JP5411581B2 - 電流分配装置 - Google Patents

Description

本発明は、電流を分岐し、分岐された電流を複数の負荷装置へ供給する電流分配装置に関する。

電流分配装置は、商用電源の交流電流を直流電流に変換する整流装置から出力された直流電流を分岐し、分岐された直流電流を複数の負荷装置へ供給する装置である。なお、以降、単に電流といった場合は直流電流のことを指す。

図５は、電流分配装置を含む給電システムの構成の一例を示すブロック図である。

図５に示す給電システムは、商用電源５０と、整流装置５１と、電流分配装置６０と、給電ケーブル８０−１，８０−２によって電流分配装置６０と接続された負荷装置である通信装置７０−１，７０−２とを備えている。

整流装置５１は、商用電源５０の交流電流を直流電流に変換して電流分配装置６０へ出力する。

電流分配装置６０は、整流装置５１から出力された電流を分岐し、給電ケーブル８０−１，８０−２のそれぞれを介して通信装置７０−１，７０−２のそれぞれへ分岐された電流を供給する。電流分配装置６０は、電流分配装置内コンデンサ６１と、系統保護用ヒューズ６２−１，６２−２とを備えている。

通信装置７０−１，７０−２のそれぞれは、入力コンデンサ７１−１，７１−２と、通信装置７０−１，７０−２のそれぞれの機能を実装した通信装置ユニット７２−１，７２−２とを備えている。

図５に示す給電システムにおいて、電流分配装置６０によって分岐された電流は、電流分配装置６０の系統保護用ヒューズ６２−１，６２−２を経て、通信装置７０−１，７０−２へ供給される。通信装置７０−１，７０−２では、入力コンデンサ７１−１，７１−２を充電しながら通信装置ユニット７２−１，７２−２に電流が送られる。

図６は、図５に示した給電システムの通信装置ユニット７２−１に短絡事故が発生した場合の様子を説明するための図である。

通信装置ユニット７２−１に短絡事故が発生した場合、電流分配装置内コンデンサ６１と、整流装置５１と、通信装置７０−１の入力コンデンサ７１−１とから通信装置ユニット７２−１へ短絡電流が流れる。この短絡電流によって系統保護用ヒューズ６２−１が溶断する。これにより、通信装置７０−１への給電系統が給電システムから切り離され、短絡事故の影響から給電システムが保護される。

しかし、系統保護用ヒューズ６２−１が溶断してから、短絡事故が発生した給電系統を切り離すまでの過渡的な状態下では、溶断した系統保護用ヒューズ６２−１の両端の電圧が大きく変動する。

図７は、図５及び図６に示した通信装置ユニット７２−１に短絡事故が発生した際の電流及び電圧の一例を示す図であり、（ａ）は系統保護用ヒューズ６２−１に流れる短絡電流の一例を示す図、（ｂ）は系統保護用ヒューズ６２−１の両端の電圧の変動の一例を示す図である。

図７においてΔｔ₁は溶断時間を示し、Δｔ₂はアーク時間を示している。系統保護用ヒューズ６２−１に短絡電流が流れると、系統保護用ヒューズ６２−１内のヒューズ金属エレメント（不図示）が発熱する。そして、温度がそのヒューズ金属エレメントの融点に達すると、ヒューズ金属エレメントが溶断する。これを、エネルギー量から見ると、系統保護用ヒューズ６２−１に流れる電流Ｉの２乗に比例したエネルギー量（ジュール熱）が、系統保護用ヒューズ６２−１が溶断する溶断エネルギー量Ｑ_F（一般的に「溶断Ｉ²ｔ」と呼ばれる）以上の値となった際に、系統保護用ヒューズ６２−１が溶断する。ここまでの時間が溶断時間（Δｔ₁）である。なお、溶断エネルギー量Ｑ_Fは系統保護用ヒューズ６２−１に固有の値である。

その後、アークが発生し、アークエネルギーが周囲に放散してアークが消え、系統保護用ヒューズ６２−１の両端は電気的に開放された状態となる。溶断時間の終了後からここまでの時間がアーク時間（Δｔ₂）である。短絡事故が発生した給電系統は、アーク時間の終了後に給電システムから切り離される。

