JP2011504282A - 熱的過負荷保護を備えるサージアレスタ - Google Patents

Abstract

提案されているのは、少なくとも２つの電極１４、１５；３０と可溶体１８；４０とを備えるサージアレスタであり、この可溶体は、電極１５；３０の１つを、サージアレスタの外部コネクタ１２；３６と、アークを消火するために取り付けられている消火装置１９、２０、２１；４１、４２とに接続している。これによって、電流回路が切断される。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱的過負荷保護を備えるサージアレスタとその使用方法及び熱的過負荷に対する保護方法に関する。

特許文献１には、サージアレスタが記載されている。

独国特許出願公開第１０２００５０３６２６５号明細書

解決しようとする課題は、サージアレスタのための熱的過負荷保護、及び安全かつ簡単に熱的過負荷に対してサージアレスタを保護する方法を提供することにある。さらに使用方法も示されている。

この課題は、請求項１の特徴を備えるサージアレスタ、請求項１１の特徴を備える使用方法及び請求項１２の特徴を備える方法によって解決される。

このサージアレスタは、少なくとも２つの電極を有しており、２電極サージアレスタでも３電極サージアレスタでもよい。このサージアレスタには、管状の絶縁体、好ましくはセラミックシリンダと、サージアレスタ正面端部に配置されている外部電極又は外部コネクタによって内部スペースが形成されている。内部スペースでは、少なくとも２つの電極が、外部コネクタとはんだづけ又は溶接されており、通常はピン電極として向かい合って立っているか、パイプ電極及びこのパイプ電極の中に突き出ているピン電極として形成されている。サージアレスタの内部は周辺から密閉されており、ガスが含まれている。

サージアレスタは、特に、数ｋＶの高いパルス波形電圧と数ｋＡの電流を極めて短時間にバイパスするか、又はグラウンドへ誘導する。故障時に負荷が長く継続すると、例えば、電力網を介して、又は通信網あるいはサージアレスタを介して、線電流がバイパスされる場合（パワークロス）、サージアレスタは許容されないような高温に加熱され、火災を引き起こしかねない。他方で、サージアレスタは、直流電圧又は交流電圧あるいは直流電流又は交流電流による負荷で熱的負荷がかけられる。このことは、避雷器の場合でも一時的に生じる可能性がある。電力系統の保護、例えば建物の電源供給などにおけるサージアレスタは、雷サージ電流及び過電圧から電力系統を保護する役割がある。

サージアレスタの内部では、特定の臨界電圧を超過すると、アークが生じる。このアークは、アークの電気的条件が揃っている限り、供給電流によって維持される。アークは、サージアレスタの熱的負荷を生じ、サージアレスタ及びその周辺のために特定されている数値を、この負荷が超過してはならない。許容されないような高温に加熱されることによって、サージアレスタが燃焼する危険性がある。

サージアレスタの少なくとも２つの電極の一方は、通常の場合及び普通の作動条件下では、可溶体によってサージアレスタ付属の外部コネクタに接続されている。この可溶体は電気接続を行い、電極を外部コネクタと機械的に接続している。

このサージアレスタには、さらに、アークを消火するために設けられている消火装置が含まれている。アークは、サージアレスタが反応する際に両方の電極の間で燃えるか、又は可溶体が反応して溶ける場合は、電極と外部コネクタとの間に生じる。消火装置は、過度の熱的負荷が生じた場合に、可溶体が溶解することによって作動する。アークの消火は、一方の電極からもう一方の電極又はサージアレスタの外部コネクタまでの、アークが進む、又は進むことのできる区間を延長することによって行われる。アークの消火によって、アークストライクの際に、サージアレスタの電極と外部コネクタに接続されている電源との間で形成されている電気回路は切断される。これによって電流回路が中断されるため、これ以上の熱的負荷は生じない。

