JP6573330B2 - クーロン量計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、被対象物への落雷時のクーロン量を計測するクーロン量計測装置に関する。

例えば、風力発電システムの風車鉄塔や送電鉄塔などの構築物への落雷時、その落雷により構築物に流れるサージ電流を検出する装置がある（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１で開示されたサージ電流簡易検出器は、風車鉄塔や送電鉄塔などの構築物に、ＣＴ（変流器）やロゴスキーコイルなどの電流センサを取り付けた構成を具備するものである。

このサージ電流簡易検出器では、電流センサにより、構築物への落雷時にその構築物に流れるサージ電流を検出し、その検出信号に基づいてサージ電流のレベル情報、伝播方向情報および時刻情報を管理するようにしている。

このような電流センサを使用して落雷時のクーロン量を計測する場合、電流センサから出力される検出信号の電流波形に基づいて、その電流波形の面積を算出することにより、落雷時のクーロン量を得ることができる。

特開２００８−９６３３６号公報

ところで、特許文献１で開示されたサージ電流簡易検出器では、落雷時に構築物に流れるサージ電流を検出するため、ＣＴ（変流器）やロゴスキーコイルなどの電流センサを使用している。

しかしながら、ＣＴ（変流器）やロゴスキーコイルなどの電流センサは、風車鉄塔や送電鉄塔などの構築物を囲むように電流センサを取り付ける必要がある。

その結果、構築物の大きさに応じた複数種の電流センサを用意しなければならず、構築物の変更に迅速に対応することが困難であった。また、構築物が大きくなると、電流センサも大型化しなければならず、それに伴ってコストアップを招くことになる。さらに、電流センサが重量物となり、構築物への設置時の取り扱いが困難となる。

また、電流センサの場合、サージ電流の継続時間が長いと、電流センサのコイル自体が磁気飽和する。このような磁気飽和が生じると、検出信号の電流波形の面積を算出することで得られるクーロン量は、電流センサが磁気飽和する時間までしか得られない。その結果、クーロン量を正確に計測することが困難となる。

そこで、本発明は前述の課題に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、構築物の変更に迅速に対応することができ、落雷時のクーロン量を高精度に計測し得る小型で安価なクーロン量計測装置を提供することにある。

前述の目的を達成するための技術的手段として、本発明に係るクーロン量計測装置は、被対象物に近接して配置され、その被対象物への落雷により発生した磁界を検出するホール素子と、そのホール素子の出力に接続され、ホール素子から出力される検出信号を増幅する増幅器とからなる磁界センサを備え、その磁界センサの出力に接続され、増幅器から出力される検出信号の電圧波形に基づいて被対象物への落雷時のクーロン量を算出する制御器を具備し、その制御器は、被対象物の大きさと、被対象物とホール素子との離隔距離が設定入力されていることを特徴とする。

本発明のクーロン量計測装置では、磁界センサとしてホール素子を使用する。このように、ホール素子を使用することにより、従来の電流センサのように被対象物を囲むように取り付ける必要がなく、ホール素子を被対象物に近接させて配置するだけで済む。

その結果、構築物の変更に迅速に対応することが容易となり、構築物が大きくなっても、小型のホール素子を使用することができ、装置のコスト低減が図れる。また、小型のホール素子を使用することで、構築物への設置時の取り扱いも容易となる。

本発明における磁界センサは、複数個のホール素子を被対象物に対して同一距離に配置すると共に、各ホール素子の出力に増幅器をそれぞれ接続し、各増幅器の増幅率を異ならせた構造が可能である。

また、他の構造として、単一のホール素子を被対象物に対して配置すると共に、ホール素子の出力に、増幅率が異なる複数個の増幅器を接続した構造が可能である。

さらに、他の構造として、複数個のホール素子を被対象物に対して異なる距離に配置すると共に、各ホール素子の出力に増幅器をそれぞれ接続し、各増幅器の増幅率を同一とした構造が可能である。

以上のような構成を採用すれば、制御器において、落雷により発生する磁界の大小に応じて最適な増幅器の出力を選択し、それら増幅器の出力を合算することで、雷サージの電流波形に近似する電圧波形が得られ、その電圧波形の面積を算出することで、クーロン量を高精度に算出することができる。

本発明によれば、磁界センサとしてホール素子を使用することにより、従来の電流センサのように被対象物を囲むように取り付ける必要がなく、ホール素子を被対象物に近接させて配置するだけで済む。

その結果、構築物の変更に迅速に対応することが容易となり、構築物が大きくなっても、小型のホール素子を使用することができ、装置のコスト低減が図れる。また、小型のホール素子を使用することで、構築物への設置時の取り扱いも容易となる。

