JP2017504113A - 避雷器の電気的特性のシミュレーション用の、コンピュータに実装可能な方法 - Google Patents

Abstract

避雷器の電気的特性のシミュレーション用のコンピュータに実装可能な方法（１０）は、この避雷器のアノード（Ａ）とカソード（Ｋ）との間に切替可能な電流経路（１００）を有する避雷器のモデル（１０００）を準備するステップを備え、ここでこの電流経路（１００）は、制御可能な電圧源（１１０）を備える。検出された上記のアノード（Ａ）とカソード（Ｋ）との間に印加されている入力電圧（Ｕｉｎ）の電圧スロープ（Ｕｓｌ）の値と、求められた応答電圧（Ｕａ）のレベルとに依存して、電流経路（１００）が導通状態または遮断状態に切り替えられる。この電流経路（１００）に流れる電流（Ｉｇ）のレベルに依存して、制御可能な電圧源（１１０）の電圧のレベルが設定される。【選択図】 図１

Description

本発明は、避雷器、特にガス充填された避雷器の電気的特性のシミュレーション用の、コンピュータに実装可能な方法に関する。 さらに本発明は、コンピュータのプロセッサを用いて、避雷器の電気的特性のシミュレーション用の、コンピュータに実装可能な方法を実行するための複数の命令を含むコンピュータプログラム製品に関する。

ガス充填された避雷器は、アーク放電の気体物理の原理に従って動作する。電気的には、この避雷器は電圧依存のスイッチのように振る舞う。この避雷器のアノードとカソードの間に印加された電圧が点火電圧すなわち応答電圧（Ansprechspannung）のレベルを越えるとすぐに、この避雷器のガス気密な放電室に、秒以下の僅かな時間内にアーク放電を生成する。高い電流耐性、およびこの電流にほぼ依存しないアーク放電の点火電圧は、過電圧を短絡する。影響が減衰した後、この避雷器は消弧し、内部抵抗は、再び数１００ＭΩを有する初期動作状態になる。

避雷器のアノードとカソードの間の入力電圧の上昇の際、上記の応答電圧のレベルまでは、電流はこの避雷器を通って殆ど流れない。この避雷器が点火した後、電圧はグロー放電領域（Glimmbereich）におけるいわゆるグロー放電電圧（Glimmbrennspannung）に低下し、このグロー放電電圧は、たとえば数１０ｍＡ〜約１．５Ａで、７０Ｖ〜２００Ｖの電圧レベルである。アーク放電（Bogenentladung）への移行は、この避雷器におけるさらなる電流の増加によって起る。この領域に特徴的な、極めて低いアーク放電電圧（Bogenbrennspannung）は、たとえば１０V〜３５Vにあり、広い範囲で電流に依存しない。減少しつつある過電圧では、アーク放電における電流は、このアーク放電を維持するのに必要な、この避雷器の最小電流のレベルを下回るまで減少する。このくすぶり段階（Glimmphase）が完了した後、このアーク放電は途切れ、避雷器は消弧する。

電気回路のハードウェアを実際に組立てる前に、この回路の特性をシミュレーションすることは、回路設計の誤りを認識するため、あるいはこの回路を最適化するために有用である。たとえばＰＳｐｉｃｅ（登録商標）のような回路シミュレーションプログラムにおいては、多くの電子デバイスのシミュレーション用のモデルあるいはライブラリが存在する。しかしながら、ガス充填避雷器（gasgefullten Ableiter）またはスパークギャップ（Funkenstrecke）の特性のシミュレーションは、現状では限られた場合にのみ可能である。

本発明の目的は、避雷器（Ableiter）の電気的特性をシミュレーションするためのコンピュータに実装可能な方法を提供することであり、これによって実際の避雷器の特性を極めて良く再現することができ、また回路シミュレーション用のプログラムに極めて簡単に組み込み可能であることである。本発明のもう１つの課題は、コンピュータで読み込み可能な記憶媒体に記憶するためのコンピュータプログラム製品を提供することであり、ここでこのコンピュータプログラム製品は、避雷器の電気的特性のシミュレーション用の、コンピュータに実装可能な方法を実行するための複数の命令を含み、これらはコンピュータのプロセッサを用いて実行可能である。

避雷器の電気的特性のシミュレーション用の、コンピュータに実装可能な方法の１つの可能な実施形態は、請求項１に示されている。この方法には、避雷器のアノードとカソードとの間に切替可能な電流経路を有する避雷器のモデルを準備するステップが設けられており、ここでこの電流経路は制御可能な電圧源を備え、導通状態または遮断状態に切替可能である。この電流経路は、この電流経路の導通状態においては、アノードとカソードとの間にこの避雷器の入力電圧が印加されていると、この電流経路を通る電流フローが生じ、またこの電流経路の遮断状態においては、この電流経路の電流フローは遮断されている。本方法には、アノードとカソードとの間に入力電圧を印加するステップが設けられている。この入力電圧の極性が検出される。制御可能な電圧源の電圧の第１のレベルは、この入力電圧の極性に依存した極性を有して生成される。この入力電圧の電圧スロープの値が検出される。避雷器の応答電圧のレベルは、この検出された入力電圧の電圧スロープの値に依存して求められる。この入力電圧のレベルおよびこの求められた応答電圧のレベルに依存して、上記の電流経路が導通状態または遮断状態に切り替えられる。この電流経路が導通状態に切り替えられている場合に、この電流経路には、第１の時刻に１つの電流が発生される。この第１の時刻にこの電流経路に発生される電流のレベルが検出される。この検出された、この第１の時刻にこの電流経路に発生される電流のレベルに依存して、上記の制御可能な電圧源の電圧の第１のレベルまたはこの第１のレベルと異なる第２のレベルが生成される。上記の入力電圧のレベルの極性に依存して、上記の制御可能な電圧源の電圧の極性が生成される。上記の電流経路における電流は、この電流経路が導通状態に切り替えられている場合に、上記の第１の時刻の後の第２の時刻に、入力電圧のレベルに依存した１つのレベルと、上記の制御可能な電圧源の電圧の設定されたレベルとに依存して決定される。