消火装置を装備したサージアレスタは、消火装置が作動した場合も、サージアレスタの外部の完全性が保持されるように取り付けられている。外部の完全性とは、サージアレスタのハウジング構成が完全に維持されており、サージアレスタの外部を損傷するような部品の剥離又は飛散がないことを意味している。消火装置は、完全にサージアレスタのハウジングの内部に配置されているのが好ましい。

アークの消火により、熱的負荷がサージアレスタを許容できないほど過度に加熱し、サージアレスタが燃えてしまうことが防止される。同時に、アークの消火を助けるガス又は媒体が、サージアレスタの外部からサージアレスタの内部スペース又は消火装置周辺に流れ込み、分離プロセスによって生じたアークを消火することができる。

有利な実施形態においては、可溶体が、低融点はんだの特性を有している。この代替として、軟質はんだ又は硬質はんだが使用可能である。これによって、サージアレスタに熱的負荷がかかった場合、サージアレスタの残りのエレメントが損傷する前に、まず、可溶体のはんだが確実に溶解される。溶解するはんだが消火装置を作動し、すでに生じているか、又は溶解プロセスによって生じるアークが消火される。

好ましい実施形態では、許容されない加熱が生じた場合に、溶解して消火装置を作動させ、サージアレスタの一方の電極を、他方の電極からさらに離れた位置に遠ざけるか、又はその間に形成されている距離を延長するために、可溶体が形成されている。この実施形態により、他方の電極に対して一方の電極が動くことによって、これら両方のエレメント間の距離が延長されるばかりでなく、サージアレスタが確実に機能しなくなるまで、一方の電極がサージアレスタの内部スペースから外へ移動することも可能となる。これによって、サージアレスタ及びそれによって保護されている装置を、極めて効果的に熱的過負荷から保護することができるようになる。

もう１つの好ましい実施形態では、加熱の際に溶解して消火装置を作動させ、外部コネクタと一方の電極との間にある絶縁体を動かすために、可溶体が形成されている。好ましいのは、一方の電極が、複数の部分から形成されており、実際のサージアレスタのメイン電極の他に補助電極を含み、補助電極によって、この電極はサージアレスタの中に固定される。さらに、この電極は、サージアレスタの内部スペースから離れた方向に伸びるピン又はジャーナルを有し、これは、可溶体によって外部電極と電気的に接続されている。この可溶体は、外部電極とそれに接続されている電極との間に隙間が生じるように形成されている。許容されないサージアレスタの加熱が生じた場合及び可溶体が溶解する際、この隙間の中で絶縁体が移動するため、外部コネクタと一方の電極との間の接続は切断され、中断される。

特に好ましい実施形態では、消火装置がバネを有し、このバネを使って絶縁体に必要な動きが実施される。このバネは、一方で、機械的に可溶体にプリロードをかけ、可溶体が溶解する際にバネの応力が緩和されて、絶縁を行うために実施しなければならない電極又は絶縁体の動きを効率的に行うという利点をもっている。実施形態に応じて、このバネは、圧縮バネとして又は引張バネとして設けられている。しかし、圧縮バネは、バネの支持が簡単に行えるという特殊な利点がある。

もう１つの特に有利な実施形態では、消火装置が、可溶体に接続されていない、サージアレスタの電極から切り離されたスペースに配置されている。この実施形態により、一方では、電極と絶縁体とによって形成されている実際のサージアレスタ内部スペースを、サージアレスタの仕様に最適化できるようになる。他方では、消火装置を収容している分離スペースを、消火装置によって実行される機能に合わせて最適に設計することができる。例えば、分離プロセスの際に生じるアーク、又は電極間の距離を延長するプロセスの際に再び生じるおそれのあるアークによって火災が生じないような材料を、分離スペース及び消火装置に用いることが可能である。さらに、この分離スペースは、可溶体が溶解する際又は消火装置を使用する際、発生したアークをできるだけ効率的に消火するのに役立つガス又は媒体を含むことができる。

