WO2026014159A1 - アークのエネルギーを検出するための方法、装置、およびシステム - Google Patents

アークのエネルギーを検出するための方法、装置、およびシステム

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cable
voltage
energy
current
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光一 古澤
真司 谷口
裕啓 坂下
真也 阪田
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Omron Corp
Omron Tateisi Electronics Co
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    • G—PHYSICS
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S50/00—Monitoring or testing of PV systems, e.g. load balancing or fault identification

Definitions

  • the present invention relates to a method, device, and system for detecting the energy of an arc that occurs when a cable breaks.
  • a conventional method for determining whether an arc has occurred based on the frequency characteristics of the current.
  • the current in the cable is measured using a current sensor.
  • the components of the measured current in the arc frequency band e.g., several tens of kHz
  • FFT Fast Fourier Transform
  • the energy of the arc is represented by the product of the voltage Va at part 101 of cable 100 where the arc occurred due to a break and the current Ia flowing through that part.
  • the voltage Va at the above-mentioned part 101 is zero, so the arc energy is zero.
  • the current Ia is zero, so the arc energy is also zero.
  • the product of the voltage Va and the current Ia during the transient occurrence of the arc indicates the magnitude of the arc energy.
  • the energy of the arc can be calculated with high accuracy.
  • the cable is installed over a wide area, it is not easy to detect the voltage at the broken part of the cable.
  • the object of the present invention is to accurately detect the energy of an arc generated when a cable breaks.
  • a method according to a first aspect of the present invention is a method for detecting the energy of an arc that occurs when a cable connected to a power source is broken.
  • the method according to this aspect comprises detecting the current in the cable, detecting the voltage in the cable, determining the occurrence of an arc, calculating the voltage decrease from the time the arc occurred, and calculating the energy of the arc based on the voltage decrease and the current.
  • a device is a device for detecting the energy of an arc that occurs when a cable connected to a power source breaks.
  • the device according to this aspect includes a current sensor, a voltage sensor, and a computer.
  • the current sensor detects the current in the cable.
  • the voltage sensor detects the voltage in the cable.
  • the computer acquires the current and voltage.
  • the computer determines the occurrence of an arc.
  • the computer calculates the decrease in voltage from the time the arc occurred.
  • the computer calculates the energy of the arc based on the decrease in voltage and the current.
  • a system comprises a power supply, a cable, and an arc energy detection device.
  • the cable is connected to the power supply.
  • the arc energy detection device is connected to the cable.
  • the arc energy detection device comprises a current sensor, a voltage sensor, and a computer.
  • the current sensor detects the current in the cable.
  • the voltage sensor detects the voltage in the cable.
  • the computer acquires the current and voltage.
  • the computer determines the occurrence of an arc.
  • the computer calculates the decrease in voltage from the time the arc occurred.
  • the computer calculates the energy of the arc based on the decrease in voltage and the current.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of a power supply system according to an embodiment.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of an arc energy detection device.
  • 10A and 10B are diagrams showing current waveforms and voltage waveforms when an arc occurs.
  • FIG. 10 is a diagram showing a current waveform and an inverted voltage waveform when an arc occurs.
  • FIG. 10 is a diagram showing the configuration of a power supply system according to a modified example.
  • FIG. 10 is a diagram showing a method for calculating arc energy according to a modified example.
  • FIG. 10 is a diagram showing a theoretical method for calculating arc energy.
  • FIG. 10 is a diagram showing a theoretical method for calculating arc energy.
  • Figure 1 is a schematic diagram showing the configuration of a power supply system 1 according to the embodiment.
  • the power supply system 1 includes a power source 2, a power conditioner 3, a cable 4, and a power interruption device 5.
  • the power source 2 supplies power.
  • the power source 2 includes, for example, a solar panel 6.
  • the solar panel 6 generates power using sunlight.
  • the power source 2 supplies the power generated by the solar panel 6.
  • the power conditioner 3 controls the power generated by the power source 2.
  • the power conditioner 3 converts the power generated by the power source 2 and supplies it to electrical equipment or a battery.
