JP2019021496A - 放電度数計および電流計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】漏れ電流からその１００倍程度の大きな電流迄を一つの指針の振れで視認できるワイドレンジ表示で低コストな放電度数計を提供する。【解決手段】実施形態の放電度数計は、非線形特性電流生成回路、駆動コイル、感度調整回路、電流計、目盛板を備える。非線形特性電流生成回路は避雷器の漏れ電流の範囲を超える電流の閾値を境に電圧−電流特性が変化するよう構成される。駆動コイルは雷撃電流の一部をエネルギーとして落雷の回数を計数する。感度調整回路は駆動コイルの落雷計数のための感度を鈍化させる。電流計は非線形電流回路に接続されており、避雷器から駆動コイルおよび非線形電流回路を通じて入力される電流に応じて指針を振らせる。目盛板は電流計の指針の振れに合わせて間隔を変えて目盛を付したものである。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、放電度数計および電流計測装置に関する。

近年、落雷の発生頻度が多くなっていることから落雷の回数を精度よく検出したいという要望がある。

従来の落雷検知システムは、避雷器とこの避雷器に接続された放電度数計とを備えており、送電線などの線路に落雷すると、その落雷のエネルギーは、線路に接続された避雷器から地面に放出されると共に、避雷器から放電度数計に供給されて落雷の回数がカウントされる仕組みになっている。

また、避雷器には、落雷発生時の大電流の他、通常の０．２〜０．３ｍＡ程度までの微少な漏れ電流が流れる。このため、放電度数計には、漏れ電流を計測するための電流計が設けられているものが多く、標準的な避雷器の電流測定レンジとしては例えば０〜２ｍＡ程度か０〜５ｍＡ程度の範囲とされる。

ところで、避雷器が接続されている線路にはノイズなどが突発的に発生し、漏れ電流以上の電流、例えば数１０ｍＡ以上の電流が一時的に流れることがあり、このようなノイズについても放電度数計は落雷としてカウントすることがあり、これでは落雷の発生回数が正しく測れない。

そこで、ユーザーからは、ノイズについても上記放電度数計で落雷として計数せずに、電流計の指針の振れで視認したいという要望がある。

しかしながら、漏れ電流を視認するための電流計で、ノイズなどの電流についても目視できる程度に測定レンジを広げる場合、限られた表示窓の範囲に０〜３０ｍＡまたは０〜５０ｍＡ程度までの間で指針が振れるような目盛板を作る必要があるが、この場合、目盛りを等間隔にすると、漏れ電流のような微弱な電流の値は最小の１目盛りの範囲にも現れなくなり、微小な電流の変化を目視で確認することが不可能になる。

特開平５−８９９３８号公報 特開２０１０−１５８７３号公報

すなわち、従来の放電度数計は、電流表示機能があるものの標準的な避雷器の漏れ電流（０．２、０．３ｍＡ程度の微小な電流）と上限が３０ｍＡや５０ｍＡといった大きな電流を同時に測定するには目盛が粗くなり過ぎて微小な電流の値を正しく視認することができない。またワイドレンジな放電度数計を新たに設計する場合、計測回路を収容する容器の気密性などを考慮し計器全体を再設計する必要があり設計コストがかかるという問題もある。

本発明が解決しようとする課題は、漏れ電流からその１００倍程度の大きな電流迄を一つの指針の振れで視認することができるワイドレンジ表示で低コストな放電度数計および電流計測装置を提供することにある。

実施形態の放電度数計は、避雷器から入力される雷撃電流および漏れ電流から落雷の回数を計数する放電度数計であり、避雷素子、非線形特性電流生成回路、駆動コイル、感度調整回路、電流計、目盛板を備える。避雷素子は避雷器からの雷撃電流を大地へ逃がす。非線形特性電流生成回路は漏れ電流の範囲を超える電流の閾値を境に電圧−電流特性が変化するよう構成される。駆動コイルは雷撃電流の一部をエネルギーとして落雷の回数を計数する。感度調整回路は駆動コイルの落雷計数のための感度を鈍化させる。電流計は非線形電流回路に接続されており、避雷器から駆動コイルおよび非線形電流回路を通じて入力される電流に応じて指針を振らせる。目盛板は電流計に設けられており、電流計の指針の振れに合わせて間隔を変えて目盛を付したものである。

