JP5189892B2 - サージ防護装置 - Google Patents

Description

本発明は、サージ防護装置に係り、特に、サージ防護装置が備えるＳＰＤ（Ｓｕｒｇｅ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ サージ防護デバイス）の故障時に保護対象装置への給電停止を防ぐためのサージ防護装置に関する。

ＳＰＤは、過渡的な過電圧を制限し、サージ電流を接地へ分流することを目的とするデバイスで非直線素子を内蔵している。
ＳＰＤを構成する非直線素子は、素子にかかる両端電圧で抵抗値が変化し、素子両端電圧が低い場合は抵抗が高く、殆ど導通しないが、素子両端の電圧が高くなると抵抗値が小さくなる特性を持っている。そのため雷サージが給電線へ侵入するとサージ電流が接地へ分流し、保護対象装置を防護できる。

しかし、ＳＰＤは劣化すると、通常状態の商用電源入力でも抵抗値が下がり漏れ電流が生じる場合があり、ＳＰＤが加熱され熱暴走した後、給電線間が短絡しＳＰＤが破裂する故障モードとなる場合が想定されうる。故障モードでは、例えば、ＳＰＤに電圧制限型のＭＯＶ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｖａｒｉｓｔｏｒ 酸化亜鉛型バリスタ等の金属酸化物型バリスタ）を用いる場合、ＭＯＶは温度の上昇とともに抵抗値が低下する特性があるため、ＭＯＶの漏れ電流が長時間生じ、ＭＯＶが温度上昇を続けると、ＭＯＶの抵抗値がますます低くなり、最終的には短絡した後、ＭＯＶ内部の温度分布差から破裂した後、開放状態になる場合がある。そのため、ＪＩＳ規定では、例えば、ブレーカやヒューズをＳＰＤ分離器（ＳＰＤ故障時にＳＰＤを分離するための保護装置）として直列に設けることを推奨している。

従来技術として、特許文献１には、例えば、酸化亜鉛型バリスタの劣化による異常発熱が発生した場合、切り離し導体のばね力により、その酸化亜鉛型バリスタと外部端子間を迅速かつ確実に遮断する切り離し機構付ＳＰＤが開示されている。

また、特許文献２には、例えば、２本の電源配線間に、ガス放電アレスタ及びバリスタ及び温度ヒューズを備えた過電圧保護装置において、ガス放電アレスタが短絡した後に温度ヒューズの発熱を引き起こして装置の温度切断をトリガする抵抗器を、バリスタと並列に設けたものが開示されている。
また、図１１は、接地線をもつ三線式給電方式（ＴＮ式）における従来のサージ防護装置の構成図である。

従来のサージ防護装置は、例えば図示のように、ＳＰＤ１−１、１−２及び１−３と、電流ヒューズやブレーカ等によるＳＰＤ分離器２−１、２−２及び２−３と、入力ブレーカ３と、接地線４−１と、給電線４−２、４−３、及び４−４とを備える。保護対象装置１０は、この例では、給電線４−２、４−３及び４−４により給電される。なお、ＴＮ式とは、配電用トランスの高低圧部分に高圧がかかることを防止する系統接地と低圧電路に接続される負荷装置を保護する機器接地が接地線で等電位化されている給電方式である。つまり、系統接地が接地線で負荷装置まで引き伸ばされ機器接地としても使用される方式である。
特開２００７−３２４５３５ 特開２００２−１４２３５４

従来技術において、例えば、図１１に示されるようなサージ防護装置は、給電線４−４、４−３及び４−２は、それぞれＳＰＤ分離器（電流ヒューズ等）２−１、２−２及び２−３と、ＳＰＤ１−１、１−２及び１−３を介して接地線４−１へ接続される。例えば、ＳＰＤ１−１が劣化して短絡した場合、短絡電流は系統側の接地抵抗、接地線４−１の抵抗、故障時のＳＰＤ１−１の内部抵抗値によって決まる。そのため、場合によっては（特に接地抵抗がとても小さい場合）短絡電流が大きくなりすぎて入力ブレーカ３がＳＰＤ分離器２−１より早く遮断動作し、保護対象装置１０への給電が遮断される場合があった。ＳＰＤ１−２又は１−３が劣化して短絡した場合も同様である。

以上説明したように、図１１に示されたような従来技術では、ＳＰＤ分離器２−１、２−２及び２−３は保護対象装置１０の入力ブレーカ３の下位に設置されるＳＰＤ１−１、１−２及び１−３にそれぞれ接続される。そのため、ＳＰＤ１−１又は１−２又は１−３が劣化し、故障時に流れる電流次第ではＳＰＤ分離器２−１又は２−２又は２−３よりも保護対象装置１０の入力ブレーカ３が先に電路を遮断する場合がある。

ＳＰＤ分離器２−１、２−２及び２−３にブレーカを用いる場合、雷サージに対する耐力を備えさせると、定格容量（定格電流）が保護対象装置１０の入力ブレーカ３よりも大きくなり、商用電源入力状態でＳＰＤ劣化故障時に保護対象装置１０の入力ブレーカ３と保護協調が取れない場合がある。すなわち、ここでいう保護協調とは、例えば、入力ブレーカ３がＳＰＤ分離器２−１、２−２及び２−３として用いられたブレーカより先に電路を遮断し、保護対象装置１０に給電されなくなる場合である。

また、ＳＰＤ分離器２−１、２−２及び２−３にブレーカを用いる場合、ＳＰＤ１−１又は１−２又は１−３に雷サージ電流が流れる時にはＳＰＤ分離器２−１又は２−２又は２−３として用いられたブレーカはインピーダンスが大きいため、ＳＰＤ１−１又は１−２又は１−３に加えてブレーカ（ＳＰＤ分離器２−１又は２−２又は２−３）でも大きな過電圧が発生したり誤動作（開放動作）をする場合がある。

