JP4901522B2 - サージ防護デバイス及びそれを用いたサージ保護装置 - Google Patents
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Description
入力端子11と出力端子12との間(言い換えれば、ノード15−1〜ノード15−7の間)に雷サージ電圧が印加されると、雷サージ電圧がガスアレスタ13−1とバリスタ14−2との直列回路に発生するとともに、同様にバリスタ14−1とガスアレスタ13−6との直列回路にも発生する。ガスアレスタ13−1とバリスタ14−2との直列回路に雷サージ電圧が印加された場合、両者の静電容量の違いにより、雷サージ電圧のほとんどがガスアレスタ13−1に印加されることとなる。同様に、バリスタ14−1とガスアレスタ13−6との直列回路においては、雷サージ電圧のほとんどがガスアレスタ13−6に印加されることとなる。
図4は、図2中のヒューズ4−2及びSPD10−2を示す回路図である。図5は、図4の低圧配電線L2にインパルスが生じた場合を示すケース1の電圧波形図である。この図5中の21は、インパルス、22はアレスタ放電開始、及び、23はアレスタアーク放電である。更に、図6は、図2のSPD10−2のアーク放電時の分担電圧等を示す図である。なお、図6においては、アーク放電時の各ガスアレスタのアーク電圧が15Vである場合の例が示されているが、このアーク電圧は、ガスアレスタの仕様によるものであり、種々の値に設定が可能である。
図7は、例えば、4個のガスアレスタ13−1〜13−4の直列回路からなるSPD13に対するアーク放電の条件の一例を示す図である。図8は、図7のアーク放電が継続しない(非継続)状態を示す図である。
図9(i)、(ii)は、例えば、図7に示すSPD13に対してアーク放電が継続しない(非継続)状態を示す図である。
図10は、例えば、図7に示すSPD13に対してアーク放電が停止する状態を示す図である。
図11は、例えば、図7に示すSPD13に対してアーク放電が停止する状態を示すケース2の図である。
図12は、例えば、図7に示すSPD13に対してアーク放電が停止する状態を示すケース3の図である。
図13は、例えば、図7に示すSPD13に対してアーク放電が停止する状態を示すケース4の図である。
通電許容値は、小さくても良い。例えば、200Aの仕様は、過剰な特性(スペック)である。
通電許容値が小さくなれば、ヒューズの外形も小さくできる。例えば、従来品の場合、外形寸法が100ミリメートル(mm)×100mm×200mmで重さ数キログラム(Kg)であるが、外形寸法はそれよりもコンパクト(小型)化が好ましい。
図1は、配電システム(例えば、建築物等内の低圧配電線)に接続された被防護機器を雷サージから保護するためのこの発明における実施例1のサージ保護装置を示す概略の構成図である。
図14(i)、(ii)は、図1中の1個のガスアレスタ41と1枚のバリスタ42−1との直列回路の構成例を示す図であり、同図(i)はその直列回路の回路図、及び、同図(ii)はその直列回路において時間tに対する電圧Vの特性曲線図である。
図16(i)は、図14(i)の回路において複数枚(例えば、5個)のバリスタ42−1〜42−5を並列に接続した構成例を示す回路図である。
図16(ii)の等価回路は、ガスアレスタ41の静電容量C41と、並列接続された複数枚のバリスタ42−1〜42−5の合計の静電容量C42とが、直列に接続された回路である。各バリスタ42−1〜42−5は、単数でも静電容量が大きいところ、複数枚並列に接続すると、合計の静電容量C42がとても大きくなる。そのため、図16(i)、(ii)の回路に大電流が通電された後、複数個のバリスタ42−1〜42−5に大きな電荷が充電(チャージ)されることとなる。
図18は、図1中のクラスI試験対応SPD40(40−1,40−2)に要求される性能を示す図である。
