JP5959007B2

JP5959007B2 - サージ防護装置

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Publication number: JP5959007B2
Application number: JP2013023308A
Authority: JP
Inventors: 紀昭上田; 鈴木　淳一; 淳一鈴木; 健介垣内
Original assignee: Shoden Corp
Current assignee: Shoden Corp
Priority date: 2013-02-08
Filing date: 2013-02-08
Publication date: 2016-08-02
Anticipated expiration: 2033-02-08
Also published as: JP2014155340A

Description

本発明は、例えば、太陽光発電システムにおける直流電源線路に接続されてシステムを落雷事故から防護するためのサージ防護装置に関するものである。

図６は、太陽光発電システムの主要部を示す構成図である。
図６において、Ａは太陽光パネル、Ｂは太陽光パネルＡの直流出力電圧を交流電圧に変換するためのインバータ等からなるパワーコンディショナーである。
Ｄは、太陽光パネルＡとパワーコンディショナーＢとの間の直流電源線路Ｃに接続されたサージ防護装置（ＳＰＤ）であり、電源線路Ｃへの落雷時に雷サージ電流を接地側に流して太陽光パネルＡやパワーコンディショナーＢ等の故障や破壊、損傷を防止している。

図７は、従来のサージ防護装置の一例を示す回路図である。ここでは、サージ防護装置を符号Ｄ１にて示している。
図７において、ＤＣ＋は直流電源線路Ｃに接続される正側端子、ＤＣ−は負側端子、Ｅは接地端子、１１，１２，１３はケーブル、ＭＯＶ１，ＭＯＶ２，ＭＯＶ３は酸化亜鉛バリスタ（以下、単にバリスタともいう）、２１，２２，２３は、バリスタＭＯＶ１，ＭＯＶ２，ＭＯＶ３の短絡故障等による発熱により、板バネまたは温度ヒューズ等の熱分離機構が動作して切り離される接点部である。

以下、この従来技術の動作を説明する。落雷時には、直流電源線路Ｃと接地点Ｅとの間でバリスタを介して雷サージ電流が流れるため、太陽光パネルＡやパワーコンディショナーＢ等に雷サージ電流が流入することはなく、これらの機器が落雷から保護される。
また、バリスタが経年劣化等により短絡故障した場合には、短絡電流によりバリスタが発熱し、熱分離機構が動作して接点部がオフするため、バリスタが直流電源線路Ｃから切り離される。これにより、バリスタ自体や周辺回路の焼損を未然に防止することができる。
しかし、直流電源線路Ｃの電圧が高い場合には、接点部がオフする際に発生するアークが消弧されずに残り、バリスタへの通流、発熱が継続されるおそれがあった。

次に、図８は他の従来技術を示す回路図であり、サージ防護装置を符号Ｄ２にて示している。
この従来技術では、バリスタＭＯＶ１，ＭＯＶ２に対して並列に電流ヒューズＦ１，Ｆ２が接続されており、バリスタＭＯＶ１，ＭＯＶ２の発熱時に接点部２１，２２を電流ヒューズＦ１，Ｆ２側に切り替えることでアークを消弧させている。

なお、特許文献１には、バリスタの端子に低融点金属合金板を取り付けることにより、バリスタの故障・劣化時に低融点金属合金板を温度ヒューズまたは電流ヒューズとして動作させてバリスタを電源回路から切り離すようにした雷防護装置が記載されている。
また、特許文献２には、バリスタの表面に引出し導体及びバネ材を接着剤により固定し、引出し導体に、固定導体部、電流ヒューズ部及び温度ヒューズ部からなる１本の銅線を形成すると共に、前記バネ材により電流ヒューズ部を付勢するようにしたバリスタ装置が記載されている。
更に、特許文献３には、バリスタの発熱によりバネからなる熱分離機構が動作してバリスタの両端を短絡させる避雷器が記載されている。

