JP5220561B2 - 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（サージ防護デバイス）は、過渡的な過電圧を制限し、雷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ある。ＳＰＤ（電圧制限型避雷素子）を構成する非線形素子は、素子にかかる両端電圧で抵抗値が変化し、素子両端に電圧がない場合は抵抗が高く、ほとんど導通しないが、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し、給電線と（機器）接地間に大きな電圧が印加されると、ＳＰＤが低抵抗になり、給電線の雷サージ電流が（機器）接地へ分流し、保護対象装置を過電圧から防護することができる。
しかし、ＳＰＤは劣化すると、通常状態の商用電源入力でも漏れ電流を生じ、ＳＰＤが過熱され熱暴走した後、給電線間が低抵抗で短絡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の規定では、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ＳＰＤと直列に設けることを推奨している。
ＳＰＤ分離器は、保護対象装置の入力ブレーカであるＮＦＢ（Ｎｏ Ｆｕｓｅ Ｂｒｅａｋｅｒ：過電流遮断器）やＮＶ（国際規格（ＩＥＣ６０９４７−２）におけるＣｉｒｃｕｉｔ−ｂｒｅａｋｅｒｓ ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｎｇ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｃｕｒｒｅｎｔ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ：漏電遮断器）の負荷側に設置されるＳＰＤ用の保護装置である。ＳＰＤが劣化し、低抵抗体となった時に流れる故障電流により、ＳＰＤを給電線から分離するために、従来のＳＰＤ分離器にはヒューズやＮＦＢが広く用いられてきた。
従来技術として、特許文献１には、平常運転時において電圧降下を抑えつつ、屋外から導入されて屋内に設けた電気機器に通電する電力線と大地間に並列に接続された２つの雷保護装置間の電流耐量の協調を簡易且つ適正に行うことができる雷保護装置用減結合装置が開示されている。
また、特許文献２には、サージが構造物に侵入する前の段階で、サージの侵入経路となる電源路と通信線路との両端が等電位となるので、サージが各構造物を通過することはできず、複数の構造物へのサージの侵入を抑制するサージ防護システムが開示されている。
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。

以下に具体的な構成図を示して従来技術を説明する。
図９は、三線式給電方式（ＴＴ式）における入力ブレーカがＮＦＢの場合の従来のサージ防護装置の構成図である。
入力ブレーカがＮＦＢの場合の従来のサージ防護装置は、例えば図示のように、ＳＰＤ（電圧制限型避雷素子）１−１及び１−２と、入力ブレーカ（ＮＦＢ）１３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。

図１０は、三線式給電方式（ＴＴ式）における入力ブレーカがＮＶの場合の従来のサージ防護装置の構成図である。
入力ブレーカがＮＶの場合の従来のサージ防護装置は、例えば図示のように、ＳＰＤ（電圧制限型避雷素子）１−１、１−２及び１−３と、給電線４−１、４−２及び４−３と、漏電ブレーカ（ＮＶ）２３と、ＳＰＤ分離器１７を備える。図９に示すサージ防護装置と同様に、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。
特開２００７−０６８３４２号公報 特開２００７−０７４８０３号公報 特開２００７−２８８１１４号公報

ＳＰＤ分離器としてヒューズやＮＦＢをＳＰＤと直列に使用する際には、入力ブレーカにＮＦＢを使用する場合と、ＮＶを使用する場合それぞれにおいて、例えば、以下のような課題がある。
（１）入力ブレーカにＮＦＢを使用する場合
入力ブレーカにＮＦＢを使用した際に、ＳＰＤ分離器にＮＦＢを用いた場合と、ヒューズを用いた場合の課題について以下に説明する。
（１−１）ＳＰＤ分離器にＮＦＢを使用する場合
ＳＰＤ分離器にブレーカ（ＮＦＢ）を用いる場合、ＳＰＤが劣化し、低抵抗体になるとＳＰＤへ給電線から大きな故障電流が流れ、電流次第では、ＳＰＤ分離器よりも保護対象装置の入力ブレーカが先に遮断動作する場合がある。
また、ＳＰＤ分離器のＮＦＢに雷サージに対する耐量を備えさせると、ＳＰＤ分離器の定格容量（定格電流）が保護対象装置の入力ブレーカよりも大きくなり、商用電源の入力でＳＰＤ故障時に保護対象装置の入力ブレーカとＳＰＤ分離器が保護協調をとれない場合がある。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、入力ブレーカがＳＰＤ分離器として用いられたブレーカより先に電路を遮断し、保護対象装置に給電されなくなる場合である。
さらに、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とインダクタ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。
ＳＰＤに雷サージ電流が流れる時には、ＳＰＤ分離器として用いられたブレーカはインダクタンスが大きいため、ＳＰＤに加えてＳＰＤ分離器のＮＦＢ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。