一般に、ブレーカは過電流時に接点を切離すトリップ機構を動作させるためにコイルを内蔵している。コイルで生じる電磁力はコイルの巻数と電流に比例するため、ブレーカの定格容量（定格電流）が小さいほど、トリップ機構を動作させるためにコイルの巻数が多くなる。そのためインピーダンスが大きくなるとともに、雷サージで大電流がブレーカに一瞬流れた場合でも、ブレーカの誤動作（トリップ・接点浮き上がり）を起こす場合がある。

一方、ＳＰＤ分離器２−１、２−２及び２−３にヒューズを用いる場合、雷サージに対する耐力を備えさせると、定格容量が保護対象装置１０の入力ブレーカ３よりも大きくなり、商用電源入力状態でＳＰＤ劣化故障時に保護対象装置１０の入力ブレーカ３と保護協調が取れない場合がある。上述と同様に、すなわち、ここでいう保護協調とは、例えば、入力ブレーカ３がＳＰＤ分離器２−１及び２−２及び２−３として用いられたヒューズより先に電路を遮断し、保護対象装置１０に給電されなくなる場合である。

雷サージ電流でヒューズを切れにくくするには、例えば、ヒューズエレメントの線径を太くする必要があり、線径が太くなるとヒューズエレメントの表面積が大きくなるため、放熱性が上がり、小さい電流ではヒューズが溶断しにくくなり定格容量が増加する。

ＳＰＤ分離器２−１及び２−２及び２−３にヒューズを用いる場合、商用電源入力状態でＳＰＤ１−１又は１−２又は１−３が劣化故障し給電線間に大電流（短絡電流）が流れると、遮断時に大きな跳ね上り電圧が発生する場合がある。

ヒューズは短時間で電路の遮断を行うので、ヒューズに流れる電流がピーク電流から電流ゼロになるまでの時間が短い。そのため電流の時間変化率が大きくなるためヒューズ溶断時に大きな逆起電力が発生する。なお、ブレーカの場合は遮断が接点の機械的動作のため遮断時間が長く逆起電力は小さい。

本発明は、以上の点に鑑み、ＳＰＤが劣化し故障に至った場合、故障時のＳＰＤの状況（抵抗値）によらずに、保護対象装置の入力ブレーカより早くＳＰＤ分離器を動作させることでＳＰＤ故障による保護対象装置への給電停止を防ぐことを目的のひとつとする。

本発明は、また、ＳＰＤ分離器にインダクタンスの大きいブレーカの代わりに電流ヒューズもしくは、ＳＰＤの発熱で遮断動作する温度ヒューズ、または発熱体を内蔵した温度ヒューズ等のＳＰＤ分離器を用いることで、雷サージでＳＰＤ分離器に発生する過電圧を考慮する必要をなくすことを目的のひとつとする。
さらに、本発明は、ＳＰＤ劣化時の短絡電流を低減できるため、ＳＰＤ故障時にＳＰＤ分離器動作時に発生する跳ね上り電圧（開閉サージ電圧）を低減させることを目的のひとつとする。

本発明の第１の解決手段によると、
保護対象装置側で保護対象装置に電気を供給する非接地の第１の給電線と、
電源側で接地され、保護対象装置側へ供給される接地線と、
電源側の非接地の第２の給電線と、
非接地の前記第１の給電線と前記第２の給電線との間に設けられ、前記第１の給電線と前記第２の給電線とを接続又は切離す入力ブレーカと、
保護対象装置側の前記第１の給電線と前記接地線間に直列に設けられた、第１の分離器、及び、第１のサージ防護デバイス、及び、第１のスイッチング型サージ防護デバイスと第１の抵抗との第１の並列回路と、
を備え、
前記第１のサージ防護デバイスが故障時に前記第１のサージ防護装置を通る短絡電流を、前記第１の給電線から、前記第１の分離器、前記第１のサージ防護デバイス、前記第１の抵抗を介して、前記接地線へ電流値を抑制して流すことで、前記第１の分離器が前記入力ブレーカより先に切断されるようにしたサージ防護装置が提供される。

本発明の第２の解決手段によると、
保護対象装置側で保護対象装置に電気を供給する非接地の第１の給電線と、
電源側で接地され、保護対象装置側へ供給される接地線と、
電源側の非接地の第２の給電線と、
非接地の前記第１の給電線と前記第２の給電線との間に設けられ、前記第１の給電線と前記第２の給電線とを接続又は切離す入力ブレーカと、
保護対象装置側で保護対象装置に電気を供給する非接地の第３の給電線と、
前記入力ブレーカにより前記第３の給電線と接続又は切離される、電源側の非接地の第４の給電線と、
保護対象装置側で保護対象装置に電気を供給する非接地の第５の給電線と、
前記入力ブレーカにより前記第５の給電線と接続又は切離される、電源側の非接地の第６の給電線と、
保護対象装置側の前記第１の給電線と前記第３の給電線間に設けられた、第１の分離器、及び、第１のサージ防護デバイス、及び、第１のスイッチング型サージ防護デバイスと第１の抵抗との第１の並列回路と、
保護対象装置側の前記第３の給電線と前記第５の給電線間に設けられた、第２の分離器、及び、第２のサージ防護デバイス、及び、第２のスイッチング型サージ防護デバイスと第２の抵抗との第２の並列回路と、
保護対象装置側の前記第５の給電線と前記第１の給電線間に設けられた、第３の分離器、及び、第３のサージ防護デバイス、及び、第３のスイッチング型サージ防護デバイスと第３の抵抗との第３の並列回路と、
を備え、
前記第１又は第２又は第３のサージ防護デバイスが故障時に、前記第１又は第２又は第３のサージ防護装置を通る短絡電流を、それぞれ、前記第１又は第３又は第５の給電線から、前記第１又は第２又は第３の分離器、前記第１又は第２又は第３のサージ防護デバイス、前記第１又は第２又は第３の抵抗を介して、前記接地線へ電流値を抑制して流すことで、前記第１又は第２又は第３の分離器が前記入力ブレーカより先に切断されるようにしたサージ防護装置が提供される。

