JP7042659B2 - Lightning resistant transformer - Google Patents
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本発明は、雷サージ等の異常高電圧から電気機器等を保護するための耐雷トランスに関する。 The present invention relates to a lightning resistant transformer for protecting electrical equipment and the like from abnormally high voltage such as a lightning surge.
例えば、特許文献1には、耐雷トランスを設けた低圧電源線と通信信号線の両方に接続されて使用される電気機器の雷サージ保護方法であって、避雷器又はサージ吸収素子と、電気的振動抑制装置とを上記電源線と上記通信信号線の線間及び/又は対地間に設けたことを特徴とする雷サージ保護方法が開示されている。
For example,
ところで、従来の耐雷トランス単体のサージ移行率は一般的に0.1%以下になるよう設計されている。このサージ移行率0.1%は、シールド層の接地抵抗が0Ωの場合に相当し、接地抵抗が大きくなるにつれてサージ移行率も大きくなってしまう。そこで、耐雷トランスの接地抵抗は10Ω以下(A種接地)が基準とされている。 By the way, the surge transition rate of a conventional lightning-proof transformer alone is generally designed to be 0.1% or less. This surge transition rate of 0.1% corresponds to the case where the ground resistance of the shield layer is 0Ω, and the surge transition rate increases as the ground resistance increases. Therefore, the grounding resistance of the lightning-proof transformer is set to 10Ω or less (class A grounding) as a standard.
しかしながら、周囲の環境条件によってはA種接地の施工が困難な場所(例えば鉄道の線路沿い等)があり、耐雷トランスの接地にD種接地(100Ω以下)を用いなければならないケースがある。 However, depending on the surrounding environmental conditions, there are places where it is difficult to construct Class A grounding (for example, along railway tracks), and there are cases where Class D grounding (100Ω or less) must be used for grounding the lightning-proof transformer.
このような場合は接地抵抗が大きいためサージ移行率が高くなってしまい、耐雷トランスのサージ抑制効果が十分に生かされず、機器を雷サージ等の異常電圧から満足に保護できなくなってしまうという問題が発生する。 In such a case, since the ground resistance is large, the surge transition rate becomes high, the surge suppression effect of the lightning-resistant transformer is not fully utilized, and there is a problem that the equipment cannot be satisfactorily protected from abnormal voltage such as lightning surge. Occur.
本発明は、耐雷トランスにおいて、サージ移行率の接地抵抗に対する依存性を抑制することを目的とする。 An object of the present invention is to suppress the dependence of the surge transition rate on the ground resistance in a lightning-proof transformer.
一次巻線からシールド層までの間に生じる漂遊容量の容量値を小さくする。これにより、接地抵抗に流れ込むサージ電流を抑制し、接地抵抗による電位上昇を低減し、サージ移行率の上昇を抑制する。 Reduce the capacitance value of the stray capacity generated between the primary winding and the shield layer. As a result, the surge current flowing into the ground resistance is suppressed, the potential increase due to the ground resistance is reduced, and the increase in the surge transition rate is suppressed.
本発明の一観点によれば、一次巻線を有する一次側回路と、前記一次巻線に近接して配置される二次巻線を有する二次側回路と、を有し、前記一次巻線の一端側と前記二次巻線の一端側との間の第1のキャパシタと、前記一次巻線の他端側と前記二次巻線の他端側との間の、前記一次巻線の他端側から順番に第2のキャパシタ及び第3のキャパシタと、前記第2のキャパシタと前記第3のキャパシタとの間とアースとの間に設けられた接地抵抗とを有する耐雷トランスであって、前記接地抵抗の値が100Ω以下の場合において、サージ移行率が1%以下となるように前記第2のキャパシタの容量値を設定したことを特徴とする耐雷トランスが提供される。 According to one aspect of the invention, the primary winding comprises a primary circuit having a primary winding and a secondary circuit having a secondary winding arranged in close proximity to the primary winding. Of the primary winding, between the first capacitor between one end side of the secondary winding and the other end side of the secondary winding, and between the other end side of the primary winding and the other end side of the secondary winding. A lightning-proof transformer having a second capacitor and a third capacitor in order from the other end side, and a ground resistance provided between the second capacitor and the third capacitor and between the ground. Provided is a lightning-proof transformer characterized in that the capacitance value of the second capacitor is set so that the surge transition rate is 1% or less when the value of the ground resistance is 100 Ω or less.
