JP3854305B1 - 過電圧防護器、過電圧防護方法 - Google Patents

Abstract

【課題】最大電圧の低下、小型・経済化などの課題を同時に解決する。
【解決手段】本発明では、２つの導体の間に、３個以上の放電部を直列に接続させる。そして、２個以上のクランプタイプの過電圧防護部を、１個以上の前記放電部を除いた前記放電部と並列に接続させる。ただし、全てのクランプタイプの過電圧防護部と並列に接続された放電部全体の動作電圧を、各クランプタイプの過電圧防護部の動作電圧から当該クランプタイプの過電圧防護部と並列に接続された他の放電部の放電電圧を引いた電圧よりも低く設定する。また、全てのクランプタイプの過電圧防護部と並列に接続された放電部全体の動作電圧を、いずれかのクランプタイプの過電圧防護部と直列に接続された各放電部の動作電圧よりも高く設定する。
【選択図】図８

Description

本発明は、雷（サージ）もしくは高電圧線によって生じる過電圧や過電流から、機器類を防護するための過電圧防護器、過電圧防護方法に関する。

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。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。そこで、縦軸は電圧または電流を示している。また、過電圧防護器の試験では、通常、波高値６ｋＶ、波尾長５０μ秒、波頭長１．２μ秒の電圧を印加し、電圧の変化を観測している。

過電圧防護素子には、大きく分けてクラッピングタイプとスイッチングタイプがある。クラッピングタイプの代表的な過電圧防護素子は、バリスタとダイオードである。これらの素子の特徴は、電流が増えても電圧がほとんど変化しない特性を示す領域があることである。図２Ａにバリスタを用いた過電圧防護の構成を示す。端子９０２と端子９０３との間に過電圧が加わっても、バリスタ９０１によって、端子９０４と端子９０５との間には過電圧が加わらない。図２Ｂにダイオードを用いた過電圧防護の構成を示す。図２Ｂの構成にダイオードが２つ並列に備えられているのは、端子９４２に正の過電圧が加わった場合にも、負の過電圧が加わった場合にも、端子９４４と端子９４５の間に過電圧が加わるのを防ぐためである。図２Ｃにクラッピングタイプの過電圧防護素子を用いた場合の、屋内側端子間の理想的な電圧の変化の様子を示す。理想的なクランプタイプの過電圧防護素子の場合、屋外側の電圧が動作電圧Ｃを超えても、波形９０８のように、屋内側の電圧は動作電圧Ｃでほぼ一定となる。そして、屋外側の端子間の電圧が電圧Ｃよりも低くなると、屋内側の端子間の電圧も低くなる。図２Ｄにクランピングタイプの過電圧防護素子を用いた場合の、クランピングタイプの過電圧防護素子に流れる電流の変化を示す。過電圧防護素子では、瞬時電力（電圧×電流）が消費され、瞬時電力を時間領域で積分した電力（電圧×電流×時間）に相当する熱が発生する。クランピングタイプの過電圧防護素子の場合、動作電圧が比較的高いため、非常に大きな電流が流れると、寿命に大きな影響を与えてしまう。

スイッチングタイプの代表的な過電圧防護素子には、放電管がある。放電管とは、電極間が気体（真空を含む）、液体、固体、またはこれらの混合物で絶縁され、放電現象により過電圧を防護する素子である。代表的な放電管は、ガス入り放電管、気中放電管である。放電管は、放電が始まると電圧が非常に低くなることを特徴としている。図３Ａにガス入り放電管を用いた過電圧防護の構成を、図３Ｂに気中放電管を用いた過電圧防護の構成を示す。また、図３Ｃに放電管を用いた場合の、屋内側端子間の理想的な電圧の変化の様子を示す。放電管の場合、屋外側から過電圧が動作電圧Ｂを超えると、放電等によって過電圧防護素子間の電圧が急激に下がる。放電等が始まった後は、放電管の端子間の電圧は、放電電圧Ａまで下がっている。波形９１８はその様子を示している。そして、屋外側の端子間の電圧が放電電圧Ａよりも低くなると、屋内側の端子間の電圧も放電電圧Ａと同じになる。ただし、例えば１００Ｖの商用電源の場合、放電電圧Ａが１００Ｖよりも低いと、雷等による過電圧がなくなった後も、商用電源から供給される電流に起因して、放電が続くことになる。そこで、全体の放電電圧が１００Ｖ以上となるように、他の放電管を直列に接続するなどの工夫が施されている。このように、一度雷によって発生し、商用電源によって継続する放電を止めることを続流遮断という。図３Ｄに放電管を用いた場合の、放電管に流れる電流の変化を示す。放電管の場合、電圧が高い時には放電管には電流は流れない。そして、電流が流れる時には電圧が低くなる。したがって、瞬時電力（電圧×電流）も電力（瞬時電力の時間積分）も比較的小さい。したがって、放電管の場合には、非常に大きな電流を流しても寿命に大きな影響を受けない。

一般的に、クランプタイプの過電圧防護素子であるバリスタやダイオードは半導体である。したがって、クランプタイプの過電圧防護素子の動作までの時間Ｔ_Ｃは、０．０１μ秒程度で短い。一方、放電管は、放電現象を用いているので、動作までの時間Ｔ_Ｂは、１μ秒と比較的長い。

