JP5613551B2

JP5613551B2 - 開閉器

Info

Publication number: JP5613551B2
Application number: JP2010285006A
Authority: JP
Inventors: 和人米田; 祐一高嶋; 兼祐河野; 健雄石田; 牧野　康弘; 康弘牧野
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd; Kitani Electric Co Ltd; Kyokuto Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd; Kitani Electric Co Ltd; Kyokuto Electric Co Ltd
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2014-10-22
Anticipated expiration: 2030-12-21
Also published as: JP2012134002A

Description

本発明は、直流電源ラインに挿入され電路の開閉を行う開閉器に関する。

開閉器の端子に電線を端子ねじで締め付けて配線する場合、端子ねじの締め付けトルクの不足や温度変化による熱膨張などによって端子ねじの締め付けにゆるみが生じ、端子ねじと電線との接触抵抗が増大して発熱する場合がある。そのため、端子温度が高くなった場合に接点を開極する切動作（引き外し）を行って電路を開く、過熱保護機能を備えた開閉器もある。

例えば、特許文献１では、端子近傍に温度センサ等の過熱検知手段を備え、端子温度の上昇による焼損事故を未然に防止する機能を備えた開閉器（過熱防止装着付回路遮断器）が開示されている。また、例えば、特許文献２では、端子の温度と比較する温度を電線の許容温度以下に設定した開閉器（回路しゃ断器）が開示されている。

このようにして、端子の温度が所定の温度以上であることを検出した場合に引き外しを行うことによって、開閉器や当該開閉器に接続される電線の焼損を防止することができる。

特開昭６２−８４１９号公報実開平２−７５９４１号公報

しかしながら、端子ねじのゆるみなどによって開閉器の端子と電線との間に隙間ができ、アーク（放電）が発生すると、特に開閉器に直流電流が流れる場合には交流電流が流れる場合に比べて、その大きさが脈動することなく連続して大きい状態でアークが発生し続ける場合があり、温度センサなどによる保護動作が成されるよりも早く温度が上昇し、開閉器や電線が焼損してしまう場合もある。また、温度センサでは、開閉器の端子に生じるアークを時間遅れを有して検知することができるが、例えば開閉器に接続された別の機器における端子と電線との間でのアーク発生に対しては検知することができない。

前述した課題を解決する主たる本発明は、直流電源につながる電源側端子と前記直流電源からの電力が出力されパワーコンディショナが接続される負荷側端子とを有する開閉器において、前記電源側端子と前記負荷側端子とをつなぐ電路に挿入され、前記直流電源と前記パワーコンディショナとの間の電路を開閉する接点と、前記接点を開極するための外部からの制御信号が供給される入力端子と、前記電源側端子もしくは前記負荷側端子の温度、または当該端子の周囲の温度が所定の温度以上であることを検出し、過熱検出信号を出力する過熱検出回路と、前記電路を介して検出するアーク放電が所定時間継続した際にアーク検出信号を出力するアーク検出回路と、前記外部からの制御信号、前記過熱検出信号、または前記アーク検出信号の少なくとも何れか１つの信号が生成された場合に、前記接点を開極する引き外しユニットと、を有することを特徴とする開閉器である。

本発明の他の特徴については、添付図面及び本明細書の記載により明らかとなる。

本発明によれば、開閉器や開閉器が接続された電路上の機器をアークの発生による過熱から保護し、開閉器が接続された電路上での焼損事故を抑制することができる。

本発明の一実施形態における開閉器の構成を示す回路ブロック図である。アーク検出回路の具体的な構成の一例を示す回路ブロック図である。本発明の一実施形態における開閉器の筐体の外形を示す斜視図である。本発明の一実施形態における開閉器の適用例を示すブロック図である。

本明細書および添付図面の記載により、少なくとも以下の事項が明らかとなる。

＝＝＝開閉器の適用例＝＝＝
まず、図４を参照して、後述する本発明の一実施形態における開閉器の適用例として、太陽光発電システムなどの直流電源に用いられる場合について説明する。

