JP5200100B2 - 落雷及び過電圧から保護するための装置及びモジュール - Google Patents

Description

本発明は、２つの電極を有し、絶縁材料からなる円筒状部の両側端面がガス密に密閉されるように形成されたチャンバー内部で放電空間が定められている形式の落雷及び過電圧から保護するための装置並びにこの装置を用いたモジュールに関している。

この種の装置は例えば外部導線がそれぞれ１つの避雷器を介して中性線に接続されている、主電流供給システムにおける落雷及び／又は過電圧保護装置として設けられている。この種の装置は放電装置若しくはサージアレスタとも称される。

アレスタは一般に生物に対する危機の回避や装置機器類の損傷あるいは焼損の危険性を回避するために用いられている。落雷／過電圧保護の目的は、１.５ｋＶの保護レベルまでの過電圧の低減であり、５０ｋＡまでの衝撃電流のアースである。この場合には特別な安全間隔や積極的な耐火手段の考慮なしで典型的な装置への組み込みが可能となるように、爆発的な火炎や衝撃波が回避されなければならない。消弧能力や商用周波数ベースの続流の制限は、家庭用メインヒューズのトリガが引き起こされない程度にする必要がある。最終的には標準化されたアッセンブリシステムへの互換性と気候の変動や汚染に対する丈夫さも求められる。

この種の落雷及び過電圧保護装置の典型的な特性データは次の通りである。
・Ｄ.Ｃ.スパークオーバー電圧Ｕ_ag＞６００Ｖ
・５ｋＶ/μｓの電圧上昇のもとでのサージスパークオーバー電圧Ｕ_as≦１.５ｋＶ
・８/２０μｓと１０/３５０μｓの標準サージ電流曲線に対して５０ｋＡの定格サージ電流ｉ_sn
・１５倍の負荷率並びに商用周波数ベースの続流≦５０ｋＡ。

アレスタがトリガされると燃焼生成物を生成するアークが発生する。この燃焼生成物は、蒸着作用によってセラミックないし絶縁材料の円筒状部内壁へ堆積され絶縁不良を引き起こす。

保護機能を満たすためには、動的なスパークオーバー電圧の低さが求められる。仮に傾斜状の５ｋＶ/μｓの上昇電圧が印加されるならば、装置全体で１５００Ｖの値が要求される。これは個々のアレスタ毎にこの保護レベルが必要であることを意味し、その他の特性データからも何らかの点弧支援が必要であることが示される。点弧特性の改善の道としてイグニッションストリップ、例えばグラファイト性の点弧ストリップの導入が考えられる。この点弧ストリップは一次側充電媒体として用いられ、電界をバイアスし、円筒状部内壁のセラミック表面に沿った沿面放電を介して動的な点弧特性を向上させる。

本発明の課題は、冒頭に述べたような形式の装置において、前述したような従来装置で求められていた特性データを容易に達成し、あるいはそれを上回る能力を提供することである。

前記課題は、独立請求項の特徴部分に記載された本発明によって解決される。本発明の別の有利な実施形態は従属請求項に記載されている。

本発明の落雷及び過電圧から保護するための装置は、
２つの電極を有し、
絶縁材料からなる円筒状部の両側端面がガス密に密閉されように形成されたチャンバー内部で放電空間が定められている。

本発明によれば、前記チャンバーの内部において前記円筒状部と前記電極の少なくとも１つのコンタクト領域に少なくとも１つの段部が設けられ、それによって前記チャンバーが円筒状部の内壁を越えて延在するように構成されている。

前記電極は有利には銅または銅合金からなっている。前記チャンバーは全体がガス密に密閉された内部空間であり、この空間は円筒状部と電極の蝋付けないし密閉処理の後に生じる。放電空間は基本的にはこのチャンバー領域であるが、しかしながら落雷及び過電圧からの保護のためのエネルギー放電は、互いに僅かな間隔をおいて対峙している電極表面間で、特に装置中央領域の放電区間において行われる。コンタクト領域としては、円筒状部端面側の領域が用いられ、そこでは基本的に円筒状部が電極と接続ないし蝋付けされる。それによりこのコンタクト領域は少なくとも円筒状部内壁の厚さを越えて延在する。

