JP5020054B2

JP5020054B2 - 低電力保安器

Info

Publication number: JP5020054B2
Application number: JP2007331012A
Authority: JP
Inventors: 浩司安喰; 大観森本; 了吾佐藤
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2027-12-21
Also published as: JP2009153346A

Description

本発明は、交流区間のき電回路において、トロリ線地絡事故時に駅構内の電柱等の対地電位上昇を防止する地絡保護用の低電力保安器に関する。

交流き電方式は、電力供給用電線である電車線の絶縁を碍子により構成しているが、台風による急速汚染や鳥の接触あるいは飛来物により、がいしせん絡となって地絡事故が発生する場合がある。
すなわち、電車線には電車を駆動する高電圧大電流が流れており、上記碍子のせん絡や電車線の地絡事故が発生した際、地絡点の構造物に過電圧が発生したり、地絡点周囲の大地電位上昇が発生し、電力機器や通信機器及び信号機器の電気設備などに損傷を与える場合がある。
このため、地絡点における過電圧の発生を抑制する保安器（電力保安器）が設けられている。

例えば、図２０に示すＢＴき電回路において、保安器１００は、変電所ＳＳに電流を帰還させる負き電線ＮＦと、駅構内における保護対象の電柱に接続された保護地線ＦＷとの間に設けられている。
ブースタトランスＢＴは、所定区間毎に設置されており、変電所ＳＳから電力をトロリ線Ｔを介して負荷である電気車ＥＣに供給する。
また、ブースタートランスＢＴは、トロリ線Ｔから電気車ＥＣを介してレール１０１に流れる電流を、吸上線Ｅを介して負き電線ＮＦに吸い上げて変電所ＳＳに戻す。この吸い上げ線Ｅは上記ブースタートランスＢＴ間の区間毎に負き電線ＮＦに設けられている。

保護地線ＦＷは、地絡事故保護対象の電柱などの構造物に接続され、かつ接地抵抗Ｒgを介して接地されている。
ブースタートランスＢＴが設けられている箇所に、それぞれエアセクション１０２が設けられており、トロリ線Ｔは各き電線区間に分割されている。また、上記エアセクション１０２のみでなく、異なる変電所（交流電流の位相が異なる）に接続され、それぞれから延びるトロリ線間等に設けられるデッドセクション１０３も存在している。

従来、この保安器としては、図２１に示すように、接続端子５０５が設けられた放電電極５０１と、接続端子５０６が設けられた放電電極５０２と、からなるギャップ放電器を構成し、上記接続端子５０５あるいは接続端子５０６を各々、負き電線ＮＦ及び保護地線ＦＷ間に設けて、上記放電電極５０１及び５０２間の間隙である放電ギャップＧ１の幅を調整して放電電圧を制御し、このギャップ放電器により地絡点における過電圧の発生を抑制する構成としていた。この放電電圧は例えば交流２５００Ｖにて放電が開始されるように調整されている。

そして、地絡事故時に保護地線に高電圧が発生すると、放電器を介して負き電線に故障電流を戻すため、保護地線に接続されている電柱付近の信号機器等を壊すことがなくなる。
しかしながら、負き電線ＮＦには電車のデッドセクション通過に伴い、サージ電圧が発生しており、このサージ電圧により放電が開始されると、その放電がトリガとなり、放電器に印加される交流電圧が通常の電車運転時のＡＣ２００Ｖ〜４００Ｖであっても、交流電圧の放電が発生・持続する続流が流れ、この続流により発生する熱により保安器が焼損する問題がある。

この問題を解決するため、図２２に示すように一定電圧以上となると放電する放電管６０１（セラミック放電管）と、一定電圧以上となると抵抗が低下し放電電流を流すバリスタ６０２（酸化亜鉛素子）とを端子６０５及び端子６０６間にて直列接続した保護回路６０７を構成し、端子６０５及び端子６０６の一方を負き電線ＮＦに、他方を保護地線ＦＷ間に接続して放電させる（例えば、特許文献１参照）。
この構成により、バリスタを設けることにより、通常電圧に低下すると放電電流の流れる経路を除去することとなり、上述した続流が流れる現象をなくし、保安器の焼損を防止することができる。

