JP3818724B2 - 低圧配電系統の雷侵入保護装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低圧配電系統における電力量計から需要家側の機器に対し、雷によるフラッシオーバが引き起こす絶縁破壊、またアーク続流発生による焼損事故等の保護防止対策として用いる低圧配電系統の雷侵入保護装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、低圧配電系統の雷保護対策には、次のようなものがある。
▲１▼耐雷形電力量計の使用：耐電圧レベルをあげてフラッシオーバを未然に防止する。
▲２▼バリスタ内蔵電子電力量計の使用：線間にバリスタを接続し、過電圧をカットする（単相３線式にのみ実施）。
▲３▼漏電遮断器の使用：漏電遮断器内部の線間にバリスタを接続する。
▲４▼家電機器の耐雷対策：需要家側の家電機器内部の線間にバリスタを接続する。
【０００３】
つまり、従来の低圧配電系統における雷保護対策を大別すると、機器単体の絶縁耐力を上げて過電圧レベルを向上させ、フラッシオーバを防ぐ方法（上記▲１▼）と、バリスタを用いて過電圧をある電圧レベル以下にカットしてフラッシオーバを防ぐ方法（上記▲２▼，▲３▼，▲４▼）の２つがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の方法には、各々次のような問題がある。
ａ．過電圧レベルを上げてフラッシオーバを防ぐ方法
この方法を用いると、その耐電圧を上げた機器（例えば電力量計）のフラッシオーバを少なくすることはできるが、その機器より負荷側にある機器（例えば電力量計）には過電圧が侵入して事故を起こす恐れがある。つまり、電力会社側の機器を保護することはできるが、需要家側の被害を防ぐことはできない。
【０００５】
ｂ．バリスタを用いて過電圧をカットする方法
この方法によると、侵入してくる過電圧をすべてバリスタによってカットすることができるが、サージ耐量が決まっているため、その耐量以上の過電圧の侵入があった場合には事故の可能性が出てくる。更に、家屋内での対策であるため、火災等の危険性がある。
【０００６】
そこで本発明は、上記２つの方法によらずに需要家側の機器を保護し、火災等を防止し得る雷侵入保護装置を提供しようとするものである。
【０００７】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、需要家側機器に接続される低圧配電系統の電線間に接続され、雷によってこれらの電線間に侵入した過電圧から電力量計等の低圧配電機器及び需要家側機器を保護する低圧配電系統の雷侵入保護装置において、
前記電線にそれぞれ接続された針状電極の先端部を、密封された筐体内にギャップを介して対向配置し、
前記筐体は、熱を受けて不活性ガスを発生する性質の樹脂からなるケースを備え、このケース内部に消弧室を有すると共に、前記筐体の一部に肉厚を薄くした部分を設け、
前記針状電極を前記先端部に向かうに従って断面積が小さくなるように形成し、
需要家側機器の耐圧よりも低い電圧が各電極間に印加された時にこれらの電極間でフラッシオーバを発生させてアークの熱により両電極の先端部を溶融させ、両電極間のギャップの間隔を大きくしてアーク続流を遮断するものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す雷侵入保護装置の外形と内部構造を示す部分断面図である。
雷侵入保護装置１は、その外殻となって一定の肉厚を有する円筒形で、熱を受けて不活性ガスを発生する性質の樹脂（例えば、ポリアセタール等）から成るケース２と、蓋状で、中心部を針状電極６ａ，６ｂが貫通すると共にケース２の両端に取り付けられる絶縁性ゴムのキャップ４ａ，４ｂとを備え、消弧室３を形成している。なお、ケース２及びキャップ４ａ，４ｂは請求項１における筐体を構成している。
【００１１】
