JP2009219304A - 耐雷保護ギャップ素子及び該素子を装着した低圧電気回路の雷撃用雷サージ保護方法 - Google Patents

Abstract

【課題】最もシンプルな形状の耐雷放電ギャップ素子及び該耐雷放電ギャップ一対を用いて雷撃用雷サージ保護装置を構成し、絶縁変圧器並びに酸化亜鉛避雷素子との組み合わせで、効果的に低圧電気配線及びそれに接続された機器類を雷撃サージから保護する方法を提供する。
【解決手段】高導電性の素材を用い、基台２の端部に鉛直方向にアークロット３を溶着し、その基部に近い部位にギャップ点４を形成した耐雷保護ギャップ素子１とし、該耐雷保護ギャップ素子１を一対で相対峙して用い、一方は荷電部に接続し、他方は大地接地に接続し、雷撃サージを受けた時にギャップ点４で雷撃サージエネルギーを効果的に大地に放出するための雷撃用雷サージ保護方法。
【選択図】図５

Description

本件発明は、低圧以下の電気回路の配線並びに機器の絶縁を、誘導又は直撃の雷害から最も効果的に保護を行うための耐雷保護ギャップ素子と、該耐雷保護ギャップ一対を相対峙して構成した雷撃用雷サージ保護装置と、絶縁変圧器並びに酸化亜鉛素子等との組合せによる低圧電気回路の雷撃用雷サージ保護の方法に関するものである。

低圧電気回路の配線及びそれに接続されている機器を雷害から保護することは重要であり、特に山間部の高所や海岸線に近い場所に設けられる各種無線中継所等においては、最も雷害を受けやすく誘導雷は勿論、直撃雷を受けることすら珍しいことではない。
それらの対策としては多くの提案がなされており、中でも小型化・長寿命化の観点から最も用いられるのは酸化亜鉛素子が代表的ではあるが、未だに雷害を効果的に防止できていないのも実情である。

但し、酸化亜鉛素子については動作開始電圧が低いなど長所も有するが、多重雷などの連続的な雷サージ耐量に乏しいためその機能が低下する特性を有していることは周知の事実であり、しかも長波尾領域の雷サージには対応出来ない致命的な欠点もある。

内蔵する避雷器により配電線から進入する雷サージを吸収するようにした避雷器盤において、複数の入力端子とこれらに接続されたヒューズとそれに接続された避雷器とを備え、各ヒューズと避雷器の間に銅バー接続し、ケーブルの配線インダクタンスによる電圧降下が避雷器自体の制限電圧に加算されない方法が提案されている。（特許文献１参照）

また、酸化亜鉛避雷素子と分布静電容量が大きく温度係数の大なる金属抵抗体を直列に接続した回路へ、さらに火花ギャップを並列接続して一体化した長寿命の複合型避雷器が提案されている。（特許文献２参照）

また、特許文献に示す２件のほか数多くの雷害対策技術が提案されているが、避雷器の作動性能の向上に力点が置かれた対応技術に過ぎず、根本的な雷撃サージ対応策及び簡便な構造又は方法での効果的な雷害対策技術には至っていないのが現状である。

特開平９−７４６６７号公報 登録実用新案第３１２１１３７号公報

本願発明者は上記の課題に鑑み、最も多く使用され長寿命でありかつ安価で実績を有する酸化亜鉛避雷素子を補助として連動させても良く、進入する雷撃サージエネルギーを該酸化亜鉛避雷素子の欠点を補いつつ効果的に大地に放出できる本願発明の耐雷放電ギャップ素子及びそれを相対峙して取り付け、各々荷電端子と大地接地に接続して低圧電気回路並びにそれに接続された機器の保護を図ろうとするものであり、その正常な状況を目視で確認できるほか経年変化の極小さい耐雷放電ギャップ素子とそれを用いた単独または絶縁変圧器並びに酸化亜鉛素子等との組合せによる雷撃用雷サージ保護方法を提案する。

