(57)【要約】【課題】  直流高圧電流経路を過電流により速やかに遮断する。【解決手段】  直流電流経路１１，１２を過電流により遮断する直流ヒューズ１０において、三以上に分割されて直列状に配設された高融点導線部１３，１４，１５と、これら三以上の高融点導線部１３，１４，１５のうちの隣接する二つの高融点導線部の間を接続する低融点導線部１６，１７とを備え、三以上の高融点導線部１３，１４，１５のうち、最両端側に位置する二つの高融点導線部１３，１５が、それぞれ、落下不能に支持され、最両端側の二つの高融点導線部１３，１５の間に位置する高融点導線部は、その両側の低融点導線部１６，１７が溶融した際に前記最両端側の二つの高融点導線部１３，１５から自重により離脱する離脱可能導線部１４を構成している。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流高圧電流経路を過電流により遮断する直流ヒューズにおいて、
三以上に分割されて直列状に配設された高融点導線部と、これら三以上の高融点導線部のうちの隣接する高融点導線部の間を接続する低融点導線部とを備え、
前記三以上の高融点導線部のうち、最両端側に位置する二つの高融点導線部が、それぞれ、落下不能に支持され、
前記最両端側の二つの高融点導線部の間に位置する高融点導線部は、その両側の低融点導線部が溶融した際に前記最両端側の二つの高融点導線部から自重により離脱する離脱可能導線部を構成していることを特徴とする直流ヒューズ。
【請求項２】
前記離脱可能導線部が、両側の低融点導線部のみによって支持されていることを特徴とする請求項１記載の直流ヒューズ。
【請求項３】
前記離脱可能導線部は、鉛直でないＸ軸に沿って延設され、前記両側の低融点導線部の溶融により前記Ｘ軸に交差する重力方向へ落下することを特徴とする請求項１又は２記載の直流ヒューズ。
【請求項４】
前記最両端側に位置する二つの高融点導線部は、前記Ｘ軸方向に間隔を置いた二つの支持部によって、それぞれが落下不能に支持され、
前記離脱可能導線部の端部と、該端部側の前記高融点導線部を支持する前記支持部との間隔が、前記離脱可能導線部の長さ以上に設定されていることを特徴とする請求項３記載の直流ヒューズ。
【請求項５】
前記離脱可能導線部は、通電状態で両側の高融点導線部から離脱した際に発生するアークを消弧可能な長さに形成されていることを特徴とする請求項１〜４何れか１項記載の直流ヒューズ。
【請求項６】
前記離脱可能導線部の長さは、前記直流高圧電流経路の電圧１ｋＶあたり１ｃｍ以上に設定されていることを特徴とする請求項１〜５何れか１項記載の直流ヒューズ。
【請求項７】
前記直流電流経路を第一の直流電流経路とし、この第一の直流電流経路に沿うとともに電流方向が逆向きの第二の直流電流経路を備え、
第二の直流電流経路は、前記離脱可能導線部との間に磁場による反発力を発生する反発電線部を形成していることを特徴とする請求項１〜６何れか１項記載の直流ヒューズ。
【請求項８】
前記離脱可能導線部に電気的に並列する並列配線部を備え、前記並列配線部中には、所定の電圧上昇により電流を流し始める定電圧素子が設けられていることを特徴とする請求項１〜７何れか１項記載の直流ヒューズ。
【請求項９】
前記離脱可能導線部の落下経路の近傍に、磁界を発生する磁界発生部が設けられていることを特徴とする請求項１〜８何れか１項記載の直流ヒューズ。
【請求項１０】
直流高圧電流経路中に、請求項１〜９何れか１項記載の直流ヒューズを具備したことを特徴とする電気設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流高圧電流経路を過電流により遮断する直流ヒューズ及びこの直流ヒューズを備えた電気設備に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
今日の一般的な電力は、特定の周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）の交流電力として供給されるのが主流である。これに対し、近年における一般的な電気機器では、例えばＡＶ機器や、コンピュータ、情報通信機器、インバータエアコンなど、各機器の内外に設けられた電力変換器によって交流電力を直流電力に変換して電力利用する機器が増えつつある。