前記第2のキャパシタの容量を前記第3のキャパシタの容量の1/100以下としたことが好ましい。 It is preferable that the capacity of the second capacitor is 1/100 or less of the capacity of the third capacitor.
本発明は、D種接地箇所に設置可能な耐雷トランスである。 The present invention is a lightning-proof transformer that can be installed at a D-class grounding point.
本発明によれば、耐雷トランスにおいて、サージ移行率の接地抵抗に対する依存性を抑制することができるようになり、接地抵抗が大きい場所でもサージ移行率を低く保つことができる耐雷トランスを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to suppress the dependence of the surge transition rate on the ground resistance in a lightning-proof transformer, and to provide a lightning-resistant transformer capable of keeping the surge transition rate low even in a place where the ground resistance is large. Can be done.
これにより、A種接地(接地抵抗10Ω以下)の施工が困難で、D種接地(100Ω以下)で施工される場所においても、耐雷トランスのサージ抑制効果を十分に生かし、機器を雷サージ等の異常電圧から満足に保護できるようになる。 As a result, it is difficult to construct class A grounding (grounding resistance 10Ω or less), and even in places where class D grounding (100Ω or less) is installed, the surge suppression effect of the lightning-resistant transformer can be fully utilized, and the equipment can be used for lightning surges, etc. You will be able to satisfactorily protect from abnormal voltage.
以下に本発明の実施の形態による耐雷トランスについて、図面を参照しながら説明する。 The lightning-proof transformer according to the embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
まず、サージ移行率の接地抵抗に対する依存性が低い耐雷トランスを提供するための発明者の考察について説明する。 First, the inventor's consideration for providing a lightning-proof transformer having a low dependence of the surge transition rate on the ground resistance will be described.
図1は、耐雷トランスによる雷サージ電圧抑制対策の一例を示す図である。雷サージの侵入が予測されるAC電源線等に適用する。一次側回路1は、配線1a,配線1b,コイル1cからなり、一次側回路1に、例えばAC電源側からV1=20kVの雷サージ電圧が印加された場合、二次側回路11(11a,11c,11b)に進行する電圧は20V以下(一般的にはV1の0.1%以下、すなわち、以下の式(1)に示すように、サージ移行率:0.1%以下)に抑制することができる。ここで、コイル1cとコイル11cとの間にシールド層15が形成される。
FIG. 1 is a diagram showing an example of measures for suppressing a lightning surge voltage by a lightning-resistant transformer. Applies to AC power lines, etc. where lightning surges are expected to invade. The
この抑制効果により、二次側回路に接続される機器17を過大な雷サージ電圧から防護することが出来る。
Due to this suppression effect, the
図2は、サージに対する耐雷トランスの等価回路を示す図である。図2の左図に示す
一次側回路1と二次側回路11からなる等価回路は、サージのような高周波電圧が印加された場合には、トランス内部の静電容量(C1、C2、C3)に流れる電流が支配的になる。従って、サージに対する等価回路は図2右図に示したように静電容量Cのみで表すことができる。
FIG. 2 is a diagram showing an equivalent circuit of a lightning-proof transformer against a surge. The equivalent circuit consisting of the
図3は、サージ電圧が印加されたときの電流の流れを等価回路で示す図である。図3に示すように、二次側回路11に発生する電圧v2は静電容量C2を介して一次側回路1からアースGNDに流れる電流i1に関係なく、静電容量C1を介して一次側回路1から二次側回路11に流れ、次いで、静電容量C3を介してアースGNDに流れる電流i2によって決まる。すなわち、二次側電圧v2は静電容量C1と静電容量C3とで印加電圧v1を分圧した値となる(下記(2)式参照)。
FIG. 3 is a diagram showing an equivalent circuit showing the current flow when a surge voltage is applied. As shown in FIG. 3, the voltage v2 generated in the
また、上記の耐雷トランスでは、静電容量C1を1とするとC3は1000以上となるようにしている。これにより、トランス単体のサージ移行率を0.1%以下にすることができる。 Further, in the above-mentioned lightning-proof transformer, C3 is set to 1000 or more when the capacitance C1 is 1. As a result, the surge transfer rate of the transformer alone can be reduced to 0.1% or less.
