JP5795754B2 - 直流高圧遮断器のアーク検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気鉄道用の直流高速度遮断器を火災等から保護するために使用される、直流高圧遮断器のアーク検出装置に関する。

電気鉄道用の直流電源回路には、回路保護その他の目的で、直流高速度遮断器が使用されている。この直流高速度遮断器は、千〜数千ボルトで数百〜数千アンペアの直流電流を遮断する機能を持つ。直流大電流を遮断するときには、アークが発生し、交流に比べて消弧し難いという問題がある。アークが消えずに持続すると、遮断器の接点が損傷し、発熱により火災が発生するおそれがある。そこで、直流高速度遮断器の事故電流を検出したり、アークを強制的に消滅させる装置等が開発されている（特許文献１、特許文献２）。

特開１９９５−２０５６８９号公報 特開２００４−２２５２５号公報

アークが消えずに持続して火災等が発生した事例もあり、直流高速度遮断器を常時遠隔監視することも行われている。しかしながら、直流高速度遮断器は様々な場所に様々な態様で設置されている。キュービクルのような密閉空間に収容されている遮断器は、微小なアークも光学的に検出できる。しかしながら、大気中に開放されている遮断器の場合には、外乱光と区別がつきにくくて、検出が容易でない。
上記の課題を解決するために、本発明は、アークが消えずに一定時間以上持続していることを確実に検出して、警報を発する装置を提供することを目的とする。

以下の構成はそれぞれ上記の課題を解決するための手段である。
〈構成１〉
電気鉄道用の直流電源電流を遮断する遮断器のアークを検出するための、複数の受光素子を設けて、前記アークが発生した場所から放射される紫外光を受光して検出信号を出力するものであって、前記遮断器のアークが発生するおそれのある箇所全てを含む領域を要監視領域と呼ぶとき、各受光素子はそれぞれ、その要監視領域の一部を分担して監視し、前記各受光素子が分担して監視する領域は隣接する領域とオーバーラップしており、
前記各受光素子の出力する検出信号を増幅して電圧信号に変換する電圧増幅回路を備え、
前記全ての電圧増幅回路の出力を加算する加算回路と、加算回路の出力を閾値と比較する比較回路と、加算回路の出力が閾値を越えた状態が一定時間継続したかどうかを判定する時間判定回路と、前記状態が一定時間継続したと、前記時間判定回路が判定したときに、警報を出力する警報出力回路を備え、
前記電圧増幅回路を搭載した基板に受光素子が一個搭載され、受光素子の数だけ基板が設けられ、各基板をそれぞれ独立に支持する支持体を設け、この支持体は、各基板を各受光素子が分担する監視領域に正対するように向けて支持し、前記各基板の電圧増幅回路の信号出力が、全て前記加算回路に接続されていることを特徴とする直流高圧遮断器のアーク検出装置。

〈構成２〉
構成１に記載の直流高圧遮断器のアーク検出装置において、受光量が増加したとき指数関数的に出力電圧が増加するように検出信号を増幅する電圧増幅回路を設けたことを特徴とする直流高圧遮断器のアーク検出装置。

〈構成１の効果〉
要監視領域の一部だけを監視する開口角の小さい受光素子を使用して、検出時の信号対雑音比を高め、外乱光による影響を少なくする。各受光素子が要監視領域の一部ずつをオーバーラップさせながら監視する。故に、複数の受光素子のうちの一部の出力が低下しても、監視機能がただちに低下しない。
〈構成２の効果〉
微小な検出信号も、外来雑音と区別する閾値と比較して、アークが発生しているかどうかを確実に判定することができる。
〈構成３の効果〉
比較判定のための回路を複数の受光素子ごとに別々に設けるよりも回路を簡素化できる。また、複数の光学素子の監視する領域がオーバーラップしている部分で、検出信号が加算されるから監視領域でのアーク発生を確実に検出できる。アークが一定時間継続して検出されると、警報を出力するので、被害の発生を未然に防ぐことができる。
〈構成４の効果〉
各受光素子の向く方向を個別に最適化するために、各受光素子を搭載する基板をそれぞれ分離独立させた。また、受光素子と電圧増幅回路を近接配置して、外来雑音の影響を少なくすることができる。
〈構成５の効果〉
レベルの低い外乱光の増幅率を低くし、アークを検出した信号を大きく増幅して、信号対雑音比を向上させることができる。