コンピュータのプロセッサを用いた上述の実施形態による、避雷器の電気的特性のシミュレーション用の、コンピュータに実装可能な方法を実行するための複数の命令を含む、コンピュータで読み込み可能な記憶媒体に記憶するためのコンピュータプログラム製品の１つの実施形態は、請求項１５に記載されている。

この方法あるいはこのコンピュータプログラム製品は、回路シミュレーションプログラムの環境に埋め込まれた、ガス充填された避雷器またはスパークギャップの特性の機能シミュレーションを可能にし、たとえばＰＳｐｉｃｅを用いたシミュレーションを可能にする。この方法の実装は、ＯｒＣＡＤ（登録商標） ＰＳｐｉｃｅ（登録商標）ベースのＡＢＭ（Analog-Behavioral Model）を用うことができる。適合したコンポーネントを用いて、この避雷器またはスパークギャップの機能の主要な状態をシミュレーションする有限オートマトンが生成される。

このモデルは概ねスケーリングおよび変更が可能である。具体的には以下の電気的パラメータが変化される。応答電圧、具体的には静電的な放電開始電圧（Ansprechgleichspannung）あるいは動的な応答インパルス電圧（Ansprechstosspannung）、絶縁抵抗、避雷器静電容量、アーク放電電圧、グロー放電電圧、グロー放電からアーク放電への遷移電流（Ubergangsstrom）、およびこの避雷器の最小電流であって、この閾値より下がるとこの避雷器が消弧する最小電流。こうしてこのモデルは製品データシートに示されたパラメータに従って制御される。

本方法に使用されるモデルは、ＰＳｐｉｃｅの基本コンポーネントを用いて構築することができ、これによって簡便に１つのシミュレーションに組み込むことができ、また場合によっては他のプラットフォーム、たとえば５−Ｓｐｉｃｅおよび他の派生品に移植することができる。本方法が実行されるこのシミュレーションモデルは、スケーリング可能なオートマトンの生成用のＳｐｉｃｅライブラリのアナログの、接続および計算されるデバイスの組合せに基づくものであり、このモデルを用いて任意のガス充填された避雷器またはスパークギャップの電気的特性を再現することができる。

本発明が、以下の本発明の実施形態を示す図を参照して詳細に説明される。

避雷器の電気的特性のシミュレーション用の、コンピュータに実装可能な方法のアプリケーション用のモデルの１つの実施形態を示す。 避雷器の電気的特性のシミュレーション用の、コンピュータに実装可能な方法の１つの実施形態を示す。 避雷器の電気的特性のシミュレーション用の、コンピュータに実装可能な方法の実行用のコンピュータプログラム製品を有するコンピュータの１つの実施形態を示す。

図１は、ガス充填された避雷器あるいはスパークギャップの特性のシミュレーション用のモデル１０００を示す。このモデルは、入力電圧Ｕｉｎを印加するための、アノード端子Ａおよびカソード端子Ｋを備える。このアノードＡおよびカソードＫの間には、切替可能な電流経路１００が配設されている。この切替可能な電流経路１００は、制御可能な電圧源１１０、抵抗１２０、電流制限用の回路１３０、および制御可能なスイッチ１４０を備える。制御可能な電圧源１１０、抵抗１２０、電流制限回路１３０、および制御可能なスイッチ１４０は、アノードＡとカソードＫとの間で、電流経路１００に直列に回路接続されている。

この制御可能なスイッチ１４０を用いて、上記の電流経路を導通状態または遮断状態に切り替えることができる。この電流経路１００の導通状態においては、上記のアノード端子Ａとカソード端子Ｋとの間に入力電圧Ｕｉｎが印加されると、このアノードとカソードとの間に電流フローが生じる。電流制限用に設けられる回路１３０は、たとえば１つの抵抗およびこれに並列に回路接続されたインダクタンスを備えてよく、これらは抵抗１２０と制御可能なスイッチ１４０との間に回路接続されている。この制御可能なスイッチ１４０の開状態においては、上記の電流経路１００は、遮断状態に切り替えられている。電流経路１００の遮断された状態においては、この電流経路１００における電流フローは遮断されている。