ところで、交流電力を送電する場合、例えば表皮効果による交流抵抗の増加等、交流特有の損失が生じる。さらに、この交流電力を上述した各種機器で利用する場合には、交流−直流変換や、直流−交流変換等を伴うため、その変換損失の増大も問題になる。
このため、近年では、交流電力から変換された直流電力、あるいは太陽光発電設備や蓄電池等による直流電力などを電力源とし、その直流電力を交流電力に変換せずに高圧で送配電して利用する技術の開発が進められている。
このように、高圧直流電力を送配電して利用する場合には、電気設備の故障や事故等により異常電流が発生したことを想定して、その電流を遮断することも考慮する必要があるが、直流には零点がないため、電線を部分的に切離したとしても、その切離後の空間で発生するアーク放電により高圧電流が通電してしまい、電流の遮断が困難であるという特有の問題がある。
【０００３】
そこで、例えば特許文献１に記載される発明では、電力変換装置と蓄電池との間の直流電力経路に、直列に第１のヒューズと第２のヒューズを接続し、過大な異常電流が流れた場合に、これら二つのヒューズを略同時に熱溶融して、異常電流を遮断しようとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２９０４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来技術によれば、二つのヒューズの溶融温度のばらつき等に起因して、その一方のヒューズのみが溶断し、他方のヒューズは溶断に至らない場合があり、このような場合には、前記一方のヒューズの溶融後の空間部にアークが発生する。
そして、このようにして発生したアークは、高電圧になって比較的長い時間、消弧されることなく維持される場合がある。このため、前記異常電流の経路を速やかに遮断することができず、電気回路中の各種機器に損傷を与えてしまうおそれがある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このような課題に鑑みて、本発明は、以下の構成を具備するものである。
直流高圧電流経路を過電流により遮断する直流ヒューズにおいて、三以上に分割されて直列状に配設された高融点導線部と、これら三以上の高融点導線部のうちの隣接する高融点導線部の間を接続する低融点導線部とを備え、前記三以上の高融点導線部のうち、最両端側に位置する二つの高融点導線部が、それぞれ、落下不能に支持され、前記最両端側の二つの高融点導線部の間に位置する高融点導線部は、その両側の低融点導線部が溶融した際に前記最両端側の二つの高融点導線部から自重により離脱する離脱可能導線部を構成していることを特徴とする直流ヒューズ。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は、以上説明したように構成されているので、直流高圧電流経路を過電流により速やかに遮断することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明に係る直流ヒューズを備えた電気設備の一例を示す電気回路図である。
【図２】本発明に係る直流ヒューズの一例を示す模式図である。
【図３】同直流ヒューズについて離脱可能導線部が脱落した状態を示す模式図である。
【図４】本発明に係る直流ヒューズの他例を示す模式図である。
【図５】本発明に係る直流ヒューズの他例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
次に、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明の実施形態は図示の内容を含むが、これのみに限定されるものではない。また、以後の各図の説明で、既に説明した部位と共通する部分は同一符号を付して重複説明を一部省略する。
【００１０】
＜第一の実施形態＞
図１は、本発明に係る直流ヒューズを備えた電気設備の一例を示す。