この図19に示すように、建物等の被保護対象の重要度に応じて被保護対象の保護レベルを3段階に設けるとともに、各保護レベルに対応する雷電流の規模を設けている。例えば、最も保護レベルの高い保護レベルIでは、電流波高値が200kAという極めて大きな雷電流からも被保護対象が保護されるよう、雷防護の設計を行うことが必要であるということを意味している。
・電流耐量(インパルス電流) Iimp=10/350μs 25kA
・最大使用電圧 Uc=230V
・電圧防護レベル Up=1500V以下(可能な限り低い数値)
(クラスII試験対応SPDとの協調動作に必要)
・続流遮断定格 Ifi=50kA(Uc=230 50/60Hz)
(電源の短絡電流より大きくすることが必要)
・漏れ電流 IPE=3μA以下 at DC320V
例えば、ギャップ形やガスアレスタを単独で用いると、動作時に低電圧にスイッチングすることから、続流が懸念される。動作時に、電源電圧より高い電圧がSPD端子間にないと、電源電圧によって動作状態が継続する。動作中の電圧は、続流防止の観点から、電源電圧のピーク値より大きくなる素子をガスアレスタと組み合わせて用いる。これらのことから、本実施例1のSPD40(40−1,40−2)では、特殊ガスアレスタ41とバリスタ42との直列回路の構成にした。
バリスタの動作電圧は、一般的にV1(ミリアンペア)mAで定義されている。本SPD40(40−1,40−2)に使用するバリスタ42の動作電圧は、例えば、最大使用電圧Uc230V(AC)を考慮し、320V以上とする。バリスタ42の電流耐量は、動作電圧をほぼ同じものを並列接続することによってほぼ倍にすることが可能である。本SPD40(40−1,40−2)には、例えば、Iimp=25kAを満足するためと、SPD40の寸法制約から、1枚で電流耐量が5500A(10/350μs)以上のものを5枚(42−1〜42−5)並列で用いる。
特殊ガスアレスタ41は、複数回のインパルス電流が印加されても動作電圧の下限が例えば320Vを下回らない設計とする。一般的に、電源用のSPD40(40−1,40−2)に用いるガスアレスタは、水素等の活性化ガスを数パーセント用いることで、動作時の自己発熱によってオフし易いものにしているが、同時に発熱によって電極部の摩耗が進むので、動作電圧の変動が大きくなる。これを抑止するために、本SPD40(40−1,40−2)に用いる特殊ガスアレスタ41には水素ガスを用いないで、不活性化ガスを使用している。
バリスタタイプの避雷素子は、電流耐量を大きくすることで静電容量が増加する。本SPD40(40−1,40−2)に用いている各バリスタ42(42−1〜42−5)も例外なく静電容量が大きくなっている。1枚当たりで例えば5600ピコファラッド(pF)程度である。この数値は無視することができないくらいに大きなものである。静電容量が大きいということは、言うまでもなく、電荷を沢山蓄え、且つサージ消失後にも電圧を維持してしまう。
この図22には、SPD両端の電圧波形65、サージ印加点66、及びSPD40(40−1,40−2)に流れた電流波形67が示されている。電圧波形65は、AC200Vの波形である。なお、1000:1のプローブを使用しているので、1目盛200mVとなる。又、電流波形67は、実際は電流波形に換算した波形である。つまり、1000:1のプローブを使用しているので、縦軸(Vertical)の1目盛は、電流でみると、5A/1目盛となる。従って、電流波形67は、電圧/電流変換をしたものを表示している。又、図22中の遅延(Delay)は、トリガ発生時よりどれだけ過去分のデータを表示する機能である。
この図23には、商用の電源電圧AC200Vの波形と、バリスタ両端の電圧68の波形とが示されている。
