JP2011210732A

JP2011210732A - スイッチ

Info

Publication number: JP2011210732A
Application number: JP2011110066A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Kijima; 均木嶋
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-05-17
Filing date: 2011-05-17
Publication date: 2011-10-20

Abstract

【課題】本発明は、雷などによる大電流を確実に流すことのできるスイッチを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明のスイッチは、電流を導く第１導通部、第１導通部の一部に設けられた第１接点、電流を導く第２導通部、第２導通部の一部に第１接点と接触できるように設けられた第２接点、第１接点と第２接点の接続状態を変更する可動部を備える。また、第１導通部と第２導通部には、電流の向きが同じとなるように対向させた対向部分がある。
【選択図】図９

Description

本発明は、雷サージ電流用のスイッチに関する。

雷の性質や過電圧防護技術については、非特許文献１に紹介されている。以下には、本発明を理解する上で必要な背景技術を簡単に説明する。図１に、雷によって生じる電圧または電流の変化の様子Ｓ（ｔ）を示す。縦軸は電圧または電流を示している。雷が直撃した場合には、一般に波高値が数十ｋＡの電流が流れる。また、誘導雷の場合には、波高値が数ｋＶの電圧が生じる。また、波頭長は１μ秒〜１０μ秒、波尾長は１０μ秒〜１０００μ秒である。

図２は、雷によって屋外の電力ケーブルに流れた電流（または電圧）から屋内の機器を守るための過電圧防護装置の例である。この過電圧防護装置９００は、屋外側のケーブルにつながる屋外端子９０２、９０３、屋内側のケーブルにつながる屋内端子９０４、９０５、屋外端子９０２と屋内端子９０４とをつなぐ導線９０６、屋外端子９０３と屋内端子９０５とをつなぐ導線９０７、スイッチ９１０、過電圧防護素子９２０、制御手段９３０から構成される。スイッチ９１０は、通常はＯＮ状態（導通状態）となっている。過電圧防護素子９２０には、放電管やバリスタ、またはこれらを組み合わせたものが用いられる。

過電圧防護素子９２０は、導線９０６と導線９０７の間に過電圧が加わっていないときは、電流を流さない（抵抗が大きい）。一方、雷などにより導線９０６と導線９０７の間に過電圧が加わると、過電圧防護素子９２０は、電流を流す（抵抗が小さくなる）。制御手段９３０は、商用電源の電流が導線９０６と導線９０７の間に流れないようにスイッチ９１０を制御する手段である。通常は、スイッチ９１０はＯＮ状態だが、過電圧防護素子９２０があるので、導線９０６と導線９０７の間には電流は流れない。雷などにより導線９０６と導線９０７の間に過電圧が加わると、過電圧防護素子９２０の抵抗が小さくなり、スイッチ９１０を介して、導線９０６と導線９０７の間に電流が流れる。過電圧防護装置９００は、このように屋内側の機器に過電圧が加わることを防ぐ。

ところが、雷によって電流が流れた過電圧防護素子９２０は、導線９０６と導線９０７の間の電圧が下がっても（１００Ｖ程度になっても）、抵抗が低い状態が続くことがある。つまり、雷による過電圧の状態が終了した後に、商用電源の電流を流し続けてしまう。このような電流を、続流と呼ぶ。また、過電圧防護素子９２０が壊れたときや、何らかの原因で漏電があったときに、商用電源の電流がスイッチ９１０を流れてしまうことがある。続流、故障、漏電などによって導線９０６と導線９０７の間に流れる電流は、商用電源によるものなので、継続的な５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流であり、電圧は１００〜６００Ｖである。制御手段９３０は、このような商用電源の性質を利用して、スイッチ９１０に流れている電流が商用電源か否かを判断する。そして、商用電源による電流の場合には、スイッチ９１０をＯＦＦ状態（遮断状態）にする。このように、スイッチ９１０と制御手段９３０によって、続流、故障、漏電などによって導線９０６と導線９０７の間に電流が流れることを防いでいる。

