JP2008306893A - 多段形電源保護装置 - Google Patents

Abstract

【課題】非線形素子の故障モードや劣化が起こっても進入サージから機器を有効に保護し、非線形素子の劣化状態を事前に把握できるようにした多段形電源保護装置を提供すること。
【解決手段】電源線に接続される機器を誘導雷等のサージから保護する電源保護装置において、電源線に発生する異常電圧を軽減するために電源線間又は電源線と接地線の間に保護回路を接続し、この保護回路は異常電圧を軽減する非線形素子と、上記非線形素子の状態に応じて異なる特性で動作する複数の安全装置を備えている。また、保護回路は非線形素子の状態を示す状態表示信号を出力する状態出力端子を備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、誘導雷等のサージから低圧機器を保護するための電源保護装置に係り、特にサージを軽減する非線形素子が故障（劣化）した場合に、この非線形素子を回路から切離し、残りの正常な非線形素子で保護機能を持続させるようにしたものである。

従来の電源保護装置には、保護すべき系統として低電圧の各回路電圧に適応した単相２線式、単相３線式、三相３線式等があり、保護素子としてバリスタ等の非線形素子を有している。バリスタは２つの電極を持つ電子部品で、両端子間の電圧が低い場合には電気抵抗が高いが、ある程度以上の所定電圧（バリスタの動作電圧）になると急激に電気抵抗が低くなる性質を持ち、電子機器（低圧機器）を高電圧（サージ）から保護するためのバイパスとして用いられる。保護すべき系統に誘導雷等のサージが侵入すると、侵入で発生した異常高電圧を非線形素子でバイパスして、低圧機器を異常高電圧から保護している。
従来の電源保護装置では、多重雷により短時間に複数回の雷サージが侵入すると、初回の侵入サージをバイパスする際に非線形素子が故障モード（短絡状態）に至る可能性があり、２回目以降の侵入サージに対して保護作用が機能しない恐れがある。
特に、電波中継基地等の山岳地の無人施設で容易に入所できない場所では、上記故障の復帰に長時間を有するため、この間、雷による侵入サージに対し被保護機器が無防備な状態に置かれる。故障モードは、初回の侵入サージだけでなく度重なる侵入サージおよび経年劣化によっても起こり得る。また、非線形素子が劣化すると漏れ電流が発生し、被保護回路の正常な動作に悪影響を与えるので、この事前把握が望まれている。
これを改善すべく、特許文献１に２回目以降の侵入サージに対して保護作用が機能する装置が示されている。また、特許文献２には、複数バリスタを並列接続して耐電流を増加させている装置が示されている。

特開平０７−０７５２４９号公報 米国特許第５５１９５６４号明細書

特許文献１には、初回のサージによる金属酸化物バリスタの短絡降伏によりヒューズが溶断しても、その後に侵入するサージに対する回路保護が可能なサージ吸収回路が示されている。しかしながら、金属酸化物バリスタの劣化、故障・劣化モードに対しては考慮されておらず、故障・劣化状態での侵入サージに対する機器の保護が機能しない恐れがあり、またバリスタの故障・劣化状態の事前把握ができない。
特許文献２には、導電プレート間に複数バリスタを圧接して電気的に並列接続し、各サージ除去器（バリスタ）にサージ電流を分流させて耐電流を増加させている。しかしながら、襲雷時や経年によりバリスタが劣化した場合、侵入サージに対する機器の保護作用や、機器の通常動作に悪影響を及ぼす。また、バリスタが正常であることを表示する電球や発光ダイオードが示されているが、バリスタの劣化の程度を表示するが、劣化状態の事前把握ができない。

本発明は、上記従来の不具合に鑑みてなされたものであり、その目的は非線形素子の故障モードや劣化が起こっても侵入サージから被保護機器を有効に保護し、非線形素子の劣化程度を事前に把握できるようにした多段形電源保護装置を提供することにある。