図４に示されている太陽光発電システムにおいて、開閉器１は、太陽電池モジュール２とパワーコンディショナ３との間に接続されている。そして、開閉器１は、太陽電池モジュール２とパワーコンディショナ３との間の電路を開閉する。

太陽電池モジュール２は、直列に接続された複数の太陽電池素子（セル）からなり、光起電力効果によって太陽光のエネルギーを電気エネルギーに変換し、直流電力として出力する。また、当該直流電力は、開閉器１を介してパワーコンディショナ３に供給される。さらに、パワーコンディショナ３は、直流電力を交流電力に変換し、商用交流電源５に重畳した後負荷４に供給している。

＝＝＝開閉器の構成＝＝＝
以下、図１ないし図３を参照して、本発明の一実施形態における開閉器の構成について説明する。

図１に示されている開閉器１は、制御回路１０、温度センサ２１ないし２４、電源回路２５、引き外しユニット２６、接点３１ないし３４、および電源線Ｌ１ないしＬ６を含んで構成されている。また、制御回路１０は、例えば温度上昇を検知する過熱検出回路１１、アーク検出回路１２、逆接続検出回路１３、およびＯＲ判断部（論理和回路）１４を含んで構成されている。そして、これらは、図３に示すような外形を有し、端子４１ないし４５を備えた筐体内に収納されている。

端子４１および４２は、それぞれ正側および負側の一対の電源側端子であり、例えば太陽電池モジュール２（直流電源）が接続される。また、端子４３および４４は、それぞれ正側および負側の一対の負荷側端子であり、例えばパワーコンディショナ３（負荷）が接続され、太陽電池モジュール２からの直流電力を出力することができるものである。

接点３１は、正側の接点であり、一端が電源線Ｌ１を介して端子４１に接続され、他端が電源線Ｌ３を介して端子４３に接続されている。また、接点３２は、負側の接点であり、一端が電源線Ｌ２を介して端子４２に接続され、他端が電源線Ｌ４を介して端子４４に接続されている。さらに、接点３３および３４は、補助接点であり、一端にそれぞれ電源線Ｌ３およびＬ４が接続され、他端がそれぞれ電源線Ｌ５およびＬ６を介して電源回路２５に接続されている。

電源回路２５には、電源線Ｌ５およびＬ６間の電圧、すなわち、端子４１および４２間に入力される（外部）電源電圧Ｖ０が供給されている。また、電源回路２５から出力される内部電源電圧Ｖ１は、制御回路１０に供給されている。さらに、電源回路２５から出力される内部電源電圧Ｖ２は、引き外しユニット２６に供給されている。

温度センサ２１ないし２４は、サーミスタなどの半導体温度検出素子であり、それぞれ端子４１ないし４４の近傍に配置されており、端子の温度または端子周辺の温度を測定できるように構成されている。また、温度センサ２１ないし２４からそれぞれ出力される測定温度Ｔ１ないしＴ４に相当する電流は、過熱検出回路１１に入力されて測定温度Ｔ１ないしＴ４として認識され、過熱検出回路１１は、予め定められた次の条件に基づいて過熱検出信号ＯＨを出力する。

この過熱検出回路１１は、測定温度Ｔ１ないしＴ４の何れかが、各端子に接続される電線の許容温度に応じて設定される温度（所定の温度）以上である過熱状態を検出し、過熱検出信号ＯＨを出力する。例えば、過熱検出回路１１は、コンパレータなどを用いて、各測定温度がいずれも所定の温度未満の間ロー・レベルとなり、何れかが所定の温度以上の間ハイ・レベルとなる過熱検出信号ＯＨを出力する。当該所定の電圧は、一例として、１００℃程度に設定される。なお、過熱検出回路１１は、好ましくは、過熱状態が所定の時間以上継続した場合に過熱検出信号ＯＨをハイ・レベルとする。