請求項１の発明は、長方形の断面形状を有し、導電性の高い素材からなる電気的接続端子と配電箱等の取り付け台への固定を兼ねた複数の取り付け孔を有する基台に、該基台の端部近傍にその径５〜１０mmで長さ７０〜１５０mmのアークロットを該基台に溶着させて基台と鉛直なるように立設させ、該アークロットの基台から略１５mmの位置で俯角に折り曲げ、該折り曲げ箇所から略１５mmの位置でギャップ点を形成するため仰角に折り曲げて構成することにより得られる耐雷保護ギャップ素子。

請求項２の発明は、請求項１に記載の耐雷保護ギャップ素子の基台のアークロット溶着部の反対面を長さ略１５mmの切り欠き部を設けた耐雷保護ギャップ素子。

請求項３の発明は、請求項１又は２に示した耐雷保護ギャップ素子を相対峙させ、該耐雷保護ギャップ素子の放電ギャップ点の間隔が略０．１〜３．０mm程度になるように配電盤等の取り付け台に固定し、耐雷保護ギャップ素子の一方の端子には荷電部を他の端子には大地接地部を接続して、雷撃サージを受けた時に該放電ギャップ間で閃落接地するようにした雷撃用雷サージ保護装置。

請求項４の発明は、本願発明の耐雷保護ギャップ装置と従来から耐雷目的で用いられている絶縁変圧器とまたはそれらと酸化亜鉛避雷素子などを効果的に組み合わせ、雷撃サージから低圧回路配線とそれに接続されている機器の保護を図るための雷撃用雷サージ保護方法。
本願発明の耐雷撃用雷サージ保護装置は単独で用いることでも十分に効果を発揮させることが可能であるが、絶縁変圧器と本願発明の雷撃用雷サージ保護装置とを、さらには酸化亜鉛避雷素子とを併用することがより好ましい耐雷システムを構成することができる。

従来から重宝に活用されている酸化亜鉛避雷素子は、雷撃サージ応答が速く、かつ続流を遮断する能力を有することが特徴的であるが、その保護可能範囲について限界があり、かつ短時間内に雷撃サージを繰り返し頻繁に受けるいわゆる多重雷に遭遇した場合正常動作への回復が不十分であることが判っている。
これらの特性は酸化亜鉛素子の材料面における特性によるものであり、短時間の先鋭的かつ単発的な雷撃に対しては適している避雷素子であることはいうまでもない。
しかし雷撃サージは、その殆どが短時間に大きなエネルギーピークを持っているが、雷撃サージ全体はこのような短時間で終息することなく、その多くは多重雷でありかつ５００Ａ〜１,０００Ａ程度の長波尾電流を有していることは一般的であり酸化亜鉛避雷素子ではそれらに十分対応できる性能を有していない。

本願発明の雷撃用雷サージ保護装置は、材質の特性を利用し瞬時にて雷撃サージを回避する機能ではなく、雷撃用雷エネルギーを耐雷保護ギャップにより雷撃サージエネルギーを対地に回避させる形状的・構造的な雷撃用雷保護装置であり、その性能から短時間内に連続する多重雷や長波尾領域に対する雷撃サージへの保護への機能が十分に発揮できることが確認されており、酸化亜鉛避雷素子の性能とは基本的に異なるものである。

また、本願発明の雷撃用雷サージ保護装置は、多重雷の雷撃サージに対しても該耐雷保護ギャップ素子の放電ギャップ点間隔が物理的な衝撃が行われない限り一定を保持するため、経年に対する機能低下が発生しないのが最大の特徴である。
なお、本願発明の雷撃用雷サージ保護装置は絶縁変圧器と組合せさらには酸化亜鉛避雷素子の併用により、殆どの雷撃サージに対する低圧電気回路並びにそれに接続されている機器の保護が可能となるのである。

また、絶縁変圧器や酸化亜鉛避雷素子は双方とも耐電圧が３０キロボルトであり、多重雷や長波尾を有する雷撃サージに対してしばしば絶縁破壊やそれに伴う物理的な破壊を免れないが、本願発明の雷撃用雷サージ保護装置は多重雷や長波尾領域に対するエネルギー放出性能が優れているため、併用する絶縁変圧器や酸化亜鉛避雷素子の絶縁破壊防止にも役立つものであり、低圧電気回路の雷撃に対する安全性を飛躍的に向上させ得るものである。

