JP5419579B2 - アーク検出手段とそれを用いた制御手段及び連絡手段 - Google Patents

Description

本発明は、アーク検出手段とそれを用いた制御手段及び連絡手段に関するものである。

従来の電源装置について、太陽光発電システムの例を基に図面を用いて説明する。

例えば図４は従来の太陽光発電システムの概略構成図である。

近年、太陽電池電源２からの出力を電力変換装置１にて交流に変換し、商用電力系統と連系する系統連系システムが実用化されている。この系統連系システムにおいては、太陽電池電源２で発電した直流電力は、電力変換装置１にて例えば交流電力の２００Ｖに変換され、商用電力系統１１と連系接続されている。

太陽電池電源２は、複数枚の太陽電池モジュールを直列に接続した構成をとっており、数百Ｖ（一般家庭用途においては１００〜３００Ｖ）となる出力が電源変換装置１に入力される。ここで、電源変換装置１と太陽電池電源２とはケーブル等で接続されており、電力変換装置１側においては、一般的に端子台とケーブルとはネジで固定されている。

太陽光発電システムに限らず電気接続を行う端子台においては、施工作業・工程作業のネジ締め忘れ等により接続状態が不完全であった場合、アークが発生して、ショートや断線の原因となることがあった。

これらの異常状態を検出するため、従来から端子台に温度ヒューズ等の温度素子を配置することで、端子台周囲の発熱を検知し、機器を停止するもしくは直流側ブレーカを遮断する等の方法が知られている。

しかし、従来の方法では温度を精度よく検出するために温度素子の配置位置を厳しく制限する必要があったり、急激に温度が上昇した場合には温度素子が追従できないために被害が拡大するなどの問題が発生していた。

そこで、例えば所定時間内に検出した電流の変動量の度数分布測定を行い、割合からトラッキング検出を行う方法が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００１−１０３６５７号公報

しかしながら、特許文献１では電圧をモニターしておらず、必ずしもアークだけが検出されているとは限らなかった。これは、電力変換装置の回路中にリレーなどの電気接点があった場合などには、その接点変更時に発せられる電気ノイズがアークと酷似しているからである。

また、そのような他の電気ノイズと混同しないよう複数回のアークが生じないと判定が行われないようにした場合には、単発的なアークが長期に渡って端子台に印加されること
を許すこととなり、端子台へのダメージが蓄積され、遂には電路間ショートに至るという問題があった。

また、アーク放電の大きさなどで識別しようとした場合には、その時々の太陽電池電源２の発電電力と、端子台におけるアーク放電が発生する接点の状態（緩み度や接触速度）によって変化するので、電流の大きさや電圧の変化といったものを基準化して比較するのが困難であった。

上記課題を解決するため、本発明のアーク検出手段は、端子台への入力側配線と前記端子台からの出力側配線との間の電圧値を測定する電圧検出手段と、前記端子台からの出力
側配線の電流値を測定する電流検出手段と、前記電圧検出手段の電圧値の変動及び前記電流検出手段の電流値の変動を同時に検出可能な検出回路を有する判定部と、を備え、該判定部は、前記電圧値が動作電圧値よりも増大するとともに、前記電流値が動作電流値よりも減少する第一段階と、該第一段階後の所定時間内に前記電流値が前記動作電流値よりも増大する第二段階と、を検出することでアークの発生を判定するものである。

さらに、本発明のアーク検出手段は、前記電圧値が動作電圧値よりも増大するとともに、前記電流値が動作電流値より減少する第一段階と、該第一段階後の所定時間内に前記電流値が前記動作電流よりも増大する第二段階と、を検出することで出力信号を発するものである。