ここで、図７（ｂ）に示すように、系統保護用ヒューズ６２−１が溶断した直後（時間Δｔ₁の直後）に、系統保護用ヒューズ６２−１の両端の電圧がスパイク状に変動している。つまり、系統保護用ヒューズ６２−１が溶断してから短絡事故が発生した給電系統を切り離すまでの過渡的な状態下において、系統保護用ヒューズ６２−１の両端の電圧が大きく変動している。この電圧の変動は、給電回路の素子パラメータ（インピーダンス特性）に応じて発生する。以降、この電圧の変動のことを過渡的電圧変動という。なお、スパイク状とは、ピークに達するまでの形状が急峻で階段状や放物線状ではない形状のことをいう。

この過渡的電圧変動の大きさは、系統保護用ヒューズ６２−１の挙動に依存する。短絡電流は、系統保護用ヒューズ６２−１が溶断するまで給電ケーブル８０−１に流れ続け、系統保護用ヒューズ６２−１が溶断した後のアーク時間に入ると急激に減少する。このとき、短絡電流の電流値が減少する傾き（単位時間あたりの電圧降下）が急激であればあるほど、電流分配装置６０内の接続点Ａ（図５及び図６参照）における過渡的電圧変動が大きくなる。また同様に、接続点Ｂの過渡的電圧変動も大きくなる。この過渡的電圧変動は、電流分配装置６０に接続されている通信装置７０−２にも伝搬する。

図８は、図５及び図６に示した通信装置ユニット７２−１に短絡事故が発生した際の電流値及び電圧値の一例を示す図であり、（ａ）は系統保護用ヒューズ６２−１に流れる短絡電流の一例を示す図、（ｂ）は通信装置７０−２の入力端点Ｘに伝搬した過渡的電圧変動の一例を示す図である。なお、上述したようにここでは、通信装置７０−２に短絡事故は発生していない。

図８（ｂ）に示すように、短絡電流の電流値の急激な減少に伴う過渡的電圧変動が、電流分配装置６０を介して通信装置７０−２の入力端点Ｘにまで伝搬している。

この場合、通信装置７０−２の入力端点Ｘへ伝搬する過渡的電圧変動が通信装置７０−２の許容する許容電圧範囲よりも大きいと、通信装置７０−２の停止や破壊を引き起こす可能性がある。

また、非特許文献１に記載されているように、一般的に過渡的電圧変動のピーク値が高くなれば、短絡電流を遮断することが難しくなる。この場合、短絡電流を遮断する際にアークが切れないと、アークによる高温の発熱により、系統保護用ヒューズの破裂や火災等の重大な事故につながる可能性もある。

ここで、短絡事故が発生していない給電系統に短絡事故の影響が及ぶのを回避するための技術が例えば、特許文献１や特許文献２に開示されている。

特許文献１に開示されている技術は、給電系統にダイオードを挿入することにより、短絡事故が発生した際、短絡事故が発生していない給電系統に流れる過電流を遮断するというものである。

特開２００７−３２５４１３号公報 特開昭５０−１３３５４３号公報

A. Wright and P. G. Newvery "Electric fuses, 3rd edition," The institution of electrical engineers, pp. 41-56, 2004.

特許文献１に開示されている技術では、上述したような過渡的電圧変動を考慮しておらず、短絡事故が発生していない給電系統に短絡事故の影響が及ぶのを回避するのには十分ではない。

