JP7419797B2 - 電磁誘導型発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、送配電線監視システムに使用される電磁誘導型発電装置に関する。

送配電線に取り付けられてその状態をモニタリングする監視装置が知られている。この監視装置を用いた送配電線監視システムは、送配電線の状態を監視しそのデータを送信する子機と、鉄塔に設置され気象状況などを送信する子機と、それらのデータを蓄積して送配電線電流容量を制御する監視センターにすべてのデータを送信する親機とからなる。この送配電線監視システムは、送配電線の電流、電圧、張力、電線傾斜角、高さ、温度、コロナ放電、電線周囲の気象や環境状態を監視し、送配電線の保守、送配電線電流や外部環境要因による電線温度変化を随時演算し、送配電容量を動的に算出・管理するダイナミックレーティング（Dynamic Line Rating）に使用されている。

例えば、特許文献１には、送電線の異常振動を検出するための振動検出装置が記載されている。振動検出装置の電源には、送電線の周囲に発生する磁界の変化による電磁誘導を利用した発電装置、あるいは太陽光発電装置が用いられている。

また特許文献２には、電磁誘導方式の電源装置を用いた監視カメラシステムが記載されている。この監視カメラシステムは、送・配電線路に着脱可能に設けられ、電磁誘導方式で電力を生成する発電用ＣＴコアと、発電用ＣＴコアから発生した交流電力を直流電力に変換する電力変換部と、動画を撮影するカメラモジュールと、カメラモジュールの出力データを外部に伝送する無線通信モジュールとを備えている。

特開２００７－９３３４２号公報 特表２０１６－５１７２６１号公報 特許第６３５１８８４号公報

図６に示すように、送配電線に流れる電流は電力需要により大きく変動する。送配電線に流れる電流が変動しても監視装置が安定的に動作するためには、送配電線に流れる電流が最小値Ｉ_１のときでも監視装置が動作可能な最低限の電圧Ｖｍｉｎが常に発電されるように電磁誘導型発電装置を設計する必要がある。

一方、送配電線に流れる電流で発電する電磁誘導型発電装置では、送配電線の電流の増加と共に二次電流も増加する。そのため、図６に示すように、送配電線に流れる電流が非常に大きい場合には、発電される電力も非常に大きくなる。このように発電量が増加しているにもかかわらず、監視装置が一定の消費電力で動作している場合には、余分な電力が大量に発生することなるため、熱に変換するなど、何らかの方法で余剰電力を消費する必要がある。

しかしながら、余剰電力を熱に変換する場合、監視装置の不要な温度上昇を招くことになり、監視装置内の部品や素子の劣化が加速するおそれがある。また例えば、高圧送電線には数千アンペア以上の大電流が流れる場合があるが、大電流によって発生した余剰電力をすべて熱に変換することは極めて困難である。さらに監視装置が架空送電線や地中送電線に設置される場合、その設置やメンテナンスは非常に困難である。そのため、そのような場所に設置される監視装置には、一度設置したら例えば１０年以上の長期間にわたって安定的に動作することが求められていることから、高温化等による監視装置の特性劣化を極力防止することが望ましい。

一方、特許文献３には、発電コイルと整流回路の間にインピーダンス不整合手段を設け、インピーダンス不整合手段によって無効電力を制御することによって、送電線に流れる電流量にかかわらず安定した発電動作を行う方法が提案されている。しかしながら、特許文献３に記載された方法では、スイッチング電源回路の他に、複数のキャパシタ及び複数のスイッチからなるインピーダンス不整合手段が必要であり、回路規模が大きくなるという問題があった。また、インピーダンス不整合手段によって制御可能なインピーダンスは離散的であり、無効電力をリニアに制御することはできなかった。