このような特性を持つ過電圧防護素子を組み合わせて、動作までの時間を短く、かつ屋内側の端子間の電圧を低くする様々な方法が提案されている。図４Ａは、放電管９１１とバリスタ９０１とを並列に接続し、放電管９１１とバリスタ９０１の間にコイル９６１を挿入した構成例である。図４Ａの構成例で、屋外側の端子間９６２−９６３間に電圧Ｓ（ｔ）を加えた場合の、放電管９１１の端子間の電圧の変化の様子を図４Ｂに、放電管９１１とバリスタ９０１に流れる電流の和を図４Ｃに示す。放電管９１１よりもバリスタ９０１の方が動作までの時間が短い。したがって、屋外側に電圧Ｓ（ｔ）が加わると、まずバリスタ９０１に電流が流れる。このときの電流の変化によって、コイル９６１の両端に電圧が生じる。そして、放電管９１１の両端の電圧が動作電圧Ｂよりも高くなり、放電管９１１が動作する。このように動作することで、理想的にはバリスタの動作までの時間と同じ程度の短時間で、放電管を動作させ、屋内側の端子９６４−９６５間の電圧を、放電管の放電電圧Ａに下げることができる。また、大量の電流は放電管９１１を流れるので、バリスタの寿命の問題は無い。しかし、コイル９６１には、一般的に１０μＨ程度のコイルが必要である。また、通常時には、コイルには商用電流が流れるため、電流容量の大きい線でコイルを作る必要がある。したがって、コイル９６１は大型となってしまい、小型化、低価格化の面で大きな問題がある。なお、通信系の過電圧防護装置の場合には、コイルの代わりに抵抗を用いることもできる。しかし、通常時には、抵抗に常時、信号電流や給電電流が流れてしまうので、電圧降下などの問題がある。さらに、各導体に挿入される抵抗の差によって、２つの導体間の平衡度が悪化する問題がある。

図５Ａに、放電管９１１とバリスタ９０１とを直列につないだ場合の構成例を示す。また、図５Ａの構成例で、屋外側の端子間９７２−９７３間に電圧Ｓ（ｔ）を加えた場合の、屋内側の端子９７４−９７５間の電圧の変化の様子を図５Ｂに、放電管９１１とバリスタ９０１に流れる電流の様子を図５Ｃ示す。放電管９１１が動作するまでは、バリスタ９０１には電流が流れないので、バリスタ９０１の両端の電圧は０のままである。つまり、屋外側の端子９７２−９７３間の電圧Ｓ（ｔ）は、放電管９１１の両端に印加されることになる。したがって、この構成の場合は、放電管９１１の動作電圧Ｂとなったときに動作する。また、放電後は、バリスタ９０１に電流が流れるので、放電管９１１の放電電圧Ａとバリスタ９０１の動作電圧Ｃとの和が、屋内側の端子９７４−９７５間に加わることになる。この構成例では、動作時間は放電管と同じである。また、電圧が高い状態で全ての電流がバリスタ９０１を通るので、バリスタの寿命という点に問題がある。しかし、動作後の電圧をＣ＋Ａに調整できるので、Ｃ＋Ａが商用電源よりも高ければ、続流遮断は容易である。

図６Ａは２つの同じ放電管を並列に並べた構成例、図６Ｂは２つの同じ放電管を直列に並べた構成例である。一般的に放電管は極性の対称性が悪い。つまり、どちらの端子をプラスにするかで動作電圧が異なる。放電管９１１_ｉの導体９１６側にプラスの電圧を加えた場合の動作電圧をＢ_ｉ１、導体９１６側にマイナスの電圧を加えた場合の動作電圧をＢ_ｉ２とする。図６Ａのように放電管９１１_１と９１１_２とを並列に並べ、導体９１６にプラスの電圧を印加した場合、動作電圧は、Ｂ_１１とＢ_２１の低い方となる。また、導体９１６にマイナスの電圧を印加した場合、動作電圧は、Ｂ_１２とＢ_２２の低い方となる。放電管９１１_１のみを用いた過電圧防護装置の場合には、導体９１６にプラスの電圧を印加した場合の動作電圧はＢ_１１、導体９１６にマイナスの電圧を印加した場合の動作電圧はＢ_１２である。例えば、Ｂ_１１＜Ｂ_２１＜Ｂ_２２＜Ｂ_１２の場合、図６Ａの動作電圧はＢ_１１とＢ_２２であり、放電管９１１_１のみの動作電圧Ｂ_１１とＢ_１２よりも対称性が向上している。図６Ｂのように放電管９１１_３と９１１_４とを直列に並べた場合も、動作電圧が低い方が動作すれば、他方の放電管にほとんどの電圧が加わることになるので、他方の放電管も動作する。つまり、直列に接続した場合にも、対称性を向上させることができる。動作電圧の組み合わせによっては、複数の放電管を並列または直列に並べても、対称性が向上しない場合もある。しかし、対称性が悪化することはなく、同じまたは向上することになる。なお、このように放電管のみを組み合わせても、バリスタのような高速の動作はできないため、動作は比較的遅い。
図７は、バリスタと３極放電管を利用した通信用の過電圧防護器の例である。この過電圧防護器では、サージの急峻な立ち上がり部を応答時間が早く、低い動作電圧のバリスタで吸収する。そして、抵抗９３１、９３２による電圧降下によって３極放電管を動作させ、雷のエネルギーの大部分を吸収する。これは、図４Ａの構成の対称性を向上させた例である。電力用として使用するためには、抵抗９３１、９３２をコイルにする必要があり、小型化や経済化の点で問題がある。
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．