そこで、過渡的電圧変動の伝搬を抑制する方法として、電流分配装置や負荷装置の入力端点に大容量のコンデンサを搭載する方法がある。

しかし、この方法では、コンデンサの容量の確定が難しいうえに、大容量のコンデンサを搭載することによって電流分配装置や負荷装置が大型化するという問題点がある。

本発明は、大容量のコンデンサを搭載することなく、短絡事故が発生していない給電系統に短絡事故の影響が及ぶのを回避することができる電流分配装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、
複数の負荷装置のそれぞれに対応して接続された複数の給電系統を具備し、外部から供給された電流を分岐し、当該分岐した電流を前記複数の給電系統のそれぞれを介して前記複数の負荷装置のそれぞれへ供給する電流分配装置であって、
前記複数の給電系統のそれぞれは、
当該給電系統に流れる電流と該電流が流れた時間とに応じて発生するエネルギー量が、所定の溶断エネルギー量に達すると溶断するヒューズと、
当該給電系統に流れる電流が増加していく場合、前記エネルギー量が前記所定の溶断エネルギー量に達していない状態において、前記電流の増加を抑制する電圧変動抑制部と、を有し、
前記電圧変動抑制部は第１および第２の可変抵抗素子から成り、
前記複数の給電系統のそれぞれにおいて、前記ヒューズの両端に設けられた電極のうち、一方の電極に前記第１の可変抵抗素子が組み込まれ、他方の電極に前記第２の可変抵抗素子が組み込まれている。

本発明によれば、電流分配装置は、複数の負荷装置のそれぞれに対応して接続された複数の給電系統を具備し、外部から供給された電流を分岐し、分岐した電流を複数の給電系統のそれぞれを介して複数の負荷装置のそれぞれへ供給する。複数の給電系統のそれぞれは、給電系統に流れる電流と電流が流れた時間とに応じて発生するエネルギー量が、所定の溶断エネルギー量に達すると溶断するヒューズと、給電系統に流れる電流が増加していく場合、エネルギー量が所定の溶断エネルギー量に達していない状態において、電流の増加を抑制する電圧変動抑制部とを有する。

これにより、ヒューズが溶断した際に短絡電流の電流値が減少する傾きが緩やかとなり、過渡的電圧変動の大きさが抑制され、短絡事故が発生していない給電系統へ過電圧変動が伝搬しにくくなる。

そのため、大容量のコンデンサを搭載することなく、短絡事故が発生していない給電系統に短絡事故の影響が及ぶのを回避することができる。

本発明の電流分配装置を適用した給電システムの実施の一形態の構成を示すブロック図である。 図１に示した可変抵抗素子として利用することができるＰＴＣサーミスタの抵抗値と温度との関係を示す図である。 可変抵抗素子（ＰＴＣサーミスタ）を系統保護用ヒューズに組み込んで一体化した場合の構成の一例を示す図である。 系統保護用ヒューズへの可変抵抗素子（ＰＴＣサーミスタ）の装着と、系統保護用ヒューズからの可変抵抗素子（ＰＴＣサーミスタ）の脱着とを可能な構成とした場合の一例を示す図である。 電流分配装置を含む給電システムの構成の一例を示すブロック図である。 図５に示した給電システムの通信装置ユニットに短絡事故が発生した場合の様子を説明するための図である。 図５及び図６に示した通信装置ユニットに短絡事故が発生した際の電流及び電圧の一例を示す図であり、（ａ）は系統保護用ヒューズに流れる短絡電流の一例を示す図、（ｂ）は系統保護用ヒューズの両端の電圧の変動の一例を示す図である。 図５及び図６に示した通信装置ユニットに短絡事故が発生した際の電流値及び電圧値の一例を示す図であり、（ａ）は系統保護用ヒューズに流れる短絡電流の一例を示す図、（ｂ）は通信装置の入力端点に伝搬した過渡的電圧変動の一例を示す図である。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の電流分配装置を適用した給電システムの実施の一形態の構成を示すブロック図である。

本実施形態の給電システムは、商用電源１０と、整流装置１１と、電流分配装置２０と、給電ケーブル４０−１，４０−２によって電流分配装置２０と接続された通信装置３０−１，３０−２とを備えている。なお、ここでは電流分配装置２０から電流が供給される負荷装置の一例として通信装置を挙げているが、負荷装置は通信装置に限定されない。また、負荷装置の数は２台に限定されない。

通信装置３０−１，３０−２のそれぞれは、入力コンデンサ３１−１，３１−２と、通信装置３０−１，３０−２のそれぞれの機能を実装した通信装置ユニット３２−１，３２−２とを備えている。

整流装置１１は、商用電源１０の交流電流を直流電流に変換して電流分配装置２０へ出力する。

電流分配装置２０は、整流装置１１から出力された電流を分岐し、給電ケーブル４０−１，４０−２のそれぞれを介して通信装置３０−１，３０−２のそれぞれへ分岐された電流を供給する。電流分配装置２０は、電流分配装置内コンデンサ２１と、系統保護用ヒューズ２２−１，２２−２と、電圧変動抑制部である可変抵抗素子２３−１，２３−２とを備えている。