サージアレスタの一方の電極が消火装置によって他方の電極から離されている実施形態では、特に好ましくは、バネが圧縮バネとして形成され、可溶体が溶断していない普通の状態において、外部コネクタと一方の電極との間でこのバネにプリロードがかけられている。これによって、可溶体が溶解する際、バネの応力が緩和され、この動きにより、電極がサージアレスタの内部スペースから引き出され、外部コネクタから切り離される。

可溶体が溶解する場合に、一方の電極と外部コネクタとの間の絶縁体が移動する実施形態においては、可溶体が溶解する場合に圧縮バネの応力が緩和され、一方の電極と外部コネクタとの間の絶縁体が移動するように圧縮バネの支持を外部コネクタに取り付けることが特に有利である。この場合は、絶縁体の形状が電極の形状に合わせられる。ピン電極の場合、絶縁体がポットの形状になっているのが好ましく、その壁がピン電極と外部コネクタとの間へ動き、その底面は圧縮バネによって押されている。

変更された実施形態では、バネが引張バネとして実施されている。

可溶体が溶解する際、一方の電極が動いて停止位置に達することによって、コンタクトエレメントを操作することが可能である。バネとコンタクトエレメントとによって、電気接続が行われ、電気信号が生成される。この電気信号は、例えば、サージアレスタの機能状態を表示するなど、その他の処理に利用することができる。

この特殊な利点によって、機能の完全性に対しても、熱的負荷及びその他の負荷に対しても要求度が高い装置の中にサージアレスタを取り付けることができる。こうした装置に属するのは、例えば建物内の電力網又は通信設備又は通信網などであり、サージアレスタにより雷及びその他の過電圧に対してこれらを効果的に保護することができる。このサージアレスタは、その適用に制限がなく、サージアレスタによって高電圧を誘導する必要のあるその他の回路にも使用することができる。

前述したサージアレスタの熱的負荷に対する保護方法では、以下の工程が設けられている。サージアレスタに許容されない過度の加熱が生じた場合は、サージアレスタの他の部品が燃える前に、許容されない過度の熱的負荷によって溶解するように設計されている、サージアレスタの可溶体が加熱されるようになっている。可溶体の溶解によって、次の工程において、サージアレスタの一方の電極からサージアレスタの他方の電極又は外部電極までの距離を延長する消火装置が作動する。距離の延長は、好ましい工程の場合、一方の電極が他方の電極から遠くへ動かされ、停止位置まで他方の電極から離されることによって行われる。この場合、サージアレスタの外部の完全性は維持される。

もう１つの好ましい工程では、消火装置によって、絶縁体が一方の電極と外部電極との間のスペースを移動する。このスペースは、可溶体の溶解によって形成され、絶縁体の移動を可能にする。

もう１つの好ましい工程では、可溶体が溶解する際に、消火装置によってコンタクトエレメントが作動し、このコンタクトエレメントが電気信号を生成して、これをディスプレイ又は制御装置に転送する。

（ａ）は消火装置が普通の状態である場合、（ｂ）は作動後の状態である場合の、第１の実施形態に基づくサージアレスタを示す図である。 （ａ）は消火装置が普通の状態である場合、（ｂ）は作動後の状態である場合の、第２の実施形態に基づくサージアレスタを示す図である。

実施形態とこれに属する図とに基づいて、この配置及び方法を以下に詳しく説明する。図に示された実施形態は、寸法に忠実に描かれているものではなく、構成要素及び方法を説明するために図として示されているものである。同一の構成要素又は同一の機能をもつ構成要素には、同じ記号が付けられている。

図１は、サージアレスタの第１の実施形態の図である。図１（ａ）は通常の状態を示し、図１（ｂ）は消火装置作動後の状態を示している。

図１（ａ）に示すように、このサージアレスタは、放電スペースとして内部スペース１０を有し、この内部スペースは、管状の絶縁体１１と、この絶縁体１１の外側に形成された２つの外部電極１２と１３とから形成されている。誘導区間として、サージアレスタの内部スペースは、外部電極１３に接続されている管状電極１４と、管状電極１４の中に挿入されているピン電極１５とを有し、ピン電極１５は外部電極１２に接続されている。

