(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＤＣ電圧を有する電圧源と負荷装置とが２本のケーブルを介して接続され、上記電圧源と上記負荷装置との間に並列に接続され、ＤＣアークの発生を検知するＤＣアーク検知装置において、上記ＤＣアーク検知装置は、
上記電圧源と上記負荷装置との間にトランスを介して並列にＡＣ結合して接続され、上記２本のケーブル間のライン電圧から、所定の基準電圧からの電圧変化成分を抽出する電圧変化成分抽出手段と、
上記電圧変化成分が正の第１のしきい値を越えたことを検知する電圧上昇検知手段と、
上記電圧変化成分が負の第２のしきい値よりも下がったことを検知する電圧小降下検知手段と、
上記電圧変化成分が、上記第２のしきい値よりも低い負の第３のしきい値よりも下がったことを検知する電圧大降下検知手段と、
上記電圧変化成分に含まれる高周波ノイズの大きさが、予め決められた不感時間及び予め決められた第１の時間にわたって第４のしきい値を超えたことを検知する第１のノイズ検知手段と、
上記電圧変化成分に含まれる高周波ノイズの大きさが、予め決められた第２の時間にわたって上記第４のしきい値を超えたことを検知する第２のノイズ検知手段と、
上記電圧上昇検知手段、上記電圧小降下検知手段、上記電圧大降下検知手段、上記第１のノイズ検知手段、及び上記第２のノイズ検知手段の検知結果の組み合わせに基づいてＤＣアークの発生を検知する判定手段とを備え、上記判定手段は、
（ａ）上記電圧変化成分が上記第２のしきい値よりも低くかつ上記第３のしきい値よりも高くなったとき、かつ、上記高周波ノイズの大きさが上記不感時間及び上記第１の時間にわたって上記第４のしきい値を超えているとき、上記ＤＣアーク検知装置に対して上記電圧源が位置した側において直列ＤＣアークが発生したことを検知し、
（ｂ）上記電圧変化成分が上記第１のしきい値よりも低い正の値になったとき、かつ、上記高周波ノイズの大きさが上記第２の時間にわたって上記第４のしきい値を超えているとき、上記ＤＣアーク検知装置に対して上記負荷装置が位置した側において直列ＤＣアークが発生したことを検知し、
（ｃ）上記電圧変化成分が上記第３のしきい値よりも低くなったとき、かつ、上記高周波ノイズの大きさが上記不感時間及び上記第１の時間にわたって上記第４のしきい値を超えているとき、並列ＤＣアークが発生したことを検知することを特徴とするＤＣアーク検知装置。
【請求項２】
上記ＤＣアーク検知装置は、上記ケーブルに流れる電流の有無を検知する電流検知手段をさらに備え、
上記判定手段は、
（ｃ１）上記電圧変化成分が上記第３のしきい値よりも低くなったとき、かつ、上記高周波ノイズの大きさが上記不感時間及び上記第１の時間にわたって上記第４のしきい値を超えているとき、かつ、上記正又は負の電圧ケーブルに電流が流れているとき、上記ＤＣアーク検知装置に対して上記負荷装置が位置した側において並列ＤＣアークが発生したことを検知し、
（ｃ２）上記電圧変化成分が上記第３のしきい値よりも低くなったとき、かつ、上記高周波ノイズの大きさが上記不感時間及び上記第１の時間にわたって上記第４のしきい値を超えているとき、かつ、上記正又は負の電圧ケーブルに電流が流れていないとき、上記ＤＣアーク検知装置に対して上記ＤＣ電圧を有する電圧源が位置した側において並列ＤＣアークが発生したことを検知することを特徴とする請求項１記載のＤＣアーク検知装置。
【請求項３】
上記電圧源及び上記負荷装置は遮断器を介して接続され、
上記判定手段は、
（ｄ）上記電圧変化成分が交互に上記第１のしきい値を超えた値及び上記第３のしきい値よりも低い値になったとき、かつ、上記高周波ノイズの大きさが上記第４のしきい値を超えている時間の長さが上記不感時間を越えないとき、上記遮断器の閉極を検知し、
（ｅ）上記電圧変化成分が上記第３のしきい値よりも低くなったとき、かつ、上記高周波ノイズの大きさが上記第４のしきい値を超えている時間の長さが上記不感時間を越えないとき、上記遮断器の開極を検知することを特徴とする請求項１又は２記載のＤＣアーク検知装置。
【請求項４】
上記不感時間は、上記遮断器を開極及び閉極したときに発生するＤＣアークが消弧されるまでの時間よりも長いことを特徴とする請求項３記載のＤＣアーク検知装置。
【請求項５】
上記ＤＣアーク検知装置は、上記電圧変化成分を増幅して整流する手段をさらに備え、
上記第１及び第２のノイズ検知手段は、上記増幅して整流された電圧変化成分から、上記電圧変化成分に含まれる高周波ノイズの大きさを取得することを特徴とする請求項１から４のうちのいずれか１つに記載のＤＣアーク検知装置。
【請求項６】
上記第１のノイズ検知手段は、上記第１の時間のうちの連続又は不連続な一定時間にわたって上記高周波ノイズの大きさが上記第４のしきい値を越えたとき、上記高周波ノイズの大きさが上記第１の時間にわたって上記第４のしきい値を越えたと判断することを特徴とする請求項１から５のうちのいずれか１つに記載のＤＣアーク検知装置。
【請求項７】