この電気設備Ａは、第一の配電部２と第二の配電部３から出力される直流電流を、直流電力系統１に通流するように構成される。
【００１１】
ここで、直流電力系統１を流れる直流電圧は、本実施の形態の好ましい一例によれば、６．６ｋＶとしているが、他例としては、５００ｋＶ以上、２７５ｋＶ、２２０ｋＶ、１８７ｋＶ、１５４ｋＶ、１１０ｋＶ、７７ｋＶ、６６ｋＶ、３０ｋＶ、２０ｋＶ、１３．２ｋＶ、３．３ｋＶ、４００Ｖ、又はこれらの中間電圧等とすることが可能である。
【００１２】
第一の配電部２は、例えば太陽光発電設備等の直流発電設備４と、この直流発電設備４の出力側（負荷側）に電気的に接続された直流／直流変換装置５（電力変換器）とを備える。
【００１３】
直流／直流変換装置５の出力側には、電流方向を直流電力系統１へ向かう第一の直流電流経路１１と、この第一の直流電流経路１１に沿うとともに電流方向が逆向きの第二の直流電流経路１２とが接続される。
そして、これら第一及び第二の直流電流経路１１，１２は、途中に直流ヒューズ１０を介在した電線により構成され、その負荷側が直流電力系統１に接続される。
【００１４】
また、第二の配電部３は、例えば火力発電設備等の交流発電設備５と、この交流発電設備５の出力側（負荷側）に電気的に接続された変圧器６と、この変圧器６の出力側に電気的に接続された交流／直流変換装置７（電力変換器）とを備える。
【００１５】
交流／直流変換装置７の出力側には、上記交流発電設備５の出力側と同様にして、第一の直流電流経路１１と、第二の直流電流経路１２とが接続される。そして、これら第一及び第二の直流電流経路１１，１２は、途中に直流ヒューズ１０を介在した電線によって構成され、直流電力系統１に接続される。
【００１６】
なお、第一の配電部２の他例としては、蓄電池や、直流発電機を用いた直流発電設備とすることが可能である。また、図示例では、直流電力系統１に接続される直流配電部（第一の配電部２）と交流配電部（第二の配電部３）をそれぞれ単数としたが、双方又は一方を複数とすることも可能である。
【００１７】
直流ヒューズ１０は、単一の第一の直流電流経路１１（電線）の途中に設けられて三以上（図示例によれば三つ）に分割されて直列状に配設された高融点導線部１３，１４，１５と、これら三以上の高融点導線部のうちの隣接する高融点導線部の間を接続する低融点導線部１６，１７と、高融点導線部１３，１４，１５の上方側に間隔を置いて位置する反発電線部１２ａとを具備する。
【００１８】
三以上の高融点導線部１３，１４，１５のうち、最両端側に位置する二つの高融点導線部１３，１５は、図２に示すように、それぞれが、支持部８，９によって落下不能に支持される。これら二つの高融点導線部１３，１５は、直流ヒューズ１０の電源側と負荷側にて第一の直流電流経路１１を構成する電線と一体の電線でもよいし、別体の電線であってもよい。
【００１９】
また、最両端側の二つの高融点導線部１３，１５の間に位置する高融点導線部１４は、その両側の低融点導線部１６，１７のみによって支持され、低融点導線部１６，１７の溶融によって前記最両端側の二つの高融点導線部１３，１５から自重で離脱する離脱可能導線部を構成している。以降、必要に応じて、離脱可能導線部に符号１４を付して説明する場合がある。
【００２０】
すなわち、離脱可能導線部１４の周囲には、離脱可能導線部１４を支持する部材がない。
この離脱可能導線部１４は、鉛直でないＸ軸（図示例によれば略水平な軸）に沿って延設され、両側の低融点導線部１６，１７の溶融により、Ｘ軸に直交するＺ軸に沿って重力方向へ落下する。
【００２１】
高融点導線部１３，１４，１５は、例えば、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等、後述する低融点導線部１６，１７と比較して高融点の導電性金属材料により形成される。
これら高融点導線部１３，１４，１５は、通流する直流電圧や電力量等に応じて、その太さが適宜に設定され、例えば、直径４〜２００ｍｍの単線、もしくは、より線、ブスバーにより構成される。
【００２２】
