JP6698932B1

JP6698932B1 - サージカウンタ

Info

Publication number: JP6698932B1
Application number: JP2019232480A
Authority: JP
Inventors: 耕二早川
Original assignee: 耕二早川
Priority date: 2019-12-24
Filing date: 2019-12-24
Publication date: 2020-05-27
Anticipated expiration: 2039-12-24
Also published as: JP2021101407A

Abstract

【課題】取り扱いや接地線への取り付けが容易であり、高感度で、且つ低消費電力のサージカウンタを提供する。【解決手段】サージカウンタ１は、カウンタ本体２の裏面に変流器３が回転自在に取り付けられ、これらが一体となっている。サージカウンタ１には、変流器３に２次コイル３７が設けられ、カウンタ本体２には、整流器４１、ＦＥＴ４２、ＬＣＤカウンタ２１、出力端子２３、ＬＥＤ光出力２４等を備える。整流器４１とＦＥＴ４２との間には、並列にコンデンサ４３、抵抗４４を備える。サージカウンタ１は、電圧動作方式であり、消費電力が少なく高感度であり、コンデンサ４３と抵抗４４の時定数によりＬＣＤカウンタ２１と出力端子２３及びＬＥＤ光出力２４のＯＮ時間の調整が可能である。【選択図】図３

Description

本発明は、避雷器の動作を検出するサージカウンタに関し、特に、避雷器の動作を高感度に検出でき、かつ動作の出力機能を備えた一体形サージカウンタの技術に関する。

現在社会においては、ＩｏＴ（物のインターネット）によって、いろいろな物をインターネットに接続し、遠隔地であっても高度な管理ができるように求められている。例えば、雷サージカウンタにおいても、このＩｏＴに最適でかつ高度に管理可能なものが望まれている。

雷防護機器としては、避雷器（ＪＩＳでは低圧用はＳＰＤという）は無人設備や重要設備に多く採用されており、避雷器が雷サージ動作したことの確認のため、カウンタで回数を表示（積算）し、また、動作した際に外部出力（通報）する機能を有するものもある。

サージカウンタとしては、無電源式として例えば特許文献１に記載されたものが知られており、電池を使用するものとしては例えば特許文献２や特許文献３に記載されたものが知られている。

特許第５４９９２６９号公報特開２００４−１４６１４８号公報実用新案登録第３１９１２９５号公報

これらの特許文献に記載されたサージカウンタは、カウンタ本体と電流センサが別体であり、相互にリード線で接続されたものとなっている。このため、当該電流センサ及びサージカウンタの設置が面倒であると共に、カウンタ本体と電流センサの設置前の取り扱いも面倒である。

また、特許文献１のサージカウンタでは、特殊専用変流器で２４Ｖの高い電圧と電流を発生させて電磁カウンタと接点出力用電磁リレーを無電源で稼働させるものとなっている。この特許文献１のサージカウンタは、機械式リレーによる動作が必要となるので、動作に大きなエネルギーが必要となる。

特許文献１に対応する製品の資料によれば、検出電流が２００Ａ（８／２０μＳ）となっており、高感度な検出はできない。また接点出力リレー動作時間はわずか５ｍ秒ほどであり、非常に短くなっている。さらにテスト端子からできるとされる動作確認試験は、装置内の限られた部品のみの確認となっており、効果的な試験はできないという不都合がある。

また、特許文献２の雷サージカウンタは、電子カウンタの起動電源を回路のコンデンサから供給し、電子カウンタに定電圧化した電圧を印加してカウントするものとなっている。当該特許文献２において使用されている汎用カウンタの場合、５Ｖ程度の安定した電圧電流入力が必要となる。また、同文献におけるツェナーダイオード（ＺＤ_１）を定電圧動作させるためには、制限抵抗（Ｒ２）でツェナー電流をツェナー自体に安定して流さなければならないので、コンデンサ（Ｃ１）は大容量でかつ高い供給電圧が必要となる。