実施形態の落雷検知システムの概要構成を示す図である。 落雷検知システムにおける放電度数計の側面図である。 放電度数計の表示パネルを示す図である。 放電度数計の回路構成の第１実施形態を示す図である。 一般的な電流計の電圧−電流特性を示す図である。 実施形態の放電度数計の電圧−電流特性のイメージ図である。 シミュレーションした電圧−電流特性を示す図である。 放電度数計の他の回路構成例（第２実施形態）を示す図である。 放電度数計の他の回路構成例（第３実施形態）を示す図である。

以下、図面を参照して、実施形態を詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は第１実施形態の落雷検知システムを示す図である。
図１に示すように、第１実施形態の落雷検知システムは、交流送電を行う電線などの送配電系統（線路）に接続された避雷器１とこの避雷器１に接続された放電度数計２とを備える。避雷器１は線路端子３、接地端子４を有する。線路端子３は送配電系統に接続されている。接地端子４は地面（大地）に接地されている。

避雷器１は、酸化亜鉛を主成分とする避雷素子を碍管などの絶縁容器に格納したものである。避雷器１は、通常は絶縁体であり、落雷などの高電圧（異常電圧）が印加されたときに導体となり、異常電圧を大地に放電させる。

放電度数計２は、避雷器１の接地端子４に接続および固定された中継端子５と、地面に接地された接地端子６とを有する。中継端子５は避雷器１を通じた電流（漏れ電流および雷撃電流の一部など）を放電度数計２に流す。接地端子６は放電度数計２を通じた電流を地面（大地）に流す。

図２に示すように、放電度数計２の正面部には、カウンタ７、電流計８などを備えた表示パネル９が設けられている。電流計８は例えば可動コイル型などであり、永久磁石、コイルなどの内部回路（図示せず）と、目盛板１０および指針１１を有する。指針１１は電流が流れたコイルの動きに応じて支点を中心に弧を描くように動作する。

このように電流計８は避雷器１から入力される雷撃以外の電流（漏れ電流、ノイズなど）をコイルに流し、コイルに流れる電流に応じて指針１１を振らせる。

図３に示すように、目盛板１０には、例えばｍＡなどの単位１２と目盛１３、補助目盛１３ａなどが印字または刻印などにより設けられている。目盛り１３の間隔は等間隔ではなく、図６に示す電圧−電流特性（非線形特性）に対応する間隔とされている。補助目盛１３ａは４ｍＡ以下の目盛１３の間隔をさらに細分するように設けられている。つまり目盛板１０は電流計８の指針の振れに合わせて間隔を変えて目盛を付したものである。

図６に示す電圧−電流特性では、電圧が０〜４Ｖ弱程度までは電流値もほぼ１対１の割合で０〜４ｍＡへ第１の傾斜角度で直線的に変化し、電圧が４Ｖ〜６Ｖの範囲は、電流値の変化の割合が増大し、１対５程度の第２の傾斜角度で５ｍＡ〜１４ｍＡへ直線的に変化する。なおこの例では目盛板１０を実効値表示としたが波高値表示としてもよい。

図４に示すように、放電度数計２は、避雷器１から雷撃電流を大地へ逃がす避雷素子１９と、この避雷素子１９と並列に接続された雷撃計数および検流回路２０とを有する。

雷撃計数および検流回路２０は、避雷器１を通じた電流のうち避雷素子１９に流れた雷撃電流の一部の電流や避雷器１から常に流れる微少な漏れ電流などを取り込み、漏れ電流を検流すると共に落雷などの異常電流を検出した場合に落雷回数を計数（カウント）する。

