JP2020162341A

JP2020162341A - 分離器内蔵ｓｐｄ

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Publication number: JP2020162341A
Application number: JP2019060625A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　淳一; Junichi Suzuki; 淳一鈴木; 健介垣内; Kensuke Kakiuchi; 知大奥; Tomohiro Oku
Original assignee: Shoden Corp
Current assignee: Shoden Corp
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2020-10-01

Abstract

【課題】分離器として定格電流が小さい電流ヒューズを用いつつＳＰＤ故障時の短絡電流を安全に遮断することができ、しかも、回路構成の簡略化、装置全体の小型化を可能にした分離器内蔵ＳＰＤを提供する。【解決手段】雷サージ電流が流れる単一の電源線１０に接続された電源側端子４１と接地側端子４２との間に、分離器として定格電流が小さい電流ヒューズ２１とＳＰＤ本体との直列回路からなるＳＰＤユニット３３１，３３２，……，３３ｎを並列に接続してその全体を単一のケーシング３に収納する。ここで、ＳＰＤ本体は、ギャップ３１または金属酸化物バリスタ３２により、あるいは、ギャップ３１と金属酸化物バリスタ３２との並列回路により構成する。【選択図】図１

Description

本発明は、電流ヒューズ等の分離器を内蔵した分離器内蔵ＳＰＤ（サージ防護素子）に関するものである。

図２は、例えば、交流電源引込口の電源線と接地との間に接続される従来の分離器付きＳＰＤの回路図であり、直撃雷電流に対応可能な、いわゆるクラスＩのＳＰＤを示している。
図２（ａ），（ｂ）にそれぞれ示すＳＰＤ３Ａ，３Ｂは、ギャップ（ガス入り放電管またはアレスタ）３１Ａまたは金属酸化物バリスタ３２Ａのみから構成されており、図２（ｃ），（ｄ）にそれぞれ示す複合型のＳＰＤ３Ｃ，３Ｄは、ギャップ３１Ａと金属酸化物バリスタ３２Ａとを並列または直列に接続して構成されている。なお、エネルギーの大きい直撃雷電流に対応できるように、ギャップ３１Ａには特殊構造を有するものが使用され、金属酸化物バリスタ３２Ａには面積が非常に大きい素子が使用されている。

この種のＳＰＤの試験規格ＪＩＳＣ５３８１−１１（低圧配電システムに接続する低圧サージ防護デバイスの要求性能及び試験方法）によれば、短絡故障したＳＰＤ３Ａ〜３Ｄを電源線１０から確実に切り離すため、ＳＰＤ３Ａ〜３Ｄと電源線１０との間にＳＰＤ製造業者が指定する分離器としての電流ヒューズ２０を直列に接続して各種試験を実施する必要がある。
この場合の電流ヒューズは、クラスＩのＳＰＤが流せる最大の直撃雷電流として規定されたインパルス電流Ｉ_ｉｍｐの通電時にも溶断しないことが要求されており、例えばＩ_ｉｍｐが２５［ｋＡ］であるクラスＩのＳＰＤでは、通常、定格電流が３５０［Ａ］程度の電流ヒューズ２０が必要になる。

しかし、クラスＩのＳＰＤが接続される日本の低圧受電系統において、３５０［Ａ］の電流ヒューズは定格電流が大き過ぎるため、ギャップ３１Ａや金属酸化物バリスタ３２ＡからなるＳＰＤの故障時に短絡電流が流れても溶断しない恐れがある。そこで、我が国においては、Ｉ_ｉｍｐが２５［ｋＡ］であるクラスＩのＳＰＤに直列接続される分離器として、一般に定格電流が１２５［Ａ］の電流ヒューズを用いている。

しかしながら、定格電流が１２５［Ａ］の電流ヒューズはＩ_ｉｍｐが１０［ｋＡ］未満の性能しか持っていないため、ＳＰＤが２５［ｋＡ］のＩ_ｉｍｐに対応可能であっても、電流ヒューズは１０［ｋＡ］未満のＩ_ｉｍｐにしか対応できないことになる。
このため、１０［ｋＡ］以上のＩ_ｉｍｐをＳＰＤが流せるにも関わらず電流ヒューズが先に溶断してしまい、ギャップ３１Ａや金属酸化物バリスタ３２ＡからなるＳＰＤが回路から遮断されてしまう不都合があった。