この特許文献２におけるカウンタは、特許文献１における電磁式カウンタほどではないが、大きなエネルギーが必要となり、かつ変流器（１２）から取り込んだエネルギーは定電圧化に消費されてしまうため、エネルギーの利用率は低い。また、特許文献２に対応する製品の資料によれば、検出電流が３００Ａ（８／２０μＳ）となっており、高感度な検出はできない。また、特許文献２の図１に記載されている起動電源回路構成の雷サージカウンタでは、動作の出力機能は有してない、という課題が残る。

特許文献３においては、検出されたカウント信号は、電流センサ本体でＯＮ／ＯＦＦ信号に変換して外部に送信することができ、電池式汎用カウンタやその他の機器が接続できるとしている。また、特許文献３では、カウンタにフォトカプラ（１５）を使用することで、接地線に流れる電流を５Ａから検出できるとしている。一般に、フォトカプラ素子は、発光側ＬＥＤに５ｍＡ程度の電流を流すと出力側トランジスタがＯＮとなる。

しかしながら、仮に発光側ＬＥＤに０．５ｍＡ程度電流を流して出力トランジスタをＯＮさせた場合、このフォトカプラを実用的なＯＮの状態にするためには、コンデンサ（Ｃ）がある程度大きな静電容量を有することが必要となる。

また、特許文献３では、５Ａの高感度な検出ができるとしているが、ＬＥＤの発光時間が一瞬なので出力側トランジスタのＯＮ時間も非常に短い一瞬ということになる。よって外部カウンタと組み合わせるためにはカウンタは高速型でなければカウントできないという制約が生じる。

さらに、従来のサージカウンタの動作出力は、２芯の電線を使用するので、電線が長ければ長いほどこの電線は雷サージにさらされてしまう。即ち、カウントデータに雷の侵入が生じやすいといえる。監視システムの警報線や信号線回路は通常ＤＣ１２Ｖや２４Ｖであり、加えて動作検知は半導体による検知なので、雷サージがこの回路へ侵入すると回路のサージ耐量が非常に低いため、最悪システムの重大なる障害や全機能停止等のおそれがある。このように、従来のサージカウンタの接点による出力仕様では、ＩｏＴ時代の要求に答えられない、という課題が残る。

そこで、本発明は、電流を検出する変流器とカウンタ本体の取り扱いが容易なサージカウンタを提供することを目的とする。また、本発明は、変流器からの取り込みエネルギーを必要最小限として避雷器の動作を高感度に検出でき、さらにカウンタの出力がＯＮとなっている状態を一定時間保持ができるサージカウンタを提供することを目的とする。さらに、本発明は、動作確認試験が容易でかつ効果的であり、また出力回路への雷サージの脅威がない高性能かつ高機能な電池内蔵式サージカウンタを提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明のサージカウンタは、接地線に装着されて前記接地線の通電をカウントするサージカウンタであって、前記接地線の通電を検出する変流部と、前記変流部により検出された前記通電の回数をカウントするカウンタ部とを備え、前記変流部は、前記接地線に着脱自在に取り付け可能な装着部と、前記装着部に設けられ、前記接地線への通電により２次電圧を生じさせる２次コイルとを備え、前記カウンタ部は、前記２次コイルの電圧を整流する整流器と、前記整流器により整流された電圧で作動される電界効果トランジスタと、前記電界効果トランジスタのスイッチングによりカウントされるカウンタとを備え、前記変流部と前記カウンタ部とが一体に接続されていることを特徴とする。

本発明のサージカウンタによれば、変流部とカウンタ部とが一体に接続されているため、従来のように変流部がカウンタ部と離れているものに比べて取り扱いが容易であり、接地線に装着することも容易となる。また、本発明のサージカウンタは、２次コイルと電界効果トランジスタによってカウンタのカウントを行う電圧動作方式を採用しているため、消費電力が少なく、小型化が可能であるため、装置を一体型にしても取り扱いが容易となる。

また、本発明のサージカウンタにおいて、前記カウンタ部と前記変流部は、接続角度が変更可能に形成されていることが好ましい。本発明のサージカウンタは、変流部とカウンタ部とが一体であるが、両者の接続角度が変更可能であるため、接地線の方向に応じてカウンタ部の向きを変更することができ、カウンタ部の見やすさを担保することができる。