木島均著、「接地と雷防護」、初版、コロナ社刊、社団法人電子情報通信学会編、平成14年4月5日、pp.1-54．

スイッチ９１０は、雷サージ電流のような大電流を流せなければならない。ところが、雷が原因の大電流が流れたときにスイッチ９１０の接点が離れてしまい、過電圧から屋内の機器を保護できないことがあった。

本発明の目的は、雷が原因の大電流を確実に流すことのできるスイッチを提供することである。

本発明のスイッチは、電流を導く第１導通部、第１導通部の一部に設けられた第１接点、電流を導く第２導通部、第２導通部の一部に第１接点と接触できるように設けられた第２接点、第１接点と第２接点の接続状態を変更する可動部を備える。また、第１導通部と第２導通部には、電流の向きが同じとなるように対向させた対向部分がある。

本発明のスイッチによれば、接点が２つあることで、電流の向きが同じとなるように対向させた対向部分がある。したがって、雷による電流のような高周波成分を含む大電流が流れても、接点同士が離れない。

雷によって生じる電圧または電流の変化の様子Ｓ（ｔ）を示す図。雷によって屋外の電力ケーブルに流れた電流（または電圧）から屋内の機器を守るための過電圧防護装置の例を示す図。従来のスイッチの構成例を示す図。２つの導線に働く力について説明するための図。表皮効果がまったく生じていない場合に接点に流れる電流の様子を示す図。表皮効果が少し生じた場合（周波数が低い場合）に接点に流れる電流の様子を示す図。表皮効果が生じた場合（周波数が高い場合）に接点に流れる電流の様子を示す図。実施例１の接点を示す図。実施例２のスイッチの構成例を示す図。

以下に本発明の実施例を示す。なお、同じ機能の構成部には同じ番号を付け、重複説明を省略する。

分析
本発明では、まず、雷による大電流が流れたときにスイッチ９１０の接点が離れてしまう原因を分析する。図３は、スイッチ９１０の構造の例を示す図である。スイッチ９１０は、電流を導く第１導通部９１１、第１導通部９１１の一部に設けられた第１接点９１２、電流を導く第２導通部９１６、第２導通部９１６の一部に前記第１接点９１２と接触できるように設けられた第２接点９１７、第１接点９１２と第２接点９１７の接続状態を変更する可動部９１３を備える。可動部９１３は、例えばヒンジや回転軸のような回転自在な構造でもよいし、スライドする構造でもよく、可動の方法は問わない。

雷による電流の特徴は、図１を用いて説明したとおり、波頭長は１μ秒〜１０μ秒、波尾長は１０μ秒〜１０００μ秒である。波頭長や波尾長の時間から、雷による電流には、主に１ｋＨｚから１ＭＨｚの周波数成分がある。高い周波数の電流が金属中を流れる場合には、表皮効果という現象が生じる。また、表皮効果によって電流が金属の表面に集中する程度を表すパラメータに表皮効果の深さ（表皮の厚さ）δがあり、

ただし、ωは各周波数、σは導電率、μは透磁率
と表現できる。

ここで、図４を用いて２つの導線に働く力について説明しておく。図４（Ａ）は、２つの導線に同じ方向に電流が流れた場合に働く力を示す図である。図４（Ｂ）は、２つの導線に異なる方向に電流が流れた場合に働く力を示す図である。まず、図４（Ａ）の場合を説明する。導線８０１に電流Ｉ_１が流れると、磁界Ｈ_１が生じる。磁界Ｈ_１は、図４（Ａ）に示すように、図の表側から裏側に向かう方向である。導線８０２に、電流Ｉ_１と同じ方向に電流Ｉ_２が流れていると、電流Ｉ_２と磁界Ｈ_１によってローレンツ力が生じ、導線８０２は導線８０１側に引き寄せられる。同様に導線８０１は、電流Ｉ_１と、電流Ｉ_２が作る磁界Ｈ_２によって生じるローレンツ力によって導線８０２側に引き寄せられる。つまり、電流が同じ向きに流れる場合、２つの導線は互いに引き寄せあう。