さらに、本発明のアーク検出手段は、前記所定時間は０〜３００μｓeｃである。

さらに、本発明のアーク検出手段は、前記第一段階の時間は５０〜５００μｓｅｃである。

さらに、本発明のアーク検出手段は、前記第二段階の時間は２００〜９００μｓｅｃである。

さらに、本発明の制御手段は、前記検出手段から発せられた出力信号が入力されることによって、前記入力側配線への電源供給を停止させる制御回路を有するものである。

さらに、本発明の連絡手段は、前記検出手段から発せられた出力信号が入力されることによって、前記電源供給が停止したことを知らせるものである。

本発明のアーク検出手段によれば、端子台への入力側配線と前記端子台からの出力側配線との間の電圧値を測定する電圧検出手段、前記端子台からの出力側配線の電流値を測定する電流検出手段と、前記電圧検出手段の電圧値の変動及び前記電流検出手段の電流値の変動を同時に検出可能な検出回路と、を有することで、電力変換装置の回路中のリレーの接点変更時に発せられる電気ノイズ等と、端子台におけるアークとを識別することができるので、検出精度を高めることができる。

これにより、太陽電池電源２からの接続点に不具合があり、アーク発生が生じた際においても電源機器を適性に停止させるという効果を有するものである。

本発明の太陽電池の電源装置の入力側端子におけるアーク発生の検出手段とそれを用いた制御手段の一実施形態を説明するための模式図である。 本発明の太陽電池の電源装置の入力側端子におけるアーク発生の検出手段とそれを用いた制御手段の一実施形態を説明する端子部の模式図であり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は端子台を上面から見た図である。 本発明の太陽電池の電源装置の入力側端子におけるアーク発生の検出手段とそれを用いた制御手段の一実施形態を説明するためのアーク発生時に検出する電流および電圧の波形の一例を示す図である。 従来の太陽光発電システムの模式図である。 従来の電圧検出手段および電流検出手段におけるノイズ波形の模式図であり、（ａ）は電動機からのノイズがのった場合の波形、（ｂ）は負荷への電路を遮断した場合の波形である。 本発明の一実施形態の電圧検出手段および電流検出手段におけるノイズ波形の模式図であり、（ａ）は電動機からのノイズがのった場合の波形、（ｂ）は負荷への電路を遮断した場合の波形である。 本発明の一実施形態の制御手段を説明するための模式図である。

本発明のアーク発生の検出手段は、端子台への入力側配線と前記端子台からの出力側配線との間の電圧値を測定する電圧検出手段と、前記端子台からの出力側配線の電流値を測定する電流検出手段と、前記電圧検出手段の電圧値の変動及び前記電流検出手段の電流値の変動を同時に検出可能な検出回路を有するものである。

前記電圧検出手段の電圧値の変動及び前記電流検出手段の電流値の変動を同時に検出可能にしたことで、電流と電圧の挙動を管理することが可能となり、電力変換装置の回路中のリレーの接点変更時に発せられる電気ノイズと、アークとを識別することができるので、検出精度を高めることができる。

これにより、直流電源からの接続点に不具合があり、アークが発生するなどによる発熱、発火の危険性が生じた際においても、電源機器を適性に停止させるというものである。

以下に、本発明の実施形態について説明する。まず、電圧検出手段および電流検出手段の配線位置、そして各種ノイズとの関係について説明しておく。図５は従来の電圧検出手段および電流検出手段におけるノイズ波形の模式図、図６は本発明の実施形態に係る電圧検出手段および電流検出手段におけるノイズ波形の模式図で、上が電流波形、下が電圧波形である。ここで、図３のグラフでは横一目盛りが１０００μｓｅｃであるのに対して、ノイズの発生時間が、およそ１０μｓｅｃとアークの発生時間に比べて短いため、図５，６のグラフの横一目盛りは１０μｓｅｃであり、およそ１／１００のスケールとしてある。