また、本発明のサージカウンタにおいて、前記変流部は、前記２次電圧を外部に出力する出力端子を備え、前記カウンタ部は、前記出力端子に接続される入力端子を備え、前記変流部と前記カウンタ部が着脱自在に形成され、前記変流部と前記カウンタ部が装着された際に前記出力端子と前記入力端子とが接続されるようにしてもよい。

接地線の太さは、法的な種別や目的によって異なるが、当該構成によれば、接地線の太さに合わせて変流部を交換することが可能となる。

また、本発明のサージカウンタにおいて、前記整流器のプラス側に前記電界効果トランジスタのゲート電極を接続し、前記整流器のマイナス側に前記電界効果トランジスタのソース電極を接続し、前記電界効果トランジスタのドレイン電極に内蔵電池及び前記カウンタを接続し、前記整流器の前記プラス側と前記マイナス側との間、及び前記電界効果トランジスタの前記ゲート電極と前記ソース電極との間に、コンデンサ及び抵抗をそれぞれ並列に接続し、前記コンデンサ及び前記抵抗の時定数により前記電界効果トランジスタのＯＮ時間を調整することが好ましい。

当該構成によれば、カウンタによるカウントを確実に行うために電界効果トランジスタのＯＮ時間の調整を行う必要がある場合、コンデンサと抵抗の時定数を調整することによって行うことができる。この場合、コンデンサ又は抵抗のいずれか一方の調整でもよく、双方の調整を行ってもよい。

また、本発明のサージカウンタにおいて、前記カウンタ部は、前記電界効果トランジスタによるカウントを光に変換するＬＥＤを備え、前記ＬＥＤの光を外部に出力可能とすることが好ましい。当該構成によれば、ＬＥＤの光信号によって外部の機器でカウントが可能となるため、警報線や信号線回路に乗りやすいノイズや、雷サージによるノイズを防止して、正確なカウントの出力が可能となる。

本発明の実施形態の一例であるサージカウンタの外観を示す説明図。（Ａ）は本実施形態のサージカウンタを裏面から見た状態を示す説明図、（Ｂ）は変流器をカウンタ本体に対して回転させた状態を示す説明図。本実施形態のサージカウンタの内部の回路構成を示す説明図。

次に、図１乃至図３を参照して、本発明の実施形態の一例であるサージカウンタ１について説明する。本実施形態のサージカウンタ１は、図１に示すように、カウンタ本体２の裏面に変流器３が取り付けられた状態となっている。本実施形態においては、カウンタ本体２が本発明のカウンタ部に相当し、変流器３が本発明の変流部に相当する。

カウンタ本体２は、落雷の回数を表示させるＬＣＤカウンタ２１と、ＬＣＤカウンタ２１のリセットを行うリセットスイッチ２２と、落雷の回数を電気信号として出力する出力端子２３と、落雷の回数を光信号として出力可能なＬＥＤ光出力２４とを備えている。

変流器３は、図２（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、カウンタ本体２に対して所定角度回転が可能であり、接続角度が変更可能に取り付けられている。本実施形態では、変流器３は、カウンタ本体２に対して９０°回転可能となっている。変流器３は、胴部３１と装着部３２と端子ケース３３を有している。装着部３２は胴部３１に対して開閉自在であり、落雷を接地するための接地線Ｅ（図３参照）をクランプできるように着脱自在に形成されている。また、装着部３２及び胴部３１は、端子ケース３３から取り外すことができるようになっている。

装着部３２に設けられた貫通用通路３４には、バネ状の接地線ストッパ３５が上下に２箇所設けられており、貫通用通路３４内に挿通された接地線Ｅを弾性力で押圧することができる。当該接地線ストッパ３５により、本実施形態のサージカウンタ１は、装着部３２による接地線Ｅのクランプによって、接地線Ｅの任意の位置で固定することができる。また、貫通用通路３４の近傍には、結束バンド等を利用して接地線Ｅに固定可能な固定用突起３６が表裏２箇所に設けられている。

