JP5220529B2 - サージ防護装置 - Google Patents
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Description
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。
さらに、特許文献3には、温度ヒューズ機能と電流ヒューズ機能からなる二つの切り離し機能を温度ヒューズと切り離し導体で機能分離したことにより、機械的強度に余裕のある温度ヒューズの選定が容易となり、過大サージに対して安定した遮断性能を発揮させる直撃雷用SPDが開示されている。
従来のサージ防護装置は、例えば図示のように、SPD1−1及び1−2と、温度ヒューズやブレーカ等による分離器2−1及び2−2と、入力ブレーカ3と、給電線4−1、4−2及び4−3と、スイッチング型SPD5と、SPD分離器17を備える。SPD分離器17は、例えば、各系統について過電流遮断機能を備えるブレーカである。保護対象装置10は、この例では、給電線4−1、4−3により給電される。なお、TT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それぞれ別の場所で取られていて、等電位化されていない給電方式である。
SPD分離器17にブレーカを用いる場合、SPD1−1又は1−2が劣化し、低抵抗体となった時に流れる故障電流次第ではSPD分離器17よりも保護対象装置10の入力ブレーカ3が先に遮断動作する場合がある。
また、雷サージに対する耐力を備えさせると、SPD分離器17の定格容量(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が取れない場合とは、例えば、入力ブレーカ3がSPD分離器17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17にブレーカを用いる場合、SPD1−1又は1−2に雷サージ電流が流れる時にはSPD分離器17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、SPDに加えてブレーカ(SPD分離器17)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。
このため、SPD分離器17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が劣化故障し給電線間に大電流(短絡電流)が流れた後、ヒューズ(SPD分離器17)が動作すると、遮断時に大きな跳ね上り電圧が発生し、保護対象装置10に過電圧が印加され装置が損傷する場合又は悪影響を与える場合がある。
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。
さらに、本発明は、SPD故障発生時の給電線からのSPD分離を定格電流の低いサーキットプロテクターで行うことで、遮断時にSPDに流れる最大電流が抑制できるとともに、サーキットプロテクターの機械的な接点の遮断時間が長いため、従来のSPD分離用ヒューズやブレーカで遮断時に発生していた急激な電流の時間変化で発生する誘導起電力が低減できることで、SPDを給電線から分離する時に発生する電圧跳ね上がりを低減することを目的のひとつとする。
保護対象装置側の第1の給電線、及び、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2の給電線と、
電源側で接地された第3の給電線、及び、電源側の非接地の第4の給電線と、
前記第1の給電線と接地された前記第3の給電線との間、及び、非接地の前記第2の給電線と前記第4の給電線との間に設けられ、前記第1の給電線と前記第3の給電線とを接続又は切離し、前記第2の給電線と前記第4の給電線とを接続又は切離す入力ブレーカと、
保護対象装置側の接地に接続されたスイッチング型サージ防護デバイスと、
保護対象装置側の前記第1の給電線と保護対象装置側の接地間に、前記スイッチング型サージ防護デバイスを介して直列に設けられた、遮断部の第1のスイッチ、第1の分離器及び第1のサージ防護デバイスと、
保護対象装置側の前記第2の給電線と保護対象装置側の接地間に、前記スイッチング型サージ防護デバイスを介して直列に設けられた、前記遮断部の第2のスイッチ、第2の分離器及び第2のサージ防護デバイスと、
前記第1の分離器と前記第1のサージ防護デバイスの直列回路に並列に設けられ、前記遮断部を遮断動作させる駆動部と、
を備え、
前記第2のサージ防護デバイスの故障時に、前記第2のサージ防護デバイスを通る短絡電流を、前記第2の給電線から、前記遮断部の第2のスイッチ、前記第2の分離器及び前記第2のサージ防護デバイス、前記駆動部を介して、前記第1の給電線へ流すことで、前記駆動部が前記遮断部の第1及び第2のスイッチを駆動して前記入力ブレーカより先に切断するようにした、サージ防護装置が提供される。