したがって、本発明の目的は、進相コンデンサ及びコンデンサ容量切替手段などによる、回路規模の増大を抑えつつ、無効電力をより細かく制御することによって、送配電線に流れる電流量にかかわらず安定した発電動作、すなわち有効電力の供給を行うことが可能な電磁誘導型発電装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明による電磁誘導型発電装置は、送配電線に取り付け可能な磁性コアと、磁性コアに巻回された発電コイルと、発電コイルの両端に現れる交流を直流に変換するスイッチング電源回路とを備え、スイッチング電源回路は、直流電力の電圧レベルに基づいてスイッチング動作を停止させることを特徴とする。

本発明によれば、スイッチング動作を停止させることによって無効電力を増加させることができるため、送配電線に流れる電流量にかかわらず安定した発電動作すなわち有効電力の供給を行うことが可能となる。しかも、スイッチング動作を停止させる期間の長さによって、無効電力の量を微調整できることから、無効電力をより細かく制御することが可能となる。

本発明において、スイッチング電源回路は、直流の電圧レベルが第１の所定値を超えたことに応答して、スイッチング動作を間欠的に行うことにより無効電力を増加させても構わない。これによれば、直流の電圧レベルが第１の所定値を超えると有効電力が減少することから、送配電線に流れる電流量が大きい場合であっても、発電量を抑えることが可能となる。

本発明において、スイッチング電源回路は、交流を脈流に整流する整流回路を含み、直流の電圧レベルが第１の所定値を超えたことに応答して、脈流の電圧レベルが第２の所定値を超える期間にスイッチング動作を停止させても構わない。これによれば、負荷に流れる電流量が大きくなる期間にスイッチング動作が停止することから、発電量を効果的に抑えることが可能となる。

本発明において、スイッチング電源回路は、直流の電圧レベルを変換し、電圧変換された直流をＩｏＴデバイスに供給する電圧変換回路を含み、スイッチング電源回路は、電圧変換回路の電力損失及びＩｏＴデバイスが消費する負荷電力と有効電力が等しくなるよう、無効電力を調整しても構わない。これによれば、余剰電力が発生しないことから、発熱を最小限に抑えることが可能となる。

本発明において、磁性コアは、第１の送配電線に取り付け可能な第１の磁性コアと、第２の送配電線に取り付け可能な第２の磁性コアを含み、発電コイルは、第１の磁性コアに巻回された第１の発電コイルと、第２の磁性コアに巻回された第２の発電コイルを含み、スイッチング電源回路は、第１及び第２の発電コイルの両端に現れる交流を合成して直流に変換しても構わない。これによれば、一方の送配電線から電力供給されない場合であっても、安定した発電動作すなわち有効電力の供給を継続することが可能となる。

この場合、第１の発電コイルの両端に現れる交流と第２の発電コイルの両端に現れる交流の位相が互いに異なっていても構わない。これによれば、位相の異なる交流が合成されることから、より安定した直流を得ることが可能となる。

さらに本発明による送配電線監視システムは、上述した本発明の特徴を有する電磁誘導型発電装置と、直流によって送配電線の監視動作を行うＩｏＴデバイスとを備えることを特徴とする。本発明によれば、送配電線に流れる一次電流が非常に小さいときでも所望の電力を発電でき、センサ、制御回路、通信手段などを含むＩｏＴデバイスに対して安定的に電力を供給することができる。また一次電流が非常に大きいときには、二次巻線からの出力電圧の増加は一次電流に比例せず、出力電圧の増加が抑制されるので、余剰電力の発生を抑えることができ、余剰電力を熱に変換することによる不要な温度上昇を防止することができる。これにより、電力供給を受けるＩｏＴデバイスの性能の低下等を防止することができる。

本発明によれば、進相コンデンサおよびコンデンサ容量切替手段などによる、回路規模の増大を抑えつつ、無効電力をより細かく制御することによって、送配電線に流れる電流量にかかわらず安定した発電動作すなわち有効電力の供給を行うことが可能な電磁誘導型発電装置及びこれを用いた送配電線監視システムを提供することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態による送配電線監視システム１Ａの構成を概略的に示す図である。 図２は、スイッチング動作を継続した場合におけるインダクタ電流Ｉ_Ｌの変化を示す波形図である。 図３は、入力電圧Ｖｉｎ及び入力電流Ｉｉｎの変化を示す波形図である。 図４は、スイッチング動作を間欠的に行った場合におけるインダクタ電流Ｉ_Ｌの変化を示す波形図である。 図５は、本発明の第２の実施形態による送配電線監視システム２Ａの構成を概略的に示す図である。 図６は、従来の電磁誘導型発電装置の動作を示す説明図であって、送配電線に流れる電流と電磁誘導型発電装置の出力電圧との関係を示すグラフである。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態による送配電線監視システム１Ａの構成を概略的に示す図である。