次に、図３を参照して、本実施形態のサージカウンタ１の回路構成について説明する。まず、変流器３は、装着部３２に２次コイル３７が設けられている。この２次コイル３７は、接地線Ｅの近傍に設置され、リード線を介して胴部３１の端部に設けられた２次出力端子３８に接続されている。また、胴部３１の内部には、２次コイル３７と並列に過電圧防止素子３９が接続されている。なお、図３においては、接地線Ｅは大地に接地されている。

端子ケース３３の内部には、入力端子として、２次出力端子３８と接触する接点バネ４０が設けられている。この接点バネ４０によって、変流器３を交換した際に、新たな変流器３の２次出力端子との接続が行われる。

カウンタ本体２の内部には、サージ検出・出力回路２５及びカウンタ回路２６が設けられている。サージ検出・出力回路２５は、２個の接点バネ４０に接続される整流器４１と、電界効果トランジスタであるＦＥＴ４２と、プラス側とマイナス側に渡って並列に設けられたコンデンサ４３及び抵抗４４を備えている。

整流器４１は、２個の接点バネ４０に印加される２次電圧をプラス側とマイナス側に整流するものである。ＦＥＴ４２は、ゲート電極Ｇと、ソース電極Ｓと、ドレイン電極Ｄを有している。ゲート電極Ｇは整流器４１のプラス側に接続され、ドレイン電極Ｄはカウンタ回路２６に接続され、ソース電極Ｓは、整流器４１のマイナス側及びアースに接続されている。

カウンタ回路２６は、ＬＣＤカウンタ２１（本発明におけるカウンタ）と、内蔵電池４５と、ＬＥＤ光出力２４と、出力端子２３を備えている。ＦＥＴ４２のドレイン電極Ｄと、ＬＣＤカウンタ２１、ＬＥＤ光出力２４、及び出力端子２３との間にはそれぞれダイオード４６、４７、及び４８が設けられている。このように、本実施形態のサージカウンタ１は、カウンタ回路２６が、電圧で動作する電圧動作方式となっている。

ＬＣＤカウンタ２１には、カウントをリセットするリセットスイッチ２２が設けられている。また、内蔵電池４５とＬＥＤ光出力２４との間には、抵抗４９が設けられ、出力端子２３のプラス側とマイナス側の間には、過電圧防止素子のバリスタ５０が設けられている。

次に、本実施形態のサージカウンタ１の作動について説明する。本実施形態のサージカウンタ１は、変流器３に装着部３２が設けられているため、既に設置されている接地線Ｅにも容易に装着することができる。その際、接地線ストッパ３５によって、サージカウンタ１が接地線Ｅに安定して固定される。さらに、固定用突起３６を利用して結束バンド等を用いることにより、より安定してサージカウンタ１が接地線Ｅに固定することができる。

また、変流器３とカウンタ本体２は、相対的に回転可能に形成されているため、接地線Ｅが設置されている状態に応じてカウンタ本体２の向きを変更することができる。従って、接地線Ｅの設置角度等にかかわらず、カウンタ本体２をＬＣＤカウンタ２１が見やすい方向に設置することができる。

サージカウンタ１を接地線Ｅに固定する際、或いは固定した後に、外部の記録機器に接続するために、出力端子２３にリード線を接続するか、或いはＬＥＤ光出力２４に光ファイバを接続することができる。ＬＥＤ光出力２４に光ファイバを接続して外部機器に接続する場合は、金属製のリード線を用いる場合に比べて、雷サージの影響を排除することができる。

上記手順により接地線Ｅに設置されたサージカウンタ１の内部の動作は以下の通りとなる。雷が発生し、図示しない避雷器に接続された接地線Ｅに通電があった場合、変流器３に設けられている２次コイル３７に２次電圧が発生する。この２次電圧は、整流器４１によってプラス側とマイナス側の回路に加わる。即ち、ＦＥＴ４２のゲート電極Ｇにプラスの電圧が加わる。