しかしながら、一度の放電において、放電管６０１あるいはバリスタ６０２のいずれかが破壊される場合があり、この際に保護回路を交換する必要がある。
また、き電回路においては、再閉路、すなわち一回放電する状態が発生すると、再度放電する状態となる確率が高いため、上述した保護回路の破壊を考慮し、上記保護回路６０７と並列に、放電管６０３及びバリスタ６０４を直列に接続した保護回路６０８を端子６０５及び端子６０６間に設けて、放電器を構成している。
特開２００５−０７３３１６号公報

しかしながら、最近、過密化する電車の運行制御に対し、駅構内において電子回路、すなわち弱電の電子機器や通信経路などを用いる制御が多用されるようになっている。
このため、上述した保安器を設けたとしても、これらの電子機器が破壊される場合があるため、保安器における放電開始電圧を２５００Ｖから８００Ｖ程度に低下させる要望がある。
ところが、保安器の放電開始電圧を８００Ｖ程度に低下させると、電車がエアセクションやデッドセクションを通過する際、頻繁、例えば通過する毎にサージによる放電が発生するため、保護回路が破壊されて交換する頻度が高くなり、保守費が増加してしまう。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、放電開始電圧を低下させて電子機器等に対する地絡保護能力を向上させ、かつ通常運転時に発生する低い電圧のサージにおける放電電流による破壊を抑制することができる電力保安器を提供することを目的とする。

本発明の電力保安器は、交流き電回路において負き電線と保護地線との間に設けられる電力保安器であり、一方の端子が前記負き電線に接続された放電器と、該放電器の他端に接続された第１の電極と、前記放電器の他端に接続された第２の電極と、前記保護地線に接続された第３の電極と、前記第１の電極及び前記第３の電極間に介挿されたサージ保護素子と、前記第２の電極及び前記第３の電極間に介挿された抵抗とを有する保安器から構成されていることを特徴とする。

本発明の電力保安器は、前記負き電線に接続され、前記第３の電極の近傍に配置された第４の電極をさらに有することを特徴とする。

本発明の電力保安器は、前記放電器の放電開始電圧が、前記サージ保護素子の動作開始電圧に対して低く設定されていることを特徴とする。

本発明の電力保安器は、前記サージ保護素子の動作開始電圧が、印加されるサージ電圧が放電電流を前記抵抗に流す上限として設定された電圧を超えた場合に前記抵抗の両端に発生する電圧として設定されていることを特徴とする。

本発明の電力保安器は、前記保安器が前記負き電線及び保護地線間に並列に設けられたことを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、放電管の放電開始電圧の電圧値近傍のサージ電圧により放電した場合、放電電流が抵抗を流れ、上記放電開始電圧の電圧値より高く設定されたバリスタの動作開始電圧を超えたサージ電圧の場合、放電電流がバリスタを流れる構成としたため、従来に比較して頻繁に保安器における保護回路を破壊することなく、放電開始電圧を低下させて電子機器等に対する地絡保護能力を向上させることが可能となる。

本発明は、交流区間のき電回路において、トロリ線地絡事故時に駅構内の電柱等の対地電位上昇を防止する地絡保護用の電力保安器であり、サージ電圧の電圧値により放電電流が流れる経路を変化させ、電力保安器の故障の頻度を低下させることを可能とし、交流放電電流開始電圧の低下を容易に実現するものである。
すなわち、地絡故障点の対地電圧上昇を、例えば、２５００Ｖから８００Ｖと、１／３程度とし、感電及び構造物さらには弱電機器への対地電圧上昇の影響を、従来に比較して抑制するものである。

以下、本発明の一実施形態による電力保安器を図面を参照して説明する。図１は同実施形態による電力保安器５０の構成例を示す概念図である。この図１の電力保安器５０は図２０に示す電力保安器１００と同様に、負き電線ＮＦ及び保護地線ＦＷ間に介挿されて用いられるものである。
この図において、電力保安器５０は、負き電線ＮＦと保護地線ＦＷとの間に、同様な構成の保安器１０及び保安器２０が並列に配置して構成されている。
保安器１０は、放電管１１、金属電極１２，１３，１４，１５、バリスタ１６、抵抗１７、端子１８，１９から構成されている。
金属電極１５は端子１８に接続され、金属電極１４は端子１９に接続されている。また、端子１８は負き電線ＮＦに接続され、端子１９は保護地線ＦＷに接続されている。