（１−２）ＳＰＤ分離器にヒューズを使用する場合
一方、ＳＰＤ分離器にヒューズを用いる場合、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。そのため、ＳＰＤ分離器のヒューズに雷サージに対する耐量を備えさせると、定格容量（定格電流）が保護対象装置の入力ブレーカよりも大きくなり、商用電源の入力でＳＰＤ故障時に保護対象装置の入力ブレーカと保護協調がとれない場合がある。上述と同様に、すなわち、ここでいう保護協調が取れない場合とは、例えば、入力ブレーカがＳＰＤ分離器として用いられたヒューズより先に電路を遮断し、保護対象装置に給電されなくなる場合である。
また、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。
このため、ＳＰＤ分離器にヒューズを用いる場合、商用電源の入力でＳＰＤの故障時に給電線間に大電流（線間短絡）が流れた後、ＳＰＤ分離器のヒューズが動作すると、遮断時に大きな跳ね上がり電圧を発生し、保護対象装置に過電圧が印加され装置が損傷する場合がある。（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。）

（１−３）具体例
つぎに、上述のような、入力ブレーカにＮＦＢを用いた場合の従来のサージ防護装置の課題について、図を用いて以下に詳細に説明する。
例えば図９に示したような、従来技術によるＳＰＤの電源側の入力ブレーカにＮＦＢが使用されるサージ防護装置の構成では、（系統）接地された給電線４−２は、スイッチング型ＳＰＤ（例えば、ＧＤＴ：Ｇａｓ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｔｕｂｅｓ、ガス入り放電管型ＳＰＤ、電圧スイッチング型避雷素子）５を介して（機器）接地（例えば、Ｄ種接地）へ接続され、（系統）接地された給電線４−２のスイッチング型ＳＰＤ５と、接地されていない給電線４−３及び４−１間に、それぞれＳＰＤ１−１及び１−２が接続されている。ＳＰＤ１−１及び１−２は、例えば、保護のためにＳＰＤ故障時の発熱で溶断する保護用温度ヒューズを直列接続する構成、又は、ＳＰＤ１−１及び１−２がそれぞれ保護用温度ヒューズを含む構成等にしてもよい。そのため、ＳＰＤ１−１又は１−２が、例えば、低抵抗で故障すると、（系統）接地された給電線４−２と接地されていない給電線４−３及び４−１間で短絡が起こり、故障時のＳＰＤ１−１又は１−２の抵抗値によっては、ＳＰＤ１−１又は１−２に大電流が流れ破裂や火災が発生する場合がある。

一般的に、ＳＰＤ保護用の温度ヒューズでは、僅かな電流が長時間流れてＳＰＤが発熱した時にＳＰＤを給電線から遮断するのが可能だが、このような大きな故障電流の遮断ができないため、この対策として別途、ＳＰＤと給電線間にＳＰＤ分離器としてＮＦＢやヒューズなどが使用されている。図示の例では、ＳＰＤ１−１及び１−２と、給電線４−３及び４−１の間にＳＰＤ分離器１７を備える。しかし、入力ブレーカ１３がＮＦＢの場合、ＳＰＤ分離器１７に雷サージ耐性を備えさせると、保護対象装置１０の入力ブレーカ１３の定格電流よりもＳＰＤ分離器１７の定格電流が大きい際などに、場合によってはＳＰＤ１−１又は１−２の故障電流で、ＳＰＤ分離器１７よりも保護対象装置１０の入力ブレーカ１３が早く遮断動作し、保護対象装置１０への給電が遮断される場合がある。なお、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。
また、例えば、ＳＰＤ分離器１７にＮＦＢを用いる場合には、ＮＦＢには一般的に過電流遮断のために内部にトリップコイルが内蔵されていてインダクタンスが大きいので、雷サージ電流がＳＰＤ１−１又は１−２を流れる時には、ＳＰＤ１−１又は１−２に加えて、ＳＰＤ分離器１７でも過電圧が生じる。そのため、保護対象装置１０へ悪影響（例えば、損傷等）を与える場合がある。