従来から、過電圧が加わった場合の最大電圧を低下させるため、クランプタイプの過電圧防護素子と放電管の様々な組み合わせが提案されている。しかし、最大電圧を低下させること、小型・経済化すること、クランプタイプの過電圧防護素子への過電流を流さないこと、対称性を確保すること、続流遮断できることなどの全ての課題を解決する構成はなかった。

ｎを３以上の整数、ｉを１≦ｉ＜ｎ／２の整数とする。２つの導体の間に、ｎ個の放電部（Ｅ_１，Ｅ_２，・・・，Ｅ_ｎ）を直列に接続させる。クランプタイプの過電圧防護部Ｖ_１の片方の端子を放電部Ｅ_ｉとＥ_ｉ＋１の間に接続し、クランプタイプの過電圧防護部Ｖ_１の他方の端子を放電部Ｅ_ｎ側の外部端子と導通させる。クランプタイプの過電圧防護部Ｖ_２の片方の端子を放電部Ｅ_ｎ−ｉとＥ_{ｎ−ｉ＋１}の間に接続し、クランプタイプの過電圧防護部Ｖ_２の他方の端子を放電部Ｅ_１側の外部端子と導通させる。ここで、放電部Ｅ_ｉ＋１からＥ_ｎ−ｉ全体の動作電圧を、クランプタイプの過電圧防護部Ｖ_１の動作電圧から放電部Ｅ_{ｎ−ｉ＋１}からＥ_ｎ全体の放電電圧を引いた電圧、およびクランプタイプの過電圧防護部Ｖ_２の動作電圧から放電部Ｅ_１からＥ_ｉ全体の放電電圧を引いた電圧よりも低く設定する。また、放電部Ｅ_ｉ＋１からＥ_ｎ−ｉ全体の動作電圧を、放電部Ｅ_１からＥ_ｉ全体の動作電圧および放電部Ｅ_{ｎ−ｉ＋１}からＥ_ｎ全体の動作電圧よりも高く設定する。

放電部Ｅ_１側の外部端子に正の過電圧Ｓ（ｔ）が加わった場合、放電部Ｅ_１とＥ_ｉの間、および放電部Ｅ_{ｎ−ｉ＋１}とＥ_ｎの間に、印加された過電圧のほとんどの電圧が印加される。したがって、放電部Ｅ_１〜Ｅ_ｉまたはＥ_{ｎ−ｉ＋１}〜Ｅ_ｎの動作電圧が低い方が、直ぐに放電を始める。このように高速に動作するので、過大な電圧が屋内側の装置に印加されない。次に、放電部Ｅ_１〜Ｅ_ｉとＥ_{ｎ−ｉ＋１}〜Ｅ_ｎの他方も放電を始める。この状態では、クランプタイプの過電圧防護部Ｖ_１とＶ_２に過大な電流が流れる。しかし、その後、放電部Ｅ_ｉ＋１〜Ｅ_ｎ−ｉが放電を始める。この放電によって、過大な電流のほとんどは放電部Ｅ_１〜Ｅ_ｎを流れるため、クランプタイプの過電圧防護部Ｖ_１とＶ_２に過大な電流が流れることを避けることができる。また、この方法の場合、コイルや抵抗を用いていないため、小型化、経済化が容易である。さらに、最初に動作する放電部は、Ｅ_１〜Ｅ_ｉまたはＥ_{ｎ−ｉ＋１}〜Ｅ_ｎの動作電圧が低い方であるから、対称性の点でも向上を図りやすい。また、放電部を直列に並べているので、続流遮断も容易である。

このように、本発明の構成によれば、最大電圧を低下させること、小型・経済化すること、クランプタイプの過電圧防護素子への過電流を流さないこと、対称性を確保すること、続流遮断できることなどの課題を、同時に解決することができる。

以下に本発明を説明する。なお、同じ機能を備える構成部には同じ番号を付し、説明を省略する。
［第１実施形態］
図８に、本発明の第１実施形態の過電圧防護方法の構成を示す。この過電圧防護方法では、３つの放電部１０１、１０２、１０３および２つのバリスタ１０４、１０５を用いる。図８に示すように、３つの放電部１０１、１０２、１０３は、２つの導体１１５と１１６との間に直列に接続されている。バリスタ１０４は、放電部１０１を除く２つの放電部１０２、１０３と並列に接続されている。また、バリスタ１０５は、放電部１０３を除く２つの放電部１０１、１０２と並列に接続される。ここで、放電部１０２の動作電圧は、バリスタ１０４の動作電圧から放電部１０３の放電電圧を引いた電圧、およびバリスタ１０５の動作電圧から放電部１０１の放電電圧を引いた電圧よりも低く、かつ、放電部１０１の動作電圧および放電部１０３の動作電圧よりも高く設定されている。なお、バリスタ１０４、１０５は、１つのバリスタで構成する必要はなく、何個かのバリスタを直列または並列に接続したものをバリスタ１０４、１０５として用いてもよい。

図９〜１２は、屋外側の端子１１１−１１２間に過電圧Ｓ（ｔ）が印加された場合の動作の様子を示している。屋外側の端子１１１−１１２間に過電圧Ｓ（ｔ）が印加されても、最初は放電部１０１、１０２、１０３がどれも放電していない状態である。このとき、バリスタ１０４、１０５には電流が流れていない。したがって、バリスタ１０４、１０５の両端には電位差が生じない。したがって、各放電部には、それぞれＳ（ｔ）の電圧が加わることになる。この様子を図９に示す。バリスタ１０４、１０５がない場合（単に放電部を直列につないだ構成の場合）は、各放電部には約Ｓ（ｔ）／３の電圧が加わる。つまり、バリスタ１０４と１０５は、各放電部に加わる電圧を高くする働きをしており、動作を高速化することができる。