本発明によると、ＳＰＤが劣化し故障に至った場合、故障時のＳＰＤの状況（抵抗値）によらずに、保護対象装置の入力ブレーカより早くＳＰＤ分離器を動作させることでＳＰＤ故障による保護対象装置への給電停止を防ぐことが可能になる。

本発明によると、ＳＰＤ分離器にインダクタンスの大きいブレーカの代わりに電流ヒューズもしくは、ＳＰＤの発熱で遮断動作する温度ヒューズ、または発熱体を内蔵した温度ヒューズ等のＳＰＤ分離器を用いることで、雷サージでＳＰＤ分離器に発生する過電圧を考慮する必要がなくなる。
本発明によると、ＳＰＤ劣化時の短絡電流を低減できるため、ＳＰＤ故障時にＳＰＤ分離器動作時に発生する跳ね上り電圧（開閉サージ電圧）の低減が可能になる。

１．第１の実施の形態のサージ防護装置
図１は、第１の実施の形態によるサージ防護装置の構成図である。
第１の実施の形態は、接地線をもつ三線式給電方式（ＴＮ式）に適用した例である。なお、ＴＮ式とは、配電用トランスの高低圧部分に高圧がかかることを防止する系統接地と低圧電路に接続される負荷装置を保護する機器接地が接地線で等電位化されている給電方式である。つまり、系統接地が接地線で負荷装置まで引き伸ばされ機器接地としても使用される方式である。なお、本発明はこれらに限らず、二線式や、系統接地と機器接地が接地線で等電位化されている他の給電方式でも適宜適用することができる。

第１の実施の形態によるサージ防護装置は、例えば、ＳＰＤ１−１、１−２及び１−３と、ＳＰＤ分離器２−１、２−２及び２−３と、入力ブレーカ３と、接地線４−１と、給電線４−２、４−３及び４−４と、スイッチング型ＳＰＤ６−１、６−２及び６−３と、抵抗７−１、７−２及び７−３とを備える。保護対象装置１０は、この例では、給電線４−２、４−３及び４−４により給電される。

一般に、ＳＰＤは、主に、電圧制限型ＳＰＤと電圧スイッチング型ＳＰＤに分類される。電圧制限型ＳＰＤは、ＳＰＤの両端に高電圧が印加されない時は高インピーダンスで、サージ電圧などの高電圧が印加されＳＰＤを流れる電流が増大すると連続的にインピーダンスが低くなる特性を有する。電圧制限型ＳＰＤには、例えば、バリスタ型や酸化亜鉛型などがある。電圧スイッチング型ＳＰＤはＳＰＤの両端に高電圧が印加されていない時は高インピーダンスで、サージなどの高電圧が加わりＳＰＤの両端電圧が一定の電圧以上になると、瞬間的に低インピーダンスになる特性を有する。電圧スイッチング型ＳＰＤには、例えば、エアーギャップ型やガス入り放電管型などがある。ＳＰＤ１−１、１−２及び１−３は、特に、電圧制御型ＳＰＤを用いることができる。一方、スイッチング型ＳＰＤ６−１、６−２及び６−３には、特に、ＧＤＴ（Ｇａｓ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｔｕｂｅ：ガス入り放電管型ＳＰＤ）等の電圧スイッチング型ＳＰＤを用いることができる。

ＳＰＤ分離器２−１又は２−２又は２−３にブレーカを用いた場合、ブレーカでは定格電流に対する電流の倍率と遮断時間の関係はブレーカの定格に関わらずほぼ同様な傾向があるため、定格電流が小さなものほど短絡電流による大電流の遮断、ならびに過電流による比較的小電流の遮断時間が短いため、雷サージへの耐量でブレーカ容量が決まると入力ブレーカ３との動作協調（例えば、入力ブレーカ３がＳＰＤ分離器２−１又は２−２又は２−３より先に遮断されること）の可否は入力ブレーカ３の容量により決まる。一方で、ヒューズはエレメント構造次第でさまざまな動作特性を実現でき、雷サージへの耐量と小電流の遮断性能を両立できるため、第１の実施の形態ではＳＰＤ分離器２−１又は２−２又は２−３にヒューズ（電流ヒューズ、温度ヒューズ等も含む）を使うことを前提としてもよい。第１の実施の形態では、主に、ＳＰＤ分離器２−１、２−２及び２−３として電流ヒューズを用いた例について説明する。なお、後述するような電流ヒューズについての所定の機能を満たせば、適宜のブレーカを用いてもよい。

装置の入力ブレーカ３の後段に設置されるＳＰＤ１−１、１−２及び１−３は、通常状態では、それぞれ、給電線４−４、４−３及び４−２と接続されＳＰＤ１−１、１−２及び１−３に電圧がかかっている状態である。ＳＰＤ１−１又は１−２又は１−３の絶縁が劣化して、ＳＰＤ１−１又は１−２又は１−３に電流が流れる場合は異常な現象（ＳＰＤ劣化）で、ＳＰＤ１−１又は１−２又は１−３が発熱し高温になったり破裂する場合も考えられる。そのため、このような場合に、ＳＰＤ１−１又は１−２又は１−３に電圧がかからないように給電側から回路的に切離す必要がある。この遮断器の役割をするのがＳＰＤ分離器２−１、２−２及び２−３である。

