WO2014168194A1

WO2014168194A1 - 開閉器

Info

Publication number: WO2014168194A1
Application number: PCT/JP2014/060367
Authority: WO
Inventors: 正前田
Original assignee: 旭東電気株式会社
Priority date: 2013-04-12
Filing date: 2014-04-10
Publication date: 2014-10-16
Also published as: JP6372926B2; JPWO2014168194A1

Abstract

直流電路に挿入される開閉器において、磁力センサで前記電路の周辺の磁力変化が検出される。抽出手段は、前記磁力センサ出力より「アークに起因するノイズ」の判定が容易な周波数帯域の信号を抽出する。次いで、アーク判定手段は、前記抽出手段より出力されるアーク推定信号がアークに起因するものか否かを判定し、アークに起因するときにアーク検出信号を出力する。当該アーク検出信号によって、引き外しユニットは接点を開極することになる。前記アーク判定手段は、所定時間での前記抽出手段からの入力波形が、アークに起因する波形である確率が高いときは、その確率に応じた値の加点をし、アーク以外のノイズ波形である確率が高いときはその確率に応じた確率に応じた値を減点する。この加点、減点を累計し、所定の点数以上になったときにアークが発生していると判断するようになっている。

Description

開閉器

　本発明は、直流電源ラインに挿入され電路の開閉を行う開閉器に関する。

　太陽電池によって得られる直流電力は、パワーコンディショナで交流に変換されてから負荷に供給されるようになっている。

　前記太陽電池からパワーコンディショナに至る間は、直流状態であり、ここには直流特有の障害、例えばアークが発生することがある。アークそのものは交流電路でも発生するが、直流で発生するアークは持続時間が長く、発熱の原因になり、しいては電路や機器が発火することにより火災を引き起こすになる。

　そこで上記直流の電路には開閉器が備えられ、アークが発生したとき、あるいはアークに起因する発熱があったときは回路を遮断できるようになっている。

　例えば、特許文献１では、端子近傍に温度センサ等の過熱検知手段を備え、端子温度の上昇による焼損事故を未然に防止する機能を備えた開閉器（過熱防止装着付回路遮断器）が開示されている。また、例えば、特許文献２では、端子の温度と比較する温度を電路の許容温度以下に設定した開閉器（回路しゃ断器）が開示されている。

　また、特許文献３では、アークによるノイズの周期をカウンタで検出し、更に、第１の所定時間内に第１の所定数以上の周期がある場合に、更に、第２の所定時間内に第１の所定数が発生する回数をカウントして、当該回数が所定の範囲内であるときにアークが発生したと判断している。

特開昭６２－８４１９号公報実開平２－７５９４１号公報特開２０１０－１３４００２号公報

　しかしながら、端子ねじのゆるみなどによって開閉器の端子と電路との間に隙間ができ、アーク（放電）が発生すると、特に開閉器に直流電流が流れる場合には交流電流が流れる場合に比べて、その大きさが脈動することなく連続して大きい状態でアークが発生し続ける場合があり、温度センサなどによる保護動作が機能するよりも早く温度が上昇し、負荷や電路が焼損してしまう場合もある。

　また、温度センサでは、開閉器の端子に生じるアークを検知することができるが、例えば開閉器に接続された別の機器における端子と電路との間でのアークの発生を検知することができない。

　そこで、温度以外の因子でアークの発生を検知する構造が模索され、上記特許文献３に開示するように、電路間の電圧変動に基づいて検出されるノイズからアークの発生を検知しようとする試みがなされている。ところが、電路でのノイズの発生原因は多種あり、アークに起因するだけではないので、特許文献３に開示のアーク検出回路では、誤動作が多く実用に耐えない欠陥があった。

　本発明は上記従来の事情に鑑みて提案されたものであって、誤動作がなく迅速にアークを検出できるアーク検出機構を備えた開閉器を提示するものである。

　本発明は、直流電源につながる電源側端子と前記直流電源からの電力が出力される負荷側端子とを有する開閉器を前提とする。

　上記開閉器において、磁力センサで前記電路の周辺の磁力変化が検出される。抽出手段は、前記磁力センサ出力より「アークに起因するノイズ」の判定が容易な周波数帯域の信号を抽出する。次いで、アーク判定手段は、前記抽出手段より出力されるアーク推定信号がアークに起因するものか否かを判定し、アークに起因するときにアーク検出信号を出力する。当該アーク検出信号によって、引き外しユニットは接点を開極することになる。