（２）入力ブレーカにＮＶを使用する場合
入力ブレーカにＮＶを使用した際の課題について、以下に説明する。
入力ブレーカがＮＶの場合、ＳＰＤが故障すると、故障電流は保護対象装置側の（機器）接地から電源側の（系統）接地方向に流れ、漏電電流によりＮＶがＳＰＤ分離器よりも早く遮断することで、保護対象装置への給電が遮断されるためＳＰＤの故障で保護対象装置への給電が停止し、保護対象装置を停止させてしまう場合がある。
入力ブレーカにＮＶを用いた場合の従来のサージ防護装置の課題について、図を用いて以下に詳細に説明する。
例えば図１０に示したような、従来技術によるＳＰＤの電源側の入力ブレーカにＮＶが使用されるサージ防護装置の構成では、（系統）接地された給電線４−２は、ＳＰＤ１−３を介して（機器）接地へ接続され、同様に接地されていない給電線４−３及び４−１は、それぞれＳＰＤ１−１及び１−２を介して（機器）接地へ接続されている。例えば、ＳＰＤ分離器１７に雷サージ耐性を備えさせると、保護対象装置１０の入力ブレーカ（漏電ブレーカ）２３の定格電流よりもＳＰＤ分離器１７の定格電流が大きい際などに、場合によってはＳＰＤ１−１又は１−２又は１−３が故障し低抵抗になると、保護対象装置側の（機器）接地から電源側の（系統）接地に漏れ電流が流れ、入力ブレーカ２３のＮＶがＳＰＤ分離器１７よりも早く遮断動作して、保護対象装置１０への給電が遮断されるため、ＳＰＤ１−１又は１−２又は１−３の故障で健全系である保護対象装置１０への給電が停止して、サービスへ影響を与える場合がある。

以上説明したように、図９又は図１０に示されたような従来技術では、ＳＰＤ分離器１７は、保護対象装置１０の入力ブレーカ１３又は漏電ブレーカ２３の下位に設置されるＳＰＤ１−１、１−２及び１−３用の保護装置であるため、ＳＰＤ１−１又は１−２又は１−３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１３又は漏電ブレーカ２３が先に遮断動作する場合がある。
また、図９及び図１０に示した例のように、電源側の入力ブレーカがＮＶの場合と、入力ブレーカがＮＦＢの場合で、入力ブレーカの種類によりサージ防護装置の構成が異なるため、雷保護設計が複雑になり混乱をきたす場合がある。