ここで、図３は特許文献１に記載された分離器付きＳＰＤの回路図である。
図３において、１００は分離器付きＳＰＤ、１０６は電源側端子１０１と負荷側端子１０２との間に接続されたインダクタンス、１０４，１０５は熱容量が異なるバリスタ、１０７は、半田の溶融時にねじの復元力により導体板を開離させて電気的接続を遮断する分離器、１０３は接地側端子である。
この従来技術は、バリスタ１０４，１０５の何れかの異常発熱時に単一の分離器１０７を接地端子１０３から切り離してバリスタ１０４，１０５を保護するものであり、構造が簡単で小型の分離器付きＳＰＤを実現可能としている。

また、図４は特許文献２に記載されたＳＰＤ切り離し装置の回路図である。
図４において、１１０は三相の電源線、１１１は負荷、１２１〜１２３はサージ専用の電流ヒューズ、１２４は遮断検知部、１３０はケースに収容されたＳＰＤ切り離し部、１３１は整流回路、１３２はコンデンサ、１３３は切り離しコイル部、１３４は接点機構、１３５はコイル駆動部、１３６は接点機構１３４の各相間に流れる事故電流やＳＰＤの故障による漏洩電流を検出する電流センサ、１５０はＳＰＤ１５１〜１５３からなるＳＰＤ収納部である。
この従来技術では、比較的小さい事故電流や漏洩電流に対しては切り離しコイル部１３３及び接点機構１３４の動作によりＳＰＤ１５１〜１５３を電源線１１０から切り離し、過大サージ電流に対しては電流ヒューズ１２１〜１２３を溶断させてＳＰＤ１５１〜１５３を電源線１１０から切り離すようにして、電流の大きさに応じてＳＰＤ１５１〜１５３の切り離し機能を分担している。これにより、ＳＰＤ１５１〜１５３の正常時における接点機構１３４の誤動作や電流ヒューズ１２１〜１２３が誤って溶断する恐れがなく、装置全体の信頼性を高めている。

更に、図５は特許文献３に記載されたサージ防護システムの回路図である。
図５において、１６１は、半田部材からなる切り離し機構１６２とバリスタ１６３との直列回路からなるサージ防護デバイス、１６０は接続線、１６４は検出部１６５及び表示部１６６を備え、接続線１６０と接地との間に接続されたサージ検出部、１６７は各部品を実装したサージ防護ユニット、２００は負荷である。
この従来技術において、バリスタ１６３の正常時には、電源線１１０から侵入したサージ電流が切り離し機構１６２と短絡状態のバリスタ１６３とを介して接地側に流れる。また、バリスタ１６３が劣化して所定温度以上になると、切り離し機構１６２の半田部材が溶融することによってバリスタ１６３を回路から切り離すように動作している。

特許第６０８３５７０号公報（図１）特許第５１８８８５３号公報（図１）特許第６４７４２３０号公報（図１）

図２に示した従来技術において、前述したごとく、定格電流が３５０［Ａ］の電流ヒューズでは定格電流が大き過ぎてＳＰＤの短絡故障時に必要な短絡電流を流すことができず、電流ヒューズが溶断しない恐れがある。これに対し、定格電流が１２５［Ａ］の電流ヒューズでは、インパルス電流Ｉ_ｉｍｐに対するＳＰＤの性能に比べて電流ヒューズの性能が低過ぎるため、必要な雷電流を流せないという問題がある。
また、図３に示した従来技術では、バリスタ１０４，１０５の温度が所定値以上になった場合に分離器１０７を溶融させる原理であるため、バリスタ１０４，１０５や分離器１０７の特性にばらつきがあると動作が安定しない。
更に、図４や図５に示した従来技術では、ＳＰＤ切り離し部１３０やサージ防護ユニット１６７の構造が複雑であり、装置全体が大型化する等の問題がある。