請求項１の耐雷保護ギャップ素子１について図１〜図３を用いて説明する。
図１は耐雷保護ギャップ素子１の側面図である。図２は耐雷保護ギャップ素子１の立面図で（ａ）は正面図（ｂ）は背面図である。図３は耐雷保護ギャップ素子１の基台２図であり（ａ）は表面図（ｂ）は裏面図である。
基台２は高さ８〜１２mm、幅１２〜２０mmの長方形の断面形状、長さ５０〜１００mmの導電性の高い素材からなる電気的接続端子と配電箱等の取り付け台８への取り付けを兼ねた複数の取り付け孔５を有し、該基台２の端部近傍に基台２と同種素材からなるその径が５〜１０mm、好ましくは５〜７mmとし、長さ７０〜１５０mmのアークロット３を該基台２に溶着させ、該基台２の先端部から５〜１０mm突出させて９０度折り曲げ該基台２と鉛直になるように立設させ、該アークロット３を基台上面から１０〜２０mmの位置で３〜５度の俯角に折り曲げ、該折り曲げ箇所から１０〜２０mmの位置でギャップ点４を形成するため２０〜４０度の仰角に折り曲げて構成することにより耐雷保護ギャップ素子１を創出する。

該耐雷保護ギャップ素子１の素材は、耐雷性能を十分に発揮させるためには高純度の銅製が最良であるが、他の素材においても高導電性を有する素材であれば特定するものでなく、基台２とアークロット３の素材が異種素材であっても構わない。
また、基台２に溶着するアークロット３の取り付け角度は鉛直が最も利用しやすいのであるが、基台２の表面との同角度（０度）から鉛直（９０度）の範囲であれば問題なく、一対で用いる際のギャップ点４が設計どおりに構成できれば性能上の問題は発生しない。
実用上は本願発明の耐雷保護ギャップ素子１の製作を容易かつ安価に行うには鉛直（９０度）若しくは基台２の表面と同角度（０度）が好ましい。

次に請求項２の耐雷保護ギャップ素子１について図４を用いて説明する。
請求項１に記載の耐雷保護ギャップ素子１の基台２へのアークロット３溶着部の反対面に長さ１０〜２０mm切り欠き部９を設ける構造とするものである。
雷撃サージエネルギーは突出した先端部に集中するため、本願発明の耐雷保護ギャップ素子１を配電盤等の取り付け台８に相対峙して固定した場合、エネルギー密度の大きい雷撃サージを受けた時に該耐雷保護ギャップ素子１のアークロット３に設けたギャップ点４の位置において大地接地１４に雷撃サージエネルギーを放出する際に基台２の先端部間で放電現象を発生することがあり、その場合、基台２の先端部又はアークロット３溶着部の損傷を伴うことの対策として、切り欠き部９を設けることにより前記損傷等を防止できる。

次に請求項３の雷撃用雷サージ保護装置Ａについて図５を用いて詳細に説明する。
請求項１又は請求項２に示した耐雷保護ギャップ素子１のギャップ点４の間隔が０．１〜３．０mm、好ましくは０．３〜０．７mmとなるように該耐雷保護ギャップ素子１を相対峙させるように一対で配置し、該耐雷保護ギャップ素子１の取り付け孔５を利用して配電盤等の取り付け台８にネジ１０等を用いて固定し、一方の耐雷保護ギャップ素子１は低圧電気回路の荷電部１１と接続し、他方の耐雷保護ギャップ素子１は接地端子７を経由して大地接地１４と接続することにより、正常時には荷電部１１と大地接地１４とは絶縁状態を保持するとともに、雷撃サージを受けた時点で双方の耐雷保護ギャップ素子１のギャップ点４において絶縁が破壊されて荷電部１１は大地接地１４との電気的な接続状態が形成されて雷撃サージエネルギーは短時間で大地接地１４へと放出され、低圧電気回路並びにそれに接続された機器等１３が保護されると共に、雷撃サージエネルギー放出後は電気回路的に絶縁状態が回復・維持・継続される。