本発明は、以上の点に鑑み、ＳＰＤの故障をＳＰＤの（機器）接地側の点と中性線間の電圧から検知し、電圧検知によってＳＰＤと直列接続された接点を遮断する遮断部を用いることでＳＰＤの分離を行い、他の健全な保護対象装置の給電へ影響なく、故障したＳＰＤだけを給電線から分離することを目的のひとつとする。
本発明は、また、ＳＰＤの電源側にＮＶが接続される給電構成において、ＳＰＤの故障時にＮＶが遮断動作を起こすことを防ぎ、ＳＰＤの故障のたびに保護対象装置への給電が途絶えることを防ぐことを目的のひとつとする。
さらに、本発明は、ＳＰＤの電源側の入力ブレーカがＮＦＢ及びＮＶのいずれの場合でもＳＰＤの保護機能を満たすサージ防護装置を提供することを目的のひとつとする。
本発明は、また、従来のサージ防護装置のように、ＳＰＤ分離器にコイルを内蔵するインダクタンスの大きなブレーカや、インピーダンスの大きな電流ヒューズをＳＰＤと直列（大電流の流れる電路）に接続せずに、代わりにＳＰＤの故障による電圧検知で接点が遮断できる低インピーダンスである単純接点のスイッチを有する遮断部を用いることで、雷サージ電流によりＳＰＤ分離器で発生する過電圧を低減することを目的のひとつとする。
本発明は、また、従来のＳＰＤ分離用ヒューズやブレーカでの遮断時に発生していた、急激な電流の時間変化により発生する誘導起電圧をほとんど生じさせないで、ＳＰＤ分離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。
また、本発明は、ＳＰＤの故障をＳＰＤの接地側と接地線あるいは接地された給電線間の電圧から迅速に判断し切離しが可能になるため、ＳＰＤの保護装置として、これまで一般的に使用されてきた温度ヒューズが不用とす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（系統）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（系統）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（機器）接地と前記第１の給電線との間に接続された第１の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２の給電線と保護対象装置側の（機器）接地間に直列に設けられた、第１のスイッチ、第１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、
前記第１のサージ防護デバイス及び前記第２のスイッチング型サージ防護デバイスの接続点と、前記第１の給電線との間に設けられ、前記第１のスイッチを遮断動作させる第１の駆動部と、
を備え、
前記第１のサージ防護デバイスの故障時に、前記第１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、前記第１のスイッチ、前記第１のサージ防護デバイス、前記第１の駆動部を介して、前記第１の給電線へ流すことで、前記第１の駆動部が前記第１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。

本発明の第２の解決手段によると、
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（系統）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（系統）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（機器）接地と前記第１の給電線との間に接続された第１の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（機器）接地間に、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直列に設けられた、第１のスイッチ、第１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、
前記第１のサージ防護デバイス及び前記第２のスイッチング型サージ防護デバイスの接続点と、前記第１の給電線との間に設けられ、前記第１のスイッチを遮断動作させる第１の駆動部と、
を備え、
前記第１のサージ防護デバイスの故障時に、前記第１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、前記第１のスイッチ、前記第１のサージ防護デバイス、前記第１の駆動部を介して、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。

従来は、ＳＰＤが故障し低抵抗になった場合、これまでのサージ防護装置の構成では、接地されていない給電線と（系統）接地された給電線（中性線）、または接地されていない給電線間で短絡が生じＳＰＤ分離器が遮断するまでの間、ＳＰＤへ大電流が流れ、破裂や火災などが発生する場合があるとともに、大電流が流れることでＳＰＤの電源側の入力ブレーカとＳＰＤ分離器の保護協調がとれず遮断動作することがあった。これに対して、本発明によると、ＳＰＤの故障をＳＰＤの（機器）接地側の点と中性線間の電圧から検知し、電圧検知で接点を遮断できるＳＰＤと直列接続された遮断部を用いることでＳＰＤの分離を行い、他の健全な保護対象装置の給電へ影響なく、故障したＳＰＤだけを給電線から分離することが可能になった。
また、ＳＰＤの電源側にＮＶが接続される給電構成における従来のサージ防護装置では、ＳＰＤの故障時にＮＶが遮断動作を起こすと、ＳＰＤの故障のたびに保護対象装置への給電が途絶えていたが、本発明のサージ防護装置を使うことでこれを解消することが可能となった。
また、従来のサージ防護装置の構成では、ＳＰＤの電源側の入力ブレーカがＮＦＢの場合とＮＶの場合で使用するＳＰＤの構成が異なっていたが、本発明によると、両方の（入力ブレーカに対し）ＳＰＤの保護機能を満たすサージ防護装置を提供することが可能になった。

また、本発明によると、従来のサージ防護装置のように、ＳＰＤ分離器にコイルを内蔵するインダクタンスの大きなブレーカや、インピーダンスの大きな電流ヒューズをＳＰＤと直列（大電流の流れる電路）に接続せずに、代わりにＳＰＤの故障による電圧検知で接点が遮断できる低インピーダンスである単純接点のスイッチを有する遮断部を用いることで、雷サージ電流によりＳＰＤ分離器で発生する過電圧を低減することが可能になった。
さらに、本発明によると、ＳＰＤ分離器には電圧検知で遮断動作する遮断部を用いるため、ＳＰＤ故障時に遮断部へ流れる電流がほとんど無いので、従来のＳＰＤ分離用ヒューズやブレーカでの遮断時に発生していた、急激な電流の時間変化により発生する誘導起電圧をほとんど生じさせないで、ＳＰＤ分離時に発生する電圧跳ね上がりを低減することが可能になった。
また、本発明によると、ＳＰＤの故障をＳＰＤの（機器）接地側と接地線あるいは（系統）接地された給電線間の電圧から迅速に判断し切離しが可能になるため、ＳＰＤの保護装置として、これまで一般的に使用されてきた温度ヒューズが不用なサージ防護装置を提供することができる。

