JP2025006760A - サージ防護デバイス分離装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型でありつつ、大サージ電流耐量性能と小定格電流性能とを両立できるサージ防護デバイス分離装置を提供する。【解決手段】サージ防護デバイス分離装置１は、被保護装置２を過電圧サージに対し保護するサージ防護デバイス３に対し直列に接続される。サージ防護デバイス分離装置１は、電流遮断器２０と抵抗２１との直列回路と、この直列回路に対し並列に接続された電圧スイッチング形サージ防護部品２２と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、被保護装置を過電圧サージに対し保護するサージ防護デバイスに対し直列に接続されるサージ防護デバイス分離装置に関する。

従来、低電圧配電系統において、落雷時に発生する非直撃雷による過渡過電圧サージから電気・電子機器、通信装置等の被保護装置を保護するデバイスとして、電源用サージ防護デバイス（Ｓｕｒｇｅ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ Ｄｅｖｉｃｅ、ＳＰＤ）が設置される。サージ防護デバイスは、代表的には、内部分離器と、金属酸化物バリスタ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｖａｒｉｓｔｏｒ、ＭＯＶ）と、ガス入り放電管（Ｇａｓ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｔｕｂｅ、ＧＤＴ）と、の直列回路で構成される。

このようなＳＰＤのＭＯＶは、電源の充電線と中性線との間に接続されることから、常時商用電源の電圧が印加される課電状態にあること、及び、雷サージが複数回加わって繰り返し動作すること、等により経時劣化する。ＭＯＶの劣化は、漏れ電流の増加及び自己発熱を生じさせ、好ましくない。

また、ＭＯＶに過大サージ電流が流れ瞬時に短絡故障すると、電源の充電線と中性線とが短絡状態となり、その短絡状態が継続すると、配電系統におけるＳＰＤの上位にあるブレーカ等の電流遮断器が動作して電源供給が遮断されることにより、被保護装置が停電し、装置動作が停止する。

そこで、ＳＰＤが故障した場合に、上位の電流遮断器の動作より先に、当該ＳＰＤを速やかに切り離すことが必要である。このようなＳＰＤの切り離しに用いられるＳＰＤ分離装置として、従来の電流ヒューズの可溶体に低融点合金を溶着させサージ電流耐量を上げる一方、故障電流が流れた際、低融点金属の拡散を利用して可溶体を溶断させ故障したＳＰＤを電源の充電線から切り離すものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、ＳＰＤが劣化して生じる故障電流に対して、遮断できる電流を、より小さな値まで引き下げることのできるＳＰＤ分離器用電流ヒューズが知られている（例えば、特許文献２参照）。

さらに、電圧スイッチング形サージ防護部品（Ｓｕｒｇｅ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ、ＳＰＣ）と、抵抗素子と、温度ヒューズと、を備えた複数の部品による回路で構成されて、電源の短絡電流が抵抗素子を流れた際に発生する抵抗素子の自己発熱を利用して温度ヒューズを遮断する機構が知られている（例えば、特許文献３参照）。

上記のようなＳＰＤ分離装置の性能には、小定格電流性能と大サージ電流耐量性能との両方が求められる。すなわち、ＳＰＤが故障した場合、安全面から、できるだけ小さな短絡電流で速やかに故障したＳＰＤを健全な電源系統から切り離すことと、雷サージ防護面から、レベルの高い雷サージに対しても被保護装置を保護できるようにすることと、が求められる。

しかしながら、ＳＰＤ分離装置としてヒューズ又はブレーカ単体を使用する場合、これらの性能は比例関係にあるため、相反する小定格電流性能と大サージ電流耐量性能とを両立させることが困難である。

例えば、特許文献１の電流ヒューズは、定格電流２１Ａで公称放電電流（Ｉｎ）の最大値が６．７ｋＡであるものの、一般家庭用のＳＰＤは最大放電電流（Ｉｍａｘ）１０ｋＡが要求されることを考慮すると、より一層の大サージ電流耐量性能が求められる。

また、特許文献２の場合には、ヒューズの可溶体の直流抵抗が大きく、可溶体長が長くなることにより端子方向への放熱が抑えられ溶断電流が３０Ａであるものの、一般家庭における最小定格電流のブレーカが１５Ａであることを考慮すると、ヒューズとブレーカとの協調が取れないおそれがある。

さらに、特許文献３の場合には、ＳＰＤ故障時に電源の短絡電流が抵抗を流れる際の抵抗の自己発熱を利用して温度ヒューズで遮断する動作機構であるため、抵抗が発熱してその熱が温度ヒューズに伝わり、温度ヒューズが切れる温度まで上昇する時間が必要であり、動作が遅いという課題がある。

