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

過電圧防護器、過電圧防護方法 Download PDF

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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の導体916側にプラスの電圧を加えた場合の動作電圧をBi1、導体916側にマイナスの電圧を加えた場合の動作電圧をBi2とする。図6Aのように放電管911と911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、B11とB21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、B12とB22の低い方となる。放電管911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B11、導体916にマイナスの電圧を印加した場合の動作電圧はB12である。例えば、B11<B21<B22<B12の場合、図6Aの動作電圧はB11とB22であり、放電管911のみの動作電圧B11とB12よりも対称性が向上している。図6Bのように放電管911と911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,E,・・・,E)を直列に接続させる。クランプタイプの過電圧防護部Vの片方の端子を放電部EとEi+1の間に接続し、クランプタイプの過電圧防護部Vの他方の端子を放電部E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の片方の端子を放電部En−iとEn−i+1の間に接続し、クランプタイプの過電圧防護部Vの他方の端子を放電部E側の外部端子と導通させる。ここで、放電部Ei+1からEn−i全体の動作電圧を、クランプタイプの過電圧防護部Vの動作電圧から放電部En−i+1からE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の動作電圧から放電部EからE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Ei+1からEn−i全体の動作電圧を、放電部EからE全体の動作電圧および放電部En−i+1からE全体の動作電圧よりも高く設定する。
放電部E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とEの間、および放電部En−i+1とE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〜EまたはEn−i+1〜E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〜EとEn−i+1〜E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とVに過大な電流が流れる。しかし、その後、放電部Ei+1〜En−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〜Eを流れるため、クランプタイプの過電圧防護部VとV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〜EまたはEn−i+1〜E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が発生する。したがって、屋内側の端子113−114間の電圧は、C+A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が生じる。このとき、屋内側の端子113−114間の電圧は、C+AとC+Aの低い方の電圧となる。設計上は、C+A=C+A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から放電部103の放電電圧Aを引いた電圧C−A、または、バリスタ105の動作電圧Cから放電部101の放電電圧Aを引いた電圧C−Aである。
放電部102の動作電圧は、バリスタ104の動作電圧Cから放電部103の放電電圧Aを引いた電圧C−A、バリスタ105の動作電圧Cから放電部101の放電電圧Aを引いた電圧C−A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+A+A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+A及びC+A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よりも高いが、C+A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106〜106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と106が放電部101に相当し、電極106と106が放電部102に相当し、電極106と106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、121、・・・、121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と121i+1の間に接続し、バリスタ104の他方の端子を放電部121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121n−iと121n−i+1の間に接続し、バリスタ105の他方の端子を放電部121側の導体115と導通させている。さらに、放電部121i+1から121n−i全体の動作電圧Bi+1〜n−iは、バリスタ104の動作電圧Cから放電部121n−i+1から121全体の放電電圧An−i+1〜nを引いた電圧、およびバリスタ105の動作電圧Cから放電部121から121全体の放電電圧A1〜iを引いた電圧よりも低く設定する。また、放電部121i+1から121n−i全体の動作電圧Bi+1〜n−iは、放電部121から121全体の動作電圧B1〜iおよび放電部121n−i+1から121全体の動作電圧Bn−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121〜121が放電部101に相当し、放電部121i+1〜121n−iが放電部102に相当し、放電部121n−i+1〜121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、放電電圧をA、バリスタm(m=156〜159)の動作電圧をC、とする。放電部143の動作電圧B143は、以下の条件を満足するように設定される。
143<C156−A142−A144−A145
143<C157−A144−A145
143<C158−A141−A142
143<C159−A141−A142−A144
143>B141
143>B142
143>B144
143>B145
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、B141=B145、B142=B144、C156=C159、C157=C158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、B141<B144、B145<B142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=1〜3)は、図8の過電圧防護器と同じ構成であり、放電部101、102、103、バリスタ104、105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の動作電圧が、バリスタ174の動作電圧から放電部161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の動作電圧が、放電部161の動作電圧、および放電部161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の動作電圧は、放電部101の動作電圧と放電部103の動作電圧の低い方である。放電部161の放電電圧は、放電部101の放電電圧、放電部102の放電電圧、放電部103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,E,・・・,E)と、
    放電部EとEi+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と、
    放電部En−iとEn−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を備え、
    放電部Ei+1からEn−i全体の動作電圧は、クランプタイプの過電圧防護部Vの動作電圧から放電部En−i+1からE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の動作電圧から放電部EからE全体の放電電圧を引いた電圧よりも低く、かつ、放電部EからE全体の動作電圧および放電部En−i+1からE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の片方の端子が放電部E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の片方の端子が放電部E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,E,・・・,E)と、
    放電部EとEi+1の間に片方の端子を接続したバリスタVと、
    放電部En−iとEn−i+1の間に片方の端子を接続したバリスタVとを備え、
    放電部Ei+1からEn−i全体の動作電圧は、バリスタVの動作電圧から放電部En−i+1からE全体の放電電圧を引いた電圧、およびバリスタVの動作電圧から放電部EからE全体の放電電圧を引いた電圧よりも低く、かつ、放電部EからE全体の動作電圧および放電部En−i+1からE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の片方の端子が放電部E側の外部端子と導通し、バリスタVの片方の端子が放電部E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,E,・・・,E)を直列に接続させ、
    クランプタイプの過電圧防護部Vの片方の端子を放電部EとEi+1の間に接続し、
    クランプタイプの過電圧防護部Vの他方の端子を放電部E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の片方の端子を放電部En−iとEn−i+1の間に接続し、
    クランプタイプの過電圧防護部Vの他方の端子を放電部E側の外部端子と導通させ、かつ、
    放電部Ei+1からEn−i全体の動作電圧を、クランプタイプの過電圧防護部Vの動作電圧から放電部En−i+1からE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の動作電圧から放電部EからE全体の放電電圧を引いた電圧よりも低く設定し、
    放電部Ei+1からEn−i全体の動作電圧を、放電部EからE全体の動作電圧および放電部En−i+1からE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,E,・・・,E)を直列に接続させ、
    バリスタVの片方の端子を放電部EとEi+1の間に接続し、
    バリスタVの他方の端子を放電部E側の外部端子と導通させ、
    バリスタVの片方の端子を放電部En−iとEn−i+1の間に接続し、
    バリスタVの他方の端子を放電部E側の外部端子と導通させ、かつ、
    放電部Ei+1からEn−i全体の動作電圧を、バリスタVの動作電圧から放電部En−i+1からE全体の放電電圧を引いた電圧、およびバリスタVの動作電圧から放電部EからE全体の放電電圧を引いた電圧よりも低く設定し、
    放電部Ei+1からEn−i全体の動作電圧を、放電部EからE全体の動作電圧および放電部En−i+1からE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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