上記保安器１０において、放電管１１は、端子１８と金属電極１２及び１３との間に介挿されており、例えば放電開始電圧が８００Ｖ程度であり、地絡事故が起きた際、２００００Ｖ程度の電圧が印加された場合の放電電流に耐える程度の電流耐量が、従来の保安器（図２１）と同等のものを用いる。
上記バリスタ１６は、金属電極１２及び金属電極１４との間に介挿され、サージ保護素子として用いられている。このサージ保護素子としては、他に、放電管、ガスアレスタ、半導体アレスタ等がある。

このバリスタ１６は、放電管２１より放電電圧が高く、後述するように、放電の動作開始電圧が、印加されるサージ電圧が上記抵抗１７に流す放電電流の上限として設定された電圧、すなわち抵抗１７に印加する上限としたサージ電圧による放電電流により、抵抗１７の両端に発生する電圧として設定されている。
抵抗１７は、金属電極１３及び金属電極１４の間に介挿されており、抵抗値としては１４０〜３００Ωに設定され、インパルス耐圧としては５ｋＶ程度のものが使用される。
また、保安器１０は、各構成要素であるバリスタ１６、抵抗１７及び放電管１１を容易に交換できる構造とする。

同様に、保安器２０は、放電管２１、電属電極２２，２３，２４，２５、バリスタ２６、抵抗２７、端子２８，２９から構成されている。
金属電極２５は端子２８に接続され、金属電極２４は端子２９に接続されている。また、端子２８は負き電線ＮＦに接続され、端子２９は保護地線ＦＷに接続されている。
上記保安器２０において、放電管２１は、端子２８と金属電極２２及び２３との間に介挿されており、上記放電管１１と同様の特性を有している。
上記バリスタ２６は、金属電極２２及び金属電極２４との間に介挿され、サージ保護素子として用いられ、上記バリスタ１６と同様の特性を有している。

このバリスタ２６は、放電管２１より放電電圧が高く、後述するように、放電の動作開始電圧が、印加されるサージ電圧が上記抵抗２７に流す放電電流の上限として設定された電圧、すなわち抵抗２７に印加する上限としたサージ電圧による放電電流により、抵抗２７の両端に発生する電圧として設定されている。
抵抗２７は、金属電極２３及び金属電極２４の間に介挿されており、上記抵抗１７と同様の特性を有している。
また、保安器２０は、上記保安器１０と同様に、各構成要素であるバリスタ２６、抵抗２７及び放電管２１を容易に交換できる構造とする。

また、図２に保安器１０の構成において、上面から見た金属電極１２，１３，１４，１５、バリスタ１６及び抵抗１７との配置を示す。金属電極１５は、金属電極１４近傍に配置されている。
詳細は後述するが、金属電極１５を金属電極１４の近傍に配置する理由は次の通りである。すなわち、バリスタ１６あるいは抵抗１７が破損した場合には、金属電極１２あるいは金属電極１３と金属電極１４との間にアークが発生することとなるが、金属電極１５と金属電極１４との距離が近いと、前記アークがその後金属電極１５と金属電極１４との間に移行しやすくなるからである。前記アークが金属電極１５と金属電極１４との間に移行すれば、放電器１１の放電が停止するため、放電器１１の劣化を抑制することができる。

金属電極１２，１３，１４，１５は各々の間のアーク放電が可能な距離のアーク放電領域内に配置されている。上記各金属電極の構成については、後述するように保安器２０も同様である。