放電部１０２の動作電圧は、放電部１０１の動作電圧および放電部１０３の動作電圧よりも高く設定されているので、まず放電部１０１または放電部１０３が放電する。たとえば、放電部１０３が放電したとする。このとき、放電部１０３の放電電圧はＡ_３となる。また、バリスタ１０５には電流が流れるので、バリスタ１０５の動作電圧Ｃ_５が発生する。したがって、屋内側の端子１１３−１１４間の電圧は、Ｃ_５＋Ａ_３となる。また、バリスタ１０４には電流が流れていないので、バリスタ１０４の端子間には電位差が生じない。したがって、各部の電位差は図１０に示すとおりとなる。
放電部１０１の動作電圧は、バリスタ１０５の動作電圧よりも低いので、放電部１０１が放電する。放電部１０１が放電すると、バリスタ１０４に電流が流れ、動作電圧Ｃ_４が生じる。このとき、屋内側の端子１１３−１１４間の電圧は、Ｃ_４＋Ａ_１とＣ_５＋Ａ_３の低い方の電圧となる。設計上は、Ｃ_４＋Ａ_１＝Ｃ_５＋Ａ_３となるように設計しておけばよい。このときの各部の電位差は図１１に示すとおりである。放電部１０２に印加される電圧は、バリスタ１０４の動作電圧Ｃ_４から放電部１０３の放電電圧Ａ_３を引いた電圧Ｃ_４−Ａ_３、または、バリスタ１０５の動作電圧Ｃ_５から放電部１０１の放電電圧Ａ_１を引いた電圧Ｃ_５−Ａ_１である。

放電部１０２の動作電圧は、バリスタ１０４の動作電圧Ｃ_４から放電部１０３の放電電圧Ａ_３を引いた電圧Ｃ_４−Ａ_３、バリスタ１０５の動作電圧Ｃ_５から放電部１０１の放電電圧Ａ_１を引いた電圧Ｃ_５−Ａ_１よりも低いので、放電部１０２も放電する。この状態の各部の電位差を図１２に示す。このような状態となるので、過大な電流のほとんどを放電部に流すことができる。また、全体の放電電圧Ａ_１＋Ａ_２＋Ａ_３を商用電源（例えば１００Ｖ）よりも高く設定しておけば、続流遮断も可能である。さらに、この構成ではコイルや抵抗を用いていないので、小型経済化が可能であり、２つの導体間の平衡度の問題なども生じない。
実際には、図９〜１２の動作は非常に短期間に行われるので、屋内側端子１１３−１１４間の電圧は、図１３Ａのように変化する。図１３Ａ中のＢは、放電部１０１、１０２、１０３を単に直列につないだ場合（バリスタ１０４および１０５がない場合）の動作電圧を示している。前述のように、バリスタ１０４と１０５によって、動作電圧をＢ’（放電部１０１単体または放電部１０３単体の動作電圧）まで低減することができるので、動作を高速化でき、最大電圧を低くすることができる。また、図１３Ｂに、導体１１５と１１６の間に流れる電流の様子を示す。この構成の場合、ほとんどの電流は、電圧を下げた状態で放電部１０１、１０２、１０３を流すことができるため、バリスタの寿命の問題もない。

なお、本実施形態の過電圧防護器は、過電圧Ｓ（ｔ）がＣ_４＋Ａ_１及びＣ_５＋Ａ_３よりも高い電圧となった場合に上記のように動作する。しかし、このような電圧が加わらない場合、たとえば、Ｓ（ｔ）の最大値がＢ_３よりも高いが、Ｃ_５＋Ａ_３よりも低い場合もある。この場合、図１０に示す状態まで、もしくは図１１に示す状態までは動作するが、図１２に示す状態までは動作しない可能性もある。図１２に示す状態に移行しなければバリスタに電流が流れ続けることになる。しかし、これは過電圧Ｓ（ｔ）が比較的低い場合の現象であるため、そもそもバリスタの寿命の問題は生じない。

屋外側の端子１１２に対して端子１１１に負の過電圧Ｓ（ｔ）が印加された場合にも、放電部１０１または放電部１０３の動作電圧の低い方が動作する。放電部１０１の動作電圧と放電部１０３の動作電圧が同じになるように設計すれば、図６Ｂで説明したように、対称性を向上することができる。また、放電部１０１の動作電圧と放電部１０３の動作電圧のどちらかを小さく設計しておけば、最初に放電させる放電部を選択できる。ただし、最初に放電させる放電部を選択した場合には、その放電部自体の雷サージに対する正極性および負極性の対称性を向上させなければ、過電圧防護器の対称性の向上は期待できない。どの程度の対称性が必要かは、用途によって異なるので、使用する素子の特性と用途を考慮して設計すればよい。