回路モデル１０００は、さらに、抵抗２１０を有する電流経路２００を備え、この電流経路は上記のアノード端子Ａとカソード端子Ｋとの間に回路接続されている。この抵抗２１０は、この避雷器の絶縁抵抗の大きさを表すものと成り得、たとえば少なくとも１ＧΩとなっている。アノード端子とカソード端子との間には、さらに、コンデンサ３００が配設されている。このコンデンサ３００は抵抗２１０に対し並列に回路接続されている。このコンデンサ３００は、この避雷器の避雷器静電容量の大きさの静電容量を表すものと成り得る。この避雷器静電容量は、たとえば少なくとも０．２ｐＦとなっていてよい。

この避雷器の回路モデル１０００は、さらに、入力Ｕｉｎの極性を検出する回路ブロック４００を備える。この回路ブロック４００は、上記のアノード端子Ａとカソード端子Ｋとの間に配設されていてよい。たとえばこの回路ブロック４００の入力端子Ｅ４００ａはアノード端子Ａと接続されていてよく、そしてこの回路ブロック４００の入力端子Ｅ４００ｂはカソード端子Ｋと接続されていてよい。回路ブロック４００の出力端子Ａ４００には、入力電圧Ｕｉｎの極性を示す信号Ｐｏｌが出力される。この回路ブロック４００を用いて、この避雷器の放電開始直前に、アノードＡとカソードＫとの間にどちらの極性が印加されたか検出することができる。

回路モデル１０００は、さらに、上記のアノードとカソードとの間の入力電圧Ｕｉｎの電圧スロープを検出する回路ブロック５００を備える。この回路ブロック５００は、上記のアノード端子Ａに接続されている入力端子Ｅ５００ａと、上記のカソード端子Ｋに接続されている入力端子Ｅ５００ｂとを備えてよい。この回路ブロック５００は、たとえば上記の入力電圧の絶対値を検出することができる。この回路ブロック５００は、出力端子Ａ５００に、上記の検出された電圧スロープすなわち上記の入力電圧Ｕｉｎの一次微分の絶対値を示す信号ＳＵｓｌを出力する。この信号ＳＵｓｌは、たとえばＶ／μｓの単位での電圧スロープを表す。

回路モデル１０００は、さらに、この避雷器の応答電圧のレベルを検出するための回路ブロック６００を備える。この応答電圧は、この避雷器の静的な放電開始電圧または動的な応答インパルス電圧であってよい。この応答電圧は、それを越えた場合にこの避雷器が点火する入力電圧のレベルを与える。この回路ブロック６００は、上記の電圧信号ＳＵｓｌを印加するための入力端子Ｅ６００と、検出された上記の応答電圧Ｕａのレベルを示す信号ＳＵａを出力するための出力端子Ａ６００とを備える。

この回路ブロック６００は、たとえば、数値対（ｘ１，ｙ１），（ｘ２，ｙ２），．．．，（ｘｎ，ｙｎ）を有するテーブルが記憶されているメモリ６１０にアクセスする。それぞれの数値対の最初の数値ｘは、たとえば入力電圧Ｕｉｎの電圧スロープＵｓｌを与える。それぞれの数値対の第２の数値は、この電圧スロープＵｓｌの値に対応する、応答電圧Ｕａのレベルを与える。このようにメモリ６１０においては、（ｘ１，ｙ１），（ｘ２，ｙ２），．．．，（ｘｎ，ｙｎ）の形式のルックアップテーブルが記憶されており、ここで数値ｘ１，ｘ２，ｘ３，．．．，ｘｎは異なる電圧スロープＵｓｌをたとえばＶ／μｓで与え、そして数値ｙ１，ｙ２，ｙ３，．．．，ｙｎは、これらの電圧スロープの値に対応する応答電圧Ｕａのレベルを与える。この回路ブロック６００は、メモリ６１０に記憶されたテーブルを用いて、検出された電圧スロープＵｓｌに対して、これに対応する応答電圧を求め、信号ＳＵａとして出力端子Ａ６００に出力するように構成されている。

この回路ブロック６００は、たとえばこの回路ブロックが上記のルックアップテーブルを用いて、検出された入力電圧Ｕｉｎの電圧スロープの値Ｕｓｌに対して、これに対応する応答電圧Ｕａのレベルを求めるように構成されていてよい。この信号ＳＵａが、メモリ６１０に記憶されたテーブルに無い電圧スロープＵｓｌの値を与える場合は、この回路ブロック６００は、応答電圧のレベルを、メモリ６１０に記憶された応答電圧のレベルのテーブルにおける２つの隣接したレベルによって内挿することによって求めるように構成されている。この応答電圧Ｕａのレベルは、たとえば、検出された入力電圧の電圧スロープＵｓｌの下の、メモリ６１０に記憶された入力電圧の電圧スロープの値に対応している応答電圧のレベルと、この検出された電圧スロープＵｓｌの上の、メモリ６１０に記憶された入力電圧の電圧スロープの値に対応している応答電圧のレベルとの間で内挿される。

回路モデル１０００は、さらに、電流経路１００における電流Ｉｇを検出するための回路ブロック７００を備える。この回路ブロック７００は、抵抗１２０での電圧降下を検出するように構成されている。検出された電圧レベルおよび抵抗１２０の値から、この回路ブロック７００を用いて、電流経路１００における避雷器電流Ｉｇを求めることができる。このためこの抵抗１２０によって検出された電圧は、たとえばこの抵抗１２０の導電率で乗算される。この回路ブロック７００は、出力側に、検出された電流Ｉｇを示す信号ＳＩｇを出力する。

