JP2015222681A - サージ防護デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】バリスタを用いずに、電子機器や電気設備を雷サージから安定して保護する。【解決手段】放電電極に挟まれた放電ギャップが複数縦続に接続されたサージ防護デバイス６であって、高圧側の放電ギャップを挟んでいる放電電極間の距離は、隣接する低圧側の放電ギャップを挟んでいる放電電極間の距離より短い。放電電極間の距離が短い方から順に、放電ギャップｂ11、放電ギャップｂ12、放電ギャップｂ13の順において放電していくので、安定して放電することが可能となる。【選択図】図７

Description

本発明は、サージ防護デバイスに関し、より詳細には、落雷等により発生する雷サージから電子機器や電気設備を保護するサージ防護デバイスに関する。

従来から、電源線に流入する雷サージから電子機器や電気設備を保護するため、電源線と接地との間にサージ防護デバイス（Surge Protective Device：ＳＰＤ）を取り付けることによって、雷サージに起因する過電圧で電子機器や電気設備が故障することを抑制している。電子機器は、ＩＣＴ（Information and Communication Technology：情報通信技術）装置などの通信機器を含み、電気設備は、太陽光発電に用いられるＰＣＳ（Power Conditioning System）や風力発電の受電設備などを含む。ＩＣＴ装置は、例えば、ホームゲートウェイ（Home Gateway：ＨＧＷ）、ルータ、サーバなどをいう。

図１に従来のサージ防護デバイスの使用例を示す。商用電力系統１から出力された交流電力は、ＡＣ／ＤＣコンバータ２で直流電力に変換され、変換された直流電力は、ＩＣＴ装置１に供給される。従来のサージ防護デバイス４は、ＡＣ／ＤＣコンバータ２とＩＣＴ装置３との間に接続された電源線と、ＩＣＴ装置３に接続された接地線との間に接続される。

従来のサージ防護デバイス４は、避雷管４１と、バリスタ４２とを備える。避雷管４１は、ガス入り放電管（Gas Discharge Tube：ＧＤＴ）等のアレスタをいう。避雷管４１とバリスタ４２は、直列に接続されている。避雷管４１にバリスタ４２が接続されている理由を以下に示す。

図２に雷サージが発生した場合の、従来のサージ防護デバイスに印加される電圧の推移を示す。図２に示すグラフについて、縦軸を電圧とし、横軸を時間とする。図１に示すサージ防護デバイス４を避雷管４１のみで構成されるデバイスに代えた場合と、避雷管４１とバリスタ４２で構成されたサージ防護デバイス４である場合を考える。点線αは、避雷管４１のみで構成されるデバイスに印加される電圧の推移を示し、実線βは、サージ防護デバイス４に印加される電圧の推移を示す。また、Ｖ_Mは、雷サージが発生した際に、避雷管４１のみで構成されるデバイスおよびサージ防護デバイス４に印加される電圧を示す。ｔ_ｄは、避雷管４１の放電が開始される時刻を示す。

Ｖ_βは、雷サージが発生しサージ防護デバイス４の避雷管４１が放電した後に、サージ防護デバイス４において維持される電圧を示す。Ｖ_αは、雷サージが発生し避雷管４１が放電した後に、避雷管４１において維持される電圧を示す。Ｖ_Sは、ＩＣＴ装置３に供給される電圧を示す。

電圧Ｖ_αは、電圧Ｖ_Sより低いため、ＩＣＴ装置３に電圧Ｖ_Sを供給し続けた場合、避雷管４１のみで構成されるデバイスには、或る量の電流、即ち、続流が流れ続けることになる。一方、電圧Ｖ_βは、電圧Ｖ_Sより高いため、ＩＣＴ装置３に電圧Ｖ_Sを供給し続けても避雷管４１とバリスタ４２で構成されたサージ防護デバイス４には電流がほとんど流れないことになる。よって、避雷管４１にバリスタ４２を接続することで、サージ防護デバイスが放電した後に維持される電圧が電圧Ｖ_αから電圧Ｖ_βとなり（γ）、電圧Ｖ_Sより高くなるため、続流が発生することを抑止している。

しかしながら、バリスタは、何度も雷サージを受けると劣化する。バリスタが劣化すると、バリスタ内の絶縁状態が破壊され、バリスタに供給電流の一部が継続的に流れ、バリスタが過熱して発火する場合がある（非特許文献１を参照）。