雷撃サージのエネルギーが相当量の大きさを有する場合は、耐雷保護ギャップ素子１間で続流等によるアークが発生するが、雷撃サージによるエネルギー放出は該耐雷保護ギャップ素子１のアークロット３の先端部間においてアークとなって誘起形成され、雷撃サージエネルギー放出後は元の絶縁状態に回復する。その雷撃サージエネルギーの大小により雷撃サージエネルギー放出の際のアークによりアークロット３の先端部が溶融することになるが、耐雷保護ギャップ素子１のギャップ点４の部位の損傷は最小限に留まるため、耐雷保護ギャップ素子１のギャップ間隔の経年変動が極度に小さく、繰り返しの雷撃サージを受けても耐雷保護の性能を長期間維持することができる雷撃用雷サージ保護装置Ａが提供できる。

本願発明の雷撃用雷サージ保護装置Ａと酸化亜鉛避雷素子Ｃとの基本的な性能となる特性を比較すると表１のとおりである。

（表１ 雷保護の基本性能比較）
即ち、本願発明の雷撃用雷サージ保護装置Ａは、標準的な耐雷保護ギャップ素子１のギャップ点４の間隔を０．５mmに設定した場合の放電開始電圧は２.２５ＫＶであり、酸化亜鉛避雷素子Ｃよりも高くなっているが、雷撃による雷撃サージ自体は数百〜数千キロボルトでありかつ数百〜数千キロアンペアという想像を絶する巨大なエネルギーであり、本願発明の雷撃用雷サージ保護装置Ａの放電開始電圧が酸化亜鉛避雷素子Ｃの放電開始電圧よりも高いことによる欠点にはなり得ない。
放電開始電圧よりも、想像を絶する巨大な雷撃サージへの耐量性能は表１に示すとおり本願発明の雷撃用雷サージ保護装置Ａの方が格段に高い性能を有しており、放電特性はもちろん耐久性の面でも実用上の優位性を有している。

また、特許文献等の引用例にもあるように、放電ギャップ構造（図示せず）そのものは古くから提案されているが、その殆どは放電ロットを突き合わせる構造となっているため、巨大な雷撃サージのアーク放電を行った際に、放電ロットの先端部が溶融し、雷撃サージの頻度と共にギャップ間隔が拡大してその性能の維持が困難な上、雷撃サージ放電特性そのものも大きく低下するなどの欠点を有している。
しかし、本願発明の雷撃用雷サージ保護装置Ａの耐雷保護ギャップ素子１の場合は、放電によるアークロット３の先端部の溶融摩耗は発生するものの、ギャップ点４は初期の放電開始の役目のみに作動するため、物理的な外的エネルギーを加えない限りそのギャップ点４のギャップ間隔が不偏に近く、そのため経年的に放電開始電圧が変動することなく安定して雷撃用雷サージを大地に連続放出することができる特徴を有している。

次に請求項４の本願発明の雷撃用雷サージ保護装置Ａと絶縁変圧器Ｂ並びに酸化亜鉛避雷素子Ｃを併用利用した雷撃サージ保護方法に関しての実施例について図６を用いて説明する。

図６は本願発明の電撃用雷サージ保護装置Ａ及び絶縁変圧器Ｂ並びに酸化亜鉛避雷素子Ｃを併用した雷撃用雷サージ保護方法の結線図例である。
電力会社等から供給された低圧三相三線式の低圧供給電気回路から、配線用遮断器１２の電源側において電撃用雷サージ保護回路の分岐回路を構成し、その回路に手動開閉器１５を設ける。手動開閉器１５の負荷側の両外線に酸化亜鉛避雷素子Ｃを直列に接続し、その負荷側（接地との接続側）を電気的に接続一体化し、その電気的端部を本願発明の雷撃用雷サージ保護装置Ａの荷電端子６に接続し、該雷撃用雷サージ保護装置Ａの接地端子７を大地接地１４に電気的に接続する。
なお、絶縁変圧器Ｂは配線用遮断器１２の負荷側に通常設置される。