実施例１の直流高圧遮断器のアーク検出装置１０を示す概略図である。 （ａ）は組み合わせた個別基板２６の平面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図、（ｃ）はＢ−Ｂ断面図である。 個別基板２６と支持体３０と本体基板３２との関係を示すもので、これらの側面図である。 （ａ）は、要監視領域を遮断器とアーク検出装置の上面からみた図、（ｂ）は側面からみた図である。 アーク検出装置１０の信号処理回路の実施例ブロック図である。 上記の信号処理回路の動作説明図である。 アークにより生じる紫外光１８の波長特性の説明図である。 電圧増幅回路４２の増幅特性を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態を実施例毎に詳細に説明する。

図１は実施例１の直流高圧遮断器のアーク検出装置１０を示す概略図である。
遮断器１２はその位置だけを破線のブロックで示した。この遮断器１２は、電気鉄道用の直流電源電流を遮断するための装置である。本発明のアーク検出装置は、既知の様々な構造の遮断器１２を監視できる。遮断器１２は既存のものでよいから、遮断器１２自体の図示と構造説明は省略する。

図の一点鎖線の円内に、遮断器１２の接点１４部分を拡大した図を示した。遮断器１２が接点１４を切り離して電流を遮断する動作中に、図の接点１４間にアーク１６が発生する。このアーク１６が許容時間以上継続すると電気接点１４を損傷し、火災等の原因になるおそれがある。そこで、受光素子２０によりアーク１６を検出して継続時間を測定する。

アーク１６が発生すると、接点１４の金属がイオン化して紫外光１８が放射される。受光素子２０は、この紫外光１８を受光して、検出信号２２を出力する。受光素子２０の出力する検出信号２２が一定時間以上継続したときには、警報機２４を動作させて警報を発する。この一定時間は、遮断器１２の性能等により適正値に設定する。例えば、１００ミリ秒以上といった設定をする。

電気鉄道用の直流高圧遮断器１２は、縦横が１００ｃｍ程度の幅のものがある。遮断器１２のアーク１６が発生する恐れのある箇所は複数存在する。遮断器１２が密閉されたキュービクルの中に配置されるものもあれば、配電盤等を配置した室内に、外気に触れる状態で露出配置されるものもある。

特に後者の場合には、外乱光の影響が無視できない。アークの発生する恐れのある箇所全体を監視するように広角レンズを用いて紫外光１８を受光素子２０に集めようとすると、外光乱を拾うため、誤検出が生じやすい。そこで、本発明では、要監視領域３４の一部だけを監視する開口角の小さい受光素子２０を複数使用して、検出時の信号対雑音比を高め、外乱光による影響を少なくする。なお、要監視領域３４は、図の破線の円全体を含む領域のことである。

図の実施例では、複数の受光素子２０を組み合わせて要監視領域３４全体を監視する。各受光素子２０が、それぞれ分担して監視する領域３６を監視する。図の実施例では、５枚の個別基板２６を準備し、各個別基板２６に受光素子２０を１個ずつ搭載している。即ち、受光素子の数だけ基板２６が設けられている。そして、各基板２６をそれぞれ独立に支持する支持体３０を設けている。各受光素子２０が分担して監視する領域３６はそれぞれオーバーラップ部分４０を有する。

支持体３０は、各基板２６を各受光素子２０が分担して監視する領域３６に正対するように向けて支持する。複数の受光素子２０で全ての箇所を同時に監視する。これにより、どの場所でアーク１６が発生してもそれを確実に検出できる。受光素子２０毎に分担して監視する領域３６が異なる。各受光素子２０の向く方向を個別に最適化するために、各受光素子２０を搭載する基板２６をそれぞれ分離独立させた。

全ての支持体３０は、その一端がいずれも本体基板３２に支持固定されている。例えば、支持体３０がフレキシブルなパイプで構成されていれば、各受光素子２０の向く方向を自由に微調整できる。もちろん、支持体３０として、既知の様々な可動支持手段を採用することが可能である。また、当初から支持角度が決まっていれば、最終的に可動である必要はない。各支持体の形状を基板の支持角度に合わせたものに設計しても構わない。

受光素子２０や基板２６，３２は防塵のために密閉した本体ケース３３に収納されることが好ましい。本体ケース３３には、要監視領域３４に面した壁面にフイルタ窓４１を設けて、紫外光１８を透過し、可視光を減衰させるような構造にすることが好ましい。もちろん、受光素子２０に個別に、同等のフィルタ機能を持つ膜を被せるようにしてもよい。本体ケース３３からはケーブルが引き出されており、警報機２４を駆動する。