図１に示すように、第１の実施形態による送配電線監視システム１Ａは、送配電線３に流れる電流によって発電する電磁誘導型発電装置１と、電磁誘導型発電装置１から電力の供給を受けて送配電線３の監視動作を行うＩｏＴデバイス４とを備えている。電磁誘導型発電装置１はＩｏＴデバイス４の電源となるものであり、ＩｏＴデバイス４は電磁誘導型発電装置１の出力端子に接続されている。ＩｏＴデバイス４の種類は特に限定されず、送配電線３の物理的又は電気的な状態を計測する各種センサモジュールであってもよく、遠隔監視カメラなどであってもよい。ＩｏＴデバイス４は通信機能を有し、センサやカメラで収集したデータをサーバに向けて送信することができる。

送配電線３は架空送電線であることが好ましく、送電電圧が６６ｋＶ以上の高圧送電線であることがさらに好ましい。架空送電線は地上から数十メートル以上の高所に架設されているため、また地中送電線は、洞道、トンネル及びマンホール内に架設されているため、電磁誘導型発電装置１とＩｏＴデバイス４からなる送配電線監視システム１Ａの設置やメンテナンスが極めて困難であり、さらに送配電線３に流れる電流の変動範囲（ダイナミックレンジ）が例えば５０Ａ～３０００Ａと非常に広く、本発明の効果が顕著だからである。送配電線３には商用周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）の交流電流が流れており、送配電線３の周囲には交番磁界が発生している。交番磁界の大きさは、送配電線３に流れる電流の大きさによって変化する。

電磁誘導型発電装置１は、送配電線３に取り付けられるカレントトランス２０と、カレントトランス２０に接続されたスイッチング電源回路１０とを備えている。カレントトランス２０は、一次巻線としての送配電線３に取り付けられた磁性コア２１と、磁性コア２１を介して送配電線３に磁気結合された発電コイル２２からなる。磁性コア２１は例えば分割型トロイダルコアであり、送配電線３がトロイダルコアの中空部を貫通するように当該送配電線３に取り付けられている。発電コイル２２は磁性コア２１に所定のターン数で巻回された二次巻線であり、発電コイル２２の両端は、スイッチング電源回路１０の一対の入力端子に接続されている。

スイッチング電源回路１０は、発電コイル２２の両端に現れる交流すなわち皮相電力を直流に変換する回路であり、整流回路１１、チョークコイル１２、ダイオード１３、トランジスタ１４、コンデンサ１５、分圧回路１６、制御回路１７及び電圧変換回路１８を有している。図１に示すように、チョークコイル１２とダイオード１３は直列に接続され、トランジスタ１４及びコンデンサ１５は並列に接続されている。整流回路１１は、発電コイル２２の両端に現れる交流電圧Ｖｉｎを脈流Ｖｐに変換する。整流回路１１から出力される脈流Ｖｐは、チョークコイル１２及びトランジスタ１４により商用周波数より高い周波数により高周波スイッチングされ、ダイオード１３及びコンデンサ１５によって直流電圧Ｖｏｕｔに変換され、さらに直流電圧Ｖｏｕｔは電圧変換回路１８により所望の直流電圧に変換され、ＩｏＴデバイス４に出力される。

分圧回路１６は、出力電圧Ｖｏｕｔを分圧することによって検出電圧Ｖｄを生成する。制御回路１７は、分圧回路１６から出力される検出電圧Ｖｄに基づいてスイッチング信号Ｓを生成する。スイッチング信号Ｓはトランジスタ１４に供給され、これによってトランジスタ１４のオンオフが制御される。