避雷器の回路モデル１０００は、さらに、制御可能なスイッチ１４０を導通または遮断するように制御するための制御信号Ｓ１を生成するための回路ブロック８００を備える。この回路ブロック８００は、上記のアノード端子Ａおよびカソード端子Ｋに接続されている。さらにこの回路ブロック８００には、上記の求められた応答電圧Ｕａのレベル、および求められた避雷器電流Ｉｇのレベルが供給される。

入力電圧Ｕｉｎのレベルが、上記の求められた応答電圧Ｕａのレベルより大きい場合、またはこのモデルの避雷器あるいは電流経路１００を通る電流Ｉｇが、それより下ではこの避雷器が消弧する閾値である最小電流Ｉｍｉｎより大きい場合には、この回路ブロック８００は、制御可能なスイッチ１４０を導通する制御を行うための制御信号Ｓ１を生成するように構成されている。他の全ての場合においては、この回路ブロック８００からの制御信号Ｓ１は、制御可能なスイッチ１４０が遮断する制御を行うように生成される。この制御可能なスイッチ１４０が開かれ、すなわち非導通となるように制御されている場合、この避雷器は不活性あるいは消弧した状態で動作される。回路ブロック８００がこの制御可能なスイッチ１４０を閉じた状態、すなわち導通する状態に切り替えた場合、避雷器が点火すると、この避雷器あるいは電流経路１００を通って電流Ｉｇが流れることができる。

回路モデル１０００は、さらに入力電圧Ｕｉｎの極性を示す信号Ｐｏｌを印加するための入力端子Ｅ９００ａを有する回路ブロック９００を備える。さらに加えて、この回路ブロック９００は上記の回路ブロック７００で求められた電流Ｉｇのレベルを示す信号ＳＩｇを印加するための入力端子Ｅ９００ｂを備える。この回路ブロック９００は出力側に、制御可能な電圧源１１０によって生成される電圧レベルを設定するための制御信号Ｓ２を生成する。

この回路ブロック９００は、上記の電流経路１００において発生した電流Ｉｇがアーク放電遷移電流（Bogenuebergangsstrom）のレベルよりも大きい場合、この制御可能な電圧源１１０への制御信号Ｓ２を用いて、この避雷器のアーク放電電圧Ｕｂｇのレベルを設定するように構成されていてよい。このアーク放電遷移電流のレベルは、この避雷器がグロー放電からアーク放電に切り替わる電流レベルである。この回路ブロック９００は、さらに、上記の電流経路１００において発生した電流Ｉｇが上記のアーク放電遷移電流以下である場合に、上記の制御可能な電圧源１１０が、この電圧源によって発生された電圧から、この避雷器のグロー放電電圧Ｕｇｌのレベルを有する電圧を生成するような制御信号Ｓ２を発生するように構成されている。さらに、この回路ブロック９００は、入力電圧Ｕｉｎのレベルが正極性を有する場合、制御可能な電圧源１１０によって発生される電圧が正極性を有して生成されるように、また入力電圧Ｕｉｎのレベルが負極性を有する場合、この制御可能な電圧源１１０の電圧のレベルが負極性を有して生成されるように構成されていてよい。

こうして、入力電圧Ｕｉｎが正極性であり、かつ電流経路１００における電流Ｉｇが上記のアーク放電遷移電流より大きい場合、この制御可能な電圧源１１０を用いて、電流経路１００において正極性のアーク放電電圧が設定される。他の場合で、入力電圧Ｕｉｎが正極性であり、かつ電流経路１００における電流Ｉｇが上記のアーク放電遷移電流よりも小さい場合、制御可能な電圧源１１０によってグロー放電電圧Ｕｇｌが正極性を有して生成される。入力電圧Ｕｉｎの極性が負である場合、この制御可能な電圧源１１０によって、これに対応した、アーク放電電圧Ｕｂｇまたはグロー放電電圧Ｕｇｌの負の電圧値が生成される。

図２は、避雷器またはスパークギャップの電気的特性のシミュレーション用の、コンピュータに実装可能な方法の流れを分り易くするための論理フロー１０を示す。この避雷器あるいはスパークギャップの特性をシミュレーションするための方法は、図１に示す回路モデル１０００に基づいている。方法ステップ１１において、入力電圧Ｕｉｎが、回路モデル１０００のアノード端子Ａとカソード端子Ｋとの間に印加される。次の方法ステップ１２において、回路ブロック４００を用いて入力電圧Ｕｉｎの極性が検出される。次の方法ステップ１３の間に、回路ブロック９００によって、制御可能な電圧源１１０の電圧の第１のレベルが、入力電圧Ｕｉｎの極性に依存している極性を有して設定される。たとえばこの制御可能な電圧源１１０は、回路ブロック９００によって、この制御可能な電圧源１１０が、電流経路１００においてグロー放電電圧Ｕｇｌのレベルを発生するように制御される。