特開２００６−１７９８４２号公報（段落［００１７］〜［００２６］、図５等）。特開２００７−４２７５３号公報（段落［００２４］〜［００３５］、図３等）。特表２０１０−５０３１６３号公報（段落［００２６］〜［００２８］、図１〜図３等）。

図８に示した従来技術において、電流ヒューズＦ１，Ｆ２には例えば２[Ａ]までは溶断しないものがあり、バリスタＭＯＶ１，ＭＯＶ２の発熱により接点部２１，２２が切り替わった後も、電流ヒューズＦ１，Ｆ２に流れる電流が上記溶断電流値に達するまでは流れ続ける。このため、残りのバリスタＭＯＶ３の両端には高い直流電源電圧が印加される結果、熱分離機構により接点部２３が切り離されたときにアークが消弧されず、バリスタＭＯＶ３が発熱し続けることにより、最悪の場合には絶縁樹脂が溶融して端子が露出するという問題があった。

また、発熱したバリスタから噴出した煙が接点部等の可動部を含む熱分離機構に侵入してこれらの機構を汚損したり、ケーシング内部のガス圧が高まってケーシングを破損するおそれもあった。
なお、特許文献１〜３に係る従来技術では、前述したようなバリスタの発熱、発煙等に起因した種々の問題解決策は示されていない。

そこで本発明の解決課題は、バリスタからの発煙により熱分離機構が汚損されるのを防ぎ、また、内圧上昇によるケーシングの破損を防止するようにしたサージ防護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、直流電源線路と接地点との間に接続された被防護機器を、この被防護機器に対して並列に接続されたバリスタの動作により雷サージから防護するサージ防護装置であって、前記バリスタが、その発熱時に接点部を自身の電極から電流ヒューズ側に切り替えて当該バリスタを流れる電流を遮断する熱分離機構を備えた熱分離型バリスタにより構成されているサージ防護装置において、
前記接点部を含む熱分離機構を、耐熱性の隔離カバーにより包囲して前記熱分離型バリスタから隔離したことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載したサージ防護装置において、前記熱分離型バリスタ及び前記隔離カバーを密閉状態で包囲するケーシングに、このケーシング内のガス圧が高くなったときに前記ガス圧により開放される薄肉部や蓋部等の部位を備えたことを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載したサージ防護装置において、前記熱分離型バリスタ及び前記電流ヒューズが実装されたプリント基板を、前記隔離カバーとは別の隔離カバーにより包囲したことを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載したサージ防護装置において、前記熱分離機構は、前記熱分離型バリスタの発熱時に低融点金属を溶融させることにより、前記接点部を前記熱分離型バリスタの一方の電極から開離させ、バネの復元力により前記電流ヒューズの端子部に接続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項に記載したサージ防護装置において、前記熱分離機構の動作時に、前記接点部と前記熱分離型バリスタの一方の電極との間の空間を遮断する遮断ブロックを備えたことを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項１〜５の何れか１項に記載したサージ防護装置において、前記熱分離機構の動作時に、前記接点部が前記熱分離型バリスタの一方の電極から開離したことを示す状態表示部を備えたことを特徴とする。

請求項７に係る発明は、請求項１〜６の何れか１項に記載したサージ防護装置において、前記熱分離機構の動作時に、前記接点部が前記熱分離型バリスタの一方の電極から開離したことを示す警報信号を外部に出力させるためのスイッチを備えたことを特徴とする。

請求項８に係る発明は、請求項７に記載したサージ防護装置において、前記スイッチを、前記熱分離機構の動作時に前記接点部と前記熱分離型バリスタの一方の電極との間の空間を遮断する遮断ブロックに連動させてオンさせることを特徴とする。