本発明の実施形態で、クーロン量計測装置の概略構成を示す回路ブロック図である。 本発明の他の実施形態で、クーロン量計測装置の概略構成を示す回路ブロック図である。 図１および図２のクーロン量計測装置の動作例を説明するための波形図である。 （Ａ）は従来のロゴスキーコイルによる計測可能領域を示す波形図、（Ｂ）は本発明のホール素子による計測可能領域を示す波形図である。 本発明の他の実施形態で、クーロン量計測装置の概略構成を示す回路ブロック図である。 本発明の各実施形態におけるクーロン量計測装置を風車鉄塔に設置した例を示す斜視図である。

本発明に係るクーロン量計測装置の実施形態を図面に基づいて以下に詳述する。以下の実施形態では、図６に示すように、風力発電システムの風車鉄塔１１にクーロン量計測装置１２を設置した場合を例示するが、このクーロン量計測装置１２は、例えば送電鉄塔などの他の構築物にも設置することが可能である。

この実施形態のクーロン量計測装置１２は、図１に示すように、被対象物である風車鉄塔１１（図６参照）に近接して配置された複数個（図では４個）のホール素子１３と、各ホール素子１３の出力に接続された複数個（図では４個）の増幅器１４とからなる磁界センサ１５を備え、その磁界センサ１５の出力に接続された制御器１６を具備する。

磁界センサ１５のホール素子１３および制御器１６は、電源１７により駆動電圧が供給される。なお、この実施形態では、４個のホール素子１３および増幅器１４を例示するが、４個以外であってもよく、その数は任意である。

磁界センサ１５のホール素子１３は、風車鉄塔１１への落雷により発生した磁界を検出する。磁界センサ１５の増幅器１４は、ホール素子１３から出力される検出信号を所定の増幅率でもって増幅する。この実施形態における４個の増幅器１４は、異なる増幅率を持つ。制御器１６は、磁界センサ１５の増幅器１４から出力される検出信号の電圧波形に基づいて風車鉄塔１１への落雷時のクーロン量を算出する。

制御器１６は、磁界センサ１５の増幅器１４の出力に接続されたＡ／Ｄ変換器１８と、各Ａ／Ｄ変換器１８の出力に接続されたメモリ１９と、各メモリ１９の出力に接続された演算部２０とで構成されている。この制御器１６には、磁界センサ１５のホール素子１３および増幅器１４と同数のＡ／Ｄ変換器１８およびメモリ１９が内蔵されている。

制御器１６のＡ／Ｄ変換器１８は、磁界センサ１５の増幅器１４から出力されるアナログの検出信号をデジタル変換する。制御器１６のメモリ１９は、Ａ／Ｄ変換器１８によりデジタル変換された検出信号をデータとして保存する。制御器１６の演算部２０は、メモリ１９に保存された検出信号の電圧波形に基づいて風車鉄塔１１への落雷時のクーロン量を算出する。

制御器１６の演算部２０の出力には、表示部２１、信号部２２および送信部２３が接続されている。表示部２１は、演算部２０により算出されたクーロン量および時刻を履歴として表示する。送信部２３は、演算部２０により算出されたクーロン量および時刻をインターネット等を経由して遠隔地へ送信する。

信号部２２は、例えば所定以上のクーロン量を算出した場合に電圧接点信号を出力する。例えば、この信号部２２を風力発電システムのリレー回路に接続することにより、所定以上のクーロン量となった場合に、電圧接点信号をリレー回路に出力することで、風力発電システムの運転を安全に停止させることができる。これにより、落雷による風車の損傷を防止し、例えば風車のブレードが飛散するという重大事故を未然に防止できる。

ここで、磁界センサ１５は、磁界の大きさによって出力電圧が変動する。そのため、サージ電流が流れる風車鉄塔１１の大きさ（外径）や、風車鉄塔１１とホール素子１３との離隔距離によって、磁界の大きさが異なり、ホール素子１３の出力電圧が変動する。

このことから、風車鉄塔１１の大きさや、風車鉄塔１１とホール素子１３との離隔距離を制御器１６の演算部２０に予め設定入力しておくことにより、クーロン量を適正に補正することができる。

図１に示す実施形態のクーロン量計測装置１２では、複数個のホール素子１３が内蔵された磁界センサ１５を例示したが、本発明はこれに限定されることなく、図２に示す実施形態のように、単一のホール素子１３が内蔵された磁界センサ１５であってもよい。なお、図２において、図１と同一部分には同一参照符号を付して重複説明は省略する。

図２に示す実施形態のクーロン量計測装置１２は、単一のホール素子１３の出力を複数個（４個）の増幅器１４のそれぞれに入力接続した構造を具備する。この実施形態における４個の増幅器１４は、図１の実施形態と同様、異なる増幅率を持つ。