次の方法ステップ１４において、避雷器のアノード端子Ａとカソード端子Ｋとの間の入力電圧Ｕｉｎの電圧スロープＵｓｌが検出される。この電圧スロープは、回路ブロック５００によって検出される。次の方法ステップ１５において、避雷器の応答電圧Ｕａのレベルが、回路ブロック６００を用いて、検出された入力電圧の電圧スロープＵｓｌの値に依存して求められる。

この応答電圧のレベルを求めるために、たとえばメモリ６１０に記憶されたテーブルがアクセスされてよい。このテーブルに記憶された複数の数値対（ｘ１，ｙ１），（ｘ２，ｙ２），．．．，（ｘｎ，ｙｎ）から、それぞれの数値対の第１の値ｘがＵｉｎの入力電圧の電圧スロープの値を与え、そしてそれぞれの数値対の第２の値ｙがこの電圧スロープに対応した応答電圧のレベルを与える。方法ステップ１５において、たとえば検出された入力電圧Ｕｉｎの電圧スロープＵｓｌに対応している応答電圧Ｕａのレベルが、メモリ６１０に記憶されたルックアップテーブルを参照して求められる。

検出された入力電圧の電圧スロープＵｓｌが、このテーブルに記憶されていなければ、応答電圧Ｕａのレベルは、このテーブルに記憶された応答電圧の少なくとも２つのレベルの間での応答電圧のレベルを内挿することによって求めることができる。たとえば、検出された入力電圧の電圧スロープの下の、入力電圧の電圧スロープの値に対応している応答電圧のレベルと、検出された入力電圧の電圧スロープの上の、入力電圧の電圧スロープの値に対応している応答電圧のレベルとの間で、内挿することによって、応答電圧のレベルを求めることができる。

次の方法ステップにおいて入力電圧Ｕｉｎのレベルおよび求められた応答電圧Ｕａのレベルに依存して、電流経路１００が導通状態または遮断状態に切り替えられる。方法ステップ１６において、たとえば回路ブロック８００によって、入力電圧Ｕｉｎのレベルが、求められた応答電圧のレベルより大きいか小さいかがチェックされる。

この方法ステップ１６において、たとえば入力電圧Ｕｉｎのレベルが、求められた応答電圧Ｕａのレベル以下であることが確認された場合、制御可能なスイッチ１４０は、方法ステップ１７において遮断され、こうして電流経路１００は遮断される。これに対して、入力電圧Ｕｉｎのレベルが、求められた応答電圧Ｕａのレベルより大きいことが確認された場合、方法ステップ１８において、制御可能なスイッチ１４０は導通するように制御され、こうして電流経路１００は遮断された状態から導通する状態に切り替えられる。

次の方法ステップ１９において、電流経路１００には、この電流経路１００が導通状態に切り替えられている場合に、第１の時刻に１つの電流Ｉｇが発生される。次の方法ステップ２０において、この第１の時刻に電流経路１００で発生された電流Ｉｇが検出される。

次の方法ステップ２１において、回路ブロック９００によって、上記の第１の時刻に検出された電流Ｉｇのレベルに依存して、制御可能な電圧源１１０が制御され、この制御可能な電圧源から１つの電圧のレベル、たとえばこの避雷器のグロー放電電圧Ｕｇｌのレベルが発生され、またはこの第１の電圧のレベルとは異なる第２の電圧のレベル、たとえばこの避雷器のアーク放電電圧Ｕｂｇのレベルが発生される。さらに方法ステップ２１において、入力電圧Ｕｉｎのレベルの極性に依存して、制御可能な電圧源１１０の電圧の極性が、回路ブロック９００によって設定される。このため入力端子Ｅ９００ａおよびＥ９００ｂには、入力電圧Ｕｉｎの極性を示す信号Ｐｏｌ、および電流経路１００における電流Ｉｇのレベルを表す信号ＳＩｇが印加され、制御可能な電圧源によって発生される電圧のレベルを設定するための制御信号Ｓ２が、回路ブロック９００によって生成される。

たとえば、上記の第１の時刻に検出された、電流経路１００において発生された電流Ｉｇがアーク放電遷移電流のレベル以下である場合は、制御可能な電圧源１１０は回路ブロック９００によって、制御信号Ｓ２を用いて制御され、この制御可能な電圧源１１０は上記の第１のレベル、たとえばこの避雷器のグロー放電電圧Ｕｇｌのレベルを有する１つの電圧を発生する。ここでこのアーク放電遷移電流のレベルは、この避雷器がグロー放電からアーク放電に切り替わる電流レベルである。上記の第１の時刻に検出された、電流経路１００において発生された電流Ｉｇがこのアーク放電遷移電流のレベルより大きい場合は、制御可能な電圧源１１０はさらに、回路ブロック９００によって制御信号Ｓ２を用いて制御され、この制御可能な電圧源１１０は、第２のレベル、たとえばこの避雷器のアーク放電電圧Ｕｂｇのレベルを有する電圧を発生する。

入力電圧Ｕｉｎのレベルが正極性を有している場合、制御可能な電圧源１１０が、上記の第１および第２のレベルを正極性を有して発生するように、制御信号Ｓ２を用いて、この制御可能な電圧源１１０を制御することができる。これとは反対に、入力電圧Ｕｉｎが不極性を有する場合、制御可能な電圧源の電圧の第１および第２のレベルは、負極性で設定することができる。この制御可能な電圧源によって発生される電圧の極性の設定は、方法ステップ２１において行われる。