放電度数計２は、端子Ｐ１−端子Ｐ８間に接続された低抵抗酸化亜鉛素子ＺｎＯなどの避雷素子１９と、端子Ｐ１に接続された端子Ｐ２−端子Ｐ４間に接続されたコンデンサＣと、このコンデンサＣに抵抗素子Ｒ０を介して接続された駆動コイルＴと、端子Ｐ３−端子Ｐ４間に駆動コイルＴと並列に接続されたコンデンサＣ１と、端子Ｐ４−端子Ｐ８間に接続された保護ギャップＧと、端子Ｐ４と端子Ｐ６間に接続された非線形特性電流生成回路２２と、この非線形特性電流生成回路２２に接続された電流計８とを有する。この図４に示した回路のうち避雷素子１９を除いた回路が雷撃計数および検流回路２０である。

非線形特性電流生成回路２２は、避雷器１の通常の漏れ電流（０．２ｍＡ、０．３ｍＡ程度）の範囲を超える所定の電流値（例えば４ｍＡか５ｍＡ付近）を境に電圧−電流特性（図６参照）が変化するよう構成された回路である。つまり非線形特性電流生成回路２２は、漏れ電流の範囲を超える所定の閾値を境に電流の特性が変化する非線形特性の電流を生成するよう構成されている。

具体的には、非線形特性電流生成回路２２は、端子Ｐ４−端子Ｐ５間に接続された抵抗素子Ｒ１と、端子Ｐ５−端子Ｐ６間に接続されたツェナーダイオードＺＤと、端子Ｐ５と電流計８との間に接続された抵抗素子Ｒ２、Ｒ３と、これら抵抗素子Ｒ２と抵抗素子Ｒ３の間の端子Ｐ７と端子Ｐ６間に接続された逆並列接続型のダイオード群Ｄとを有する。

保護ギャップＧは端子Ｐ４−端子Ｐ８間に接続した電流計８などを保護するためのギャップ（放電素子）である。

ツェナーダイオードＺＤはツェナー電圧以上（一定電圧以上）の電流を電流計８に流さないようパイパスするものであり、過大な電流から電流計８を保護するためのものである。つまりツェナーダイオードＺＤは、電流計８に過大な電流が流れて破損しないように保護する目的で使用している。

電流計８は避雷器１から駆動コイルＴおよび非線形電流回路２２を通じて入力される電流に応じて指針を振らせる。つまり電流計８は避雷器１から放電度数計２に流れる漏れ電流やノイズなどの電流に応じて指針１１を振らせるアナログタイプの電流計である。

コンデンサＣは避雷素子１９に流れた雷撃のエネルギーの一部を蓄え、蓄えた一部のエネルギーを、抵抗素子Ｒ０を通じて駆動コイルＴとコンデンサＣ１に供給する。

駆動コイルＴはコンデンサＣから供給されるエネルギーによりカウンタ７を動作させて雷撃（落雷）の回数を計数（カウント）するためのものである。

抵抗素子Ｒ０とコンデンサＣ１とで感度調整回路２１が構成されている。感度調整回路２１は駆動コイルＴの落雷計数のための感度を鈍化させる回路である。この回路の抵抗素子Ｒ０とコンデンサＣ１の定数を変えることで、駆動コイルＴの感度を可変（調整）できる。つまり感度調整回路２１は落雷カウントアップ時の感度調整用の回路である。

この例では、避雷器１の漏れ電流の１００倍以上の電流（例えば１００Ａ以上の電流）で駆動コイルＴが計数動作を行うよう抵抗素子Ｒ０とコンデンサＣ１の定数を設定している。この例では、抵抗素子Ｒ０の定数を例えば５．１ＫΩとしている。なお抵抗素子Ｒ０の定数は５ＫΩ〜１０ＫΩの範囲で適用することがよい。

コンデンサＣ１は落雷発生時にコンデンサＣから供給されるエネルギーの一部を蓄電することで駆動コイルＴに供給されるエネルギーを少なくし駆動コイルＴの感度を調整する。

通常、駆動コイルＴは、数１０ｍＡ程度の交流電流で動作してしまうため、コンデンサＣ１はインピーダンスを変えて５０ｍＡ程度の電流では駆動コイルＴが動作しないように動作感度を下げる（感度調整する）ためのものである。