前記段部により、絶縁区間はそれぞれの電極方向で少なくとも当該段部の長さと高さ分だけ延長される。これにより衝撃電流や続流放電負荷が繰り返されても当該装置ないしアレスタの高い絶縁レベルが全寿命期間に亘って達成される。

有利には前記段部は円筒状部の端面側内壁に配設される。代替的にまたは補足的に前記段部は少なくとも複数の電極のうちの１つに配設される。

点弧支援、特にグラファイトからなる点弧ストリップのような点弧支援手段は（これは円筒状部の内壁に被着されており、有利な実施形態によれば円筒状部の端面側の内壁まで延在している）、当該装置ないしアレスタの点弧特性と負荷耐力の向上に寄与している。この点弧支援手段はアレスタの動的な点弧特性を改善しており、この手段は特に一次側充電媒体として提供され、電界をバイアスし、セラミック性円筒状部の表面に沿った沿面放電を向上させる。

代替的に若しくは補足的に前記点弧支援手段は、電極が点弧特性をよくする活性剤でペーストされるように設けられる。

さらに有利には装置の点弧特性は、前記点弧支援手段が円筒状部の内壁にて当該円筒状部の端面側内壁の段部まで延在しているとさらに向上する。それにより点弧ストリップの端部と金属化された電極との間の間隔が調整でき、点弧ストリップの機能が最適となるように僅かに保たれる。特に有利には、前記点弧支援手段は移行領域において円筒状部の内壁から円筒状部の端面側内壁まで拡幅される。

別の有利な実施例によれば、点弧ストリップの幾何学形態は、アレスタの動的な点弧特性がさらに向上するように構成されている。

有利な実施形態によれば、そのように形成された点弧ストリップは、円筒状部の内周面に亘って４５°の間隔で分散されてもよい。

前記装置は次のように構成される。すなわち複数の同種の装置の積層が可能となるように構成される。それにより簡単な形式で個別に交換可能でありかつ異なるスパークオーバー電圧を有する複数の装置を備えたモジュールを構築することが可能となる。

有利な実施形態によれば、前記複数の電極の少なくとも１つがカップ状の領域もビッド状の領域も有している。それらの領域は、円筒状部と電極のコンタクト平面のそれぞれ両側で装置の長手方向に延在している。これは特に有利な積層を可能にする。なぜならば２つの隣接するアレスタの中央電極を１つ存在させるだけで、両方のアレスタの電極として利用することができるからである。

別の有利な実施形態によれば、これらのアレスタは、複数の電極が装置の横軸に関してミラーリングされるように構成される。このことはそのように形成されるモジュールの効果的な積層化を僅かな寸法で可能にする。

１つのモジュールでは、複数の装置ないしアレスタが直列に接続される。特に省スペースとなるのは、２つの直列に接続された装置が１つの共通の中央電極を有することである。この共通の中央電極は２つの装置の各々における２つの電極のうちの１つとして構成される。

複数の直列に接続されたアレスタからなるモジュールの特性は、それらの直列に接続された複数の装置のうちの一部に対して並列にバリスタが接続されている場合に最適化される。また必要に応じて複数のバリスタを複数のアレスタとの組合わせで並列に接続させるようにしてもよい。

モジュールの有利な実施形態によれば、異なるスパークオーバー電圧を備えた複数のアレスタが直列に接続される。

ガス密に密閉されたケーシングを備えた１つ若しくは複数のアレスタの利用は、爆発的な火炎や衝撃波の発生を回避させる。

異なる特性を備えた複数のアレスタの直列接続によって、要求されるＤ.Ｃ.スパークオーバー電圧、サージスパークオーバー電圧、商用周波数レベルの続流の克服を可能にする。複数の素子の直列接続に対する、それらに並列に設けられたバリスタとの付加的な接続構成は、所要のＤ.Ｃ.スパークオーバー電圧、サージスパークオーバー電圧のニーズに対する特性の改善につながる。個々のアレスタの高いアーク電圧は商用周波数の続流を制限する。