次の方法ステップ２２において、電流経路１００における電流Ｉｇは、この電流経路１００が導通状態に切り替えられている場合、上記の第１の時刻の後の第２の時刻に、入力電圧Ｕｉｎのレベルに依存した１つのレベルと、上記の制御可能な電圧源１１０の設定された電圧Ｕｇｌ，Ｕｂｇのレベルとに依存して発生される。

続く方法ステップ２３において、上記の第２の時刻に電流経路１００において発生された電流Ｉｇのレベルが検出される。次の方法ステップ２４において、この第２の時刻に電流経路１００において発生された電流がこの避雷器の最小電流Ｉｍｉｎのレベルより大きいか小さいかがチェックされる。この避雷器の最小電流Ｉｍｉｎのレベルは、この避雷器が消弧する電流レベルである。検出された、上記の第２の時刻に電流経路１００において発生された電流Ｉｇが、この避雷器の最小電流のレベル以下であることが確認された場合は、制御可能なスイッチ１１０は、方法ステップ２５において、遮断状態に切り替えられ、こうして電流経路１００は遮断状態で動作される。

これに対して、検出された、上記の第２の時刻に電流経路１００において発生された電流Ｉｇが、この避雷器の最小電流のレベルより大きいことが方法ステップ２４において確認された場合は、電流経路１００はさらに導通状態で動作される。この電流経路１００がさらに導通状態で動作される場合は、再度上記の方法ステップ２１において、制御可能な電圧源１１０の電圧のレベルが設定される。

上述したように、上記の第２の時刻に電流経路１００において発生された電流Ｉｇがアーク放電遷移電流以下である場合は、制御可能な電圧源１１０の電圧のレベルは、方法ステップ２１において、上記の第１のレベル、たとえばこの避雷器のグロー放電電圧Ｕｇｌのレベルを有して発生される。この第２の時刻に検出された、電流経路１００において発生された電流Ｉｇがこのアーク放電遷移電流のレベルより大きい場合は、制御可能な電圧源１１０の電圧のレベルは、この方法ステップ２１において、上記の第２のレベル、たとえばこの避雷器のアーク放電電圧Ｕｂｇのレベルを有して発生される。入力電圧Ｕｉｎのレベルが正極性を有する場合は、設定された制御可能な電圧源１１０の電圧のレベルは、方法ステップ２１において、正極性を有して設定される。これとは反対に、入力電圧Ｕｉｎが不極性を有する場合は、制御可能な電圧源の電圧のレベルは、方法ステップ２１において、負極性を有して設定される。

制御可能なスイッチ１４０が、上記の方法ステップ２５において、遮断されて動作される場合、すなわちこの避雷器が点火されていない場合、電流経路１００においては避雷電流Ｉｇは全く流れない。この場合アノードＡとカソードＫとの間には、絶縁抵抗２１０および避雷器静電容量３００だけが作用している。

図２に概略を示す方法フローは、コンピュータに実装可能な、回路シミュレーションプログラムに組み込むことができるプログラムとして、実行することができる。このコンピュータに実装可能なプログラムは、たとえば１つのモジュールとしてまたは１つの機能ブロックとして、１つのスパイスライブラリで提供することができる。図１に示す避雷器の回路モデルは、複数のアナログデバイス、たとえば抵抗１２０と２１０およびコンデンサ３１０、または制御可能な電圧源１１０、回路接続されたデバイス、たとえば制御可能なスイッチ１４０、および計算用の複数のデバイス、たとえば回路ブロック４００〜９００から構成することができる。

回路ブロック４００は、たとえば電圧制御の電圧源を備えてよく、この電圧源は入力電圧に依存して、この入力電圧ＵｉｎがＯＶ以上の電圧である場合、その出力側に＋１Ｖのレベルを有する信号Ｐｏｌを生成する。他の場合には、この信号Ｐｏｌは出力側で−１Ｖの電圧レベルを有して生成される。回路ブロック５００は、電圧制御の電圧源として構成されていてよく、この電圧制御の電圧源はその出力側に、検出された入力電圧の一次微分に依存した信号ＳＵｓｌを生成する。回路ブロック６００は、入力電圧の電圧スロープとこれに対応した応答電圧とから成る複数の数値対を記憶するためのルックアップテーブルを備えてよい。回路ブロック７００は、電圧制御の電圧源を備えてよく、この電圧制御の電圧源は、その出力側に、入力電圧を抵抗１２０の導電率に対応した定数係数で乗算したものに依存した電圧信号ＳＩｇを生成する。

回路ブロック８００は、電圧制御の電圧源を備えてよい。この回路ブロック８００は、入力側に供給された上記の入力電圧および上記の応答電圧と、電流経路１００を通る電流およびこの避雷器の最小電流とを変数として、上記の制御信号Ｓ１のレベルを計算する。たとえば、上記の入力電圧が、求められた応答電圧より大きいか、またはこの避雷器あるいは電流経路１００を通る上記の電流Ｉｇがこの避雷器の最小電流より大きい場合、この回路ブロック８００の制御可能な電圧源は、その出力側に、２Ｖのレベルを有する制御信号Ｓ１を生成してよい。他の場合には、この制御信号Ｓ１は、たとえば０Ｖの電圧レベルを有して生成されてよい。