電流分配装置２０によって分岐された電流は、電流分配装置２０の系統保護用ヒューズ２２−１，２２−２及び可変抵抗素子２３−１，２３−２を経て、通信装置３０−１，３０−２へ供給される。通信装置３０−１，３０−２では、入力コンデンサ３１−１，３１−２を充電しながら通信装置ユニット３２−１，３２−２に電流が送られる。

ここで、本実施形態において電流分配装置２０では、それぞれの給電系統において系統保護用ヒューズと可変抵抗素子とが直列に接続されている。具体的には、系統保護用ヒューズ２２−１と可変抵抗素子２３−１とが直列に接続され、系統保護用ヒューズ２２−２と可変抵抗素子２３−２とが直列に接続されている。

以下に、図１に示した通信装置ユニット３２−１に短絡事故が発生した場合を一例として可変抵抗素子２３−１の動作について説明する。なお、図１に示した通信装置ユニット３２−２に短絡事故が発生した場合の可変抵抗素子２３−２の動作も同様である。

通信装置ユニット３２−１に短絡事故が発生した場合、系統保護用ヒューズ２２−１と可変抵抗素子２３−１とが接続された給電系統に短絡電流が流れる。このとき、可変抵抗素子２３−１は、この短絡電流に応じて抵抗値を過渡的に大きくする。

具体的には、可変抵抗素子２３−１は、可変抵抗素子２３−１を流れる短絡電流によるエネルギー量が所定のエネルギー量Ｑ_Rとなった場合に、抵抗値が大きくなるように設定される。この所定のエネルギー量Ｑ_Rは、系統保護用ヒューズ２２−１が溶断する溶断エネルギー量Ｑ_Fよりも小さな値である。この場合、系統保護用ヒューズ２２−１が溶断する直前に可変抵抗素子２３−１の抵抗値が大きくなり、系統保護用ヒューズ２２−１を流れる短絡電流の増加が抑制される。

これにより、系統保護用ヒューズ２２−１が溶断した際に短絡電流の電流値が減少する傾きが緩やかとなり、系統保護用ヒューズ２２−１が溶断した直後に発生するスパイク状の過渡的電圧変動の大きさが抑制される。また、系統保護用ヒューズ２２−１が溶断した後のアーク時間においては、抵抗の限流効果によってアークを確実に消弧することができる。

可変抵抗素子２３−１，２３−２としては、例えばＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｔｈｅｒｍｉｓｔｅｒ）サーミスタ等が利用できる。

「H. Netz・A. Paul編,“工学技術の公式,”株式会社技術評論社, pp. 220, Oct., 2000．」に記載されているように、温度がＴ_yのときのＰＴＣサーミスタの抵抗値Ｒ_yは、以下に示す（１）式によって表すことができる。なお、（１）式において、Ｒ_yは温度Ｔ_yの時の抵抗値であり、Ｒ_xは温度Ｔ_xの時の抵抗値であり、ｋ_TRは材料の温度係数である。

Ｒ_y=Ｒ_x・ｅｘｐ(ｋ_TR・(Ｔ_y・Ｔ_x)) （１）
図２は、図１に示した可変抵抗素子２３−１，２３−２として利用することができるＰＴＣサーミスタの抵抗値と温度との関係を示す図である。

図２に示すようにＰＴＣサーミスタは、ＰＴＣサーミスタを流れる電流による自己発熱により、ＰＴＣサーミスタの温度がキュリー温度Ｔ_Cを超えると急激に抵抗値が増加する。なお、キュリー温度とは、物質が磁性を失う境界となる温度のことである。

また、図２に示すようにＰＴＣサーミスタは、通常の温度Ｔ₁においては低い抵抗値を維持する。通常の温度とは例えば２５℃程度である。

キュリー温度Ｔ_Cは、材料の組成によって５０℃〜１２０℃程度まで自在に設定することが可能であるため、給電システムの特性に合わせて設定することができる。

具体的には、上述した所定のエネルギー量Ｑ_Rから得られる温度の上昇により、ＰＴＣサーミスタの温度がキュリー温度Ｔ_C以上となるようにＰＴＣサーミスタを組成する。これにより、系統保護用ヒューズが溶断した際の過渡的電圧変動から、短絡事故が発生していない給電系統を保護する機能をＰＴＣサーミスタに担わせることができる。つまり、ＰＴＣサーミスタは、本実施形態に用いる可変抵抗素子２３−１，２３−２としての役割を十分に果たすことができる。