本発明の特徴をまとめると、以下のようになる。本発明では、２つの導体の間に、３個以上の放電部を直列に接続させる。そして、２個以上のクランプタイプの過電圧防護部を、１個以上の前記放電部を除いた前記放電部と並列に接続させる。ここで、全てのクランプタイプの過電圧防護部と並列に接続された放電部全体の動作電圧を、各クランプタイプの過電圧防護部の動作電圧から当該クランプタイプの過電圧防護部と並列に接続された他の放電部の放電電圧を引いた電圧よりも低く設定する。また、全てのクランプタイプの過電圧防護部と並列に接続された放電部全体の動作電圧を、いずれかのクランプタイプの過電圧防護部と直列に接続された各放電部の動作電圧よりも高く設定する。この考え方にしたがった変形例を以下に示す。
［変形例１］
図１４に、１つの放電管１０６の中に４つの電極１０６_１〜１０６_４を備えることで、３つの放電部を設けた例を示す。本変形例では、電極１０６_１と１０６_２が放電部１０１に相当し、電極１０６_２と１０６_３が放電部１０２に相当し、電極１０６_３と１０６_４が放電部１０３に相当する。本変形例の動作は、第１実施形態と同じである。
［変形例２］
図１５に、ｎ個の放電部を直列に接続した例を示す。ここで、ｎを３以上の整数、ｉを１≦ｉ＜ｎ／２の整数とする。２つの導体１１５と１１６の間に、ｎ個の放電部１２１_１、１２１_２、・・・、１２１_ｎを直列に接続させている。バリスタ１０４の片方の端子を放電部１２１_ｉと１２１_ｉ＋１の間に接続し、バリスタ１０４の他方の端子を放電部１２１_ｎ側の導体１１６と導通させている。また、バリスタ１０５の片方の端子を放電部１２１_ｎ−ｉと１２１_{ｎ−ｉ＋１}の間に接続し、バリスタ１０５の他方の端子を放電部１２１_１側の導体１１５と導通させている。さらに、放電部１２１_ｉ＋１から１２１_ｎ−ｉ全体の動作電圧Ｂ_{ｉ＋１〜ｎ−ｉ}は、バリスタ１０４の動作電圧Ｃ_１から放電部１２１_{ｎ−ｉ＋１}から１２１_ｎ全体の放電電圧Ａ_{ｎ−ｉ＋１〜ｎ}を引いた電圧、およびバリスタ１０５の動作電圧Ｃ_２から放電部１２１_１から１２１_ｉ全体の放電電圧Ａ_１〜ｉを引いた電圧よりも低く設定する。また、放電部１２１_ｉ＋１から１２１_ｎ−ｉ全体の動作電圧Ｂ_{ｉ＋１〜ｎ−ｉ}は、放電部１２１_１から１２１_ｉ全体の動作電圧Ｂ_１〜ｉおよび放電部１２１_{ｎ−ｉ＋１}から１２１_ｎ全体の動作電圧Ｂ_{ｎ−ｉ＋１〜ｎ}よりも高く設定されている。なお、バリスタ１０４、１０５は、１つのバリスタで構成する必要はなく、何個かのバリスタを直列または並列に接続したものをバリスタ１０４、１０５として用いてもよい。

本変形例では、放電部１２１_１〜１２１_ｉが放電部１０１に相当し、放電部１２１_ｉ＋１〜１２１_ｎ−ｉが放電部１０２に相当し、放電部１２１_{ｎ−ｉ＋１}〜１２１_ｎが放電部１０３に相当する。本変形例の動作も、第１実施形態と同じである。

なお、本実施例でも、個別の放電部を直列に接続するのではなく、１つの放電管内にｎ＋１個の電極を備えることで、ｎ個の放電部を構成させてもよい。
［変形例３］
図１６Ａと図１６Ｂに、バリスタの代わりにダイオードを用いた場合の構成例を示す。ダイオードには極性があるため、２つのダイオードを１組として用いている。図１６Ａは、ダイオードの順方向特性を電圧制限に用いる場合の構成例である。図１６Ｂは、逆方向特性を電圧制限に用いる場合の構成例である。ダイオードもバリスタと同様にクランプタイプの過電圧防護素子である。したがって、本変形例の動作も、第１実施形態と同じである。なお、図１６Ａおよび図１６Ｂでは、２つのダイオードを１組として用いているが、２つのダイオードが一体となったチップを用いてもよい。また、何個かのダイオードを並列または直列に用いてもよい。
［変形例４］
図１７に、５個の放電部を直列に接続し、４個のバリスタを用いた変形例を示す。この構成では、放電部１４１〜１４５が直列に接続されている。バリスタ１５６の端子は、放電部１４１と１４２の間と、導体１１６とに接続されている。バリスタ１５７の端子は、放電部１４２と１４３の間と、導体１１６とに接続されている。バリスタ１５８の端子は、放電部１４３と１４４の間と、導体１１５とに接続されている。バリスタ１５９の端子は、放電部１４４と１４５の間と、導体１１５とに接続されている。ここで、放電部ｎ（ｎ＝１４１〜１４５）の動作電圧をＢ_ｎ、放電電圧をＡ_ｎ、バリスタｍ（ｍ＝１５６〜１５９）の動作電圧をＣ_ｍ、とする。放電部１４３の動作電圧Ｂ_１４３は、以下の条件を満足するように設定される。