ＳＰＤ分離器２−１及び／又は２−２及び／又は２−３として、例えば、電流ヒューズを用いる場合、ＳＰＤ分離器用の電流ヒューズは、雷サージ電流が流れても切れてはならず、ＳＰＤ１−１又は１−２又は１−３が劣化して、通常の交流電源電圧（商用電源電圧）で漏れ電流が流れた場合のみ電路を遮断する働きが求められる。すなわち、電流ヒューズについては、以下の機能を有する。
・ＳＰＤ１−１又は１−２又は１−３の正常時は、雷サージ電流がながれても切れない。
・ＳＰＤ１−１又は１−２又は１−３の故障時は電流ヒューズ（ＳＰＤ分離器２−１又は２−２又は２−３）が既に遮断されている。そのためＳＰＤが故障した系統については、雷サージ電流は流れない。電流ヒューズ（ＳＰＤ分離器２−１又は２−２又は２−３）が切れる場合は、ＳＰＤ１−１又は１−２又は１−３が劣化して、ＳＰＤ１−１又は１−２又は１−３の絶縁が低下してＳＰＤ１−１又は１−２又は１−３から漏れ電流が流れた場合である。

第１の実施の形態によるサージ防護装置の構成では、各給電線４−４、４−３及び４−２について、それぞれＳＰＤ１−１、１−２及び１−３と、ＳＰＤ分離器（電流ヒューズ等）２−１、２−２及び２−３と、さらにスイッチング型ＳＰＤ６−１、６−２及び６−３とを直列接続したものを給電線４−４、４−３及び４−２と接地線４−１間に接続し、各スイッチング型ＳＰＤ６−１、６−２及び６−３については並列に追加抵抗７−１、７−２及び７−３を有する。抵抗７−１、７−２及び７−３は、短絡電流抑制用の素子である。抵抗７−１、７−２及び７−３の抵抗値等の詳細は後述する（図２及びその説明箇所参照）。

なお、ＳＰＤ分離器２−１、２−２及び２−３又は、ＳＰＤ分離器２−１、２−２、２−３のいずれか又は複数には電流ヒューズの代わりに、劣化したＳＰＤ１−１又は１−２又は１−３の発熱を検知するためにＳＰＤ１−１又は１−２又は１−３近傍に取付けられた温度ヒューズ、あるいは、発熱体を内蔵した温度ヒューズを用いることも可能である。また、ＳＰＤ分離器２−１、２−２及び２−３と、ＳＰＤ１−１、１−２及び１−３の接続順序は逆でもよい。

図２は、保護対象装置の入力ブレーカとＳＰＤ分離用の電流ヒューズの遮断特性例の図である。
図２にＳＰＤ分離器２−１又は２−２又は２−３に使用される電流ヒューズと、その定格容量にほぼ等しい入力ブレーカ３の遮断特性（遮断時間と遮断電流の関係）の一例を示す。ブレーカの遮断動作は機械的動作なので、最も速い遮断時間が０．０１（ｓ）程度のため、電流ヒューズが０．０１（ｓ）で遮断できるＩ_（ＴＨ）より短絡電流が大きい場合では電流ヒューズが先に遮断動作すると考えられ、また、短絡電流がＩ_（ＴＬ）以下の場合についても保護対象装置１０への給電を妨げることなく異常ＳＰＤ１−１又は１−２又は１−３の分離が可能である。しかし、短絡電流の大きさがＩ_（ＴＨ） 〜Ｉ_（ＴＬ）の場合、入力ブレーカ３が電流ヒューズより先に動作してしまい、
ＳＰＤ１−１又は１−２又は１−３の故障により保護対象装置１０への給電が停止する場合があった。なお、通常は、ブレーカの遮断特性についてはメーカによらず同様の特性を示す傾向がある。

そこで、第１の実施の形態では、抵抗７−１、７−２及び７−３はＳＰＤ１−１又は１−２又は１−３が故障し商用電源電圧で短絡した場合の短絡電流を低減させる効果があり、ＳＰＤ１−１又は１−２又は１−３が故障した場合に推定される短絡電流がＩ_（ＴＬ）以下になるように追加抵抗７−１、７−２及び７−３を選定する。すなわち、例えば、追加抵抗７−１の抵抗値は、ＳＰＤ１−１が故障して低抵抗値になった場合の短絡電流が、ＳＰＤ分離器２−１の遮断時間が入力ブレーカ３の遮断時間より小さくなるような電流値又は電流範囲とするような抵抗値に定める。これによって、短絡電流により、入力ブレーカ３より先にＳＰＤ分離器２−１が遮断されることになる。追加抵抗７−２及び７−３の抵抗値についても同様に定める。

つぎに、第１の実施の形態のサージ防護装置の動作について詳細に説明する。
図３に、第１の実施の形態のサージ防護装置において、通常時に雷サージが侵入した場合の雷サージ電流の流れについての説明図を示す。

図中、雷サージが給電線に侵入した場合に流れる電流（雷サージ電流）を矢印で示す。雷サージ電流は、給電線４−４においては、ＳＰＤ分離器２−１を経てＳＰＤ１−１を通り、さらにスイッチング型ＳＰＤ６−１を通って（追加抵抗７−１へはほとんど流れない）、接地線４−１へ流れるため、雷サージ電流を正常に大地へ逃がすことができる。また、給電線４−３及び４−２についても同様に、それぞれ対応するＳＰＤ分離器２−２及び２−３と、ＳＰＤ１−２及び１−３と、スイッチング型ＳＰＤ６−２及び６−３を通って、接地線４−１へ流れるため、雷サージ電流を正常に大地へ逃がすことができる。