このように本実施形態において電流分配装置２０は、通信装置３０−１，３０−２のそれぞれに対応して接続された２つの給電系統を具備し、整流装置１１から出力された電流を分岐し、分岐した電流を２つの給電系統のそれぞれを介して通信装置３０−１，３０−２のそれぞれへ供給する。２つの給電系統のそれぞれは、給電系統に流れる電流と電流が流れた時間とに応じて発生するエネルギー量が、溶断エネルギー量Ｑ_Fに達すると溶断する系統保護用ヒューズ２２−１，２２−２と、給電系統に流れる電流が増加していく場合、エネルギー量が溶断エネルギー量Ｑ_Fに達していない状態において、電流の増加を抑制する可変抵抗素子２３−１，２３−２とを有する。

これにより、系統保護用ヒューズ２２−１，２２−２が溶断した際に短絡電流の電流値が減少する傾きが緩やかとなり、過渡的電圧変動の大きさが抑制され、短絡事故が発生していない給電系統へ過電圧変動が伝搬しにくくなる。

また、これは、系統保護用ヒューズ２２−１，２２−２に印加される電圧を分圧し、アーク時間中にかかるエネルギーを分散させることにもなる。

そのため、大容量のコンデンサを搭載することなく、短絡事故が発生していない給電系統に短絡事故の影響が及ぶのを回避することができる。

また、本実施形態において定格電圧の範囲は、可変抵抗素子２３−１，２３−２の耐圧に依存する。そのため、可変抵抗素子２３−１，２３−２の耐圧範囲内であれば、通信用電力設備に用いられていた直流４８Ｖの給電システムだけではなく、直流３００Ｖを超えるような高電圧の給電システムにおいても、過渡的電圧変動の抑制のために本発明を利用することができる。

さらに、上述したように可変抵抗素子としてＰＴＣサーミスタのようなパッシブな素子を利用した場合、アクティブな回路を利用した場合と比べ、高い信頼性を保ちつつ、短絡事故が発生していない負荷装置に短絡事故の影響が及ぶことを回避することができる。

なお、本実施形態においては、系統保護用ヒューズ２２−１と可変抵抗素子２３−１、及び、系統保護用ヒューズ２２−２と可変抵抗素子２３−２は、それぞれ直列に接続されていた。しかし、可変抵抗素子を系統保護用ヒューズに組み込んで一体化した構成とすることも可能である。

図３は、可変抵抗素子（ＰＴＣサーミスタ）を系統保護用ヒューズに組み込んで一体化した場合の構成の一例を示す図である。

本構成では図３に示すように、系統保護用ヒューズの電極１２２，１２４の間にＰＴＣサーミスタ１２３を組み込む。なお、この他にも、ＰＴＣサーミスタ１２３を遮断器内や断路器内に組み込む方法も考えられる。

これにより、短絡事故が発生していない給電系統を保護する電流分配装置を簡易に構成することができる。また、短絡事故が発生した場合における系統保護用ヒューズの負担を減らすことができる。

さらに、給電システムの特性等に応じ、可変抵抗素子を任意に選択することが可能となり、系統保護用ヒューズによる給電系統の遮断と可変抵抗素子による過渡的電圧変動の大きさの抑制とを相補的に組み合わせたフレキシブルな電流分配装置を構成することができる。

なお、本構成の場合でも、設置される位置は、図１における電流分配装置２０内の系統保護用ヒューズ２２−１，２２−２が設置されている位置と同じとする。

また、系統保護用ヒューズへの可変抵抗素子（ＰＴＣサーミスタ）の装着と、系統保護用ヒューズからの可変抵抗素子（ＰＴＣサーミスタ）の脱着とを可能な構成にすることもできる。