そこで、本発明の解決課題は、分離器として定格電流が小さい電流ヒューズを用いつつＳＰＤ故障時の短絡電流を安全に遮断することができ、しかも、回路構成の簡略化、装置全体の小型化を可能にした分離器内蔵ＳＰＤを提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、雷サージ電流が流れる単一の電源線に接続された電源側端子と接地側端子との間に、分離器としての電流ヒューズとＳＰＤ本体との直列回路を複数並列に接続してその全体を単一のケーシングに収納したことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載した分離器内蔵ＳＰＤにおいて、前記ＳＰＤ本体をギャップによって構成したことを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１に記載した分離器内蔵ＳＰＤにおいて、前記ＳＰＤ本体を金属酸化物バリスタによって構成したことを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１に記載した分離器内蔵ＳＰＤにおいて、前記ＳＰＤ本体を、ギャップと金属酸化物バリスタとの並列回路によって構成したことを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１〜４の何れか１項における前記ＳＰＤ本体と前記接地側端子との間に、ギャップを接続したことを特徴とする。

本発明によれば、分離器とＳＰＤ本体との直列回路からなるＳＰＤユニットを複数、並列接続し、大きいインパルス電流をＳＰＤユニットの並列接続回路に分流させて保護動作を行う。これにより、例えばクラスＩのＳＰＤ本体が流せる最大の直撃雷電流として規定されたインパルス電流の通過時にも、例えば分離器として定格電流の小さい電流ヒューズが溶断しない分離器内蔵ＳＰＤを提供することができる。
また、図２の従来技術と比べて定格電流が小さい電流ヒューズを使用することにより、ＳＰＤ本体の短絡故障時に電流ヒューズを溶断させてＳＰＤ本体を電源線から分離することができる。このため、ＳＰＤ本体の短絡故障時に流れる短絡電流を早期に遮断することが可能であり、短絡電流が比較的小さい箇所においても早期かつ安全に短絡電流を遮断することができる。
更に、従来技術に比べて回路構成の簡略化、装置全体の小型化を実現することができ、取り扱いも容易である等の効果がある。

図１（ａ）は第１実施形態を示す回路図、図１（ｂ）は第２実施形態を示す回路図である。従来の分離器付きＳＰＤの回路図である。特許文献１に記載された分離器付きＳＰＤの回路図である。特許文献２に記載されたＳＰＤ切り離し装置の回路図である。特許文献３に記載されたサージ防護システムの回路図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１（ａ）は、第１実施形態に係る分離器内蔵ＳＰＤの回路図である。図示するように、この分離器内蔵ＳＰＤは、単一の電源線１０に接続された電源側端子４１と接地側端子４２との間に接続されており、以下に述べる構成素子が単一のケーシング３に内蔵されている。なお、図示されていないが、電源線１０には負荷が接続されている。

図１（ａ）において、電源側端子４１と接地側端子４２との間には、ｎ個（ｎは複数）のＳＰＤユニット３３_１，３３_２，……，３３_ｎが並列接続されている。各ＳＰＤユニットの構成は同一であるため、ここでは、ＳＰＤユニット３３_１を例に挙げてその構成を説明する。

ＳＰＤユニット３３_１は、（Ａ）電流ヒューズ２１とギャップ３１とを直列に接続した回路、（Ｂ）電流ヒューズ２１と金属酸化物バリスタ３２とを直列に接続した回路、（Ｃ）電流ヒューズ２１と、ギャップ３１及び金属酸化物バリスタ３２の並列回路とを直列に接続した回路、によって構成されている。つまり、単一のＳＰＤユニット３３_１について見れば、回路構成上は、図２（ａ）または（ｂ）または（ｃ）と同一である。

ここで、ギャップ３１、金属酸化物バリスタ３２、またはギャップ３１と金属酸化物バリスタ３２との並列回路は、何れもＳＰＤ本体を構成している。
なお、電流ヒューズ２１は、所定の大きさ以上の雷サージ電流が電源線１０に流れた場合やギャップ３１または金属酸化物バリスタ３２の短絡故障時に、電源側端子４１と接地側端子４２との間に流れる電流により溶断し、ギャップ３１または金属酸化物バリスタ３２を電源線１０から分離する分離器として動作する。

ギャップ３１及び金属酸化物バリスタ３２には、インパルス電流Ｉ_ｉｍｐが例えば５［ｋＡ］程度の素子が用いられ、電流ヒューズ２１にも、インパルス電流Ｉ_ｉｍｐが例えば５［ｋＡ］程度であって、定格電流が２５［Ａ］または５０［Ａ］程度の素子が用いられる。

