(57)【要約】【課題】過電圧事象からエネルギー需給計器を保護するためのシステムおよび方法を提供すること。【解決手段】デバイスがセンサを含むことができる。センサは、電力の使用量を検出することができる。さらに、デバイスは、センサに直列に結合された可溶性サージ抵抗器と、センサに並列に結合された熱金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）とを含むことができる。【選択図】図１
2015220980.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力の使用量を検出するように構成されたセンサと、
前記センサに直列に結合された可溶性サージ抵抗器と、
前記センサに並列に結合された熱金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）とを備えるデバイス。
【請求項２】
前記可溶性サージ抵抗器が、過電圧事象の間、前記センサを電源から切断するように構成される、請求項１記載のデバイス。
【請求項３】
前記センサと、前記可溶性サージ抵抗器と、前記熱ＭＯＶとが、電気計器ハウジング内に配設される、請求項１記載のデバイス。
【請求項４】
前記センサが電気計器ハウジング内に配設され、前記可溶性サージ抵抗器と前記熱ＭＯＶとが前記電気計器ハウジングの外側に配設される、請求項１記載のデバイス。
【請求項５】
前記センサが、多相電源に関連した前記電力の使用量を検出するように構成される、請求項１記載のデバイス。
【請求項６】
前記可溶性サージ抵抗器と前記熱ＭＯＶとが、前記多相電源に関連した第１の相の電力を受け取るように構成される、請求項５記載のデバイス。
【請求項７】
前記多相電源に関連した第２の相の電力を受け取るように構成された第２の可溶性サージ抵抗器と第２の熱ＭＯＶとを備える、請求項６記載のデバイス。
【請求項８】
前記可溶性サージ抵抗器が、前記熱ＭＯＶのヒューズ時間より短いヒューズ時間を有するように構成される、請求項１記載のデバイス。
【請求項９】
前記可溶性サージ抵抗器の抵抗が、過電圧事象の間、突入電流を制限するように構成される、請求項１記載のデバイス。
【請求項１０】
抵抗と時間−電流曲線とを有する可溶性サージ抵抗器を、電圧定格を有する熱金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）に結合するステップであって、前記抵抗と、前記時間−電流曲線と、前記電圧定格とが、前記可溶性サージ抵抗器および前記熱ＭＯＶの１つまたは複数の保護パラメータに基づいて決定される、ステップと、
前記可溶性サージ抵抗器および前記熱ＭＯＶを電気計器回路に結合するステップであって、前記可溶性サージ抵抗器および前記熱ＭＯＶが、過電圧事象の間、前記電気計器回路の構成要素を保護するように構成される、ステップとを含む方法。
【請求項１１】
前記可溶性サージ抵抗器が、前記可溶性サージ抵抗器の下流ノードにおいて前記電気計器回路に直列に結合される、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記熱ＭＯＶが、前記電気計器回路に並列に結合され、前記熱ＭＯＶが、第１の端部上で前記可溶性サージ抵抗器の前記下流ノードに結合され、第２の端部上で前記電気計器回路の下流ノードに結合される、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
過電圧事象を受けるとき前記可溶性サージ抵抗器が開になる第１の量の時間と、前記熱ＭＯＶが長時間の過電圧事象の間、開回路を形成する第２の量の時間とに基づいて前記可溶性サージ抵抗器と前記熱ＭＯＶとを選択するステップをさらに含む、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記第１の量の時間が、前記第２の量の時間より少ない、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記熱ＭＯＶの前記電圧定格が、通常の電圧状態の間、前記熱ＭＯＶを開状態に維持するように構成される、請求項１０記載の方法。
【請求項１６】
多相電源から電力の使用量を検出するように構成されたセンサと、
前記多相電源の相ごとに前記センサに結合された１つまたは複数の過電圧事象保護システムであって、各々可溶性サージ抵抗器および熱金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）を備える１つまたは複数の過電圧事象保護システムとを備えるエネルギー需給計器を備えるシステム。
【請求項１７】
前記１つまたは複数の過電圧事象保護システムが、長時間の過電圧事象の間、前記エネルギー需給計器を前記多相電源から切断するように構成される、請求項１６記載のシステム。
【請求項１８】
前記可溶性サージ抵抗器が、過電圧事象の間、前記熱ＭＯＶより短い量の時間で溶断するように構成される、請求項１６記載のシステム。
【請求項１９】
前記可溶性サージ抵抗器の抵抗が、過電圧事象の間、突入電流を制限するように構成される、請求項１６記載のシステム。
【請求項２０】
