JP6741998B2

JP6741998B2 - アーク検出装置およびアーク検出方法

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Publication number: JP6741998B2
Application number: JP2017025358A
Authority: JP
Inventors: 篤志沖田; 達雄古賀
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2017-02-14
Filing date: 2017-02-14
Publication date: 2020-08-19
Anticipated expiration: 2037-02-14
Also published as: US20190372522A1; JP2018132382A; US10985693B2; WO2018150696A1

Description

本発明は、アークの発生を検出するアーク検出装置およびアーク検出方法に関する。

太陽光発電システムにおいては、配線や端子等の破損等によりアークが発生することがある。アークが発生した場合には、速やかに回路を遮断することが好ましい。そのため、アーク検出装置を用いてアークの発生を検出している。例えば、特許文献１には、配線に流れる電流を検出し、検出された電流の数十ｋＨｚ前後の周波数成分が閾値より大きい場合にアークが発生したことを検出するアーク検出装置が開示されている。

特開２０１６−１５１５１４号公報

上述したアーク検出装置では、数十ｋＨｚ前後の周波数成分のみを用いるため、配線の材質や電圧などの条件によってはアークの発生を検出できない可能性がある。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、より高感度にアークの発生を検出できるアーク検出装置およびアーク検出方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様のアーク検出装置は、検出対象電流の第１周波数帯の周波数成分を解析する周波数解析部と、第１周波数帯の周波数成分に基づいてアークの発生を検出する検出部と、を備える。検出部により第１周波数帯の周波数成分に基づいてアークの発生が検出されない場合、周波数解析部は、検出対象電流の第１周波数帯より低い第２周波数帯の周波数成分を解析し、検出部は、第２周波数帯の周波数成分に基づいてアークの発生を検出する。

本発明の別の態様は、アーク検出方法である。この方法は、検出対象電流の第１周波数帯の周波数成分を解析するステップと、第１周波数帯の周波数成分に基づいてアークの発生を検出するステップと、第１周波数帯の周波数成分に基づいてアークの発生が検出されない場合、検出対象電流の第１周波数帯より低い第２周波数帯の周波数成分を解析するステップと、第２周波数帯の周波数成分に基づいてアークの発生を検出するステップと、を備える。

本発明によれば、より高感度にアークの発生を検出できる。

一実施形態に係るアーク検出装置を備えた電力変換システムの構成を示す図である。第１の材質の配線にアークが発生した場合とアークが発生していない場合の電流のパワースペクトルを示す図である。第２の材質の配線にアークが発生した場合とアークが発生していない場合の電流のパワースペクトルを示す図である。図１のアーク検出装置の処理を示すフローチャートである。

図１は、一実施形態に係るアーク検出装置５０を備えた電力変換システム１の構成を示す図である。電力変換システム１は、太陽電池１０と、開閉器２０と、パワーコンディショナ３０と、電流検出器４０と、アーク検出装置５０と、開閉器制御部６０とを備える。

太陽電池１０は、光起電力効果を利用し、光エネルギーを直接電力に変換する発電装置であり、直流電源として機能する。太陽電池１０として、シリコン太陽電池、化合物半導体などを素材にした太陽電池、色素増感型（有機太陽電池）等が使用される。太陽電池１０に替えて、例えば蓄電池、電気二重層キャパシタ、燃料電池などの直流電源が接続されてもよい。

開閉器２０は、太陽電池１０とパワーコンディショナ３０との間の電流経路に設けられ、太陽電池１０とパワーコンディショナ３０とを導通させるか否か切り替える。通常動作時には、開閉器２０は、閉状態にあり、太陽電池１０とパワーコンディショナ３０とを導通させている。

パワーコンディショナ３０は、太陽電池１０の発電電力を交流電力に変換し、当該交流電力を負荷７０および電力系統７２へ供給する。太陽電池１０と、開閉器２０と、パワーコンディショナ３０は、銅線によって接続されている。

電流検出器４０は、太陽電池１０と開閉器２０との間に設けられ、検出対象電流である太陽電池１０の出力電流（直流電流）を検出する。電流検出器４０は、例えば変流器(ＣＴ：Current Transformer)である。