まず、図５は直流電源のプラス極とマイナス極間で測定したものである。このとき、図５（ａ）は電流ラインに電動機からのノイズがのった場合の波形で、電流と電圧はほぼ同じ波形を示す。なお、電流波形はプラス側で増減するが、電源容量が十分でないと電圧が下がる傾向がある。図５（ｂ）は負荷への電路を遮断した場合の波形で、電流と電圧はほぼ同じ波形を示す。なお、電動機などでは負荷が瞬時に切れないため、条件によってはシャワリングノイズが発生する傾向がある。このように、図５のような従来の直流電源のプラス極とマイナス極間で測定した電圧検出手段および電流検出手段では、電流と電圧の挙動は同じであり一意的な検出しかできない。よって、ノイズとアークとを区別することができない。

一方、本発明の実施形態によれば、端子台を挟んだ入力側配線と出力側配線との間の電圧値を測定する電圧検出手段を配置するとともに、前記端子台からの出力側配線の電流値を測定する電流検出手段を配置しているので、図５（ａ）、図５（ｂ）と同じ状況で測定した場合でも、それぞれ図６（ａ）、図６（ｂ）に示されるように電圧に変化が生じることはない。すなわち、本実施形態によれば、ノ
イズ波形とアーク波形の誤認を防ぎ、より正確にアークの発生を確認できる。

以下これらを踏まえて、本発明のアーク検出手段とそれを用いた制御手段及び連絡手段の一実施形態について図面に基づき説明する。

図１は本発明のアーク検出手段とそれを用いた制御手段の一実施形態の模式図である。電源変換装置１は、太陽電池電源２の直流電力が入力される端子台３及び電圧検出手段４（ＩＮ側電圧検出端子）、端子台３に接続される入力フィルタ回路５、入力フィルタ回路５を通った直流電力を交流電力に変換する電力変換回路６、電力変換回路６の電力変換のためのスイッチング等の制御を行う制御回路７、特にアークか否かを判定する判定部１４、電力変換回路６の出力を商用電力系統１１に接続させる出力フィルタ回路８、及び入力フィルタ回路５の前段または後段に配置される電圧検出手段９（ＯＵＴ側電圧検出端子）及び電流検出手段１０とから構成される。

尚、入力フィルタ回路５、出力フィルタ回路８は、コンデンサやチョークコイルにて構成されるフィルタにてノイズ成分を除去すると共に、バリスタ等にて外来のサージから電源装置を保護する働きを持つ。

また、電力変換回路６は、リアクトル、半導体スイッチング素子、ダイオード、コンデンサ等を有し、制御回路７から出力されるＰＷＭ信号にて半導体スイッチ素子をコントロールして直流電力を正弦波の商用交流波形に変換する働きを持つものである。

また、電圧検出手段４（ＩＮ側電圧検出端子）、電圧検出手段９（ＯＵＴ側電圧検出端子）及び電流検出手段１０の電圧と電流の情報から電力変換装置１をコントロールするものである。

図２は、電力変換装置１の端子台３の近傍を示すものであり、例えば端子台３におけるネジの締め付けが正常ではない場合、端子台３のネジ部または端子部では軽い接触により導通を保っている状態となり、接触状態が不安定でアークを伴うこととなる。

図３は、アーク発生時の波形を示しており、（ａ）はアーク発生時における電圧検出手段両端間の電圧であり、（ｂ）は同経路における電流を示すものである。

ここで、電圧検出手段４（ＩＮ側電圧検出端子）、電圧検出手段９（ＯＵＴ側電圧検出端子）は、端子台３の前段と後段との間の電圧を測定しており、制御回路７、判定部１４にてサンプリングの上、両端子間の電位差を導出する。また、電流検出手段１０も、端子台３に流れる電流値を取得し、制御回路７、判定部１４にてサンプリングを行っているものである。

実際のアーク発生時の動作においては、（１）端子台３のネジ部において接触が保たれている場合、（２）何らかの応力によって接触部が開放された場合（アークの発生領域）、（３）再び接触状態に復帰する場合、の順に推移し、前述の図３に示す波形がサンプリングされることとなる。