上記第２のノイズ検知手段は、上記第２の時間のうちの連続又は不連続な一定時間にわたって上記高周波ノイズの大きさが上記第４のしきい値を越えたとき、上記高周波ノイズの大きさが上記第２の時間にわたって上記第４のしきい値を越えたと判断することを特徴とする請求項１から６のうちのいずれか１つに記載のＤＣアーク検知装置。
【請求項８】
上記電圧源は太陽光発電装置であることを特徴とする請求項１から７のうちのいずれか１つに記載のＤＣアーク検知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回路保護のために、例えば太陽光発電装置（photovoltiacs, ＰＶ）などにおいて発生する直流（ＤＣ）アークの発生を検知するＤＣアーク検知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自然エネルギーの活用が活発化し、家庭向けの太陽光発電装置及びメガソーラー発電設備など、多数の太陽光発電装置が導入されてきている。それに伴い、太陽光発電装置において発生したＤＣアークに起因する火災事故が問題視されてきている。米国では、米国電気工事基準としてＮＥＣ６９０．１１が規格化され、太陽光発電装置にはＤＣアークを検知して保護可能なデバイスを実装することが義務付けられた。今後、日本及びヨーロッパにおいても同様の規格が制定されて施行される方向に向かうと思われる。
【０００３】
ＤＣアークには、直列ＤＣアーク及び並列ＤＣアークの２種類がある。直列ＤＣアークは、主に、設置時の締め付け不良又は長年の振動などにより電流経路に含まれるネジなどの部品が緩み、電流経路に接触不良（不連続区間）が生じたときに発生する。並列ＤＣアークは、正負の電源線の被覆が腐食したとき又は動物にかじられたときに正負の芯線が露出して互いに接触し（短絡）、その後に正負の芯線が離隔したときに発生する。交流（ＡＣ）電源の場合、周期的に電流が０になる瞬間があり、このときアークは消弧される。一方、ＤＣ電源の場合、常に電流が流れているので、アークが長時間持続することでアークの発生箇所が高温になり、発火して焼損する事故につながる可能性がＡＣ電源の場合よりも高くなる。
【０００４】
一般的に回路保護のために使用される遮断器は、過電流を検知して回路を遮断する。しかしながら、太陽光発電装置では、発電できる電力が限られているので、直列ＤＣアークが発生しても電流は正常状態とほとんど変わることなく、また、並列ＤＣアークが発生して回路が短絡しても大きな短絡電流が流れることはない。従って、太陽光発電装置では、直列ＤＣアーク又は並列ＤＣアークが発生しても、遮断器で検知可能な過電流は発生しない。
【０００５】
ＤＣアークを検知するために、従来、太陽光発電装置の出力電圧が印加される正負の電源線（以下、「ＰＶライン」という）のＤＣ電圧を測定する方法が知られている。例えば、特許文献１は、負荷に印加されたＤＣ電圧が一定時間しきい値を下回ったとき、ＤＣアークの発生を検知する方法を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００５−５０３７４３号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】J. Johnson, et al., "PHOTOVOLTAIC DC ARC FAULT DETECTOR TESTING AT SANDIA NATIONAL LABORATORIES", Photovoltaic Specialists Conference (PVSC), 2011 37th IEEE, pp. 3614-3619, June 19-24, 2011.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、ＰＶラインのＤＣ電圧を直接に検知する場合、ＰＶラインとＤＣアーク検知装置とを電気的に絶縁することができない。そのため、ＤＣアーク検知装置が故障したときに、その故障を原因とする短絡が発生した場合には、ＰＶラインに接続された他の装置（太陽光発電装置、パワーコンディショナ、など）に影響を及ぼすことになる。
【０００９】
回路を電気的に絶縁するために、トランスを利用することが知られている。しかし、トランスを介してＤＣアーク検知装置をＰＶラインに接続しても、ＰＶラインのＤＣ電圧の大きさを検知することができず、特許文献１の方法を適用することができない。従って、監視対象の回路を電気的に絶縁したときであっても、ＤＣアークの発生を検知することができるＤＣアーク検知装置が必要とされる。
【００１０】
また、回路中の遮断器が閉極及び開極したときにもＤＣアークが発生するが、このＤＣアークとは区別して、回路の接触不良又は短絡によるＤＣアークの発生のみを検知することができるＤＣアーク検知装置が必要とされる。
【００１１】
また、回路のノイズとは区別して、ＤＣアークの発生のみを検知することができるＤＣアーク検知装置が必要とされる。
【００１２】