１．第１の実施の形態
（１）構成
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、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。
第１の実施の形態によるサージ防護装置は、例えば、ＳＰＤ１−１及び１−２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ＳＰＤ５−１、５−２及び５−４と、遮断部８−１及び８−２とを備える。遮断部８−１及び８−２は、それぞれ駆動部６−１及び６−２と、スイッチ７−１及び７−２を有する。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。電源側の（系統）接地及び保護対象装置側の（機器）接地は、一例として、それぞれＢ種接地及びＤ種接地を示しているが、これに限らず適宜の接地としてもよい。

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、雷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、雷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及び１−２は、特に、電圧制限型ＳＰＤを用いることができる。一方、スイッチング型ＳＰＤ５−１、５−２及び５−４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。また、ＳＰＤ１−１及び１−２は、それぞれ温度ヒューズを含む構成としてもよい。

入力ブレーカ３の後段に設置されるＳＰＤ１−１及び１−２は、通常状態では、それぞれ、給電線４−３及び４−１と接続されＳＰＤ１−１及び１−２に電圧がかかっている状態である。ＳＰＤ１−１又は１−２の絶縁が劣化して（ＳＰＤ劣化）、通常状態でＳＰＤ１−１又は１−２に電流が流れる場合は異常な現象で、ＳＰＤ１−１又は１−２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遮断部８−１及び８−２である。
遮断部８−１及び８−２は、例えば、電圧動作型スイッチである。駆動部６−１及び６−２は、例えば、電磁力を発生させる切離しコイルを有する。また、駆動部６−１及び６−２は、それぞれ電圧検知用の外部電圧信号線を介して他の電線と接続される。また、スイッチ７−１及び７−２は、例えば、それぞれ対応する駆動部６−１及び６−２からのトリップ信号（電磁力等）を受けて接点を切離す（ＯＦＦに切り替える）スイッチである。
なお、遮断部８−１及び８−２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。また、遮断部８−１及び８−２と、入力ブレーカ３との動作協調（保護協調）の詳細については後述する。

入力ブレーカ３には、例えば、ＮＦＢ又はＮＶを用いることができる。第１の実施の形態によるサージ防護装置の構成では、入力ブレーカ３は、ＮＦＢの場合でも、ＮＶの場合でも、ＳＰＤ１−１及び／又は１−２の故障時に、健全な保護対象装置１０の給電へ影響なく故障したＳＰＤ１−１及び／又は１−２だけを給電系から分離すること、及び、サージ防護装置の構成を統一化することができる。（系統）接地された給電線（中性線）４−２と（機器）接地をスイッチング型ＳＰＤ（例えば、ＧＤＴ）５−４を介して接続する。非接地の給電線４−３と（機器）接地との間に、外部電圧信号で接点をＯＦＦに切替え可能なスイッチ７−１の主接点と、ＳＰＤ（電圧制限型避雷素子）１−１と、スイッチング型ＳＰＤ（ＧＤＴ、電圧スイッチング型避雷素子）５−１を直列に接続する。また、非接地の給電線４−３のＳＰＤ１−１とスイッチング型ＳＰＤ５−１間を分岐し、分岐点と中性線４−２間に電圧検知用の外部電圧信号線を介して駆動部６−１を接続する。なお、非接地の給電線４−１と接地との間も同様に、スイッチ７−２の主接点と、ＳＰＤ１−２と、スイッチング型ＳＰＤ５−２を直列に接続し、非接地の給電線４−１のＳＰＤ１−２とスイッチング型ＳＰＤ５−２間を分岐し、分岐点と中性線４−２間に電圧検知用の外部電圧信号線を介して駆動部６−２を接続する。
なお、ＳＰＤ１−１及び１−２と、スイッチング型ＳＰＤ５−１、５−２及び５−４と、遮断部８−１及び８−２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、雷サージ電流の駆動部６−１及び／又は６−２への分流を抑制するために、駆動部６−１及び／又は６−２と直列に、インピーダンスの大きな抵抗体、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。
また、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、遮断部を各給電線に対して適宜備えることができる。