本発明は、電源線に接続される機器を誘導雷等のサージから保護する電源保護装置において、電源線に発生する異常電圧を軽減するために電源線間又は電源線と接地線の間に保護回路を接続し、上記保護回路は異常電圧を軽減する非線形素子と、上記非線形素子の状態に応じて異なる特性で動作する複数の安全装置からなることを特徴とする。ここで上記電源線間あるいは電源線と接地線の間に、上記安全装置と非線形素子との直列回路を複数組だけ並列に配置しても良い。また、上記複数の非線形素子は、動作特性が異なるように設定しても良い。

本発明によれば、非線形素子の故障モードや劣化が起こってもその後の侵入サージから被保護機器を有効に保護し、また非線形素子の劣化の程度を事前に把握できることができるので、襲雷後の対策要否あるいは保護装置の交換時期を事前に把握することができる。

図１は本発明による多段形電源保護装置の一実施例を示す配線図である。１は単相２線式交流の１００V或いは２００Vの電源線（Ｌ１、Ｌ２）、２はこの電源線１の線間に接続された低圧機器で、電源線１に侵入するサージから保護される被保護機器であり、３は接地線である。４は多段形電源保護装置で誘導雷等のよって矢印方向に侵入してくるサージから低圧機器２を保護するため、低圧機器の近くに設置される。

以下、多段形電源保護装置４の内部構成を説明する。５は電源線１の線間に接続された第１の線間保護回路、６は電源線１の線間に接続された第２の線間保護回路である。これらの保護回路は任意の数だけ並列に接続される。第１の線間保護回路５は複数の安全装置５ｂと５ｃの並列回路に非線形素子のバリスタ５ａが直列に接続されて構成され、安全装置は５ｂ、５ｃに任意の数が追加で並列接続されても良く、この複数の安全装置で安全装置が構成される。この第２の線間保護回路６は図示するように第１の線間保護回路５と同様な回路で構成されている。ここでバリスタ５ａと６ａの動作電圧（動作特性）が異なるように設定されている。

７は電源線１の一方Ｌ１と接地線３の間に接続された第１の電源接地間保護回路、８は電源線１の一方Ｌ１と接地線３の間に接続された第２の電源接地間保護回路である。これらの保護回路は任意の数だけ並列に接続される。第１の電源接地間保護回路７は複数の安全素子７ｂと７ｃの並列回路に非線形素子のバリスタ７ａが直列に接続されて構成され、これらの安全装置は任意の数が並列接続されても良く、この複数の安全装置で安全装置を構成する。この第２の電源接地間保護回路８は図示するように第１の電源接地間保護回路７と同様な回路で構成されている。ここでバリスタ７ａと８ａの動作電圧（動作特性）が異なるように設定されている。
９は電源線１の他方Ｌ２と接地線３の間に接続された第１の電源接地間保護回路、１０は電源線１の他方Ｌ２と接地線３の間に接続された第２の電源接地間保護回路である。これらの保護回路９、１０の内部は上記第１と第２の電源接地間保護回路７，８と同様な構成となっており説明を省略する。
図２は保護回路５の詳細説明図である。５ｅ、５ｆ、５ｇは互いに並列接続された遮断接点（常閉接点）で、この並列回路にバリスタ５ａが直列接続され、電源線Ｌ１、Ｌ２間に接続される。ＣＴは上記遮断接点とバリスタ５ａの直列回路に流れる電流を検知する変流器であり、５ｈ、５ｉ、５ｊは変流器ＣＴで検知した電流のレベルに応じて制御信号を発生し、それぞれ上記遮断接点５ｅ、５ｆ、５ｇを開放制御する制御器である。
５ｋ、５ｌ、５ｍは変流器ＣＴで検知した漏れ電流のレベルに応じてそれぞれ上記制御器５ｈ、５ｉ、５ｊから発生する制御信号により閉成制御される状態表示接点であり、５ｎ、５ｐ、５ｑはそれぞれ上記状態表示接点５ｋ、５ｌ、５ｍの閉成により点灯する状態表示ランプである。
５ｒ、５ｓ、５ｔは上記制御器５ｈ、５ｉ、５ｊで状態表示接点５ｋ、５ｌ、５ｍを閉成制御する制御信号と同等のバリスタの状態表示信号を出力する状態出力端子である。図２の上記保護回路５の構成は、保護回路６〜１０についても同じ構成のため説明を省略する。
上記保護回路５の構成において、電源線Ｌ１、Ｌ２間に誘電雷等のサージが侵入し、侵入で発生した異常高電圧がバリスタ５ａの動作電圧に達すると、急激にバリスタ５ａの抵抗値が下がるため、バリスタ５ａを介して電流を強制的にバイパスさせて異常高電圧を急激に低下させる。従って低圧機器２に異常高電圧が加わるのを防止でき、低圧機器を異常高電圧から保護する。
図１において、上記保護回路６のバリスタ６ａの動作電圧をバリスタ５ａより高く設定しておけば、電源線Ｌ１、Ｌ２間に発生した異常高電圧に対して、動作電圧の低いバリスタ５ａの抵抗値が先に低下するため、導通して保護作用を果たす。この導通によりバリスタ５ａが故障（開放状態）したときは、次の誘電雷等のサージによる異常高電圧に対してバリスタ６ａが保護作用を果たす。このように複数の保護回路を設置して各バリスタの動作電圧を変えておけば、あるバリスタが故障してもその後の侵入サージに対し動作電圧のより高い他のバリスタにより保護機能を維持することが出来る。