この点、電流遮断器とインピーダンス素子であるコイルとの直列回路に対し、サージ防護部品を並列に接続することで、小定格電流性能と大サージ電流耐量性能とを両立したＳＰＤ分離装置又はＳＰＤが知られている（特許文献４及び５参照。）。

しかしながら、特許文献４及び５の場合には、電流遮断器と接続されるインピーダンス素子としてコイルを使用していることから、必要なインダクタンスを得るために大きなコイルが必要であり、全体として大型化するという課題がある。

特開２０１１－３３５０号公報 特開２０１４－３６０１３号公報 特開２０１２－２１０００９号公報 特開２０１２－６５４６１号公報 実開昭５４－６５３７号公報

上述したように、小型で、かつ、大サージ電流耐量性能と小定格電流性能とを両立できるサージ防護デバイス分離装置が求められる。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、小型でありつつ、大サージ電流耐量性能と小定格電流性能とを両立できるサージ防護デバイス分離装置を提供することを目的とする。

請求項１記載のサージ防護デバイス分離装置は、被保護装置を過電圧サージに対し保護するサージ防護デバイスに対し直列に接続されるサージ防護デバイス分離装置であって、電流遮断器と抵抗との直列回路と、この直列回路に対し並列に接続された電圧スイッチング形サージ防護部品と、を備えるものである。

請求項２記載のサージ防護デバイス分離装置は、請求項１記載のサージ防護デバイス分離装置において、電圧スイッチング形サージ防護部品は、電源電圧以下では動作せず、サージ印加時のサージ電流による電流遮断器と抵抗との降下電圧の合計が、被保護装置の耐電圧以下の所定電圧に達すると動作するものである。

請求項３記載のサージ防護デバイス分離装置は、請求項１又は２記載のサージ防護デバイス分離装置において、電流遮断器の電流二乗時間積は、電圧スイッチング形サージ防護部品が動作するまでに前記電流遮断器を流れるサージの電流二乗時間積より大きいものである。

請求項４記載のサージ防護デバイス分離装置は、請求項１又は２記載のサージ防護デバイス分離装置において、電流遮断器は、ヒューズ又はブレーカであるものである。

請求項５記載のサージ防護デバイス分離装置は、請求項１又は２記載のサージ防護デバイス分離装置において、電圧スイッチング形サージ防護部品は、ガス入り放電管又はサージ防護サイリスタであるものである。

本発明によれば、小型でありつつ、大サージ電流耐量性能と小定格電流性能とを両立できる。

一実施の形態に係るサージ防護デバイス分離装置の回路図である。 （ａ）は同上サージ防護デバイス分離装置の一例を示す回路図、（ｂ）は同上サージ防護デバイス分離装置の他の例を示す回路図である。 図２（ａ）の例に基づく一実施例におけるクラスＩＩＩ試験のシミュレーションの応答特性を（ａ）ないし（ｄ）に示すグラフである。

本発明の一実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１において、１はサージ防護デバイス分離装置（以下、分離装置１という）を示す。本実施の形態の分離装置１は、低電圧配電系統において、落雷時に発生する非直撃雷による過渡過電圧サージから被保護装置２を保護するサージ防護デバイス３（以下、ＳＰＤ３という）又はその一部を、その故障時に低電圧配電系統から切り離す外部分離器である。分離装置１が接続される低電圧配電系統の上位には、電流遮断器４が接続される。電流遮断器４は、異常時に電源側から被保護装置２を切り離す装置である。電流遮断器４としては、例えばブレーカが用いられる。

被保護装置２としては、例えば電気・電子機器等が用いられる。被保護装置２は、所定の耐電圧を有する。被保護装置２の電源線は、低電圧配電系統の充電線５及び中性線６と電気的に接続され、接地端子は接地線７で接地（アース）８と電気的に接続される。

ＳＰＤ３は、低電圧配電用のものである。ＳＰＤ３は、代表的には、内部分離器１０と、金属酸化物バリスタ１１（以下、ＭＯＶ１１という）と、ガス入り放電管１２（以下、ＧＤＴ１２という）と、の直列回路で構成され、通常３つの端子１３，１４，１５を有する。

内部分離器１０としては、例えばＭＯＶ１１が故障した場合に発生する熱を利用して、故障したＳＰＤ３を電源系統から切り離す熱切り離し機構が用いられる。内部分離器１０としては、例えば温度ヒューズ、あるいは、低融点金属とばねとを使用した接点開放機構等による、遮断機構が用いられる。内部分離器１０は、例えばＭＯＶ１１と密着されて一体化されている。