これら高融点導線部１３，１４，１５には、裸線又は絶縁被覆線を用いることが可能であるが、特に絶縁被覆線を用いる場合には、その絶縁被覆によって離脱可能導線部１４の脱落に支障をきたすことのないように、例えば、各低融点導線部１６（又は１７）の近傍範囲のみ絶縁被覆を省くことが好ましい。
【００２３】
これら高融点導線部１３，１４，１５のうち、その中央側の高融点導線部（離脱可能導線部１４）は、通電状態で両側の高融点導線部１３，１５から離脱した際に発生するアークを消弧可能な長さＬに形成されている。
より具体的に説明すれば、離脱可能導線部１４の長さＬは、第一及び第二の直流電流経路１１，１２の電圧１ｋＶあたり１ｃｍ以上に設定され、好ましくは、安全率を見込んで、その４〜１０倍に設定され、より好ましくは１０ｃｍ以上／１ｋｖに設定される。
例えば、本実施の形態では、第一及び第二の直流電流経路１１，１２の電圧が６．６ｋＶであるから、長さＬを、約６６ｃｍ以上とし、好ましくはその４〜１０倍の２６４〜６６０ｃｍとし、さらに好ましくは６６０ｃｍ以上とする。
【００２４】
低融点導線部１６，１７は、それぞれ、高融点導線部１３，１４，１５よりも低融点であって、且つ予め設定された過電流によって過熱して溶融脱落する金属材料が用いられる。
前記金属材料としては、例えば、鉛（Pb）、亜鉛（Zn）、錫（Sn）、ビスマス（Bi）、アンチモン（Sb）、インジウム（In）、カドミウム（Cd）等、あるいはこれらの合金や、これらと他の金属との合金を用いることが可能である。
【００２５】
支持部８，９は、地面、あるいは構造物の上面に固定され、上方へ向かう鉛直状に形成される。この支持部８，９の具体例としては、鉄塔やポール状部材等を用いればよい。
この支持部８，９の上端側には、高融点導線部１３，１５や、反発電線部１２ａが、落下不能に支持されている。
【００２６】
離脱可能導線部１４の端部と、該端部側の高融点導線部１３又は１５を支持する支持部８又は９との間隔Ｗ１又はＷ２は、好ましくは離脱可能導線部１４の長さＬ以上に設定され、図示する一例によれば、長さＬと、間隔Ｗ１と、間隔Ｗ２とが略同等の長さに設定されている。
【００２７】
反発電線部１２ａは、第二の直流電流経路１２の一部分、又は第二の直流電流経路１２の途中に接続された電線によって構成される。
図示例の反発電線部１２ａは、高融点導線部１３，１４，１５に対し、その上方側に空間を置いて略平行するように位置する。そして、この反発電線部１２ａは、離脱可能導線部１４との間の磁場Ｍ１，Ｍ２によって反発力を発生する。
この反発電線部１２ａは、高融点導線部１３，１４，１５、低融点導線部１６，１７、及び支持部８，９等に対し絶縁されている。この絶縁手段は、例えば反発電線部１２ａを含む第二の直流電流経路１２の一部又は全体を絶縁被覆電線とした構成や、絶縁板により絶縁を確保する構成、反発電線部１２ａの離脱可能導線部１４側に十分な絶縁空間を確保した構成、これらを適宜に組み合わせた構成等とすればよい。
【００２８】
次に、上記構成の直流ヒューズ１０について、その特徴的な作用効果を詳細に説明する。
第一及び第二の直流電流経路１１，１２には、通常の通電状態において、第一の直流電流経路１１の周囲には負荷側へ向かって右周りの磁場Ｍ１が発生し、第二の直流電流経路１２の周囲には負荷側へ向かって逆回り（左周り）の磁場Ｍ２が発生するため、これら反対向きの磁場Ｍ１，Ｍ２の作用により、二つの直流電流経路１１，１２には、その直交方向（図示のＺ軸方向）に沿って離れようとする力が作用する。
【００２９】
電気設備Ａを構成する機器の故障や事故等に起因して、直流電流経路１１，１２に過電流が流れ、この過電流によって低融点導線部１６，１７が熱溶融した場合には、これら二つの低融点導線部１６，１７の間に位置する離脱可能導線部１４が、その両側の高融点導線部１３，１５から離脱し、自重によって落下する。この際、離脱可能導線部１４は、反発電線部１２ａによる反発力を受けるため、二つの高融点導線部１３，１５間から速やかに離脱する。
【００３０】
したがって、支持部８，９上に残された二つの高融点導線部１３，１５間には、離脱可能導線部１４の長さＬよりも若干幅の大きい空隙ｃが形成される。このため、二つの高融点導線部１３，１５の端部間にアークが発生してこれら端部間が導通するようなことを防ぐことができ、ひいては、第一の直流電流経路１１を速やかに遮断することができる。