（２）動作
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、図を用いて詳細に説明する。
図２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。
雷サージ電流が、例えば、給電線４−２へ流れると、（機器）接地に対する給電線（中性線）４−２の電位が高くなるため、中性線４−２ではスイッチング型ＳＰＤ（ＧＤＴ）５−４が低抵抗になり、（機器）接地へ向かい雷サージ電流が流れることで、雷サージ電流を正常に大地へ逃がすことができる。また、雷サージ電流が、接地されていない給電線４−３又は４−１に流れた場合でも、ＳＰＤ１−１又は１−２と、対応する各スイッチング型ＳＰＤ（ＧＤＴ）５−１又は５−２が低抵抗となることで、雷サージ電流が（機器）接地へ向かって流れ、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、第１の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。

図３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が故障した場合の短絡電流の流れについて説明する。
例えば、ＳＰＤ１−１が雷サージ電流の通過等により劣化し、低抵抗になった場合、ＳＰＤ１−１が導通するので故障したＳＰＤ１−１の接地側と、（系統）接地された給電線（中性線）４−２間に給電電圧が印加されるため、分岐点と中性線４−２間に電圧が生じる。このとき、ＳＰＤ１−１の電源側に接続されている遮断部８−１は入力ブレーカ３に比べて定格電流が小さいため、入力ブレーカ３の遮断動作より先に駆動部６−１が外部電圧信号を検知することでスイッチ７−１が遮断し、故障したＳＰＤ１−１を給電系（給電線４−３）から切離すことができる。また、ＳＰＤ１−２が故障した場合も同様に、故障したＳＰＤ１−２の（機器）接地側と、（系統）接地された給電線４−２間に給電電圧が印加されるため、分岐点と給電線４−２間に電圧が生じ、駆動部６−２が外部電圧信号を検知することでスイッチ７−２が遮断し、故障したＳＰＤ１−２を給電線４−１から切離すことができる。これにより、第１の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及び／又は１−２を給電線４−３及び／又は４−１より遮断できるようになる。また、例えば、遮断部８−１又は８−２に手動型のレバーを持つものを用いることで、故障したＳＰＤ１−１又は１−２を容易に識別することが可能になる。

なお、スイッチング型ＳＰＤ５−２、５−４及び５−１を各給電線４−１、４−２及び４−３に対してそれぞれ設けることで、例えば図９に示すような、スイッチング型ＳＰＤをひとつ設けた従来のサージ防護装置の構成に比べて、スイッチング型ＳＰＤの雷サージに対する耐量を１／３に低減することができると共に、通常時は、各給電線４−１、４−２及び４−３と接地線間は完全に絶縁することができる。
また、ＳＰＤ１−１及び１−２の接地側へスイッチング型ＳＰＤ（ＧＤＴ）５−１及び５−２を接続することにより、例えば、耐量以上の雷サージ電流が流れた時に、ＳＰＤ１−１又は１−２は短絡型の故障をし、スイッチング型ＳＰＤ（ＧＤＴ）５−１又は５−２は開放型の故障をするので、ＳＰＤ１−１又は１−２が取付けられる非接地の給電線４−３又は４−１と、中性線４−２間の短絡を防止するとともに、例えば、ＳＰＤ１−１又は１−２の故障後に通常の交流電圧が印加された際に、スイッチング型ＳＰＤ（ＧＤＴ）５−１又は５−２により故障電流が非接地の給電線４−３又は４−１から中性線４−２や（機器）接地へ流れるのを防ぐことができる。これにより、故障したＳＰＤ１−１又は１−２による中性線４−２への大電流の流れ込みや、（機器）接地への漏れ電流の発生が防げるため、入力ブレーカ３がＮＦＢの場合でも、ＮＶの場合でもＳＰＤ故障による誤遮断を防止できる。