ここで（２）の状態に注目すると、接触部が開放することにより、（１）の領域においては殆ど０である電圧検出手段４（ＩＮ側電圧検出端子）、電圧検出手段９（ＯＵＴ側電圧検出端子）の間の電位差が大きく変動している。これは太陽電池の特性上、無負荷状態においては開放電圧点へ動作点が移動するためである。また、電流検出手段１０で得られる電流波形からは、接触部の開放に伴い、一旦電流値が減少するが、前記の通り開放部に
電位差が発生することからアークとして急激に電流が流れていることがわかる。

つまり、制御回路７においては電圧検出手段４（ＩＮ側電圧検出端子）と電圧検出手段９（ＯＵＴ側電圧検出端子）との間の電位差の上昇変動及び電流検出手段１０の電流振動変動の両条件をもって、入力側の端子部においてアークが発生したことを判断し、電力変換装置１の動作の停止やエラー表示、警告等の適切な処置を行うことが可能となるものである。

尚、本発明は上述の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。

さらに、本発明の実施形態に係るアーク検出手段は、前記電圧値が動作電圧値よりも増大するとともに、前記電流値が動作電流値より減少する第一段階と、該第一段階後の所定時間内に前記電流値が前記動作電流よりも増大する第二段階とを検出することで出力信号を発することが好ましい。

これは、電流と電圧の挙動の関係を規定することにより、電力変換装置１の回路中のリレーの接点変更時に発せられる電気ノイズと、アークとをさらに識別し易くすることができるので、さらに検出精度を高めることができる。

さらに、本発明の実施形態に係るアーク検出手段は、前記所定時間は０〜３００μｓｅｃであることが好ましい。

このような前記所定時間の閾値を規定することにより、電源装置（電力変換装置）の回路中のリレーの接点変更時に発せられる電気ノイズと、アークとを、第一段階と第二段階との間の所定時間における時間軸から、さらに識別し易く設定することができるので、検出精度を高めることができる。

さらに、本発明の実施形態に係るアーク検出手段は、前記第一段階の時間は５０〜５００μｓｅｃであることが好ましい。

このような第一段階の閾値を規定することにより、電源装置（電力変換装置）の回路中のリレーの接点変更時に発せられる電気ノイズと、アークとを、第一段階の電圧における時間軸から、さらに識別し易く設定することができるので、検出精度を高めることができる。

さらに、本発明の実施形態に係るアーク検出手段は、前記第二段階の時間が２００〜９００μｓｅｃであることが好ましい。

このような第二段階の閾値を規定することにより、電源装置（電力変換装置）の回路中のリレーの接点変更時に発せられる電気ノイズと、アークとを、第二段階の電流における時間軸から、さらに識別し易く設定することができるので、検出精度を高めることができる。

さらに、本発明の実施形態に係る制御手段は、前記検出手段から発せられた出力信号が入力されることによって、前記入力側配線への電源供給を停止させる制御回路を有することが好ましい。

これにより、直流電源からの接続点に不具合があり、アークが生じた際においても電源機器を適性に停止させるというものである。

また、制御手段の他の実施形態として、アークが生じた際に、端子台に発生した不具合を修復するように制御するような制御手段であってもよい。具体的には、例えば、図２に示すように、圧着端子３ｃが電路板３ｂと非接触となった場合に、制御手段でもって圧着端子３ｃを正常な状態に修復するものである。

本実施形態では、図７に示すように、端子台３の構造において、電路板３ｂと圧着端子３ｃとの接続を必要に応じて磁力で維持するようにしたものである。本実施形態では、端子台３が、電路板３ｂと圧着端子３ｃとをリング状の磁性体３ｄと電磁石３ｅで挟み込んだ構造を成している。本実施形態の制御手段は、圧着端子３ｃが電路板３ｂと非接触となった場合、検出手段から発せられた出力信号が入力され、アークが発生していることを認識する。次いで、制御手段は、電磁石３ｅを稼動させ、磁性体３ｄと協同して電路板３ｂと圧着端子３ｃとが接触するようにする。このような制御手段によれば、電路板３ｂと圧着端子３ｃとが非接触になっていることをアークの発生によって検知し、それに応じて圧着端子３ｃを正常な状態に戻すことができるため、メンテナンス技術者が派遣されてアーク発生の根本的な原因が修復されるまでの間も電源装置を安全に稼動させることができる。