  • the cable 4 connects the power source 2 and the power conditioner 3.
  • the cable 4 includes a first cable 4A and a second cable 4B.
  • the first cable 4A is connected to the positive terminal of the power source 2
  • the second cable 4B is connected to the negative terminal of the power source 2.
  • the power interruption device 5 switches between connecting and disconnecting the power source 2 and the cable 4 in response to commands from the power conditioner 3.
  • the power interruption device 5 includes, for example, a relay 7.
  • the relay 7 is switchable between an on state and an off state. When the relay 7 is in the on state, it connects the power source 2 to the cable 4. When the relay 7 is in the off state, it disconnects the power source 2 from the cable 4.
  • the power conditioner includes an arc energy detection device 8.
  • the arc energy detection device 8 detects the occurrence of an arc in the cable 4 and detects the energy of the arc that occurs.
  • Figure 2 is a block diagram showing the configuration of the arc energy detection device 8. As shown in Figure 2, the arc energy detection device 8 includes a current sensor 11, a voltage sensor 12, and a detection circuit 13.
  • the current sensor 11 is connected to the first cable 4A.
  • the current sensor 11 detects the current input to the power conditioner.
  • the current sensor 11, that is, the current sensor 11, detects current waveform data that indicates the waveform of the current flowing through the first cable 4A.
  • the voltage sensor 12 is connected to the first cable 4A and the second cable 4B. The voltage sensor 12 detects the voltage between the first cable 4A and the second cable 4B.
  • the detection circuit 13 includes an amplifier 14, a filter 15, and a microcomputer 16.
  • the amplifier 14 amplifies the current waveform data detected by the current sensor 11.
  • the filter 15 extracts the arc frequency band components of the amplified current waveform data.
  • the microcomputer 16 includes an A/D conversion unit 21, an FFT unit 22, an arc determination unit 23, an arc energy calculation unit 24, and an interruption control unit 25.
  • the A/D conversion unit 21, the FFT unit 22, the arc determination unit 23, and the arc energy calculation unit 24 are each realized by processing by the microcomputer 16.
  • the A/D conversion unit 21 performs A/D conversion on the current waveform data in the arc frequency band that has passed through the filter 15.
  • the FFT unit 22 performs a fast Fourier transform on the converted current waveform data to calculate the power spectrum of the current waveform data for each frequency component.
  • the arc determination unit 23 determines whether an arc has occurred based on the power spectrum of the current waveform data. For example, the arc determination unit 23 determines that an arc has occurred when the power spectrum of the current waveform data is equal to or greater than a predetermined power threshold.
  • the arc energy calculation unit 24 calculates the energy of the arc based on the current detected by the current sensor 11 and the voltage detected by the voltage sensor 12.
  • Figure 3 shows the waveform of the current I1 and the waveform of the voltage V1 when an arc occurs.
  • the arc determination unit 23 determines that an arc has occurred at time T1 shown in Figure 3.
  • the arc energy calculation unit 24 calculates the decrease ⁇ V in the voltage V1 from the time T1 when the arc occurs.
  • the arc energy calculation unit 24 calculates the decrease ⁇ V in the voltage V1 from the time T1 when the arc occurs by inverting the waveform of the voltage V1 after the time T1 when the arc occurs.
  • the arc energy calculation unit 24 calculates the energy of the arc based on the decrease ⁇ V in voltage V1 after the arc generation time T1 and the current I1. As shown by hatching in Figure 4, the arc energy calculation unit 24 calculates the product of the decrease ⁇ V in voltage V1 after the arc generation time T1 and the current I1 as the arc energy Ea.
  • the cutoff control unit 25 determines whether to cut off power from the power source 2 to the cable 4 based on the energy of the arc. For example, if the energy of the arc is equal to or greater than a predetermined energy threshold, the cutoff control unit 25 determines to cut off power from the power source 2 to the cable 4. In that case, the cutoff control unit 25 controls the power cutoff device 5 to cut off power to the cable 4.
