JP5959447B2 - サージ防護装置 - Google Patents

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５は、太陽光発電システムの主要部を示す構成図である。
図５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６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６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、バリスタを流れる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７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７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等の問題があった。
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熱分離動作に伴う発熱、焼損等の問題は考慮されていない。

そこで本発明の解決課題は、電流ヒューズの溶断電流値以下の電流が所定のバリスタに流れないように回路を構成し、バリスタの発熱、焼損等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において、
前記直流電源線路に接続された正側端子及び負側端子に接点部をそれぞれ介して各一方の電極が接続された二つの熱分離型バリスタと、これらの熱分離型バリスタの各他方の電極と接地端子との間に接続された非熱分離型バリスタと、前記接点部の切替動作時に前記正側端子と負側端子との間に前記接点部を介してそれぞれ接続される二つの電流ヒューズと、を備え、
前記熱分離型バリスタは、当該バリスタの発熱時に前記一方の電極から開離させた前記接点部を前記電流ヒューズの端子部に切り替えて接続する熱分離機構を有し、
前記熱分離機構の動作により、前記正側端子と負側端子とを、前記接点部と前記電流ヒューズとの直列回路を介して接続するものである。

請求項２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において、
前記直流電源線路に接続された正側端子及び負側端子に接点部をそれぞれ介して各一方の電極が接続された二つの熱分離型バリスタと、これらの熱分離型バリスタの各他方の電極と接地端子との間に接続された非熱分離型バリスタと、前記接点部の切替動作時に前記正側端子及び負側端子と前記接地端子との間に前記接点部を介してそれぞれ接続される二つの電流ヒューズと、を備え、
前記熱分離型バリスタは、当該バリスタの発熱時に前記一方の電極から開離させた前記接点部を前記電流ヒューズの端子部に切り替えて接続する熱分離機構を有し、
前記熱分離機構の動作により、前記正側端子または負側端子を、前記接点部と前記電流ヒューズとの直列回路を介して前記接地端子に接続するものである。

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ものである。

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ものである。

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ものである。

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警報信号を外部に出力させるためのスイッチを備えたものである。

請求項７に係る発明は、請求項６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ものである。

本発明によれば、熱分離型バリスタの発熱時に接点部が電流ヒューズ側に切り替わった際に、直流電源線路に接続された正側端子と負側端子との間に接点部と電流ヒューズとが直列に接続され、あるいは、正側端子または負側端子と接地端子との間に接点部と電流ヒューズとが直列に接続されるため、熱分離型バリスタの電極と接点部との間にアークが発生することはない。また、回路電流は切替後の接点部と電流ヒューズとの直列回路を介して流れるので、非熱分離型バリスタに電流ヒューズの溶断電流値以下の電流が流れる恐れはなく、このバリスタの発熱や損傷を防止することができる。

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。 本発明の他の実施形態を示す回路図である。 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７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５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７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７と異なるのは、接点部２１，２２の切替先に一端がそれぞれ接続された電流ヒューズＦ１，Ｆ２の各他端が、ケーブル１２，１１を介して負側端子ＤＣ−，正側端子ＤＣ＋にそれぞれ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、プリント基板１００の表面に装着されたケーシング２０１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。このバリスタ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。

前記接点部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、ケーシング２０１の底板を通ってプリント基板１００により図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。
なお、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。ここで、電流ヒューズＦ１はプリント基板１００の適宜な位置に実装されている（図示せず）。
また、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２０１の一部は透明材料により表示窓部２０３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が形成されている。ここで、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と隔壁２０２との間には、コイルバネ６０４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、その下方の係止部６０３とを備えている。

更に、遮断ブロック６０１と隔壁２０２との間には、トーションバネ７０１が巻かれた回動軸７０２を中心として回動可能なスイッチレバー７０３が配置されている。トーションバネ７０１の一端部はストッパー２０４に係止されており、スイッチレバー７０３は、トーションバネ７０１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。
スイッチレバー７０３の一端部の下方には、マイクロスイッチ８０１のスイッチボタン８０２が配置されていると共に、スイッチレバー７０３の他端部は遮断ブロック６０１の係止板６０３に係止している。なお、マイクロスイッチ８０１の代わりに他種のスイッチを用いてもよい。