前記１つまたは複数の過電圧事象保護システムが、長時間の過電圧事象の間、前記エネルギー需給計器を前記多相電源から安全に切断するように構成される、請求項１６記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示する主題は、一般に需給計器に関し、より詳しくは過電圧事象の間、エネルギー需給計器を保護するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
スマートグリッドインフラストラクチャなどのエネルギーインフラストラクチャは、エネルギーの使用量に関連したデータを検出し格納するセンサおよびメモリデバイスを有する様々なシステムと構成要素とを含むことができる。スマートグリッド例において、システムは、発電システム、送電システム、スマート計器、デジタル通信システム、制御システム、およびそれらに関連する構成要素を含むことができる。ある需給計器は、エネルギー使用量データを検出し格納するために、高電圧および／または高電流状態に感受性がある様々な構成要素を含むことができる。需給計器内の高感度の構成要素を過電圧事象から保護するためのシステムおよび方法を改善することは、有用であり得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７５６１３９９号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
当初特許請求された発明に範囲が相応するある実施形態を以下に概説する。これらの実施形態は、特許請求された発明の範囲を限定することが意図されていなくて、むしろ、これらの実施形態は、本発明の可能な形態の簡単な概要を提供することだけが意図されている。実際、本発明は、以下に記載する実施形態と同様であり得る、または異なり得る様々な形態を包含することができる。
【０００５】
第１の実施形態においては、デバイスがセンサを含むことができる。センサは、電力の使用量を検出することができる。さらに、デバイスは、センサに直列に結合された可溶性サージ抵抗器と、センサに並列に結合された熱金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）とを含むことができる。
【０００６】
第２の実施形態においては、方法が、抵抗定格とエネルギー定格とを有する可溶性サージ抵抗器を、電圧定格を有する熱ＭＯＶに結合するステップを含むことができる。抵抗定格、エネルギー定格、および電圧定格は、可溶性サージ抵抗器と熱ＭＯＶとの１つまたは複数の保護パラメータに基づいて決定することができる。方法は、可溶性サージ抵抗器と熱ＭＯＶとを電気計器回路に結合するステップを含むこともできる。このようにして、可溶性サージ抵抗器および熱ＭＯＶは、過電圧事象の間、電気計器回路の構成要素を保護することができる。
【０００７】
第３の実施形態においては、システムが、エネルギー需給計器を含むことができる。さらに、エネルギー需給計器は、多相電源からの電力の使用量を検出するように構成されたセンサを含むことができる。さらに、エネルギー需給計器は、多相電源の相ごとにセンサに結合された１つまたは複数の過電圧事象保護システムを含むこともできる。さらに、１つまたは複数の過電圧事象保護システムは、可溶性サージ抵抗器と熱ＭＯＶとを含むことができる。
【０００８】
本発明のこれらのおよび他の特徴、態様、および利点は、添付の図面全体にわたって同じ文字が同じ部分を表すその図面を参照して以下の詳細な説明を読むと、よりよく理解されるようになろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一実施形態による、エネルギー発生、伝達、および配給インフラストラクチャシステムの構成図である。
【図２】一実施形態による、図１のエネルギー発生、伝達、および配給インフラストラクチャシステムにおける計量システム内の過電圧事象保護システムの一部であり得る回路図である。
【図３】一実施形態による、図１のエネルギー発生、伝達、および配給インフラストラクチャシステムの計量システムの構成要素を保護するために構成要素の定格を決定するためのプロセスの一実施形態を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の１つまたは複数の特定の実施形態を以下に説明する。これらの実施形態の簡明な説明を行うために、実際の実施のすべての特徴を本明細書に説明しない可能性がある。任意の技術的または設計プロジェクトの場合と同様に、任意のそのような実際の実施の開発において、実施によって異なることがあるシステム関連およびビジネス関連の制約との適合など、開発業者の特定の目標を達成するために数多くの実施固有の決定を行わなければならないことを理解されたい。さらに、そのような開発努力は、複雑で時間がかかり得るが、それにもかかわらず、本開示の利益を有する当業者には設計、製作、および製造の日課の仕事であろうことを理解されたい。
【００１１】
本発明の様々な実施形態の要素を紹介するとき、「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、「その」、および「前記の」という冠詞は、要素の１つまたは複数があることを意味することが意図されている。「備える」、「含む」、および「有する」という用語は、包含的であり、列挙された要素以外にさらに要素があり得ることを意味することが意図されている。
