JP5813237B2 - セラミック材料からなる多段管およびそれから製造されたガス放電管 - Google Patents

Description

本発明は、電力供給システムのための雷保護に適用可能なガス放電管に関する。

本出願は、中国特許出願第２０１１０２８６０６２号明細書の優先権を主張し、当該中国出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。

現在、雷サージは１０年前の約２倍の発生が報告されている。人々および電気装置を電圧サージから保護することが、ますます重要になっている。この分野では、人命保護に加えて、良好で連続的な電気装置の作動を確実にすることに、より多くの技術的解決策が集中している。ＶＤＥ Ｖ ０１８５ Ｐａｒｔ ４の雷保護ゾーンの基本原則にしたがって、ＩＥＣ ６１６４３−１１は、副配電網（ｓｕｂ−ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｎｅｔｗａｏｒｋ）（グレードＩＩ）および端子（ｔｅｒｍｉｎａｌ）（グレードＩＩＩ）、ならびに、建物の入り口におけるガス放電管（グレードＩ）のための仕様を規定している。

ガス放電管は、電気装置、副配電網、および、建物の入り口におけるＮＰＥ（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ Ｅａｒｔｈ）の保護のために、幅広く使用されてきた。建物の入り口におけるＬ−Ｎ（中性相）を保護するためには、製品に高い続流容量が要求されるため、通常のグレードＩのＬ−Ｎの保護には、これまでトリガーデバイスを有する従来の空気火花ギャップを使用しており、空気火花ギャップは、高電流および高電圧での使用に基本的に適切であるが、扱いにくく、高価であり、場所をとる。

空気ギャップは、主に以下の欠点を有している。
１．電圧保護レベルが３０００Ｖよりも高い。
２．その性能は、耐用年数が不安定であり、開放されたギャップは気候環境および汚染の影響を受けやすい。
３．作動中に爆発火炎または衝撃波が生じる可能性がある。
４．近くの電化製品または装置からの設置距離を維持する必要がある。
５．追加のトリガーラインが必要となり、アークの消滅には補助装置が使われる。

開放が不十分な空気ギャップの欠点を克服するために、閉じたガス放電管に関して可能性のある技術的解決策には、複数のガス放電管を直列に接続し、アーク電圧を増加させ、それによって続流を阻止することがある。単一層のアーク電圧が、（ガス放電の原理にしたがって）わずか約１８Ｖであると仮定すると、２７０Ｖのアーク電圧を実現するために、１５個の単一層のガス放電管を直列に接続することが必要であり、これでは製品のコストおよび大きさの観点から市場の需要を満たすことができない。

この目的のために、いくつかの製品は、その中に多層放電ギャップを有する単一層のガス放電管を使用し、アーク電圧を増加させ、製品のコストおよび大きさを低減させるようになっている。しかし、ギャップ同士の間の横方向の放電の欠点を避けることはできず、アーク電圧および続流容量の増大の点で限界があり、前記製品は、幅広く使用できないようになっている。

放電が管の中心に生じるガス放電管として使用することが可能なセラミック材料からなる管を提供することが望まれている。その他には、そのような多段管から製造される多層ガス放電管を提供することが望まれており、それは、高いアーク電圧、高い続流容量、安定した性能、小容量、および、取り付け容易という利点を有する。

セラミック材料からなる多段管の一態様によれば、多段管は、セラミック材料からなる管本体を備え、管本体の内側には内壁が配置されており、内壁の表面は、複数の段部を備えて形成されており、複数の段部は、管の内側のそれぞれ異なる奥行きまで延設されている。

上記に定義されているような多段管を備える多層ガス放電管が提供される。多層ガス放電管は、管本体の第１の段部の第１の側部に配設されている第１の電極と、管本体の外面のうちの第１の外面の上に配設されている第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に配設されている第１の絶縁セラミックディスクとをさらに備える。

ガス放電管は、前記多段セラミック管から形成されている。内部に多段構造体を有するセラミック管が使用されるので、ギャップ同士の間の沿面距離が、効率的に増加させられ、その結果、ギャップ同士の間のセラミック壁部に沿う辺縁（ｍａｒｇｉｎａｌ）放電を避けることができるようになっている。単一層の放電管の中に３つの独立した放電ギャップを設けることは、アーク電圧を数倍増加させることを可能にし、その結果、例えば、単一の層のアーク電圧が、６５Ｖに到達し得るようになっており、続流容量が大幅に増大される。