Ｂ_１４３＜Ｃ_１５６−Ａ_１４２−Ａ_１４４−Ａ_１４５
Ｂ_１４３＜Ｃ_１５７−Ａ_１４４−Ａ_１４５
Ｂ_１４３＜Ｃ_１５８−Ａ_１４１−Ａ_１４２
Ｂ_１４３＜Ｃ_１５９−Ａ_１４１−Ａ_１４２−Ａ_１４４
Ｂ_１４３＞Ｂ_１４1
Ｂ_１４３＞Ｂ_１４２
Ｂ_１４３＞Ｂ_１４４
Ｂ_１４３＞Ｂ_１４５
この条件を言い換えると、「全てのバリスタと並列に接続された放電部の動作電圧を、各バリスタの動作電圧から当該バリスタと並列に接続された他の放電部の放電電圧を引いた電圧よりも低く設定する。また、全てのバリスタと並列に接続された放電部の動作電圧を、いずれかのバリスタと直列に接続された各放電部の動作電圧よりも高く設定する。」となる。
このように設定することで、第１実施形態と同じように、過電圧を未放電の放電部に集中させながら、順次放電させることができる。したがって、確実にかつ短時間に全ての放電部を放電させることができる。
なお、過電圧防護器全体の対称性を向上させるためには、Ｂ_１４１＝Ｂ_１４５、Ｂ_１４２＝Ｂ_１４４、Ｃ_１５６＝Ｃ_１５９、Ｃ_１５７＝Ｃ_１５８となるように設定すればよい。さらに、確実に導体に近い側の放電部から動作させるためには、Ｂ_１４１＜Ｂ_１４４、Ｂ_１４５＜Ｂ_１４２のように設定すればよい。ここで、確実に導体に近い側の放電部から動作させるとは、放電部１４１と放電部１４５をまず放電させ、その後、放電部１４２と放電部１４４を放電させ、最後に放電部１４３を放電させることを意味する。
［変形例５］
図１８に、第1実施形態（図８）の過電圧防護器を、１つの放電部とした場合の変形例を示す。放電部１６１_ｉ（ｉ＝１〜３）は、図８の過電圧防護器と同じ構成であり、放電部１０１_ｉ、１０２_ｉ、１０３_ｉ、バリスタ１０４_ｉ、１０５_ｉから構成される。このように、１つの放電部は、１つの放電管である必要はなく、放電管とクランプタイプの過電圧防護素子の組み合わせでもよい。図１８の場合には、すべてのクランプタイプの過電圧防護部と並列に接続された放電部とは、放電部１６１_２である。この構造で、本発明の効果を得るためには、これまで説明したとおり、次の２つの条件を満足すればよい。１つ目は、放電部１６１_２の動作電圧が、バリスタ１７４の動作電圧から放電部１６１_３の放電電圧を引いた電圧、およびバリスタ１７５の動作電圧から放電部１６１_１の放電電圧を引いた電圧よりも低いことである。２つ目は、放電部１６１_２の動作電圧が、放電部１６１_１の動作電圧、および放電部１６１_３の動作電圧よりも高いことである。この２つの条件を満足すれば、図９〜１２を用いた説明と同じ動作となり、本発明の効果が得られる。ここで、放電部１６１_ｉの動作電圧は、放電部１０１_ｉの動作電圧と放電部１０３_ｉの動作電圧の低い方である。放電部１６１_ｉの放電電圧は、放電部１０１_ｉの放電電圧、放電部１０２_ｉの放電電圧、放電部１０３_ｉの放電電圧の和である。
［第２実施形態］
本実施形態では、第１実施形態で示した過電圧防護方法を実現する過電圧防護器の構成を示す。図１９に、過電圧防護器２００の構成を示す。過電圧防護器２００は４つの外部端子２０１、２０２、２０３、２０４を有している。そして、外部端子２０１と２０２が屋外側の導体と接続され、外部端子２０３と２０４が屋内側（保護したい機器側）に接続される。
［変形例１］
図２０に、過電圧防護器の変形例を示す。本変形例では、過電圧防護器２１０は外部端子２１１、２１２、２１３、２１４を有している。そして、外部端子２１１と２１４が一方の導体１１５に接続され、外部端子２１２と２１３が他方の導体１１６に接続される。
［変形例２］
図２１に、過電圧防護器の他の変形例を示す。本変形例では、バリスタ１０４の片方の端子が放電部１０３と過電圧防護器２２０の内部で導通されている。また、バリスタ１０５の片方の端子も放電部１０１と過電圧防護器２２０の内部で導通されている。したがって、過電圧防護器２２０は、２つの外部端子２２１と２２２を有している。外部端子２２１が一方の導体、外部端子２２２が他方の導体と接続される。