　前記磁力センサは磁気コア、ホール素子または磁気コアとホール素子の組み合わせを用いることになる。また、前記抽出手段は磁力センサの出力から所定の周波数を抽出する帯域フィルタが用いられる。更に、前記アーク判定手段は、所定時間での前記抽出手段からの入力波形が、アークに起因する波形である確率が高いときは、その確率に応じた値の加点をし、アーク以外のノイズ波形である確率が高いときはその確率に応じた値を減点する。この加点、減点を累計し、所定の値以上になったときにアークが発生していると判断するようになっている。

　前記アーク判定手段は、前記抽出手段からの入力波形の基準になる波形を記憶手段に記憶しておき、当該基準の波形と入力された所定の時間単位の波形を比較して、アークに起因する波形である確率が高いときは当該確率に応じた加点数を、アークに起因しない波形である確率が高いときは当該確率に応じた減点数を与えて前記所定の時間単位に順次に加減算する。この累計値が所定の閾値に達したときにアークと判定する。

　本発明によれば、アーク特有の波形の確率が高いときは加点とし、アーク以外のノイズ波形である確率が高いときは減点として、その累計値が、所定の値を超えたときにアークと判断するようにしているので、アークに起因しないノイズが電路に混入しても直ちに開閉器が反応することはなく、逆にアークが頻繁に発生しているとき、開閉器は確実に遮断されることになり、誤動作が発生する確率は極めて小さくなる。また電路に接続された離れた箇所を含め全ての接続部のアーク発生を検知出来るようになった。

また、アーク（ノイズ）発生後の凪の状態を識別することで、凪のない大きなアークは速断し、凪をともなう小さなアークは数秒で遮断することが可能となり、これはより誤動作を防止出来ることになる。

図１は、本発明の一実施形態における開閉器の構成を示す回路ブロック図である。図２は、抽出手段の具体的な構成の一例を示す回路ブロック図である。図３は、判定手段の具体的な構成の一例を示す回路ブロック図である。図４は、本発明の一実施形態における開閉器の筐体の外形を示す斜視図である。図５は、本発明の一実施形態における開閉器の適用例を示すブロック図である。図６は、アークに起因するノイズ波形の一例である。図７は、アークに起因するノイズ波形の一例である。図８は、アークに起因するノイズ波形の一例である。図９は、アークに起因しないノイズ波形の一例である。図１０は、アークに起因しないノイズ波形の一例である。

　図５は、本発明に係る開閉器を、太陽光発電システム等の直流電源に適用した場合の例を示すものである。

　図５に示されている太陽光発電システムにおいて、太陽電池モジュール２から出力される直流電力は、開閉器１を介してパワーコンディショナ３に供給され、パワーコンディショナ３は、直流電力を交流電力に変換し、商用交流電源５に重畳した後、負荷４に供給されようになっている。

　図１～図４は本発明が適用される開閉器の構成を示すものである。

　図４に示すような外形を有し、端子４１～４４を備えた筐体内に収納されている。

　端子４１および４２は、それぞれ正側および負側の一対の電源側端子であり、例えば前記太陽電池モジュール２（直流電源）が接続される。また、端子４３および４４は、それぞれ正側および負側の一対の負荷側端子であり、例えばパワーコンディショナ３（負荷）が接続され、太陽電池モジュール２からの直流電力を出力することができるものである。

　図１は、前記開閉器の電気的な構成を示すものである。

　接点３１は、正側の接点であり、一端が電源線Ｌ１を介して端子４１に接続され、他端が電源線Ｌ３を介して端子４３に接続されている。また、接点３２は、負側の接点であり、一端が電源線Ｌ２を介して端子４２に接続され、他端が電源線Ｌ４を介して端子４４に接続されている。

　電源回路２５には、電源線Ｌ３およびＬ４間の電圧、すなわち、端子４１および４２間に入力される（外部）電源電圧Ｖ０が供給されている。また、電源回路２５から出力される内部電源電圧Ｖ１は、制御回路１０に供給されている。さらに、電源回路２５から出力される内部電源電圧Ｖ２は、引き外しユニット２６に供給されている。