本発明によれば、熱分離型バリスタの電極に接離する接点部を含む熱分離機構を、耐熱性の隔離カバーにより包囲して熱分離型バリスタから隔離したことにより、発熱によるバリスタからの煙や有害ガスが熱分離機構に侵入してこれらが汚損されるのを防止することができる。
また、熱分離型バリスタ及び隔離カバーを密閉状態で包囲するケーシングに、このケーシングの内圧が高くなったときに破断または飛散する薄肉部や蓋部等の部位を設けることにより、ケーシング全体が破損する前の段階で内部の高圧ガスを外部に逃がすことが可能である。更に、熱分離型バリスタ及び電流ヒューズが実装されたプリント基板を、別の隔離カバーによって包囲すれば、このプリント基板に実装された電流ヒューズその他の部品を保護することができる。

本発明の実施形態を示す回路図である。本発明の実施形態の主要部の内部構造図である。本発明の実施形態の主要部の内部構造図である。本発明の実施形態において、ケーシング内の高圧ガスを外部へ放出させるための構造を示す図である。本発明の実施形態において、ケーシング内の高圧ガスを外部へ放出させるための構造を示す図である。太陽光発電システムの主要部を示す構成図である。従来技術を示す回路図である。他の従来技術を示す回路図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は、本実施形態に係るサージ防護装置Ｄの回路図であり、図８と同一の部品には同一の符号を付してある。このサージ防護装置Ｄは、図６に示したように被防護機器である太陽光パネルＡ及びパワーコンディショナーＢに対して並列に接続されるものである。

図１において、図８と同様に、ＤＣ＋は直流電源線路Ｃ側の正側端子、ＤＣ−は負側端子、Ｅは接地端子、１１，１２，１３はケーブル、ＭＯＶ１，ＭＯＶ２，ＭＯＶ３ａは酸化亜鉛バリスタ、２１，２２は、短絡故障したバリスタＭＯＶ１，ＭＯＶ２の発熱により、板バネまたは温度ヒューズ等の熱分離機構が動作して切替動作する接点部である。
なお、この実施形態では、バリスタＭＯＶ３ａに熱分離機構は設けられていない。このため、本実施形態では、熱分離機構を有するバリスタＭＯＶ１，ＭＯＶ２を熱分離型バリスタ、熱分離機構を有しないバリスタＭＯＶ３ａを非熱分離型バリスタともいう。

この実施形態が図８と異なるのは、接点部２１の切替先に一端が接続された電流ヒューズＦ１の他端が負側端子ＤＣ−に接続され、接点部２２の切替先に一端が接続された電流ヒューズＦ２の他端が正側端子ＤＣ＋に接続されると共に、熱分離型バリスタＭＯＶ１，ＭＯＶ２同士の接続点と接地端子Ｅとの間に、非熱分離型バリスタＭＯＶ３ａが接続されている点である。

次に、図２は、本実施形態の主要部の内部構造図であり、図１におけるバリスタＭＯＶ１とその熱分離機構を説明するためのものである。この図２は、バリスタＭＯＶ１の正常時の状態を示している。
なお、図１におけるバリスタＭＯＶ２とその熱分離機構の構造も同一である。

図２において、ケーシング２００の内部には、耐熱性樹脂により形成された隔壁２０２の内側に、バリスタＭＯＶ１がモールドされている。バリスタＭＯＶ１の端子部３０２は、耐熱性樹脂からなる第２の隔離カバー７０２内のプラグ基板（プリント基板）１０１に固着されている。図示されていないが、このプラグ基板１０１には、図１の電流ヒューズＦ１も実装されている。
バリスタＭＯＶ１の側面には一方の電極３０１が配置されており、この電極３０１には、低融点金属（以下、低融点半田とする）を介して接点部２１が固着されている。