上述した保安器１０及び２０は、多頻度の放電によるバリスタ（バリスタ１６あるいはバリスタ２６）の劣化を抑制するため、バリスタに放電電流が流れる頻度を、従来の続流抑止型の電力保安器と同等か、あるいはそれ以下とする必要がある。
実測例によると、負き電線ＮＦにおけるサージ最大電圧が５０００Ｖ程度である。
したがって、本実施形態における保安器１０及び２０において、バリスタに放電電流が流れる頻度を従来の続流抑止型の電力保安器と同等か、あるいはそれ以下とするためには、約５０００Ｖ以下のサージの発生の際、抵抗に放電電流を流し、バリスタに放電電流を流さないようにし、一方、５０００Ｖを超えるサージの発生の際、バリスタに放電電流を流すよう構成する。

次に、図３及び図４を用いて、本実施形態による保安器１０（あるいは２０）における放電管１１（あるいは２１）、バリスタ１６（あるいは２６）、抵抗１７（あるいは２７）の特性の設定について説明する。以下、保安器１０を用いて説明するが、保安器２０においても保安器１０の場合と同様に特性を設定する。
図３に負き電線ＮＦに発生したサージにより、保安器１０（あるいは２０）が放電した場合の等価回路を示す。また、図３における負き電線ＮＦに発生するサージ電圧が５０００Ｖとして、抵抗１７に発生する電圧ＶR及び放電電流を計算した結果を図４に示す。
負き電線ＮＦと大地との電位差ＶGは（１）式により求められ、抵抗Ｒに流れる電流ｉは（２）式により求められ、電圧ＶRは（３）式により求められる。この（１）式において、ｅはサージ電圧であり、ｒは抵抗Ｒの抵抗値であり、ｒgは抵抗Ｒgの抵抗値であり、Ｚは負き電線ＮＦのサージインピーダンスである。
図４（ａ）は、上記（１）〜（３）式を用いたシミュレーションにより、負き電線ＮＦのサージインピーダンスが２００Ω、３００Ω及び４００Ωのそれぞれの場合における抵抗Ｒと電圧ＶRとの関係を示すグラフである。

そして、上述した保安器１０において、放電管１１は、交流放電開始電圧について、この保安器１０の適用が予定される駅構内にて、負き電線ＮＦの対地電圧を実測し、この実測結果から常時の交流電圧の環境にて放電しない電圧範囲として、なるべく低い電圧を採用する。例えば、線区によって異なると考えられるが７００〜９００Ｖ程度の範囲内にて設定される。このとき、放電管におけるサージによる放電頻度として、交流放電開始電圧が２５００Ｖの従来の続流抑止型保安器では、サージによる放電頻度は、１日に数回程度であった。
しかしながら、交流放電開始電圧を７００Ｖ〜９００Ｖ（本実施形態においては８００Ｖ程度）とした場合、かなりの放電頻度の増加が予想され、実際の放電頻度については、各線区における現地測定によって把握する必要がある。

また、サージ発生の際に各放電により流れる放電電流ｉは、図３に示した計算結果によると、例えば負き電線ＮＦのサージインピー・ダンスを３００Ω、保安器１０の接地抵抗Ｒgを１０Ω、保安器１０の抵抗Ｒ１７を１５０Ωとすると、５０００Ｖのサージ電圧ｅが印加された際、１５Ａ〜２０Ａ程度となる。
したがって、通常のエアセクションやデッドセクションを電車が通過する際に、負き電線ＮＦに発生するサージ電圧ｅは、２０００Ｖ〜３０００Ｖの電圧レベルのものが実測して多いことが検出されているため、平均的なサージ放電電流はほぼ１０Ａ程度になると予想される。しかしながら、実際の放電電流ｉについては、保安器１０を設置する線区における実測により確認する必要がある。

次に、上述した保安器１０において、バリスタ１６は、動作開始電圧を従来の続流抑止型保安器にて実績のある１８００Ｖと設定する。このバリスタに流れる電流は、各バリスタのＶ−ｉ特性に依存するが、図３の回路における負き電線ＮＦのサージインピーダンスＺを３００Ω、保安器１０の接地抵抗Ｒgの抵抗値ｒgを１０Ω、バリスタ１６の動作開始電圧、すなわち１８００Ｖを超えた際の抵抗を０Ω、サージ電圧を７０００Ｖとすると、バリスタ１６に流れる電流は４４Ａとなる。したがって、バリスタ１６に流れるサージ電流の最大値は５０Ａ程度と推測される。

