５，２０５：電流検出装置
１０６，１０７，２０６，２０７：電圧検出装置
１１１，２１１：判定回路
１１２，１１３：分圧器
１１４，１１５，１３２：絶縁アンプ
１１６，１１７，１１８：ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
１１９：バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）
１２０：整流回路
１２１，１２２：電圧閾値判定回路
１２３，１２４，１２５：電流閾値判定回路
１２６：オアゲート
１２７：アンドゲート
１２８〜１３０：タイマ回路
１３１：判定出力部
１３１ａ：状態表示回路
１３１ｂ：保護制御回路
３０１，３０１ａ，３０１ｂ：変流器（ＣＴ）
３０２：シャント抵抗
５０１：直列アーク
５０２，５０３：並列アーク
Ｐ：正側母線
Ｎ：負側母線

Claims (7)

1. 交流電源系統にパワーコンディショナを介して接続された直流母線に接続され、かつ、直流発電設備による発電電力を一対の分岐線を介して前記直流母線に供給する分岐系統におけるアーク故障検出装置において、
   一方の前記分岐線に流れる電流の直流成分及び交流成分を検出する電流検出手段と、
   一方の前記分岐線上の二点間の電圧を検出可能な第１の電圧検出手段と、
   前記一対の分岐線間の電圧を検出する第２の電圧検出手段と、
   前記電流検出手段により検出した電流の直流成分を所定の閾値と比較する直流成分用電流閾値判定手段と、
   前記電流検出手段により検出した電流の交流成分を所定の閾値と比較する交流成分用電流閾値判定手段と、
   前記第１の電圧検出手段により検出した電圧及び前記第２の電圧検出手段により検出した電圧を所定の閾値とそれぞれ比較する電圧閾値判定手段と、
   前記直流成分用電流閾値判定手段の出力及び前記電圧閾値判定手段の出力を組み合わせた論理演算結果と、前記交流成分用電流閾値判定手段による判定結果とに基づいて、前記分岐系統におけるアーク故障を判定する故障判定手段と、
   を備えたことを特徴とするアーク故障検出装置。
2. 請求項１に記載したアーク故障検出装置において、
   一方の前記分岐線には、前記直流母線から前記直流発電設備に向かう方向の直流電流を阻止するための逆流防止素子が接続され、
   前記第１の電圧検出手段は、前記逆流防止素子の両端電圧を検出することを特徴とするアーク故障検出装置。
3. 請求項１に記載したアーク故障検出装置において、
   一方の前記分岐線に、前記直流母線から前記直流発電設備に向かう方向の直流電流を阻止するための逆流防止素子が接続されていない時に、前記第１の電圧検出手段の入力端子間を短絡することを特徴とするアーク故障検出装置。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載したアーク故障検出装置において、
   前記故障判定手段は、
   前記交流成分用電流閾値判定手段による判定結果に基づいて、一方の前記分岐線で発生した直列アーク故障を判定することを特徴とするアーク故障検出装置。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載したアーク故障検出装置において、
   前記故障判定手段は、
   前記第１の電圧検出手段の出力を用いた前記電圧閾値判定手段による判定結果と前記直流成分用電流閾値判定手段による逆方向電流の判定結果との論理和、及び、前記第２の電圧検出手段の出力を用いた前記電圧閾値判定手段による判定結果と前記直流成分用電流閾値判定手段による順方向電流の判定結果との論理積に基づいて、前記一対の分岐線間で発生した並列アーク故障を判定することを特徴とするアーク故障検出装置。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載したアーク故障検出装置において、
   前記直流成分用電流閾値判定手段の出力及び前記電圧閾値判定手段の出力を組み合わせた論理演算結果に時限を設ける第１のタイマ手段と、前記交流成分用電流閾値判定手段による判定結果に時限を設ける第２のタイマ手段と、を更に備え、
   前記故障判定手段は、前記第１のタイマ手段及び前記第２のタイマ手段の出力に基づいて前記分岐系統におけるアーク故障を判定することを特徴とするアーク故障検出装置。
7. 請求項１〜６の何れか１項に記載したアーク故障検出装置において、
   前記パワーコンディショナと前記直流母線との間に接続された主幹系統用断路用開閉器と、前記分岐系統に接続された分岐系統用断路用開閉器と、を更に備え、
   前記故障判定手段は、アーク故障判定時に前記主幹系統用断路用開閉器または前記分岐系統用断路用開閉器を開放する機能を有することを特徴とするアーク故障検出装置。

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