２．第２の実施の形態
（１）構成
図４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の実施の形態のサージ防護装置も第１の実施の形態のサージ防護装置と同様に、三線式給電方式（ＴＴ式）に適用した例である。
第２の実施の形態によるサージ防護装置は、例えば、ＳＰＤ１−１及び１−２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ＳＰＤ５−１、５−２及び５−３と、遮断部８−１及び８−２を備える。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。
第２の実施の形態によるサージ防護装置は、例えば、接地された給電線４−２に対するスイッチング型ＳＰＤ（ＧＤＴ）５−３を（機器）接地側の位置に接続した点が、第１の実施の形態と異なる。その他の構成は、図１に示す第１の実施の形態のサージ防護装置の構成と同様である。

（２）動作
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、図を用いて詳細に説明する。
図５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。
雷サージ電流が、例えば、給電線４−２へ流れると、（機器）接地に対する給電線４−２の電位が高くなるため、中性線４−２ではスイッチング型ＳＰＤ（ＧＤＴ）５−３が低抵抗になり、（機器）接地へ向かい雷サージ電流が流れることで、雷サージ電流を正常に大地へ逃がすことができる。また、接地されていない給電線４−３又は４−１に流れた場合でも、ＳＰＤ１−１又は１−２と、対応する各スイッチング型ＳＰＤ（ＧＤＴ）５−１又は５−２が低抵抗となることで雷サージ電流が（機器）接地へ向かって流れ、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、第２の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。

図６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、ＳＰＤ１−１が故障した場合の短絡電流の流れについて説明する。
例えば、ＳＰＤ１−１が雷サージ電流の通過等により劣化し、低抵抗になった場合、ＳＰＤ１−１が導通するので故障したＳＰＤ１−１の（機器）接地側の点と、（系統）接地された給電線（中性線）４−２間に給電電圧が印加されるため、分岐点と中性線４−２間に電圧が生じる。このとき、ＳＰＤ１−１の電源側に接続されている遮断部８−１は入力ブレーカ３に比べて定格電流が小さいため、入力ブレーカ３の遮断動作より先に駆動部６−１が外部電圧信号を検知することでスイッチ７−１が遮断し、故障したＳＰＤ１−１を給電系（給電線４−３）から切離すことができる。また、ＳＰＤ１−２が故障した場合も同様に、故障したＳＰＤ１−２の（機器）接地側の点と、（系統）接地された給電線４−２間に給電電圧が印加されるため、分岐点と給電線４−２間に電圧が生じ、駆動部６−２が外部電圧信号を検知することでスイッチ７−２が遮断し、故障したＳＰＤ１−２を給電線４−１から切離すことができる。これにより、第２の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及び／又は１−２を給電線４−３及び／又は４−１より遮断できるようになる。
第２の実施の形態の構成により、第１の実施の形態と同様に、故障したＳＰＤ１−１又は１−２による中性線４−２への大電流の流れ込みや、（機器）接地への漏れ電流の発生が防げるため、入力ブレーカ３がＮＦＢの場合でも、ＮＶの場合でもＳＰＤ故障による誤遮断を防止できる。

３．特性
（１）動作協調（保護協調）
図７は、入力ブレーカと遮断部の動作協調の説明図である。
一般的に遮断部８−１及び８−２を電圧検知点間に流れる電流で主接点を遮断させる定格電流の極めて小さなブレーカの一種と考えると、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、遮断部８−１及び８−２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、第１及び第２の実施の形態では、遮断部８−１及び８−２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、遮断部８−１及び８−２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）遮断特性
図８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。ＳＰＤの故障電流が短絡電流のように極めて大きい場合、入力ブレーカ３と、遮断部８−１及び８−２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遮断部８−１及び８−２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。

本発明は、例えば、電源側の（系統）接地と、対象機器の（機器）接地とが独立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。 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。 入力ブレーカと遮断部の動作協調の説明図。 遮断特性についての説明図。 接地線をもつ三線式給電方式（ＴＴ式）における入力ブレーカがＮＦＢの場合の従来のサージ防護装置の構成図。 接地線をもつ三線式給電方式（ＴＴ式）における入力ブレーカがＮＶの場合の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 ＳＰＤ
３、１３ 入力ブレーカ
４−１、４−２、４−３ 給電線
５、５−１、５−２、５−３、５−４ スイッチング型ＳＰＤ
６−１、６−２ 駆動部 ７−１、７−２ スイッチ
８−１、８−２ 遮断部
１０ 保護対象装置 １７ ＳＰＤ分離器
２３ 漏電ブレーカ