【００１２】
本実施形態は、過電圧事象保護システムを含むことができるエネルギー需給計器に関する。エネルギー需給計器は、高電圧および／または高電流に感受性があり得る構成要素を含むことができる。例えば、エネルギー需給計器は、エネルギー需給計器がさらされ得る過渡サージ電圧より実質的に低い絶縁破壊電圧を有するスイッチング素子を組み込むことができる。過渡サージ電圧は、場合により、６０００Ｖを超えることがある。エネルギー需給計器の構成要素を損傷し得る過渡過電圧事象は、落雷またはいずれかの他の短い持続時間のエネルギーサージによって生じ得る。さらに、場合によっては、公益事業送電網上の長時間の障害は、エネルギー需給計器の構成要素を損傷することもある長時間の過電圧事象を生じることがある。したがって、過電圧事象保護システムは、過渡過電圧および長時間の過電圧事象に感受性があり得る需給計器の構成要素に保護を提供することができる。過電圧事象保護システムは、可溶性サージ抵抗器と熱金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）とを含むことができる。可溶性サージ抵抗器および熱ＭＯＶは、可溶性サージ抵抗器だけ、または熱ＭＯＶだけを使用する場合に比較して特別なレベルの保護を提供するように協調して働くことができる。さらに、可溶性サージ抵抗器と熱ＭＯＶとの組合せにより、過電圧事象保護システムが安全に機能することが可能になり得る。一実施形態においては、可溶性サージ抵抗器は、需給計器の構成要素に直列に結合することができ、熱ＭＯＶは、需給計器の構成要素に並列に結合することができる。別の実施形態においては、多相電源の各相は、需給計器の構成要素に結合された別個の過電圧保護システム中に給電することができる。
【００１３】
上記のことを考慮して、図１に示すスマートグリッドシステム例１０など、インフラストラクチャの実施形態を説明することは有用であり得る。本明細書に説明するシステムおよび方法は、限定はされないが、送電および配電インフラストラクチャを含めて、様々なインフラストラクチャに適用できることに留意されたい。図示するように、スマートグリッドシステム１０は、１つまたは複数の公益事業施設１２を含むことができる。公益事業施設１２は、スマートグリッドシステム１０の管理運営を提供することができる。例えば、公益事業施設１２は、１つまたは複数の発電所１６および代替発電所１８によって生産された電力を監視し、監督することができる公益事業制御センタ１４を含むことができる。発電所１６は、ガス、石炭、バイオマス、および他の炭素質資源を燃料に使用する発電所など、従来の発電所を含むことができる。代替発電所１８は、太陽エネルギー、風力、水力、地熱、および他の代替電力源（例えば、再生可能エネルギー）を使用して電力を生産する発電所を含むことができる。他のインフラストラクチャの構成要素は、水力発電所２０および地熱発電所２２を含むことができる。例えば、水力発電所２０は水力発電を提供することができ、地熱発電所２２は地熱発電を提供することができる。
【００１４】
発電所１６、１８，２０、および２２によって発電された電力は、送電網２４を通じて伝送することができる。送電網２４は、１つまたは複数の自治体、州、または国など、広い地理的地域を包含することができる。送電網２４は、単相交流（ＡＣ）システムまたは二相ＡＣシステムでもあり得るが、最も一般的には、三相ＡＣ電流システムであり得る。図示するように、送電網２４は、様々な構成の一連の架空電気伝導体を支持するための一連の塔を含むことができる。例えば、超高電圧（ＥＨＶ）導体は、三相の各々に導体を有する、３つの導体の束で配列することができる。送電網２４は、１１０キロボルト（ｋＶ）〜７６５キロボルト（ｋＶ）の範囲における公称システム電圧を支持することができる。図示する実施形態において、送電網２４は、配電サブステーションおよびグリッド２６に電気的に結合することができる。配電サブステーションおよびグリッド２６は、送電電圧（例えば、７６５ｋＶ、５００ｋＶ、３４５ｋＶ、または１３８ｋＶ）からの受電電力の電圧を一次（例えば、１３．８ｋＶまたは４１６０ｋＶ）および二次（例えば、４８０Ｖ、２４０Ｖ、または１２０Ｖ）配電電圧に変換する変圧器を含むことができる。例えば、工業用電力需要者（例えば、生産工場）は、１３．８ｋＶの一次配電電圧を使用することができるが、商用および住居用需要者に供給される電力は、１２０Ｖ〜４８０Ｖの二次配電電圧範囲内であり得る。
【００１５】
図１に戻ると、送電網２４ならびに配電サブステーションおよびグリッド２６は、スマートグリッドシステム１０の一部であり得る。したがって、送電網２４ならびに配電サブステーションおよびグリッド２６は、発電機、開閉器、回路遮断器、再閉路器などのパワーエレクトロニクス機器を制御するために様々なデジタルおよび自動化技術を含むことができる。送電網２４ならびに配電サブステーションおよびグリッド２６は、例えば、プログラマブル論理制御装置（ＰＬＣ）や電気障害感知保護継電器など、様々な通信、監視、および記録デバイスを含むこともできる。例えば、嵐の間の電気障害感知保護継電器の場合、グリッド２６上の保護継電器がサブステーションの下流の電気障害を検出し、回路遮断器を動作させて、障害を解除し電力を復帰させることを可能にすることができる。ある実施形態においては、送電網２４ならびに配電サブステーションおよびグリッド２６は、電力を供給し、計量システム３０への電気負荷要求の変更などのデータを通信することもできる。