そして、個々のＳＰＤ本体の耐インパルス電流よりも更に大きいインパルス電流Ｉ_ｉｍｐに耐えるために、定格電流が５０［Ａ］の電流ヒューズ２１を使用した場合には、ＳＰＤユニット３３_１，３３_２，……，３３_ｎを３個並列に接続し、定格電流が２５［Ａ］の電流ヒューズ２１を使用した場合には、ＳＰＤユニット３３_１，３３_２，……，３３_ｎを６個並列に接続して使用する。
この場合、各ＳＰＤユニット３３_１，３３_２，……，３３_ｎは、例えば電流ヒューズ２１とギャップ３１の直列回路というように全ての回路構成を同一にし、各ユニット３３_１，３３_２，……，３３_ｎにおける電流ヒューズ２１の特性、ギャップ３１の特性は揃っているものとする。なお、各ＳＰＤユニット３３_１，３３_２，……，３３_ｎは、電流ヒューズ２１と金属酸化物バリスタ３２とを直列に接続しても良いし、電流ヒューズ２１と、ギャップ３１及び金属酸化物バリスタ３２の並列回路とを直列に接続しても良いが、何れの場合も、全てのＳＰＤユニット３３_１，３３_２，……，３３_ｎにおける同一種類の素子の特性は揃っているものとする。

上記のように構成した本実施形態の分離器内蔵ＳＰＤによれば、大きいインパルス電流Ｉ_ｉｍｐに対しては並列接続されたＳＰＤユニット３３_１，３３_２，……，３３_ｎに分流させて保護動作を行う。
また、ギャップ３１または金属酸化物バリスタ３２の短絡故障は負担の大きい一つのＳＰＤユニットによって発生するため、当該ユニットの電流ヒューズ２１を溶断させてギャップ３１または金属酸化物バリスタ３２を電源線１０から分離する。本実施形態では、複数のＳＰＤユニット３３_１，３３_２，……，３３_ｎを並列に接続したことにより、従来のように定格電流が大きい（例えば１２５［Ａ］）電流ヒューズと比べて定格電流が小さい（例えば２５［Ａ］）電流ヒューズ２１を使用することが可能である。
これにより、ギャップ３１または金属酸化物バリスタ３２の短絡故障時に流れる短絡電流を早期に遮断することが可能であり、短絡電流が比較的小さい箇所においても早期かつ安全に短絡電流を遮断することができる。
更に、各ＳＰＤユニット３３_１，３３_２，……，３３_ｎにそれぞれ電流ヒューズ２１が内蔵されているため、交換や点検、保管に当たって取り扱いも容易である。

次に、図１（ｂ）は本発明の第２実施形態に係る分離器内蔵ＳＰＤの回路図である。
この分離器内蔵ＳＰＤは、図２（ｄ）に示した複合型のＳＰＤ３Ｄに相当しており、ＳＰＤユニット３３_１，３３_２，……，３３_ｎに直列にギャップ３４が接続されている。
この第２実施形態のＳＰＤユニット３３_１，３３_２，……，３３_ｎも、第１実施形態における（Ａ）〜（Ｃ）の何れかによって構成すれば良い。

３：ケーシング
１０：電源線
２１：電流ヒューズ（分離器）
３１：ギャップ
３２：金属酸化物バリスタ
３３_１，３３_２，……，３３_ｎ：ＳＰＤユニット
３４：ギャップ
４１：電源側端子
４２：接地側端子

Claims

雷サージ電流が流れる単一の電源線に接続された電源側端子と接地側端子との間に、分離器としての電流ヒューズとＳＰＤ本体との直列回路からなるＳＰＤユニットを複数並列に接続してその全体を単一のケーシングに収納したことを特徴とする分離器内蔵ＳＰＤ。
請求項１に記載した分離器内蔵ＳＰＤにおいて、
前記ＳＰＤ本体を、ギャップによって構成したことを特徴とする分離器内蔵ＳＰＤ。
請求項１に記載した分離器内蔵ＳＰＤにおいて、
前記ＳＰＤ本体を、金属酸化物バリスタによって構成したことを特徴とする分離器内蔵ＳＰＤ。
請求項１に記載した分離器内蔵ＳＰＤにおいて、
前記ＳＰＤ本体を、ギャップと金属酸化物バリスタとの並列回路によって構成したことを特徴とする分離器内蔵ＳＰＤ。
請求項１〜４の何れか１項における前記ＳＰＤ本体と前記接地側端子との間に、ギャップを接続したことを特徴とする分離器内蔵ＳＰＤ。