消弧室３内部には、その先端部１１ａ，１１ｂに向かうに従って断面積が小さくなるように形成された前記針状電極６ａ，６ｂが同一線上に対向して配置されている。ここで、先端部１１ａ，１１ｂ間にはギャップ７が形成されている。また、針状電極６ａ，６ｂのキャップ４ａ，４ｂに固定されている部分には、各々ケーブル５ａ，５ｂが一体に接続されている。これらのケーブル５ａ，５ｂは、単相２線式の各動力線または単相３線式の動力線及び架空共同地線にそれぞれ接続される。
【００１２】
図２は図１のＡ部拡大図である。針状電極６ａと針状電極６ｂとの間隔（絶縁距離）であるギャップ７は、雷による過電圧が侵入した場合、需要家（負荷）側の機器（図示省略）の耐圧よりも低い電圧でフラッシオーバが発生するように数mmに設定されている。このように設定されたギャップ７は、結果としてフラッシオーバを意図的に発生させることになり、それ以上の過電圧が機器に加わることを防止することになる。
【００１３】
図３はキャップ４ｂの断面を示した要部拡大断面図で、図４は図３のIV方向矢視図である。
キャップ４ｂの消弧室３の内部には、前述のように針状電極６ｂが中心に貫通して、これを支持している平面状の底部４ｃが形成されている。この底部４ｃには、断面がＶ字状の溝部４ｅが針状電極６ｂを中心として同心円状に凹設されている（図４）。溝部４ｅの最下端（図の右側）は、キャップ４ｂの外表面に肉薄しているので、この部分の底部４ｃとゴムキャップ４ｂの外表面との間は、わずかな肉厚を残して形成されていることになる。
なお、上述の溝部４ｅは、キャップ４ｂでなくキャップ４ａに設けても良く、またキャップ４ａ，４ｂの双方に設けても良い。
【００１４】
図５〜図７は、本実施形態でのフラッシオーバ前後のギャップ７の状態を示した図で、図５はフラッシオーバが発生する前の針状電極６ａ，６ｂとそれによって形成されるギャップ７の状態を示した図である。
図５のギャップ７は、針状電極６ａ，６ｂの先端部１１ａ，１１ｂが正常に保たれている状態で、これがギャップ７の正規の間隔（初期設定）である。
当然のことながら、ギャップ７が大きい場合には、抵抗が増加するのでフラッシオーバが発生する電圧（フラッシオーバ電圧値、以下この名称を用いる）が高くなり、逆にギャップ７が小さい場合には、抵抗が小さくなるのでフラッシオーバ電圧値も低くなる。
【００１５】
図６は雷侵入保護装置にフラッシオーバ及びアークが発生してギャップ７が広がった状態を示す図である。
図５のような状態で、雷侵入保護装置１にギャップ７で設定したフラッシオーバ電圧値以上の過電圧（需要家側機器の耐圧よりも低い電圧）が侵入した場合にフラッシオーバが発生する。このとき、ギャップ７を形成する針状電極６ａ，６ｂは、先端部１１ａ，１１ｂに向かうに従って先細りに形成されているので、フラッシオーバ後に発生したアークの熱によって針状電極６ａ，６ｂの先端部１１ａ，１１ｂを溶かしてギャップ７（絶縁距離）が大きくなり、アーク抵抗が増加して瞬時にアーク続流遮断が行える。
【００１６】
このアーク続流は、通常の電力量計等で発生した場合、３相３線式２１０Ｖ系統の例で、２０００Ａ前後で２０msec〜５０msec程度継続する。このため、電力量計の焼損及び需要家側のキャッチヒューズの溶断等を引き起こし、停電事故の原因となるので、本実施形態によるアーク続流の遮断機能は極めて有効である。
【００１７】
図７は消弧室３の放圧によるアークの消弧を模式的に描いた図である。
消弧室３内では、アークが発生した場合、このときの熱によってケース２内部に不活性ガスが発生し圧力が上がる。
この圧力上昇が一定の値に達するとキャップ４ａ，４ｂは、その溝部４ｅの部分の肉厚が薄くなっているので、この部分から破裂し、消弧室３内部の圧力上昇を一気に放圧することになる。図において、矢印はこのときの気体の流れの向きを示したものである。このことによって、発生したアークは、放圧時の気体の流れによって一気に消弧され、図６で示した、針状電極６ａ，６ｂの先端部１１ａ，１１ｂの熱による溶融でギャップ７が広がることと相俟って消弧作用を促進させ、アーク続流をより確実に遮断できる構成になっている。
【００１８】