装置の高い熱容量（特に銅製電極が使用されている場合）と充填ガスの良好な熱伝導性によってアーク放電が効果的に冷却され、消弧特性が向上する。

本発明によるモジュールはモジュール両側に配設される２つの導電性保持部を備えた保持装置を含んでおり、前記保持部は隔離がいしによって接続され、当該モジュールをクランプしている。アレスタのできるだけ低い構造高さと、必要に応じてコンタクト要素間で把持される１つのモジュール内での複数のアレスタの直列接続によって当該装置の簡単な組付けが可能となる。

アレスタ自体の構造と複数のアレスタのモジュール形態によって当該装置の最適化が可能となる。点弧ストリップの利用とその幾何学形態は装置の所定のスパークオーバーを可能にする。

複数のアレスタとバリスタの組合わせは、保護すべき設備のさらなる保護に寄与する。

以下では前述した本発明の実施例を図面に基づき詳細に説明する。

なおこれらの図面では必ずしも縮尺通りに把握する必要はない。それどころか一部ではより見やすくする理由から個々の寸法を拡大ないし縮小、あるいは破断した状態で示してある。また相互に同じ構成要素あるいは相互に同じ機能の構成要素には同じ若しくは類似した参照番号が付されている。

絶縁材料からなる円筒状部内に段部を備えたアレスタを示した図 ２つの電極の各々に段部を備えたアレスタを示した図 内壁と段部に点弧ストリップを有している段部を備えたアレスタを示した図 図１ｃによる円筒状部の透視図 積層されたアレスタの直列接続構成からなる第１のモジュールを示した図 積層されたアレスタの直列接続構成からなる第２のモジュールを示した図 アレスタに対して複数のバリスタが並列に設けられているモジュールの代替回路図を示した図 アレスタに対して複数のバリスタが並列に設けられているモジュールの代替回路図を示した図 アレスタに対して複数のバリスタが並列に設けられているモジュールの代替回路図を示した図 固定台に複数のバリスタを有している第３のモジュールを示した図

図１ａによるアレスタはケーシングを含んでおり、このケーシングは、絶縁材料、例えばＡｌ₂Ｏ₃などのセラミック性絶縁材料からなる円筒状部１と、特に有利な通流特性と高い熱伝導性を備えた例えば銅からなる２つの電極２，３で形成されている。これらの電極は特に対称的である。ケーシングによって形成されたチャンバー７の内部には放電空間が存在している。セラミック内部の段部４によってインパルス電流や続流放電の負荷が繰り返されてもアレスタの高い絶縁レベルがその全寿命期間に亘って十分に保証される。この段部は電極間の壁面側絶縁区間を延長させるものである。図１ｂによれば、アレスタの別の実施例として、例えばＡｌ₂Ｏ₃からなるセラミック性の絶縁材料の円筒状部１１と、特に有利な通流特性と高い熱伝導性を備えた２つの電極２１，３１から形成されたケーシングが含まれている。これらの電極は特に対称的である。前記ケーシングによって形成されているチャンバー７１内部には放電空間が存在している。これらの電極内のそれぞれ１つの段部４１によってインパルス電流や続流放電の負荷が繰り返されてもアレスタの高い絶縁レベルがその全寿命期間に亘って十分に保証される。この段部は電極間の壁面側絶縁区間を延長させるものである。

図１ａ及び図１ｂに示されている実施例によれば、アレスタは例えば３０ｍｍの外径Ｄと、例えば３ないし４ｍｍの高さＨを有している。

前記セラミック内の段部４若しくは前記電極内の段部４１は、アレスタ内部でのアーク放電の際の蒸着層の一貫性を防いでいるので、作用の低下若しくは消失に結び付くアレスタの絶縁問題を防止する。

ケーシングの内壁面へのイグニッションストリップ５ないし５１の使用と活性材を用いた電極のペースト化によって、アレスタの点弧特性と耐負荷性はさらに最適化される。

この場合各アレスタのイグニッションストリップないし装置の機能については、イグニッションストリップとアレスタの金属化された電極との間の間隔が重要となる。図１ａによる実施形態では、有利にはセラミック内の段部内までのイグニッションストリップの成形が行われている。なぜならイグニッションストリップの固着性が向上するからである。これによりイグニッションストリップから電極までの経路が最適化される。