さらに、本発明によると、SPD故障発生時の給電線からのSPD分離を定格電流の低いサーキットプロテクターで行うことで、遮断時にSPDに流れる最大電流が抑制できるとともに、サーキットプロテクターの機械的な接点の遮断時間が長いため、従来のSPD分離用ヒューズやブレーカで遮断時に発生していた、急激な電流の時間変化で発生する誘導起電力が低減できることで、SPDを給電線から分離する時に発生する電圧跳ね上がりの低減することができる。
図1は、本実施の形態によるサージ防護装置の構成図である。
本実施の形態は、三線式給電方式(TT式)に適用した例である。なお、TT式とは、配電用トランスの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それぞれ別の場所で取られていて、接地が等電位化されていない給電方式である。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別の場所で取られている他の給電方式でも適宜適用することができる。
遮断部7は、例えば、サーキットプロテクター6からのトリップ信号(電磁力等)を受けて接点を切離す(OPENできる)スイッチである。また、遮断部7は、切離しコイルを含まない。
なお、サーキットプロテクター6及び遮断部7の接点の切離し手段については、切離しコイルの電磁力を用いた手段に限らず、適宜の電気・電子式、機械式の手段により遮断するようにしてもよい。
なお、分離器2−1、2−2及び2−3とSPD1−1、1−2及び1−3の接続順序はそれぞれ逆でもよい。また、SPD1−1、1−2及び1−3と、分離器2−1、2−2及び2−3と、スイッチング型SPD5と、サーキットプロテクター6と、遮断部7のうちいずれか複数又は全部を、1つのユニットへまとめて一体化した構造としてもよい。さらに、雷サージ電流のサーキットプロテクター6への分流を抑制するために、サーキットプロテクター6と直列に抵抗値の大きな抵抗体、あるいはインダクタンスの大きなコイル等、もしくはその両方を備えてもよい。
なお、給電線の数は、図示の例の数に限らなくてもよく、給電線の数に応じてSPD、分離器、遮断部のスイッチを各給電線に対して適宜備えることができる。
上述のように、本実施の形態によるサージ防護装置の構成では、接地された給電線(中性線)4−2と接地の間にSPD1−2及びSPD保護用の温度ヒューズ等を用いた分離器2−2と、サーキットプロテクター6との並列回路を取り付ける。サーキットプロテクター6は入力ブレーカ3と同様に、内部にコイルを内蔵しており、入力ブレーカ3に比べ、定格電流が小さいのでコイルのインダクタンスが大きい。そのため、雷サージ電流がSPD1−1又は1−2又は1−3へ流れた場合は、周波数の高い雷サージ電流は、中性線ではほとんどがSPD1−2側を流れ、サーキットプロテクター6にはほとんど電流が流れない。また、SPD故障で給電線間を流れる故障電流(短絡電流)は、入力ブレーカ3よりも定格電流の小さい中性線のサーキットプロテクター6側を流れるため、入力ブレーカ3が遮断動作する前にサーキットプロテクター6が遮断動作することで、SPD1−1又は1−3故障時に保護対象装置10への給電へ影響なくSPD1−1、1−2及び1−3を給電線4−3、4−2及び4−1から切離すことができる。ここで、定格電流とは、例えば、ブレーカが切れない(トリップしない)上限の電流等で定義される。なお、サーキットプロテクター6の動作及びサーキットプロテクター6と入力ブレーカ3との動作協調の詳細については後述する。
図2に、本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。
接地されていない給電線4−1又は4−3へ侵入した雷サージ電流は、SPD1−1又は1−3を通り、さらにスイッチング型SPD5を通り接地極へ流れることで、雷サージ電流を正常に大地へ逃がすことができる。また、接地された給電線4−2についても、サーキットプロテクター6では過電流引き外し用のコイルによる内部インダクタンスが大きく、高い周波数の電流が流れにくいため、雷サージ電流のほとんどはSPD1−2を通り、さらにスイッチング型SPD5を経て接地へ流れることで、雷サージ電流を正常に大地へ逃がすことができる。これにより、本実施の形態のサージ防護装置では、保護対象装置10を雷サージから守ることができる。
また、サーキットプロテクター6へ分流する雷サージ電流でサーキットプロテクター6が誤動作するようであれば、例えば、サーキットプロテクター6に対して直列に抵抗値の大きな抵抗体、あるいはインダクタンスの大きなコイル等、もしくはその両方を備えることでサーキットプロテクター6に分流する電流を低減させることができる。
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。