【００３１】
なお、上記過程において、最初は、二つの低融点導線部１６，１７のうち、その一方の低融点導線部１６（又は１７）が先に溶融し脱落する場合もあるが、このような場合には、一方の低融点導線部１６（又は１７）の脱落跡の空隙に発生するアークによって導通状態が維持されるため、若干遅れて他方の低融点導線部１７（又は１６）も溶融し、結果的には、上記したように離脱可能導線部１４が脱落することになる。
【００３２】
＜第二の実施形態＞
次に、本発明に係る直流ヒューズの他の実施形態について説明する。なお、以下に示す実施形態は、上記した実施形態に対し、一部分を変更したものであるため、主にその変更部分について詳述し、重複する詳細説明は省略する。
【００３３】
図４に示す直流ヒューズ２０は、上記直流ヒューズ１０に対し、定電圧素子２１ａを有する並列配線部２１を設けたものである。
詳細に説明すれば、この直流ヒューズ２０は、一端側と他端側がそれぞれ前記離脱可能導線部の両側の二つの高融点導線部１３，１５に接続されて離脱可能導線部１４に電気的に並列する並列配線部２１を備え、この並列配線部２１中に定電圧素子２１ａを設けている。
【００３４】
定電圧素子２１ａは、電圧が一定値（降伏電圧もしくはツェナー電圧と呼称される場合がある。）を上回って上昇すると、急激に電流が流れるようになる素子であり、例えば、ツェナーダイオードを用いた構成とすればよい。
【００３５】
上記構成の直流ヒューズ２０によれば、離脱可能導線部１４が脱落した後に、仮に二つの高融点導線部１３，１５間の空隙ｃにアークが発生してしまい電圧が急上した場合であっても、その電圧の急上昇によって並列配線部２１に電流を通流させて、電圧の増大を抑制して、アークの発生を一時的なものとし速やかに消弧することができる。
なお、前記実施態様によれば、定電圧素子２１ａとしてツェナーダイオードを例示したが、この定電圧素子２１ａは、所定の電圧上昇により電流を流し始める構成であればよく、一般的には、ツェナーダイオードよりアレスタの方がより多くのエネルギーを処理できるので、アレスタの方がより好ましい。
【００３６】
また、より好ましい一例としては、コンデンサと抵抗の直列体を、前記アレスタなどに並列に接続してもよい。
すなわち、電流が流通している時には、配電線などの寄生インダクタンスに磁気エネルギーが蓄積されている。このため、離脱可能導線部１４の脱落により電流遮断されると、磁気エネルギーの吐き出しにより過電圧になる。そして、該アレスタ等が過電圧にならぬように、該磁気エネルギーを処理する。しかし磁気エネルギーがアレスタの処理能力より大きいときは、前記のようにしてコンデンサと抵抗の直列体を設ければ、吐き出されるエネルギーを静電エネルギーとして取り込み、アレスタ等の負担を軽減して、過電圧を抑制することができる。ここで、前記抵抗は、前記コンデンサへの過電流を防止するためのものである。
なお、処理すべきエネルギーが比較的小さいときは、アレスタを省き、コンデンサと抵抗体の直列体のみとすることも可能である。
【００３７】
＜第三の実施形態＞
図５に示す直流ヒューズ３０は、上記直流ヒューズ１０に対し、離脱可能導線部１４の一端部の落下経路の近傍に、磁界発生部３１を加えたものである。
磁界発生部３１は、図示例によれば、第一の直流電流経路１１の電流によって磁界を発生するコイルである。
【００３８】
この直流ヒューズ３０によれば、二箇所の低融点導線部１６，１７の溶融により離脱可能導線部１４が脱落した際に、落下途中の離脱可能導線部１４の一端部と、該端部に対向する高融点導線部１５の端部との間に、アークａが発生した場合に、このアークａの向きを磁界発生部３１の磁界によってずらすことにより、該アークａを速やかに消弧することができる。
【００３９】
なお、図５に示す一例によれば、磁界発生部３１を離脱可能導線部１４の電源側に一ヵ所設けたが、他例としては、磁界発生部３１を離脱可能導線部１４の電源側と負荷側にそれぞれ設けた態様や、電源側及び／又は負荷側の磁界発生部３１を上下方向に複数設けた態様等とすることも可能である。