端子１３は、分離装置１と電気的に接続される外部分離器接続端子である。また、端子１４は、接地８と電気的に接続される接地接続端子である。端子１３，１４間に、内部分離器１０とＭＯＶ１１とＧＤＴ１２との直列回路が電気的に接続されている。さらに、端子１５は、電源の中性線６と電気的に接続される中性線接続端子である。端子１５には、ＭＯＶ１１とＧＤＴ１２との接続点が電気的に接続されている。したがって、ＭＯＶ１１は、内部分離器１０及び分離装置１を通して電源の充電線５と中性線６との間に接続されるため、常時商用電源の電圧が印加される課電状態にある。

そして、分離装置１は、複数の部品及び器具を組み合わせて装置化されている。分離装置１は、電流遮断器２０と、抵抗２１と、電圧スイッチング形サージ防護部品２２（以下、ＳＰＣ２２という）と、で構成され、２つの端子２３，２４を有する。

電流遮断器２０は、インピーダンスを有する。電流遮断器２０は、端子２３と電気的に接続されている。

また、抵抗２１は、電流遮断器２０と電気的に直列に接続されて、端子２３，２４間に電流遮断器２０との直列回路を構成する。本実施の形態では、抵抗２１は、電流遮断器２０と端子２４との間に電気的に接続されるが、これに限らず、抵抗２１が端子２３と電気的に接続され、電流遮断器２０が抵抗２１と端子２４との間に電気的に接続されていてもよい。抵抗２１は、その直列回路の両端間に、ＳＰＣ２２が電気的に並列に接続されている。すなわち、ＳＰＣ２２は、端子２３，２４間に電気的に接続されている。

そして、本実施の形態において、分離装置１は、電流遮断器２０が小定格電流機能を担い、ＳＰＣ２２が大サージ電流耐量機能を担い、抵抗２１が、サージ電流が印加された際に、電流遮断器２０からＳＰＣ２２にサージ電流が流れる経路を切り換えるタイミング設計の役割を担う。

すなわち、ＳＰＣ２２は、商用電源の電圧以下では動作せず、雷サージが印加された際に、最初は電流遮断器２０と抵抗２１とにサージ電流が流れ、それぞれの電圧降下の和（合計）が、被保護装置２の耐電圧以下の所定電圧であるＳＰＣ２２の放電開始電圧に達すると動作して、低電圧状態に遷移しアーク電流としてサージ電流が流れるため、ＳＰＣ２２が持つ大サージ電流耐量特性を示す。つまり、抵抗２１の抵抗値に応じて、雷サージに対し、ＳＰＣ２２が動作されるタイミングが決定される。分離装置１を通過したサージ電流は、ＳＰＤ３を介して接地８に逃がされる。

一方、ＳＰＣ２２の動作電圧を配電系の電源のピーク電圧より高く設計することにより、ＳＰＤ３のＭＯＶ１１が仮に故障して低インピーダンスになった際、ＳＰＣ２２は動作せず、電流遮断器２０に電源の定格電流が流れると、電流遮断器２０が直ちに遮断動作して故障したＳＰＤ３を電源系から分離する電源電流遮断特性を示す。

このように、本実施の形態の分離装置１は、ＳＰＣ２２による大サージ電流耐量機能、電流遮断器２０による小定格電流機能をそれぞれ分担して持たせることができる。

ここで、雷サージ印加時に雷サージ電流で電流遮断器２０が分離動作せず、雷サージをＳＰＣ２２に雷サージ電流を分流させるために、電流遮断器２０の電流二乗時間積Ｉ^２ｔ（ヒューズの場合は溶断特性）は、電流遮断器２０からＳＰＣ２２に切り換えるタイミングにおいて、印加されたサージ電流の電流二乗時間積Ｉ^２ｔより大きいことが必須であり、大きくすることで複数回のサージ電流に耐えることができる。

図２（ａ）に示す例では、分離装置１ａは、電流遮断器２０が電流ヒューズ２０ａであり、ＳＰＣ２２がＧＤＴ２２ａである。

電流遮断器２０として電流ヒューズ２０ａを用いる場合には、適用する交流電源の半波周波時間（例えば５０Ｈｚでは１０ｍｓ）以下では本質的に遮断できないブレーカを用いる場合と比較して、動作しない時間が存在せず、１０ｍｓ以下でも動作可能となって、動作速度を高めることができる。