すなわち駆動コイルＴに並列に接続されたコンデンサＣ１と、コンデンサＣと駆動コイルＴ間に接続された抵抗素子Ｒ０は、コンデンサＣから駆動コイルＴへのエネルギーの一部を吸収することで駆動コイルＴの感度を低下させる感度調整用の素子である。

抵抗素子Ｒ２と抵抗素子Ｒ３は、電流を、電流計８とダイオード群Ｄに分流する抵抗である。

逆並列接続型のダイオード群Ｄとは接続方向の異なる２つのダイオード群を並列に接続したものである。この例は交流電流（時間によって位相が反転する特徴を持つ電流）回路に適用しているため、２つのダイオード群を逆方向に並列に接続した逆並列接続の形態を採用している。

この例では、複数のダイオードを接続したダイオード群Ｄとしたが、この他、外部から制御可能なトランジスタ群などのスイッチング素子群を用いてもよい。この場合、外部からの制御により非線形特性となるポイントの点Ｑ（図６参照）を可変することができる。

つまりこの逆並列接続型のダイオード群Ｄは、交流電流で電流の極性が反転したときにも一定方向の電流を電流計８へ流し電流計８の指針１１を目盛板１０の目盛１３の方向に振らせるためのものである。

避雷素子１９は雷撃による避雷器１からの大電流の大部分をバイパスして地面（大地）に流す保護回路として機能する。避雷素子１９は避雷器１の避雷素子と同等の性能を有する。

以下、この落雷検知システムの作用・効果を説明する。
ダイオード群Ｄがない場合、抵抗Ｒ３と電流計８に流れる電流をＩ０、端子Ｐ７の電圧をＶ０とすると、図５に示すような直線的な電流−電圧特性となり、傾きをＺ０とすると、Ｖ０＝Ｉ０×Ｚ０となる。

一方、本実施形態のように電流計８にダイオード群Ｄを接続した場合、図６に示すようにダイオード群Ｄの各ダイオードのオン電圧（図６の点Ｑ）付近から、それまで抵抗素子Ｒ３と電流計８にだけ流れていた電流が抵抗素子Ｒ２を通じて分流し、ダイオード群Ｄにも流れ込むようになる。

このときの抵抗素子Ｒ３と電流計８に流れる電流をＩ０´、ダイオード群ＤのインピーダンスをＺ１、ダイオード群Ｄに流れ込む電流をＩ１、端子Ｐ５の電圧をＶ１とすると、Ｖ１＝Ｉ１×Ｚ１＝Ｉ０´×Ｚ０となる。

図６は説明のためのイメージ図であるが、実際には図７に示すような非直線的な電流−電圧特性となる。

この実施形態では、ダイオード群Ｄに、１．２Ｖ程度のＯＮ電圧のダイオードを使用している。この場合、抵抗素子Ｒ２に３０Ω、抵抗素子Ｒ３に概ねその３倍の抵抗値（１００Ω程度）のものを利用している。

これにより、実際の電流計８には、図７に示すような非線形特性に従った電流が流れるようになるため、この特性に合わせて電流計８の目盛板１０を、図３に示すように、目盛１３の間隔が異なる目盛板１０に変更している。目盛１３の間隔は、上記特性と共に使用部品の個体差を十分に考慮し、実測に合せて印字位置を細かく調整するものとする。

この実施形態では、新たに導入する部品（コンデンサＣ１、ダイオード群Ｄ、抵抗素子Ｒ２、Ｒ３など）の値や目盛１３の間隔を調整し、電流値の範囲が０−３ｍＡ間のレンジでは細かな補助目盛１３ａを設けて読み取り精度を上げて、３ｍＡ−５０ｍＡ間のレンジでの目盛１３は間引いて配置したが、この例以外にも別の要求性能に合わせて部品の値や目盛間隔を調整することで、高精度の読み取りと間引いた読み取りに変更することも可能である。