内部に多段構造体を有するセラミック管が使用され、単一層の放電管が、その中に複数の独立した放電ギャップを有し、大電流下で主ギャップから放電することを確実にする。通常条件では、放電管は、電力供給Ｌ−Ｎ保護のために使用される。放電管は、直接的な雷サージ（１０／３５０ｕｓ波形シミュレーション）に耐えるのみならず、放電管の主たる要求として、続流を効果的に阻止し、および／または、安全基準で要求される３２Ａヒューズを切断できなければならない。

このことは、放電管に関する技術的解決策が、十分に高いアーク電圧（２７０Ｖ）を有しなければならないということを意味している。単一層の放電管のアーク電圧は、約１８Ｖにすきない場合がある。したがって、そのような高いアーク電圧（２７０Ｖ）を実現するためには、少なくとも１５個の単一層のガス放電管が、直列に接続されなければならないが、それは、コストおよび取り付けスペースの観点から許容されない。

ガス放電管の技術的解決策は、単一層のガス放電管の大きさを変化させることなく、３つの層の移動可能な（ｍｏｖａｂｌｅ）放電ギャップを有することであり、その結果、単一層の放電管のアーク電圧を約４倍に増加させることが可能である。４層の放電ギャップを備える放電管は、続流およびヒューズ切断の問題を解決するのに十分であり、それによって、放電管が電力供給Ｌ−Ｎ保護のために使用されることを可能にし、このタイプの放電管は、信頼性、コスト、および性能において大きな利点を有する。

多段管および多層ガス放電管の態様を、以下の添付の図面とともに、さらに記載して説明する。

多層ガス放電管の一態様を示す概略構造図である。 多段セラミック管の一態様を示す概略構造図である。 ガス放電管の前提となる態様を示す概略構造図である。 ガス放電管の前提となる態様を示す概略構造図である。

ガス放電管の前提となる第１の態様は、図３に示されているような内部構造を有しており、中間の放電管の中に１６個の放電ギャップが存在している。しかし、このガス放電管は、アーク電圧が４８Ｖにすぎず、大電流を横方向に放電し、このことは、埋め込み式の電極シートの縁部の加熱および溶融によって故障を引き起こす。

ガス放電管の前提となる第２の態様は、図４に示されているような内部構造を有しており、単一層の放電管は、その中に３つの放電ギャップを有している。しかし、このガス放電管は、アーク電圧が４２Ｖにすぎず、中間のギャップは、中間部分から大電流を放電し、一方、他の２つのギャップは、不十分な沿面距離に起因して、電極の縁部（横方向側部）から放電し、このことは、埋め込み式の電極シートの縁部の加熱および溶融によって故障を引き起こす。

図１に示されているように、多段セラミック管は、セラミック管本体１を備え、セラミック管本体１は、その中に複数の段部２が設けられている。セラミック材料の管本体１は、管本体１の内側に配置された内壁１１を備える。内壁１１の表面は、複数の段部２を備える。複数の段部２は、先端部または突起部として内壁１１の中に形成されている。複数の段部２は、内壁１１の表面に、管の内側のそれぞれ異なる奥行きまで延設するように形成されている。管１の段部２は、段部２１と、段部２２と、段部２３とを備える。段部２１は、段部２２と段部２３との間に配置されている。段部２１は、段部２２および段部２３よりもさらに管１の奥側まで延設することが可能である。

多段管は、管本体１の外壁１２と、外面１３、１４とを備える。外面１３、１４のそれぞれは、管本体１の内壁１１と外壁１２との間に配置されている。外面１３、１４は、段部２のそれぞれの表面よりも大きい面積を有している。

図１に示されているように、多層ガス放電管は、上記に説明されているような複数の段部２を有する多段管を備える。放電管は、管本体１の内側の段部の上に配設されている内側電極３と、管本体１の端部において外面１３、１４に接して配設されている外側電極４とをさらに備える。内側電極３は、それぞれのディスク５によって、外側電極４から離間されており、ディスク５は、セラミック材料から製造することが可能である。絶縁セラミックディスク５は、環状領域間に中空領域を有する環状スペーサーとして形成することが可能である。内側および外側電極３、４は、ディスク５の周縁部だけにおいて、ディスク５に支えられている。内側電極と外側電極とは、それらの周縁部の間の領域において、互いに離間されており、その結果、中空のチャンバー６を電極３および４の間に形成することが可能であるようになっている。