図１ｃには円筒状部の内壁、詳細には段部４に接しているイグニッションストリップ５２が示されており、図１ｄにはその透視図が示されている。円筒状部の内壁と段部４の間の縁部領域では当該イグニッションストリップが拡幅されている。もちろんその他のイグニッションストリップ形態が設けられていてもよい。金属化部６は電極の一方との密閉性の蝋付けのために、円筒状部端面側の一部に被着される。

この蝋付けの後では（この期間中は有利には熱伝導性が高くて絶縁耐性の設定調整も圧力に応じて容易にできるガス混合気、例えばＡｒ／Ｈ₂／Ｎｅガス混合気が用いられる）、予め調整された静的及び動的点弧特性と高いアーク電圧特性を備えた十分に気密密閉されたガス充填型のアレスタが得られるようになる。

より高い電圧と落雷からの保護を得るために、有利には図１ａまたは図１ｂによるアレスタを複数個直列に接続して１つのモジュールが作られる。構造部容積量の最適化と作成プロセスの最適化のために、図２若しくは図３によるさらなる実施例が提案されている。そこでは絶縁セラミック１２，１４，１６，１８が電極２２，２３に対して段部を有しており、あるいは絶縁セラミック１３，１５，１７電極２３ａ，２３ｂに対して段部を有している。

図２及び図３によれば、前記電極のうちの少なくとも１つはカップ状領域２５，３５，ないし２７，２８も、ビード状領域２４，３４ないし２６も有している。それらの領域は、円筒状部と電極のコンタクト平面のそれぞれ両側で当該装置の長手方向に延在している。このことは特に効果的な積層構成を可能にする。なぜならば２つのアレスタの中央電極２５ないし２８を１つ存在させるだけで両方のアレスタに割当てられる電極として使用できるからである。

これらのアレスタは、複数の電極が装置の横軸に関してミラーリングされるように構成される。このことはそのように形成されるモジュールの効果的な積層化を僅かな寸法で可能にする。

図２ないし図３によるモジュールでは、複数の装置ないし複数のアレスタが直列に接続されている。２つの直列に接続された装置が共通の中央電極（これは２つの装置ないしアレスタの各々において２つの電極のうちの一方として形成される）を有するならば、特に省スペースな構成となる。

図４による装置全体は、同じ特性を有している（ＦＳ２００）または異なる特性を有している、例えば２００Ｖ若しくは６００Ｖのフラッシュオーバー電圧を有する、個々のアレスタＦＳ２００，ＦＳ６００が直列接続された構成からなっている。異なる区間部分の極端な接続構成は有利である。この接続構成は有利にはバリスタＶ１，Ｖ２，Ｖ３を用いて行われる。しかしながらそれらは別の方式でも目的を達成し得る。動的な負荷のもとでは１つ若しくはそれ以上の個々のアレスタにおいて迅速な電位増加を達成し得る。

図４ａには、Ｕ_ag＝２００Ｖの６つの構成素子ＦＳ２００と、Ｕ_ag＝６００Ｖの１つの構成素子ＦＳ６００が２５０ＶのバリスタＶ１と４２０ＶのバリスタＶ２が組合わされている有利な実施形態が示されている。図４ｂには、図４ａと同じようなアレスタ装置が示されているが、但しここではそれぞれ２００Ｖの２つのバリスタＶ３が用いられており、これらは直列に接続された３つのアレスタＦＳ２００に対してはそれぞれ並列に接続され、相互には直列に接続されている。図４ｃにも図４ａと同じようなアレスタ装置が描写されているが、但しここでは６つのアレスタＦＳ２００に対して並列に接続された４２０Ｖの１つのバリスタＶ２が用いられているだけである。

図５には、個々のアレスタＦＳ２００，ＦＳ６００の直列接続構成が示されており、この構成は有利には、標準化されたバスバーシステムへの容易な取付け性を考慮した導電性のクランプ状保持部６１，６２，６３によるクランピングによって実現できる。前記保持部６１と６２は、隔離がいしによって相互に絶縁されている。バリスタＶはアレスタＦＳ２００に並列に接続されている。

前記クランピングは、個々のアレスタが変更可能若しくは交換可能な適用ケースにおける電気的な特性への容易なマッチングを可能にし、異なる区間部分の極端な接続構成を可能にする。この接続構成は有利には複数のバリスタを用いて行われるが、しかしながらそれ以外の方式であっても目的を達成することが可能である。例えば動的な負荷のもとで１つ以上の個々のアレスタにおける迅速な電位上昇を達成することが可能である。