この図24には、SPD両端の電圧波形69、サージ印加点70、及びSPD40(40−1,40−2)に流れた電流波形71が示されている。図22と同様に、電圧波形69は、AC200Vの波形である。なお、1000:1のプローブを使用しているので、1目盛200mVとなる。又、電流波形71は、実際は電流波形に換算した波形である。つまり、1000:1のプローブを使用しているので、縦軸(Vertical)の1目盛は、電流でみると、5A/1目盛となる。従って、電流波形71は、電圧/電流変換をしたものを表示している。又、図24中の遅延(Delay)は、トリガ発生時よりどれだけ過去分のデータを表示する機能である。
本実施例1によれば、ヒューズ34−1,34−2に対して各SPD40(40−1,40−2)を直列に接続し、この各SPD40(40−1,40−2)を、ガスアレスタ41と、並列接続された複数枚のバリスタ42−1〜42−5及び1個の抵抗43とを、直列に接続している。そのため、直撃雷から確実に被防護機器33を保護できると共に、各SPD40(40−1,40−2)の前又は後に配置されるヒューズ34−1,34−2がトリップすることも防止できる。更に、従来の電源用のSPD10(10−1,10−2)に比べて製品寿命を長くでき、しかも、回路構成が比較的簡単であるため、小型化が容易で、信頼性が高く、低価格で提供することが可能である。その上、日本工業規格JISがIEC化されたことにより、直撃雷への対応が盛り込まれたことによって、従来のSPD10(10−1,10−2)の代替え製品となる。
この発明は、上記実施例に限定されず、種々の利用形態や変形が可能である。この利用形態や変形例としては、例えば、次の(a)〜(d)のようなものがある。
32 漏洩遮断機
33 被防護機器
34−1,34−2 ヒューズ
40,40−1,40−2 SPD
41 ガスアレスタ
42,42−1〜42−5 バリスタ
50 接地側SPD
Claims (5)
- 回線の電力供給側から供給される交流電源電圧により動作する被防護機器に対して、誘導雷から前記被防護機器を保護するための他のサージ防護デバイスの前段に配置され且つ前記回線の前記電力供給側に接続され、直撃雷から前記被防護機器を保護する電源用のサージ防護デバイスであって、
前記交流電源電圧が印加されるガスアレスタと、
前記ガスアレスタに対して直列に接続され、前記交流電源電圧のピーク値よりも高く設定されたバリスタ電圧をそれぞれ有する複数個の高耐量バリスタが並列に接続されたバリスタ群と、
前記バリスタ群の両電極間に接続され、前記バリスタ群の静電容量に蓄積された電荷を放電する抵抗とを備え、
前記他のサージ防護デバイスの動作電圧よりも小さな動作電圧により動作することを特徴とするサージ防護デバイス。 - 請求項1記載のサージ防護デバイスにおいて、
前記ガスアレスタは、不活性化ガスを用いたことを特徴とするサージ防護デバイス。 - 回線の電力供給側から供給される交流電源電圧により動作する被防護機器に対して、誘導雷から前記被防護機器を保護するための他のサージ防護デバイスの前段に配置され且つ前記回線の前記電力供給側に接続され、直撃雷を遮断して前記被防護機器を保護する遮断部品と、
前記遮断部品に対して直列に接続され、前記直撃雷から前記被防護機器を保護する電源用のサージ防護デバイスと、
を有するサージ保護装置であって、
前記電源用のサージ防護デバイスは、
前記交流電源電圧が印加されるガスアレスタと、
前記ガスアレスタに対して直列に接続され、前記交流電源電圧のピーク値よりも高く設定されたバリスタ電圧をそれぞれ有する複数個の高耐量バリスタが並列に接続されたバリスタ群と、
前記バリスタ群の両電極間に接続され、前記バリスタ群の静電容量に蓄積された電荷を放電する抵抗とを備え、
前記他のサージ防護デバイスの動作電圧よりも小さな動作電圧により動作することを特徴とするサージ保護装置。 - 請求項3記載のサージ保護装置において、
前記ガスアレスタは、不活性化ガスを用いたことを特徴とするサージ保護装置。 - 請求項3又は4記載のサージ保護装置において、
前記遮断部品は、ヒューズ又はブレーカであることを特徴とするサージ保護装置。
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