ＦＥＴ４２は、電界効果トランジスタであって、ゲート電極Ｇに１．５Ｖ〜２．５Ｖ程度の電圧を加えることでスイッチングが行われ、ソース電極Ｓとドレイン電極Ｄとの間をＯＮとすることができる。

ソース電極Ｓとドレイン電極Ｄとの間がＯＮになると、カウンタ回路２６において、内蔵電池４５によってＬＣＤカウンタ２１が駆動され、カウント数に１が加えられる。また、内蔵電池４５によって抵抗４９を介してＬＥＤ光出力２４が駆動され、ＬＥＤ光出力２４におけるＬＥＤが点灯し、当該光が光信号となって送信される。また、出力端子２３にカウント装置等が接続されている場合、当該カウント装置においてもカウントが行われる。

ここで、当該動作により、内蔵電池４５によりＬＣＤカウンタ２１が駆動されるが、ＬＣＤカウンタ２１の作動は数μＡ程度の電流で行われる。また、ＬＥＤ光出力２４におけるＬＥＤの発光もわずかな電力で可能である。本実施形態において動作電流を約１ｍＡとした場合であっても、約１５ｍの光ケーブルを用いてフォトトランジスタで受光して変換し、回数としてカウント可能であることが検証により確認できた。

また、本実施形態において、ＦＥＴ４２のゲート電極Ｇに１．５Ｖ〜２．５Ｖ程度の電圧を加え、ソース電極Ｓとドレイン電極Ｄとの間をＯＮとする際には、コンデンサ４３及び抵抗４４にも同時に電圧が加わる。コンデンサ４３と抵抗４４は、ＦＥＴ４２の動作時間を制御する放電時定数により自由に決定することができる。例えば、ＦＥＴ４２を１秒間ＯＮにする場合、数ＭΩの抵抗値と、１μＦ以下の小容量コンデンサを用いることで実現することができる。

さらに詳しくは、ＦＥＴ４２を用いる回路では、ＯＮ動作の時間をコンデンサ４３の容量Ｃと、抵抗４４の抵抗値Ｒで制御できる。具体的には、放電時定数Ｔ（秒）は、Ｔ＝Ｃ×Ｒで求められる。仮に、Ｃが０．５６μＦであり、Ｒが１．０ＭΩでは０．５６秒となる。

消費電力の面から見ると、サージ検出・出力回路２５の動作に必要なエネルギーは、変換損失等を除いてコンデンサ４３と抵抗４４に必要となる。ここで、抵抗４４は実際には数ＭΩと抵抗値が高いため、抵抗４４によるエネルギー消費は無視できる。即ち、エネルギー消費は、コンデンサ４３の充電時に必要となるが、実際には１μＦ以下の小容量コンデンサを用いることができる。このため、本実施形態のサージ検出・出力回路２５によれば、コンデンサ４３におけるエネルギー消費も低く抑えることができる。

このように、本実施形態のサージ検出・出力回路２５によれば、最小限のエネルギーで、ＦＥＴ４２のＯＮの状態を比較的長時間（例えば１秒間）保持することができる。従って、サージ検出・出力回路２５を駆動するためのエネルギーを低く抑えることができるため、サージカウンタ１の感度を高感度とすることができる。

また、その感度は、２個の接点バネ４０の間に抵抗を付加することにより変更することも可能となる。本実施形態のサージカウンタ１によれば、図３の回路構成において、約２２０ｍＡ／ｒｍｓで動作可能であることが確認できた。また、実際に接地線Ｅに実験的に電流を流したところ、１．５Ｖの乾電池で一瞬電流を流した場合であっても、当該通電を検出することができた。また、その際にＦＥＴ４２を１秒間ＯＮとすることが可能であった。

なお、動作原理が電流動作方式の回路構成において、感度を高くした場合、誤カウントが生じることが確認されている。しかしながら、本実施形態においては、動作原理が電圧動作方式であるため、ＦＥＴ４２の動作に必要な動作電圧が発生しなければ、確実にＦＥＴ４２はＯＦＦとなり、誤カウントは生じない。従って、本実施形態の回路構成によれば、感度を高くした場合であっても、誤カウントを防止することができるため、雷電流を正しく検出することができる。