図２はインダクタ電流Ｉ_Ｌの変化を示す波形図であり、図３は入力電圧Ｖｉｎ及び入力電流Ｉｉｎの変化を示す波形図である。

制御回路１７は、図２に示すように、インダクタ電流Ｉ_Ｌの波形の包絡線が脈流となるようスイッチング制御を行う。制御回路１７によるトランジスタ１４のオンオフ制御は、電流臨界モード制御であっても構わないし、電流連続モード制御であっても構わない。その結果、図３に示すように、時間的に変化する入力電圧Ｖｉｎに対して、入力電流Ｉｉｎは同位相の電流が流れ、力率が改善された状態が得られる。したがって、送配電線３に流れる電流が小さい場合には、スイッチング動作によって略力率１、すなわち力率を高めることにより、効率よく発電を行うことができる。

これに対し、送配電線３に流れる電流が大きい場合、力率が高められた状態を維持すると、出力電圧Ｖｏｕｔが高くなりすぎ、電圧変換回路１８及びＩｏＴデバイス４の過電圧による破壊や、消費されない余剰電力によって発熱が生じてしまう。これを防止すべく、送配電線３に流れる電流が大きい場合には、スイッチング動作を停止させることによって無効電力を増やし、有効電力を減らすことで、出力電圧Ｖｏｕｔの上昇を防止する。制御回路１７がトランジスタ１４のスイッチング動作を停止させるか否かは、分圧回路１６から出力される検出電圧Ｖｄに基づいて決定される。例えば、検出電圧Ｖｄが所定値以下であればスイッチング動作を実行し、検出電圧Ｖｄが所定値を超えた場合にはスイッチング動作を停止しても構わない。

無効電力の調整は、電圧変換回路１８の電力損失及びＩｏＴデバイス４が消費する負荷電力と有効電力が等しくなるよう、制御回路１７によって制御することが好ましい。これによれば、余剰電力が発生しないことから、発熱を最小限に抑えることが可能となる。

スイッチング動作の停止及び再開は、単純に、検出電圧Ｖｄが所定値を超えているか否かに基づいて行っても構わないし、検出電圧Ｖｄが所定値を超えたことに応答してスイッチング動作を間欠的に行うことによって無効電力を増加させても構わない。この場合、図４に示すように、脈流Ｖｐのピーク近傍においてスイッチング動作を停止させても構わない。これによれば、インダクタ電流Ｉ_Ｌが大きくなる期間にスイッチング動作が停止することから、無効電力がより増加し、有効電力を効果的に抑えることができる。スイッチング動作を停止させる期間は、脈流Ｖｐが所定値を超える期間に設定すれば良く、検出電圧Ｖｄのレベルに応じてこの所定値を変化させることにより、スイッチング動作が停止する期間を微調整することが可能である。

以上説明したように、本実施形態による送配電線監視システム１Ａは、ＩｏＴデバイス４に電力を供給する電磁誘導型発電装置１を備え、電磁誘導型発電装置１は、送配電線３に流れる電流が小さい場合には、スイッチング動作により力率を高めることによって効率よく発電を行い、送配電線３に流れる電流が大きい場合には、スイッチング動作を停止させることによって無効電力を増加させている。これにより、送配電線３に流れる電流量にかかわらず安定した有効電力を得ることが可能となる。しかも、無効電力の調整をスイッチング動作の制御によって行っていることから、進相コンデンサ及びコンデンサ容量切替手段などによる回路規模の増大を抑えつつ、無効電力をより細かく制御することが可能となる。

