JP2012210009A

JP2012210009A - サージ防護デバイス

Info

Publication number: JP2012210009A
Application number: JP2011072172A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Sato; 佐藤　　淳; Nobuyuki Morii; 信行森井; Hidetaka Sato; 秀隆佐藤
Original assignee: NTT Facilities Inc
Current assignee: NTT Facilities Inc
Priority date: 2011-03-29
Filing date: 2011-03-29
Publication date: 2012-10-25

Abstract

【課題】電圧制限型のサージ防護素子が故障した場合にサージ防護素子が発火、発煙することを防止する。
【解決手段】サージ防護デバイス１０は、防護対象機器５と並列に接続され、ＭＯＶ２２と、ＭＯＶ２２と直列に接続されるＳＰＤ分離器３０と、を備え、ＳＰＤ分離器３０は、ＧＤＴ３２と、ＧＤＴ３２と並列に接続される抵抗素子３４と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、サージ防護デバイスに関する。

落雷等により電力線に誘起されたサージ電圧やサージ電流から電気機器を防護するためにサージ防護デバイス（ＳＰＤ：Surge Protective Device）を設けることがある（例えば下記の特許文献１を参照）。こうしたサージ防護デバイスには、印加される電圧が高くなるとインピーダンスが低くなる非線形のインピーダンス特性を備えた金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ：Metal Oxide Varistor）やガス放電管（ＧＤＴ：Gas Discharge Tubes）等のサージ防護素子が用いられている。サージ防護素子が劣化して短絡の故障が発生した場合には、サージ防護デバイスに流れる故障電流が大きくなりサージ防護デバイスに発火等の危険性があるため、サージ防護デバイスには遮断容量の大きな電流ヒューズや配線用遮断器（ＭＣＣＢ：Molded Case Circuit Breaker）等のＳＰＤ分離器を備えているものがある。

図９には、従来技術に係るＳＰＤ分離器１１２を備えたサージ防護デバイス１１０の一例を示した。図９に示されるように、サージ防護デバイス１１０は、電流ヒューズ又はＭＣＣＢにより構成されるＳＰＤ分離器１１２と、ＭＯＶ１２２と温度ヒューズ１２４が直列接続されたＳＰＤ部１２０とを備え、ＳＰＤ分離器１１２とＳＰＤ部１２０とは直列接続される。また、サージ防護デバイス１１０は防護対象機器５と並列に接続されており、サージ防護デバイス１１０と防護対象機器５は共に、電源３とアース７との間に接続される。また、ＭＯＶ１２２はサージ電圧が発生していない定格電圧での通常動作時には絶縁体として機能することで、通常動作時には電源３から供給される電流はサージ防護デバイス１１０には流れず防護対象機器５に流れることとなる。一方で、サージ電圧が発生した場合には、ＭＯＶ１２２のインピーダンスが急激に低下することで、サージ電流はサージ防護デバイス１１０側に流れ込むこととなり防護対象機器５の故障を防止している。

特開２００２−１４２３５４号公報

図１１には、図９に示したサージ防護デバイス１１０に備えられた各素子（ＳＰＤ分離器１１２（電流ヒューズ、配線用遮断器：MCCB）、温度ヒューズ１２４等）の動作特性を示した。なお、図１１に示した動作特性は、図１０に示される試験回路に基づいて得たものであり、故障電流の流入から各素子が動作（すなわち、遮断）するまでの時間と故障電流との関係を表している。また、図１１における横軸は遮断時間（秒）、縦軸は故障電流（Ａ）を表す。なお、図１１における（１）はＳＰＤ分離器１１２（電流ヒューズ）、（２）は電源側のＭＣＣＢ１３０、（３）は温度ヒューズ１２４の動作特性を表している。

ここで、図１１に示した試験回路について説明すると、図９に示した回路において電源３とサージ防護デバイス１１０との間にＭＣＣＢ１３０と可変抵抗器１３２を直列に設けたものである。そして、図１１に示した動作特性は、図１０に示した試験回路において、例えば１００Ｖ用のサージ防護デバイス１１０を２００Ｖの電源に誤接続して過電圧がかかった場合の、ＳＰＤ分離器１１２（電流ヒューズ）、ＭＣＣＢ１３０、温度ヒューズ１２４の動作特性を表している。