次に、上述した保安器５０において、抵抗１７は、並列に接続されるバリスタ１６の動作開始電圧が上述したように１８００Ｖであり、かつバリスタ１６のＶ−ｉ特性が５０Ａ通電時にて約３０００Ｖ程度であるため、耐圧を４０００Ｖ以上のものに設定する。図２３はバリスタの寿命特性の一例である。サージ電流が１０Ａ以下であればサージ波長が５００μｓとしても寿命は１００万回以上である。また、図２４はこのバリスタのｖ−ｉ特性であり１０Ａ通電時の制限電圧は２８００Ｖとなっている。
したがって抵抗１７の抵抗値ｒは、保安器１０に対して５０００Ｖ以下のサージ電圧が印加された際、放電電流ｉを抵抗に流すようにするため、５０００Ｖのサージ電圧が印加されたときに、抵抗１７の端子間電圧ＶRがバリスタの１０Ａ通電時の制限電圧(本実施形態において２８００Ｖ)以下であればよい。

ここで、サージ電圧が５０００Ｖの時に、バリスタにかかる電圧を２８００Ｖ以下、すなわち電圧ＶRを２８００Ｖ以下とするためには、抵抗Ｒの抵抗値を１００Ωから３００Ωとすればよいことが図４（ａ）から判る。
すなわち、図４に示したシミュレーション結果によると、抵抗値ｒは、負き電線ＮＦのサージインピーダンスＺを２００Ωとすると１４０Ω以下であり、サージインピーダンスＺを３００Ωとすると２０３Ω以下であり、サージインピーダンスＺを４００Ωとすると２６７Ω以下となる。
したがって、抵抗値ｒの適正値は、１００Ω〜３００Ωの範囲にあると推測されるが、実際には各線区による実測により、続流抑止が可能であることの確認して設定する必要がある。
続流抑止機能の確認については、鉄道総合研究所内試験と現地試験で確認する。

次に、図を用いて、本実施形態による保安器１０及び２０より構成される電力保安器５０の動作を説明する。
＜サージ電圧ｅが５０００Ｖ未満の場合＞
図５を参照して、サージ電圧ｅが５０００Ｖ未満の場合の、負き電線ＮＦから保護地線ＦＷへの放電の動作について説明する。ここでは、負き電線ＮＦ及び保護地線ＦＷ間に並列に設けられている保安器１０及び２０において、いずれにも放電電流が流れる可能性はあるが、最初に保安器１０に放電電流が流れたとして説明する。
まず、端子１８，２８と、端子１９，２９との間に５０００Ｖ未満のサージ電圧が印加されると、保安器１０の放電管１１が放電を開始する。

そして、この放電電流ｉが抵抗１７を流れた際、抵抗値ｒを上述した値に設定しているため、金属電極１３及び金属電極１４間の電圧ＶRが２８００Ｖを超えず、すなわち、バリスタ１６の制限電圧（１０Ａ通電時）２８００Ｖを超えないため、バリスタ１６には１０Ａ以下の放電電流しか流れない。このとき、続流が抑制される。
これにより、サージ電圧ｅが５０００Ｖ以下の場合、抵抗１７に放電電流ｉの大半が流れ、一方、バリスタ１６には１０Ａ以上の電流が流れずに（バリスタに放電電流が流れる回数を低減させて）、バリスタの劣化を抑制することができる。

＜サージ電圧ｅが５０００Ｖ以上の場合＞
図６を用いて、サージ電圧ｅが５０００Ｖ以上の場合の、負き電線ＮＦから保護地線ＦＷへの放電の動作について説明する。ここでは、負き電線ＮＦ及び保護地線ＦＷ間に並列に設けられている保安器１０及び２０において、いずれにも放電電流が流れる可能性はあるが、最初に保安器１０に放電電流が流れたとして説明する。
まず、端子１８，２８と、端子１９，２９との間に５０００Ｖ以上のサージ電圧が印加されると、放電管１１が放電を開始する。
そして、図５に示すように、この放電電流ｉが抵抗１７を流れた際、抵抗値ｒを上述した値に設定しているため、金属電圧１４及び金属電極１３（１２）間の電圧ＶRが２８００Ｖを超え、バリスタ１７の制限電圧（１０Ａ通電時）を超えることとなる。