なお、この過熱検出回路１１をマイコンなどで構成する場合には、温度センサ２１ないし２４から出力される電流値をＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換ポートからデジタル値として取り込み、このデジタル値と予め設定された値（所定の電圧に相当するデジタル値）との比較を行い、過熱検出信号ＯＨの出力ポートをハイ・レベルとする。

図２に示すように、アーク検出回路１２は、アーク放電が継続している状態を検出した際に信号を出力するものであり、変動検出回路１２１、カウンタ回路１２２、１２３、および判定回路１２４を含んで構成されている。また、変動検出回路１２１は、例えばコンデンサＣ１、Ｃ２、および増幅回路Ａ１を含んで構成されている。

増幅回路Ａ１の入力端は、（カップリング）コンデンサＣ１を介して電源線Ｌ５と容量結合され、直流電圧上に重畳されている交流電圧を通過させている。また、増幅回路Ａ１の出力端は、（カップリング）コンデンサＣ２を介してカウンタ回路１２２と容量結合され、増幅回路Ａ１でバイアスに用いた直流電圧を遮断し、増幅回路Ａ１で矩形波状に整形された変動電圧を変動検出信号ＡＣ０として出力している。

すなわち、アーク検出回路１２の変動検出回路１２１は、コンデンサＣ１を介して入力される電源電圧Ｖ０の変動分を増幅回路Ａ１によって増幅し、さらにコンデンサＣ２を介して、変動検出信号ＡＣ０として出力する。なお、増幅回路Ａ１は、カウンタ回路１２２の論理レベルに応じて変動検出信号ＡＣ０のレベルを調整している。

カウンタ回路１２２（第１のカウンタ部）には、変動検出回路１２１から出力される変動検出信号ＡＣ０がＣＫ（クロック入力）に入力されている。また、カウンタ回路１２２からは、ＣＬ（クリア入力）に入力されるクロックＣＬＫにより制御された所定の時間内（一例として１０ｍｓ程度）に、カウント値が所定回数以上となった際に出力が変化する端子の出力がフルカウント信号ＡＣ１として出力されている。さらに、カウンタ回路１２３（第２のカウンタ部）には、フルカウント信号ＡＣ１が入力され、カウンタ回路１２３は、フルカウント信号ＡＣ１のカウントを行っている。そして、カウンタ回路１２３から出力されるカウント値ＣＮＴは、判定回路１２４に入力され、判定回路１２４からは、アーク検出信号ＡＲＣが出力されている。

すなわち、直流電力に重畳された交流成分の平均周波数をカウンタ回路１２２で分周してアーク放電の周波数の分散を平均化してカウントし、このカウントのフルカウント間隔の時間に相当する値がカウント値ＣＮＴとして出力される。

具体的には、カウンタ回路１２２は、変動検出信号ＡＣ０の脈動数に基づいてカウントし、カウント値が増加する。ここで、カウンタ回路１２２は、例えば１２ビットのバイナリカウンタであり、ＣＬにクロックＣＬＫが入力されるごとにカウント値が０から４０９５までのカウントを開始する。そして、カウンタ回路１２２は、カウント値が所定の回数以上になった際に出力が変化する端子、例えば１２ビット目の端子の出力をフルカウント信号ＡＣ１として出力する。

カウンタ回路１２３は、カウンタ回路１２２からのフルカウント信号ＡＣ１を所定の時間内カウントし、カウント値ＣＮＴが増加する。所定の時間の一例としては、カウンタ回路１２２と同様にＣＬ入力に入力されているクロックＣＬＫによって、１０ｍｓ程度に設定される。すなわち、カウンタ回路１２２が所定の時間内に所定の回数カウントする回数をカウントすることとなる。

判定回路１２４は、クリアされる直前のカウント値ＣＮＴが所定の範囲内にある場合に、アーク放電が発生しているとしてアーク検出信号ＡＲＣを出力する。ここで、太陽電池モジュール２とパワーコンディショナ３との間の電路にアークが発生している場合における電源電圧Ｖ０の変動は、数ＭＨｚ程度の高周波成分を含んでいる。