　電源線Ｌ３もしくはＬ４のいずれかに磁力センサ１００が設けられる。この磁力センサ１００は例えば電路に巻回されたコイルあるいはホール素子（あるいはコイルとホール素子を併用）で構成される。当該磁力センサ１００の出力は、抽出手段１１に入力され、ここで磁力センサ１００の出力から「アークに起因するノイズ」の判定が容易な周波数帯域の信号を抽出する。このように抽出された信号はアーク判定手段１２に入力され、アークに起因するノイズであると判定される場合は加点を、それ以外のノイズであると判定される場合は減点をする。この加点あるいは減点を繰り返して累計値が所定の閾値を越えたときノイズと判定し、ノイズ検出信号を出力するようになっている。

　図２は上記抽出手段１１の一例を示すブロック図である。上記したように電源線Ｌ１または電源線Ｌ２のいずれかに磁力センサ１００が設けられ、抽出手段１１に入力されるようになっている。ここで磁力センサ１００としては電路の磁気の変化に感応する素子であればよいが、例えばコイルあるいは、ホール素子あるいはコアとホール素子の組み合わせが用いられる。

　直流回路では電流変動がないため通常コイルを使用することはない。またホール素子も磁力センサなのでアーク検知として用いることは通常の技術ではないが、本発明はアークに起因したノイズばかりでなく多種類のノイズの中からアーク特有のノイズを磁力センサ（磁気コアやホール素子）で検出する点に重要な要素がある。

　抽出手段１１では、計装回路１１１で前記磁力センサ１００からの信号の内、同相ノイズを除去し、次いで、帯域フィルタ１１２で特定の周波数範囲（例えば１KHｚ～１００KHｚ）の信号を抽出する。アークに起因するノイズは広範な周波数帯域に拡散しているが、上記の範囲での波形パターンの解析をすると、アークに起因する特徴が見つけやすい。このように抽出された信号をレベル変換回路１１３で半波整流して、アーク判定手段１２に入力する。

　アーク判定手段１２には、記憶手段１２１が設けられ、当該記憶手段１２１には電路で発生が予測される各種のノイズ波形（基本波形）を記憶しておく。さらに、記憶手段１２１には、前記基本波形に対してアークに起因して発生する確率が高い場合は、当該確率に応じた大きさの正の値（加点）を、アークに起因していない確率が高い基本波形に対しては、当該確率に応じた大きさの負の値（減点）を付加して記憶しておく。

　前記「基本波形と加点数（減点数）」は必ずしも図形的な意味合いではなく、「周期性あり・・減点数ＵＵ」、「凪Ａms以上（以下）・・減点ＸＸ」、「最初の波に対して次の波が倍以上・・加点数ＹＹ」、「最初の波に対して次の波が２分の１以上・・加点数ＺＺ」といったように、以下に説明する点数付与手段１２２の解析要素（周波数、第１波と第２波の大きさの比較等）とそれに対応する加点数あるいは減点数となる。

　そして、レベル変換回路１１３からの入力波形が、アーク判定手段１２の点数付与手段１２２に入力されると、所定の単位時間（例えば５０ms）ごとの入力波形が前記記憶手段１２１に記憶された基本波形の中、どの基本波形と一致するかを判定する。次いで、演算手段１２３は、前記基本波形の持つ正の値（加点数）、あるいは負の値（減点数）を順次加減算する。この加点、減点を累計し、所定の閾値以上になったときにアークが発生していると判断するようになっている。

　ここで、アークに起因するノイズに特徴的な波形を図６、図７、図８に示す。また、アークに起因しないノイズに特徴的な波形の形状を図９、図１０に示す。

　図６に示すように、（１）(a) 波の頂点で複数（図６では３つ）の小波がある場合、あるいは(b)大きな振幅を持つ波に続く波がさらに大きな振幅を持つ波持つ場合はアークの可能性が高い波形であり加点数を持つ。図７に示すように（２）波は小さいが所定の高さで揺らぐ現象が生じることがある。この場合も、各波に対して少しずつ加点される。（３）図８（ｃ）に示すように、小さい波に続いて大きな波が継続している場合もアークである可能性が高いので加点数を持つ。