図２（ａ）は組み合わせた個別基板２６の平面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図、（ｃ）はＢ−Ｂ断面図である。
図の（ａ）に示すように、略６角形の個別基板２６を５枚並べている。各個別基板２６には、受光素子２０と電圧増幅回路４２とを搭載している。図の（ｂ）や（ｃ）に示すように、各個別基板２６は、それぞれ分担して監視する領域３６の方向に向くように支持される。個別基板２６の形状は任意である。図のように隣接する個別基板２６が多角形の一辺で接していると、全体として強度が増し、形状も安定する。

なお、受光素子２０の出力する検出信号を増幅して電圧信号に変換する電圧増幅回路４２を、受光素子２０とともに個別基板２６に搭載した。これにより、受光素子２０と個別基板２６との間を接続する線長を短くできる。従って、微小な検出信号も、外来雑音と区別できるレベルで電圧増幅回路４２に入力する。そして、電圧増幅回路４２で十分に利得をあげてから、支持体３０を通じて後続回路に検出信号を供給できる。

図３は、個別基板２６と支持体３０と本体基板３２との関係を示すもので、これらの側面図である。
図のように、各個別基板２６はそれぞれ支持体３０に支持されて方向付けされ、全ての支持体３０が本体基板３２に固定されている。個別基板２６の電圧増幅回路４２から出力される信号は、支持体３０の内部を通る図示しないリード線を介して本体基板３２に搭載された後続回路に接続される。本体基板３２の裏面には後続する回路群４３が搭載されている。

リード線が外来雑音を拾うことが考えられるが、電圧増幅回路４２で十分に利得を高めてあるので問題がない。また、このように個別基板２６と本体基板３２とを分離すれば、本体基板３２に全ての回路を搭載する場合に比べて回路が煩雑になるのを防止することができる。

図４（ａ）は、要監視領域を遮断器とアーク検出装置の上面からみた図、（ｂ）は側面からみた図である。
受光素子２０にそれぞれ、（１）、（２）、（３）、（４）、（５）という番号を付ける。（ａ）において、領域Ａは（１）、（２）、（３）の受光素子２０の分担して監視する領域３６である。領域Ｂは（４）の受光素子２０の分担して監視する領域３６である。領域Ｃは（５）の受光素子２０の分担して監視する領域３６である。

（ｂ）において、領域Ｄは（１）の受光素子２０の分担して監視する領域３６である。、領域Ｅは（２）の受光素子２０の分担して監視する領域３６である。領域Ｆは（３）の受光素子２０の分担して監視する領域３６である。

いずれの受光素子２０も要監視領域の一部を分担して監視している。また、各受光素子が分担して監視する領域は隣接する領域とオーバーラップしている。これで、遮断器１２の複数の箇所全てを含む領域、即ち要監視領域を全てカバーすることができる。

この実施例では、同じ場所を少なくとも２個の受光素子２０で監視する。この場合には、どの場所でアークが発生しても、２個の受光素子２０がその紫外光１８を検出する。従って、検出信号のレベルが２倍になったのと変わらない。これで、Ｓ／Ｎ比が向上する。また、複数の受光素子２０のうちの一部の出力が低下しても、検出信号が無くなることはない。即ち、監視機能がただちに低下しないため、信頼性が向上するという効果がある。

図５は、アーク検出装置１０の信号処理回路の実施例ブロック図である。
図に示すように、この実施例では、５個の受光素子２０を使用している。５個の受光素子２０の検出出力は、それぞれ個々に専用の電圧増幅回路４２で増幅される。そして、全ての電圧増幅回路４２の出力は、本体基板３２上の加算回路４４に入力する。加算回路４４以下の回路は、本体基板３２に搭載された回路群４３である。加算回路４４は、全ての電圧増幅回路４２の出力電圧をそのまま加算する。

加算回路４４の出力信号は、比較回路４８に入力する。比較回路４８では、入力信号と閾値４６とを比較する。閾値４６による比較電圧は、紫外光１８を全く検出していないときの加算回路４４の出力信号レベルよりも少し高いレベルに選定しておく。これにより、この回路は、１個でも受光素子２０が紫外光１８を検出したときに、例えば、比較回路の出力が「１」レベルになる。それ以外のときには、比較回路の出力は「０」レベルである。

時間判定回路５０は、加算回路４４の出力が閾値４６を越えたかどうかを判定する。即ち、比較回路の出力が「１」レベルを維持している時間を計測する。例えば、入力信号が「０」レベルのときに時間カウンタをリセットし、入力信号が「１」レベルのときに時間カウンタを始動する回路とする。そして、例えば、時間カウンタが１００ミリ秒を計測したとき、警報出力回路５２を起動するよう動作する。警報出力回路５２は、例えば、警報機２４を鳴動させるスイッチである。警報機２４はベルやブザーである。