【００１６】
ある実施形態においては、計量システム３０は、電力使用量および／または発電データを収集し、測定し、分析する高度計量インフラストラクチャ（ＡＭＩ）計器であり得る。計量システム３０は、電源側および負荷側通電および中性導体３６を介して、送電網２４、配電サブステーションおよびグリッド２６、商用サイト３２、および住居３４を含めて、スマートグリッド１０の構成要素の１つまたは複数に電気的におよび通信可能に結合することができる。さらに、計量システム３０には、商用サイト３２と、住居３４と、公益事業制御センタ１４との間の双方向通信を可能にし、それによって需要者の挙動と電力使用量および／または発電データとの間のリンクを提供することができる。例えば、計量システム３０は、携帯電話使用量の前払いと同様に電力の前払いを追跡し明細書を作成することができる。同様に、公益事業の需要者（例えば、商用サイト３２、住居３４）は、低需要時間の間のより低い料率を利用して、その公益事業の使用を最適化することによって公益事業の請求額をより低くすることから利益を得ることができる。洗濯機／乾燥機、電気自動車充電器、および他の柔軟性のある電力消費器具は、低需要時間の間に動作するようにプログラムすることができ、結果として、公益事業の請求額が低くなり、エネルギーの利用がより均衡のとれたものになる。上記のように、電力は、需要者（例えば、商用サイト３２、住居３４）が発電することもできる。例えば、需要者は、分散発電（ＤＧ）資源（例えば、太陽電池パネルまたは風力タービン）を相互接続して、電力を発電しスマートグリッド１０に供給することができる。
【００１７】
さらに理解されるように、ある実施形態においては、計量システム３０は、例えば、ディスプレイ、１つまたは複数のプロセッサ、メモリおよび同様の記憶デバイス、センサ、改ざん検出器など、電気および電子構成要素のシステムを含むことができる。計量システム３０は、電力と時間との積として、皮相電力（ｋＶＡ）、有効電力（すなわち、ある時間間隔にわたって所与の負荷３２、３４の抵抗成分によって消費された全電力）（ｋＷ）、および無効電力（すなわち、ある時間間隔にわたって所与の負荷３２、３４の無効分によって消費された電力）（ｋＶａｒ）を測定し、計算し、格納し、および表示することができることも理解されたい。例えば、電力公益事業は、請求書作成および／または貸方記帳の目的で需要者に１キロワット時（ｋＷｈ）当たりのその使用量および／または発電量を報告することができる。計量システム３０のこのような構成要素は、送電網２４に起こり得る過電圧事象に感受性があり得る。したがって、計量システム３０の電気および電子構成要素を保護するためのシステムおよび方法が、過電圧事象の発生時に交換費用を制限するのに役立ち得る。
【００１８】
図２は、計量システム３０内の過電圧事象保護システム３７の回路図３５である。計量システム３０は、活線Ｌによって給電することができ、また、計量システム３０は、中性線Ｎに結合することもできる。さらに、商用サイト３２または住居３４は、負荷側通電および中性導体３６を介して計量システム３０に結合することができる。さらに、計量システム３０内で、過電圧事象保護システム３７は、計量システム３０の電気および電子構成要素を含むことができる、負荷４０に直列に結合することができる可溶性サージ抵抗器３８を含むことができる。さらに、過電圧事象保護システム３７は、負荷４０の両端間および活線Ｌと中性線Ｎとの間に結合することができる熱金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）４２を含むこともできる。図２は熱ＭＯＶ４２の使用を示すが、以下の議論全体を通じて熱ＭＯＶ４２の代わりに標準ＭＯＶも使用できることに留意することができる。一般に、長時間の過電圧事象の間、持続する時間量のエネルギーを導通することが所望されるとき、標準ＭＯＶの代わりに熱ＭＯＶ４２を使用することができる。そのような長時間の過電圧事象の間、標準ＭＯＶは、一般に、予測し得ぬように溶断することがある。他方、熱ＭＯＶ４２は、長時間の過電圧事象を受けると、予測通りに溶断して開回路を形成することができる。
【００１９】
熱ＭＯＶ４２は、熱ＭＯＶ４２の電圧定格より低い電圧レベルで、通常の動作の間、開回路として動作することができる。さらに、熱ＭＯＶ４２の電圧が電圧定格（すなわち、制限電圧）を超えたとき、熱ＭＯＶ４２は、過電圧事象から負荷を保護することができるように負荷４０の両端間の非線形抵抗路として機能することができる。さらに、長時間の過電圧事象の間、過電圧事象から生じる過大電流により、熱ＭＯＶ４２内の可溶性リンクが、特定の過電流状態のヒューズ時間に達した後、開となり得る。したがって、熱ＭＯＶ４２は、長時間の過電圧事象に対して予測可能な反応をすることができる。図２は単相構成における過電圧事象保護システム３７を表すが、計量システム３０は、多相電源に結合できることに留意することができる。計量システム３０が多相電源の電力使用量を測定している場合、測定される相の各々に異なる過電圧事象保護システムを使用することができる。すなわち、多相電源の各相は、計量システム３０を保護する可溶性サージ抵抗器３８と熱ＭＯＶ４２との組合せを別々に有することができる。