アーク検出装置５０は、電流検出器４０で検出された検出対象電流に基づいて、アークの発生を検出する。アークは、太陽電池１０とパワーコンディショナ３０との間の電流経路において、配線や端子等の破損等により発生し得る。

アーク検出装置５０は、周波数解析部５２と、検出部５４とを備える。周波数解析部５２は、検出対象電流の第１周波数帯の周波数成分を解析する。例えば周波数解析部５２は、検出対象電流をデジタル信号に変換し、当該デジタル信号に高速フーリエ変換を行い、第１周波数帯のパワースペクトルを得る。第１周波数帯は、例えば１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚである。

検出部５４は、周波数解析部５２で解析された第１周波数帯の周波数成分に基づいてアークの発生を検出する。具体的には検出部５４は、第１周波数帯の周波数成分が所定の第１閾値より高い場合にアークの発生を検出し、第１周波数帯の周波数成分が第１閾値以下の場合にアークの発生を検出しない。検出部５４は、アークの発生を検出した場合、開閉器制御部６０に通知する。

検出部５４により第１周波数帯の周波数成分に基づいてアークの発生が検出されない場合、周波数解析部５２は、検出対象電流の第２周波数帯の周波数成分を解析する。例えば周波数解析部５２は、検出対象電流をデジタル信号に変換し、当該デジタル信号に高速フーリエ変換を行い、第２周波数帯のパワースペクトルを得る。第２周波数帯は、第１周波数帯より低く、例えば１０Ｈｚ〜１００Ｈｚである。そのため、第２周波数帯の周波数成分の解析に要する時間は、第１周波数帯の周波数成分の解析に要する時間より長い。

この場合、検出部５４は、周波数解析部５２で解析された第２周波数帯の周波数成分に基づいてアークの発生を検出する。具体的には検出部５４は、第２周波数帯の周波数成分が所定の第２閾値より高い場合にアークの発生を検出し、第２周波数帯の周波数成分が第２閾値以下の場合にアークの発生を検出しない。検出部５４は、アークの発生を検出した場合、開閉器制御部６０に通知する。

また、検出部５４により第１周波数帯の周波数成分に基づいてアークの発生が検出された場合、周波数解析部５２は、検出対象電流の第２周波数帯の周波数成分を解析しない。これにより、不要な解析を行わないようにできる。

第１周波数帯、第２周波数帯、第１閾値および第２閾値の最適値は、実験やシミュレーションなどにより適宜設定できる。

アーク検出装置５０の構成は、ハードウェア資源とソフトウェア資源の協働、またはハードウェア資源のみにより実現できる。ハードウェア資源としてアナログ素子、マイクロコンピュータ、ＤＳＰ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＦＰＧＡ、その他のＬＳＩを利用できる。ソフトウェア資源としてファームウェア等のプログラムを利用できる。

開閉器制御部６０は、検出部５４からアークの発生を通知された場合、開閉器２０を開状態に制御して、太陽電池１０とパワーコンディショナ３０との間を電気的に解放させる。これにより、太陽電池１０からパワーコンディショナ３０に流れる電流が遮断され、アークが消弧される。

次に、実験装置を用いてアークを発生させた実験結果について説明する。

図２は、第１の材質の配線にアークが発生した場合とアークが発生していない場合の電流のパワースペクトルを示す図である。図２において、基準のパワースペクトル１１０は、アークが発生していないときの電流を用いて算出されている。パワースペクトル１１２は、アークが発生しているときの電流を用いて算出されている。

パワースペクトル１１２の第１周波数帯Ｆ１の周波数成分は、基準のパワースペクトル１１０の第１周波数帯Ｆ１の周波数成分より高い。パワースペクトル１１２の第２周波数帯Ｆ２の周波数成分は、基準のパワースペクトル１１０の第２周波数帯Ｆ２の周波数成分より高い。

図３は、第２の材質の配線にアークが発生した場合とアークが発生していない場合の電流のパワースペクトルを示す図である。第２の材質は、第１の材質と異なる。図３において、基準のパワースペクトル１２０は、アークが発生していないときの電流を用いて算出されている。パワースペクトル１２２は、アークが発生しているときの電流を用いて算出されている。