図６は、上記の信号処理回路の動作説明図である。
図のグラフの縦軸は加算回路４４の出力で、「出力信号レベル」と表示した。閾値４６のレベルを一点鎖線で表示した。図の左側の棒グラフに示したように、一個の受光素子２０が紫外光１８を検出したときには、出力信号レベルが閾値４６を若干越える。即ち、１個でも受光素子２０が紫外光１８を検出したときには、時間判定回路５０に「１」レベルの信号が入力する。また、仮に全ての（５個の）受光素子２０が紫外光１８を検出したときには、図６の最も右側に示した「検出信号レベル」になる。いずれの場合でも、時間判定回路５０に「１」レベルの信号が入力する。

図７はアークにより生じる紫外光１８の波長特性の説明図である。
図の縦軸は、光強度レベルである。横軸は、紫外光１８の波長である。遮断器１２の接点１４の金属の種類によって、発生するアーク１６の放つ紫外光１８の波長帯域が異なる。代表的な接点の金属は銅合金やタングステンである。そこで、図１に示した本体ケース３３のフイルタ窓４１は、両方の周波数帯域の紫外光１８を透過させる特性のものにする。同時に、この波長帯域以外の外乱光を遮断することが好ましい。これにより、誤動作を防止することができる。

図８は、電圧増幅回路４２の増幅特性を示す説明図である。
図の横軸は、電圧増幅回路４２の入力信号レベルで、縦軸は電圧増幅回路４２の出力信号レベルである。受光素子２０が紫外光１８を検出したときの検出信号レベルが低いと、アークの発生を見落とすおそれがある。一方、誤検出も防止したい。そこで、例えば、入力信号、即ち、受光素子２０の検出信号がＸ以上あればアークを検出したものとする。このときに、この実施例では、Ｘ以上の入力信号を高い増幅度で増幅する増幅特性を採用した。即ち、受光量が増加したとき指数関数的に出力電圧が増加するように検出信号を増幅する電圧増幅回路４２を設けた。

なお、上記のように、それぞれ方向の異なる受光素子で監視すると、各受光素子に入力する外乱光の強度が異なるから、複数の受光素子の検出信号を加算することで、信号対雑音比を高める効果がある。また、上記の実施例では，各基板２６にそれぞれ一個の受光素子２０を搭載したが、補助的に１個以上の受光素子２０を搭載してその出力を並列接続するようにしてもよい。

１０ アーク検出装置
１２ 遮断器
１４ 接点
１６ アーク
１８ 紫外光
２０ 受光素子
２２ 検出信号
２４ 警報機
２６ 個別基板
３０ 支持体
３２ 本体基板
３３ 本体ケース
３４ 要監視領域
３６ 分担して監視する領域
４０ オーバーラップ部分
４１ フイルタ窓
４２ 電圧増幅回路
４３ 回路群
４４ 加算回路
４６ 閾値
４８ 比較回路
５０ 時間判定回路
５２ 警報出力回路

Claims (2)

1. 電気鉄道用の直流電源電流を遮断する遮断器のアークを検出するための、複数の受光素子を設けて、前記アークが発生した場所から放射される紫外光を受光して検出信号を出力するものであって、
   前記遮断器のアークが発生するおそれのある箇所全てを含む領域を要監視領域と呼ぶとき、各受光素子はそれぞれ、その要監視領域の一部を分担して監視し、前記各受光素子が分担して監視する領域は隣接する領域とオーバーラップしており、
   前記各受光素子の出力する検出信号を増幅して電圧信号に変換する電圧増幅回路を備え、
   前記全ての電圧増幅回路の出力を加算する加算回路と、加算回路の出力を閾値と比較する比較回路と、加算回路の出力が閾値を越えた状態が一定時間継続したかどうかを判定する時間判定回路と、前記状態が一定時間継続したと、前記時間判定回路が判定したときに、警報を出力する警報出力回路を備え、
   前記電圧増幅回路を搭載した基板に受光素子が一個搭載され、受光素子の数だけ基板が設けられ、各基板をそれぞれ独立に支持する支持体を設け、この支持体は、各基板を各受光素子が分担する監視領域に正対するように向けて支持し、前記各基板の電圧増幅回路の信号出力が、全て前記加算回路に接続されていることを特徴とする直流高圧遮断器のアーク検出装置。
2. 請求項１に記載の直流高圧遮断器のアーク検出装置において、
   受光量が増加したとき指数関数的に出力電圧が増加するように検出信号を増幅する電圧増幅回路を設けたことを特徴とする直流高圧遮断器のアーク検出装置。

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