したがって、一例として、クロックＣＬＫの周期を１０ｍｓとし、１ＭＨｚ以上の変動成分によってアークの発生を検出するものとすると、判定回路１２４は、１０ｍｓの期間の（クリア直前の）カウント値ＣＮＴが２（第１の基準値）以上の場合にアーク検出信号ＡＲＣをハイ・レベルとする。また、一例として、１ＭＨｚないし１０ＭＨｚの変動成分によってアークの発生を検出するものとすると、判定回路１２４は、１０ｍｓの期間のカウント値ＣＮＴが２以上２５（第２の基準値）以下の場合にアーク検出信号ＡＲＣをハイ・レベルとする。なお、判定回路１２４は、好ましくは、１０ｍｓの期間のカウント値ＣＮＴが連続して一定時間（複数回）継続して所定の範囲内にある場合にアーク検出信号ＡＲＣをハイ・レベルとする。

このようにして、アーク検出回路１２は、開閉器１が接続された電路におけるアークの発生を検出し、アーク検出信号ＡＲＣを出力する。

逆接続検出回路１３には、電源電圧Ｖ０が入力され、逆接続検出回路１３からは、端子４１および端子４２に接続される直流電源の極性が逆の際に、逆接続検出信号ＲＣが出力される。すなわち、逆接続検出回路１３は、電源側端子である端子４１および４２に、負側（端子４２）が正側（端子４１）より高電位となる電源が接続されている逆接続状態を検出し、逆接続検出信号ＲＣを出力する。例えば、逆接続検出回路１３は、フォトカプラで構成され、当該フォトカプラは、一次側の発光ダイオードのアノード側が端子４２（負側）に接続され、端子４２の電圧が端子４１の電圧より高くなる逆接続状態の場合に、発光ダイオードが発光し、二次側のフォトトランジスタがオン状態となって、ハイ・レベルの逆接続検出信号ＲＣを出力する。

ＯＲ判断部１４には、過熱検出信号ＯＨ、アーク検出信号ＡＲＣ、および逆接続検出信号ＲＣが入力されるとともに、端子４５を介して制御信号ＣＯＮが入力されている。さらに、ＯＲ判断部１４から出力される引き外し指令信号ＯＰは、引き外しユニット２６に入力されて接点３１、３２を開極し、直流電力が開閉器から出力されることを防止している。

＝＝＝開閉器の動作＝＝＝
次に、本実施形態における開閉器の動作について説明する。
接点３１ないし３４は、後述する引き外しユニット２６による引き外しが行われるまでは閉極している。したがって、端子４１および４２間に入力された電源電圧Ｖ０は、パワーコンディショナ３などの負荷に供給されるとともに、電源回路２５にも供給される。また、電源回路２５は、電源電圧Ｖ０から内部電源電圧Ｖ１を生成し、制御回路１０に含まれる各回路に供給する。さらに、電源回路２５は、電源電圧Ｖ０から内部電源電圧Ｖ２も生成し、引き外しユニット２６に供給する。

なお、本実施形態では、電源回路２５は、電源電圧Ｖ０が引き外しユニット２６を動作させる内部電源電圧Ｖ２の生成に必要な電圧（所定の電圧）以下の場合には、内部電源電圧Ｖ１およびＶ２を生成しないものとする。当該所定の電圧は、電源回路２５および引き外しユニット２６の構成に応じて設定され、一例として、５０Ｖ程度に設定される。

ＯＲ判断部１４には、過熱検出信号ＯＨ、アーク検出信号ＡＲＣ、および逆接続検出信号ＲＣのほか、接点３１ないし３４を開極するための制御信号ＣＯＮも入力されている。また、ＯＲ判断部１４は、制御信号ＣＯＮ、過熱検出信号ＯＨ、アーク検出信号ＡＲＣ、または逆接続検出信号ＲＣがハイ・レベルとなった場合に引き外し指令信号ＯＰをハイ・レベルとする。そして、引き外し指令信号ＯＰがハイ・レベルとなると、引き外しユニット２６は、接点３１および３２を開極するとともに、連動して接点３３および３４も開極する。