故障したSPD1−1にかかる電圧は商用電源電圧のため、接地とSPD1−1間に接続されるスイッチング型SPD(GDT:ガス入り放電管型SPD)5と他の正常な二つのSPD1−2及び1−3は高抵抗のため電流が流れない。従って、故障電流は、接地された給電線4−2へサーキットプロテクター6側を通って流れる。そのため、中性線のサーキットプロテクター6は、SPD1−1又は1−3の故障電流により(故障を検知し)、サーキットプロテクター6と連動する遮断機能を備えた遮断部7でSPD1−1、1−2及び1−3と給電線4−3、4−2及び4−1間を遮断させる。このとき、サーキットプロテクター6は、入力ブレーカ3に比べ定格電流が小さいため入力ブレーカ3より先に遮断する。なお、サーキットプロテクター6内部に接点を有する場合も同様に、内部コイルで発生する電磁力によって接点を切離すことができる。
これにより、本実施の形態のサージ防護装置は、SPDの故障状況(抵抗値)によらずに、保護対象装置10への給電に影響なくSPD1−1、1−2及び1−3を給電線4−3、4−2及び4−1より遮断できるようになる。また、SPD1−1、1−2及び1−3と給電線4−3、4−2及び4−1の間に接続された遮断部7には、切離しコイルの無いスイッチを使用するため、SPD1−1又は1−2又は1−3に雷サージが流れた時に遮断部7で生じる過電圧を低減することが可能である。
(1)動作協調(保護協調)
図4は、入力ブレーカとサーキットプロテクターの動作協調の説明図である。
一般的にサーキットプロテクター6と入力ブレーカ3について、定格電流に対する倍率と遮断時間の関係(特性)は類似しているため、サーキットプロテクター6と入力ブレーカ3の動作協調(保護協調)は、定格電流が小さいものほど、故障電流が小さい場合でも、大きい場合でも速く動作する。つまり、ブレーカは定格電流が大きいほど大電流ならびに、小電流の遮断時間が長いため、定格電流の低いブレーカは高いブレーカよりも早く動作するので、本実施の形態では、サーキットプロテクター6は、入力ブレーカ3より定格電流が低いものを選定する。これにより、サーキットプロテクター6は、入力ブレーカ3よりも早く遮断することができる(動作協調、保護協調)。
(2)温度ヒューズ
分離器2−1及び/又は2−2及び/又は2−3として、例えば、温度ヒューズを用いる場合、分離器用の温度ヒューズは、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、温度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。なお、SPD1−1又は1−2又は1−3の故障時は、上述のようにある程度の電流(故障電流)により、遮断部7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。
・温度ヒューズ(SPD分離器2−1又は2−2又は2−3)が切れる場合は、例えば、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、且つ、サーキットプロテクター6が動作しない(遮断部7が切れない)場合が想定される。例えば、サーキットプロテクター6の定格電流以下の漏れ電流が流れている場合等が挙げられる。
(3)遮断特性
図5に、遮断特性についての説明図を示す。
一般に、アンラッチングタイムとは、ある過電流がある時間NFB(No Fuse Breaker)に流れた場合、動作に至らない最大の過電流通電時間をいう。入力ブレーカ3とサーキットプロテクター6の動作協調を確保するためには、さらに、入力ブレーカ3のアンラッチングタイムをサーキットプロテクター6の動作特性曲線とクロスしないように長くすればよい。例えば、短限時引き外し特性をもつノーヒューズブレーカー(NFB)や、そのように調整可能な電子式NFB等を用いることができる。
2−1、2−2、2−3 分離器
3 入力ブレーカ
4−1、4−2、4−3 給電線
5 スイッチング型SPD
6 サーキットプロテクター(駆動部)
7 遮断部
7−1、7−2、7−3 スイッチ
10 保護対象装置
17 SPD分離器
Claims (15)
- 保護対象装置側の第1の給電線、及び、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2の給電線と、
電源側で接地された第3の給電線、及び、電源側の非接地の第4の給電線と、
前記第1の給電線と接地された前記第3の給電線との間、及び、非接地の前記第2の給電線と前記第4の給電線との間に設けられ、前記第1の給電線と前記第3の給電線とを接続又は切離し、前記第2の給電線と前記第4の給電線とを接続又は切離す入力ブレーカと、
保護対象装置側の接地に接続されたスイッチング型サージ防護デバイスと、
保護対象装置側の前記第1の給電線と保護対象装置側の接地間に、前記スイッチング型サージ防護デバイスを介して直列に設けられた、遮断部の第1のスイッチ、第1の分離器及び第1のサージ防護デバイスと、
保護対象装置側の前記第2の給電線と保護対象装置側の接地間に、前記スイッチング型サージ防護デバイスを介して直列に設けられた、前記遮断部の第2のスイッチ、第2の分離器及び第2のサージ防護デバイスと、
前記第1の分離器と前記第1のサージ防護デバイスの直列回路に並列に設けられ、前記遮断部を遮断動作させる駆動部と、
を備え、