上記の考察において明らかなように、耐雷トランスのサージ移行率はトランス単体の移行率であり、接地抵抗が0Ωの場合に相当する。すなわち、従来は、接地抵抗が0Ωの場合での設計を行っていた。 As is clear from the above discussion, the surge transition rate of the lightning-resistant transformer is the transition rate of the transformer alone, and corresponds to the case where the ground resistance is 0Ω. That is, conventionally, the design was performed when the ground resistance was 0Ω.
(接地抵抗の影響)
しかしながら、実際に耐雷トランスを設置する場合には、接地抵抗が必ず存在する。そして、サージ移行率はこの接地抵抗の影響を受ける。発明者は、以下に説明するように、新規な設計手法を用いた耐雷トランスを設計、試作した。
(Effect of ground resistance)
However, when actually installing a lightning-proof transformer, there is always a grounding resistance. The surge transition rate is affected by this ground resistance. The inventor designed and prototyped a lightning-proof transformer using a new design method, as described below.
図4は、接地抵抗を考慮に入れた新しいサージに対する等価回路図である。図5,図6は、図4の等価回路にサージ電圧が印加された場合の電流の流れを示した図である。図5は静電容量C1,C2,C3の値を大まかな比で示した図である。図6は、静電容量C1,C2,C3のインピーダンスの値を大まかな比で示した図である(いずれも、パラメータの後ろに括弧書きの数値で示した)。さらに、図5, 図6では、静電容量C2、接地抵抗Rを介してアースGNDに流れる電流i1,静電容量C1、C3、接地抵抗Rを介してアースGNDに流れる電流i2の値も比で示している。一次巻線を符号51で、二次巻線を符号52で示す。
FIG. 4 is an equivalent circuit diagram for a new surge that takes ground resistance into account. 5 and 6 are diagrams showing the current flow when a surge voltage is applied to the equivalent circuit of FIG. FIG. 5 is a diagram showing the values of the capacitances C1, C2, and C3 in a rough ratio. FIG. 6 is a diagram showing the impedance values of the capacitances C1, C2, and C3 as a rough ratio (all are shown by the numerical values in parentheses after the parameters). Further, in FIGS. 5 and 6, the values of the current i1 flowing through the ground GND via the capacitance C2 and the ground resistance R1 and the current i2 flowing through the ground GND via the capacitances C1 and C3 and the ground resistance R are also compared. It is shown by. The primary winding is indicated by
これらの図を参照すると、接地抵抗Rに流れる電流はi1が支配的であり(i2の100倍)、それに伴い二次側電圧v2もi1×Rが支配的となり、サージ移行率が接地抵抗Rに大きく影響されることが分かる。 With reference to these figures, the current flowing through the ground resistance R is dominated by i1 (100 times that of i2), and accordingly, the secondary voltage v2 is also dominated by i1 × R, and the surge transition rate is dominated by the ground resistance R. It can be seen that it is greatly affected by.
(サージ移行率の改善方法)
以下に、接地抵抗を考慮した耐雷トランスのサージ移行率の改善について説明する。
図7(a)は、本実施の形態による、サージ移行率を改善する原理を示す図である。接地抵抗Rを考慮した場合の耐雷トランスの二次側電圧v2においては、接地抵抗Rに発生する電圧vRが支配的である。vRにおいては、一次巻線~シールド層間を介して接地抵抗Rに流れる電流i1が支配的である。したがって電流i1を抑制すれば、接地抵抗Rにおける電圧vRは抑制され、サージ移行率が低減することがわかる。
(How to improve surge migration rate)
The improvement of the surge transition rate of the lightning-proof transformer in consideration of the ground resistance will be described below.