また、ケース２やキャップ４ａ，４ｂが破裂するような予想以上の急激な圧力上昇が起こった場合等には、溝部４ｅの部分からキャップ４ｂが破断して飛散する。これはギャップ７が広がる方向なので、針状電極６ａ，６ｂが近づいて接触するといった危険性はなく安全である。
【００１９】
なお、この溝部４ｅは、上記安全性が達成できるならば、キャップ４ａ，４ｂの外側に設けても良く、またケース２の内側又は外側に設けても良い。更に、溝部ではなく、第２実施形態で述べるように凹部を用いてその部分の肉厚を薄くしても同様の効果を奏する。
【００２０】
図８は本実施形態の雷侵入保護装置１を実際の動力線に適用した例を示す実体図である。
雷侵入保護装置１は、電柱１０に高架されている２本の動力線１２ａ，１２ｂと、１本の架空共同地線１３との間に各々設置される。すなわち、雷侵入保護装置１は、動力線１２ａと架空共同地線１３の間に１本と、動力線１２ｂと架空共同地線１３との間に１本設置される。動力線１２ａ，１２ｂには、各々引き込み線１５ａ，１５ｂが接続され、キャッチヒューズ１７を経由して需要家側の機器（図示省略）に接続されている。このキャッチヒューズ１７は、需要家側事故発生時、その過電流により溶断し、需要家側の機器への過大な電圧の侵入を防いで保護するものである。雷の場合は、雷侵入保護装置１がキャッチヒューズ１７より低い電圧でバイパス動作的にフラッシュオーバして溶断し、需要家側の機器への過大な電圧の侵入を防いで保護する。
【００２１】
なお、本実施形態の単相３線式のみならず、第２実施形態として３相３線式にも使用することも可能である。
図９はこの雷侵入保護装置を実際の動力線に適用した例を示す実体図である。
３本の動力線１８ａ，１８ｂ，１８ｃには、箱状の立方体形状をした雷侵入保護装置２０がケーブル２１ａ，２１，２１ｃによって接続されている。
【００２２】
図１０は本発明の第２実施形態である雷侵入保護装置２０の内部構造を示す断面図である。
この雷侵入保護装置２０は、内部の空間を消弧室２５とし、一辺が５０ｍｍ程度の立方体から成る前述と同様の熱を受けて不活性ガスを発生する性質の樹脂製ケース２６を有している。ケーブル２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、ケース２６を貫通し、このケース２６と一体に固定されている。消弧室２５内には、第１実施形態の針状電極６ａ，６ｂと同様に形成された針状電極２７ａ，２７ｂ，２７ｃが各々、ケーブル２１ａ，２１ｂ，２１ｃと接続されている。ケース２６内での針状電極２７ａ，２７ｂ，２７ｃは、それぞれの先端部２８ａ，２８ｂ，２８ｃに一定の間隔（絶縁距離）を持たせたギャップ３０を形成するように固定されている。
【００２３】
この雷侵入保護装置２０に過電圧が侵入したときの機器の保護動作を説明する。
先ず、ギャップ３０は、需要家側の機器の耐圧よりも低い電圧値でフラッシオーバが発生するように設定されているので、雷等による過電圧が侵入した場合、先端部２８ａ，２８ｂ，２８ｃにフラッシオーバが発生して、需要家側の機器を保護する。
【００２４】
次に、アーク続流については、ギャップ３０を形成する先端部２８ａ，２８ｂ，２８ｃは、先端に向かうに従って断面積を小さくした針状としているので、第１実施形態の場合と同様に、発生したアークの熱によって先端部２８ａ，２８ｂ，２８ｃは溶かされる。この結果、ギャップ３０の間隔（絶縁距離）が大きくなり、アーク抵抗が増加することによって瞬時にアーク続流が遮断される。
【００２５】
消弧作用については更に、アークの発生に伴って消弧室２５内の気体が熱せられ、ケース２６内部に不活性ガスが発生し圧力が上昇する。この圧力上昇を逃すため、ケース２６の１箇所に肉厚を薄くした凹部（図示省略）を設け、一定の圧力でこの凹部が破壊するように構成し、一気に消弧室２５の内部圧力を放圧できる構造となっている。このため、発生したアークは、気体の強い流れによって消されることになる。従って、前述したアークの熱によって先端部２８ａ，２８ｂ，２８ｃが溶かされることによりギャップ３０の間隔（絶縁距離）が大きくなることと共に、アークの消弧作用を一層促進させ、より確実にアーク続流を遮断できる。
【００２６】
