JP5554721B2 - 低応答サージ電圧避雷器 - Google Patents

Description

本発明は、低応答サージ電圧避雷器およびその使用に関するものである。

特許文献１は、避雷器の発明について開示している。

独国特許第４３３０１７８号明細書

避雷器の内部では、特定の制限電圧（点火電圧）を上回るとき、アーク放電が２または３本の電極の間で起こる。制限電圧は、静的または不変の負荷がかかった状態で１００Ｖ／ｓの割合で電圧が上昇した際の応答直流電圧Ｕｒｄｃ、および、大規模負荷がかかった状態で１ｋＶ／μｓの割合で電圧が上昇した際の応答サージ電圧ｕｒｓを想定している。アークは、アークのための電気的条件が存在する限り補給電流によって維持される。

本発明である低応答サージ電圧避雷器およびその使用によれば目的が達成される。

請求項１に記載の避雷器によれば目的が達成される。

さらに、請求項１４に記載の使用によれば目的が達成される。

避雷器は、少なくとも、絶縁体と中心電極と２つの側面電極とによって形成される内部空間を有する。避雷器は、３つの電極から成っている。特に、避雷器の電極は少なくとも１つの筒状の絶縁体、望ましくは少なくとも１本の陶製シリンダーに接続され、避雷器を構成する。側面電極は中心電極の領域にのび、内部空間において、側面電極間の距離は、それぞれの側面電極と中心電極との間の距離よりも長いが、中心電極の端部領域と側面電極の基部との間の距離より短く設計された避雷器である。避雷器は、１ｋＶ／μｓの電圧上昇の場合、応答サージ電圧が公称応答直流電圧の２．２倍より少なくなるように設計され、中心電極と１つの側面電極との所定のパラメータが同一である。

特に有利には、避雷器は、外径が８ｍｍ未満の円筒形である。特に好ましい実施例として、避雷器は、外径が５ｍｍ未満である。特に、外形が小さく電気的特性に優れていることは、使用にあたって、特に小さい電子装置を保護するため、多様な可能性を引き出す。

避雷器は、公称応答直流電圧２３０Ｖにおいて、応答サージ電圧が５００Ｖ未満であり、中心電極との関係で、それぞれの側面電極間の定格交流電流および定格サージ電流のパラメータは、対称的かつ等しいことによって、有利に特徴づけられる。たとえ、公称応答直流電圧が＋／−２０％の範囲で変動しても、避雷器は５００Ｖ未満の応答サージ電圧において有利に特徴づけられる。

１秒間に１０Ａの定格交流電流とは、それぞれの側面電極から中心電極に５Ａの電流が流れることを意味する。有利には、避雷器は、定格交流電流が１０回繰り返し流れても耐えられる。

正規形８／２０の１０ｋＡの定格サージ電流とは、すなわち、立ち上がり時間が８μｓで、半数値になるのに２０μｓの時、それぞれの場合に、側面電極から中心電極に＋／−５ｋＡの電流が流れることを意味する。有利には、避雷器は、定格サージ電流が１０回繰り返し流れても耐えられる。

正規形１０／１０００の２００Ａのサージ電流とは、すなわち、立ち上がり時間が１０μｓで、半数値になるのに１０００μｓの時、それぞれの場合に、側面電極から中心電極に１００Ａの電流が流れることを意味する。有利には、避雷器は、寿命と負荷容量で特徴づけられるサージ電流が３００回繰り返し流れても耐えられる。

避雷器の内部空間は、ガス密法で周りを仕切られている。ガスは、避雷器の内部空間に注入されている。結果的に、有利なこととして、避雷器のパラメータは再現可能な値になる。

望ましくは、避雷器は通信装置、例えば、通信ネットワークに使われるが、通信ネットワークに限定されるものではなく、避雷器によって高電圧から保護しなければならない任意の他の電気回路にも使用可能である。特に、避雷器は、少なくともしばしば、接地面に対して対称な電圧となる雷保護機器としてふさわしいものである。