図４に、第１の実施の形態のサージ防護装置において、ＳＰＤ故障時の短絡電流の流れについての説明図を示す。
この図では、一例として、ＳＰＤ１−１が故障した場合のＳＰＤ１−１を通る短絡電流を矢印で示す。故障時に壊れたＳＰＤ１−１にかかる電圧は商用電源電圧程度のため、スイッチング型ＳＰＤ（ガス入り放電管型ＳＰＤ等）６−１、６−２及び６−３と他の２つの正常なＳＰＤ１−２及び１−３は絶縁状態である。そのためＳＰＤ１−１の短絡電流は接地線４−１へ追加抵抗７−１を通って流れる。このため、ＳＰＤ故障時の短絡電流が抑制される（Ｉ_（ＴＬ）以下に）ので、入力ブレーカ３より先に、ＳＰＤ分離器２−１が遮断される。よって、ＳＰＤ１−１の劣化状況（劣化時の抵抗値）に関わらず、故障したＳＰＤ１−１を保護対象装置１０への影響なしに給電系から分離することが可能になった。なお、ＳＰＤ１−２又は１−３が故障した場合も同様である。

図５に、第１の実施の形態のサージ防護装置において、ＳＰＤ故障時に雷サージが侵入した場合の雷サージ電流の流れについての説明図を示す。
この図では、一例としてＳＰＤ１−１が故障時に雷サージが給電線に侵入した場合に流れる電流（雷サージ電流）を、矢印で示す。このとき既に、ＳＰＤ分離器２−１が遮断の状態であり、ＳＰＤ１−１には雷サージ電流は流れない。雷サージ電流は、給電線４−３においては、ＳＰＤ分離器２−２を経てＳＰＤ１−２を通り、さらにスイッチング型ＳＰＤ６−２を通って（追加抵抗７−２へはほとんど流れない）、接地線４−１へ流れるため、雷サージ電流を正常に大地へ逃がすことができる。また、同様に、雷サージ電流は、給電線４−２においては、ＳＰＤ分離器２−３を経てＳＰＤ１−３を通り、さらにスイッチング型ＳＰＤ６−３を通って（追加抵抗７−３へはほとんど流れない）、接地線４−１へ流れるため、雷サージ電流を正常に大地へ逃がすことができる。

２．第２の実施の形態のサージ防護装置
図６は、接地線をもつ三線式給電方式（ＴＮ式）における第２の実施の形態の関連技術によるサージ防護装置の構成図である。
本発明の第２の実施の形態の関連技術によるサージ防護装置は、例えば図示のように、第１の実施の形態の図１１の構成に加えて、給電線４−２と４−３の間にＳＰＤ８−１とＳＰＤ分離器９−１を備える。また同様に、給電線４−３と４−４の間にＳＰＤ８−２とＳＰＤ分離器９−２を、給電線４−４と４−２の間にＳＰＤ８−３とＳＰＤ分離器９−３をそれぞれ備える。なお、ＳＰＤ８−１、８−２及び８−３、ＳＰＤ分離器９−１、９−２及び９−３の素子については、第１の実施の形態と同様である。

このようなサージ防護装置において、例えば、ＳＰＤ８−１及びＳＰＤ分離器９−１、ＳＰＤ８−２及びＳＰＤ分離器９−２、ＳＰＤ８−３及びＳＰＤ分離器９−３は、雷サージ電流が各給電線４−１又は４−２又は４−３間を流れる際の各給電線４−１、４−２及び４−３のインピーダンスの違いから生じる給電線間の電位差を無くすため、給電線４−２及び４−３間、給電線４−３及び４−４間、給電線４−４及び４−２間にそれぞれ取り付ける。これにより、３つの給電線４−２、４−３及び４−４と、接地線４−１間の電位差を等電位化できるため、各給電線４−２、４−３及び４−４配下にそれぞれあるＳＰＤ１−３、１−２及び１−１に、バランス良くサージ電流を流すことができる。

上述したようなサージ防護装置においても、ＳＰＤ分離器９−１、９−２及び９−３は保護対象装置１０の入力ブレーカ３下位に設置されるＳＰＤ８−１、８−２及び８−３にそれぞれ接続される。そのため、例えば、ＳＰＤ８−１が劣化して給電線間で短絡した場合、短絡電流は故障時のＳＰＤ８−１の内部抵抗値により決まり、故障時に流れる電流次第では、ＳＰＤ分離器９−１よりも保護対象装置１０の入力ブレーカ３が先に電路を遮断する場合がある。また、ＳＰＤ８−２及び８−３の場合も同様に、故障時に流れる電流次第では、それぞれ対応するＳＰＤ分離器９−２及び９−３よりも先に入力ブレーカ３が遮断する場合がある。