本発明の目的は、以上の課題を解決し、監視対象の回路に影響を与えることなく、高精度でＤＣアークの発生を検知することができるＤＣアーク検知装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の態様に係るＤＣアーク検知装置によれば、
ＤＣ電圧を有する電圧源と負荷装置とが２本のケーブルを介して接続され、上記電圧源と上記負荷装置との間に並列に接続され、ＤＣアークの発生を検知するＤＣアーク検知装置において、上記ＤＣアーク検知装置は、
上記電圧源と上記負荷装置との間にトランスを介して並列にＡＣ結合して接続され、上記２本のケーブル間のライン電圧から、所定の基準電圧からの電圧変化成分を抽出する電圧変化成分抽出手段と、
上記電圧変化成分が正の第１のしきい値を越えたことを検知する電圧上昇検知手段と、
上記電圧変化成分が負の第２のしきい値よりも下がったことを検知する電圧小降下検知手段と、
上記電圧変化成分が、上記第２のしきい値よりも低い負の第３のしきい値よりも下がったことを検知する電圧大降下検知手段と、
上記電圧変化成分に含まれる高周波ノイズの大きさが、予め決められた不感時間及び予め決められた第１の時間にわたって第４のしきい値を超えたことを検知する第１のノイズ検知手段と、
上記電圧変化成分に含まれる高周波ノイズの大きさが、予め決められた第２の時間にわたって上記第４のしきい値を超えたことを検知する第２のノイズ検知手段と、
上記電圧上昇検知手段、上記電圧小降下検知手段、上記電圧大降下検知手段、上記第１のノイズ検知手段、及び上記第２のノイズ検知手段の検知結果の組み合わせに基づいてＤＣアークの発生を検知する判定手段とを備え、上記判定手段は、
（ａ）上記電圧変化成分が上記第２のしきい値よりも低くかつ上記第３のしきい値よりも高くなったとき、かつ、上記高周波ノイズの大きさが上記不感時間及び上記第１の時間にわたって上記第４のしきい値を超えているとき、上記ＤＣアーク検知装置に対して上記電圧源が位置した側において直列ＤＣアークが発生したことを検知し、
（ｂ）上記電圧変化成分が上記第１のしきい値よりも低い正の値になったとき、かつ、上記高周波ノイズの大きさが上記第２の時間にわたって上記第４のしきい値を超えているとき、上記ＤＣアーク検知装置に対して上記負荷装置が位置した側において直列ＤＣアークが発生したことを検知し、
（ｃ）上記電圧変化成分が上記第３のしきい値よりも低くなったとき、かつ、上記高周波ノイズの大きさが上記不感時間及び上記第１の時間にわたって上記第４のしきい値を超えているとき、並列ＤＣアークが発生したことを検知することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のＤＣアーク検知装置によれば、監視対象の回路に影響を与えることなく、高精度でＤＣアークの発生を検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態１に係る太陽光発電システム及びＤＣアーク検知装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１のＡＣ成分抽出回路１１の詳細較正を示す回路図である。
【図３】図１の遮断器２が閉極するときの電圧Ｖｄｃ１、Ｖａｃ、Ｖｄｃ２の変化を示すタイミングチャートである。
【図４】図１の遮断器２が開極するときの電圧Ｖｄｃ１、Ｖａｃ、Ｖｄｃ２の変化を示すタイミングチャートである。
【図５】図１のＡＣ成分抽出回路１１の上流で直列ＤＣアークが発生したときの電圧Ｖｄｃ１、Ｖａｃ、Ｖｄｃ２の変化を示すタイミングチャートである。
【図６】図１のＡＣ成分抽出回路１１の下流で直列ＤＣアークが発生したときの電圧Ｖｄｃ１、Ｖａｃ、Ｖｄｃ２の変化を示すタイミングチャートである。
【図７】図１のＡＣ成分抽出回路１１の上流又は下流で並列ＤＣアークが発生したときの電圧Ｖｄｃ１、Ｖａｃ、Ｖｄｃ２の変化を示すタイミングチャートである。
【図８】図１の判定回路１８による判定結果を示す表である。
【図９】本発明の実施の形態２に係る太陽光発電システム及びＤＣアーク検知装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】比較例に係る太陽光発電システム及びＤＣアーク検知装置の構成を示すブロック図である。
【図１１】図１０の遮断器２が閉極するときの電圧Ｖｄｃ１、Ｖａｃ、Ｖｄｃ２の変化を示すタイミングチャートである。
【図１２】図１０の遮断器２が開極するときの電圧Ｖｄｃ１、Ｖａｃ、Ｖｄｃ２の変化を示すタイミングチャートである。
【図１３】図１０のＡＣ成分抽出回路１１の上流で直列ＤＣアークが発生したときの電圧Ｖｄｃの変化を示すタイミングチャートである。
【図１４】図１０のＡＣ成分抽出回路１１の下流で直列ＤＣアークが発生したときの電圧Ｖｄｃの変化を示すタイミングチャートである。
【図１５】図１０のＡＣ成分抽出回路１１の上流又は下流で並列ＤＣアークが発生したときの電圧Ｖｄｃの変化を示すタイミングチャートである。
【図１６】太陽光発電装置１のＩＶ特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。各図面にわたって、同様の構成要素は、同じ符号により示す。