【００２０】
可溶性サージ抵抗器３８は、突入電流が負荷４０と熱ＭＯＶ４２に向かって流れるとき突入電流を制限することができる。可溶性サージ抵抗器３８の抵抗は、熱ＭＯＶ４２の電圧が標準電圧レベルのままであることが可能になる線間電圧からの可溶性サージ抵抗器３８の両端間の予期される電圧降下に基づいて選択することができる。いくつかの実施形態においては、標準電圧レベルは、熱ＭＯＶ４２の電圧定格未満であり計量システム３０に供給される熱ＭＯＶ４２における任意のレベルの電圧であり得る。さらに、抵抗は、熱ＭＯＶ４２の最大電流定格未満のレベルに電流を維持しながら、予期される電圧降下を達成するように選択することができる。過剰電力状態を受けると、可溶性サージ抵抗器３８は、安全保護モードに入り、可溶性サージ抵抗器３８を溶断させ、可溶性サージ抵抗器３８において開回路を生じさせ、それによって過大電流が負荷４０を損傷するのを防止することができる。可溶性サージ抵抗器３８は、可溶性金属皮膜抵抗器、可溶性巻線抵抗器、または高電流を受けながら可溶である任意の他の種類の抵抗器であり得る。
【００２１】
負荷４０の電気および電子構成要素に保護を提供する可溶性サージ抵抗器３８に加えて、熱ＭＯＶ４２も、負荷４０の構成要素に過電圧保護を提供することができる。熱ＭＯＶ４２は、電圧制御開閉器として機能することができる。例えば、熱ＭＯＶ４２の電圧定格未満の電圧で、熱ＭＯＶ４２は、開いた開閉器として働くことができる。熱ＭＯＶ４２が開いた開閉器として働くとき、計量システム３０に入る電流のすべてが負荷４０に向かって流れることができる。熱ＭＯＶ４２の両端間の電圧が熱ＭＯＶ４２の電圧定格を超えるとき、熱ＭＯＶ４２は、閉じた、低抵抗開閉器として働くことができる。そのような場合、電流のほとんどは、負荷４０および３２または３４の代わりに熱ＭＯＶ４２を通過することができる。熱ＭＯＶ４２が長時間にわたって過大電流を受けると、熱ＭＯＶ４２内の可溶性リンクが開いて、結果として熱ＭＯＶ４２が開回路として機能することができる。過大電流は、熱ＭＯＶ４２の最大電流定格より大きい任意の電流を含むことができる。さらに、熱ＭＯＶ４２は、熱ＭＯＶ４２を導通する電流が増大するにつれて増大する速度で可溶性リンクが開くことができる点まで低下することができる。例えば、熱ＭＯＶ４２内の可溶性リンクは、熱ＭＯＶ４２が導通することができる電流が熱ＭＯＶ４２の電流定格を超えて増大し続けるのにつれて速く溶断することができる。
【００２２】
熱ＭＯＶ４２は、熱ＭＯＶ４２が熱ＭＯＶ４２の電流定格を超える電流を受けるとき、開くことができるので、可溶性サージ抵抗器３８は、電流の高まりを受けながら、熱ＭＯＶ４２を開路となることから保護することができる。さらに、可溶性サージ抵抗器３８は、熱ＭＯＶ４２内の可溶性リンクの前に溶断して、計量システム３０の構成要素をよりよく保護するように設計することができる。熱ＭＯＶ４２内の可溶性リンクが可溶性サージ抵抗器３８がないシステムにおいて溶断するとき、過電圧事象は、高電圧および／または電流を計量システム３０の負荷４０中に送ることができ、それによって、負荷４０の構成要素に損傷を生じることがある。熱ＭＯＶ４２が長時間の過電圧事象の間に溶断する前に溶断する可溶性サージ抵抗器３８の場合、可溶性サージ抵抗器３８は、熱ＭＯＶ４２が開回路を生じる前に活線Ｌ上で開回路を生じることができる。したがって、可溶性サージ抵抗器３８は、開回路が長時間の過電圧事象の間に可溶性サージ抵抗器３８に生じることがあるので、熱ＭＯＶ４２の絶縁破壊が負荷４０の構成要素に影響するのを防止することができる。
【００２３】
図３は、過電圧事象保護システム３７を設計するための方法４３を示す。ブロック４４では、図３に示すように、計量システム３０に提供される最大通常動作線間電圧を決定することができる。線間電圧は、計量システム３０において配電サブステーションおよびグリッド２６を介して需要者に直接供給される電圧レベルであり得る。線間電圧は、二相、三相、または多層電力システムにおけるライン間電圧であり得る、あるいは、単相、二相、三相、または多相電力システムにおけるラインと中性点間の電圧であり得る。例を挙げると、ＡＣ１２０Ｖの電力システムは、単相、二相、または三相電力システムにおいて需要者に電力を供給することができる。単相電力システムでは、ＡＣ１２０Ｖのラインと中性点間の電圧はおよそ１２０Ｖである。二相電力システムでは、位相が１８０度だけオフセットされ、ラインと中性点間の電圧は、およそ１２０Ｖのままであり得るが、ライン間電圧は、１８０度の位相オフセットのため、ラインと中性点間の電圧の２倍、またはおよそ２４０Ｖであり得る。さらに、三相システムでは、位相は１２０度だけオフセットされ得る。したがって、ラインと中性点間の電圧は、およそ１２０Ｖのままであり得るが、ライン間電圧は、およそ１２０Ｖを３の平方根で乗じて、およそ２０８Ｖのライン間電圧が与えられることになり得る。さらに、最大通常動作線間電圧の概算は、電力線の二乗平均平方根（ＲＭＳ）の電圧の２０％をＲＭＳ電圧に追加することによって計算することができる。例えば、電力システムの動作電圧が２４０Ｖｒｍｓである場合、最大通常動作線間電圧は、大体２９０Ｖｒｍｓであり得る。したがって、ブロック４４では、計量システム３０の線間電圧は、電力を提供する電力システムの電圧と相数とに基づいて決定することができる。