そこで、１つの避雷管が放電ギャップ及び放電電極を複数備えて、避雷管が放電した後に維持される電圧を高くすることで、続流を発生させないようにする方法が考えられる。

大貫宗一郎著、「電気製品の発火事故原因究明事例について」、平成２２年度製品安全センター製品安全業務報告会、２０１０年１１月、＜ＵＲＬ：http://www.nite.go.jp/jiko/seika/2010/data/5_1_kaminari.pdf＞

図３に放電ギャップを複数備えた避雷管の構成の一例を示す。図３（ａ）に放電ギャップを４つ備えた避雷管５の構成の一例を示し、図３（ｂ）に放電ギャップを８つ備えた避雷管５’の構成の一例を示し、図３（ｃ）に放電ギャップを１２つ備えた避雷管５’’の構成の一例を示す。

図３（ａ）に示す避雷管５では、放電ギャップｂ₁を放電電極ａ₁と放電電極ａ₂とで挟み、放電ギャップｂ₂を放電電極ａ₂と放電電極ａ₃とで挟んでいる。また、放電ギャップｂ₃を放電電極ａ₃と放電電極ａ₄とで挟み、放電ギャップｂ₄を放電電極ａ₄と放電電極ａ₅とで挟んでいる。

放電電極ａ₁と放電電極ａ₂との間の距離をｄ₁とし、放電電極ａ₂と放電電極ａ₃との間の距離をｄ₂とする。また、放電電極ａ₃と放電電極ａ₄との間の距離をｄ₃とし、放電電極ａ₄と放電電極ａ₅との間の距離をｄ₄とする。避雷管５の放電ギャップｂ₁からｂ₄は、同じ素材で構成され、距離ｄ₁からｄ₄は、それぞれ等しい距離とする。放電ギャップｂ₁からｂ₄において、放電が開始される電圧Ｖ_dは、それぞれ１ｋＶとする。

図３（ｂ）に示す避雷管５’および図３（ｃ）に示す避雷管５’’も、図３（ａ）に示す避雷管５の構成と同様に、放電電極に挟まれた放電ギャップが複数縦続している構成となっている。

図４に避雷管が放電した後に維持される電圧と、避雷管の放電ギャップの数との関係を表す。図５に遅延時間と、避雷管の放電ギャップの数との関係を表す。本明細書では、遅延時間とは、雷サージで発生した過電圧が、避雷管またはサージ防護デバイスに印加される時刻から、避雷管またはサージ防護デバイスにおいて放電が開始される時刻ｔ_ｄまでの時間をいう。雷サージが発生し避雷管５の両端に、４ｋＶの電圧が印加されたとして仮定する。

図４に示されるグラフにおいて、縦軸を避雷管が放電した後に維持される電圧（Ｖ）とし、横軸を避雷管の放電ギャップの数とする。避雷管が放電した後に維持される電圧は、避雷管５の場合には約８０Ｖ（δ）、避雷管５’の場合には約２１０Ｖ（ε）、避雷管５’’の場合には約２８０Ｖ（δ）となる。よって、避雷管の放電ギャップの数を増加させると、避雷管が放電した後に維持される電圧が上昇することがわかる。

次に、図５に示されるグラフにおいて、縦軸を遅延時間（μｓ）とし、横軸を避雷管の放電ギャップの数とする。避雷管の遅延時間は、避雷管５の場合には約２．５μｓ（η）、避雷管５’の場合には約７μｓ（θ）、避雷管５’’の場合には約３２μｓ（λ）となる。よって、避雷管の放電ギャップの数を増加させると、遅延時間が上昇することがわかる。

したがって、避雷管の放電ギャップの数を増加させると、避雷管が放電した後に維持される電圧が上昇するが、遅延時間が上昇してしまう。遅延時間が上昇すると、保護すべき電子機器や電気設備に過電圧が印加され続ける時間もまた延びてしまい、電子機器や電気設備が故障する可能性が高まるという問題があった。