【００１７】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る太陽光発電システム及びＤＣアーク検知装置の構成を示すブロック図である。太陽光発電システムは、正負の電源線（ＰＶライン）を介して接続された太陽光発電装置１及びパワーコンディショナ３を備え、さらに、ＰＶケーブル上には遮断器２が設けられている。太陽光発電装置１は、ＰＶライン上にＤＣ電圧（ＰＶライン電圧）Ｖｄｃ１を供給する電圧源として機能する。ＤＣアーク検知装置は、ＡＣ成分抽出回路１１、電圧上昇検知回路１２、電圧小降下検知回路１３、電圧大降下検知回路１４、整流回路１５、イベント時ノイズ検知回路１６、常時ノイズ検知回路１７、及び判定回路１８を備える。
【００１８】
ＡＣ成分抽出回路１１は、太陽光発電装置１とパワーコンディショナ３との間（図１では、遮断器２とパワーコンディショナ３との間）において、ＰＶラインに並列に接続される。以下、本明細書において、ＡＣ成分抽出回路１１に対して太陽光発電装置１及び遮断器２が位置した側を「上流」と呼び、ＡＣ成分抽出回路１１に対してパワーコンディショナ３が位置した側を「下流」と呼ぶ。ＡＣ成分抽出回路１１は、ＰＶラインにＡＣ結合され、ＰＶライン電圧Ｖｄｃ１から、所定の基準電圧からの電圧変化成分Ｖａｃを抽出する。図２は、図１のＡＣ成分抽出回路１１の詳細構成を示す回路図である。ＡＣ成分抽出回路１１は、２つのコンデンサＣ、トランスＴＲ、及び抵抗Ｒを含む。コンデンサＣは、トランスＴＲの一次巻線に印加される電圧のＤＣ成分を遮断するために入れる。コンデンサＣを入れないと、ＰＶラインの＋側と−側が電圧のＤＣ成分で短絡した状態になる。トランスＴＲは、ＤＣアーク検知装置のうちのＡＣ成分抽出回路１１以外の部分と太陽光発電システムとを電気的に絶縁しながら、ＰＶライン電圧Ｖｄｃ１に含まれる電圧変化成分Ｖａｃのみを抽出することができる。抵抗Ｒは、電位を検知するための負荷抵抗である。ＰＶライン電圧Ｖｄｃ１は通常８０Ｖ〜１０００Ｖである。遮断器２を開極又は閉極したとき、あるいは、ＤＣアークが発生したとき、短時間ではあるがＰＶライン電圧Ｖｄｃ１とほぼ等しい電圧がトランスＴＲに印加されて大電流が流れ、発熱によりＤＣアーク検知装置が破壊される可能性がある。従って、回路を保護するために、ＡＣ成分抽出回路１１にバリスタ等を設けてもよい。このとき、バリスタの飽和電圧は、ＤＣアークにより発生する陰極降下電圧（例えば１０〜１５Ｖ）よりも高く、ＰＶライン電圧Ｖｄｃ１の最低値（例えば８０Ｖ）よりも低い値に設定される。これにより、トランスＴＲよりも後段の回路の耐圧を低くすることができ、後段の回路の設計に対する要件を緩和することができるという効果がある。
【００１９】
電圧上昇検知回路１２は、電圧変化成分Ｖａｃが、予め設定された正のしきい値Ｖｔｈ１を超えたことを検知する。このしきい値Ｖｔｈ１については後述する。
【００２０】
電圧小降下検知回路１３は、電圧変化成分Ｖａｃが、予め設定された負のしきい値Ｖｔｈ２よりも下がったことを検知する。このしきい値Ｖｔｈ２については後述する。
【００２１】
電圧大降下検知回路１４は、電圧変化成分Ｖａｃが、しきい値Ｖｔｈ２よりも低い、予め設定された負のしきい値Ｖｔｈ３よりも下がったことを検知する。このしきい値Ｖｔｈ３については後述する。
【００２２】
整流回路１５は、ＤＣアークにより発生する高周波ノイズ（ＤＣアークノイズ）を検知するための前処理を行う。整流回路１５は、電圧変化成分Ｖａｃを増幅して全波整流し、ＤＣ電圧Ｖｄｃ２として出力する。ＤＣ電圧Ｖｄｃ２は、電圧変化成分Ｖａｃに含まれる高周波ノイズの大きさを表す。全波整流を行うことにより、電圧変化成分Ｖａｃの電圧はその絶対値に変換される。整流回路１５は、平滑化のためにローパスフィルタをさらに備えてもよい。
【００２３】
イベント時ノイズ検知回路１６は、電圧変化成分Ｖａｃがしきい値Ｖｔｈ２よりも下がったことを電圧小降下検知回路１３が検知したとき、又は、電圧変化成分Ｖａｃがしきい値Ｖｔｈ３よりも下がったことを電圧大降下検知回路１４が検知したときに起動され、ＰＶライン電圧Ｖｄｃ１に基づいて、電圧変化成分Ｖａｃに含まれる高周波ノイズの大きさを検知する。イベント時ノイズ検知回路１６は、その起動後、予め設定された不感時間ｔ０にわたって待機し、その後、予め設定された時間ｔ１にわたって高周波ノイズの大きさが予め設定されたしきい値Ｖｔｈ４を越えたときに、ＤＣアークノイズの発生を検知する。イベント時ノイズ検知回路１６は、時間ｔ１のうちの連続又は不連続な一定時間にわたって高周波ノイズの大きさがしきい値Ｖｔｈ４を越えたとき、高周波ノイズの大きさが時間ｔ１にわたってしきい値Ｖｔｈ４を越えたと判断し、ＤＣアークノイズの発生を検知してもよい。不感時間ｔ０及び時間ｔ１については後述する。しきい値Ｖｔｈ４は、予め決められた値を設定してもよく、又は、正常時の移動平均値などから標準偏差の３倍以上の値を設定してもよい。
【００２４】
