DC回路におけるACヒューズの誤用を避ける方法

回路に不適切なヒューズを使用すると、人や機器に壊滅的な結果をもたらす可能性があります。複数の太陽光発電（PV）モジュールストリングで構成される太陽光発電システムでは、コンバイナーまたはアレイ接続箱に設置された直流ヒューズリンクによってストリングが保護されます。この記事では、PV DCシステムにおけるヒューズの選定理由について、その概要を説明します。

AC と DC に適したヒューズを選択するにはどうすればよいでしょうか?

交流（AC）は、50Hzの回路では1秒間に100回電子の流れを反転させるため、ヒューズにとって非常に簡単に遮断されます。電流が反転すると、電流の大きさはゼロになります。電流がゼロになると、ヒューズは非常に簡単に遮断されます。この時点で電流の流れは停止し、溶融したヒューズエレメント間のアークを維持するためのエネルギーはもはや存在しません。

一方、DCではヒューズが切れにくい場合があります。電流は一方向に流れ、ヒューズがアークを消弧するのを助けるゼロ点がありません。DCヒューズは比較的高度な装置で、単純なACヒューズとは異なる構造になっています。DCヒューズには、アークを消弧するための追加の要素が含まれています。

ACヒューズとDCヒューズでは標準定格電圧が異なり、厳密な数学的関係はありません。定格電圧が1000V ACのヒューズは、構造によっては500V DCまたは750V DCになる場合があります。一般的な目安として、標準的なACヒューズは安全のために50%の定格軽減が必要です。つまり、1000V ACの場合は500V DCに定格する必要があります。ただし、何らかの仮定を行う前に、各ヒューズの試験結果や詳細な仕様についてヒューズメーカーに問い合わせることをお勧めします。

ACヒューズは通常、定格電流を超える負荷に耐えられるように設計されています。定格電流の160%から200%に及ぶ負荷を最大10秒間まで耐えられる場合もあります。PVシステムでは、PVモジュールの定電流源設計によって電流が制限されるため、AC定格ヒューズを適切な時間内に遮断するのに十分な電流を得ることは非常に困難です。

PV用途向けに特別に設計されたDC定格ヒューズは、定格電流で短時間で遮断し、ケーブル、接続箱、PVモジュールを最大限に保護するように設計されています。ヒューズにDC定格が記載されていない場合、または製品仕様書にも記載されていない場合は、DC用途での使用が承認されていない可能性があります。あるいは、製品が国際的に認められた電気認証機関またはメーカーによって承認されていない可能性があります。メーカーは、製品試験を実施するための試験施設を備えている場合と備えていない場合があるからです。ヒューズホルダーのDC定格も検査する必要があります。

ご自身とお客様の安全を守るため、太陽光発電設備には常に適切なDC定格の製品を使用してください。定格外の製品を使用した場合、万一の事故の際に、損害や人命損失に対する責任を負う可能性があります。

太陽光発電システムにおけるヒューズの用途は何ですか?

ヒューズは太陽光発電プロジェクトにおいて非常に重要な役割を果たします。太陽光発電システムでは、ヒューズが使用される場所が様々です。ストリングコンバイナーボックス、アレイボックス、さらにはインバータシステムのDC側などにも使用されます。

ヒューズはシステムのAC側でも使用されます。ACヒューズはDCヒューズとは異なりますが、この記事ではDCヒューズの設計についてのみ考察します。

多数のストリングを並列に接続する場合、逆電流や過電流 (OC) から PV パネルとシステムを確実に保護する必要があります。

ヒューズは主に、システムを短絡や火災の危険から保護するために使用されます。太陽光発電設備のヒューズは、太陽光への曝露など、過酷な環境条件にさらされるため、ヒューズが異常な温度上昇を起こし、性能に影響を与えることがあります。そのため、適切なヒューズとケーブルのサイズと選定を確実に行う必要があります。

さらに、PVモジュールは連続電流を発生します。そのため、適切なヒューズサイズを選択することがさらに重要になります。

ヒューズは、電気システムを保護するために自らを犠牲にする過電流保護装置です。過負荷や故障によって過剰な電流が流れ、ストレスがかかった際に回路を開路するように設計されています。用途に適したヒューズを選択することで、故障時に発生する可能性のある火災などの損害を防ぐことができます。よくある問題としては、インバータ回路内でのケーブルの緩み、ケーブルのアースへのショート、ケーブルの偶発的な切断、動物やげっ歯類によるケーブルのかみ傷、天候による損傷などが挙げられます。

図 1 は、PV モジュールからインバータまでの一般的な太陽光発電システムを示しています。

適切な定格のヒューズを正しく選択するにはどうすればよいでしょうか?