これにより、図６に示すように、バリスタ１６に放電電流ｉが流れ、続流を抑制することになる。また、６０００Ｖにてバリスタに１０Ａ以上の放電電流が流れ、金属電圧１４及び金属電極１３（１２）間の電圧ＶRが電圧の上昇を抑制するため、抵抗１７の絶縁保護の素子を兼ねているとも言える。

＜地絡により１８００Ｖ以上の交流電圧が印加された場合＞
図７〜図１０を用いて、地絡により１８００Ｖ以上の交流電圧が印加された場合の電力保安器５０の動作を説明する。ここでは、負き電線ＮＦ及び保護地線ＦＷ間に並列に設けられている保安器１０及び２０において、地絡事故において、いずれの保安器にも故障電流ｉFが流れる可能性はあるが、最初に保安器１０に故障電流ｉFが流れたとして説明する。
地絡が起こり、端子１８，２８と、端子１９，２９との間に１８００Ｖ以上の交流電圧が印加されると、保安器１０の放電管１１が放電を開始する。
図７に示すように、この故障電流ｉFが抵抗１７を流れた際、抵抗値ｒを上述した値に設定しているため、金属電圧１４及び金属電極１３（１２）間の電圧ＶRが１８００Ｖを超え、バリスタ１７の動作開始電圧１８００Ｖを超えることとなる。
このため、図８に示すように、バリスタ１６に故障電流ｉFが流れ、抵抗１７にもある程度の電流が流れる。

そして、図９に示すように、バリスタ１６は上記故障電流ｉFにより発生する熱エネルギーにより破損（焼損）する。このため、バリスタ１６に流れていた故障電流ｉFに対応して、金属電極１２及び金属電極１４との間にアーク放電が発生する。
このとき、図１０に示すように、アークは自分自身の電流の電磁力によって駆動力が働き、伸長・移動し金属電極１４の近傍に配置された金属電極１５に触れ、金属電極１２及び金属電極１４との間のアーク放電が、金属電極１５と金属電極１４との間に移行する。
これにより、アーク放電が金属電極１２と金属電極１４との間から無くなるため、故障電流ｉFが放電管１１を流れなくなり、放電管１１の電極の消耗を最小限に抑制することができる。また、この際、変電所の遮断器がオフ状態となり、事故電流ｉFが遮断され、金属電極１５と金属電極１４との間のアーク放電が消滅する。

次に、一定時間後に、変電所の遮断器がオン状態となり、地絡が解消していないと再度、端子１８，２８と、端子１９，２９との間に１８００Ｖ以上の交流電圧が印加されると、保安器１０の放電管１１が放電を開始する。
そして、この故障電流ｉFが抵抗１７を流れた際、抵抗値ｒを上述した値に設定しているため、金属電圧１４及び金属電極１３（１２）間の電圧ＶRが１８００Ｖを超え、バリスタ１７の動作開始電圧１８００Ｖを超えることとなる。
しかしながら、図１１に示すように、すでにバリスタ１６が破損して存在しないため、地絡により印加された電圧による事故電流ｉFが抵抗R１７に流れ続けることとなる。

そして、図１２に示すように、抵抗１７は上記故障電流ｉFにより発生する熱エネルギーにより破損する。このため、抵抗１７に流れていた故障電流ｉFに対応して、金属電極１３及び金属電極１４との間にアーク放電が発生する。
このとき、図１３に示すように、アークは自分自身の電流の電磁力によって駆動力が働き、伸長・移動し金属電極１４の近傍に配置された金属電極１５に触れ、金属電極１３及び金属電極１４との間のアーク放電が、金属電極１５と金属電極１４との間に移行する。