  • the energy of the arc is calculated based on the decrease ⁇ V in the voltage V1 input from the cable 4 to the arc energy detection device 8 after the time T1 at which the arc occurs.
  • the voltage V1 input to the arc energy detection device 8 decreases by the voltage at the part of the cable 4 where the arc occurred. Therefore, the decrease ⁇ V in the voltage V1 after the time T1 at which the arc occurred can be considered to correspond to the voltage at the part of the cable 4 where the arc occurred. Therefore, even if the position of the broken part in the cable 4 cannot be identified, the energy of the arc can be detected with high accuracy.
  • the configuration of the power supply system 1 is not limited to that of the above embodiment and may be modified.
  • the power source 2 may include a generator other than the solar panel 6.
  • the power source 2 may be a commercial power source 2.
  • FIG. 5 is a diagram showing the configuration of a power supply system 1 according to a modified example. As shown in Figure 5, the arc energy detection device 8 may be separate from the power conditioner 3.
  • FIG. 6 is a diagram showing a method for calculating arc energy according to a modified example. For example, after an arc occurs, it may take a certain amount of time for the arc determination unit 23 to detect the arc. In that case, as shown in Figure 6, the arc energy calculation unit 24 may estimate the time T1 at which the arc occurred to be a predetermined time ⁇ T before the time T2 at which the occurrence of the arc was determined.
  • Power supply 4 Cable 5: Power cutoff device 6: Solar panel 8: Arc energy detection device 11: Current I1 sensor 12: Voltage sensor 16: Microcomputer

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Abstract

アークのエネルギーを検出するための方法は、ケーブルの電流を検出することと、ケーブルの電圧を検出することと、アークの発生を判定することと、アークの発生時点からの電圧の減少分を算出することと、電圧の減少分と電流とに基づいて、アークのエネルギーを算出すること、を備える。

Description

アークのエネルギーを検出するための方法、装置、およびシステム
　本発明は、ケーブルが断線した場合に発生するアークのエネルギーを検出するための方法、装置、およびシステムに関する。