接点部２１は、導電性のバネ材からなる熱分離板４０１の上端部に一体的に形成され、熱分離板４０１の下端部は、接点部２１等を含む熱分離機構を包囲する耐熱性樹脂からなる第１の隔離カバー７０１と前記第２の隔離カバー７０２を通って、プラグ基板１０１上で図１の正側端子ＤＣ＋に接続されている。この熱分離板４０１は、バネ材の復元力により、接点部２１を電極３０１から引き離す方向に常に付勢されている。
電極３０１から引き離される接点部２１の移動先には、図１における電流ヒューズＦ１の端子部４０３が配置されている。前述したように、電流ヒューズＦ１はプラグ基板１０１に実装される。なお、熱分離板４０１の接点部２１の根元には、段部４０２が形成されている。

電極３０１に固着されている状態の接点部２１の上方には、状態表示部５０１が配置されている。この状態表示部５０１は、トーションバネ５０２が巻かれた回動軸５０３を中心として回動可能な表示面５０４，５０５を備えており、一方の表示面５０４は例えば緑色に着色されて「正常」を表示し、他方の表示面５０５は例えば赤色に着色されて「故障（異常）」を表示するようになっている。なお、表示面５０４に対向するケーシング２００の一部は透明材料により表示窓部２０１を形成している。
また、状態表示部５０１の下端部には、接点部２１に係止する係止突起５０６が形成されており、状態表示部５０１は、トーションバネ５０２の復元力によって時計回りに回動するように常に付勢されている。

熱分離板４０１の側方には、コイルバネ６０３，６０６によって常に上方へ付勢された遮断ブロック６０１が配置されている。この遮断ブロック６０１は、熱分離板４０１の段部４０２に下方から当接する遮断板６０２と、その下方に延設されたロッド６０４とを備えており、ロッド６０４は第２の隔離カバー７０２及びプラグ基板１０１を貫通して下方に伸びている。
１０２はスイッチ基板であり、その下面にはマイクロスイッチ８０１が実装されている。マイクロスイッチ８０１のスイッチボタン８０２はスイッチレバー８０３によって押されるようになっており、このスイッチレバー８０３の先端部はロッド６０４の下端部の係止鉤６０５に係止されている。ここで、マイクロスイッチ８０１以外の他種のスイッチを用いてもよい。
なお、第１の隔離カバー７０１は、電極３０１、接点部２１、熱分離板４０１、遮断板６０２、状態表示部５０１、端子部４０３等からなる熱分離機構の全体を、バリスタＭＯＶ１から隔離しつつ包囲している。

上記のように構成されたバリスタＭＯＶ１及びその熱分離機構並びにヒューズＦ１等は、これらを一組としてケーシング２００に密封状態で収納することにより、プラグイン方式のサージ防護素子が形成される。

次に、この実施形態の動作を、図２，図３を参照しつつ説明する。前述したように、図２はバリスタＭＯＶ１の正常時の状態を示しており、図３は経年劣化等によりバリスタＭＯＶ１が短絡故障した時の主要部の状態を示している。
図２に示すバリスタＭＯＶ１の正常時には、直流電源線路Ｃの直流電圧がバリスタＭＯＶ１，ＭＯＶ２の直列回路に印加されており、直流電源線路Ｃに雷サージが侵入するとバリスタＭＯＶ１，ＭＯＶ３ａ及びＭＯＶ２，ＭＯＶ３ａの直列回路によって被防護機器が保護される。

次に、図２の状態において、例えばバリスタＭＯＶ１が短絡故障するとその電極３０１が発熱し、低融点半田が溶融する。これにより、熱分離板４０１の復元力によって電極３０１から引き離す方向に付勢されている接点部２１が開離して切替動作し、図３に示すように電流ヒューズＦ１の端子部４０３に接触する。このため、図１に示したように、サージ防護装置Ｄの正側端子ＤＣ＋は接点部２１と電流ヒューズＦ１との直列回路を介して負側端子ＤＣ−に接続されることになる。