外部電極１２は、トレー形に形成され、トレー部分がサージアレスタの内部スペース１０の中に突き出している。トレーの底部には穴１６があり、ここから内部電極１５が伸びている。電極１５は、内部スペース１０の外側にヘッド１７を有し、このヘッドの外径は穴１６の内径よりも大きい。ヘッド１７を備えた電極１５は、可溶体１８によって外部コネクタ１２に接続されている。

可溶体１８は、好ましくは、軟質はんだ又は硬質はんだとして形成されているため、図に示されている通常の状態においては、電極１５と外部電極１２との間で電気を誘導する接続は良好な状態にある。この可溶体は、トレーの底部を覆い、必要に応じて、外部電極１２の穴１６の中に入るように形成されている。この内部スペース１０に向かい合う、電極１５のヘッド１７の面は、トレー底部にぴったりと接触しているため、電極１５は内部スペースの中で正確に移動する。

ヘッド１７は、内部スペース１０の反対側を向く電極１５の面にジャーナル１９を有しており、このジャーナル１９の上にサポート２０が締め付けられている。サポート２０と外部電極１２との間には、圧縮バネ２１が配置されており、この圧縮バネは、電極１２とサポート２０の両方を付勢している。本実施形態では、サポート２０が、一方で電極１２によって、他方でコネクタ２２によって閉じられている管２４の中に通されている。コネクタ２２は、同様にトレー形に形成されており、そのトレー底部が内部スペース２３の中に突き出している。電極１５のジャーナル１９、サポート２０及び圧力バネ２１は、可溶体との組合せで消火装置を形成している。

図１（ｂ）には、溶解装置作動後のサージアレスタが示されている。ここでは、可溶体１８が溶解し、電極１５がサージアレスタの内部スペース１０からバネ２１の力によって外へ移動することが分かる。可溶体１８の溶解によって、圧縮バネ２１は、図１（ａ）のようなプリロードのかかった状態から、図１（ｂ）のような応力の緩和された状態に移行している。電極１５の動きは、サージアレスタの内部スペース１０から出て、バネ及び外部電極と組み合わせてコンタクトを形成しているコネクタ２２によって受け止められる。従って、サージアレスタの両方の電極の間に形成されている区間又は距離が延長されるため、形成されたアークは消火される。基本的に、消火装置の作動時にサージアレスタの外部の完全性が維持され、部品の剥離がないように構造上の措置が施されている限り、消火装置が独立した外部スペース２３に通される必要はない。しかし、シリンダ状の管２４とコネクタ２２とからなる装置は、これによって、１つには、電極１５の動きが制御されずにサージアレスタから外に出てしまうことが防止されるため、有効である。他方では、電極１５がスペース２３の中に入る際に生じる開口部１６を通して、サージアレスタの内部スペースに流れ込み、電極１５と電極１４との間に生じたアークの消火を助けるガス又は媒体を、内部スペース２３に充填することが可能となる。

図２（ａ）では、上記と同じように、サージアレスタが絶縁体１１（好ましくはセラミック又はプラスチックからなる）及び外部電極１３から形成されている。外部電極は、サージアレスタの内部スペース１０に電極１４を備えており、この電極１４は本実施形態では管状であるが、ピン状であってもよい。電極１４の対向電極３０は、複数の部分から構成されている。対向電極３０は、サージアレスタの内部スペースに、パイプ電極１４の中に入っているピン電極３１を含んでいる。この代替として、両方の電極１４及び３１を、対向するピン電極として実施することができる。