【００２４】
次に、ブロック４６では、熱ＭＯＶ４２の電圧定格を選択することができる。熱ＭＯＶ４２の電圧定格は、熱ＭＯＶ４２が開回路を生じる要素から低抵抗負荷として働く要素に遷移する電圧値であり得る。起動時の熱ＭＯＶ４２の抵抗は、熱ＭＯＶ４２が実質的に負荷４０の両端間の短絡路として働き得るような程度まで無視することができる。さらに、熱ＭＯＶ４２が熱ＭＯＶ４２の電圧定格未満の電圧を受けながら、熱ＭＯＶ４２が開回路として働き、実質的に計量システム３０に入る電圧のすべてを負荷３２、３４、および４０に結合することができる。より簡明に説明すると、熱ＭＯＶ４２は、計量システム３０に入る電圧が熱ＭＯＶ４２の電圧定格未満であるとき、開いた開閉器として働き、電圧が熱ＭＯＶ４２の電圧定格より高いとき、閉じた開閉器として働くことができる。このため、熱ＭＯＶ４２の電圧定格は、計量システム３０によって受けることができる最大通常動作線間電圧よりすぐ上となるように選択することができる。しかし、電圧定格は、計量システム３０によって受ける電圧が、熱ＭＯＶ４２を起動する過電圧事象の前に負荷４０の構成要素への損傷を生じない可能性があるような値に限定することができる。例えば、負荷４０の構成要素が７００Ｖの絶縁破壊電圧を有する場合、熱ＭＯＶ４２の電圧定格は、最大通常動作線間電圧と負荷４０の構成要素の７００Ｖの絶縁破壊電圧との間で選択することができる。
【００２５】
続いて、ブロック４８では、可溶性サージ抵抗器３８の抵抗を選択することができる。可溶性サージ抵抗器３８の抵抗を決定するために、可溶性サージ抵抗器３８の両端間の予期される電圧降下をまず計算して、最小動作線間電圧状態（すなわち、可溶性サージ抵抗器３８の最悪時の電力状態）を求めることができる。次に、計量システム３０内の負荷４０の構成要素を活動状態に維持するために、計量システム３０の最小動作直流（ＤＣ）電圧を決定することができる。計量システム３０の最小動作ＤＣ電圧は、送電網２４が最小線間電圧状態で動作するとき、停電状態の間、計量システム３０を支持することができるＤＣ電圧のレベルであり得る。計量システム３０の最小動作ＤＣ電圧を決定することに加えて、最小動作線間電圧で動作するとき、可溶性サージ抵抗器３８の両端間を導通すると予期される平均電流を、計量システム３０の最小動作ＤＣ電圧を負荷４０の抵抗で割ることによって概算することができる。
【００２６】
計量システム３０の最小動作ＤＣ電圧および最小動作線間電圧で提供される平均電流を概算した後、ブロック５０では、可溶性サージ抵抗器３８の最大抵抗値を計算して、可溶性サージ抵抗器３８の許容抵抗値を決定することができる。この計算は、計量システム３０の最小線間電圧から最小動作ＤＣ電圧への電圧降下ならびに計量システム３０の二次電流を支持するために最小動作線間電圧で提供される平均電流を使用してオームの法則により達成することができる。例だけを挙げると、最小動作線間電圧で提供される平均電流が０．０２Ａである場合、および計量システムの最小線間電圧状態から最小動作ＤＣ電圧への電圧降下が３Ｖである場合、可溶性サージ抵抗器３８の最大抵抗値は、およそ１５０オームであり得る。
【００２７】
可溶性サージ抵抗器３８の最大抵抗を計算した後、線間電圧から熱ＭＯＶ４２の電圧定格未満の電圧への電圧降下ならびに通常動作線間電圧の間に提供される平均電流から計算された可溶性サージ抵抗器３８の所望の電力定格に基づいて可溶性サージ抵抗器３８の抵抗を選択することができる。電力定格は、Ｗ＝ＶｘＡの電力計算を使用して計算することができる。ここで、Ｗは電力をワットで表し、Ｖは可溶性サージ抵抗器３８の両端間の電圧降下をボルトで表し、Ａは通常動作線間電圧で提供される平均電流をアンペアで表す。可溶性サージ抵抗器３８によって消費される電力が所望の電力定格によって確立された許容限界を超えた場合、可溶性サージ抵抗器３８の抵抗を可溶性サージ抵抗器３８の電力消費が所望のレベルに達するまで最大抵抗値から減じることができる。
【００２８】
上記の例において、１００オームの可溶性サージ抵抗器３８は、最大３Ｗの電力を連続的に消費するように選択することができる。一例においては、線間電圧は、標準動作の間、およそ６Ｗを計量システム３０に供給することができる。計量システム３０が低線間電圧状態下（例えば、典型的には１２０Ｖｒｍｓで動作する計器の場合９６Ｖｒｍｓ）で動作するとき、可溶性サージ抵抗器３８は、およそ０．１２５Ａの平均電流を導通することができる。およそ０．１２５Ａの平均電流を導通しながら、可溶性サージ抵抗器３８は、およそ１．５Ｗの平均電力を消費することができる。可溶性サージ抵抗器３８によって消費されるおよそ１．５Ｗの平均電力は、可溶性サージ抵抗器３８の３Ｗの最大連続電力消費の範囲内にうまく収まる一方、計量システム３０に供給されるおよそ６Ｗの妥当な部分をまだ消費する。