以上の構成からなるクーロン量計測装置１２（図１および図２参照）では、風車鉄塔１１への落雷時のクーロン量を以下の要領でもって計測する。

まず、クーロン量の計測に先立って、クーロン量計測装置１２を風車鉄塔１１に設置する（図６参照）。このクーロン量計測装置１２の風車鉄塔１１への取り付けは、取付用金具などの適宜の手段を利用することにより行われる。

この実施形態のクーロン量計測装置１２では、磁界センサ１５としてホール素子１３を使用することにより、従来の電流センサのように風車鉄塔１１を囲むように取り付ける必要がなく、ホール素子１３を風車鉄塔１１に近接させるだけで済む。

その結果、構築物の変更、例えば、外径が異なる風車鉄塔１１への適用や送電鉄塔への適用などに迅速に対応することが容易となり、構築物が大きくなっても、小型のホール素子１３を使用することができ、装置のコスト低減が図れる。また、小型のホール素子１３を使用することで、構築物への設置時の取り扱いも容易となる。

以上のようにして風車鉄塔１１に取り付けられたクーロン量計測装置１２の磁界センサ１５では、風車鉄塔１１への落雷により風車鉄塔１１にサージ電流が流れると（図１および図２の矢印参照）、そのサージ電流からの磁界をホール素子１３で検出する。このホール素子１３から出力される検出信号（電圧）を増幅器１４により所定の増幅率でもって増幅する。

クーロン量計測装置１２の制御器１６では、磁界センサ１５の増幅器１４から出力される検出信号の電圧波形に基づいて風車鉄塔１１への落雷時のクーロン量を算出する。つまり、増幅器１４から出力されるアナログの検出信号をＡ／Ｄ変換器１８によりデジタル変換する。このＡ／Ｄ変換器１８によりデジタル変換された検出信号をデータとしてメモリ１９に保存する。このメモリ１９に保存された検出信号の電圧波形に基づいて風車鉄塔１１への落雷時のクーロン量を演算部２０で算出する。

この実施形態のクーロン量計測装置１２では、増幅率が異なる４個の増幅器１４が内蔵された磁界センサ１５を使用している。このように、増幅率が異なる４個の増幅器１４を使用することにより、制御器１６の演算部２０において、落雷により発生する磁界の大小に応じて最適な増幅器１４の出力を選択し、それら増幅器１４の出力を合算する。

つまり、雷サージの電流波形に対して、その電流波形における電流値の大小に応じて、図３に示すように、メモリ１９に保存された検出電圧（電圧波形）において、増幅率が異なる４個の増幅器１４で設定される計測レンジＡ〜Ｄにおける最大電圧を各時間ごとに判別し、最適な増幅器１４の出力電圧を選択する。

ここで、４個の増幅器１４の増幅率を、例えば１０倍、５０倍、１００倍および１０００倍とすると、電圧波形のａ領域（計測レンジＡ）では、増幅率１０倍の増幅器１４を選択し、電圧波形のｂ領域（計測レンジＢ）では、増幅率５０倍の増幅器１４を選択し、電圧波形のｃ領域（計測レンジＣ）では、増幅率１００倍の増幅器１４を選択し、電圧波形のｄ領域（計測レンジＤ）では、増幅率１０００倍の増幅器１４を選択する。

これら４個の増幅器１４の出力電圧を合算することにより、磁界センサ１５のホール素子１３から出力される電圧波形が雷サージの電流波形に近似する。このようにして、雷サージの電流波形に近似する電圧波形の面積（図中の斜線部分）を算出することで、クーロン量を高精度に算出することができる。

なお、以上では、４個全ての増幅器１４を選択した場合を例示したが、雷サージの電流波形によって、４個の増幅器１４のうち、１個の増幅器１４、２個の増幅器１４あるいは３個の増幅器１４を選択する場合もある。

また、落雷により風車鉄塔１１に流れるサージ電流で発生する磁界とホール素子１３との間に、例えばフェライトコア等の磁性体を配置することが好ましい。このような構造を採用することにより、ホール素子１３に印加される磁力線を減少させることができる。

その結果、例えば増幅率１倍の増幅器においても測定できないような過大な雷サージに対しても、ホール素子１３から出力される電圧波形を雷サージの電流波形に近似させることが可能となる。

以上のように、この実施形態のクーロン量計測装置１２では、磁界センサ１５のホール素子１３から出力される電圧波形が雷サージの電流波形に近似することから、クーロン量を高精度に算出することができる。