図１１に示されるように、例えば故障電流が１００Ａ程度あった場合には、温度ヒューズ１２４は遮断機能を持たない領域であり、ＳＰＤ分離器１１２（電流ヒューズ）、ＭＣＣＢ１３０が動作するまでには１秒程度かかっているためＭＯＶ１２２が発火してしまうことがある。また、故障電流が１００Ａ以下であった場合にも、ＭＯＶ１２２の発熱で溶断する温度ヒューズ１２４が動作するまでに時間がかかるため、こうした場合にもＭＯＶ１２２が発火しないまでも発煙に至ることとなり危険である。

このように、従来技術に係るサージ防護デバイス１１０では、ＭＯＶ１２２が劣化しサージ防護デバイス１１０に流れ込む故障電流が増えると、ＳＰＤ分離器１１２を設けていてもサージ防護デバイス１１０の電源３からの切断までの遅れにより、ＭＯＶ１２２が発火、発煙するおそれがあった。

本発明の目的は、サージ防護素子が故障した場合にサージ防護素子が発火、発煙することを防止できるサージ防護デバイスを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係るサージ防護デバイスは、防護対象機器と並列に接続されるサージ防護デバイスであって、第１のサージ防護素子と、前記第１のサージ防護素子と直列に接続される分離回路と、を含み、前記分離回路は、第２のサージ防護素子と、前記第２のサージ防護素子と並列に接続される抵抗素子と、を含むことを特徴とする。

また、本発明の一態様では、前記分離回路は、前記抵抗素子が発熱することで溶断する温度ヒューズをさらに含み、前記温度ヒューズは、前記第１のサージ防護素子と直列に接続されることとする。

また、本発明の一態様では、前記第１のサージ防護素子は、電圧制限型のサージ防護素子であり、前記第２のサージ防護素子は、電圧スイッチング型のサージ防護素子であることとする。

また、本発明の一態様では、前記第１のサージ防護素子は、金属酸化物バリスタであり、前記第２のサージ防護素子は、ガス放電管であることとする。

本発明の一態様によれば、第１のサージ防護素子が故障した場合に第１のサージ防護素子に流れる故障電流を抑制して、第１のサージ防護素子が発火、発煙することを防止できる。

本発明の一態様によれば、第１のサージ防護素子が故障した場合にサージ防護デバイスの電気的接続を切ることで、第１のサージ防護素子が発火、発煙や継続的な電力損失を防止できる。

本発明の一態様によれば、落雷や所定電圧より防護対象機器に過渡的に過電圧がかかる場合に過電圧を低減し、防護対象機器に流れる電流を抑制し、機器を防護できる。

本実施形態に係るサージ防護デバイスの構成を示した図である。通常動作時におけるサージ防護デバイスの各素子の電流及び電圧の状態を示した図である（図５の期間Ａ、期間Ｄに対応）。サージ発生後であって、ＧＤＴが動作する前の各素子の電流及び電圧の状態を示した図である（図５の期間Ｂに対応）。サージ発生後であって、ＧＤＴが動作した後の各素子の電流及び電圧の状態を示した図である（図５の期間Ｃに対応）。サージ発生前後におけるサージ防護デバイスの電流及び電圧の推移を示した図である。第一のサージ防護素子に漏れ電流が発生した場合における、サージ防護デバイスの各素子の電流及び電圧の状態を示した図である（図８の期間Ｅに対応）。温度ヒューズが溶断した場合における、サージ防護デバイスの各素子の電流及び電圧の状態を示した図である（図８の期間Ｆに対応）。ＭＯＶの劣化発生前後におけるサージ防護デバイスの電流及び電圧の推移を示した図である。従来技術に係るＳＰＤ分離器を備えたサージ防護デバイスの一例を示した図である。試験回路の一例を示す図である。図１０に示したサージ防護デバイスに備えられた各素子の動作特性を示した図である。