また、電流遮断器２０と直列回路を構成するインピーダンス素子として抵抗２１を用いることにより、コイルを用いる場合と比較して、分離装置１を小型に構成できる。例えば、低圧配電系に適用するＳＰＤ３の具体的設計事例として「クラスＩＩＳＰＤ」とすると、サージ耐量Ｉｎ＝５ｋＡ、８／２０μｓが要求される。ここで、分離装置１におけるＳＰＣ２２をＧＤＴとして、その放電開始電圧を４００Ｖと仮定すると、必要なコイルのインダクタンスＬは、４００Ｖ／（５ｋＶ／８μｓ）＝０．６４μＨ以上が必要になる。一方、インダクタンスＬは、ａをコイルの半径（ｍ）、ｂをコイルの長さ（ｍ）、ｎをコイルの巻き数、ｋを長岡係数、μ_０を非透磁率（空気≒１）とすると、Ｌ＝ｋ×μ_０×π×ａ^２×ｎ^２／ｂで求められ、０．６４μＨ以上のインダクタンスの場合、非透磁率μ_０を１とした場合、下記の通り、直径２ｃｍ、長さ５ｃｍ、１０ターンの巻き数が必要（長岡係数ｋ＝０．８４９８５１７５３２７３８９０５）となり、物的に形状が大きくなる。

Ｌ＝０．８４９８５１７５３２７３８９０５×１×π×（０．０１）^２×１０^２／０．０５＝０．６７μＨ
ＳＰＣ２２としてＧＤＴ２２ａを用いる場合には、サージ耐量が大きなものを採用することによって、分離装置１のサージ耐量を大きくできる。

上記の図２（ａ）に示す例が、分離装置１として優れたパフォーマンスを示す特性を有する電流遮断器２０とＳＰＣ２２との最も好ましい組み合わせであるが、この組み合わせに限定されるものではない。例えば、図２（ｂ）に示す分離装置１ｂの例では、電流遮断器２０がブレーカ２０ｂであり、ＳＰＣ２２がサージ防護サイリスタ（Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ Ｓｕｒｇｅ Ｓｕｐｐｒｅｓｓｏｒ、ＴＳＳ）２２ｂである。

電流遮断器２０としてブレーカ２０ｂを用いる場合には、ブレーカ２０ｂの動作後の復旧を迅速に行える。

また、ＳＰＣ２２としてＴＳＳ２２ｂを用いる場合には、ＧＤＴを用いる場合と比べて動作速度を高めることができる。

このように、本実施の形態の分離装置１は、小型でありつつ、大サージ電流耐量性能と小定格電流性能とを両立できる。そのため、レベルの高い雷サージに対しても被保護装置２を保護できるとともに、小さな短絡電流で速やかに故障したＳＰＤ３を健全な電源系統から切り離すことができる。また、単なる電流ヒューズ等を用いるＳＰＤ分離器と比較して、本実施の形態の分離装置１はその切り離し動作が速い。そこで、ＳＰＤ３が故障した際にＳＰＤ３の上位の電流遮断器４が動作して被保護装置２への電源供給が遮断されることがなく、正常な電源系統の健全性を確保し、この正常な電源系統に接続されている被保護装置２を不必要に停止させることがない。

なお、分離装置１を構成する電流遮断器２０、及び、ＳＰＣ２２は、これらの例に示したものに限らない。例えば、電流遮断器２０は、ヒューズ、ブレーカ等に限定されるものではなく、電流遮断器として機能する部品又は器具であれば何を用いてもよい。同様に、ＳＰＣ２２は、電圧スイッチング形サージ防護部品として機能する部品又は器具であれば、ＧＤＴやＴＳＳに限定されるものではない。また、これら部品及び器具の自由な組み合わせにより、それぞれの部品又は器具の特徴を活かした分離装置１が構成可能である。

また、分離装置１は、商用交流電源系のみならず、同様に給電を伴う通信系への適用も可能である。つまり、被保護装置２としては、通信装置等でもよい。

本実施の形態の図２（ａ）に示す例についての一実施例を示す。本実施例では、回路定数として、例えば電流遮断器２０である電流ヒューズ２０ａの定格電流が１Ａ、溶断電流二乗時間積Ｉ^２ｔが０．３Ａ^２ｓ、抵抗値が０．８５Ωとする。また、抵抗２１の抵抗値は４７Ω、ＳＰＣ２２であるＧＤＴ２２ａの直流放電開始電圧は４００Ｖとする。