雷によって生じる電圧または電流の変化の様子を示す図。 Ａは、バリスタを用いた過電圧防護の構成を示す図。Ｂは、ダイオードを用いた過電圧防護の構成を示す図。Ｃは、クラッピングタイプの過電圧防護素子を用いた場合の、理想的な電圧の変化の様子を示す図。Ｄは、クランピングタイプの過電圧防護素子を用いた場合の、クランピングタイプの過電圧防護素子に流れる電流の変化を示す図。 Ａは、ガス入り放電管を用いた過電圧防護の構成を示す図。Ｂは、気中放電管を用いた過電圧防護の構成を示す図。Ｃは、放電管を用いた場合の、理想的な電圧の変化の様子を示す図。Ｄは、放電管を用いた場合の、放電管に流れる電流の変化を示す図。 Ａは、放電管とバリスタとを並列に接続し、放電管とバリスタの間にコイルを挿入した構成例を示す図。Ｂは、屋外側の端子間に電圧Ｓ（ｔ）を加えた場合の、屋内側の端子間の電圧の変化の様子を示す図。Ｃは、屋外側の端子間に電圧Ｓ（ｔ）を加えた場合の、放電管とバリスタに流れる電流の和を示す図。 Ａは、放電管９１１とバリスタ９０１とを直列につないだ場合の構成例を示す図。Ｂは、屋外側の端子間に電圧Ｓ（ｔ）を加えた場合の、屋内側の端子間の電圧の変化の様子を示す図。Ｃは、屋外側の端子間に電圧Ｓ（ｔ）を加えた場合の、放電管とバリスタに流れる電流の様子を示す図。 Ａは、２つの同じ放電管を並列に並べた構成例を示す図。Ｂは、２つの同じ放電管を直列に並べた構成例を示す図。 バリスタと３極放電管を利用した過電圧防護器の例を示す図。 第１実施形態の過電圧防護方法の構成を示す図。 屋外側の端子間に電圧Ｓ（ｔ）を加えた場合の、最初の各部の電圧の様子を示す図。 屋外側の端子間に電圧Ｓ（ｔ）を加えた場合の、１つの放電管が動作したときの各部の電圧の様子を示す図。 屋外側の端子間に電圧Ｓ（ｔ）を加えた場合の、２つめの放電管が動作したときの各部の電圧の様子を示す図。 屋外側の端子間に電圧Ｓ（ｔ）を加えた場合の、全ての放電管が動作したときの各部の電圧の様子を示す図。 Ａは、第１実施形態の過電圧防護方法での電圧の変化を示す図。Ｂは、第１実施形態の過電圧防護方法での導体間に流れる電流の変化を示す図。 １つの放電管の中に４つの電極を備えることで、３つの放電部を設けた変形例を示す図。 ｎ個の放電部を直列に接続した変形例を示す図。 Ａは、バリスタの代わりにダイオードの順方向特性を電圧制限に用いた場合の構成例を示す図。Ｂは、バリスタの代わりにダイオードの逆方向特性を電圧制限に用いた場合の構成例を示す図。 ５個の放電部を直列に接続し、４個のバリスタを用いた変形例を示す図。 図８に示した構成を、１つの放電部とした場合の変形例を示す図。 過電圧防護器の構成例を示す図。 過電圧防護器の構成の変形例を示す図。 外部端子が２つの過電圧防護器の構成例を示す図。

Claims (11)