また、図３（ａ）に示す避雷管５での放電を考えると、雷サージが発生し避雷管５の両端に４ｋＶの電圧が印加された場合、避雷管５の放電電極ａ₁と放電電極ａ₂との間、放電電極ａ₂と放電電極ａ₃との間、放電電極ａ₃と放電電極ａ₄との間、放電電極ａ₄と放電電極ａ₅との間には、それぞれ１ｋＶの電圧が印加される。しかし、避雷管５の全ての放電ギャップｂ₁、ｂ₂、ｂ₃、ｂ₄において放電が同時に開始されずに、放電ギャップにおいて放電するか放電しないかという不安定な状態になり得るため、遅延時間が予想より長くなる場合がある。遅延時間が長くなると、保護すべき電子機器や電気設備に過電圧が印加され続ける時間も長くなり、電子機器や電気設備が故障する可能性が高まるという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、バリスタを用いずに、電子機器や電気設備を雷サージから安定して保護するサージ防護デバイスを提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、放電電極に挟まれた放電ギャップが複数縦続に接続されたサージ防護デバイスであって、高圧側の放電ギャップを挟んでいる放電電極間の距離は、隣接する低圧側の放電ギャップを挟んでいる放電電極間の距離より短いことを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、バリスタを用いずに、電子機器や電気設備を雷サージから安定して保護することが可能となる。また、本発明によれば、サージ防護デバイスの省スペース化が可能となる。

従来のサージ防護デバイスの使用例を示す図である。 従来のサージ防護デバイスに印加される電圧の推移を示す図である。 放電ギャップを複数備えた避雷管の構成の一例を示す図である。 避雷管が放電した後に維持される電圧と、避雷管の放電ギャップの数との関係を表す図である。 遅延時間と、避雷管の放電ギャップの数との関係を表す図である。 本発明の第１の実施形態にかかるサージ防護デバイスの使用例を示す図である。 本発明の第１の実施形態にかかるサージ防護デバイスの構成の一例を示す図である。 雷サージが発生した際の、本発明の第１の実施形態にかかるサージ防護デバイスに印加される電圧の変移の一例を示す図である。 本発明の第２の実施形態にかかるサージ防護デバイスの使用例を示す図である。 本発明の第３の実施形態にかかるサージ防護デバイスの使用例を示す図である。 本発明の第４の実施形態にかかるサージ防護デバイスの使用例を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

＜第１の実施形態＞
図６に本発明の第１の実施形態にかかるサージ防護デバイスの使用例を示す。商用電力系統１から出力された交流電力は、ＡＣ／ＤＣコンバータ２で直流電力に変換され、変換された直流電力は、ＩＣＴ装置３に供給される。本発明の第１の実施形態にかかるサージ防護デバイス６は、ＡＣ／ＤＣコンバータ２とＩＣＴ装置３との間に接続された電源線と、ＩＣＴ装置３に接続された接地線との間に接続される。

図７に本発明の第１の実施形態にかかるサージ防護デバイスの構成の一例を示す。本発明の第１の実施形態にかかるサージ防護デバイス６は、放電電極に挟まれた放電ギャップが複数縦続に接続されている。図７に示されたサージ防護デバイス６は、図３（ａ）に示された避雷管５の構成と異なり、放電電極間の距離が、放電ギャップごとに異なる。

本発明の第１の実施形態にかかるサージ防護デバイス６は、４つの放電電極ａ₁₁、放電電極ａ₁₂、放電電極ａ₁₃、放電電極ａ₁₄を備える。また、本発明の第１の実施形態にかかるサージ防護デバイス６は、放電電極ａ₁₁と放電電極ａ₁₂との間に設けられた放電ギャップｂ₁₁と、放電電極ａ₁₂と放電電極ａ₁₃との間に設けられた放電ギャップｂ₁₂と、放電電極ａ₁₃と放電電極ａ₁₄との間に設けられた放電ギャップｂ₁₃とを備える。

放電電極ａ₁₁と放電電極ａ₁₂との間の距離をｄ₁₁とし、放電電極ａ₁₂と放電電極ａ₁₃との間の距離をｄ₁₂とし、放電電極ａ13と放電電極ａ₁₄との間の距離をｄ₁₃とする。本実施形態では、雷サージが発生し、過電圧がサージ防護デバイス６の両端に印加された際、例えば、高圧側の放電ギャップｂ₁₁を挟んでいる放電電極ａ₁₁と放電電極ａ₁₂との間の距離ｄ₁₁は、隣接する低圧側の放電ギャップｂ₁₂を挟んでいる放電電極ａ₁₂と放電電極ａ₁₃との間の距離ｄ₁₂より短い。