Claims (14)

1. 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と前記第１の給電線との間に接続された第１の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２の給電線と保護対象装置側の接地間に直列に設けられた、第１のスイッチ、第１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、
   前記第１のサージ防護デバイス及び前記第２のスイッチング型サージ防護デバイスの接続点と、前記第１の給電線との間に設けられ、前記第１のスイッチを遮断動作させる第１の駆動部と、
   を備え、
   前記第１のサージ防護デバイスの故障時に、前記第１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、前記第１のスイッチ、前記第１のサージ防護デバイス、前記第１の駆動部を介して、前記第１の給電線へ流すことで、前記第１の駆動部が前記第１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。
2. 前記第２の給電線からの雷サージを、前記第１のスイッチ、前記第１のサージ防護デバイス、及び、前記第２の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１の給電線からの雷サージを、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、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。
3. 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デバイスを介して直列に設けられた、第２のスイッチ、第２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、
   前記第２のサージ防護デバイス及び前記第３のスイッチング型サージ防護デバイスの接続点と、前記第１の給電線との間に設けられ、前記第２のスイッチを遮断動作させる第２の駆動部と、
   をさらに備え、
   前記第２のサージ防護デバイスの故障時に、前記第２の駆動部が前記第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. 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と前記第１の給電線との間に接続された第１の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、前記第１の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、第１のスイッチ、第１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、
   前記第１のサージ防護デバイス及び前記第２のスイッチング型サージ防護デバイスの接続点と、前記第１の給電線との間に設けられ、前記第１のスイッチを遮断動作させる第１の駆動部と、
   を備え、
   前記第１のサージ防護デバイスの故障時に、前記第１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、前記第１のスイッチ、前記第１のサージ防護デバイス、前記第１の駆動部を介して、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。
5. 前記第２の給電線からの雷サージを、前記第１のスイッチ、前記第１のサージ防護デバイス、及び、前記第２のスイッチング型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を介して、又は、前記第１の給電線からの雷サージを、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、保護対象装置側の接地へ流すことを特徴とする請求項４に記載のサージ防護装置。
6. 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、前記第１の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、第２のスイッチ、第２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、
   前記第２のサージ防護デバイス及び前記第３のスイッチング型サージ防護デバイスの接続点と、前記第１の給電線との間に設けられ、前記第２のスイッチを遮断動作させる第２の駆動部と、
   をさらに備え、
   前記第２のサージ防護デバイスの故障時に、前記第２の駆動部が前記第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ことを特徴とする請求項４又は５に記載のサージ防護装置。
7. 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６のいずれかに記載のサージ防護装置。
8. 前記第１のスイッチと前記第１の駆動部を有する第１の遮断部、及び／又は、前記第２のスイッチと前記第２の駆動部を有する第２の遮断部は、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７のいずれかに記載のサージ防護装置。
9. 前記第１のスイッチと前記第１の駆動部を有する第１の遮断部、前記第２のスイッチと前記第２の駆動部を有する第２の遮断部、及び／又は、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８のいずれかに記載のサージ防護装置。
10. 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、前記第１のスイッチ及び前記第１の駆動部を有する第１の遮断部の遮断時間が、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９のいずれかに記載のサージ防護装置。
11. 遮断時間と電流との関係を表す動作特性において、前記第１のスイッチ及び前記第１の駆動部を有する第１の遮断部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、前記第１の遮断部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１０のいずれかに記載のサージ防護装置。
12. 前記第１の駆動部及び／又は前記第２の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１１のいずれかに記載のサージ防護装置。
13. 前記第１及び／又は第２のサージ防護デバイスは、温度ヒューズを含む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。
14. 少なくとも、前記第１のスイッチ、前記第１のサージ防護デバイス、前記第１の駆動部、前記第１及び第２の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１３のいずれかに記載のサージ防護装置。

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