また、図３に示すように、接点部２１が電極３０１から開離した状態では、状態表示部５０１がトーションバネ５０２の復元力によって時計回りに回動し、例えば赤色の表示面５０５が表示窓部２０１を介して目視可能な状態となる。このため、バリスタＭＯＶ１の短絡故障により接点部２１が電極３０１から開離したことを外部から容易に確認することができる。
同時に、正常時には段部４０２により規制されていた遮断板６０２がコイルバネ６０３，６０６の復元力により上方へ移動し、接点部２１と電極３０１との間の空間を遮断するので、両者の間にアークは発生せず、仮に発生したとしてもアークの続流は確実に消弧される。

更に、遮断板６０２とロッド６０４がコイルバネ６０６の復元力により上方へ移動するので、ロッド６０４の下端部に形成された係止鉤６０５がマイクロスイッチ８０１のスイッチレバー８０３を押し上げることにより、スイッチボタン８０２が押圧される。このため、マイクロスイッチ８０１から、接点部２１が電極３０１から開離したことを示す警報（接点信号）を外部に出力させることが可能である。

以上のように、この実施形態によれば、バリスタＭＯＶ１の発熱により接点部２１が電極３０１から開離されて電流ヒューズＦ１の端子部４０３に切り替わることにより、接点部２１と電極３０１との間のアークの発生が防止されると共に、回路電流は正側端子ＤＣ＋から接点部２１及び電流ヒューズＦ１を介して負側端子ＤＣ−に流れることになる。同様に、バリスタＭＯＶ２が短絡故障により発熱した場合にも、接点部２２とバリスタＭＯＶ２の電極との間のアークの発生が防止され、回路電流は正側端子ＤＣ＋から電流ヒューズＦ２及び接点部２２を介して負側端子ＤＣ−に流れることになる。
従って、熱分離型バリスタＭＯＶ１またはバリスタＭＯＶ２の熱分離機構が動作した際に、電流ヒューズＦ１またはＦ２にその溶断電流値以下の回路電流が流れたとしても、この回路電流は非熱分離型バリスタＭＯＶ３ａを介して流れることがないため、バリスタＭＯＶ３ａの発熱や焼損を未然に防止することができる。

加えて、発熱に伴って熱分離型バリスタＭＯＶ１（またはＭＯＶ２）から煙が発生したり有害ガスが発生したとしても、電極３０１、接点部２１、熱分離板４０１、遮断板６０２、状態表示部５０１、端子部４０３等からなる熱分離機構が第１の隔離カバー７０１により包囲されてバリスタＭＯＶ１から隔離されているので、煙の粒子や有害ガスがこれらの各部品を汚損する心配がない。また、バリスタＭＯＶ１及び電流ヒューズＦ１等が実装されているプラグ基板１０１も第２の隔離カバー７０２によって包囲されているため、プラグ基板１０１上の配線パターンや回路部品を煙の粒子や有害ガスから保護することができる。

なお、バリスタＭＯＶ１の発熱に伴い、バリスタＭＯＶ１や熱分離機構を密閉状態で包囲しているケーシング２００の内圧がガスにより上昇するおそれがあるが、例えば、図４や図５のような構造を採用すれば、高圧になったガスを外部へ放出することができ、サージ防護装置全体の破損を防止することができる。
すなわち、図４（ａ）はケーシング２００の側面部に薄肉部２０３を設け、内部のガス圧により薄肉部２０３を破断させて図４（ｂ）のように高圧ガスを外部へ放出させる構造であり、図５（ａ）はケーシング２００の側面部または上部に蓋部２０４を嵌め込んでおき、内部のガス圧により図５（ｂ）のように蓋部２０４を飛散させて高圧ガスを外部へ放出させる構造である。
これらの薄肉部２０３や蓋部２０４の個数、位置は図示例に何ら限定されるものではない。