これにより、アーク放電が金属電極１３と金属電極１４との間から無くなるため、故障電流ｉFが放電管１１を流れなくなり、放電管１１の消耗を抑制することができる。また、この際、変電所の遮断器がオフ状態となり、事故電流ｉFが遮断され、金属電極１５と金属電極１４との間のアーク放電が消滅する。
また、一定時間後に、変電所の遮断機がオン状態となり、地絡が解消していないと再度、端子１８，２８と、端子１９，２９との間に１８００Ｖ以上の交流電圧が印加され、保安器１０が破損しているため、保安器２０の放電管２１が放電を開始する。この以降の動作としては、すでに述べた保安器１０の場合と同様である。

＜地絡により１８００Ｖ以下の交流電圧が印加された場合＞
図１４〜図１９を用いて、地絡により１８００Ｖ以下の交流電圧が印加された場合の電力保安器５０の動作を説明する。ここでは、負き電線ＮＦ及び保護地線ＦＷ間に並列に設けられている保安器１０及び２０において、地絡事故において、いずれの保安器にも故障電流ｉFが流れる可能性はあるが、最初に保安器１０に故障電流ｉFが流れたとして説明する。
地絡が起こり、端子１８，２８と、端子１９，２９との間に１８００Ｖ以下の交流電圧が印加されると、保安器１０の放電管１１が放電を開始する。
図１４に示すように、この故障電流ｉFが抵抗１７を流れた際、抵抗値ｒを上述した値に設定しているため、金属電圧１４及び金属電極１３（１２）間の電圧ＶRが１８００Ｖを超えず、故障電流ｉFが抵抗１７を流れ続けることとなる。

そして、図１５に示すように、抵抗１７は上記故障電流ｉFにより発生する熱エネルギーにより破損する。このため、抵抗１７に流れていた故障電流ｉFに対応して、金属電極１３及び金属電極１４との間にアーク放電が発生する。
このとき、図１６に示すように、アークは自分自身の電流の電磁力によって駆動力が働き、伸長・移動し金属電極１４の近傍に配置された金属電極１５に触れ、金属電極１３及び金属電極１４との間のアーク放電が、金属電極１５と金属電極１４との間に移行する。
これにより、アーク放電が金属電極１３と金属電極１４との間から無くなるため、故障電流ｉFが放電管１１を流れなくなり、放電管１１の消耗を抑制することができる。また、この際、変電所の遮断器がオフ状態となり、事故電流ｉFが遮断され、金属電極１５と金属電極１４との間のアーク放電が消滅する。

次に、一定時間後に、変電所の遮断器がオン状態となるが、地絡が解消していない場合、端子１８，２８と、端子１９，２９との間に１８００Ｖ以下の交流電圧が印加され、故障電流ｉFが再度流れ、保安器１０が破損しているため、保安器２０の放電管２１が放電を開始する。
図１７に示すように、この故障電流ｉFが抵抗２７を流れた際、抵抗値ｒを上述した値に設定しているため、金属電圧２４及び金属電極２３（２２）間の電圧ＶRが１８００Ｖを超えず、故障電流ｉFが抵抗２７を流れ続けることとなる。
そして、図１８に示すように、抵抗２７は上記故障電流ｉFにより発生する熱エネルギーにより破損する。このため、抵抗２７に流れていた故障電流ｉFに対応して、金属電極２３及び金属電極２４との間にアーク放電が発生する。

このとき、図１９に示すように、アークは自分自身の電流の電磁力によって駆動力が働き、伸長・移動し金属電極２４の近傍に配置された金属電極２５に触れ、金属電極２３及び金属電極２４との間のアーク放電が、金属電極２５と金属電極２４との間に移行する。
これにより、アーク放電が金属電極２３と金属電極２４との間から無くなるため、故障電流ｉFが放電管２１を流れなくなり、放電管２１の消耗を抑制することができる。また、この際、変電所の遮断機がオフ状態となり、事故電流ｉFが遮断され、金属電極２５と金属電極２４との間のアーク放電が消滅する。