前記第2のサージ防護デバイスの故障時に、前記第2のサージ防護デバイスを通る短絡電流を、前記第2の給電線から、前記遮断部の第2のスイッチ、前記第2の分離器及び前記第2のサージ防護デバイス、前記駆動部を介して、前記第1の給電線へ流すことで、前記駆動部が前記遮断部の第1及び第2のスイッチを駆動して前記入力ブレーカより先に切断するようにした、サージ防護装置。
- 前記第1の給電線からの雷サージを、前記遮断部の第1のスイッチ、前記第1の分離器、前記第1のサージ防護デバイス、及び、前記スイッチング型サージ防護デバイスを介して、又は、前記第2の給電線からの雷サージを、前記遮断部の第2のスイッチ、前記第1の分離器、前記第2のサージ防護デバイス及び前記スイッチング型サージ防護デバイスを介して、保護対象装置側の接地へ流すことを特徴とする請求項1に記載のサージ防護装置。
- 前記第1及び第2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ることを特徴とする請求項2又は3に記載のサージ防護装置。
- 保護対象装置側の非接地の第5の給電線と、
前記入力ブレーカにより、前記第5の給電線とを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5の給電線と保護対象装置側の接地間に前記スイッチング型サージ防護装置を介して直列に設けられた、前記遮断部の第3のスイッチ、第3の分離器及び第3のサージ防護デバイスと、
をさらに備え、
前記第3のサージ防護デバイスの故障時に、前記駆動部が前記遮断部の第1〜第3のスイッチを駆動して前記入力ブレーカより先に切断するようにした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。
- 分離接地系のTT系統の給電系統で用いられることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載のサージ防護装置。
- 前記駆動部は、定格電流が保護対象装置の前記入力ブレーカよりも低く、かつ、雷サージ電流の分流で誤動作しないような大きさのインダクタンスを持たせたことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載のサージ防護装置。
- 前記遮断部及び前記駆動部による構成及び前記入力ブレーカは、短限時引き外し特性を持つ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。
- 遮断時間と電流との関係を表す動作特性において、少なくとも瞬時引き外し電流以下の長限時引き外し領域及び/又は短限時引き外し領域で、前記遮断部及び前記駆動部の遮断時間が、前記入力ブレーカの遮断時間より短い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。
- 遮断時間と電流との関係を表す動作特性において、前記遮断部及び前記駆動部による構成の瞬時引き外し領域での遮断時間を、前記入力ブレーカの瞬時引き外し領域でのアンラッシングタイムより短くすることで、前記入力ブレーカのアンラッシングタイムを、前記遮断部及び前記駆動部による構成の動作特性とクロスしないようにし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。
- 前記駆動部と直列に設けられ、雷サージ電流の前記駆動部への分流を抑制するために抵抗値の十分大きな抵抗体、又は、インダクタンスの十分大きなコイル、又は、該抵抗体及び該インダクタンスの両方を備えた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。
- 前記駆動部は、さらに内部のコイルに直列に設けられ、該コイルにより遮断動作するスイッチを備えたことを特徴とする請求項1乃至10のいずれかに記載のサージ防護装置。
- 前記遮断部及び前記駆動部による構成及び前記入力ブレーカは、電磁式ノーヒューズブレーカ又は電子式ノーヒューズブレーカであることを特徴とする請求項1乃至11のいずれかに記載のサージ防護装置。
- 前記第1及び第2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12のいずれかに記載のサージ防護装置。
- 前記温度ヒューズは、前記第1及び第2のサージ保護デバイスの定格電流より小さい電流領域で、前記第1及び第2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及び第2のサージ防護デバイスを回路から切離すように構成したことを特徴とする請求項13に記載のサージ防護装置。
- 少なくとも、前記遮断部、前記第1及び第2の分離器、前記第1及び第2のサージ防護デバイス、前記駆動部、前記スイッチング型サージ防護デバイスのうち、いずれか複数又は全てを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14のいずれかに記載のサージ防護装置。
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