この回路定数において、ＪＩＳ Ｃ ５３８１－１１に規定するＳＰＤ３のクラスＩＩＩ試験のコンビネーション波形である電流波形８／２０μs、電圧波形１．２／５０μs、公称放電電流Ｉｎ：５ｋＡ印加時における回路解析シミュレーションの応答特性を図３に示す。図３には、（ａ）ＳＰＤ分離装置１全体、（ｂ）ＳＰＣ２２であるＧＤＴ、（ｃ）電流遮断器２０である電流ヒューズ及び（ｄ）抵抗２１のそれぞれにおける電圧と電流波形を示している。

ＳＰＣ２２であるＧＤＴは、１０４ｎｓで放電している。放電時における各端子電圧は、それぞれＧＤＴ：８００Ｖ、電流ヒューズ：１４Ｖ、抵抗：７８６Ｖである。

また、ＧＤＴは直流放電開始電圧４００Ｖであるが、サージ応答における放電電圧はＶ－ｔ特性を有するため急峻な波形が加わると上昇し、本実施例では、電流ヒューズ１４Ｖ及び抵抗７８６Ｖの電圧降下の和である約８００ＶでＧＤＴが放電し、放電した１０４ｎｓ以降はサージ電流の殆どがＧＤＴを流れている。

また、図３（ｃ）及び図３（ｄ）に示すように、電流遮断器２０である電流ヒューズ２０ａ及び抵抗２１には、ＳＰＣ２２であるＧＤＴが放電する１０４ｎｓまで電流が流れ、その最大電流値は約１６．７Ａである。この時点における電流ヒューズ２０ａを流れるサージ電流の電流二乗時間積Ｉ^２ｔは２．９×１０^―５Ａ^２ｓであり、ヒューズ溶断電流二乗時間積Ｉ^２ｔの公称値である０．３Ａ^２ｓに比べて十分小さいため、電流ヒューズ２０ａはサージ電流で溶断しない。電流ヒューズ２０ａを流れるサージ電流の電流二乗時間積Ｉ^２ｔ値は、印加されるサージ電流のレベルによって変化する。

したがって、想定される全入力サージ電流の範囲において、電流ヒューズ２０ａに加わるサージ電流の電流二乗時間積Ｉ^２ｔ値が、ヒューズ溶断電流二乗時間積Ｉ^２ｔの公称値より小さく設計することが重要である。

本実施例では、分離装置１のサージ電流耐量は、使用するＧＤＴの最大放電電流耐量に等しいため、その選定により公称放電電流Ｉｎ：１０ｋＡが実現できた。

一方、ＳＰＤ３が故障した際には電源の短絡電流が電流ヒューズ２０ａに流れ、定格電流１Ａで電流ヒューズ２０ａが溶断する。電流ヒューズ２０ａの定格電流は、配電系に設置される上位の電流遮断器４の最小遮断容量である２０Ａより小さいため、十分な動作協調特性を得ることができる。

このように、本実施例では、相反する小定格電流１Ａと大サージ電流耐量１０ｋＡ（８／２０μs）が、両立できることが示された。

１ サージ防護デバイス分離装置
２ 被保護装置
３ サージ防護デバイス
２０ 電流遮断器
２１ 抵抗
２２ 電圧スイッチング形サージ防護部品

Claims (5)

1. 被保護装置を過電圧サージに対し保護するサージ防護デバイスに対し直列に接続されるサージ防護デバイス分離装置であって、
   電流遮断器と抵抗との直列回路と、
   この直列回路に対し並列に接続された電圧スイッチング形サージ防護部品と、
   を備えることを特徴とするサージ防護デバイス分離装置。
2. 電圧スイッチング形サージ防護部品は、電源電圧以下では動作せず、サージ印加時のサージ電流による電流遮断器と抵抗との降下電圧の合計が、被保護装置の耐電圧以下の所定電圧に達すると動作する
   ことを特徴とする請求項１記載のサージ防護デバイス分離装置。
3. 電流遮断器の電流二乗時間積は、電圧スイッチング形サージ防護部品が動作するまでに前記電流遮断器を流れるサージの電流二乗時間積より大きい
   ことを特徴とする請求項１又は２記載のサージ防護デバイス分離装置。
4. 電流遮断器は、ヒューズ又はブレーカである
   ことを特徴とする請求項１又は２記載のサージ防護デバイス分離装置。
5. 電圧スイッチング形サージ防護部品は、ガス入り放電管又はサージ防護サイリスタである
   ことを特徴とする請求項１又は２記載のサージ防護デバイス分離装置。

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