パワースペクトル１２２の第１周波数帯Ｆ１の周波数成分は、基準のパワースペクトル１２０の第１周波数帯Ｆ１の周波数成分とほぼ等しい。パワースペクトル１２２の第２周波数帯Ｆ２の周波数成分は、基準のパワースペクトル１２０の第２周波数帯Ｆ２の周波数成分より高い。

このように、実験結果では、配線の材質に応じて、アークが発生した場合の第１周波数帯Ｆ１の周波数成分の増加量が異なっている。第２の材質の配線の場合には、アークが発生しても第１周波数帯Ｆ１の周波数成分はほとんど変化しない。

アーク検出装置５０において、第１閾値を、基準のパワースペクトル１１０の第１周波数帯Ｆ１の周波数成分の値より高く、パワースペクトル１１２の第１周波数帯Ｆ１の周波数成分の値より低い値に設定することで、図２の場合において第１周波数帯Ｆ１の周波数成分に基づいてアークの発生を検出できる。図３の場合では、第１周波数帯Ｆ１の周波数成分に基づいてはアークの発生を検出できない。

一方、配線の材質によらず、アークが発生した場合の第２周波数帯Ｆ２の周波数成分の増加量は、検出可能な程度に大きい。そこで、第２閾値を、基準のパワースペクトル１１０の第２周波数帯Ｆ２の周波数成分の値より高く、パワースペクトル１１２，１２２の第１周波数帯Ｆ１の周波数成分の値より低い値に設定することで、図２，３の全ての場合において第２周波数帯Ｆ２の周波数成分に基づいてアークの発生を検出できる。よって、アークは発生しているが、第１周波数帯Ｆ１の周波数成分によってはアークの発生が検出されない場合であっても、第２周波数帯Ｆ２の周波数成分に基づいてアークの発生を検出できる。

次に、アーク検出装置５０の全体的な動作について説明する。図４は、図１のアーク検出装置５０の処理を示すフローチャートである。まず周波数解析部５２が、検出対象電流の第１周波数帯の周波数成分を解析する（Ｓ１０）。次に検出部５４が、Ｓ１０で解析された第１周波数帯の周波数成分に基づいてアークの発生を検出する（Ｓ１２）。Ｓ１２でアークの発生が検出された場合（Ｓ１４のＹ）、検出部５４が開閉器制御部６０にアークの発生を通知し（Ｓ１６）、処理を終了する。

一方、Ｓ１２でアークの発生が検出されない場合（Ｓ１４のＮ）、周波数解析部５２が、検出対象電流の第２周波数帯の周波数成分を解析する（Ｓ１８）。次に検出部５４が、Ｓ１８で解析された第２周波数帯の周波数成分に基づいてアークの発生を検出する（Ｓ２０）。Ｓ２０でアークの発生が検出された場合（Ｓ２２のＹ）、Ｓ１６に移行する。一方、Ｓ２０でアークの発生が検出されない場合（Ｓ２２のＮ）、Ｓ１０に戻る。これにより、アークの発生が検出されるまで図４の処理が繰り返される。

このように本実施形態によれば、検出対象電流の第１周波数帯の周波数成分に基づいてアークの発生を検出し、アークの発生が検出されない場合、第２周波数帯の周波数成分を解析し、第２周波数帯の周波数成分に基づいてアークの発生を検出する。高周波帯である第１周波数帯の周波数成分の解析は、低周波帯である第２周波数帯の周波数成分の解析より短時間で行える。そのため、第１周波数帯の周波数成分に変化がある場合には、短時間で高速にアークの発生を検出できる。

また、低周波帯である第２周波数帯の周波数成分は、配線の材質などの条件によらず、アークの有無に応じて第１周波数帯より大きく増減し得る。そのため、アークは発生しているが、第１周波数帯の周波数成分によってはアークの発生が検出されない場合であっても、第２周波数帯の周波数成分に基づいてアークの発生を検出できる。従って、配線の材質などの条件によらず、より高感度にアークの発生を検出できる。