　従来、電流の周波数特性により、アークの発生を判定する方法が知られている。この方法では、電流センサによって、ケーブルの電流が測定される。測定された電流のうち、アーク周波数帯域（例えば数１０ｋＨｚ）の成分に対して、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）による解析が施される。それにより得られた周波数特性のレベルにより、アークの発生が判定される。
国際公開公報ＷＯ２０１７／１４９８５９号
　しかし、アークの発生だけではなく、アークによる影響を精度よく判定するためには、アークのエネルギーを検出することが必要となる。図７に示すように、アークのエネルギーは、ケーブル１００において、断線によりアークが発生した部分１０１での電圧Ｖａと、その部分を流れる電流Ｉａとの積によって表される。詳細には、図８に示すように、アーク発生前は、上述した部分１０１での電圧Ｖａはゼロであるため、アークエネルギーはゼロである。アークによりケーブルが部分１０１で断線した後は、電流Ｉａがゼロであるため、アークエネルギーはゼロである。過渡的にアークが発生している間の電圧Ｖａと電流Ｉａとの積がアークエネルギーの大きさを示す。
　従って、アーク発生中の電圧Ｖａと電流Ｉａとを検出すれば、アークのエネルギーを精度よく算出することができる。しかし、ケーブルの断線によって発生したアークのエネルギーを検出する場合、ケーブルがどの部分で断線するかを予測することは困難である。特に、ケーブルが広い範囲に配設されている場合には、ケーブルの断線部分での電圧を検出することは容易ではない。本発明の目的は、ケーブルが断線した場合に発生するアークのエネルギーを精度よく検出することにある。
　本発明の第１の態様に係る方法は、電源に接続されたケーブルが断線した場合に発生するアークのエネルギーを検出するための方法である。本態様に係る方法は、ケーブルの電流を検出することと、ケーブルの電圧を検出することと、アークの発生を判定することと、アークの発生時点からの電圧の減少分を算出することと、電圧の減少分と電流とに基づいて、アークのエネルギーを算出すること、を備える。
　本発明の第２の態様に係る装置は、電源に接続されたケーブルが断線した場合に発生するアークのエネルギーを検出するための装置である。本態様に係る装置は、電流センサと、電圧センサと、コンピュータとを備える。電流センサは、ケーブルの電流を検出する。電圧センサは、ケーブルの電圧を検出する。コンピュータは、電流と電圧とを取得する。コンピュータは、アークの発生を判定する。コンピュータは、アークの発生時点からの電圧の減少分を算出する。コンピュータは、電圧の減少分と電流とに基づいて、アークのエネルギーを算出する。
　本発明の第３の態様に係るシステムは、電源と、ケーブルと、アークエネルギー検出装置とを備える。ケーブルは、電源に接続される。アークエネルギー検出装置は、ケーブルに接続される。アークエネルギー検出装置は、電流センサと、電圧センサと、コンピュータとを備える。電流センサは、ケーブルの電流を検出する。電圧センサは、ケーブルの電圧を検出する。コンピュータは、電流と電圧とを取得する。コンピュータは、アークの発生を判定する。コンピュータは、アークの発生時点からの電圧の減少分を算出する。コンピュータは、電圧の減少分と電流とに基づいて、アークのエネルギーを算出する。
　本発明によれば、ケーブルが断線した場合に発生するアークのエネルギーを精度よく検出することができる。
実施形態に係る電力供給システムの構成を示す模式図である。 アークエネルギー検出装置の構成を示すブロック図である。 アーク発生時の電流波形と電圧波形とを示す図である。 アーク発生時の電流波形と反転された電圧波形とを示す図である。 変形例に係る電力供給システムの構成を示す図である。 変形例に係るアークエネルギーを算出するための方法を示す図である。 理論上のアークのエネルギーの算出方法を示す図である。 理論上のアークのエネルギーの算出方法を示す図である。
　以下、図面を参照して実施形態にかかるアークエネルギーを算出するための方法について説明する。図１は、実施形態に係る電力供給システム１の構成を示す模式図である。図１に示すように、電力供給システム１は、電源２と、パワーコンディショナー３と、ケーブル４と、電力遮断装置５とを備える。
　電源２は、電力を供給する。電源２は、例えばソーラーパネル６を含む。ソーラーパネル６は、太陽光により発電する。電源２は、ソーラーパネル６によって発電された電力を供給する。パワーコンディショナー３は、電源２で発電された電力を制御する。パワーコンディショナー３は、電源２で発電された電力を変換して、電気機器、或いはバッテリに供給する。ケーブル４は、電源２とパワーコンディショナー３とを接続する。ケーブル４は、第１ケーブル４Ａと第２ケーブル４Ｂとを含む。例えば、第１ケーブル４Ａは電源２のプラス極に接続され、第２ケーブル４Ｂは電源２のマイナス極に接続されている。