以下、本発明を実施するための好適な実施の形態（以下、実施形態という）を、図面に従って説明する。

図１には、本実施形態に係るサージ防護デバイス１０の構成を示した。図１に示されるように、サージ防護デバイス１０は、ＳＰＤ部２０と、故障発生時にサージ防護デバイス１０を電源３から分離するＳＰＤ分離器３０とを備え、ＳＰＤ部２０とＳＰＤ分離器３０とは直列に接続される。サージ防護デバイス１０は、電源３から電力の供給を受ける防護対象機器５（例えば電化製品等）と並列に接続され、サージ防護デバイス１０と防護対象機器５は共に電源３とアース７との間に接続される。

ＳＰＤ部２０は、電圧制限型のサージ防護素子により構成され、本実施形態では金属酸化物バリスタ２２（ＭＯＶ２２）により構成することとする。ＭＯＶ２２のバリスタ電圧（バリスタに１ｍＡの電流が流れる時の両端電圧）は、電源３のピーク電圧よりも高いものを用いる。

ＳＰＤ分離器３０は、電圧スイッチング型のサージ防護素子と、抵抗素子３４と、温度ヒューズ３６とを備え、電圧スイッチング型のサージ防護素子と抵抗素子３４とは並列に接続される。また、温度ヒューズ３６は、抵抗素子３４の発熱により溶断し、且つ、ＭＯＶ２２と直列接続となるように設けられる。例えば、温度ヒューズ３６は、抵抗素子３４と、ＳＰＤ分離器３０及び給電線の接点と密着するように設けられることとしてよい。このように温度ヒューズ３６を構成することにより、抵抗素子３４に継続的に電流が流れた場合には、抵抗素子３４の発熱により温度ヒューズ３６が溶断して、サージ防護デバイス１０を電源３から遮断することができる。また、本実施形態では、ＳＰＤ分離器３０に備えられる電圧スイッチング型のサージ防護素子には、ガス放電管３２（ＧＤＴ３２）を用いることとし、このＧＤＴ３２には、ＭＯＶ２２と同等以上のサージ電流耐量を有するものを用いる。

次に、図２乃至図８を参照しながら、サージ防護デバイス１０の動作について説明する。

図２には、サージが発生していない通常動作時（正常時）におけるサージ防護デバイス１０を構成する各素子の電流及び電圧の状態を示した。図２に示されるように、ＭＯＶ２２のバリスタ電圧は印加されるピーク電圧よりも高いため、ＭＯＶ２２は絶縁体として機能し、サージ防護デバイス１０側には電流が流れない。なお、図中のＩは電源３から供給される電流を示す。

次に、図３及び図４を参照しながら、落雷等によりサージが発生した場合のサージ防護デバイス１０の動作について説明する。

図３には、サージ発生後であって、ＧＤＴ３２が動作する前（すなわち、ＧＤＴ３２側に電流が流れる前）の各素子の電流及び電圧の状態を示した。図中のＩｓはサージ電流、ＩａはＭＯＶ２２を流れる電流、ＩｂはＧＤＴ３２を流れる電流、Ｉｃは抵抗素子３４を流れる電流とし、各電流に対応する矢印の太さは電流の大きさに対応している。図３に示されるように、サージ電圧によりＭＯＶ２２のインピーダンスが低下すると、サージ電流は殆どＭＯＶ２２側に流れ、またＧＤＴ３２の両端電圧ＶＢが放電開始電圧に達するまでＧＤＴ３２は絶縁体として機能するため、ＩａとＩｃは略等しくなる。また、ＭＯＶ２２側の電圧Ｖａは、ＭＯＶ２２を流れるサージ電流が比較的小さい場合のバリスタ電圧（Ｖ１）に略等しくなる（実際は１．５倍ほどになる場合もある）。