このように、高電圧の太陽電池１０によるアークの発生を適切に検出できる。

以上、本発明について、実施形態をもとに説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素あるいは各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、また、そうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

例えば、開閉器制御部６０は、アーク検出装置５０によりアークの発生が検出された場合、パワーコンディショナ３０の内部のスイッチング素子をオフ状態に制御してもよい。このように制御しても、アークを消弧できる。

なお、実施の形態は、以下の項目によって特定されてもよい。

［項目１］
検出対象電流の第１周波数帯（Ｆ１）の周波数成分を解析する周波数解析部（５２）と、
前記第１周波数帯（Ｆ１）の周波数成分に基づいてアークの発生を検出する検出部（５４）と、を備え、
前記検出部（５４）により前記第１周波数帯（Ｆ１）の周波数成分に基づいてアークの発生が検出されない場合、前記周波数解析部（５２）は、前記検出対象電流の前記第１周波数帯（Ｆ１）より低い第２周波数帯（Ｆ２）の周波数成分を解析し、前記検出部（５４）は、前記第２周波数帯（Ｆ２）の周波数成分に基づいてアークの発生を検出する、
ことを特徴とするアーク検出装置（５０）。
［項目２］
前記検出部（５４）により前記第１周波数帯（Ｆ１）の周波数成分に基づいてアークの発生が検出された場合、前記周波数解析部（５２）は、前記検出対象電流の前記第２周波数帯（Ｆ２）の周波数成分を解析しない、
ことを特徴とする項目１に記載のアーク検出装置（５０）。
［項目３］
前記検出対象電流は直流電流である、
ことを特徴とする項目１または２に記載のアーク検出装置（５０）。
［項目４］
前記検出対象電流は太陽電池の出力電流である、
ことを特徴とする項目３に記載のアーク検出装置（５０）。
［項目５］
検出対象電流の第１周波数帯（Ｆ１）の周波数成分を解析するステップ（Ｓ１０）と、
前記第１周波数帯（Ｆ１）の周波数成分に基づいてアークの発生を検出するステップ（Ｓ１２）と、
前記第１周波数帯（Ｆ１）の周波数成分に基づいてアークの発生が検出されない場合、前記検出対象電流の前記第１周波数帯（Ｆ１）より低い第２周波数帯（Ｆ２）の周波数成分を解析するステップ（Ｓ１８）と、
前記第２周波数帯（Ｆ２）の周波数成分に基づいてアークの発生を検出するステップ（Ｓ２０）と、
を備えることを特徴とするアーク検出方法。

１…電力変換システム、１０…太陽電池、２０…開閉器、３０…パワーコンディショナ、４０…電流検出器、５０…アーク検出装置、５２…周波数解析部、５４…検出部、６０…開閉器制御部。

Claims

検出対象電流の第１周波数帯の周波数成分を解析する周波数解析部と、
前記第１周波数帯の周波数成分に基づいてアークの発生を検出する検出部と、を備え、
前記検出部により前記第１周波数帯の周波数成分に基づいてアークの発生が検出されない場合、前記周波数解析部は、前記検出対象電流の前記第１周波数帯より低い第２周波数帯の周波数成分を解析し、前記検出部は、前記第２周波数帯の周波数成分に基づいてアークの発生を検出する、
ことを特徴とするアーク検出装置。
前記検出部により前記第１周波数帯の周波数成分に基づいてアークの発生が検出された場合、前記周波数解析部は、前記検出対象電流の前記第２周波数帯の周波数成分を解析しない、
ことを特徴とする請求項１に記載のアーク検出装置。
前記検出対象電流は直流電流である、
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装置。
前記検出対象電流は太陽電池の出力電流である、
ことを特徴とする請求項３に記載のアーク検出装置。
検出対象電流の第１周波数帯の周波数成分を解析するステップと、
前記第１周波数帯の周波数成分に基づいてアークの発生を検出するステップと、
前記第１周波数帯の周波数成分に基づいてアークの発生が検出されない場合、前記検出対象電流の前記第１周波数帯より低い第２周波数帯の周波数成分を解析するステップと、
前記第２周波数帯の周波数成分に基づいてアークの発生を検出するステップと、
を備えることを特徴とするアーク検出方法。