本発明の実施形態による電力保安器５０の構成例を示すブロック図である。図１における第１のバリスタ１６，第２のバリスタ２６，金属電極１２、１３、１４及び１５の上面から見た配置関係を示す概念図である。負き電線ＮＦ、保護地線ＦＷ、トロリ線Ｔ及び電力保安器５０からなる抵抗値Ｒを設定するために用いる等価回路を示す図である。図３を用いてシミュレーションした抵抗Ｒの抵抗値ｒと、抵抗Ｒの両端の電圧または抵抗Ｒに流れる電流との関係を示すグラフである。サージ電圧が印加され、放電器１１が放電して抵抗１７に放電電流ｉが流れる状態を示す概念図である。サージ電圧が印加され、放電器１１が放電し、抵抗１７の端子間電圧がバリスタ１６の動作開始電圧を超えた場合の放電電流ｉの流れる経路を説明する概念図である。地絡により電圧が印加され、放電器１１が放電して抵抗１７に放電電流ｉが流れる状態を示す概念図である。地絡により電圧が印加され、放電器１１が放電し、抵抗１７の端子間電圧がバリスタ１６の動作開始電圧を超えた場合の放電電流ｉの流れる経路を説明する概念図である。放電電流ｉの熱エネルギによりバリスタ１６が破損し、金属電極１２及び１４の間におけるアーク放電の発生を示す概念図である。金属電極１２及び１４の間におけるアーク放電が、金属電極１５及び金属電極１４の間への移行する現象を示す概念図である。地絡により電圧が印加され、放電器１１が放電して抵抗１７に放電電流ｉが流れる状態を示す概念図である。放電電流ｉの熱エネルギにより抵抗１７が破損し、金属電極１３及び１４の間におけるアーク放電の発生を示す概念図である。金属電極１３及び１４の間におけるアーク放電が、金属電極１５及び金属電極１４の間への移行する現象を示す概念図である。地絡により電圧が印加され、放電器１１が放電して抵抗１７に放電電流ｉが流れる状態を示す概念図である。放電電流ｉの熱エネルギにより抵抗１７が破損し、金属電極１３及び１４の間におけるアーク放電の発生を示す概念図である。金属電極１３及び１４の間におけるアーク放電が、金属電極１５及び金属電極１４の間への移行する現象を示す概念図である。地絡により電圧が印加され、放電器２１が放電して抵抗２７に放電電流ｉが流れる状態を示す概念図である。放電電流ｉの熱エネルギにより抵抗２７が破損し、金属電極２３及び２４の間におけるアーク放電の発生を示す概念図である。金属電極２３及び２４の間におけるアーク放電が、金属電極２５及び金属電極２４の間への移行する現象を示す概念図である。電力保安器が用いられる交流き電回路の例として、ＢＴき電回路の構成を示す概念図である。従来の電力保安器の構成を説明する概念図である。従来の電力保安器の構成を説明する概念図である。本実施形態に用いたバリスタの寿命特性の一例を示すグラフである。本実施形態に用いたバリスタのｖ−ｉ特性の一例を示すグラフである。

符号の説明

１０，２０…保安器
１１，２１…放電器
１２，１３，１４，１５，２２，２３，２４，２５…金属電極
１６，２６…バリスタ
１７，２７，Ｒg…抵抗
５０…電力保安器
１８，１９，２８，２９…端子
ＮＦ…負き電線
ＦＷ…保護地線
Ｔ…トロリ線

Claims

交流き電回路において負き電線と保護地線との間に設けられる電力保安器であり、
一方の端子が前記負き電線に接続された放電器と、
該放電器の他端に接続された第１の電極と、
前記放電器の他端に接続された第２の電極と、
前記保護地線に接続された第３の電極と、
前記第１の電極及び前記第３の電極間に介挿されたサージ保護素子と、
前記第２の電極及び前記第３の電極間に介挿された抵抗と、
前記負き電線に接続され、前記第３の電極の近傍に配置された第４の電極と、
を有し、
前記サージ保護素子の動作開始電圧が、印加されるサージ電圧が放電電流を前記抵抗に流す上限として設定された電圧を超えた場合に前記抵抗の両端に発生する電圧として設定されていることを特徴とする低電力保安器。
前記放電器の放電開始電圧が、前記サージ保護素子の動作開始電圧に対して低く設定されていることを特徴とする請求項１に記載の低電力保安器。
前記保安器が前記負き電線及び保護地線間に並列に設けられたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の低電力保安器。