図１に示されている態様によれば、内側電極３は、電極３１を備え、電極３１は、管本体１の段部２１の第１の側部の上に配設されている。電極３１は、電極ディスクとして形成することが可能である。電極３１の周縁部は、管本体１の突出部２１の上に配設されている。外側電極４は、電極４１を備え、電極４１は、管本体の外面１３の上に配設され、管本体１を閉塞している。電極４１は、円形形状であることが可能である。電極４１および電極３１は、ディスク５１を介して離間されており、ディスク５１は、絶縁セラミック材料から製造することが可能である。絶縁セラミックディスク５１は、電極３１と電極４１との間に配設されている。ディスク５１が中空の内側領域を有するリングとして形成されることにより、内側電極３１と外側電極４１との間にはチャンバー６１が形成されている。

絶縁セラミックディスク５１は、内側電極３１および外側電極４１に対して偏倚されている。ディスク５１を、電極３１の上に、および、管本体１の段部２２の上に、部分的に配設することが可能である。突出部２２の端部における管本体１と電極３１との間に形成され得るギャップが、ディスク５１によって覆われており、その結果、ディスク５１が、内側電極３１と外側電極４１との間において、管本体１の内壁に沿う経路を遮断するようになっている。

多層ガス放電管は、別の内側電極３２を備えることが可能であり、別の内側電極３２は、管本体１の段部２１の第２の側部に接して配設されている。外側電極４は、管本体のもう一方の端部に形成された別の外側電極４２を備える。外側電極４２は、管本体の外面１４に接して配設されており、下側において管本体を閉塞している。セラミック材料から製造され得るディスク５２が、電極３２と外側電極４２との間に配置されている。絶縁セラミックディスク５２は、環状の形態に形成されており、その結果、内側電極の周縁部だけが、セラミックディスク５２によって支持されるようになっている。ディスク５２は、内側電極３２と外側電極４２との間のスペーサーとしての役割を果たしており、その結果、別のチャンバー６３が、内側電極３２と外側電極４２との間に形成されるようになっている。内側電極３２および外側電極４２は、その間にチャンバー６３を形成する中空の領域によって互いに離間されている。

ディスク５２は、内側電極３２および外側電極４２に対して偏倚されており、段部２３および電極３２に接して部分的に配設されている。電極３２と管本体１との間に形成され得るギャップが、ディスク５２によって覆われており、その結果、ディスク５２が、内側電極３２と外側電極４２との間の経路を遮断するようになっている。

突出部２１が、内側電極３１および３２の間に配置されている。突起部２１は、管の内部の中のすべての側部から、所定の量だけ延設されており、その結果、電極３１および３２が、これらの周縁部だけで先端部２１に接して支えられる。別の中空のチャンバー６２が内側電極３１および３２の間に形成されるように先端部２１は形成されている。電極３１および３２、ならびに、管本体１（すなわち、管本体の段部２１）が、チャンバー６２を形成している。

チャンバー６１、６２、および６３は、不活性ガスと不活性でないガスの混合物が充填される。各チャンバーは、放電ギャップ７の３つの層を形成している。

多層ガス放電管の製造プロセスを通じて生じる公差によって、第１のギャップがディスク５と管本体１との間に生じ得る。第２のギャップが、内側電極３１、３２のうちの１つと管本体１との間に生じ得る。第１および第２のギャップが形成され、その結果、内側電極のうちの１つと外側電極のうちの１つとの間に経路が設けられた場合には、放電が発生した際、この経路によって、ディスク５および管本体１のうちの１つの周縁部において、内側電極３１、３２のうちの１つから、外側電極４１、４２のうちの１つへ放電を生じさせることが可能となる。

図１に示されているような多層ガス放電管の態様によれば、管本体１は、複数の先端部２１、２２、２３を含み、複数の先端部２１、２２、２３は、管本体の内部のそれぞれ異なる奥行きまで延在している。管本体１の内壁１１の突起部により、絶縁セラミックディスク５１および５２を内側電極３１、３２および外側電極４１、４２に対して変位させられるように配置することが可能になっている。特に、スペーサーディスク５１、５２のそれぞれの周縁部は、内側電極３１、３２のそれぞれの周縁部に対して偏倚されている。したがって、管本体と内側電極３１、３２との間に延在するギャップ、および、ディスク５１、５２間に内側電極３１、３２から外側電極４１および４２に向かって延在するギャップが発生しないようにすることが可能である。ディスク５１、５２は、内側電極３１、３２の境界において延在する経路を遮断しており、その結果、放電が発生した際、放電は多段管１の中央においてのみ発生し、絶縁セラミックディスクの境界では発生しない。