　電力遮断装置５は、パワーコンディショナー３からの指令に応じて、電源２とケーブル４との接続と遮断とを切り替える。電力遮断装置５は、例えば、リレー７を含む。リレー７は、オン状態とオフ状態とに切り替え可能である。リレー７は、オン状態で、電源２をケーブル４に接続する。リレー７は、オフ状態で、電源２をケーブル４から遮断する。
　パワーコンディショナーは、アークエネルギー検出装置８を含む。アークエネルギー検出装置８は、ケーブル４におけるアークの発生を検出し、発生したアークのエネルギーを検出する。図２は、アークエネルギー検出装置８の構成を示すブロック図である。図２に示すように、アークエネルギー検出装置８は、電流センサ１１と、電圧センサ１２と、検出回路１３とを含む。
　電流センサ１１は、第１ケーブル４Ａに接続されている。電流センサ１１は、パワーコンディショナーに入力される電流を検出する。電流センサ１１は、すなわち、電流センサ１１は、第１ケーブル４Ａを流れる電流の波形を示す電流波形データを検出する。電圧センサ１２は、第１ケーブル４Ａと第２ケーブル４Ｂとに接続されている。電圧センサ１２は、第１ケーブル４Ａと第２ケーブル４Ｂとの間の電圧を検出する。
　検出回路１３は、増幅器１４と、フィルタ１５と、マイクロコンピュータ１６とを含む。増幅器１４は、電流センサ１１が検出した電流波形データを増幅させる。フィルタ１５は、増幅された電流波形データのアーク周波数帯域の成分を抽出する。
　マイクロコンピュータ１６は、Ａ／Ｄ変換部２１と、ＦＦＴ部２２と、アーク判定部２３と、アークエネルギー算出部２４と、遮断制御部２５とを含む。Ａ／Ｄ変換部２１と、ＦＦＴ部２２と、アーク判定部２３と、アークエネルギー算出部２４とは、それぞれマイクロコンピュータ１６による処理によって実現される。Ａ／Ｄ変換部２１は、フィルタ１５を通過したアーク周波数帯域の電流波形データに対して、Ａ／Ｄ変換を行う。ＦＦＴ部２２は、変換された電流波形データに高速フーリエ変換を施すことで、周波数成分ごとの電流波形データのパワースペクトルを算出する。
　アーク判定部２３は、電流波形データのパワースペクトルに基づいて、アークの発生を判定する。例えば、アーク判定部２３は、電流波形データのパワースペクトルが、所定のパワー閾値以上である場合に、アークが発生したと判定する。
　アークエネルギー算出部２４は、電流センサ１１が検出した電流と、電圧センサ１２が検出した電圧とに基づいて、アークのエネルギーを算出する。図３は、アーク発生時の電流Ｉ１の波形と電圧Ｖ１の波形とを示す図である。アーク判定部２３は、図３に示す時間Ｔ１で、アークが発生したと判定する。アークエネルギー算出部２４は、アークの発生時点Ｔ１からの電圧Ｖ１の減少分ΔＶを算出する。例えば、アークエネルギー算出部２４は、アークの発生時点Ｔ１以降の電圧Ｖ１の波形を反転させることで、アークの発生時点Ｔ１からの電圧Ｖ１の減少分ΔＶを算出する。
　アークエネルギー算出部２４は、アークの発生時点Ｔ１以降の電圧Ｖ１の減少分ΔＶと電流Ｉ１とに基づいて、アークのエネルギーを算出する。アークエネルギー算出部２４は、図４においてハッチングで示されているように、アークの発生時点Ｔ１以降の電圧Ｖ１の減少分ΔＶと電流Ｉ１との積を、アークのエネルギーＥａとして算出する。
　遮断制御部２５は、アークのエネルギーに基づいて、電源２からケーブル４への電力を遮断するかを判定する。例えば、遮断制御部２５は、アークのエネルギーが所定のエネルギー閾値以上である場合には、電源２からケーブル４への電力を遮断すると決定する。その場合、遮断制御部２５は、電力遮断装置５を制御して、ケーブル４への電力を遮断する。
　以上説明した本実施形態に係るアークエネルギーを算出する方法によれば、ケーブル４からアークエネルギー検出装置８に入力される電圧Ｖ１のアークの発生時点Ｔ１以降の減少分ΔＶに基づいて、アークのエネルギーが算出される。アークが発生した場合、アークエネルギー検出装置８に入力される電圧Ｖ１は、ケーブル４においてアークが発生した部分での電圧分だけ減少する。従って、電圧Ｖ１のアークの発生時点Ｔ１以降の減少分ΔＶは、ケーブル４においてアークが発生した部分での電圧に相当するとみなすことができる。そのため、ケーブル４における断線部分の位置が特定できなくても、アークのエネルギーを精度よく検出することができる。
　以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