図４には、サージ発生後であって、ＧＤＴ３２が動作した後（すなわち、ＧＤＴ３２側に電流が流れた後）の各素子の電流及び電圧の状態を示した。図４に示されるように、ＧＤＴ３２の両端電圧が放電開始電圧（Ｖ２）を超えると、ＧＤＴ３２の両端電圧はアーク電圧（Ｖ３、例えば数十Ｖ程度）となる。この際、ＧＤＴ３２のインピーダンスは急激に低下するため、殆どのサージ電流はＭＯＶ２２を通ってＧＤＴ３２に流れ込む。

図５には、サージ発生前後におけるサージ防護デバイス１０の電流及び電圧の推移を示した。図５に示される期間Ａはサージ発生前、期間Ｂはサージ発生〜ＧＤＴ３２動作前、期間ＣはＧＤＴ３２動作後〜正常状態への回復前、期間Ｄは正常状態への回復後の状態に対応している。

図５に示されるように、期間Ａではサージ防護デバイス１０の電圧は１００Ｖで一定であり、バリスタ電圧より低いので電流は流れない。そして、サージが発生すると、サージ電圧はＭＯＶ２２のバリスタ電圧（Ｖ１）を超えるため、サージ防護デバイス１０に電流が流れる。サージ発生後の期間Ｂでは、サージ防護デバイス１０に流れる電流は、ＭＯＶ２２、抵抗素子３４側を通ってアース７に流れる。そして、ＧＤＴ３２の両端に印加される電圧Ｖｂが放電開始電圧（Ｖ２）に達すると、ＧＤＴ３２が動作を開始し、ＧＤＴ３２のインピーダンスが急激に低下する。ＧＤＴ３２が動作を開始した後の期間Ｃでは、抵抗素子３４側に流れていた電流は急激に低下し、サージ防護デバイス１０に流れる電流は、ＭＯＶ２２、ＧＤＴ３２側を通ってアース７に流れる。期間Ｃにおける、ＧＤＴ３２の両端電圧Ｖｂはアーク電圧（Ｖ３）程度であり、サージ防護デバイス１０の両端電圧がＭＯＶ２２のバリスタ電圧（Ｖ１）より低くなると、サージ防護デバイス１０に電流が流れ込まなくなる。正常状態への回復後の期間Ｄは、期間Ａと同じ特性となるため説明を省略する。

次に、サージ防護デバイス１０に備えられるＭＯＶ２２が劣化した場合のサージ防護デバイス１０の動作について説明する。ＭＯＶ２２が劣化した場合には、ＭＯＶ２２のバリスタ電圧がＶ１からＶ１−α（＞０）に低下する。このとき、例えば電源のピーク電圧よりもＭＯＶ２２のバリスタ電圧が低くなると、サージ防護デバイス１０に定常的に電流（漏れ電流）が流れる。

図６には、ＳＰＤ部２０に漏れ電流が発生した場合における、サージ防護デバイス１０の各素子の電流及び電圧の状態を示した。図６に示されるように、ＭＯＶ２２側にかかる電圧ＶａはＶ１−α、ＧＤＴ３２側にかかる電圧Ｖｂは１００−（Ｖ１−α）となり、ＶｂはＧＤＴ３２の放電開始電圧（Ｖ２）に満たないためＧＤＴ３２は絶縁体として機能し、サージ防護デバイス１０に流れる電流はＭＯＶ２２を通って、抵抗素子３４に流れる。抵抗素子３４では、抵抗素子３４の抵抗値をＲとした場合に、単位時間当たりＷ＝（Ｖｂ）^２／Ｒのジュール熱が発生し、抵抗素子３４の発熱が継続して温度ヒューズ３６の動作温度に達すると、温度ヒューズ３６が溶断する。

図７には、温度ヒューズ３６が溶断した場合における、サージ防護デバイス１０の各素子の電流及び電圧の状態を示した。図７に示されるように、サージ防護デバイス１０には電源３から供給される大きな電流は流れ込まないため、ＭＯＶ２２が発火したり著しい発熱をしたりする危険性は回避されている。また、サージ防護デバイス１０の温度ヒューズ３６が溶断した場合には、ＭＯＶ２２が劣化したことを表しているため、こうした場合には速やかにＭＯＶ２２の部品交換をしたりサージ防護デバイス１０そのものを交換したりする必要がある。