さらに、他例としては、磁界発生部３１の供給電源を第一及び第二の直流電流経路１１，１２以外の電源回路とした態様や、磁界発生部３１に永久磁石を用いた態様とすることも可能である。
【００４０】
上記実施形態では、特に好ましい態様として、反発電線部１２ａを離脱可能導線部１４の上方側に設けたが、他例としては、反発電線部１２ａを離脱可能導線部１４の上方以外の箇所（例えば、水平に並ぶ位置）に設けることも可能である。
さらに、他例として、離脱可能導線部１４を自重のみで速やかに脱落できるのであれば、反発電線部１２ａを含む第二の直流電流経路１２を、第一の直流電流経路１１の磁場に影響しない位置に設けることも可能である。
【００４１】
また、上記実施形態では、高融点導線部１３，１４，１５を三つ設けるようにしたが、他例としては、四以上の高融点導線部を直列状に設け、複数の隣接する高融点導線部間を、それぞれ、低融点導線部によって接続するようにしてもよい。
【００４２】
また、上記実施形態では、最両端側に位置する二つの高融点導線部１３，１５をそれぞれ支持部８，９によって落下不能に固定したが、他例としては、二つの高融点導線部１３，１５を、その上方側に設けた部材によって吊るして落下不能にすることも可能である。
【００４３】
また、上記実施形態では、特に好ましい態様として離脱可能導線部１４を両側の低融点導線部１６，１７のみによって支持したが、他例としては、この離脱可能導線部１４をその自重によって動く部材（例えば弾性部材等）によって支持し、この離脱可能導線部１４が、両側の低融点導線部１６，１７から脱落する際に、前記部材が弾性変形等して移動するようにしてもよい。
【００４４】
また、図示例によれば、特に好ましい態様として、高融点導線部、離脱可能導線部及び低融点導線部を略水平状に並べたが、他例としては、これら高融点導線部及び低融点導線部を傾斜状に設けた態様とすることも可能であり、さらには、離脱可能導線部が両側の二つの高融点導線部から脱落するようにすれば、これらを鉛直状に設けることも可能である。
【００４５】
また、本発明に係る電気設備は、直流高圧電流経路中に上記直流ヒューズ１０を具備した構成とすれば、図示例に限定されない。
すなわち、本発明に係る電気設備の概念には、例えば、直流ヒューズ１０を介して直流配電線や直流系統に接続されたDC/DCコンバータ、直流ヒューズ１０を介して直流配電線や直流系統に接続された直流発電システム、直流ヒューズ１０を介して直流配電線や直流系統に接続された交直電力変換システム、直流ヒューズ１０を介して直流配電線や直流系統に接続された交直発電変換システム、直流ヒューズ１０を介して直流配電線や直流系統に接続された直流負荷システム、直流ヒューズ１０介して直流配電線や直流系統に接続された交流負荷システム、直流ヒューズ１０を具備した直流系統システム、あるいは、これら装置やシステム等を適宜に組み合わせてなる電気設備や、電力設備、負荷設備、システム等が含まれる。
【００４６】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。
また、上述の各図で示した実施形態は、その目的及び構成等に特に矛盾や問題がない限り、互いの記載内容を組み合わせることが可能である。
また、各図の記載内容はそれぞれ独立した実施形態になり得るものであり、本発明の実施形態は各図を組み合わせた一つの実施形態に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００４７】
５：直流／直流変換装置（電力変換器）
７：交流／直流変換装置（電力変換器）
８，９：支持部
１１：第一の直流電流経路
１２：第二の直流電流経路
１０，２０，３０：直流ヒューズ
１３，１５：高融点導線部
１４：高融点導線部（離脱可能導線部）
１６，１７：低融点導線部
２１ａ：定電圧素子
３１：磁界発生部
Ａ：電気設備
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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