FIG. 7A is a diagram showing a principle of improving the surge transition rate according to the present embodiment. In the secondary voltage v2 of the lightning-proof transformer when the ground resistance R is taken into consideration, the voltage vR generated in the ground resistance R is dominant. In vR, the current i1 flowing through the ground resistance R via the primary winding to the shield layer is dominant. Therefore, it can be seen that if the current i1 is suppressed, the voltage vR in the ground resistance R is suppressed and the surge transition rate is reduced.
そこで、図7(b)に示すように、一次巻線~シールド層間静電容量を従来(現状)の1/10とし、そのインピーダンスを10倍とする。(3)式に示すように、接地抵抗Rに流れる電流i1が1/10となることにより改善される(vR改)は(vR)の1/10となり、サージ移行率の大きな低減が可能である。 Therefore, as shown in FIG. 7B, the capacitance between the primary winding and the shield layer is set to 1/10 of the conventional (current state), and the impedance is set to 10 times. As shown in the equation (3), the improvement (vR modification) by reducing the current i1 flowing through the ground resistance R to 1/10 becomes 1/10 of (vR), and the surge transition rate can be greatly reduced. be.
尚、上記の例では、一次巻線~シールド層間静電容量を1/10とした例について説明したが、例えば、1/3以下程度であれば、一定の効果を発揮できることが確認されている(後述の(試作品による確認結果)を参照)。 In the above example, an example in which the capacitance between the primary winding and the shield layer is set to 1/10 has been described, but it has been confirmed that a certain effect can be exhibited, for example, if it is about 1/3 or less. (See (Confirmation result by prototype) below).
(改善効果)
次に、上記の方針に基づいて新たに設計した耐雷トランスについての改善効果について説明する。
等価回路計算による改善原理の確認
図8(a)は、計算に用いた等価回路図である。理論計算は、サージ電圧の模擬として交流250kHzの電源を用いた交流回路に基づく計算により行った。
(Improvement effect)
Next, the improvement effect of the lightning-proof transformer newly designed based on the above policy will be described.
Confirmation of Improvement Principle by Equivalent Circuit Calculation Figure 8 (a) is an equivalent circuit diagram used in the calculation. The theoretical calculation was performed based on an AC circuit using an AC 250 kHz power supply as a simulation of the surge voltage.
図8(a)に示すように、接地抵抗を考慮した等価回路は、一次巻線71と二次巻線72と、を有する。そして、一次巻線71と二次巻線72との間の静電容量をC1、一次巻線71とシールド層間の静電容量をC2、二次巻線72とシールド層間の静電容量をC3とする。また、Rを接地抵抗とする。 As shown in FIG. 8A, the equivalent circuit considering the ground resistance has a primary winding 71 and a secondary winding 72. The capacitance between the primary winding 71 and the secondary winding 72 is C1, the capacitance between the primary winding 71 and the shield layer is C2, and the capacitance between the secondary winding 72 and the shield layer is C3. And. Further, R is a ground resistance.
図8(b)は、図8(a)に基づくサージ移行率計算のためのモデル回路を示す図である。 FIG. 8B is a diagram showing a model circuit for calculating the surge transition rate based on FIG. 8A.
ここでは、以下の式が成立する。 Here, the following equation holds.
(計算に用いた定数)
表1に計算に用いた定数を示す。計算対象モデルは、現用耐雷トランス、本実施の形態による耐雷トランス(新耐雷トランス)の2種を用いた。
(Constant used in calculation)
Table 1 shows the constants used in the calculation. Two types of calculation target models were used: the current lightning-proof transformer and the lightning-resistant transformer (new lightning-resistant transformer) according to the present embodiment.
新耐雷トランスでは、接地抵抗に流れるサージ電流を抑制するため、一次巻線~シールド層間の静電容量C2を現用トランスの1/5、1/10、1/20とした例について計算した。 In the new lightning-proof transformer, in order to suppress the surge current flowing through the ground resistance, the calculation was made for an example in which the capacitance C2 between the primary winding and the shield layer was set to 1/5, 1/10, and 1/20 of the current transformer.