図８には、ＭＯＶ２２の劣化発生前後におけるサージ防護デバイス１０の電流及び電圧の推移を示した。図８に示される期間ＥはＳＰＤ部２０の漏れ電流の発生前、期間ＦはＳＰＤ部２０の漏れ電流の発生〜温度ヒューズ３６の溶断前、期間Ｇは温度ヒューズ３６の溶断後の状態に対応している。

図８に示されるように、期間Ｅではサージ防護デバイス１０の電圧は１００Ｖで一定であり、電流は流れない。そして、ＭＯＶ２２の劣化によりＳＰＤ部２０に漏れ電流が発生すると、サージ防護デバイス１０に電流が流れる。漏れ電流発生後の期間Ｆでは、サージ防護デバイス１０に流れる電流は、ＭＯＶ２２を通って、抵抗素子３４側に流れ込む。そして、漏れ電流による抵抗素子３４の発熱が継続して温度ヒューズ３６の動作温度を超えると、温度ヒューズ３６が溶断する。温度ヒューズ３６が溶断した後の期間Ｇでは、サージ防護デバイス１０と電源３との接続が切れているため、サージ防護デバイス１０には電流が流れない。これにより、ＭＯＶ２２が劣化した場合に、サージ防護デバイス１０の素子が発熱し、発火、発煙に至ることを防止できる。

以上説明した本実施形態に係るサージ防護デバイス１０によれば、防護対象機器５をサージによる故障から保護すると共に、サージ防護デバイス１０に用いられているＭＯＶ２２が劣化した場合には、サージ防護デバイス１０を回路からより安全に切断するように構成したことにより、ＭＯＶ２２が発火、発煙することを防止できる。これにより、より安全性の高いサージ防護デバイス１０を提供することができる。また、ＭＯＶ２２の劣化時の漏れ電流を抑制することにより、サージ防護デバイス１０に要求される遮断容量を低く抑えることができる。また、本実施形態に係るサージ防護デバイス１０によれば、従来、ＳＰＤ分離器３０に用いられてきたヒューズや配線用遮断器のような大きな部品を用いずとも済むため、サージ防護デバイス１０の設置に必要なスペースやコストを抑えることができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。例えば、上記のサージ防護デバイス１０において、温度ヒューズ３６を設けないこととしてもよく、こうした場合であっても抵抗素子３４を設けたことにより、ＳＰＤ部２０の故障時に漏れ電流を小さく抑えることができる。

３電源、７アース、５防護対象機器、１０サージ防護デバイス、２０ＳＰＤ部、２２ＭＯＶ、３０ＳＰＤ分離器、３２ＧＤＴ、３４抵抗素子、３６温度ヒュー、１１０サージ防護デバイス、１１２ＳＰＤ分離器、１２０ＳＰＤ部、１２２ＭＯＶ、１２４温度ヒュー、１３０ＭＣＣＢ、１３２可変抵抗器。

Claims

防護対象機器と並列に接続されるサージ防護デバイスであって、
第１のサージ防護素子と、
前記第１のサージ防護素子と直列に接続される分離回路と、を含み、
前記分離回路は、
第２のサージ防護素子と、
前記第２のサージ防護素子と並列に接続される抵抗素子と、を含む
ことを特徴とするサージ防護デバイス。
前記分離回路は、
前記抵抗素子が発熱することで溶断する温度ヒューズをさらに含み、
前記温度ヒューズは、前記第１のサージ防護素子と直列に接続される
ことを特徴とする請求項１に記載のサージ防護デバイス。
前記第１のサージ防護素子は、電圧制限型のサージ防護素子であり、
前記第２のサージ防護素子は、電圧スイッチング型のサージ防護素子である
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のサージ防護デバイス。
前記第１のサージ防護素子は、金属酸化物バリスタであり、
前記第２のサージ防護素子は、ガス放電管である
ことを特徴とする請求項３に記載のサージ防護デバイス。