具体的には、例えば、放電電極の数をｎ（ｎ≧２）、放電電極間の距離をｄ_nとすると、電極間の長さの比率は、次の（式１）で示される。

ｄ₁：ｄ₂：,．．．,：ｄ_n＝１：２：,．．．,：ｎ （式１）
本実施形態では、距離ｄ₁₁と距離ｄ₁₂と距離ｄ₁₃の比率は、１：２：３とする。また、放電ギャップｂ₁₁、放電ギャップｂ₁₂、放電ギャップｂ₁₃、放電ギャップｂ₁₄において、放電が開始される電圧Ｖ_dは、それぞれ１ｋＶとする。

図８に雷サージが発生した際の、本発明の第１の実施形態にかかるサージ防護デバイスに印加される電圧の変移の一例を示す。図８（ａ）にサージ防護デバイス６の放電ギャップｂ₁₁で放電が開始された状態を示し、図８（ｂ）にサージ防護デバイス６の放電ギャップｂ₁₂で放電が開始された状態を示し、図８（ｃ）にサージ防護デバイス６の放電ギャップｂ₁₃で放電が開始された状態を示す。

例えば、落雷が発生し、商用交流系統１から雷サージがＡＣ／ＤＣコンバータ２を介して、本発明の第１の実施形態にかかるサージ防護デバイス６に侵入した場合を考える。本発明の第１の実施形態にかかるサージ防護デバイス６の両端に印加された電圧を３ｋＶと仮定する。

図８（ａ）に示すように、本発明の第１の実施形態にかかるサージ防護デバイス６において、放電ギャップｂ₁₁に１．５ｋＶの電圧が印加され、放電ギャップｂ₁₂に１ｋＶの電圧が印加され、放電ギャップｂ₁₃に０．５ｋＶの電圧が印加される。よって、放電ギャップｂ₁₁に印加される電圧が、放電ギャップｂ₁₁で放電が開始する電圧Ｖ_dを大幅に上回るため、放電ギャップｂ₁₁において放電が、放電ギャップｂ₁₂および放電ギャップｂ₁₃より先に開始される。

次に、図８（ｂ）に示すように、本発明の第１の実施形態にかかるサージ防護デバイス６において、放電ギャップｂ₁₂に１．８ｋＶの電圧が印加され、放電ギャップｂ₁₃に１．２ｋＶの電圧が印加される。よって、放電ギャップｂ₁₂に印加される電圧が、放電ギャップｂ₁₂で放電が開始する電圧Ｖ_dを大幅に上回るため、放電ギャップｂ₁₂において放電が、放電ギャップｂ₁₃より先に開始される。

次に、図８（ｃ）に示すように、本発明の第１の実施形態にかかるサージ防護デバイス６において、放電ギャップｂ₁₃に３ｋＶの電圧が印加される。よって、放電ギャップｂ₁₃に印加される電圧が、放電ギャップｂ₁₃で放電が開始する電圧Ｖ_dを大幅に上回るため、放電ギャップｂ₁₃において放電が開始される。

よって、放電電極間の距離が短い方から順に、放電ギャップにおいて放電していくので、安定して放電することが可能となる。つまり、放電電極間の距離が最も短い放電ギャップｂ₁₁での放電がトリガーとなって、次々と放電ギャップで放電が安定して開始されることになる。

また、本実施形態のサージ防護デバイス６は、放電ギャップの数が多いため放電後に維持される電圧が高くなる。したがって、バリスタに接続しなくても、続流も発生しにくくなる。

さらに、バリスタを使用していないためレアショート等による焼損のリスクが減少し、素子を一つにまとめることもできるため、実装スペースも狭くできるメリットがある。

本実施形態によれば、バリスタを用いずに、電子機器や電気設備を雷サージから安定して保護することが可能となる。また、本実施形態によれば、サージ防護デバイスの省スペース化が可能となる。

なお、本実施形態において、最も放電電極間の距離が短い部分の金型を基準とし、これを複数組み合わせて放電電極間の距離を調整することで、本実施形態にかかるサージ防護デバイス６の製造コストを下げることが可能である。

＜第２の実施形態＞
図９に本発明の第２の実施形態にかかるサージ防護デバイスの使用例を示す図である。商用電力系統１から出力された交流電力は、ＡＣ／ＤＣコンバータ２で直流電力に変換され、変換された直流電力は、ＩＣＴ装置７に供給される。ＩＣＴ装置７に供給された直流電力は、ＩＣＴ装置７内に設置されたＣＰＵやＩＣ等を含む内部装置７１に供給される。本発明の第２の実施形態にかかるサージ防護デバイス６は、ＩＣＴ装置７に内蔵されてもよい。ＩＣＴ装置７に内蔵されたサージ防護デバイス６は、ＡＣ／ＤＣコンバータ２と内部装置７１との間に接続された電源線と、内部装置７１に接続された接地線との間に接続される。