別の例では、線間電圧は、標準動作の間、およそ１０Ｗを計量システム３０に供給することができる。１００オームの可溶性サージ抵抗器３８が上記と同様に使用された場合、可溶性サージ抵抗器３８は、可溶性サージ抵抗器３８の３Ｗの連続消費最大値を超える範囲で電力を消費することができる。このような場合、可溶性サージ抵抗器３８は、より大きな連続消費最大値を有する別の可溶性サージ抵抗器で代用する、あるいは可溶性サージ抵抗器３８の電力消費を可溶性サージ抵抗器３８の連続消費最大値未満の許容範囲まで低減するために可溶性サージ抵抗器３８の抵抗を低減することができる。一般に、可溶性サージ抵抗器３８の抵抗をより低くすると、結果として、電力消費が低減し、抵抗をより高くすると、結果として、可溶性サージ抵抗器３８による電力消費が増大することになり得る。
【００２９】
続いて、ブロック５０では、可溶性サージ抵抗器３８と熱ＭＯＶ４２との両方の許容過渡エネルギー定格を決定することができる。初めは、短い持続時間のサージ過渡（例えば、落雷）の間の可溶性サージ抵抗器３８および熱ＭＯＶ４２の最大動作電圧および電流を決定することができる。可溶性サージ抵抗器３８および熱ＭＯＶ４２のデータシートは、選択された可溶性サージ抵抗器３８および選択された熱ＭＯＶ４２に適用可能な値を提供することができる。例えば、可溶性サージ抵抗器３８のデータシートは、可溶性サージ抵抗器３８が耐え得る最大電圧がおよそ６ｋＶであり、最大電流がおよそ３ｋＡであり得ることを開示することができる。さらに、データシートは、可溶性サージ抵抗器３８が過渡電圧および電流レベルに耐えることができる時間の量を指示することができる。さらに、熱ＭＯＶ４２が、短い持続時間のサージ過渡の可溶性サージ抵抗器３８の最大電圧（例えば、６ｋＶ）の間、制限電圧範囲で依然動作することを確認することにより、過電圧事象保護システム３７が所望の通りに機能することを確実にすることができる。
【００３０】
短い持続時間の過渡の間の可溶性サージ抵抗器３８および熱ＭＯＶ４２の最大動作電圧および電流を決定した後、短い持続時間のサージ過渡の間受けた電流、電圧降下、および過渡持続時間を使用して、可溶性サージ抵抗器３８の許容過渡エネルギー定格を決定することができる。例えば、式Ｊ＝ＷｘｓおよびＷ＝ＶＩを使用して許容エネルギー定格を決定することができる。ここで、Ｊはエネルギーをジュールで表し、Ｗは電力をワットで表し、ｓは時間を秒で表し、Ｖは可溶性サージ抵抗器３８の両端間の電圧降下をボルトで表し、Ｉは電流をアンペアで表す。さらに、Ｖが熱ＭＯＶ４２の両端間の電圧降下をボルトで表す同じ式を使用して、熱ＭＯＶ４２の許容過渡エネルギー定格を計算することができる。
【００３１】
次に、ブロック５２では、計量システム３０が依然動作したままであり得る長時間の過電圧事象の予期される大きさ（例えば、典型的な配電電圧の２倍）を決定した後、長時間の過電圧事象の間の可溶性サージ抵抗器３８の電圧降下を決定することができる。可溶性サージ抵抗器３８の電圧降下は、熱ＭＯＶ４２の電圧定格を長時間の過電圧事象の予期される大きさから減じることによって計算することができる。この値を使用して、可溶性サージ抵抗器３８を流れる電流もオームの法則により計算することができ、電流の値は可溶性サージ抵抗器３８の時間−電流曲線と比較することができる。可溶性サージ抵抗器３８の時間−電流曲線により、長時間の過電圧事象の間の可溶性サージ抵抗器３８のヒューズ時間の決定が可能になり得る。さらに、可溶性サージ抵抗器３８のヒューズ時間は、可溶性サージ抵抗器３８が長時間の過電圧事象の間、受けることがある変動する電流における時間−電流曲線を用いて計算することができる。典型的には、可溶性サージ抵抗器３８のヒューズ時間は、可溶性サージ抵抗器３８において受け取った増大されたエネルギーにより電流が上昇するにつれて減少し得る。
【００３２】
さらに、過電圧事象の間、可溶性サージ抵抗器３８を熱ＭＯＶ４２に組み合わせることによってさらに得られる利益は、可溶性サージ抵抗器３８を可溶性サージ抵抗器３８が長時間の過電圧事象の間、熱ＭＯＶ４２より短いヒューズ時間を有することができるように選択できることであることを理解することができる。可溶性サージ抵抗器３８は、可溶性サージ抵抗器３８中に流れる電流のレベルに対する予期されるヒューズ時間に達したとき、開回路を生じることができる。可溶性サージ抵抗器３８が負荷４０および熱ＭＯＶ４２に直列に結合することができるので、可溶性サージ抵抗器３８に生じた開回路は、過大電流および電圧が負荷４０の構成要素に結合するのを防止することができる。したがって、負荷４０の任意の高感度の構成要素は、長時間の過電圧事象から保護することができる。さらに、可溶性サージ抵抗器３８によって取り出され、熱ＭＯＶ４２が受けた電流のレベルにかかわらず、可溶性サージ抵抗器３８が熱ＭＯＶ４２より短いヒューズ時間を有するように可溶性サージ抵抗器３８を選択することができる。そのような選択により、長時間にわたって持続する過電圧事象の間、負荷４０の特別な層の過電圧保護が生じることができる。さらに、商用負荷３２および住居負荷３４が一般にヒューズまたは回路遮断器に結合して、長時間の過電圧事象の間、負荷３２、３４への不要な影響を制限する一方、標準計量システムが一般に同等のヒューズまたは回路遮断器システムを欠いていて、長時間の過電圧事象の間、標準計量システムへの不要な影響を制限することに留意することができる。ここに説明する技法およびシステムを使用することにより、計量システム３０は、長時間の過電圧事象の間、計量システム３０の高感度の構成要素に、保護の改善を提供することができる。