このようにこの実施形態の落雷検知システムによれば、既存の放電度数計の回路の一部に、新たな部品（部品定数を調整したコンデンサＣ１、抵抗素子Ｒ３、ダイオード群Ｄなど）を増設しまた電流計８の目盛板１０を交換することで、例えば０．２ｍＡ、０．３ｍＡ程度の漏れ電流からその１００倍程度の大きな電流（３０ｍＡまたは５０ｍＡ程度）までを一つの指針１１の振れで視認することができるワイドレンジ表示で低コストな放電度数計２を提供することができる。表示レンジとしては、例えば１０ｍＡ−１００ｍＡ程度でも可能である。

また、既存の放電度数計（既存品）をベースとした構造のため、放電度数計２の気密容器、回路部品を流用できるので、製造コストを低く抑え、製品としての放電度数計２を安価に提供することができる。

また、電流計８についても既存品をベースとし、目盛板１０に圧縮目盛（間隔を変化させた目盛１３：図３参照）を採用し、また３ｍＡ以下のレンジには目盛１３の間隔をさらに細分する形の補助目盛１３ａを設けることで、通常測定する範囲の電流（漏れ電流）を正確に読み取ることができ、かつ５０ｍＡ程度の大きな電流についても同じ表示パネル９で指針１１の振れを見ながら電流の変化を目視で確認することができる。

上記実施形態では、放電度数計２を例にして説明したが、本実施形態は、放電度数をカウンタする機能の無い電流計、つまり電流表示装置単体にも適用できる。

また上記実施形態では、交流放電度数計について説明したが、図８に示すように、直流送電線路３０に接続される直流放電度数計３１にも適用できる。

この場合、駆動コイルＴに並列にコンデンサＣ１を接続すると共に、直流電流計４７の前段のフィルタ回路Ｆ（コンデンサ４１、４３、抵抗素子Ｒ２、ダイオード４４、４５などから構成される）に、直列接続型のダイオード群Ｄ１とツェナーダイオードＺＤ１を接続する。この例は直流回路のためダイオード群Ｄ１とツェナーダイオードＺＤ１は一方向のみのものを使用する。

また直流電流計４７の目盛板は、図３に示した目盛板１０を用いるものとする。符号３３はダイオードブリッジ、符号１９、３９は低抵抗ＺｎＯ素子、符号４８は付磁コイルである。

このようこの例によれば、直流送電線路３０に接続される直流放電度数計３１の直流電流計４７に、コンデンサＣ１、ダイオード群Ｄ１、ツェナーダイオードＺＤ１などの部品を追加することで、直流回路用避雷器の漏れ電流をワイドレンジで監視することができ、落雷検知システムを直流電線路用として提供することができる。

また、図９に示すように、図１に示した放電度数計２の駆動コイルＴ（カウントアップコイル）にリレーコイル５１を介して警報用リレー５２を接続し、この警報用リレー５２の接点５３を放電度数計２のケース５０に設けることで、放電度数計２を継電器に接続し、避雷器動作時の接点信号を放電度数計２から継電器へ出力することができるようになる。

上記実施形態では、電流計８を内蔵した放電度数計２について説明したが、放電度数計２と電流計８を分離してもよい。すなわち避雷器１からの雷撃電流を大地へ逃がすための避雷素子１９を有し雷撃の回数を計数し、雷撃以外の避雷器１からの漏れ電流を出力する放電度数計に電流計測装置を接続してもよい。

この場合、避雷器１からの雷撃電流を大地へ逃がす避雷素子１９と、雷撃の回数を計数する機能は、図４の回路（コンデンサＣ、Ｃ１、抵抗素子Ｒ０、駆動コイルＴなど）を利用し、雷撃以外の避雷器１からの漏れ電流を外部へ出力するポートを設けるものとする。

電流計測装置には、非線形特性電流生成回路２２と、この非線形特性電流生成回路２２に接続された電流計８（図４参照）と、この電流計８の指針の振れに合わせて目盛１３を付した目盛板１０（図３参照）とを備える。

非線形特性電流生成回路２２は、漏れ電流の範囲を超える電流の閾値（５ｍＡ付近）を境に電圧−電流特性（図６参照）が変化するよう構成されている。電流計８は放電度数計から非線形特性電流生成回路２２を通じて入力される漏れ電流を計測する。