次に、図４（Ｂ）の場合を説明する。導線８０１に電流Ｉ_１が流れると、磁界Ｈ_１が生じる。磁界Ｈ_１は、図４（Ｂ）に示すように、図の表側から裏側に向かう方向である。導線８０２に、電流Ｉ_１と逆方向に電流Ｉ_２が流れていると、電流Ｉ_２と磁界Ｈ_１によってローレンツ力が生じ、導線８０２は導線８０１から引き離される。同様に導線８０１は、電流Ｉ_１と、電流Ｉ_２が作る磁界Ｈ_２によって生じるローレンツ力によって導線８０２から引き離される。つまり、電流が逆向きに流れる場合、２つの導線は互いに退けあう（反発しあう）。

次に、上述の表皮効果と２つの導線に働く力を、スイッチ９１０の接点の場合に当てはめてみる。図５は、表皮効果がほとんど生じていない場合に接点９１２から接点９１７に流れる電流の様子を示している。このときには、接点の９１２、９１７の真ん中を多くの電流が流れる。電流の周波数が高くなると、図６に示すように接点９１２から接点９１７に電流が流れる。そして、さらに周波数が高くなると、表皮効果によって、図７に示すように接点９１２と接点９１７の表面近傍を電流が流れるようになる。接点９１２の表面を流れる電流と接点９１７の表面を流れる電流とは、逆向きである。したがって、接点９１２と接点９１７とは互いに退けあう（反発しあう）。

つまり、雷によって生じる電流の周波数成分（１ｋＨｚ〜１ＭＨｚ）によって表皮効果が発生し、接点近傍で電流が逆向きに流れ、接点同士が反発する力が生じていると考えられる。
なお、材料ごとの表皮効果の深さを計算した結果は、次のようになった。
周波数５０Ｈｚの場合
銀：９．０６ｍｍ銅：９．３４ｍｍ
真ちゅう：１２．４０ｍｍタングステン：１６．６７ｍｍ
周波数１００ｋＨｚの場合
銀：０．２０ｍｍ銅：０．２１ｍｍ
真ちゅう：０．２８ｍｍタングステン：０．３７ｍｍ
周波数１ＭＨｚの場合
銀：０．０６ｍｍ銅：０．０７ｍｍ
真ちゅう：０．０９ｍｍタングステン：０．１２ｍｍ

具体的構成
本発明の接点を、図８に示す。接点１１２と接点１１７の形状は、従来の接点と同じであるが、材質が異なる。接点１１２と接点１１７は、接触位置近傍のあらかじめ定めた範囲（図の網掛け部分）の抵抗率が、あらかじめ定めた値よりも高い。あらかじめ定めた抵抗率とは、通常の電気を流すための接点に用いる金属よりも高い抵抗率である。一般的に、大電流を流すためには抵抗率を小さくするべきであり、電力用などの大電流を流す導線には、銀（抵抗率：約１．６×１０^−８Ω・ｍ）や銅（抵抗率：約１．７×１０^−８Ω・ｍ）がよく使われる。また、信号用などの小電流用では、錆びないという理由から金メッキ（抵抗率：約２．４×１０^−８Ω・ｍ）がよく使われる。例えば、ブレーカのように通常時には電気を流しておき、過電流が流れた場合に接点を離すような装置の場合、接点の抵抗を下げる必要がある。本発明がターゲットとしている、雷サージ電流用の接点の場合、雷サージ電流が発生した時には電流が流れるが、通常時は電流が流れていない。そこで、本発明は、あえて抵抗率の高い材料を利用する。例えば、タングステンの抵抗率は約５．５×１０^−８Ω・ｍ、タングステンが８０％で銀が２０％の合金の抵抗率は約４．７２×１０^−８Ω・ｍである。本発明の効果を得るためには、抵抗率が４．８×１０^−８Ω・ｍ以上の材料を用いるべきである。ただし、どの程度高い抵抗率の材料を用いるかは、適宜設計と実験を行えばよい。

また、あらかじめ定めた範囲とは、少なくとも接点の（面の）法線同士が作る角度が閾値以下の範囲である。閾値は、スイッチの構造（重さ、大きさなど）と流れる電流の性質（電流の大きさ、周波数）などから適宜設計し、実験により動作を確認すればよい。表皮効果による接点同士の反発力を弱めるために、本発明ではあえて抵抗率の高い材料を用いる。したがって、反発力が強く働く範囲のみを抵抗率が高い材料とすればよい。なお、数１０ｋＡの電流の場合、接点全体をタングステンにすれば一般的には問題ない。本発明の接点によれば、抵抗率の高い導体を用いるので、高周波成分を含む大電流が流れても、表皮効果による接点同士の反発力を低減できる。