常時ノイズ検知回路１７は、常時、ＰＶライン電圧Ｖｄｃ１に基づいて、電圧変化成分Ｖａｃに含まれる高周波ノイズの大きさを検知する。常時ノイズ検知回路１７は、予め設定された時間ｔ２にわたって高周波ノイズの大きさがしきい値Ｖｔｈ４を越えたときに、ＤＣアークノイズの発生を検知する。常時ノイズ検知回路１７は、時間ｔ２のうちの連続又は不連続な一定時間にわたって高周波ノイズの大きさがしきい値Ｖｔｈ４を越えたとき、高周波ノイズの大きさが時間ｔ２にわたってしきい値Ｖｔｈ４を越えたと判断し、ＤＣアークノイズの発生を検知してもよい。時間ｔ２については後述する。
【００２５】
非特許文献１によれば、ＤＣアークが発生すると、１Ｈｚ〜１００ｋＨｚの周波数にわたって高周波ノイズが現れ、この高周波ノイズはＤＣアークが続く限り存在する。この周波数のうち、パワーコンディショナ３に起因するインバータノイズの影響が少ないのは、約１ｋＨｚから上の周波数帯域である。
【００２６】
判定回路１８は、電圧上昇検知回路１２、電圧小降下検知回路１３、電圧大降下検知回路１４、イベント時ノイズ検知回路１６、及び常時ノイズ検知回路１７の検知結果の組み合わせに基づいてＤＣアークの発生を検知する。検知方法の詳細については後述する。
【００２７】
ここで、図１０〜図１６を参照して、一般的な比較例のＤＣアーク検知装置の動作について説明する。
【００２８】
図１０は、比較例に係る太陽光発電システム及びＤＣアーク検知装置の構成を示すブロック図である。図１０の太陽光発電システムは、図１の太陽光発電システムと同様に、太陽光発電装置１、遮断器２、及びパワーコンディショナ３を備える。太陽光発電装置１は、ＰＶライン上にＤＣ電圧Ｖｄｃを供給する電圧源として機能する。図１０のＤＣアーク検知装置は、電圧検知回路２１及び判定回路２２を備える。電圧検知回路２１は、図２のＡＣ成分抽出回路１１のようにＰＶラインにＡＣ結合されたものではなく、ＰＶラインのＤＣ電圧を直接に検知する。
【００２９】
ＰＶラインのＤＣ電圧Ｖｄｃが変化する要因として、遮断器２の開閉動作がある。遮断器２は通常、工事及び事故などの際にＰＶラインを電気的に接続したり切り離したりするために実装される。
【００３０】
図１１は、図１０の遮断器２が閉極するときの電圧Ｖｄｃ１、Ｖａｃ、Ｖｄｃ２の変化を示すタイミングチャートである。遮断器２が閉極するとき、その接点はチャタリングしながら最終的に接触し、ＰＶラインのＤＣ電圧Ｖｄｃは太陽光発電装置１の出力電圧まで上昇する。そのため、ＤＣ電圧Ｖｄｃが太陽光発電装置１の出力電圧より低いしきい値Ｖｔｈ１１を一定時間ｔ１１にわたって超えたとき、遮断器２の閉極を検知する。
【００３１】
図１２は、図１０の遮断器２が開極するときの電圧Ｖｄｃ１、Ｖａｃ、Ｖｄｃ２の変化を示すタイミングチャートである。遮断器２が開極すると、ＰＶラインのＤＣ電圧Ｖｄｃは０Ｖになる。ＤＣ電圧Ｖｄｃが０Ｖになったことを検知するために、ＤＣ電圧Ｖｄｃがしきい値Ｖｔｈ１２（Ｖｔｈ１２＞０）よりも一定時間ｔ１２にわたって低くなったとき、遮断器の開極を検知する。
【００３２】
図１３は、図１０のＡＣ成分抽出回路１１の上流で直列ＤＣアークが発生したときの電圧Ｖｄｃの変化を示すタイミングチャートである。直列ＤＣアークが発生した瞬間（すなわち、電流経路に不連続区間が発生した瞬間）、ＰＶラインのＤＣ電圧Ｖｄｃは、１０〜１５Ｖの幅にわたって急減に低下する。この１０〜１５Ｖという電圧の低下幅は、ＤＣアークが発生する際の陰極降下電圧である。電圧の低下幅は、電流経路の不連続区間の長さに応じて変動する。太陽光発電システムでは、ねじの緩みによるＤＣアークの発生を想定しているので、電圧の低下幅の変動は、１０〜１５Ｖよりも若干大きな値になる程度であると考えられる。また、電圧の低下幅の時間変動の速さは、ＤＣアークが発生した瞬間における電圧の急激な変化に比べれば遅い。図１３では、説明の簡単化のため、ＤＣ電圧ＶｄｃはＤＣアーク発生後において変動しないように示している。以後の図においても同様に示す。ＡＣ成分抽出回路１１の上流でＤＣアークが発生したことは、ＤＣ電圧Ｖｄｃが太陽光発電装置１の出力電圧より低いしきい値Ｖｔｈ１３よりも一定時間ｔ１３にわたって低くなったとき、検知することができる。しきい値Ｖｔｈ１３は、太陽光発電装置１の出力電圧と、その電圧よりも１０〜１５Ｖ低い電圧とを区別するように設定される。一定時間ｔ１３が必要なのは、ノイズによる影響を除去するためである。
【００３３】