【００３３】
熱ＭＯＶ４２および可溶性サージ抵抗器３８を選択した（ブロック４６，４８，５０、および５２）後、熱ＭＯＶ４２および可溶性サージ抵抗器３８は、ブロック５４で計量システム３０内に設置することができる。いくつかの実施形態においては、熱ＭＯＶ４２および可溶性サージ抵抗器３８は、計量システム３０のハウジング内の回路基板上に配置することができる。したがって、熱ＭＯＶ４２および可溶性サージ抵抗器３８は、計量システム３０の負荷４０の回路要素のごく近傍であり得る。他の実施形態においては、熱ＭＯＶ４２および可溶性サージ抵抗器３８は、計量システム３０のハウジング内でない領域またはハウジングに隣接しない領域における回路基板上に配置することができる。過電圧保護要素のこのような配置により、計量システム３０のごく近傍でないのに、計量システム３０の保護が可能になり得る。しかし、可溶性サージ抵抗器３８および熱ＭＯＶ４２のパラメータを選択した（ブロック４６，５０、および５２）後、可溶性サージ抵抗器３８および熱ＭＯＶ４２を使用することにより、長時間の過電圧事象を受けると、計量システム３０が配電網から安全に切断することが可能になり得ることに留意することは有用であり得る。したがって、可溶性サージ抵抗器３８および熱ＭＯＶ４２を計量システム３０からある距離を置いて配置することは、空間の制約が伴う状況では有用であり得るが、計量システム３０の構成要素に最小量の特別な保護を追加するだけであり得る。
【００３４】
可溶性サージ抵抗器３８および熱ＭＯＶ４２を計量システム３０に設置した（ブロック５４）後、計量システム３０は、配電網上の保護状態のタスクを実行することができる。保護状態は、可溶性サージ抵抗器３８と熱ＭＯＶ４２との組合せにより達成することができる。計量システム３０が保護状態にある間、計量システム３０は、配電網から過電圧事象を受けることがある。過電圧事象を受けたとき、熱ＭＯＶ４２は、閉じた非線形抵抗開閉器として働くことができる。過電圧事象の間、熱ＭＯＶ４２は、過電圧事象からの過剰な電圧の実質的な部分が負荷４０の高感度の構成要素に結合するのを防止することができる。さらに、可溶性サージ抵抗器３８は、計量システム３０に入る電流を実質的に制限することができる。熱ＭＯＶ４２は、可溶性サージ抵抗器３８を介して過大電流の流れを受けると、長時間にわたって過大電流の流れを受けるとき、開になることができる。熱ＭＯＶ４２が長時間の過電圧事象の間、開回路を形成することができるので、可溶性サージ抵抗器３８は、長時間の過電圧事象の間、熱ＭＯＶ４２のヒューズ時間より短いヒューズ時間を有するように設計することができる。長時間の過電圧事象の間、可溶性サージ抵抗器３８に開回路を生じることにより、負荷４０内の高感度の構成要素を、熱ＭＯＶ４２が開となる機会がある前に安全に保護することができる。例えば、熱ＭＯＶ４２が開となり、結果として、過電圧事象によって生じた電流のすべてが負荷４０を流れる代わりに、可溶性サージ抵抗器３８がまず開となり、電流が負荷４０に達する前に回路を有効に開にすることができる。このようにして、負荷４０の高感度の構成要素を、長時間の過電圧事象の間、保護することができる。
【００３５】
この書面による説明では、最良の態様を含めて、例を使用して本発明を開示し、また、任意のデバイスまたはシステムを製作し使用すること、また任意の組み込まれた方法を実施することを含めて、本発明を実施することが当業者に可能でもある。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者には思いつく他の例を含むことができる。このような他の例は、特許請求の範囲の文字通りの言語と差異がない構造的要素を有する場合、あるいは、特許請求の範囲の文字通りの言語と差異が非実質的である同等の構造的要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることが意図されている。
【符号の説明】
【００３６】
１０  スマートグリッドシステム
１２  公益事業施設
１４  公益事業制御センタ
１６  発電所
１８  代替発電所
２０  水力発電所
２２  地熱発電所
２４  送電網
２６  配電サブステーションおよびグリッド
３０  計量システム
３２  商用サイト、負荷
３４  住居、負荷
３５  回路図
３６  負荷側通電および中性導体
３７  過電圧保護システム
３８  可溶性サージ抵抗器
４０  負荷
４２  熱金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）
４３  方法
４４、４６、４８、５０、５２、５４  ブロック
Ｌ  活線
Ｎ  中性線
【図１】
2015220980.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【外国語明細書】
2015220980000001.pdf