有利な実施例の一つとして、側面電極と中心電極とが合わさった形で実施される。実施例として、異なる金属および／または合金を用いることにより、内部空間が最適な避雷器を提供することができ、同時に、電極の外部接続を非常に良いハンダ付けや溶接物によりすることができる。

避雷器の内部空間で電極として銅を用い、外部接触として鉄ニッケル合金を用いることが有利であることが分かる。特に有利には、銅メッキされた鉄ニッケル合金、例えば、Ｆｅ_５８Ｎｉ_４２があげられる。これにより、内部空間を最適な状態にし、避雷器について閉鎖ハンダ付けすることが可能になる。

好ましい実施例の一つとして、中心電極の筒状の部分が特に銅から成り、環状の部分が特に鉄ニッケル合金から成ることがあげられる。筒状の部分に恒常的な壁厚を持つか、または、環状の部分の領域に隆起部を含んでいるかである。

避雷器の内部空間が気体で充満し密封されている実施例では、水素添加物が含まれている場合が特に有利である。水素の割合は５％〜３０％の間で許容されるが、水素添加物が２０％であるのが最も典型的である。結果として、避雷器の放電反応にかかる時間は短くなり、応答サージ電圧は、減少する。

避雷器の放電反応を持続するために、内部空間が、絶縁体の内壁に複数の点火片を含むならば有利なものとなる。点火片は、いずれかの側面電極に電気的に接続し、中心電極の背後の放電空間に広がるが、それぞれの反対側の電極の背後の空間にまで深くは広がらない。これによって、壁放電は避けられる。選択肢として、点火片がいずれの電極にも接続しないことが考えられる。さらなる実施例として、点火片を有利に選択して使用することが考えられる。

更に有利な実施例として、ピン型の側面電極のへこみを活性化化合物でふさぐため、端面をハニカム構造にすることが考えられる。活性化化合物は、放電を強め、それを再現可能にするという有利な効果がある。

以下に、避雷器の典型例と参照図を詳細に説明する。

図に示されるものは実寸大ではない。むしろ、個々のものは見やすくするために、大きくされたり小さくされたり歪められたりしている。

同一要素あるいは同一の機能を有する要素は、同じ参照符号によって示されている。

避雷器の側面電極と中心電極とが交差する部分を示した図である。 避雷器の被覆された円板を有する側面電極を示した図である。 避雷器の中心電極について示した図である。 避雷器のＳＭＤ実装された側面電極と中心電極とが交差する部分を示した図である。 短絡部を有しＳＭＤ実装可能な避雷器を示した図である。 機外配線され短絡部を有する避雷器を示した図である。

図１は、（部分的な）横断面で、避雷器１の最初の実施例を例示する。避雷器は２つの側面電極から成り、それぞれは２ａ、２ｂと３ａ、３ｂの２つの部分から成っている。側面電極は、側面を閉鎖ハンダ付け７された絶縁体４ａ、４ｂに覆われる。中心電極５ａ、５ｂは筒状でセラミックから成る絶縁体の中間に配置され、前記中心電極は複合体になっている。避雷器の内部空間は気体が密封されており、水素の割合が５％〜３０％の間、特に好ましくは２０％の割合の気体が含まれている。

側面電極は、それぞれ外側に鉄ニッケル合金から成る円板２ａ、３ａを有し、前記円板は銅メッキされている。円板は、押し出された部品か冷間押し出しされた部品である。円板は、銅から成り内部空間に突き出た各電極２ｂ、３ｂと、ＳＣＰ又はＡｇＣｕハンダによるハンダ付け９あるいは溶接されてつながっている。各電極２ｂ、３ｂは、回転部品又は冷間押し出された部品であり、円板２ａ、３ａをハンダ付けしたカップ型電極の基部と、活性化した複合体と終端をあわせるためハニカム構造をしたピン型部分８から成っている。電極の基部の直径は、電極のセラミック製筒状部分４に合わせて選択される。各側面電極２、３のピン型部分は、中心電極５の筒状領域へ突き出る。側面電極の終端間の距離はＡで表される。