　一方、図９に示すように、（４）規則的な波形は例えば蛍光灯等から発生する波形と視ることができ、減点数を持つ。更に、図１０に示すように、（５）２つ対の波が周期的に出ている場合も、波形とみることができ、減点数を持つ。

　上記した波形以外にも多数の特徴的な波形があり、アークに起因するノイズ波形は加点数を持ち、アークに起因しない波形は減点数を持つ。点数の配分はアークに原因する波形との確率の高い波ほど正の重みが高く、低いほど小さい。逆にアークに起因する波形でない確率が高い波ほど負の重みが大きく、低いほど小さい。

　上記の構成にすると、入力波形に対して経時的に常時加減算を繰り返していることになるが、アークが発生しているときは、加算パターン（加算対象）の方が多くなり、累計が閾値を超えた時点で、アークが発生していると判断して演算手段１２３はアーク検出信号ＡＲＣを出力する。アークが発生していない期間は減算が続くがゼロ以下にはしないようにして、演算をそのまま継続することになる。

　上記のように、アーク検出信号ＡＲＣが出力されるとＯＲ判断部１４を介して、引き外しユニット２６が作動することになる。
以上は抽出手段１１よりアーク判定手段１２に入力された波形を比較してアークであるか否かを判定している。しかしながら、大きなアークは電極や線路を急速に加熱することになるので、線路を速断する必要があるのに対して、小さいアークはそれほどの即応性を要求されない。そこで、以下の処理を追加することによって、大きなアークへの前記速断性を確保できることになる。

　大きな波の判定は以下のようになる。抽出手段１１よりアーク判定手段１２の点数付与手段１２２に入力されるパルス（アーク信号）の発生する回数が単位時間に所定回数以上（例えば50msに50回以上）であること、更に、前記パルスの発生する間隔が不規則であることを確認することによってアークに起因するノイズであるとし、加点数を多くする。

　これによって、大きな（強い）アークが発生したときに、開閉器を直ちに遮断することができることになる。

　ついで、アークに起因すると否とに関わらず小さなノイズの場合、ノイズ波形の間に凪、すなわち静かな状態が多く発生し、強いノイズの場合は逆に凪が殆ど無くなる。そこで、所定時間（例えば50ｍｓ）の凪の回数と時間を計測し、長い凪になる程減点数を多くする。具体的には、点数付与手段１２２に入力された電圧が所定値以下である場合、その継続時間を測定することによって前記凪の長短を判断することになる。この継続時間が短いと、凪による減点数が少なくなり、継続時間が長いと、減点数を多くする。

　これによって、抽出手段１１よりアーク判定手段１２に入力された信号にノイズが発生したときであっても、その後に続く凪の状態を観察して加減算をするので、結果として入力されたノイズが大きなアークに起因するものか、小さなアーク、あるいはアークに起因しないノイズであるのかの判断ができ、開閉器の無用の遮断を防止することができる。

　本発明は上記のように、電路の周辺の磁気変化が示すノイズパターンから、アークが発生しているか否かを検出するものであるが、従前と同様、端子付近の温度変化も検出して前記ノイズの検出に基づく方法と併用している。

　すなわち、温度センサ２１ないし２４は、サーミスタなどの半導体温度検出素子であり、それぞれ端子４１ないし４４の近傍に配置されており、端子の温度または端子周辺の温度を測定できるように構成されている。

　また、温度センサ２１～２４からそれぞれ出力される測定温度Ｔ１ないしＴ４に相当する電流は、過熱検出回路１５に入力されて測定温度Ｔ１ないしＴ４として認識され、過熱検出回路１５は、予め定められた次の条件に基づいて過熱検出信号ＯＨを出力する。

　この過熱検出回路１５は、測定温度Ｔ１ないしＴ４の何れかが、各端子に接続される電路の許容温度に応じて設定される所定の温度（例えば１００℃）以上であれば過熱検出信号ＯＨを出力する。