図１４は、図１０のＡＣ成分抽出回路１１の下流で直列ＤＣアークが発生したときの電圧Ｖｄｃの変化を示すタイミングチャートである。ＤＣアークが発生すると、パワーコンディショナ３にかかる電圧は１０〜１５Ｖ低下する。この低下は急激であるので、パワーコンディショナ３の負荷制御は追従できず、ＤＣアーク発生時において負荷は一定であると考えられる。図１６は、太陽光発電装置１のＩＶ特性を示すグラフである。パワーコンディショナ３は、太陽光発電装置１のＩＶ特性において最大の電力が取り出せるように負荷を制御する。図１６において、Ａ点において最大電力を取り出せると想定する。ＤＣアーク電圧が発生したとき、パワーコンディショナ３に掛かる電圧が低下する。そのため、太陽光発電装置１の出力電流は瞬時に低下する。すると、図１６のＩＶ特性において電流が低下したことにより、動作点がＡ点からＢ点に移動するので、太陽光発電装置１の出力電圧が上昇する。この出力電圧の上昇幅は、出力電流の大きさ及び太陽光発電装置１の仕様にもよるが、１０Ｖ程度である。太陽光発電装置１の出力電圧が過渡特性を持つので、出力電圧は瞬間的には上昇しないが、その上昇速度は、日射量などによる変化に比べれば十分に速い。よって、ＡＣ成分抽出回路１１の下流でＤＣアークが発生したことは、ＤＣ電圧Ｖｄｃが太陽光発電装置１の通常の出力電圧よりも増大し、一定時間ｔ１４以内にしきい値Ｖｔｈ１４よりも高くなったとき、検知することができる。しきい値Ｖｔｈ１３は、太陽光発電装置１の通常の出力電圧と、その電圧よりも１０程度高い電圧とを区別するように設定される。
【００３４】
図１５は、図１０のＡＣ成分抽出回路１１の上流又は下流で並列ＤＣアークが発生したときの電圧Ｖｄｃの変化を示すタイミングチャートである。ＡＣ成分抽出回路１１の上流で並列ＤＣアークが発生した場合でも、下流で並列ＤＣアークが発生した場合でも、ＰＶラインのＤＣ電圧Ｖｄｃは同様に変動する。並列ＤＣアークが発生すると、ＰＶラインのＤＣ電圧Ｖｄｃは１０〜１５Ｖ程度に急激に低下する。よって、並列ＤＣアークが発生したことは、ＤＣ電圧Ｖｄｃが一定時間ｔ１５にわたって２つのしきい値Ｖｔｈ１２及びＶｔｈ１５の範囲内にあるとき、検知することができる。一方のしきい値Ｖｔｈ１２は、遮断器２の開極と識別するためのしきい値である（図１２参照）。他方のしきい値Ｖｔｈ１５は、しきい値Ｖｔｈ１２よりも高い、電圧の急激な低下を検知するためのしきい値である。
【００３５】
図１０〜図１６を参照して説明したように、ＰＶラインのＤＣ電圧Ｖｄｃを検知できれば、一定時間にわたってＤＣ電圧Ｖｄｃをしきい値と比較することにより、遮断器２の開閉動作と区別して、ＤＣアークを検知することができる。
【００３６】
しかしながら、図２のＡＣ成分抽出回路１１のようにＤＣアーク検知装置がＰＶラインにＡＣ結合される場合には、図１０〜図１６を参照して説明した方法を適用することができない。ＤＣ電圧Ｖｄｃが検知できないと、ＰＶラインの電圧の変化だけに基づいてＤＣアークを検知しなければならない。しかし、図１０〜図１６を参照して説明した方法では、遮断器２を開極したときにはＤＣ電圧Ｖｄｃが０Ｖになり、並列ＤＣアークが発生したときにはＤＣ電圧Ｖｄｃが１０〜１５Ｖになることにより、単純にしきい値を用いてこれらを区別することができたが、ＰＶラインのＤＣ電圧を検知できないと区別できなくなる。また、ノイズ除去するために一定時間にわたってＤＣ電圧を検知していたが、ＤＣ電圧の変化だけ抽出する場合には、ノイズなのかＤＣアークなのかを区別できなくなる。
【００３７】
以下、図１のＤＣアーク検知装置の動作について説明する。
【００３８】
図３は、図１の遮断器２が閉極するときの電圧Ｖｄｃ１、Ｖａｃ、Ｖｄｃ２の変化を示すタイミングチャートである。遮断器２が閉極するとき、その接点はチャタリングしながら最終的に接触する。チャタリング時には接点の接触と分離が繰り返されるので、短い時間でアーク発生と消弧が繰り返される。よって、高周波ノイズの大きさは、少なくともチャタリング時間以上にわたって、しきい値Ｖｔｈ４を越えている。しかし、これは事故時のＤＣアークに起因する高周波ノイズではないので、ＤＣアークとして検知しないことが望ましい。よって、不感時間ｔ０は、遮断器２の閉極時のチャタリング時間以上の値を設定する。通常、チャタリング時間は１００ミリ秒以下である。また、遮断器２が閉極したことを検知するために、電圧上昇検知回路１２に、遮断器２の接点の接触を検知するしきい値Ｖｔｈ１を設定し、電圧大降下検知回路１４に、遮断器２の接点の分離を検知するしきい値Ｖｔｈ３を設定する。
【００３９】
図４は、図１の遮断器２が開極するときの電圧Ｖｄｃ１、Ｖａｃ、Ｖｄｃ２の変化を示すタイミングチャートである。遮断器２が開極すると、ＰＶライン電圧Ｖｄｃ１は０Ｖになる。しかし、遮断器２は小型化され、その接点の間の距離が近いので、接触した接点が開極により分離した後でアークが発生する。このアークは、ＡＣ電源であれば電流が０になる瞬間があるので、いずれ消弧するが、ＤＣ電源ではアークが持続する。アークが持続するとアーク箇所が高温になり、焼損の可能性があるので、遮断器２にはアークを一定時間以内に消弧する機構が備わっている。通常、アークは１００ミリ秒以内に消弧される。しかし、このアークは事故時に起因するものではないので、ＤＣアークとして検知しないことが望ましい。よって、不感時間ｔ０は、遮断器２の開極時に遮断器２のアークが消弧する時間（１００ミリ秒）以上の値を設定する。遮断器２が開極すると、電圧変化成分Ｖａｃは図４の中段に示すような波形になる。遮断器２の開極を検知するので、しきい値Ｖｔｈ３は、ＰＶライン電圧Ｖｄｃ１が０Ｖになることを検知できるしきい値を設定するが、後述する並列ＤＣアークの電圧低下も検知するので、並列ＤＣアークの電圧低下を検知でき、かつ、直列ＤＣアークを検知しないようにするしきい値を設定する。前述のように、電圧大降下検知回路１４には、遮断器２の接点の分離を検知するしきい値Ｖｔｈ３が設定されている。電圧大降下検知回路１４は、後述する並列ＤＣアークの電圧低下も検知するので、しきい値Ｖｔｈ３は、並列ＤＣアークの電圧低下を検知でき、かつ、直列ＤＣアークを検知しないように設定される。