一例として、避雷器に接続された接地線Ｅに１Ａ／ｒｍｓの電流を０．０２秒間だけ印加したところ、本実施形態のサージカウンタ１によって当該通電を検出することが確認できた。このように、本実施形態のサージカウンタ１は、省電力で高感度であることを確認することができた。

本実施形態のサージカウンタ１は、変流器３とカウンタ本体２とが一体となっているため取り扱いが容易である。また、本実施形態のサージカウンタ１は、避雷器の動作を高感度に検出でき、さらに出力ＯＮ状態を一定時間保持することができる。加えて、本実施形態のサージカウンタ１は、動作確認試験が容易でかつ効果的であり、また出力回路への雷サージの脅威がないことなどを具備した、全て一体形の高性能かつ高機能な電池内蔵式サージカウンタを提供できる。

なお、変流器３は、端子ケース３３から取り外して交換することが可能である。端子ケース３３及び接点バネ４０に適合する変流器３であれば、例えば、設置される接地線Ｅの太さに応じて、貫通用通路３４の径の異なる変流器３に交換することも可能となる。また、接点バネ４０により、変流器３の交換が容易で確実となる。

１…サージカウンタ、２…カウンタ本体、３…変流器、２１…ＬＣＤカウンタ、２２…リセットスイッチ、２３…出力端子、２４…ＬＥＤ光出力、２５…サージ検出・出力回路、２６…カウンタ回路、３１…胴部、３２…装着部、３３…端子ケース、３４…貫通用通路、３５…接地線ストッパ、３６…固定用突起、３９…過電圧防止素子、４０…接点バネ、４１…整流器、４２…ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）、４３…コンデンサ、４４…抵抗、４５…内蔵電池、４６〜４８…ダイオード、４９…抵抗、５０…バリスタ。

Claims

接地線に装着されて前記接地線の通電をカウントするサージカウンタであって、
前記接地線の通電を検出する変流部と、前記変流部により検出された前記通電の回数をカウントするカウンタ部とを備え、
前記変流部は、前記接地線に着脱自在に取り付け可能な装着部と、前記装着部に設けられ、前記接地線への通電により２次電圧を生じさせる２次コイルとを備え、
前記カウンタ部は、前記２次コイルの電圧を整流する整流器と、前記整流器により整流された電圧で作動される電界効果トランジスタと、前記電界効果トランジスタのスイッチングによりカウントされるカウンタとを備え、
前記変流部と前記カウンタ部とが一体に接続されていることを特徴とするサージカウンタ。
請求項１に記載のサージカウンタであって、
前記カウンタ部と前記変流部は、接続角度が変更可能に形成されていることを特徴とするサージカウンタ。
請求項１又は２に記載のサージカウンタであって、
前記変流部は、前記２次電圧を外部に出力する出力端子を備え、
前記カウンタ部は、前記出力端子に接続される入力端子を備え、
前記変流部と前記カウンタ部が着脱自在に形成され、前記変流部と前記カウンタ部が装着された際に前記出力端子と前記入力端子とが接続されることを特徴とするサージカウンタ。
請求項１乃至３のいずれか一項に記載のサージカウンタであって、
前記整流器のプラス側に前記電界効果トランジスタのゲート電極を接続し、
前記整流器のマイナス側に前記電界効果トランジスタのソース電極を接続し、
前記電界効果トランジスタのドレイン電極に内蔵電池及び前記カウンタを接続し、
前記整流器の前記プラス側と前記マイナス側との間、及び前記電界効果トランジスタの前記ゲート電極と前記ソース電極との間に、コンデンサ及び抵抗をそれぞれ並列に接続し、前記コンデンサ及び前記抵抗の時定数により前記電界効果トランジスタのＯＮ時間を調整したことを特徴とするサージカウンタ。
請求項１乃至４のいずれか一項に記載のサージカウンタであって、
前記カウンタ部は、前記電界効果トランジスタによるカウントを光に変換するＬＥＤを備え、前記ＬＥＤの光を外部に出力可能としたことを特徴とするサージカウンタ。