そこで、このような課題を解決すべく、以下に第２の実施の形態によるサージ防護装置について説明する。
図７は、第２の実施の形態によるサージ防護装置の構成図である。
第２の実施の形態によるサージ防護装置は、例えば、第１の実施の形態で示したような図１の構成に加えて、給電線４−２と４−３の間にＳＰＤ８−１と、ＳＰＤ分離器９−１と、スイッチング型ＳＰＤ１１−１と、抵抗１２−１とを備える。また同様に、給電線４−３と４−４の間にＳＰＤ８−２と、ＳＰＤ分離器９−２とスイッチング型ＳＰＤ１１−２と、抵抗１２−２とを、給電線４−４と４−２の間にＳＰＤ８−３と、ＳＰＤ分離器９−３と、スイッチング型ＳＰＤ１１−３と、抵抗１２−３とをそれぞれ備える。なお、ＳＰＤ１−１、１−２及び１−３と、ＳＰＤ分離器２−１、２−２及び２−３と、スイッチング型ＳＰＤ６−１、６−２及び６−３と、抵抗７−１、７−２及び７−３等の他の回路構成については、第１の実施の形態と同様である。また、ＳＰＤ８−１、８−２及び８−３、ＳＰＤ分離器９−１、９−２及び９−３、スイッチング型ＳＰＤ１１−１、１１−２及び１１−３、及び抵抗１２−１、１２−２及び１２−３の構成については、第１の実施の形態において説明したデバイスの構成と同様である。

ＳＰＤ分離器９−１又は９−２又は９−３にブレーカを用いた場合、ブレーカでは定格電流に対する電流の倍率と遮断時間の関係はブレーカの定格に関わらずほぼ同様な傾向があるため、定格電流が小さなものほど短絡電流による大電流の遮断、ならびに過電流による比較的小電流の遮断時間が短いため、雷サージへの耐量でブレーカ容量が決まると入力ブレーカ３との動作協調（例えば、入力ブレーカ３がＳＰＤ分離器９−１又は９−２又は９−３より先に遮断されること）の可否は入力ブレーカ３の容量により決まる。一方で、ヒューズはエレメント構造次第でさまざまな動作特性を実現でき、雷サージへの耐量と小電流の遮断性能を両立できるため、第２の実施の形態ではＳＰＤ分離器９−１又は９−２又は９−３にヒューズ（電流ヒューズ、温度ヒューズ等も含む）を使うことを前提としてもよい。第２の実施の形態では、主に、ＳＰＤ分離器９−１、９−２及び９−３として電流ヒューズを用いた例について説明する。なお、第１の実施の形態において記載したような電流ヒューズについての所定の機能を満たせば、適宜のブレーカを用いてもよい。

第２の実施の形態によるサージ防護装置の構成では、例えば、給電線４−２と４−３の間にＳＰＤ８−１と、ＳＰＤ分離器（電流ヒューズ等）９−１と、さらにスイッチング型ＳＰＤ１１−１とを直列接続し、スイッチング型ＳＰＤ１１−１に並列に追加抵抗１２−１を有する。なお、給電線４−３と４−４の間についても同様に、ＳＰＤ８−２と、ＳＰＤ分離器（電流ヒューズ等）９−２と、さらにスイッチング型ＳＰＤ１１−２とを直列接続し、スイッチング型ＳＰＤ１１−２に並列に追加抵抗１２−２を有する。また、給電線４−４と４−２の間についても同様に、ＳＰＤ８−３と、ＳＰＤ分離器（電流ヒューズ等）９−３と、さらにスイッチング型ＳＰＤ１１−３とを直列接続し、スイッチング型ＳＰＤ１１−３に並列に追加抵抗１２−３を有する。

なお、ＳＰＤ分離器９−１、９−２及び９−３又は、ＳＰＤ分離器９−１、９−２、９−３のいずれか又は複数には電流ヒューズの代わりに、劣化したＳＰＤ８−１又は８−２又は８−３の発熱を検知するためにＳＰＤ８−１又は８−２又は８−３近傍に取付けられた温度ヒューズ、あるいは、発熱体を内蔵した温度ヒューズを用いることも可能である。また、ＳＰＤ分離器９−１、９−２及び９−３と、ＳＰＤ８−１、８−２及び８−３の接続順序は逆でもよい。

第２の実施の形態では、抵抗１２−１、１２−２及び１２−３は、ＳＰＤ８−１又は８−２又は８−３が故障し商用電源電圧で短絡した場合の短絡電流を低減させる効果があり、ＳＰＤ８−１又は８−２又は８−３が故障した場合に推定される短絡電流がＩ_（ＴＬ）以下になるように追加抵抗１２−１、１２−２及び１２−３を選定する。例えば、追加抵抗１２−１の抵抗値は、ＳＰＤ８−１が故障して低抵抗値になった場合の短絡電流が、ＳＰＤ分離器９−１の遮断時間が入力ブレーカ３の遮断時間より小さくなるような電流値又は電流範囲とするような抵抗値に定める。これによって、短絡電流により、入力ブレーカ３より先にＳＰＤ分離器９−１が遮断されることになる。追加抵抗１２−２及び１２−３の抵抗値についても同様に定める。なお、保護対象装置１０の入力ブレーカ３とＳＰＤ分離用の電流ヒューズの遮断特性の関係については、第１の実施の形態の記載した、図２及びその説明箇所と同様である。

つぎに、第２の実施の形態のサージ防護装置の動作について詳細に説明する。
図８に、第２の実施の形態のサージ防護装置において、通常時に雷サージが侵入した場合の雷サージ電流の流れについての説明図を示す。

図中、雷サージが給電線に侵入した場合に流れる電流（雷サージ電流）を矢印で示す。例えば、給電線４−２又は４−３又は４−４に雷サージが侵入した場合、給電線間の各ＳＰＤ８−１、８−２及び８−３とスイッチング型ＳＰＤ１１−１、１１−２及び１１−３のうち複数が導通する。例えば、雷サージ電流は、給電線４−２においては、まずスイッチング型ＳＰＤ１１−１を経て（追加抵抗１２−２へはほとんど流れない）ＳＰＤ８−１を通り、さらにＳＰＤ分離器９−１を通って給電線４−３へ分流する。また、さらに、給電線４−３からＳＰＤ分離器９−２、ＳＰＤ８−２、スイッチング型ＳＰＤ１１−２を経て、給電線４−４に分流する。なお、他の給電線４−３及び４−４において雷サージ電流が流れた場合も同様に、給電線間に接続された適宜のルートを経て、各給電線に雷サージ電流が分流する。このため、３つの給電線４−２、４−３及び４−４と接地線４−１間の電位差が等電位化できるので、接地線４−１に接続されるＳＰＤ１−１、１−２及び１−３にバランスよくサージ電流を流すことができる。