このようにして、開閉器１は、外部から制御信号ＣＯＮが入力された場合、過熱状態を検出した場合、アークの発生を検出した場合、または逆接続状態を検出した場合に引き外しを行い、開閉器や開閉器に接続された負荷を保護している。

なお、本実施形態では、電源回路２５への分岐点が接点３１、３２より負荷側の電源線Ｌ３、Ｌ４に配置されているため、接点３１、３２を開極すると、電源線Ｌ１ないしＬ４を遮断するとともに、太陽電池モジュール２（直流電源）から電源回路２５へ供給される電力を遮断することができる。さらに、本実施形態では、電源回路２５への分岐点より電源回路２５側に分岐した線路に補助接点３３、３４が設けられているため、パワーコンディショナ３（負荷）から逆流して電源回路２５へ供給される電力も遮断することができる。

前述したように、開閉器１において、外部から制御信号ＣＯＮが入力された場合、過熱状態を検出した場合、またはアークの発生を検出した場合に引き外しを行うことによって、開閉器１や開閉器１に接続された負荷をアークによる過熱から保護し、開閉器１が接続された電路上での焼損事故を防止することができる。

また、カウンタ回路１２２が電源電圧Ｖ０の変動分を示す変動検出信号ＡＣ０に基づいてカウントすることによって、当該カウンタ回路１２２が所定時間内において所定回数以上をカウントする状態が連続して一定時間にわたって継続する場合に、アークの発生に起因する電源電圧Ｖ０の変動に含まれる高周波成分によってアークの発生を検出することができる。

また、カウンタ回路１２２が所定時間内において所定回数をカウントしたことを示すフルカウント信号ＡＣ１をカウントすることによって、当該カウント値ＣＮＴが第１の基準値以上である状態が連続して一定時間継続した場合に、電源電圧Ｖ０の変動に含まれる高周波成分によってアークの発生を検出することができる。

さらに、カウント値ＣＮＴが第１の基準値以上かつ第２の基準値以下である場合にアーク検出信号ＡＲＣを出力することによって、電源電圧Ｖ０の変動に含まれる所定の周波数帯域の成分によってアークの発生を検出することができる。

また、端子４１ないし４４のそれぞれの測定温度Ｔ１ないしＴ４の何れかが、所定の時間以上継続して所定の温度（例えば１００℃）以上である場合に過熱検出信号ＯＨを出力することによって、ノイズや一時的な温度変動の影響を抑制し、より確実に過熱状態を検出することができる。

また、電源電圧Ｖ０が所定の電圧（例えば５０Ｖ）以下の場合に内部電源電圧Ｖ１およびＶ２を生成しないことによって、引き外しを行うのに必要な内部電源電圧Ｖ２を電源回路２５が生成することができない場合に、制御回路１０および引き外しユニット２６の動作を停止することができる。

また、逆接続検出信号ＲＣが入力された場合にも引き外しを行うことによって、開閉器１に接続された負荷に逆方向の電圧・電流が供給されるのを防止することができる。

なお、上記実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物も含まれる。

上記実施形態では、開閉器１の適用例として、太陽光発電システムに用いられる場合について説明したが、これに限定されるものではない。開閉器１は、例えば他の自然エネルギーを利用した小規模な発電設備や、コジェネレーション設備などの分散（型）電源に広く用いることができる。また、アークは交流回路においても発生するため、ハイパスフィルタなどを用いて商用電源周波数より高い周波数の電圧変動を検出することによって、交流の電路におけるアークの発生を検出することもできる。開閉器１を交流開閉器として構成することによって、さらに他の用途にも広く用いることができる。なお、交流開閉器では、逆接続検出回路１３は用いられない。