サージアレスタの内部スペース１０は、補助電極３２によって閉じられており、この補助電極３２はトレー形に形成され、そのトレー底部は内部スペース１０の中に突き出し、ピン電極３１を支持している。ピン電極３１は、例えばセンタ電極３２とはんだづけ又は溶接されている。内部スペース１０の反対側を向く面には、電極３０が、ヘッド３４を備えたジャーナル３３を有している。ヘッド３４は、センタ電極３２のトレー内にぴったりと嵌り、センタ電極とハンダづけ又は溶接されるように適合されている。例えば、ピン電極として形成されている電極部品３３のジャーナル３３は、サージアレスタのセンタ電極３２と外部電極３６との間に配置されている絶縁管３５によって取り囲まれている。

外部電極３６は、これが一方で、絶縁管３５との密閉接続が可能となるように、他方では、外部電極３６が中心穴３７を有するように形成されており、この中心穴の直径は、電極３０のジャーナル３３の直径よりも大きい。絶縁管３５は、サージアレスタの実際の放電区間の絶縁管１１と同じ外径及び内径を有しているのが好ましい。しかしながら、この絶縁管３５は、必ずしも絶縁管１１と同じ材料から製造されていなくてもよい。しかし、好ましいのは、絶縁管３５が同様にセラミック製の管であることである。

外部電極３６は、絶縁管３５の反対側を向く面に、外部電極３６の２カ所の段付部によって形成されるエッジ３８を有している。この外部の段付部によって、消火装置のバネ支持装置として設けられているハウジング部分３９を固定できる。引張バネの場合、ハウジング部分３９は省略することもできる。外部電極３６の内部スペース側の段付部は、はんだ板４０を支持している。この段付部の表面は、ヘッド３４に対面する、ジャーナル３３の底部と面一になっている。

はんだ板４０は、外部電極３６の段付部と一方の電極３０のジャーナル３３とを電気的に良好に接続するように実施されている。外部電極３６と一方の電極のジャーナル３３との間に形成されているスペース又はギャップ３７を、絶縁ポット４１が押す。このポット４１は、外部電極３６の内径とジャーナル３３の外径との差が最大でも等しくなるエッジ厚をもっている。絶縁ポット４１の底部と外部ハウジング３９との間には圧縮バネ４２が取り付けられ、このバネは、図に示されている通常の状態では、可溶体４０に向かって絶縁体４１にプリロードをかけている。図に示されている実施形態では、絶縁ポット４１が、このポットのエッジ全体には延びていない延長部４３を有し、この延長部は可溶体４０を通り抜け、外部電極と内部電極３０との間にあるスペース３７の中に入っている。この延長部によって、可溶体が溶解する際、絶縁体４１がジャーナル３３の上を通り、傾かないようにすることができる。

図２（ｂ）に示すように、絶縁体４１は、可溶体が溶解した状態において、バネ４２の応力が緩和されることにより、サージアレスタの一方の電極のジャーナル３３上を移動するか、又は外部電極の穴の中に入り込む。これによって、アークに使用可能な、外部電極３６間の空き空間の距離がサージアレスタの一方の電極によって延長される。この実施形態においては、可溶体の溶解時にも、サージアレスタの内部スペース１０は完全に維持されたままである。

一方の電極３０及び外部コネクタ３６の分離によって生じるアークは、一方で、絶縁体４１の長い絶縁距離によって消火される。しかし、絶縁管３５と一方の電極のジャーナル３３との間に形成される内部スペースに、アークが発生した際にアークの消火を補助するガス又は材料を充填することも可能である。

提示された対象及び方法の説明は、個々の特殊な実施形態だけに制限されない。むしろ、個々の実施形態の特徴は、技術的に有効である限り、任意に相互に組み合わせることができる。従って、説明されている対象及び方法は、例えば、ピン電極の代わりにパイプ電極によっても実施することができる。