図９に、第２の実施の形態のサージ防護装置において、ＳＰＤ故障時の短絡電流の流れについての説明図を示す。
この図では、一例として、ＳＰＤ８−３が故障した場合のＳＰＤ８−３を通る短絡電流を矢印で示す。給電線４−２及び４−４間に接続したＳＰＤ８−３が故障した場合、給電線４−２及び４−４間の電圧で低インピーダンスの短絡が起こり、大電流が流れる。故障時に壊れたＳＰＤ８−３にかかる電圧は商用電源電圧程度のため、他の２つの正常なＳＰＤ８−１及び８−２と、スイッチング型ＳＰＤ１１−１及び１１−２及び１１−３は絶縁状態である。そのためＳＰＤ８−３の短絡電流はＳＰＤ分離器９−３及び追加抵抗１２−３を通って流れる。このため、ＳＰＤ故障時の短絡電流が抑制される（Ｉ_（ＴＬ）以下に）ので、入力ブレーカ３より先に、ＳＰＤ分離器９−３が遮断される。よって、ＳＰＤ８−３の劣化状況（劣化時の抵抗値）に関わらず、故障したＳＰＤ８−３を保護対象装置１０への影響なしに給電系から分離することが可能になった。なお、ＳＰＤ８−１又は８−２が故障した場合も同様である。
また、ＳＰＤ１−１又は１−２又は１−３が故障した場合については、上述した第１の実施例の場合と同様である。

図１０に、第２の実施の形態のサージ防護装置において、ＳＰＤ故障時に雷サージが侵入した場合の雷サージ電流の流れについての説明図を示す。
この図では、一例としてＳＰＤ８−３が故障時に、雷サージが給電線に侵入した場合に流れる電流（雷サージ電流）を矢印で示す。例えば、給電線４−２又は４−３又は４−４に雷サージが侵入した場合、給電線間の各ＳＰＤ８−１及び８−２及びスイッチング型ＳＰＤ１１−１及び１１−２のうち複数が導通する。例えば、雷サージ電流は、給電線４−２においては、まずスイッチング型ＳＰＤ１１−１を経て（追加抵抗１２−２へはほとんど流れない）ＳＰＤ８−１を通り、さらにＳＰＤ分離器９−１を通って給電線４−３へ分流する。また、さらに、給電線４−３からＳＰＤ分離器９−２、ＳＰＤ８−２、スイッチング型ＳＰＤ１１−２を経て、給電線４−４に分流する。このとき既に、ＳＰＤ分離器９−３が遮断の状態であり、ＳＰＤ８−３には雷サージ電流は流れない。なお、他の給電線４−３及び４−４において雷サージ電流が流れた場合も同様に、故障しているＳＰＤ８−３以外のルートを経て、各給電線に雷サージ電流が分流する。このため、３つの給電線４−２、４−３及び４−４と接地線４−１間の電位差が等電位化できるので、接地線４−１に接続されるＳＰＤ１−１、１−２及び１−３にバランスよくサージ電流を流すことができる。

本発明は、例えば、電源側の接地と、対象機器の接地とが同一として設けられている様々なシステムに適用することができる。

第１の実施の形態によるサージ防護装置の構成図。 保護対象装置の入力ブレーカとＳＰＤ分離用の電流ヒューズの遮断特性例の図。 第１の実施の形態のサージ防護装置において、通常時に雷サージが侵入した場合の雷サージ電流の流れについての説明図。 第１の実施の形態のサージ防護装置において、ＳＰＤ故障時の短絡電流の流れについての説明図。 第１の実施の形態のサージ防護装置において、ＳＰＤ故障時に雷サージが侵入した場合の雷サージ電流の流れについての説明図。 接地線をもつ三線式給電方式（ＴＮ式）における第２の実施の形態の関連技術によるサージ防護装置の構成図。 第２の実施の形態によるサージ防護装置の構成図。 第２の実施の形態のサージ防護装置において、通常時に雷サージが侵入した場合の雷サージ電流の流れについての説明図。 第２の実施の形態のサージ防護装置において、ＳＰＤ故障時の短絡電流の流れについての説明図。 第２の実施の形態のサージ防護装置において、ＳＰＤ故障時に雷サージが侵入した場合の雷サージ電流の流れについての説明図。 接地線をもつ三線式給電方式（ＴＮ式）における従来のサージ防護装置の構成図。

符号の説明

１−１、１−２、１−３、８−１、８−２、８−３ ＳＰＤ
２−１、２−２、２−３、９−１、９−２、９−３ ＳＰＤ分離器
３ 入力ブレーカ
４−１ 接地線
４−２、４−３、４−４ 給電線
６−１、６−２、６−３、１１−１、１１−２、１１−３ スイッチング型ＳＰＤ
７−１、７−２、７−３、１２−１、１２−２、１２−３ 抵抗
１０ 保護対象装置

Claims (14)