回路ブロック９００は、制御信号Ｓ２を生成するために、電圧制御の電圧源を備えてよい。この回路ブロックは、上記の入力電圧が正か負かを検出し、また上記の電流Ｉｇの電流レベルが上記のアーク放電遷移電流より大きいか小さいかを検出する。上記の入力電圧Ｕｉｎが正であり、上記の電流Ｉｇが上記のアーク放電遷移電流より大きい場合、上記の制御可能な電圧源１１０から正のアーク放電電圧が発生されるように、この回路ブロック９００の制御可能な電圧源によって、制御信号Ｓ２が生成される。他の場合、すなわち入力電圧が正で、上記の電流Ｉｇがアーク放電遷移電流以下のレベルの場合は、この制御可能な電圧源９００から正のグロー放電電圧が発生されるように、制御信号Ｓ２が生成される。上記の入力電圧の極性が負である場合は、上記の制御可能な電圧源１１０が、負のレベルを有するアーク放電電圧あるいはグロー放電電圧を発生するように、この回路ブロック９００の制御可能な電圧源によって制御信号Ｓ２が生成される。

出力信号を遅延させるために、具体的には回路ブロック４００，６００，８００，および９００の出力信号を遅延させるために、これらの回路ブロックは遅延回路を備えてよく、これらの遅延回路はそれぞれの回路ブロックの制御可能な電圧源の後に配設される。

図２に示す方法およびこれの基礎となる図１に示す回路モデルを用いて、任意のガス充填避雷器またはスパークギャップの電気的特性を再現することができる。シミュレーションする避雷器に依存して、静的な放電開始電圧、動的な応答電圧、絶縁抵抗、避雷器静電容量、アーク放電電圧、グロー放電電圧、アーク放電遷移電流、および最小電流を特定あるいは変化することができる。

図３は、上記の方法１０が実行可能なコンピュータ１を示す。この避雷器の電気的特性をシミュレーションする方法は、コンピュータプログラム製品２としてコンピュータで読み込み可能な記憶媒体３に記憶されていてよい。このコンピュータプログラム製品２は、上記のコンピュータに実装可能な方法の実行のための、このコンピュータ１のプロセッサ４を用いて実行可能な複数の命令を備えている。

１ ： コンピュータ
２ ： コンピュータプログラム製品
３ ： 記憶媒体
４ ： プロセッサ
１０ ： 論理フロー
１１，... ，２５ ： 方法ステップ
１００ ： 電流経路
１１０ ： 制御可能な電圧源
１２０ ： 抵抗
１３０ ： 電流制限器
１４０ ： 制御可能なスイッチ
２００ ： 電流経路
２１０ ： 絶縁抵抗
３００ ： コンデンサ
４００，... ，９００ ： 回路ブロック
１０００ ： 回路モデル
Ａ ： アノード端子
Ｋ ： カソード端子
Ｕｉｎ ： 入力電圧
Ｕｓｌ ： 入力電圧の電圧スロープ
Ｕａ ： 応答電圧
Ｉｇ ： 避雷器電流

Claims (15)