図２においてバリスタ５ａについて故障に至る前の状態、即ち故障モードや劣化が起こった場合の各部の動作を説明する。バリスタ５ａが経年変化、或いは侵入したサージのバイパス動作により故障モードや劣化状態になると、漏れ電流が常時発生して次第に増加するため、正常な電源電圧が低下して機器の通常動作に悪影響を及し、侵入サージに対する正常なバイパス機能にも支障を来たす。

本実施例では、バリスタ５ａの漏れ電流を変流器ＣＴで検知し、漏れ電流のレベルが「小」「中」「大」のとき、それぞれ制御器５ｈ、５ｉ、５ｊから制御信号を発生し、これらの制御信号はそれぞれ遮断接点５ｅ、５ｆ、５ｇを開放制御する。同時にこれらの制御信号によってそれぞれ表示接点５ｋ、５ｌ、５ｍが閉じ、漏れ電流の「小」「中」「大」のレベルをそれぞれ状態表示ランプ５ｎ、５ｐ、５ｑの点灯で表示する。
従って、バリスタの劣化が少ない漏れ電流が「小」の状態では遮断接点５ｅのみが開き、またバリスタの劣化が進んだ漏れ電流が「中」の状態では遮断接点５ｅと５ｆのみが開く。このとき、いずれも遮断接点５ｇが閉じているのでバリスタ５ａには通電が継続される。
バリスタの劣化がかなり進んで機器の通常動作に悪影響を与える程の漏れ電流が「大」の状態では、全ての遮断接点５ｅ、５ｆ、５ｇが開きバリスタ５ａへの通電は遮断され、保護回路５は開放されて保護機能を失う。この状態では他の正常な保護回路（例えば保護回路６）が機能を果たすことになる。また上記漏れ電流の「小」「中」「大」に対応して状態表示ランプ５ｎ、５ｐ、５ｑが点灯するため、事前にバリスタの劣化状態を外部に表示することが出来る。状態表示ランプ５ｎ、５ｐ、５ｑを「緑」「黄色」「赤」等に表示すれば、バリスタの劣化状態を色で判別できる。
更に状態出力端子５ｒ、５ｓ、５ｔから表示接点５ｋ、５ｌ、５ｍを閉成制御する制御信号と同等のバリスタの状態表示信号を外部に出力するので、山岳地等にある保護装置のバリスタの劣化状態、即ち健全性を遠隔監視で把握でき、事前に対策をたてることができる。
上記実施例で遮断接点５ｅ、５ｆ、５ｇは保護回路からバリスタ５ａを切り離すために設けられているが、最終的に漏れ電流が「大」のときに切り離されれば良いので、遮断接点５ｅ、５ｆは無くても良い。なお、表示接点５ｋ、５ｌ、５ｍと、状態表示ランプ５ｎ、５ｐ、５ｑおよび、状態出力端子５ｒ、５ｓ、５ｔは、バリスタ劣化の途中経過を外部に出力するものであり、バリスタ劣化（健全性）の事前把握のために必須である。