1. 保護対象装置側で保護対象装置に電気を供給する非接地の第１の給電線と、
   電源側で接地され、保護対象装置側へ供給される接地線と、
   電源側の非接地の第２の給電線と、
   非接地の前記第１の給電線と前記第２の給電線との間に設けられ、前記第１の給電線と前記第２の給電線とを接続又は切離す入力ブレーカと、
   保護対象装置側の前記第１の給電線と前記接地線間に直列に設けられた、第１の分離器、及び、第１のサージ防護デバイス、及び、第１のスイッチング型サージ防護デバイスと第１の抵抗との第１の並列回路と、
   を備え、
   前記第１のサージ防護デバイスが故障時に前記第１のサージ防護装置を通る短絡電流を、前記第１の給電線から、前記第１の分離器、前記第１のサージ防護デバイス、前記第１の抵抗を介して、前記接地線へ電流値を抑制して流すことで、前記第１の分離器が前記入力ブレーカより先に切断されるようにしたサージ防護装置。
2. 前記第１の給電線からの雷サージを、前記第１の分離器、前記第１のサージ防護デバイス、及び、前記第１のスイッチング型サージ防護デバイスを介して、前記接地線へ流すようにしたことを特徴とする請求項１に記載のサージ防護装置。
3. 前記第１のサージ防護デバイスは、電圧制限型サージ保護デバイスであり、前記第１のスイッチング型サージ防護デバイスは、ガス入り放電管であることを特徴とする請求項１又は２に記載のサージ防護装置。
4. 前記第１の分離器は、電流ヒューズであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のサージ防護装置。
5. 前記第１の分離器は、温度ヒューズであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のサージ防護装置。
6. 前記温度ヒューズは、前記第１のサージ防護デバイスの漏れ電流による発熱で、前記第１のサージ防護デバイスを回路から切離すように構成されることを特徴とする請求項５に記載のサージ防護装置。
7. 少なくとも、前記第１の分離器、前記第１のサージ防護デバイス、前記第１の並列回路を、１つのユニットへまとめて一体化させた構造を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のサージ防護装置。
8. 前記第１の抵抗の抵抗値は、
   前記第１のサージ防護デバイスが故障して低抵抗値になった場合の短絡電流が、前記第１の分離器の遮断時間が前記入力ブレーカの遮断時間より小さくなるような電流値又は電流範囲とするような抵抗値に定められることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のサージ防護装置。
9. 保護対象装置側の非接地の第３の給電線と、
   前記入力ブレーカにより前記第３の給電線と接続又は切離される、電源側の非接地の第４の給電線と、
   保護対象装置側の前記第３の給電線と前記接地線間に設けられた、第２の分離器、及び、第２のサージ防護デバイス、及び、第２のスイッチング型サージ防護デバイスと第２の抵抗との第２の並列回路と、
   をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のサージ防護装置。
10. 一点接地系のＴＮ系統の給電系統に用いられることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載のサージ防護装置。
11. 保護対象装置側の前記第１の給電線と前記第３の給電線間に設けられた、第３の分離器、及び、第３のサージ防護デバイス、及び、第３のスイッチング型サージ防護デバイスと第３の抵抗との第３の並列回路と、
    をさらに備えたことを特徴とする請求項９又は１０に記載のサージ防護装置。
12. 保護対象装置側で保護対象装置に電気を供給する非接地の第１の給電線と、
    電源側で接地され、保護対象装置側へ供給される接地線と、
    電源側の非接地の第２の給電線と、
    非接地の前記第１の給電線と前記第２の給電線との間に設けられ、前記第１の給電線と前記第２の給電線とを接続又は切離す入力ブレーカと、
    保護対象装置側で保護対象装置に電気を供給する非接地の第３の給電線と、
    前記入力ブレーカにより前記第３の給電線と接続又は切離される、電源側の非接地の第４の給電線と、
    保護対象装置側で保護対象装置に電気を供給する非接地の第５の給電線と、
    前記入力ブレーカにより前記第５の給電線と接続又は切離される、電源側の非接地の第６の給電線と、
    保護対象装置側の前記第１の給電線と前記第３の給電線間に設けられた、第１の分離器、及び、第１のサージ防護デバイス、及び、第１のスイッチング型サージ防護デバイスと第１の抵抗との第１の並列回路と、
    保護対象装置側の前記第３の給電線と前記第５の給電線間に設けられた、第２の分離器、及び、第２のサージ防護デバイス、及び、第２のスイッチング型サージ防護デバイスと第２の抵抗との第２の並列回路と、
    保護対象装置側の前記第５の給電線と前記第１の給電線間に設けられた、第３の分離器、及び、第３のサージ防護デバイス、及び、第３のスイッチング型サージ防護デバイスと第３の抵抗との第３の並列回路と、
    を備え、
    前記第１又は第２又は第３のサージ防護デバイスが故障時に、前記第１又は第２又は第３のサージ防護装置を通る短絡電流を、それぞれ、前記第１又は第３又は第５の給電線から、前記第１又は第２又は第３の分離器、前記第１又は第２又は第３のサージ防護デバイス、前記第１又は第２又は第３の抵抗を介して、前記接地線へ電流値を抑制して流すことで、前記第１又は第２又は第３の分離器が前記入力ブレーカより先に切断されるようにしたサージ防護装置。
13. 前記第１及び第２及び第３の分離器は、電流ヒューズ又は温度ヒューズであることを特徴とする請求項１２に記載のサージ防護装置。
14. 前記第１又は第２又は第３の抵抗の抵抗値は、それぞれ、前記第１又は第２又は第３のサージ防護デバイスが故障して低抵抗値になった場合の短絡電流が、前記第１又は第２又は第３の分離器の遮断時間が前記入力ブレーカの遮断時間より小さくなるような電流値又は電流範囲とするような抵抗値に定められることを特徴とする請求項１２又は１３に記載のサージ防護装置。

Images