上記実施形態では、引き外しユニット２６は、制御信号ＣＯＮ、過熱検出信号ＯＨ、アーク検出信号ＡＲＣ、または逆接続検出信号ＲＣがハイ・レベルとなった場合に接点３１ないし３４を開極するが、これに限定されるものではない。引き外し指令信号ＯＰを出力するＯＲ判断部１４には、これらの信号の一部が入力されていてもよく、また、他の信号が入力されていてもよい。

１開閉器
２太陽電池モジュール
３パワーコンディショナ
４負荷
５商用交流電源
１０制御回路
１１過熱検出回路
１２アーク検出回路
１３逆接続検出回路
１４ＯＲ判断部（論理和回路）
２１〜２４温度センサ
２５電源回路
２６引き外しユニット
３１〜３４接点
４１〜４５端子
１２１変動検出回路
１２２、１２３カウンタ回路
１２４判定回路
Ａ１増幅回路
Ｃ１、Ｃ２コンデンサ
Ｌ１〜Ｌ６電源線

Claims

直流電源につながる電源側端子と前記直流電源からの電力が出力されパワーコンディショナが接続される負荷側端子とを有する開閉器において、
前記電源側端子と前記負荷側端子とをつなぐ電路に挿入され、前記直流電源と前記パワーコンディショナとの間の電路を開閉する接点と、
前記接点を開極するための外部からの制御信号が供給される入力端子と、
前記電源側端子もしくは前記負荷側端子の温度、または当該端子の周囲の温度が所定の温度以上であることを検出し、過熱検出信号を出力する過熱検出回路と、
前記電路を介して検出するアーク放電が所定時間継続した際にアーク検出信号を出力するアーク検出回路と、
前記外部からの制御信号、前記過熱検出信号、または前記アーク検出信号の少なくとも何れか１つの信号が生成された場合に、前記接点を開極する引き外しユニットと、
を有することを特徴とする開閉器。
前記アーク検出回路は、
前記電路の直流電圧に重畳された交流電圧を抽出し矩形波に成形した変動検出信号を出力する変動検出回路と、
前記変動検出回路から出力される前記変動検出信号に基づいてカウントを行う第１のカウンタ部と、
を含み、
前記第１のカウンタ部が所定時間内において所定回数以上をカウントする状態が連続して前記所定時間より長い一定時間にわたって継続した際に前記アーク検出信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の開閉器。
前記アーク検出回路は、
前記第１のカウンタ部が前記所定時間内において前記所定回数をカウントした回数をカウントする第２のカウンタ部をさらに含み、
前記第２のカウンタ部がカウントするカウント値が第１の基準値以上である状態が連続して前記一定時間継続した際に前記アーク検出信号を出力することを特徴とする請求項２に記載の開閉器。
前記アーク検出回路は、前記第２のカウンタ部がカウントするカウント値が第２の基準値以下である際に前記一定時間の計時を行うことを特徴とする請求項３に記載の開閉器。
前記過熱検出回路は、前記電源側端子もしくは前記負荷側端子の温度、または当該端子の周囲の温度が所定の時間以上前記所定の温度以上である場合に前記過熱検出信号を出力することを特徴とする請求項１ないし請求項４の何れかに記載の開閉器。
前記直流電源から前記過熱検出回路、前記アーク検出回路、および前記引き外しユニットの作動電力を生成する電源回路をさらに有し、
前記電源回路は、前記直流電源の電圧が所定の電圧以下の場合には、前記過熱検出回路、前記アーク検出回路、および前記引き外しユニットの作動に至る電力を供給しないことを特徴とする請求項１ないし請求項５の何れかに記載の開閉器。
前記電源側端子および前記負荷側端子は、いずれも正側および負側の一対の端子からなり、
前記電源側端子に、負側が正側より高電位となる電源が接続されていることを検出し、逆接続検出信号を出力する逆接続検出回路をさらに有し、
前記引き外しユニットは、前記逆接続検出信号が入力された場合にも、前記接点を開極することを特徴とする請求項１ないし請求項６の何れかに記載の開閉器。