図１に典型的な実施例をあげ、具体的な数値を図２を参照して説明すると、電極の基部の直径Ｄ１は２．８ｍｍであり、ピン型部分の直径Ｄ２は１．６ｍｍである。絶縁体４の内径は２．８ｍｍである。

図３を参照して説明すると、中心電極５は、肉厚部分がわずかな筒状部分５ｂと環状部分５ａとから成っている。筒状部分５ｂは、銅または鉄のニッケル合金でできており、望ましくは銅メッキされている。筒状部分の長さは、放電の際に絶縁体４ａ、４ｂを覆うように、また、絶縁体の部位に深く入りこんで放電することを防ぐように設計される。同時に、筒状部分５ｂの端と側面電極２ｂ、３ｂの基部との距離Ｂは、内部電極の半径方向距離Ｃよりも大きい。２次放電はこのようにして確実に防がれる。特に有利な実施例の一つとして、筒状部分は活性化化合物によりくっついている。

長手方向の距離Aは、半径方向の距離Cより長いが、距離Bより短い。

典型的な実施例として、Ａ＝０．５６ｍｍ、Ｂ＝０．６８ｍｍ、Ｃ＝０．４ｍｍがあげられる。筒状部分５ｂの外径は、およそ２．８ｍｍであるが、いずれにしても絶縁体の内径よりわずかに短い。

中心において、筒状部分５ｂは、望ましくは、鉄ニッケル合金から成る環状部分５ａによって囲まれる。環状部分は、銅メッキされているべきである。環状部分と共に、中心電極は絶縁体に対して対称的に配置される。

図３を参照すると、中心電極は、ハンダ付け１１され、または、正確にぴったりと相互接続され、または、レーザーを用いたスポット溶接されている。その後、予備組み立てにおいて、筒状部分５ｂは環状部分５ａと同心に置かれ、筒状部分５ｂと環状部分５ａとのギャップにおける一又は複数の溶接点において、少なくとも一方を固定してスポット溶接される。筒状部分５ｂは環状部分５ａとの間の電気的に信頼性のある接触接続は、上に乗っているハンダ付けホイル、例えば、閉鎖ハンダ付けをすることにより確実に行われる。絶縁体４の内壁で中心電極へ導く電極として、セラミックス製の絶縁体４と比較して高い熱膨張係数である金属製の中心電極５を、避雷器の閉鎖ハンダ付けをしている間、便宜上用いられる。側面電極はまた、閉鎖ハンダ付けをしている間、セラミック絶縁体の内径に配置される。

避雷器は、絶縁体４の内壁に点火片６を有する。点火片６ａは側面電極に接続し、避雷器の中心を越えては延在しない。点火片６ｂは、放電空間に突き出ているが、いずれの電極にも接触しない。

図４は、避雷器がＳＭＤ実装されている点で図３と異なる。このため、側面電極３の外側円板３ｃは、ほぼ四角形である。中心電極の筒状部分５ｃは、環状部分の領域において隆起部を有している。

図５は図４と同様の避雷器を示しているが、中心電極は溶接された短絡部１２を有し、また、フィルム１３によって側面電極から絶縁されている。結果的に、避雷器は、熱負荷が高くなってフィルム１３が溶けるならば、短絡部１２により短絡することとなる。短絡部は銅ベリリウム合金から構成され、フィルムはポリエチレンテレフタレート又はポリプロピレンから構成される。