　電力供給システム１の構成は上記の実施形態のものに限らず、変更されてもよい。例えば、電源２は、ソーラーパネル６以外の発電機を含んでもよい。或いは、電源２は、商用電源２であってもよい。
　アークエネルギー検出装置８の構成は上記の実施形態のものに限らず、変更されてもよい。例えば、図５は、変形例に係る電力供給システム１の構成を示す図である。図５に示すように、アークエネルギー検出装置８は、パワーコンディショナー３と別体であってもよい。
　アークエネルギーを算出するための方法は、上記の実施形態のものに限らず、変更されてもよい。図６は、変形例に係るアークエネルギーを算出するための方法を示す図である。例えば、アークの発生後、アーク判定部２３がアークを検出するまでに一定時間がかかる場合がある。その場合、図６に示すように、アークエネルギー算出部２４は、アークの発生を判定した時点Ｔ２から所定時間ΔＴ前を、アークの発生時点Ｔ１と推定してもよい。
　本発明によれば、ケーブルが断線した場合に発生するアークのエネルギーを精度よく検出することができる。
２：電源
４：ケーブル
５：電力遮断装置
６：ソーラーパネル
８：アークエネルギー検出装置
１１：電流Ｉ１センサ
１２：電圧センサ
１６：マイクロコンピュータ

Claims (12)

  1. 　電源に接続されたケーブルが断線した場合に発生するアークのエネルギーを検出するための方法であって、
    　前記ケーブルの電流を検出することと、
    　前記ケーブルの電圧を検出することと、
    　前記アークの発生を判定することと、
    　前記アークの発生時点からの前記電圧の減少分を算出することと、
    　前記電圧の減少分と前記電流とに基づいて、前記アークのエネルギーを算出すること、
    を備える方法。
  2. 　前記アークの発生を判定した時点から所定時間前を、前記アークの発生時点と推定することをさらに備える、
    請求項１に記載の方法。
  3. 　前記アークのエネルギーが所定の閾値以上である場合には、前記ケーブルに接続される電力遮断装置を制御して、前記ケーブルへの電力を遮断することをさらに備える、
    請求項１に記載の方法。
  4. 　前記電源は、ソーラーパネルを含む、
    請求項１に記載の方法。
  5. 　電源に接続されたケーブルに接続され、前記ケーブル断線した場合に発生するアークのエネルギーを検出するための装置であって、
    　前記ケーブルの電流を検出する電流センサと、
    　前記ケーブルの電圧を検出する電圧センサと、
    　前記電流と前記電圧とを取得するコンピュータと、
    を備え、
    　前記コンピュータは、
    　　前記アークの発生を判定し、
    　　前記アークの発生時点からの前記電圧の減少分を算出し、
    　　前記電圧の減少分と前記電流とに基づいて、前記アークのエネルギーを算出する、
    装置。
  6. 　前記コンピュータは、前記アークの発生を判定した時点から所定時間前を、前記アークの発生時点と推定する、
    請求項５に記載の装置。
  7. 　前記コンピュータは、前記アークのエネルギーが所定の閾値以上である場合には、前記ケーブルに接続される電力遮断装置を制御して、前記ケーブルへの電力を遮断する、
    請求項５に記載の装置。
  8. 　前記電源は、ソーラーパネルを含む、
    請求項５に記載の装置。
  9. 　電源と、
    　前記電源に接続されたケーブルと、
    　前記ケーブルに接続されたアークエネルギー検出装置と、
    を備え、
    　前記アークエネルギー検出装置は、
    　　前記ケーブルの電流を検出する電流センサと、
    　　前記ケーブルの電圧を検出する電圧センサと、
    　　前記電流と前記電圧とを取得するコンピュータと、
    　を含み、
    　前記コンピュータは、
    　　前記アークの発生を判定し、
    　　前記アークの発生時点からの前記電圧の減少分を算出し、
    　　前記電圧の減少分と前記電流とに基づいて、前記アークのエネルギーを算出する、
    システム。
  10. 　前記コンピュータは、前記アークの発生を判定した時点から所定時間前を、前記アークの発生時点と推定する、
    請求項９に記載のシステム。
  11. 　前記ケーブルに接続される電力遮断装置をさらに備え、
    　前記コンピュータは、前記アークのエネルギーが所定の閾値以上である場合には、前記電力遮断装置を制御して、前記ケーブルへの電力を遮断する、
    請求項９に記載のシステム。
  12. 　前記電源は、ソーラーパネルを含む、
    請求項９に記載のシステム。
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