ここで、計算条件を下のようにした。
※1 計算対象モデル:現用耐雷トランス、新耐雷トランス
※2 交流電源周波数:250kHz(波頭長1.0μsのサージに相当)
※3 実測値は現用耐雷トランスのC3のみ
※4 現用耐雷トランスのC1はC3の1/1500とした。
※5 新耐雷トランスのC2は現用耐雷トランスC2の1/5、1/10、1/20とした。
Here, the calculation conditions are as follows.
* 1 Calculation target model: Current lightning-resistant transformer, new lightning-resistant transformer * 2 AC power frequency: 250 kHz (equivalent to a surge with a wave front length of 1.0 μs)
* 3 The measured value is only for C3 of the current lightning-proof transformer. * 4 C1 of the current lightning-resistant transformer is 1/1500 of C3.
* 5 The C2 of the new lightning-resistant transformer is 1/5, 1/10, and 1/20 of the current lightning-resistant transformer C2.
(計算結果)
図9は、本実施の形態による新耐雷トランスと現用耐雷トランスのサージ移行率計算結果を示す図である。図10は、一般的な接地抵抗における新耐雷トランスと現用耐雷トランスのサージ移行率の比較例を示す図である。
(Calculation result)
FIG. 9 is a diagram showing the calculation results of the surge transition rate of the new lightning-proof transformer and the current lightning-resistant transformer according to the present embodiment. FIG. 10 is a diagram showing a comparative example of surge transition rates between a new lightning-proof transformer and an existing lightning-resistant transformer in a general ground resistance.
これらの計算結果を見ると、一次巻線~シールド間の静電容量C2が小さいほど移行率が低減されることが分かる。 Looking at these calculation results, it can be seen that the smaller the capacitance C2 between the primary winding and the shield, the lower the migration rate.
図10において、現用耐雷トランスとC2を現用の1/10(35.2pF)とした新耐雷トランスとで比較する。接地抵抗1Ωでは双方とも0.1%(1/1000)以下である。しかしながら、接地抵抗10Ωでは現用品が1%(1/100)以下というレベルであるのに対し、新耐雷トランスでは0.1%以下を維持していることがわかる。 In FIG. 10, the current lightning-proof transformer and the new lightning-resistant transformer in which C2 is 1/10 (35.2 pF) of the current one are compared. With a ground resistance of 1Ω, both are 0.1% (1/1000) or less. However, it can be seen that the current product has a level of 1% (1/100) or less when the ground resistance is 10Ω, while the new lightning-resistant transformer maintains 0.1% or less.
また、接地抵抗100Ωでの新耐雷トランスのサージ移行率(0.59%)と、接地抵抗10Ωでの現用耐雷トランスのサージ移行率(0.50%)はほぼ同じ値となった。 Further, the surge transition rate (0.59%) of the new lightning-resistant transformer with a ground resistance of 100 Ω and the surge transition rate (0.50%) of the current lightning-resistant transformer with a ground resistance of 10 Ω were almost the same values.
このことから、本実施の形態による新耐雷トランスによれば、D種接地(接地抵抗100Ω)箇所でも従来のA種接地(接地抵抗10Ω)に相当するサージ移行率を確保できることがわかる。 From this, it can be seen that according to the new lightning-proof transformer according to the present embodiment, a surge transition rate equivalent to the conventional class A grounding (grounding resistance 10Ω) can be secured even at the location of class D grounding (grounding resistance 100Ω).
(試作品による確認結果)
以上のサージ移行率低減効果原理の基本的妥当性を確認するため、現用耐雷トランス相当の従来品において、一次巻線~シールド層間の離隔を大きくし、その静電容量C2を減じた耐雷トランス(C2の値については以下参照)を試作した。
(Confirmation result by prototype)
In order to confirm the basic validity of the above surge migration rate reduction effect principle, in the conventional product equivalent to the current lightning-proof transformer, the separation between the primary winding and the shield layer is increased and the capacitance C2 is reduced. (See below for the value of C2) was prototyped.