本願発明の耐雷保護ギャップ素子１は一対で相対峙して用い、一方の耐雷保護ギャップ素子１は荷電端子６を経由した酸化亜鉛避雷素子Ｃの負荷側一体化端子と、他方の耐雷保護ギャップ素子１は接地端子７を経由した大地接地１４に接続し、該ギャップ点４の間隔を０．１〜３mm、好ましくは０．３〜０．７mmに固定することにより、低圧電気回路の配線並びにそれに接続された機器等１３を雷撃サージから保護する方法である。
本実施例は三相三線式を対象とした最もシンプルな取り付け方法であるが、その他の単相二線式、単相３線式、三相四線式などの供給方式にも同様の取り付けを行うことで、多重雷や長波尾領域をもつ雷撃サージに対する低圧電気回路およびそれに接続される機器等１３の保護が可能である。

また、本願発明の雷撃用雷サージ保護装置Ａは低圧電気回路に単独で設置しても十分な雷サージ保護の役目を果たすことが可能であるが、通常設置される絶縁変圧器Ｂと併用することが好ましく、より好ましくは酸化亜鉛避雷素子Ｃとも併用することで雷撃サージに対する低圧電気回路の保護が強化されるので推奨できる雷保護システムを構成できる。
この場合、本願発明の雷撃用雷サージ保護装置Ａは、多重雷や長波尾領域に対して安定的に雷撃サージエネルギーを大地に連続的かつ安定的に放出するため、低圧電気回路の異常電圧上昇を抑制するので、絶縁変圧器Ｂ並びに酸化亜鉛避雷素子Ｃを雷撃サージによる絶縁破壊から保護できる効果も発揮することができる。

本願発明では、山頂付近や海岸線沿いの多雷地区の無線中継所等の雷撃サージ保護を目的としているが、その対象に留まらず多雷に見舞われる工場やオフィスは勿論、一般家庭の配電盤等に設置することで、予測できない雷撃サージの進入による雷被害を防止できる。

耐雷保護ギャップ素子の側面図 耐雷保護ギャップ素子の立面図，（ａ）は正面図、（ｂ）は背面図 耐雷保護ギャップ素子の基台図、（ａ）は表面図、（ｂ）は裏面図 切り欠き部を設けた耐雷保護ギャップ素子の側面図 雷撃用雷サージ保護装置の側面図 雷撃用雷サージ保護装置、酸化亜鉛避雷素子、絶縁変圧器を併用した雷撃用雷サージ保護方法の実施例結線図

符号の説明

１ 耐雷保護ギャップ素子
２ 基台
３ アークロット
４ ギャップ点
６ 荷電端子
７ 接地端子
８ 取り付け台
９ 切り欠き部
１２ 配線遮断器
１３ 機器等（電気的負荷）
１４ 大地接地
１５ 手動開閉器
Ａ 雷撃用雷サージ保護装置
Ｂ 絶縁変圧器
Ｃ 酸化亜鉛避雷素子

Claims (4)

1. 長方形の断面形状を有し、導電性の高い素材からなる電気的接続端子と配電盤等の取付台８への固定を兼ねた複数の取り付け孔５を有する基台２に、該基台２の端部近傍にアークロット３を該基台２に溶着させて基台２と鉛直なるように立設させ、該アークロット３の基台２から略１５mmの位置で俯角に折り曲げ、該折り曲げ箇所から略１５mmの位置でギャップ点４を形成するため仰角に折り曲げて構成することを特徴とする耐雷保護ギャップ素子１。
2. 耐雷保護ギャップ素子１の基台２のアークロット３溶着部の反対面に長さ１０〜２０mmの切り欠き部９を設けたことを特徴とする請求項１に記載の耐雷保護ギャップ素子１。
3. 請求項１又は２に記載した耐雷保護ギャップ素子１を相対峙させ、該耐雷保護ギャップ素子１の放電ギャップ点４の間隔が０．１〜３．０mmとなるように配電盤等の取り付け台８に固定し、耐雷保護ギャップ素子１の一方の荷電端子６には低圧電気回路の荷電部１１に他の接地端子７には大地接地１３を接続して、雷撃サージを受けた時に該放電ギャップ４間で閃絡接地するようにしたことを特徴とする雷撃用雷サージ保護装置Ａ。
4. 請求項３に記載の雷撃用雷サージ保護装置Ａと絶縁変圧器Ｂ並びに酸化亜鉛避雷装置Ｃを併用し、雷撃サージから低圧回路配線とそれに接続されている機器等１３の保護を図ることを特徴とする雷撃用雷サージ保護方法。

Images