【００４０】
図５は、図１のＡＣ成分抽出回路１１の上流で直列ＤＣアークが発生したときの電圧Ｖｄｃ１、Ｖａｃ、Ｖｄｃ２の変化を示すタイミングチャートである。ＡＣ成分抽出回路１１の上流で直列ＤＣアークが発生すると、ＰＶライン電圧Ｖｄｃ１が１０〜１５Ｖ程度低下する。このとき電圧変化成分Ｖａｃは、図５の中段に示すような信号になる。ＡＣ成分抽出回路１１に含まれる各素子の定数は、抽出するＡＣ電圧の成分が発振しないで急峻な変化を表すだけの信号になるように調整される。しきい値Ｖｔｈ２は、１０〜１５Ｖの急峻な電圧低下を検知できるように設定される。電圧変化成分Ｖａｃがしきい値Ｖｔｈ２又はＶｔｈ３を下回ったことを検知すると、イベント時ノイズ検知回路１６が起動される。イベント時ノイズ検知回路１６は、不感時間ｔ０にわたって待機し、その後、高周波ノイズの大きさが時間ｔ１にわたってしきい値Ｖｔｈ４を越えたときに、ＤＣアークノイズの発生を検知する。ＤＣ電圧Ｖｄｃ２は、数ｍＶレベルのＤＣアークノイズでも検知できるように電圧変化成分Ｖａｃに対して大きな増幅を行って取得するで、飽和している可能性がある。従って、不感時間ｔ０は、ＤＣ電圧Ｖｄｃ２が０Ｖ付近に落ちつくまでの時間を待つために設定する。この時間は、電圧変化成分Ｖａｃの大きさ、ＤＣ電圧Ｖｄｃ２の大きさ、整流回路１５内の増幅器の増幅率及び電源電圧などに応じて、適切に設定される。また、不感時間ｔ０は、前述した遮断器２が開極するときに発生するアーク時間よりも長く設定される。時間ｔ１は、１０ミリ秒程度以上の値が設定される。ＤＣアークノイズ以外のノイズの影響を少なくするためには、長い時間ｔ１を設定すればよい。但し、あまり長くすると検知時間が延びるので、最大で１００ミリ秒程度までが適切な値である。イベント時ノイズ検知回路１６は、時間ｔ１のうちの連続又は不連続な９０％程度の時間にわたって高周波ノイズの大きさがしきい値Ｖｔｈ４を越えたとき、高周波ノイズの大きさが時間ｔ１にわたってしきい値Ｖｔｈ４を越えたと判断し、ＤＣアークノイズの発生を検知してもよい。
【００４１】
図６は、図１のＡＣ成分抽出回路１１の下流で直列ＤＣアークが発生したときの電圧Ｖｄｃ１、Ｖａｃ、Ｖｄｃ２の変化を示すタイミングチャートである。ＡＣ成分抽出回路１１の下流で直列ＤＣアークが発生すると、ＰＶライン電圧Ｖｄｃ１が１０Ｖ程度上昇する。この上昇に対応する電圧変化成分Ｖａｃの変化は、しきい値Ｖｔｈ１では検知できないレベルである。常時ノイズ検知回路１７には、遮断器２の開極時及び閉極時に発生するアークの持続時間よりも長い時間ｔ２を設定しているので、常時ノイズ検知回路１７は事故時のＤＣアークのみを検知する。
【００４２】
図７は、図１のＡＣ成分抽出回路１１の上流又は下流で並列ＤＣアークが発生したときの電圧Ｖｄｃ１、Ｖａｃ、Ｖｄｃ２の変化を示すタイミングチャートである。並列ＤＣアークが発生すると、ＰＶライン電圧Ｖｄｃ１は急激に１０〜１５Ｖ程度の電圧になる。しきい値Ｖｔｈ３は、（アーク発生前ＰＶライン電圧Ｖｄｃ１）−（１０〜１５Ｖ）の電圧降下を検知できるように設定される。電圧大降下検知回路１４は、電圧変化成分Ｖａｃがしきい値Ｖｔｈ３よりも低くなったことを検知する。
【００４３】
図８は、図１の判定回路１８による判定結果を示す表である。図１の各検出回路がイベントを検知したときは「○」、検知しないときは「−」を記している。判定回路１８は、電圧変化成分Ｖａｃがしきい値Ｖｔｈ２よりも低くかつしきい値Ｖｔｈ３よりも高くなったとき、かつ、高周波ノイズの大きさが不感時間ｔ０及び時間ｔ１にわたってしきい値Ｖｔｈ４を超えているとき、ＡＣ成分抽出回路１１の上流において直列ＤＣアークが発生したことを検知する。判定回路１８は、電圧変化成分Ｖａｃがしきい値Ｖｔｈ３よりも低くなったとき、かつ、高周波ノイズの大きさが不感時間ｔ０及び時間ｔ１にわたってしきい値Ｖｔｈ４を超えているとき、並列ＤＣアークが発生したことを検知する。判定回路１８は、電圧変化成分Ｖａｃがしきい値Ｖｔｈ１よりも低い正の値になったとき、かつ、高周波ノイズの大きさが時間ｔ２にわたってしきい値Ｖｔｈ４を超えているとき、ＡＣ成分抽出回路１１の下流において直列ＤＣアークが発生したことを検知する。判定回路１８は、電圧変化成分Ｖａｃが交互にしきい値Ｖｔｈ１を超えた値及びしきい値Ｖｔｈ３よりも低い値になったとき、かつ、高周波ノイズの大きさがしきい値Ｖｔｈ４を超えている時間の長さが不感時間ｔ０を越えないとき、遮断器２の閉極を検知する。判定回路１８は、電圧変化成分Ｖａｃがしきい値Ｖｔｈ３よりも低くなったとき、かつ、高周波ノイズの大きさがしきい値Ｖｔｈ４を超えている時間の長さが不感時間ｔ０を越えないとき、遮断器２の開極を検知する。このように各検知回路の出力結果を組み合わせることにより、直列ＤＣアーク、並列ＤＣアーク、遮断器の開極、閉極を判別することができる。また、直列ＤＣアークについては、上流で発生したのか下流で発生したのかを判別することができる。