上述した実施形態では、熱分離機構の動作時にマイクロスイッチ８０１をオンさせて外部に警報を出力させているが、これらの警報出力手段（ロッド６０４、係止鉤６０５、マイクロスイッチ８０１等）は本発明に必要不可欠なものではない。
同様に、仮に状態表示部５０１を備えていなくても、バリスタＭＯＶ３ａの発熱や焼損を防止するという課題解決には支障がないものである。

Ａ：太陽光パネル
Ｂ：パワーコンディショナー
Ｃ：直流電源線路
Ｄ：サージ防護装置
ＤＣ＋：正側端子
ＤＣ−：負側端子
Ｅ：接地端子
ＭＯＶ１，ＭＯＶ２，ＭＯＶ３ａ：酸化亜鉛バリスタ
Ｆ１，Ｆ２：電流ヒューズ
１１，１２，１３：ケーブル
２１，２２：接点部
１０１：プラグ基板
１０２：スイッチ基板
２００：ケーシング
２０１：表示窓部
２０２：隔壁
２０３：薄肉部
２０４：蓋部
３０１：電極
３０２：端子部
４０１：熱分離板
４０２：段部
４０３：端子部
５０１：状態表示部
５０２：トーションバネ
５０３：回動軸
５０４，５０５：表示面
５０６：係止突起
６０１：遮断ブロック
６０２：遮断板
６０３，６０６：コイルバネ
６０４：ロッド
６０５：係止鉤
７０１：第１の隔離カバー
７０２：第２の隔離カバー
８０１：マイクロスイッチ
８０２：スイッチボタン
８０３：スイッチレバー

Claims

直流電源線路と接地点との間に接続された被防護機器を、この被防護機器に対して並列に接続されたバリスタの動作により雷サージから防護するサージ防護装置であって、前記バリスタが、その発熱時に接点部を自身の電極から電流ヒューズ側に切り替えて当該バリスタを流れる電流を遮断する熱分離機構を備えた熱分離型バリスタにより構成されているサージ防護装置において、
前記接点部を含む熱分離機構を、耐熱性の隔離カバーにより包囲して前記熱分離型バリスタから隔離したことを特徴とするサージ防護装置。
請求項１に記載したサージ防護装置において、
前記熱分離型バリスタ及び前記隔離カバーを密閉状態で包囲するケーシングに、このケーシング内のガス圧が高くなったときに前記ガス圧により開放される部位を備えたことを特徴とするサージ防護装置。
請求項１または２に記載したサージ防護装置において、
前記熱分離型バリスタ及び前記電流ヒューズが実装されたプリント基板を、前記隔離カバーとは別の隔離カバーにより包囲したことを特徴とするサージ防護装置。
請求項１〜３の何れか１項に記載したサージ防護装置において、
前記熱分離機構は、前記熱分離型バリスタの発熱時に低融点金属を溶融させることにより、前記接点部を前記熱分離型バリスタの一方の電極から開離させ、バネの復元力により前記電流ヒューズの端子部に接続することを特徴とするサージ防護装置。
請求項１〜４の何れか１項に記載したサージ防護装置において、
前記熱分離機構の動作時に、前記接点部と前記熱分離型バリスタの一方の電極との間の空間を遮断する遮断ブロックを備えたことを特徴とするサージ防護装置。
請求項１〜５の何れか１項に記載したサージ防護装置において、
前記熱分離機構の動作時に、前記接点部が前記熱分離型バリスタの一方の電極から開離したことを示す状態表示部を備えたことを特徴とするサージ防護装置。
請求項１〜６の何れか１項に記載したサージ防護装置において、
前記熱分離機構の動作時に、前記接点部が前記熱分離型バリスタの一方の電極から開離したことを示す警報信号を外部に出力させるためのスイッチを備えたことを特徴とするサージ防護装置。
請求項７に記載したサージ防護装置において、
前記スイッチを、
前記熱分離機構の動作時に前記接点部と前記熱分離型バリスタの一方の電極との間の空間を遮断する遮断ブロックに連動させてオンさせることを特徴とするサージ防護装置。