＜第２の実施形態＞
図５は、本発明の第２の実施形態による送配電線監視システム２Ａの構成を概略的に示す図である。

図５に示すように、第２の実施形態による送配電線監視システム２Ａは、２本の送配電線３Ａ，３Ｂに流れる電流によって発電する電磁誘導型発電装置２と、電磁誘導型発電装置２から電力の供給を受けて送配電線３の監視動作を行うＩｏＴデバイス４とを備えている。送配電線３Ａ，３Ｂにはそれぞれカレントトランス２０Ａ，２０Ｂが割り当てられている。カレントトランス２０Ａ，２０Ｂは、それぞれ磁性コア２１Ａ，２１Ｂと、磁性コア２１Ａ，２１Ｂに巻回された発電コイル２２Ａ，２２Ｂを有し、発電コイル２２Ａの両端はスイッチング電源回路３０に含まれる整流回路１１Ａに接続され、発電コイル２２Ｂの両端はスイッチング電源回路３０に含まれる整流回路１１Ｂに接続される。

整流回路１１Ａ，１１Ｂの出力は並列接続されており、これによりスイッチング電源回路３０は、発電コイル２２Ａ，２２Ｂの両端に現れる交流を合成して直流に変換する。その他の基本的な構成は第１の実施形態による送配電線監視システム１Ａと同じであることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態によれば、スイッチング電源回路３０が２つの入力電源を有していることから、仮に、送配電線３Ａ，３Ｂの一方に流れる電流が停止し、或いは、カレントトランス２０Ａ，２０Ｂの一方が故障したとしても、発電動作すなわち有効電力の供給を継続することができる。これにより、より信頼性の高い送配電線監視システムを提供することが可能となる。

ここで、送配電線３Ａ，３Ｂの一方に流れる電流の位相は、互いに異なっていても構わない。この場合、発電コイル２２Ａの両端に現れる交流と発電コイル２２Ｂの両端に現れる交流の位相がずれることから、脈流Ｖｐがより平滑となる。これにより、より安定した直流を得ることが可能となる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

１，２ 電磁誘導型発電装置
１Ａ，２Ａ 送配電線監視システム
３，３Ａ，３Ｂ 送配電線
４ ＩｏＴデバイス
１０，３０ スイッチング電源回路
１１，１１Ａ，１１Ｂ 整流回路
１２ チョークコイル
１３ ダイオード
１４ トランジスタ
１５ コンデンサ
１６ 分圧回路
１７ 制御回路
１８ 電圧変換回路
２０，２０Ａ，２０Ｂ カレントトランス
２１，２１Ａ，２１Ｂ 磁性コア
２２，２２Ａ，２２Ｂ 発電コイル

Claims (4)

1. 送配電線に取り付け可能な磁性コアと、
   前記磁性コアに巻回された発電コイルと、
   前記発電コイルの両端に現れる交流を直流に変換するスイッチング電源回路と、を備え、
   前記スイッチング電源回路は、前記交流を脈流に整流する整流回路を含み、前記直流の電圧レベルが第１の所定値を超えたことに応答して、前記脈流の電圧レベルが第２の所定値を超える期間に前記スイッチング動作を停止させることにより無効電力を増加させることを特徴とする電磁誘導型発電装置。
2. 前記スイッチング電源回路は、前記直流の電圧レベルを変換し、電圧変換された直流をＩｏＴデバイスに供給する電圧変換回路を含み、
   前記スイッチング電源回路は、前記電圧変換回路の電力損失及び前記ＩｏＴデバイスが消費する負荷電力と有効電力が等しくなるよう、無効電力を調整することを特徴とする請求項１に記載の電磁誘導型発電装置。
3. 前記磁性コアは、第１の送配電線に取り付け可能な第１の磁性コアと、第２の送配電線に取り付け可能な第２の磁性コアを含み、
   前記発電コイルは、前記第１の磁性コアに巻回された第１の発電コイルと、前記第２の磁性コアに巻回された第２の発電コイルを含み、
   前記スイッチング電源回路は、前記第１及び第２の発電コイルの両端に現れる交流を合成して直流に変換することを特徴とする請求項１又は２に記載の電磁誘導型発電装置。
4. 前記第１の発電コイルの両端に現れる交流と前記第２の発電コイルの両端に現れる交流の位相が互いに異なることを特徴とする請求項３に記載の電磁誘導型発電装置。

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