１０ 内部スペース
１１ 絶縁体
１２、１３、３６ 外部コネクタ
１４、１５、３０ サージアレスタの電極
１６、３７ 外部電極の穴
１７ 電極のヘッド
１８、４０ 可溶体
１９、３３ サージアレスタの電極の外部ジャーナル
２０ ホルダ
２１、４２ 圧縮バネ
２２ 消火装置のコネクタ
２３ 消火装置の内部スペース
２４ 管状絶縁部品
３１ 電極の内部電極
３２ 電極のセンタ電極
３３ 電極の外部電極
３４ 電極の外部ジャーナルのヘッド
３５ 絶縁体
３８ 外部電極のエッジ
３９ ハウジング
４１ 絶縁体
４３ 絶縁体のエッジ延長部

Claims (15)

1. 外部コネクタ（１２、１３；１３、３６）に接続されている、相互に絶縁された少なくとも２つの電極（１４、１５；１４、３０）と、
   少なくとも２つの前記電極の第１の電極（１５；３０）を、サージアレスタの第１の外部コネクタ（１２；３６）に接続している可溶体（１８；４０）と、
   前記可溶体の溶解によって作動し、アークを消火するために取り付けられている消火装置（１９、２０、２１；４１、４２）と、
   を備えることを特徴とするサージアレスタ。
2. 前記消火装置が作動した場合に、前記サージアレスタの外部の完全性が維持されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のサージアレスタ。
3. 前記消火装置によって、少なくとも２つの前記電極の第１の電極（１５；３０）が、少なくとも２つの前記電極の第２の電極（１４）からさらに離れた位置に移動可能である、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のサージアレスタ。
4. 前記消火装置がバネ（２１；４２）を有し、該バネは、一方の前記電極（１５）のホルダ（２０）を圧迫し、前記可溶体（１８）に応力をかける、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のサージアレスタ。
5. 前記バネが圧縮バネとして形成され、該バネは、前記２つの外部コネクタ（１８）の１つと前記第１の電極（１５）との間でプリロードがかけられている、
   ことを特徴とする請求項４に記載のサージアレスタ。
6. 前記消火装置によって、絶縁体（４１）が前記第１の外部コネクタ（３６）と前記第１の電極（３０）との間の位置に移動可能である、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のサージアレスタ。
7. 前記絶縁体がポット型に形成され、その壁が、バネ（４２）によって前記第１の電極（３０）と前記第１の外部コネクタ（３６）との間へ移動可能である、
   ことを特徴とする請求項６に記載のサージアレスタ。
8. 前記バネ（４２）がホルダ（３９）及び前記絶縁体（４１）を圧迫し、前記絶縁体は、その塞がれていない端部で、前記可溶体（４０）に圧力を加えている、
   ことを特徴とする請求項７に記載のサージアレスタ。
9. 加熱の際に溶解し、アークを消火する特性をもつガスを放出するために、前記可溶体が形成されている、
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のサージアレスタ。
10. 前記消火装置が、少なくとも２つの前記電極の一方から切り離されたスペース（２３；３９）の中に配置されている、
    ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のサージアレスタ。
11. 電力系統又は通信装置における、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のサージアレスタの使用方法。
12. 熱的負荷が生じた場合に、前記可溶体の溶解により前記消火装置が作動する工程と、
    サージアレスタの少なくとも２つの前記電極の第２の電極から、サージアレスタの少なくとも２つの前記電極の第１の電極又は前記第１の外部電極までに形成されている区間を延長する工程と、
    前記サージアレスタが外部完全性を維持する工程と、
    を備えることを特徴とする、熱的過負荷に対する、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のサージアレスタの保護方法。
13. 前記区間を延長する工程が、前記サージアレスタの前記第１の電極と前記第２の電極間における相対運動によって行われる、
    ことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 電気信号を生成するコンタクトエレメントが作動する、
    ことを特徴とする請求項１２又は１３に記載の方法。
15. 前記区間を延長する工程が、溶解した可溶体によって空けられたスペースの中に絶縁体が移動することによって行われる、
    ことを特徴とする請求項１２に記載の方法。

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