1. 避雷器の電気的特性のシミュレーション用の、コンピュータに実装可能な方法であって、
   前記避雷器のアノード（Ａ）とカソード（Ｋ）との間に切替可能な電流経路（１００）を有する避雷器（１０００）のモデルを準備するステップであって、当該電流経路（１００）は制御可能な電圧源（１１０）を備え、当該電流経路（１００）は、導通状態または遮断状態に切替可能であり、当該電流経路（１００）の導通状態においては、前記アノード（Ａ）と前記カソード（Ｋ）との間に前記避雷器（１０００）の入力電圧（Ｕｉｎ）が印加されている場合、当該電流経路（１００）を通る電流フローが生じ、当該電流経路（１００）の遮断状態においては、当該電流経路（１００）の電流フローは遮断されているステップと、
   前記アノード（Ａ）と前記カソード（Ｋ）との間に入力電圧（Ｕｉｎ）を印加するステップと、
   前記入力電圧（Ｕｉｎ）の極性を検出するステップと、
   前記制御可能な電圧源（１１０）の電圧の第１のレベル（Ｕｇｌ）が、前記入力電圧（Ｕｉｎ）の極性に依存した極性を有して設定されるステップと、
   前記入力電圧（Ｕｉｎ）の電圧スロープの値（Ｕｓｌ）を検出するステップと、
   前記避雷器の応答電圧（Ｕａ）のレベルが、検出された前記入力電圧の電圧スロープの値（Ｕｓｌ）に依存して求められるステップと、
   前記入力電圧（Ｕｉｎ）のレベルおよび求められた前記応答電圧（Ｕａ）のレベルに依存して、前記電流経路（１００）が導通状態または遮断状態に切り替えられるステップと、
   前記電流経路（１００）が前記導通状態に切り替えられている場合に、前記電流経路（１００）に、第１の時刻に１つの電流（Ｉｇ）が発生されるステップと、
   前記第１の時刻に前記電流経路（１００）に発生される電流（Ｉｇ）のレベルが検出されるステップと、
   検出された、前記第１の時刻に発生された電流（Ｉｇ）のレベルに依存して、前記制御可能な電圧源（１１０）の電圧の前記第１のレベル（Ｕｇｌ）または当該第１のレベルと異なる第２のレベル（Ｕｂｇ）が生成されるステップと、
   前記入力電圧（Ｕｉｎ）のレベルの極性に依存して、前記制御可能な電圧源（１１０）の電圧の極性が生成されるステップと、
   前記電流経路（１００）が導通状態に切り替えられている場合に、前記電流経路（１００）における電流（Ｉｇ）が、前記第１の時刻の後の第２の時刻に、前記入力電圧（Ｕｉｎ）のレベルに依存したレベルと、前記制御可能な電圧源（１１０）の電圧で発生されたレベル（Ｕｇｌ，Ｕｂｇ）とに依存して発生されるステップと、
   を備えることを特徴とする方法。
2. 前記入力電圧（Ｕｉｎ）が求められた前記応答電圧（Ｕａ）より大きい場合、前記電流経路（１００）を前記遮断状態から前記導通状態に切り替えるステップを備えることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記第２の時刻に前記電流経路（１００）において発生された電流（Ｉｇ）のレベルを検出するステップと、
   検出された、前記第２の時刻に前記電流経路（１００）において発生された電流（Ｉｇ）が、前記避雷器が消弧される電流レベルである、前記避雷器の最小電流（Ｉｍｉｎ）のレベルより大きい場合、前記電流経路（１００）が前記導通状態で動作されるステップと、
   を備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 検出された、前記第２の時刻に電流経路（１００）において発生された電流（Ｉｇ）が、前記アーク放電遷移電流以下である場合、前記制御可能な電圧源（１１０）の電圧のレベルが、前記第１のレベル（Ｕｇｌ）を有して発生されるステップであって、前記アーク放電遷移電流のレベルは、前記避雷器がグロー放電からアーク放電に切り替わる電流レベルであるステップを備えることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記第２の時刻に検出された、前記電流経路（１００）において発生された電流（Ｉｇ）が前記アーク放電遷移電流のレベルより大きい場合、前記制御可能な電圧源（１１０）の電圧のレベルを、第２のレベル（Ｕｂｇ）を有して発生するステップを備えることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 前記入力電圧（Ｕｉｎ）のレベルが正極性を有する場合、前記制御可能な電圧源（１１０）の電圧の前記第１および前記第２のレベル（Ｕｇｌ，Ｕｂｇ）の正極性が生成され、前記入力電圧（Ｕｉｎ）のレベルが負極性を有する場合、前記制御可能な電圧源（１１０）の電圧の前記第１および前記第２のレベル（Ｕｇｌ，Ｕｂｇ）の負極性を生成されるステップを備えることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記制御可能な電圧源（１１０）の電圧の前記第１のレベル（Ｕｇｌ）が、前記避雷器のアーク放電遷移電流のレベルに対応し、前記制御可能な電圧源（１１０）の電圧の前記第２のレベル（Ｕｂｇ）が、前記避雷器のアーク放電電圧（Ｕｂｇ）のレベルに対応することを特徴とする、請求項５または６に記載の方法。
8. 複数の数値対を有するテーブルを記憶するステップであって、それぞれの数値対の第１の値が前記入力電圧（Ｕｉｎ）の電圧スロープの値を与え、それぞれの数値対の第２の値が、前記入力電圧の前記電圧スロープに対応した応答電圧のレベルを与えるステップを備えることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記テーブルから、検出された前記入力電圧（Ｕｉｎ）の前記電圧スロープの値に対応した前記応答電圧（Ｕａ）のレベルを求めることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 前記テーブルに記憶された前記応答電圧のレベルの少なくとも２つの間で、前記応答電圧のレベルを内挿することによって前記応答電圧（Ｕａ）のレベルを求めることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
11. 前記避雷器の前記アノード（Ａ）と前記カソード（Ｋ）との間に、前記電流経路（１００）に対して並列に回路接続されたもう１つの電流経路（２００）を有する避雷器（１０００）のモデルを準備するステップと、
    前記電流経路（１００）が遮断状態に切り替えられている場合、前記避雷器を通る電流（Ｉｇ）が前記もう１つの電流経路（２００）において発生されるステップと、
    を備えることを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記もう１つの電流経路（２００）における前記避雷器の絶縁抵抗の大きさの抵抗（２１０）を有する避雷器（１０００）のモデルを準備するステップを備えることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
13. 前記抵抗（２１０）に対して並列に回路接続された、前記避雷器の避雷器静電容量の大きさの静電容量を表すコンデンサ（３００）を有する避雷器（１０００）のモデルを準備するステップを備えることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
14. 前記方法は、回路シミュレーションプログラムに組み込むことができるプログラムとして実装されていることを特徴とする、請求項１乃至１３に記載の方法。
15. 請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の避雷器の電気的特性のシミュレーション用のコンピュータに実装可能な方法（１０）の、コンピュータ（１）のプロセッサ（４）を用いた実行のための複数の命令を備える、コンピュータで読み込み可能な記憶媒体（３）に記憶するためのコンピュータプログラム製品（２）。

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