なお、第１実施形態においてはケース２を円筒形状とし、第２実施形態では立方体形状としたが、どのような形状でも良いことは言うまでもない。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、需要家側の機器の耐圧よりも低い電圧値でフラッシオーバを発生させるような間隔で針状電極を配置するので、需要家側の機器には過電圧が発生しない。従って、絶縁破壊や需要家側の機器の焼損等の被害が防止でき、火災等の危険がなくなる。
【００２８】
また、本発明において、対向する複数の電極は、先端部に向かうに従って断面積が小さくなるように構成されている。このため、過電圧によるアークによって針状電極先端が融けて、前記電極間の間隔は大きくなり、アーク抵抗が増加してアーク続流を遮断する。
【００２９】
更に、過電圧発生時のアークによるケース内の温度上昇によって圧力が上昇し、キャップまたはケースの肉厚を薄くした溝部・凹部が破裂し、高圧となったケース内の気体を一気に放圧できる。従って、アークは気体の強い流れによって消され、より確実にアーク続流を遮断することができる。
【００３０】
上述のように、本発明によれば、設定された過電圧以上の電圧が機器に侵入することはないので、需要家側の機器の被害を防ぎ、火災を防止する。また、アーク続流が起きないので、需要家側のキャッチヒューズの溶断等はなく、停電事故を防止できる。加えて、過電圧がその系統に侵入し、フラッシオーバ及びそれに伴うアークが発生した場合、この雷侵入保護装置を交換することで簡単に系統を復帰することができ、メンテナンス性を大幅に向上させることができる。
そして、この装置を設置することで、低圧配電系統全体の雷侵入保護も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の雷侵入保護装置の外形と内部構造を示す部分断面図である。
【図２】図１のＡ部拡大図で、消弧室の針状電極のギャップを示した図である。
【図３】キャップの断面を示した要部拡大断面図である。
【図４】図３のIV方向矢視図である。
【図５】アークが発生する前の針状電極とそれによって形成されるギャップの状態を示した図である。
【図６】針状電極の溶融によるギャップの増加を示した図である。
【図７】消弧室の放圧によるアークの消弧を模式的に描いた図である。
【図８】本実施形態の雷侵入保護装置を単相３線式の電線に適用した例を示す実体図である。
【図９】３相３線式の電線に適用した他の実施形態の雷侵入保護装置の例を示す実体図である。
【図１０】図９に示す雷侵入保護装置の内部構造を示す断面斜視図である。
【符号の説明】
１，２０ 雷侵入保護装置
２，２６ ケース
３，２５ 消弧室
４ａ，４ｂ キャップ
４ｃ 底部
４ｅ 溝部
５ａ，５ｂ，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ ケーブル
６ａ，６ｂ，２７ａ，２７ｂ，２７ｃ 針状電極
７，３０ ギャップ
１１ａ，１１ｂ，２８ａ，２８ｂ，２８ｃ 先端部

Claims (1)

1. 需要家側機器に接続される低圧配電系統の電線間に接続され、雷によってこれらの電線間に侵入した過電圧から電力量計等の低圧配電機器及び需要家側機器を保護する低圧配電系統の雷侵入保護装置において、
   前記電線にそれぞれ接続された針状電極の先端部を、密封された筐体内にギャップを介して対向配置し、
   前記筐体は、熱を受けて不活性ガスを発生する性質の樹脂からなるケースを備え、このケース内部に消弧室を有すると共に、前記筐体の一部に肉厚を薄くした部分を設け、
   前記針状電極を前記先端部に向かうに従って断面積が小さくなるように形成し、
   需要家側機器の耐圧よりも低い電圧が各電極間に印加された時にこれらの電極間でフラッシオーバを発生させてアークの熱により両電極の先端部を溶融させ、両電極間のギャップの間隔を大きくしてアーク続流を遮断することを特徴とする低圧配電系統の雷侵入保護装置。

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