図６は図１と同様の避雷器を示しているが、短絡部１２、３つの電極から成る３本の外部配線１４、１５、１６がある点で異なる。

典型的な実施例として、外径Ｄが５ｍｍ、長さが７．８ｍｍの避雷器があげられる。これには、以下のような特徴的な性能がある。
応答直流電圧Ｕｒｄｃは−２３０Ｖ＋／−２０％、
応答サージ電圧ｕｒｓは１ｋＶ／μｓの電圧上昇の場合５００Ｖ未満、
定格直流電流Ｉ_ＡＣＲ＝１０Ａ、１ｓ、１０回繰り返し、側面電極と中心電極間で５Ａの大きさの場合、
定格サージ電流ｉ_ＳＲ＝１０ｋＡ、８／２０μｓ、１０回繰り返し、側面電極と中心電極間で５ｋＡの大きさの場合、
ＬＤ＝２００Ａ、サージ電流が１０／１０００μｓ、３００回繰り返し、側面電極と中心電極間で１００Ａの大きさの場合。

１、１０ 避雷器
２ 側面電極
３ 側面電極
４ 絶縁体
５ 中心電極
６ 点火片
７ 閉鎖ハンダ付け
８ ハニカム構造
９ 電極ハンダ付け
１１ ハンダ付け
１２ 短絡部
１３ フィルム
１４ 外部配線
１５ 外部配線
１６ 外部配線

Claims (14)

1. 少なくとも、絶縁体（４）と中心電極（５）とによって構成される内部空間にのびる２つの側面電極（２）を備え、
   中心電極は、互いに異なる金属又は合金で形成された筒状の部分（５ｂ）と環状の部分（５ａ）の２つの電極部分から構成され、
   側面電極はそれぞれ、互いに異なる金属又は合金で形成された第一の部分と第二の部分とを含み、
   第一の部分は、ピン型に形成された部分と直径が絶縁体に合わせて選択された基部とを有し、内部空間に位置し、第二の部分は、第一の部分に接続され、絶縁体に接合され、内部空間の外に位置し、
   第一の部分の端部どうしの距離（Ａ）は、各第一の部分と中心電極との間の距離（Ｃ）よりも長く、第一の部分の端部どうしの距離（Ａ）は、中心電極の端部領域と第一の部分の基部との間の距離（Ｂ）より短いことを特徴とする避雷器。
2. １ｋＶ／μｓの電圧上昇の場合、応答サージ電圧は、公称応答直流電圧の２．２倍より少なくなるように設計されることを特徴とする請求項１に記載の避雷器。
3. 外径が８ｍｍ未満の円筒の形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の避雷器。
4. 避雷器の内部空間にある電極部分は銅から成り、外部と接触できる電極部分は鉄ニッケル合金から成ることを特徴とする請求項１に記載の避雷器。
5. 側面電極の外部と接触できる電極部分（２、３）は、円形か四角形であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の避雷器。
6. 第一の部分は、中心電極の領域において中心電極と同心円状に突き出ることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の避雷器。
7. 内部空間は水素添加気体を含有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の避雷器。
8. 第一の部分の端面は、ハニカム構造であることを特徴とする請求項７に記載の避雷器。
9. 絶縁体の一方の側面電極側の内壁に点火片を有し、点火片は当該側面電極と電気的に接続され、中心電極の背後の放電空間に広がるが反対側の側面電極の背後の空間までは広がらないことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の避雷器。
10. 絶縁体の一方の側面電極側の内壁に点火片を有し、点火片は当該側面電極と電気的に接続されず、中心電極の背後の放電空間に広がるが反対側の側面電極の背後の空間までは広がらないことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の避雷器。
11. 絶縁体の内壁に点火片を有し、点火片は側面電極と電気的に接続され、避雷器の中心を越えては延在しないことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の避雷器。
12. 絶縁体の内壁に点火片を有し、点火片は側面電極と電気的に接続されず、避雷器の中心を越えては延在しないことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の避雷器。
13. 第二の部分は、円板かほぼ四角形であることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の避雷器。
14. 電子装置又は電源供給システムにおける請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の避雷器の使用。

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