ヒューズの定格は電流と電圧によって決まり、通常はACのみ、DCのみ、またはACとDCの両方に対応しています。DC用途に不適切なヒューズを使用した場合、定格電圧を下げる必要がある場合があります。製品の詳細については、ヒューズメーカーにお問い合わせください。これは、遮断プロセス中に吸収する必要があるアークエネルギーが大きくなるためです。

太陽光発電用ヒューズ選定におけるヒューズサイズ決定の重要な手順

2011 年国家電気規程の第 690.8 条に従って、ストリングのヒューズのサイズを適切に決定するには、次の手順に従う必要があります。

1. 最大回路電流を計算します。
2. 公称ヒューズのアンペア定格を計算します。
3. 異常な温度条件によりヒューズの定格定格が低下します。
4. ヒューズの銘板に記載されているアンペア定格を計算します。
5. 導体定格に対するヒューズ定格を確認します。

3つ以上のアレイストリングを有する場合のみ、PV電源回路または出力回路に過電流保護（ヒューズまたはブレーカー）を組み込む必要があります。PVモジュールメーカーは通常、PVモジュールの最大逆電流容量に基づいて、ヒューズ保護を追加することなく並列接続できるストリングの最大数を指定します。

ヒューズは通常、コンバイナ ボックス内 (システムでコンバイナ ボックスを使用している場合)、または DC ディスコネクタまたはアレイ ジャンクション ボックス内に配置されます。

ほとんどの過電流保護装置の最高動作温度は45℃です。これは、家庭内の日常的な配線には十分です。一方、太陽光発電システムは屋外や屋根裏などに設置されるため、はるかに高い熱にさらされる可能性があります。そのため、ヒューズやブレーカーを高温環境に設置する場合は、製品の仕様書や温度上昇調整係数をご確認ください。そうしないと、高温時に回路が不用意にトリップしたり、ヒューズが切れたりする可能性があります。

通常の OC デバイスの定格を決定するには、次の式から始めます。

回路電流定格=Imax
OC電流容量 = Imax × モジュールストリング数 × 1.56

回路のDC側では、短絡電流（Isc）がこの計算に使用されます。例えば、ヒューズをコンバイナやアレイ接続箱内に設置する場合、Iscはモジュールの短絡電流仕様と同じになります。

Sharp モジュールのサンプル配列の場合、計算は次のようになります。

6.35A（短絡電流）× 1.56 = 9.906A

ヒューズは標準サイズ（1、2、3、4、5、6、8、10、12、15、20、25、30アンペアなど）で販売されているため、ULでは、電流定格値と同じかそれよりわずかに大きいサイズで最も近いサイズを選択する必要があると規定されています。9.906Aの場合、10Aのヒューズとなります。

変圧器を内蔵した通常のインバータを組み込んだPV回路の場合、ペアの2つの極性（正極または負極）のうち、通常は接地されていないホットワイヤ（活線）のみにヒューズを取り付けます。ただし、変圧器を内蔵しないインバータの場合は、ペアの両方のワイヤにヒューズを取り付ける必要があります。

ご参考までに、電流定格計算における 1.56 という乗数は、PV 回路に適用される 2 つの NEC 式を組み込んだショートカットです。

1 つ目は、Imax×1.25 で、これは NEC が回路の連続電流と呼ぶ値に等しくなります。

2つ目の式は「定常電流×1.25」で、これは最初の値よりも余裕を持たせることで、わずかな電流変動による不要なトリップを回避します。1.25×1.25（または1.25の2乗）を掛けると、1.56になります。
通常のトランスレスインバータ、2列のストリング、電圧（先ほど測定した値）420.36Vを備えたサンプルのグリッドタイドシステムの場合、購入するジャンクションボックスまたはコンバイナーボックスは、少なくとも2列の正負導体を収容できる1000V DC定格（つまり標準サイズ）で、最低20A定格である必要があります。

弦あたりのIsc=6.35A
並列の弦の数=2
回路を流れる電流の合計=6.35×2=12.7A
ヒューズ定格係数1.56=12.7×1.56=19.81A
したがって、考慮すべきヒューズ定格は 20A 以上にする必要があります。

したがって、選択された 20A 導体は、そのような電流定格を処理できる 6 平方 mm の銅ケーブルです。
システムは安全に機能できるようになりました。

温度に対するヒューズ減衰曲線を図 2 に示します。

図2: PVヒューズの温度曲線

認証基準に基づいてヒューズを選択する

一般的な系統連系交流システムとは異なり、PVシステム内で利用可能な短絡電流は限られており、過電流保護装置は低レベルの故障電流でも効果的に動作する必要があります。そのため、多くのメーカーは、高直流電圧と低故障電流のPVシステムを安全に保護するために特別に設計・試験されたヒューズリンクの広範な研究開発を行ってきました。

国際電気標準会議（IEC）は、PVシステムの保護は標準的な電気設備とは異なることを認識しています。これはIEC 60269-6（gPV）規格に反映されており、PVシステムを保護するためにヒューズリンクが満たすべき特定の特性を定義しています。

メーカーが提供するストリング型および分岐型のPVヒューズリンクは、この規格を満たすように特別に設計されています。これらのPVヒューズリンクは、IEC 60269-6の要件に従って完全に試験されています。

しかし、PVヒューズリンクの製造業者は、1.35 x In（公称電流の1.35倍）で動作するため、IEC 60269-6の要件を上回っています。これらのヒューズリンクはUL 2579の要件も満たしており、逆電流状況におけるPVモジュールの保護に適しています。この規格では特定の記号は認められていませんが、ヒューズリンクとストリングの記号の組み合わせは、ヒューズリンクがPVシステムのストリングの保護に適していることを示すためによく使用されます。