1. 放電管とクランプタイプの過電圧防護素子とを備える過電圧防護器であって、
   直列に接続された３個以上の放電部と、
   １個以上の前記放電部を除いた前記放電部と並列に接続されたクランプタイプの過電圧防護部を２個以上備え、
   全てのクランプタイプの過電圧防護部と並列に接続された放電部全体の動作電圧は、各クランプタイプの過電圧防護部の動作電圧から当該クランプタイプの過電圧防護部と並列に接続された他の放電部の放電電圧を引いた電圧よりも低く、かつ、いずれかのクランプタイプの過電圧防護部と直列に接続された各放電部の動作電圧よりも高い
   ことを特徴とする過電圧防護器。
2. 放電管とクランプタイプの過電圧防護素子とを備える過電圧防護器であって、
   ｎを３以上の整数、ｉを１≦ｉ＜ｎ／２の整数とし、
   直列に接続されたｎ個の放電部（Ｅ_１，Ｅ_２，・・・，Ｅ_ｎ）と、
   放電部Ｅ_ｉとＥ_ｉ＋１の間に片方の端子を接続したクランプタイプの過電圧防護部Ｖ_１と、
   放電部Ｅ_ｎ−ｉとＥ_{ｎ−ｉ＋１}の間に片方の端子を接続したクランプタイプの過電圧防護部Ｖ_２を備え、
   放電部Ｅ_ｉ＋１からＥ_ｎ−ｉ全体の動作電圧は、クランプタイプの過電圧防護部Ｖ_１の動作電圧から放電部Ｅ_{ｎ−ｉ＋１}からＥ_ｎ全体の放電電圧を引いた電圧、およびクランプタイプの過電圧防護部Ｖ_２の動作電圧から放電部Ｅ_１からＥ_ｉ全体の放電電圧を引いた電圧よりも低く、かつ、放電部Ｅ_１からＥ_ｉ全体の動作電圧および放電部Ｅ_{ｎ−ｉ＋１}からＥ_ｎ全体の動作電圧よりも高い
   ことを特徴とする過電圧防護器。
3. 請求項２記載の過電圧防護器であって、
   クランプタイプの過電圧防護部Ｖ_１の片方の端子が放電部Ｅ_ｎ側の外部端子と導通し、クランプタイプの過電圧防護部Ｖ_２の片方の端子が放電部Ｅ_１側の外部端子と導通している
   ことを特徴とする過電圧防護器。
4. 放電部とバリスタとを備える過電圧防護器であって、
   ｎを３以上の整数、ｉを１≦ｉ＜ｎ／２の整数とし、
   直列に接続されたｎ個の放電部（Ｅ_１，Ｅ_２，・・・，Ｅ_ｎ）と、
   放電部Ｅ_ｉとＥ_ｉ＋１の間に片方の端子を接続したバリスタＶ_１と、
   放電部Ｅ_ｎ−ｉとＥ_{ｎ−ｉ＋１}の間に片方の端子を接続したバリスタＶ_２とを備え、
   放電部Ｅ_ｉ＋１からＥ_ｎ−ｉ全体の動作電圧は、バリスタＶ_１の動作電圧から放電部Ｅ_{ｎ−ｉ＋１}からＥ_ｎ全体の放電電圧を引いた電圧、およびバリスタＶ_２の動作電圧から放電部Ｅ_１からＥ_ｉ全体の放電電圧を引いた電圧よりも低く、かつ、放電部Ｅ_１からＥ_ｉ全体の動作電圧および放電部Ｅ_{ｎ−ｉ＋１}からＥ_ｎ全体の動作電圧よりも高い
   ことを特徴とする過電圧防護器。
5. 請求項４記載の過電圧防護器であって、
   バリスタＶ_１の片方の端子が放電部Ｅ_ｎ側の外部端子と導通し、バリスタＶ_２の片方の端子が放電部Ｅ_１側の外部端子と導通している
   ことを特徴とする過電圧防護器。
6. 請求項２から５のいずれかに記載の過電圧防護器であって、
   ｎ＝３、ｉ＝１である
   ことを特徴とする過電圧防護器。
7. 請求項１から５のいずれかに記載の過電圧防護器であって、
   前記放電部が、放電管とクランプタイプの過電圧防護素子を備えている
   ことを特徴とする過電圧防護器。
8. 請求項７に記載の過電圧防護器であって、
   前記放電部が、
   直列に接続された３個以上の放電管と、
   １個以上の前記放電管を除いた前記放電管と並列に接続されたクランプタイプの過電圧防護素子を２個以上備え、
   全てのクランプタイプの過電圧防護素子と並列に接続された放電管全体の動作電圧は、各クランプタイプの過電圧防護素子の動作電圧から当該クランプタイプの過電圧防護素子と並列に接続された他の放電管の放電電圧を引いた電圧よりも低く、かつ、いずれかのクランプタイプの過電圧防護素子と直列に接続された各放電管の動作電圧よりも高い
   ことを特徴とする過電圧防護器。
9. 放電管とクランプタイプの過電圧防護素子とを用いる過電圧防護方法であって、
   ２つの導体の間に、３個以上の放電部を直列に接続させ、
   ２個以上のクランプタイプの過電圧防護部を、１個以上の前記放電部を除いた前記放電部と並列に接続させ、かつ、
   全てのクランプタイプの過電圧防護部と並列に接続された放電部全体の動作電圧を、各クランプタイプの過電圧防護部の動作電圧から当該クランプタイプの過電圧防護部と並列に接続された他の放電部の放電電圧を引いた電圧よりも低く設定し、
   全てのクランプタイプの過電圧防護部と並列に接続された放電部全体の動作電圧を、いずれかのクランプタイプの過電圧防護部と直列に接続された各放電部の動作電圧よりも高く設定する
   ことを特徴とする過電圧防護方法。
10. 放電管とクランプタイプの過電圧防護素子とを備える過電圧防護方法であって、
    ｎは３以上の整数、ｉは１≦ｉ＜ｎ／２の整数であり、
    ２つの導体の間に、ｎ個の放電部（Ｅ_１，Ｅ_２，・・・，Ｅ_ｎ）を直列に接続させ、
    クランプタイプの過電圧防護部Ｖ_１の片方の端子を放電部Ｅ_ｉとＥ_ｉ＋１の間に接続し、
    クランプタイプの過電圧防護部Ｖ_１の他方の端子を放電部Ｅ_ｎ側の外部端子と導通させ、
    クランプタイプの過電圧防護部Ｖ_２の片方の端子を放電部Ｅ_ｎ−ｉとＥ_{ｎ−ｉ＋１}の間に接続し、
    クランプタイプの過電圧防護部Ｖ_２の他方の端子を放電部Ｅ_１側の外部端子と導通させ、かつ、
    放電部Ｅ_ｉ＋１からＥ_ｎ−ｉ全体の動作電圧を、クランプタイプの過電圧防護部Ｖ_１の動作電圧から放電部Ｅ_{ｎ−ｉ＋１}からＥ_ｎ全体の放電電圧を引いた電圧、およびクランプタイプの過電圧防護部Ｖ_２の動作電圧から放電部Ｅ_１からＥ_ｉ全体の放電電圧を引いた電圧よりも低く設定し、
    放電部Ｅ_ｉ＋１からＥ_ｎ−ｉ全体の動作電圧を、放電部Ｅ_１からＥ_ｉ全体の動作電圧および放電部Ｅ_{ｎ−ｉ＋１}からＥ_ｎ全体の動作電圧よりも高く設定する
    ことを特徴とする過電圧防護方法。
11. 放電部とバリスタとを備える過電圧防護方法であって、
    ｎは３以上の整数、ｉは１≦ｉ＜ｎ／２の整数であり、
    ２つの導体の間に、ｎ個の放電部（Ｅ_１，Ｅ_２，・・・，Ｅ_ｎ）を直列に接続させ、
    バリスタＶ_１の片方の端子を放電部Ｅ_ｉとＥ_ｉ＋１の間に接続し、
    バリスタＶ_１の他方の端子を放電部Ｅ_ｎ側の外部端子と導通させ、
    バリスタＶ_２の片方の端子を放電部Ｅ_ｎ−ｉとＥ_{ｎ−ｉ＋１}の間に接続し、
    バリスタＶ_２の他方の端子を放電部Ｅ_１側の外部端子と導通させ、かつ、
    放電部Ｅ_ｉ＋１からＥ_ｎ−ｉ全体の動作電圧を、バリスタＶ_１の動作電圧から放電部Ｅ_{ｎ−ｉ＋１}からＥ_ｎ全体の放電電圧を引いた電圧、およびバリスタＶ_２の動作電圧から放電部Ｅ_１からＥ_ｉ全体の放電電圧を引いた電圧よりも低く設定し、
    放電部Ｅ_ｉ＋１からＥ_ｎ−ｉ全体の動作電圧を、放電部Ｅ_１からＥ_ｉ全体の動作電圧および放電部Ｅ_{ｎ−ｉ＋１}からＥ_ｎ全体の動作電圧よりも高く設定する
    ことを特徴とする過電圧防護方法。

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