サージ防護デバイス６は、小型であるため、ＩＣＴ装置７に内蔵することも可能である。

本発明の第２の実施形態にかかるサージ防護デバイス６の構成や動作は、本発明の第１の実施形態にかかるサージ防護デバイスと異ならないため、説明を省略する。

本実施形態によれば、ＩＣＴ装置に内蔵された状態であっても、第１の実施形態と同様に、バリスタを用いずに、ＩＣＴ装置の内部装置を雷サージから安定して保護することが可能となる。

＜第３の実施形態＞
図１０に本発明の第３の実施形態にかかるサージ防護デバイスの使用例を示す図である。太陽光パネル９で生成された直流電力は、ＰＣＳ８で調整され、調整された電力は、不図示のＩＣＴ装置や家電製品などに供給される。夜間などで電力が不足している場合、商用交流系統１からの交流電力を、ＰＣＳ８を介して、不図示のＩＣＴ装置や家電製品などに供給する。

本発明の第３の実施形態にかかるサージ防護デバイス６は、太陽光パネル９とＰＣＳ８との間に設置しても良い。本発明の第３の実施形態にかかるサージ防護デバイス６は、太陽光パネル９とＰＣＳ８との間に接続された電源線と、ＰＣＳ８に接続された接地線との間に接続される。

落雷が生じて太陽光パネル９から侵入してきた雷サージを、本発明の第３の実施形態にかかるサージ防護デバイス６が接地点へ逃がすことで、ＰＣＳ８を保護している。

本発明の第３の実施形態にかかるサージ防護デバイス６の構成や動作は、本発明の第１の実施形態にかかるサージ防護デバイスと異ならないため、説明を省略する。

本実施形態によれば、太陽光発電とＰＣＳとの間に設置された状態であっても、第１の実施形態と同様に、バリスタを用いずに、太陽光パネルに接続されたＰＣＳを雷サージから安定して保護することが可能となる。

＜第４の実施形態＞
図１１に本発明の第４の実施形態にかかるサージ防護デバイスの使用例を示す図である。風力発電機１０で生成された交流電力は、風力発電機１０に内蔵された受電設備１０１で調整され、調整された電力は、不図示の家電製品などに供給される。本発明の第４の実施形態にかかるサージ防護デバイス６は、風力発電機１０に内蔵されても良い。本発明の第４の実施形態にかかるサージ防護デバイス６は、風力発電機１０の発電機と受電設備１０１との間に接続された電源線と、受電設備１０１に接続された接地線との間に接続される。

落雷が生じて風力発電機１０から侵入してきた雷サージを、本発明の第４の実施形態にかかるサージ防護デバイス６が接地点へ逃がすことで、受電設備１０１を保護している。

本発明の第４の実施形態にかかるサージ防護デバイス６の構成や動作は、本発明の第１の実施形態にかかるサージ防護デバイスと異ならないため、説明を省略する。

本実施形態によれば、風力発電機１０に内蔵された状態であっても、第１の実施形態と同様に、バリスタを用いずに、風力発電機に内蔵された受電設備を雷サージから安定して保護することが可能となる。

ａ₁、ａ₂、ａ₃、ａ₄、ａ₅、ａ₁₁、ａ₁₂、ａ₁₃、ａ₁₄ 放電電極
ｂ₁、ｂ₂、ｂ₃、ｂ₄、ｂ₁₁、ｂ₁₂、ｂ₁₃ 放電ギャップ
１ 商用交流系統
２ ＡＣ／ＤＣコンバータ
３、７ ＩＣＴ装置
４、６ サージ防護デバイス
５、５’、５’’、４１ 避雷管
８ ＰＣＳ
９ 太陽光パネル
１０ 風力発電機
４２ バリスタ
７１ 内部装置
１０１ 受電設備

Claims (1)

1. 放電電極に挟まれた放電ギャップが複数縦続に接続されたサージ防護デバイスであって、
   高圧側の放電ギャップを挟んでいる放電電極間の距離は、隣接する低圧側の放電ギャップを挟んでいる放電電極間の距離より短いことを特徴とするサージ防護デバイス。

Images