　なお、当該過熱検出回路１５は、過熱状態が所定の時間以上継続した場合に過熱検出信号ＯＨをハイ・レベルとするのが好ましい。

　逆接続検出回路１３には、電源電圧Ｖ０が入力され、逆接続検出回路１３からは、端子４１および端子４２に接続される直流電源の極性が逆の際に、逆接続検出信号ＲＣが出力される。すなわち、逆接続検出回路１３は、電源側端子である端子４１および４２に、負側（端子４２）が正側（端子４１）より高電位となる電源が接続されている逆接続状態を検出し、逆接続検出信号ＲＣを出力する。例えば、逆接続検出回路１３は、フォトカプラで構成され、当該フォトカプラは、一次側の発光ダイオードのアノード側が端子４２（負側）に接続され、端子４２の電圧が端子４１の電圧より高くなる逆接続状態の場合に、発
光ダイオードが発光し、二次側のフォトトランジスタがオン状態となって、ハイ・レベルの逆接続検出信号ＲＣを出力する。

　ＯＲ判断部１４には、アーク検出信号ＡＲＣ、過熱検出信号ＯＨ、および逆接続検出信号ＲＣが入力されるとともに、端子４５を介して制御信号ＣＯＮが入力されている。さらに、ＯＲ判断部１５から出力される引き外し指令信号ＯＰは、引き外しユニット２６に入力されて接点３１、３２を開極し、直流電力が開閉器から出力されることを防止している。

　上記構成によって、ＯＲ判定部１４は、アーク判定手段１２からアーク検出信号ＡＲＣが入力されたときに、引き外しユニット２６を駆動することになる。また、温度センサ４１ないし４４のいずれかが所定の温度より高くなったとき、あるは、電源側より負荷側の電圧が高くなったとき（逆接続になったとき）に引き外しユニット２６を駆動することになる。

　前述したように、アーク判定手段が、電路に発生するノイズがアークに起因する確率を加算値とし、アークに起因しない確率を減算値としてアークが発生したか否かを判断しているので、誤動作の確率が極めて小さくなる。

　なお、上記実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物も含まれる。

　上記実施形態では、開閉器１の適用例として、太陽光発電システムに用いられる場合について説明したが、これに限定されるものではない。開閉器１は、例えば他の自然エネルギーを利用した小規模な発電設備や、コジェネレーション設備などの分散（型）電源に広く用いることができる。

　上記したように本発明は直流電源をもつ配電網に発生しやすいアーク放電による障害を取り除くことができるので産業上極めて有効である。

　１　　　　　開閉器
　２　　　　　太陽電池モジュール
　３　　　　　パワーコンディショナ
　４　　　　　負荷
　５　　　　　商用交流電源
　１００　　　磁力センサ
　１１　　　　抽出手段
　１２　　　　アーク判定手段
　１３　　　　逆接続検出回路
　１４　　　　ＯＲ判断部（論理和回路）
　１５　　　　過熱検出回路
　２１～２４　温度センサ
　２５　　　　電源回路
　２６　　　　引き外しユニット
　３１～３４　接点
　４１～４５　端子
　Ｌ１～Ｌ４　電源線

Claims

　直流電源につながる電源側端子と前記直流電源からの電力が出力される負荷側端子とを有する開閉器において、
　前記電路の周辺の電磁波を磁力変化として検出する磁力センサと、
　前記磁力センサ出力より「アークに起因するノイズ」の判定が容易な周波数帯域の信号を抽出する抽出手段と、
　前記抽出手段より出力される信号がアークに起因するものか否かを判定し、アークに起因するときにアーク検出信号を出力するアーク判定手段と、
　前記アーク検出信号が生成された場合に、接点を開極する引き外しユニットと、
　を有することを特徴とする開閉器。
　前記磁力センサが磁気コア、電磁波を検知出来る半導体素子または磁気コアと半導体素子の組み合わせである請求項１に記載の開閉器。
　前記抽出手段に磁力センサの出力から所定の周波数を抽出し、アーク判定手段に出力される帯域フィルタが設けられる請求項１又は２に記載の開閉器。
　前記アーク判定手段は、
　所定時間での前記抽出手段の出力がアークに起因する確率の高いときはその確率に応じた加点数を、アークに起因しない確率の高いときはその確率に応じた減点数を順次に累積し、累積値が所定の閾値になったときにアークである旨の信号を出力する求項１～３のいずれかに記載の開閉器。
　前記アーク判定手段は、前記判定の基準になる波形を記憶手段に記憶しておき、当該基準の波形と入力された波形を比較して前記加点数、減点数を決定する請求項４に記載の開閉器。
　前記入力された波形の凪を検出し、所定時間での凪の発生回数と長さに応じて減点数を決定する請求項４または５に記載の開閉器。