図４は、系統保護用ヒューズへの可変抵抗素子（ＰＴＣサーミスタ）の装着と、系統保護用ヒューズからの可変抵抗素子（ＰＴＣサーミスタ）の脱着とを可能な構成とした場合の一例を示す図である。

本構成では図４に示すように、ナット状のＰＴＣサーミスタ２２３を系統保護用ヒューズの電極２２２とともに取り付け用ボルト２２５でヒューズ端子台２２６に固定する。

これにより、ＰＴＣサーミスタなどの可変抵抗素子を系統保護用ヒューズへ装着したり、系統保護用ヒューズから脱着したりすることが容易となる。従って、様々な形状の電流分配装置や系統保護用ヒューズに対応することが可能となり、より簡易でフレキシブルな電流分配装置を構成することができる。

なお、本構成の場合でも、設置される位置は、図１における電流分配装置２０内の系統保護用ヒューズ２２−１，２２−２が設置されている位置と同じとする。

また、本実施形態では、電圧変動抑制部として可変抵抗素子を用いた場合について説明したが、電圧変動抑制部として熱変換素子を用いることも可能である。

熱変換素子は、熱変換素子を流れる短絡電流によって発生するエネルギー量が上述した所定のエネルギー量Ｑ_Rとなった場合に、そのエネルギー量の一部を熱変換する。なお、上述したように所定のエネルギー量Ｑ_Rは、系統保護用ヒューズが溶断する溶断エネルギー量Ｑ_Fよりも小さな値であるため、系統保護用ヒューズが溶断するのを妨げることはない。

このように、熱変換素子は、短絡電流によって発生するエネルギー量の一部を熱変換することにより、給電系統に流れる短絡電流の増加を抑制する。

これにより、系統保護用ヒューズ２２−１，２２−２が溶断した際に短絡電流の電流値が減少する傾きが緩やかとなり、過渡的電圧変動の大きさが抑制され、短絡事故が発生していない給電系統に過電圧変動が伝搬しにくくなる。

そのため、大容量のコンデンサを搭載することなく、短絡事故が発生していない給電系統に短絡事故の影響が及ぶのを回避することができる。

１０ 商用電源
１１ 整流装置
２０ 電流分配装置
２１ 電流分配装置内コンデンサ
２２−１，２２−２ 系統保護用ヒューズ
２３−１，２３−２ 可変抵抗素子
３０−１，３０−２ 通信装置
３１−１，３１−２ 入力コンデンサ
３２−１，３２−２ 通信装置ユニット
４０−１，４０−２ 給電ケーブル
１２１，２２１ ヒューズ管
１２２，１２４，２２２ 電極
１２３，２２３ ＰＴＣサーミスタ
２２５ 取り付け用ボルト
２２６ ヒューズ端子台

Claims (3)

1. 複数の負荷装置のそれぞれに対応して接続された複数の給電系統を具備し、外部から供給された電流を分岐し、当該分岐した電流を前記複数の給電系統のそれぞれを介して前記複数の負荷装置のそれぞれへ供給する電流分配装置であって、
   前記複数の給電系統のそれぞれは、
   当該給電系統に流れる電流と該電流が流れた時間とに応じて発生するエネルギー量が、所定の溶断エネルギー量に達すると溶断するヒューズと、
   当該給電系統に流れる電流が増加していく場合、前記エネルギー量が前記所定の溶断エネルギー量に達していない状態において、前記電流の増加を抑制する電圧変動抑制部と、を有し、
   前記電圧変動抑制部は第１および第２の可変抵抗素子から成り、
   前記複数の給電系統のそれぞれにおいて、前記ヒューズの両端に設けられた電極のうち、一方の電極に前記第１の可変抵抗素子が組み込まれ、他方の電極に前記第２の可変抵抗素子が組み込まれている、電流分配装置。
2. 請求項１に記載の電流分配装置において、
   前記電圧変動抑制部は、前記給電系統に流れる電流に応じて当該電圧変動抑制部の抵抗値を変化させることにより、当該給電系統に流れる電流の増加を抑制する電流分配装置。
3. 請求項２に記載の電流分配装置において、
   前記電圧変動抑制部は、前記給電系統に流れる電流によって当該電圧変動抑制部の温度が所定の温度よりも高くなると、前記抵抗値を大きくする電流分配装置。