このような制御手段としては、アーク検出手段により電気信号もしくは接点がＯＮ−ＯＦＦすることにより電磁石に電力が供給されるようにした電気回路が好適である。具体的には、本発明のアーク発生の検出手段によりアークが発生していると判断されたとき、それを電気信号として取り出し、電磁石３ｅに直接もしくはリレーや半導体素子を駆動させることで間接的に電力を供給し、電磁石３ｅに磁力を発生させる。これにより、電磁石３ｅおよび磁性体３ｄによって圧着端子３ｃを電路板３ｂに接触させることができる。また、磁性体３ｄとしては、例えば、鉄または鉄を含む合金等の強磁性体の座金が好適であり、該座金の表面に金メッキやクロームメッキ等の防錆処理をしてもよい。また、ステンレスのように磁力の影響を受け難い非鉄金属でも表面にニッケルまたはコバルト合金のメッキを行うことで適用可能である。また、電磁石３ｅは、例えば、鉄心に細い銅線を巻いて磁束に指向性を持たせたものを利用できる。

なお、本実施形態では、磁性体および電磁石により、電路板３ｂと圧着端子３ｃとの接続を維持するようにしているが、電路板３ｂと圧着端子３ｃとの接続を維持できる構造であれば、このような形態に限定されない。

さらに、本発明の実施形態に係る出力手段は、前記検出手段から発せられた出力信号が入力されることによって、前記電源供給が停止したことを知らせるための連絡手段を有することが好ましい。

これにより、直流電源からの接続点に不具合があり、アークが生じた際においても適性に停止を知らせるというものである。

１：電力変換装置
２：太陽電池電源
３：端子台
３ａ：端子台絶縁部
３ｂ：電路板
３ｃ：圧着端子
３ｄ：磁性体
３ｅ：電磁石
４：電圧検出手段（ＩＮ側電圧検出端子）
５：入力フィルタ回路
６：電力変換回路
７：制御回路
８：出力フィルタ回路
９：電圧検出手段（ＯＵＴ側電圧検出端子）
１０：電流検出手段
１１：商用電力系統
１４：制御回路の判定部
１７：制御回路

Claims (6)

1. 端子台への入力側配線と前記端子台からの出力側配線との間の電圧値を測定する電圧検出手段と、
   前記端子台からの出力側配線の電流値を測定する電流検出手段と、
   前記電圧検出手段の電圧値の変動及び前記電流検出手段の電流値の変動を同時に検出可能な検出回路を有する判定部と、を備え、
   該判定部は、前記電圧値が動作電圧値よりも増大するとともに、前記電流値が動作電流値よりも減少する第一段階と、該第一段階後の所定時間内に前記電流値が前記動作電流値よりも増大する第二段階と、を検出することでアークの発生を判定することを特徴とするアーク検出手段。
2. 前記所定時間は０〜３００μｓｅｃであることを特徴とする請求項１に記載のアーク検出手段。
3. 前記第一段階の時間は５０〜５００μｓｅｃであることを特徴とする請求項１または２に記載のアーク検出手段。
4. 前記第二段階の時間は２００〜９００μｓｅｃであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のアーク検出手段。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のアーク検出手段から発せられた出力信号が入力されることによって、前記入力側配線への電源供給を停止させる制御手段。
6. 請求項１〜４のいずれかに記載のアーク検出手段から発せられた出力信号が入力されることによって、前記電源供給が停止したことを知らせる連絡手段。

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