図２は、複数の突出部を有する内壁を備える多段管１の一態様を示している。複数の突出部は、管の内側にそれぞれ異なる奥行きまで延在しており、その結果、段部２１、２２、および２３が形成されている。それぞれの段部は、図１に示されている電極ディスクのような金属製プレートを支持するべく形成された表面を有している。

本発明にしたがって製造される保護装置では、多層放電管を直列に接続することにより、アーク電圧を改善し、それによって、続流を消滅させる。保護装置は、ｎ個のガス放電管を備えており、これらガス放電管は、８５０度でろう付けすることによって互いに溶接される。それぞれのガス放電管は、その中に３つの放電ギャップを有しており、そのアーク電圧は約６５Ｖであり、保護装置の総アーク電圧は、６５Ｖのｎ倍である。

１ 多段管
２ 段部
３ 内側電極
４ 外側電極
５ ディスク
６ チャンバー
７ 放電ギャップの層
２１、２２、２３ 段部
３１、３２ 内側電極
４１、４２ 外側電極
５１、５２ ディスク
６１、６２、６３ チャンバー

Claims (8)

1. セラミック材料からなる多段管を含む多層ガス放電管であって、
   前記多段管は、
   前記セラミック材料からなる管本体（１）を備え、
   前記管本体（１）の内側には内壁（１１）が配置され、
   前記内壁（１１）の表面は、複数の段部（２）を備えて形成されており、
   前記複数の段部（２）は、前記管本体（１）の内側のそれぞれ異なる奥行きまで延設され、
   前記管（１）の前記段部（２）は、第１の段部（２１）と、第２の段部（２２）と、第３の段部（２３）とを備え、
   前記第１の段部（２１）は、前記第２の段部（２２）と前記第３の段部（２３）との間に配置されており、
   前記第１の段部（２１）は、前記第２の段部（２２）および前記第３の段部（２３）よりも前記管（１）の内側のより奥側まで延在しており、
   前記管本体（１）の外壁（１２）および外面（１３、１４）を備え、前記外面（１３、１４）のそれぞれが、前記管本体（１）の前記外壁（１２）と前記内壁（１１）との間に配置されており、
   前記外面（１３、１４）が、前記段部（２）のそれぞれの表面よりも大きい面積を有しており、
   前記多段管と、
   前記管本体（１）の前記第１の段部（２１）の第１の側部に配設されている第１の電極（３１）と、
   前記管本体（１）の前記外面のうちの第１の外面（１３）に接して配設されている第２の電極（４１）と、
   前記第１の電極（３１）と前記第２の電極（４１）との間に配設されている第１の絶縁セラミックディスク（５１）と
   を備える、多層ガス放電管。
2. 前記第１の絶縁セラミックディスク（５１）が、前記第１の電極（３１）および前記管本体（１）の前記第２の段部（２２）に接して部分的に配設されている、請求項１に記載の多層ガス放電管。
3. 前記第１の電極（３１）、前記第１の絶縁セラミックディスク（５１）、および前記第２の電極（４１）が、第１のチャンバー（６１）を形成している、請求項１または２に記載の多層ガス放電管。
4. 前記管本体（１）の前記第１の段部（２１）の第２の側部に配設されている第３の電極（３２）を備え、
   前記第１および第３の電極（３１、３２）ならびに前記管本体（１）が、第２のチャンバー（６２）を形成している、請求項１または２に記載の多層ガス放電管。
5. 前記管本体（１）の前記外面のうちの第２の外面（１４）に配設されている第４の電極（４２）を備え、
   前記第３および第４の電極（３２、４２）ならびに前記管本体（１）が、第３のチャンバー（６３）を形成している、請求項４に記載の多層ガス放電管。
6. 前記第１、第２、および第３のチャンバー（６１、６２、６３）のそれぞれは、不活性ガスと不活性でないガスの混合物が充填される、請求項５に記載の多層ガス放電管。
7. 前記第１、第２、および第３のチャンバー（６１、６２、６３）のそれぞれが、放電ギャップ（７）の層を形成している、請求項５または６に記載の多層ガス放電管。
8. 前記多層ガス放電管が、３つの層の放電ギャップ（７）を備える、請求項７に記載の多層ガス放電管。

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