さらに、本発明の接点を図３に示したスイッチに用いれば、表皮効果による接点同士の反発力を低減させることができるので、雷による電流のような高周波成分を含む大電流が流れても、接点同士が離れにくいスイッチにできる。なお、本発明の接点を２つの対向する接点の両方に用いれば最も効果があるが、いずれか一方に本発明の接点を用いても、表皮効果による接点同士の反発力を低減できる。

図９に実施例２のスイッチの構成例を示す。スイッチ３００は、電流を導く第１導通部３１１、第１導通部の一部に設けられた２つの第１接点３１２_１、３１２_２、電流を導く第２導通部２１６、第２導通部の一部に第１接点とそれぞれ接触できるように設けられた２つの第２接点３１７_１、３１７_２、第１接点３１２_１、３１２_２と第２接点３１７_１、３１７_２の接続状態を変更する可動部３１３を備える。また、第１導通部３１１と第２導通部３１６には、電流の向きが同じとなるように対向させた対向部分がある。図９（Ａ）は対向部分が重なる方向から見た図であり、図９（Ｂ）は対向部分が平行に並んだ様子が分かる方向から見た図である。なお、図９では、第１導通部３１１、第１接点３１２_１、３１２_２、可動部３１３を実線で示し、第２導通部３１６、第２接点３１７_１、３１７_２を点線で示す。また、図９（Ａ）では対向部分は重なり合っているので、第２導通部３１６、第２接点３１７には見えない部分があるはずであるが、位置関係を示すために図示している。

この例では、第１接点３１２_２と第２接点３１７_２の部分で、電流Ｉ_１は、電流Ｉ_３と電流Ｉ_４とに分けられる。また、第１接点３１２_１と第２接点３１７_１の部分で、電流Ｉ_３と電流Ｉ_４とは加算され電流Ｉ_２となる。このように、第１接点と第２接点をそれぞれ２つ設け、その間隔を広げることで、電流の向きが同じとなる対向部分を設けている。実施例１の分析で説明したように、２つの電流の向きが同じ場合、互いに引き寄せあう。したがって、第１導通部３１１と第２導通部３１６とは引き寄せあう。この力が、第１接点３１２_１、３１２_２と第２接点３１７_１、３１７_２とが互いに退けあう力を十分弱めるように、間隔と長さを適宜設計すれば、高周波成分を含む大電流が流れても、接点同士が離れなくなる。なお、接点として実施例１の接点を用いれば、さらに有効である。また、第１導通部３１１と第２導通部３１６の対向部分に流れる電流が等しくなるように、第１導通部３１１と第２導通部３１６と２組の第１接点と第２接点をそれぞれ適宜設計すれば、引き寄せあう力を最適にできる。なお、本発明の接点を２つの対向する接点の両方に用いれば最も効果があるが、いずれか一方に本発明の接点を用いても、表皮効果による接点同士の反発力を低減できる。

１１２、３１２_１、３１２_２、９１２第１接点
１１７、３１７_１、３１７_２、９１７第２接点
３００、９１０スイッチ
３１１、９１１第１導通部
３１６、９１６第２導通部
３１３、９１３可動部
９００過電圧防護装置９０２、９０３屋外端子
９０４、９０５屋内端子９０６、９０７導線
９２０過電圧防護素子９３０制御手段

Claims

雷サージ電流用のスイッチであって、
電流を導く第１導通部と、
第１導通部の一部に設けられた２つの第１接点と、
電流を導く第２導通部と、
第２導通部の一部に前記第１接点とそれぞれ接触できるように設けられた２つの第２接点と、
前記第１接点と前記第２接点の接続状態を変更する可動部
を備え、
前記第１導通部と前記第２導通部には、電流の向きが同じとなるように対向させた対向部分がある
ことを特徴とするスイッチ。