従来のように、ＣＴ（変流器）やロゴスキーコイルのような電流センサを使用した場合、図４（Ａ）に示すように、サージ電流の継続時間が長いと、電流センサのコイル自体が磁気飽和することで、クーロン量（図中の斜線部分）は、電流センサが磁気飽和する時間Ｔまでしか得られない。その結果、クーロン量を正確に計測することが困難となる。

これに対して、この実施形態のように、磁界センサ１５としてホール素子１３を使用することにより、図４（Ｂ）に示すように、サージ電流の継続時間が長くなっても、ホール素子１３自体が磁気飽和しないので、ホール素子１３から出力される電圧波形が雷サージの電流波形に近似することで、クーロン量（図中の斜線部分）を正確に計測することが容易となる。

また、この実施形態のクーロン量計測装置において、電磁波を遮断できる金属、例えば銅製のシールド体でホール素子１３を囲撓する構造が好ましい。このようなシールド構造を採用することにより、落雷時に生じる強大な電磁波を減少させることが可能となる。

これにより、落雷時の電磁波のノイズ成分を除去することができる。その結果、シールド体で遮蔽されたホール素子１３から出力される電圧波形が、電磁波による悪影響を受けることなく、雷サージの電流波形に近似させることができ、クーロン量を正確に計測することができる。

図１に示す実施形態では、複数個（４個）のホール素子１３を風車鉄塔１１に対して同一距離に配置した磁界センサ１５について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、図５に示す構造の磁界センサ１５であってもよい。なお、図５において、図１と同一部分には同一参照符号を付して重複説明は省略する。

図５に示す実施形態のクーロン量計測装置１２は、複数個（４個）のホール素子１３を風車鉄塔１１に対して異なる距離に配置した磁界センサ１５を具備する。この場合、各ホール素子１３の出力に接続される増幅器１４の増幅率は同一に設定されている。

ここで、図１に示す実施形態のクーロン量計測装置１２では、複数個のホール素子１３を風車鉄塔１１に対して同一距離に配置し、各ホール素子１３の出力に接続された複数個の増幅器１４の増幅率を異ならせた磁界センサ１５を具備する。

このクーロン量計測装置１２では、増幅器１４の増幅率を異ならせることにより、磁界センサ１５から出力される検出信号のレベルを異ならせるようにしている。

これにより、制御器１６において、落雷により発生する磁界の大小に応じて最適な増幅器１４の出力を選択し、それら増幅器１４の出力を合算することで、雷サージの電流波形に近似する電圧波形が得られ、クーロン量を高精度に算出するようにしている。

これに対して、図５に示す実施形態のクーロン量計測装置１２では、複数個のホール素子１３を風車鉄塔１１に対して異なる距離に配置し、各ホール素子１３の出力に接続された複数個の増幅器１４の増幅率を同一にした磁界センサ１５を具備する。

このクーロン量計測装置１２では、複数個のホール素子１３を風車鉄塔１１に対して異なる距離に配置することにより、磁界センサ１５から出力される検出信号のレベルを異ならせるようにしている。

これにより、制御器１６において、落雷により発生する磁界の大小に応じて最適な増幅器１４の出力を選択し、それら増幅器１４の出力を合算することで、雷サージの電流波形に近似する電圧波形が得られ、クーロン量を高精度に算出するようにしている。

本発明は前述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。

１１ 被対象物（風車鉄塔）
１２ クーロン量計測装置
１３ ホール素子
１４ 増幅器
１５ 磁界センサ
１６ 制御器

Claims (4)

1. 被対象物に近接して配置され、前記被対象物への落雷により発生した磁界を検出するホール素子と、前記ホール素子の出力に接続され、ホール素子から出力される検出信号を増幅する増幅器とからなる磁界センサを備え、前記磁界センサの出力に接続され、前記増幅器から出力される検出信号の電圧波形に基づいて前記被対象物への落雷時のクーロン量を算出する制御器を具備し、前記制御器は、被対象物の大きさと、被対象物とホール素子との離隔距離が設定入力されていることを特徴とするクーロン量計測装置。
2. 前記磁界センサは、複数個のホール素子を被対象物に対して同一距離に配置すると共に、各ホール素子の出力に増幅器をそれぞれ接続し、各増幅器の増幅率を異ならせた構造を有する請求項１に記載のクーロン量計測装置。
3. 前記磁界センサは、単一のホール素子を被対象物に対して配置すると共に、前記ホール素子の出力に、増幅率が異なる複数個の増幅器を接続した構造を有する請求項１に記載のクーロン量計測装置。
4. 前記磁界センサは、複数個のホール素子を被対象物に対して異なる距離に配置すると共に、各ホール素子の出力に増幅器をそれぞれ接続し、各増幅器の増幅率を同一とした構造を有する請求項１に記載のクーロン量計測装置。

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