ここで、“従来品”と“試作品”との静電容量C2の値はそれぞれ以下の通りである。
(従来品) C2=195pF
(試作品) C2=70pF(従来品の約1/3)
Here, the values of the capacitance C2 of the "conventional product" and the "prototype" are as follows.
(Conventional product) C2 = 195pF
(Prototype) C2 = 70pF (about 1/3 of the conventional product)
図11は、従来品と本実施の形態に基づく設計思想による試作品のサージ移行率実測結果を示した図である。図11に示すように、試作品の方がどの接地抵抗の値に対しても、従来品より低いサージ移行率を示すことがわかる。 FIG. 11 is a diagram showing the actual measurement results of the surge transition rate of the conventional product and the prototype based on the design concept based on the present embodiment. As shown in FIG. 11, it can be seen that the prototype shows a lower surge transition rate than the conventional product for any ground resistance value.
尚、以上の結果より、C2の容量値を従来品の1/3以下程度にすれば、サージ移行率の上昇を抑制することができることがわかる。 From the above results, it can be seen that if the capacitance value of C2 is set to about 1/3 or less of that of the conventional product, an increase in the surge transition rate can be suppressed.
このように、本実施の形態による耐雷トランスによれば、耐雷トランスにおいて、サージ移行率の接地抵抗に対する依存性を抑制することができるようになり、接地抵抗が大きい場所でもサージ移行率を低く保つことができる耐雷トランスを提供することができる。 As described above, according to the lightning-proof transformer according to the present embodiment, it becomes possible to suppress the dependence of the surge transition rate on the ground resistance in the lightning-resistant transformer, and the surge transition rate is kept low even in a place where the ground resistance is large. Can provide a lightning resistant transformer that can.
また、これにより、A種接地(接地抵抗10Ω以下)の施工が困難で、D種接地(100Ω以下)で施工される場所においても、耐雷トランスのサージ抑制効果を十分に生かし、機器を雷サージ等の異常電圧から満足に保護できるようになる。 In addition, due to this, it is difficult to construct class A grounding (grounding resistance 10Ω or less), and even in places where class D grounding (100Ω or less) is installed, the surge suppression effect of the lightning-resistant transformer is fully utilized to make the equipment lightning surge. It becomes possible to satisfactorily protect from abnormal voltage such as.
上記の実施の形態において、図示されている構成等については、これらに限定されるものではなく、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。 In the above embodiment, the configuration and the like shown in the illustration are not limited to these, and can be appropriately changed within the range in which the effect of the present invention is exhibited. In addition, it can be appropriately modified and implemented as long as it does not deviate from the scope of the object of the present invention.
また、本発明の各構成要素は、任意に取捨選択することができ、取捨選択した構成を具備する発明も本発明に含まれるものである。 In addition, each component of the present invention can be arbitrarily selected, and an invention having the selected configuration is also included in the present invention.
本発明は、耐雷トランスに利用可能である。 The present invention can be used for lightning resistant transformers.
1 一次側回路
11 二次側回路
C1,C2,C3 静電容量
71 一次巻線
72 二次巻線
1
Claims (4)
前記接地抵抗の値が30Ωから100Ωの場合において、サージ移行率が1%以下となるように前記第2のキャパシタの容量値を設定したことを特徴とする耐雷トランス。 It has a primary side circuit having a primary winding and a secondary side circuit having a secondary winding arranged close to the primary winding, one end side of the primary winding and the secondary winding. The second capacitor in order from the other end side of the primary winding between the other end side of the primary winding and the other end side of the secondary winding. A lightning-proof transformer having a capacitor and a third capacitor, and a ground resistance provided between the second capacitor and the third capacitor and between the ground.
A lightning-resistant transformer characterized in that the capacitance value of the second capacitor is set so that the surge transition rate is 1% or less when the value of the ground resistance is 30 Ω to 100 Ω .
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