【００４４】
実施の形態１の構成としたことで、ＰＶラインとＤＣアーク検知装置を絶縁することができ、遮断器の開極及び閉極の動作に影響されないで、直列ＤＣアーク及び並列ＤＣアークを検知することができる。また、直列ＤＣアークについては上流で発生したのか下流で発生したのかを判別できるので、ＤＣアーク事故発生時に発生箇所の範囲を狭く特定することができ、探索時間を短くすることが可能になる。
【００４５】
また、実施の形態１の検知結果を警報用に使用したり、またＤＣアーク事故発生時には遮断器２を切るなどすることができる。
【００４６】
また、遮断器２の開閉を検知できることにより、遠隔で遮断器２の作業確認をすることができる。
【００４７】
実施の形態２．
図９は、本発明の実施の形態２に係る太陽光発電システム及びＤＣアーク検知装置の構成を示すブロック図である。実施の形態２は、実施の形態１のＤＣアーク検知装置に、ＰＶラインに流れるＤＣ電流を検知する電流検知回路１９を新たに設けている。図９の判定回路１８Ａは、図１の判定回路１８の動作に加えて、電流検知回路１９の検知結果に基づいて動作する。電流検知回路１９の上流で並列ＤＣアークが発生すると、電流検知回路１９は電流を検知せず、下流で発生すると検知する。
【００４８】
電流検知回路１９としては、ＤＣ電流が検知可能なフラックスゲート式、ホール効果式、磁気抵抗式などを利用した電流センサが用いられる。これらは電気的にＰＶラインと絶縁可能な電流センサである。
【００４９】
図９の判定回路１８Ａは、図１の判定回路１８と同様にＤＣアークノイズの発生を判定することに加えて、電流検知回路１９の検知結果に基づいて、並列ＤＣアークの発生時に、上流で発生したのか下流で発生したのかを判別することが可能になる。判定回路１８Ａは、電圧変化成分Ｖａｃがしきい値Ｖｔｈ３よりも低くなったとき、かつ、高周波ノイズの大きさが不感時間ｔ０及び時間ｔ１にわたってしきい値Ｖｔｈ４を超えているとき、かつ、ＰＶラインに電流が流れているとき、下流において並列ＤＣアークが発生したことを検知する。判定回路１８Ａは、電圧変化成分Ｖａｃがしきい値Ｖｔｈ３よりも低くなったとき、かつ、高周波ノイズの大きさが不感時間ｔ０及び時間ｔ１にわたってしきい値Ｖｔｈ４を超えているとき、かつ、ＰＶラインに電流が流れていないとき、上流において並列ＤＣアークが発生したことを検知する。
【００５０】
まとめ．
ＡＣ電圧に対して急激に変化する信号に対して３つのしきい値を設けて判定し、更にＤＣアークが発生する際のＤＣアークノイズを検知する手段を設け、それらの検知結果のパターンによってＤＣアークを判別するようにした。これにより、ＰＶラインとＤＣアーク検知装置を絶縁することができ、ＡＣ電圧だけで、直流ＤＣアーク及び並列ＤＣアークを遮断器の開閉動作に影響されず、検知することができる。また、直流アークが上流側、下流で発生したかを検知することができる。
【００５１】
また、電流検知手段を設けたことにより、並列ＤＣアークについても上流側、下流側を検知することが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明のＤＣアーク検知装置によれば、監視対象の回路に影響を与えることなく、高精度でＤＣアークの発生を検知することができる。
【符号の説明】
【００５３】
１  太陽光発電装置、２  遮断器、３  パワーコンディショナ、１１  ＡＣ成分抽出回路、１２  電圧上昇検知回路、１３  電圧小降下検知回路、１４  電圧大降下検知回路、１５  整流回路、１６  イベント時ノイズ検知回路、１７  常時ノイズ検知回路、１８，１８Ａ  判定回路、１９  電流検知回路、Ｃ  コンデンサ、Ｒ  抵抗、ＴＲ  トランス。
【図１】
0006000193.tif 000002
【図２】
0006000193.tif 000003
【図３】
0006000193.tif 000004
【図４】
0006000193.tif 000005
【図５】
0006000193.tif 000006
【図６】
0006000193.tif 000007
【図７】
0006000193.tif 000008
【図８】
0006000193.tif 000009
【図９】
0006000193.tif 000010
【図１０】
0006000193.tif 000011
【図１１】
0006000193.tif 000012
【図１２】
0006000193.tif 000013
【図１３】
0006000193.tif 000014
【図１４】
0006000193.tif 000015
【図１５】
0006000193.tif 000016
【図１６】
0006000193.tif 000017