Claims (10)

1. 落雷及び過電圧から保護するための装置であって、
   ２つの電極（２，３；２１，３１；２２，３２）を有し、
   絶縁材料からなる円筒状部（１；１１；１２）の両側端面がガス密に密閉されように形成されたチャンバー内部で放電空間（７；７１）が定められている形式の装置において、
   前記チャンバーの内部において前記円筒状部（１；１１；１２）と前記電極（２，３；２１，３１；２２，３２）の少なくとも１つのコンタクト領域に少なくとも１つの段部（４；４１；４２）が設けられ、それによって前記チャンバーが前記円筒状部（１；１１；１２）の内壁を越えて延在し、
   前記段部（４；４１；４２）は、前記円筒状部（１；１１；１２）の端面側の内壁及び／又は前記複数の電極（２，３；２１，３１；２２，３２）の少なくとも１つに配設されており、
   前記円筒状部（１；１１；１２）の内壁は、点弧支援手段（５；５１）を有しており、該点弧支援手段（５；５１）は前記円筒状部（１；１１；１２）の端面側内壁まで延在しており、
   さらに、前記点弧支援手段（５１，５２）は、ストリップ形状であり、前記円筒状部（１；１１；１２）の端面側内壁の段部（４；４１；４２）まで延在していることを特徴とする装置。
2. 落雷及び過電圧から保護するための装置であって、
   ２つの電極（２，３；２１，３１；２２，３２）を有し、
   絶縁材料からなる円筒状部（１；１１；１２）の両側端面がガス密に密閉されように形成されたチャンバー内部で放電空間（７；７１）が定められている形式の装置において、
   前記チャンバーの内部において前記円筒状部（１；１１；１２）と前記電極（２，３；２１，３１；２２，３２）の少なくとも１つのコンタクト領域に少なくとも１つの段部（４；４１；４２）が設けられ、それによって前記チャンバーが前記円筒状部（１；１１；１２）の内壁を越えて延在し、
   前記段部（４；４１；４２）は、前記円筒状部（１；１１；１２）の端面側の内壁及び／又は前記複数の電極（２，３；２１，３１；２２，３２）の少なくとも１つに配設されており、
   前記円筒状部（１；１１；１２）の内壁は、点弧支援手段（５；５１）を有しており、該点弧支援手段（５；５１）は前記円筒状部（１；１１；１２）の端面側内壁まで延在しており、
   さらに前記点弧支援手段（５；５１）は移行領域において前記内壁から前記円筒状部（１；１１；１２）の端面側の内壁まで拡幅されていることを特徴とする装置。
3. 前記装置は、複数の同種の装置の積層化が可能となるように構成されている、請求項１または２記載の装置。
4. 前記複数の電極の少なくとも１つは、カップ状の領域（２５，３５）とビード状の領域（２４，３４）も有しており、それらの領域は、円筒状部と電極のコンタクト平面のそれぞれ両側で装置の長手方向に延在している、請求項３記載の装置。
5. 前記電極は、装置の横軸に関してミラーリングされる、請求項１から４いずれか１項記載の装置。
6. 請求項１から５いずれか１項記載の直列に接続された複数の装置（ＦＳ２００，ＦＳ６００）が含まれていることを特徴とするモジュール。
7. 直列に接続された２つの装置は、共通の中央電極（３２，３５，３６；２８）を有しており、該共通の中央電極は２つの装置の各々の２つの電極のうちの１つとして構成されている、請求項６記載のモジュール。
8. モジュールの両側に配設される２つの導電性保持部（６１，６２）を備えた保持装置が含まれており、前記保持部は隔離がいし（６３）によって接続され、当該モジュールをクランプしている、請求項６または７記載のモジュール。
9. 前記直列に接続された複数の装置の少なくとも一部に対して並列にバリスタ（Ｖ；Ｖ１，Ｖ２；Ｖ３）が接続されている、請求項６から８いずれか１項記載のモジュール。
10. 前記複数の装置は異なるフラッシュオーバー電圧を備え、直列に接続されている、請求項６から９いずれか１項記載のモジュール。

Images