保護回路７、８は電源線Ｌ１と接地線３との間に侵入したサージに対応するもので、図２の保護回路５と同様に、機器の保護、劣化したバリスタの切り離し、バリスタの劣化状態表示、及びこの劣化状態の途中経過を外部に出力する動作を行う。また、保護回路９、１０は電源線Ｌ２と接地線３との間に侵入したサージに対応するもので、図２の保護回路５と同様に、機器の保護、劣化したバリスタの切り離し、バリスタの劣化状態表示、及びこの劣化状態の途中経過を外部に出力する動作を行う。なお、各保護回路はバリスタの動作電圧が異なるように設定される。

本発明に係る多段形電源保護装置の回路図。 本発明に係る保護回路要部の回路図。

符号の説明

１、Ｌ１、Ｌ２…電源線、２…機器、３…接地線、４…多段形電源保護装置、５〜１０…保護回路、５ａ、６ａ、７ａ、８ａ、９ａ、１０ａ…非線形素子、５ｂ、５ｃ、５ｄ…安全装置、５ｅ、５ｆ、５ｇ…遮断接点、５ｈ，５ｉ、５ｊ…制御器、５ｋ、５ｌ、５ｍ…状態表示接点、５ｒ、５ｓ、５ｔ…状態出力端子。

Claims (7)

1. 電源線に接続される機器を誘導雷等のサージから保護する電源保護装置において、電源線に発生する異常電圧を軽減するために電源線間又は電源線と接地線の間に保護回路を接続し、上記保護回路は異常電圧を軽減する非線形素子と、上記非線形素子の状態に応じて異なる特性で動作する複数の安全装置からなることを特徴とする多段形電源保護装置。
2. 上記電源線間又は電源線と接地線の間に、上記保護回路を複数個並列に配置したことを特徴とする請求項１記載の多段形電源保護装置。
3. 上記複数の保護回路内の各非線形素子は、互いに動作特性が異なることを特徴とする請求項２記載の多段形電源保護装置。
4. 電源線に接続される機器を誘導雷等のサージから保護する電源保護装置において、電源線に発生する異常電圧を軽減するために電源線間又は電源線と接地線の間に保護回路を接続し、上記保護回路は異常電圧を軽減する非線形素子と、上記非線形素子の劣化レベルに応じて保護回路を開放する複数の安全装置からなることを特徴とする多段形電源保護装置。
5. 上記安全装置は上記非線形素子の劣化レベルを検知する検知器と、保護回路を開放する複数の遮断接点と、上記検知器で検知された劣化レベルに応じて上記遮断接点を個別に開放制御する制御器からなることを特徴とする請求項４記載の多段形電源保護装置。
6. 上記安全装置はさらに上記非線形素子の劣化レベルに応じて上記制御器で開閉制御される状態表示接点を有し、この接点の動作に基づいて上記非線形素子の状態を表示することを特徴とする請求項４または５記載の多段形電源保護装置。
7. 上記安全装置はさらに上記非線形素子の劣化レベルに応じて状態表示信号を出力する状態出力端子を備えたことを特徴とする請求項４、５または６記載の多段形電源保護装置。

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