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２０１に収納することにより、プラグイン方式のサージ防護素子として形成されるものである。
なお、図２における隔壁２０２の位置やマイクロスイッチ８０１の位置、駆動機構などは本発明の要旨ではないため、図示例に何ら限定されるものではない。また、図示されていないが、隔壁２０２に代えて、熱分離板４０１，接点部２１，状態表示部５０１，遮断ブロック６０１，スイッチレバー７０３等からなる可動部分を全体的に包囲する隔離カバーや、プリント基板１００上の実装部品を包囲する隔離カバーを設けることにより、バリスタＭＯＶ１の短絡故障時に発生する熱やガスによる影響が上記可動部分や実装部品に及ばないようにすることも有効である。

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の直列回路及びバリスタＭＯＶ２，ＭＯＶ３ａの直列回路によって被防護機器が保護される。この保護動作は、接地側から雷サージが侵入した場合のバリスタＭＯＶ１，ＭＯＶ３ａの直列回路及びバリスタＭＯＶ２，ＭＯＶ３ａの直列回路についても同様である。

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２０３を介して目視可能な状態となる。このため、接点部２１がバリスタＭＯＶ１の一方の電極３０１から開離している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６０４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、正常時には係止板６０３により回動が規制されていたスイッチレバー７０３がトーションバネ７０１の復元力によって時計回りに回動し、スイッチレバー７０３の端部がマイクロスイッチ８０１のスイッチボタン８０２を押圧する。このため、マイクロスイッチ８０１から、接点部２１がバリスタＭＯＶ１の一方の電極３０１から開離していることを示す警報（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。また、バリスタＭＯＶ２が短絡故障により発熱した場合にも、同様に接点部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。

次に、図４は他の実施形態に係るサージ防護装置Ｄ’の回路図であり、図１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’も、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。
このサージ防護装置Ｄ’ が図１と異なるのは、接点部２１，２２の切替先に一端がそれぞれ接続された電流ヒューズＦ１，Ｆ２の各他端が、ケーブル１３を介して接地端子Ｅに接続され、また、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。

この実施形態では、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、正側端子ＤＣ＋から電流ヒューズＦ１またはＦ２を経て接地端子Ｅに至る電流経路が形成されることになり、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、この電流は非熱分離型バリスタＭＯＶ３ａには流れない。従って、図１の実施形態と同様に、非熱分離型バリスタＭＯＶ３ａの発熱や焼損を未然に防止することができる。
なお、図４に示すサージ防護装置Ｄ’においても、図２，図３に示したような熱分離機構を適用可能である。

上述した各実施形態では、熱分離機構の動作時にスイッチレバー７０３によりマイクロスイッチ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（スイッチレバー７０３、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を備えていない場合であっても、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，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
１００：プリント基板
２０１：ケーシング
２０２：隔壁
２０３：表示窓部
２０４：ストッパー
３０１：電極
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：係止板
６０４：コイルバネ
７０１：トーションバネ
７０２：回動軸
７０３：スイッチレバー
８０１：マイクロスイッチ
８０２：スイッチボタン

Claims (7)

1. 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において、
   前記直流電源線路に接続された正側端子及び負側端子に接点部をそれぞれ介して各一方の電極が接続された二つの熱分離型バリスタと、これらの熱分離型バリスタの各他方の電極と接地端子との間に接続された非熱分離型バリスタと、前記接点部の切替動作時に前記正側端子と負側端子との間に前記接点部を介してそれぞれ接続される二つの電流ヒューズと、を備え、
   前記熱分離型バリスタは、当該バリスタの発熱時に前記一方の電極から開離させた前記接点部を前記電流ヒューズの端子部に切り替えて接続する熱分離機構を有し、
   前記熱分離機構の動作により、前記正側端子と負側端子とを、前記接点部と前記電流ヒューズとの直列回路を介して接続することを特徴とするサージ防護装置。
2. 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において、
   前記直流電源線路に接続された正側端子及び負側端子に接点部をそれぞれ介して各一方の電極が接続された二つの熱分離型バリスタと、これらの熱分離型バリスタの各他方の電極と接地端子との間に接続された非熱分離型バリスタと、前記接点部の切替動作時に前記正側端子及び負側端子と前記接地端子との間に前記接点部を介してそれぞれ接続される二つの電流ヒューズと、を備え、
   前記熱分離型バリスタは、当該バリスタの発熱時に前記一方の電極から開離させた前記接点部を前記電流ヒューズの端子部に切り替えて接続する熱分離機構を有し、
   前記熱分離機構の動作により、前記正側端子または負側端子を、前記接点部と前記電流ヒューズとの直列回路を介して前記接地端子に接続することを特徴とするサージ防護装置。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 請求項６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。

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