また、避雷器１に、雷撃以外の電流（漏れ電流）を出力するポートを設け、このポートに電流計測装置を接続し、避雷器１から入力される漏れ電流を電流計測装置が計測するようにしてもよい。

この場合、電流計測装置には、非線形特性電流生成回路２２と、この非線形特性電流生成回路２２に接続された電流計８、この電流計８に設けられた目盛板１０を備えるものとする。

非線形特性電流生成回路２２は、漏れ電流の範囲を超える電流の閾値（５ｍＡ付近）を境に電圧−電流特性が変化するよう構成する。電流計８は雷撃以外に避雷器１から入力される避雷器１の電流を計測し、計測した電流に応じて指針を振らせる。目盛板１０は電流計８の指針の振れに合わせて目盛１３を付したものとする。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…避雷器、２…放電度数計、３…線路端子、４…接地端子、５…中継端子、６…接地端子、７…カウンタ、８…電流計、９…表示パネル、１０…目盛板、１１…指針、１３…目盛、１３ａ…補助目盛、１９…避雷素子、２０…雷撃計数および検流回路、２１…感度調整回路、２２…非線形特性電流生成回路、３０…直流送電線路、３１…直流放電度数計、４１…コンデンサ、４４、４５…ダイオード、４７…直流電流計、４８…付磁コイル、５０…ケース、５１…リレーコイル、５２…警報用リレー、５３…接点、Ｃ…、Ｃ１…コンデンサ、Ｄ、Ｄ１…ダイオード群、Ｆ…フィルタ回路、Ｇ…保護ギャップ、Ｐ１−Ｐ８…端子、Ｒ０、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３…抵抗素子、Ｔ…駆動コイル、ＺＤ、ＺＤ１…ツェナーダイオード、ＺｎＯ…低抵抗酸化亜鉛素子。

Claims (5)

1. 避雷器から入力される雷撃電流および漏れ電流から落雷の回数を計数する放電度数計において、
   前記避雷器からの雷撃電流を大地へ逃がす避雷素子と、
   前記雷撃電流の一部をエネルギーとして落雷の回数を計数する駆動コイルと、
   前記駆動コイルの落雷計数のための感度を鈍化させる感度調整回路と、
   前記漏れ電流の範囲を超える所定の閾値を境に電流の特性が変化する非線形特性の電流を生成するよう構成された非線形特性電流生成回路と、
   前記非線形電流回路に接続され、前記避雷器から前記駆動コイルおよび前記非線形電流回路を通じて入力される電流に応じて指針を振らせる電流計と、
   前記電流計に設けられ、前記電流計の指針の振れに合わせて間隔を変えて目盛を付した目盛板と
   を具備する放電度数計。
2. 前記感度調整回路は、
   前記避雷器の漏れ電流の１００倍以上の雷撃電流で前記駆動コイルＴが計数動作を行うよう感度調整した請求項１記載の放電度数計。
3. 前記駆動コイルにリレーコイルを介して接続された外部出力用の接点をさらに具備する請求項１または請求項２いずれか記載の放電度数計。
4. 前記非線形特性電流生成回路が、
   前記避雷器から前記駆動コイルを通じて流入する電流のうち、一定以上の電流を前記電流計に流さないよう前記接地端へパイパスするツェナーダイオードと、
   ある閾値を境に電流の特性が変化する非線形特性の電流を前記電流計に一方向に流すスイッチング素子群と
   を有する請求項１乃至請求項３いずれか１項に記載の放電度数計。
5. 避雷器または避雷器に接続された放電度数計から入力される雷撃以外の電流を計測する電流計測装置において、
   入力される電流のうち前記避雷器からの漏れ電流の範囲を超える電流の閾値を境に電圧−電流特性が変化するよう構成された非線形特性電流生成回路と、
   前記非線形電流回路に接続され、前記避雷器から前記非線形電流回路を通じて入力される電流に応じて指針を振らせる電流計と、
   前記電流計の指針の振れに合わせて間隔を変えて目盛を付した目盛板と
   を具備する電流計測装置。

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