JPH0789712B2

JPH0789712B2 - 電子機器の耐雷方法

Info

Publication number: JPH0789712B2
Application number: JP21992089A
Authority: JP
Inventors: 茂木村; 明男高橋
Original assignee: Otowa Electric Co Ltd
Current assignee: Otowa Electric Co Ltd
Priority date: 1989-08-25
Filing date: 1989-08-25
Publication date: 1995-09-27
Anticipated expiration: 2010-09-27
Also published as: JPH0386017A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、半導体を使用した弱電機器やセンサー等によ
り構成されているシステムに係る耐雷方法に関するもの
である。

（従来技術）自動計算機や半導体を使用した電子機器に係る先端産業
の発達によって自動化が進み、その中心的役割を果たし
ている弱電機器やセンサー類の信頼性が設備、機器の信
頼性を左右している現在、これら半導体機器は絶縁強度
が低く、特に屋外に設置されている機器を含むシステム
では雷サージによる被害が続出しているのが現状であ
る。

電子機器、特に、屋外設置の電子機器に係る雷サージの
進入経路は種々あるが、第３図Ａに示す如く、電源より侵入してくる雷サージ。

負荷側電源線、信号線、制御線、電話回線等より侵入
してくる雷サージ。

屋外より侵入してくる雷サージ。

大地より侵入してくる雷サージ。

上記〜の複合経路から侵入してくる雷サージ。

が想定される。

即ち、上記の場合は、高圧配電線に直撃又は誘導され
た雷サージが柱上変圧器で高圧側巻線から低圧側巻線に
移行して侵入してくる場合、低圧配電線自体への直接雷
サージが侵入してくる場合、第２種接地が拾い上げて低
圧線路に侵入してくる場合、大地から線路の方に避雷器
が逆放電して侵入してくる場合等々である。

上記の場合は、電話回線、屋外に信号線又は制御線を
もった半導体機器システムを構成する回線から侵入して
くるケースである。

上記の場合は、建物の屋上にある避雷針、その他に襲
雷があった時、建物自体が非常に高い電位となりこの内
部から電源線および信号線を通して外部に雷電流が抜け
出すことによる被害が生じる。又隣接する建物の避雷針
への落雷やその他の近傍落雷があった時、避雷針回路や
建物自身に誘起される誘導雷サージが発生する。

屋上の避雷針に雷の直撃を受けた場合は、サージ波頭部
の進行に伴い高電位が進行波になって伝達されるので、
僅かな時間であるが各階の間では大きな電位差が生ず
る。

従って、この際に半導体機器システムの同電位化が崩れ
てその箇所において閃絡することがあり得る。

上記の場合は、避雷針、無線中継所にけるアンテナ鉄
塔への雷の直撃、近傍落雷、避雷器の放電等によって大
地電位の上昇が発生し、これを機器ケースの接地線から
又は避雷器の接地線から避雷器が回路の方に逆放電し、
大地からシステムの方に雷サージが逆侵入してくる場合
である。

上記の場合は、通常前記〜における雷サージの侵
入が複合されて入ってくる場合が多い。例えば、各々の
近傍に落雷があったとき大地側から雷サージが侵入した
り、各々の回線にも誘導雷サージが発生する場合等であ
る。

以上要するに、雷サージの侵入経路は前述の如く、入力
電源側、屋外に出る出力電源又は信号回線側、接地系
側、屋外にある避雷針等から侵入する雷サージも含めて
大別することができるが、この対策としては従来、以下
に記述するａ、ｂ、ｄの方策を講じていた。

即ち、屋上にある避雷針から侵入する雷サージについて
の対策も含めて、第３図Ｂに示す如く入力電源線より入
るサージ電圧を抑制する方策（ａ）、屋外に出る出力電
源線、信号線より入るサージ電圧を抑制する方策
（ｂ）、接地線より半導体機器システムに侵入するサー
ジを避雷器等により入力電源線、及び信頼線側に流す方
策（ｄ）か講じられていた。

前掲の（ａ）に対する入力電源より侵入する雷サージに
ついての対策に対しては、第４図に示したように避雷器
により雷サージによる過電圧を抑制させる。また（ｂ）
に掲げた信号線、屋外に出る出力電源線においても
（ａ）と同様に避雷器、サージアブソーバ等により必要
とする雷サージ過電圧を抑制する手段が講ぜられてい
る。しかし、半導体機器に対しては、（ａ）対策の避雷
器、（ｂ）対策の避雷器の各々が独立した接地極に接続
されているときは、（ｄ）の大地から侵入する雷サージ
に対しては全く無防備である。

また、第４図は線路（10）から60kVの雷サージ電圧が侵
入したときのサージ抑制の状態を説明したもので、避雷
器（12）の接地抵抗による電位上昇で半導体機器（14）
には11.4kVの過電圧が加わり充電な保護は期待できな
い。これらを防ぐためには半導体機器（14）の接地と入
力電源、信号回線側にそれぞれ設置された避雷器の接地
を連接することにより、半導体機器全体の電位は上昇す
るが入力電源線（11）と外凾との相対電位差を避雷器
（12）の制限電圧E_A、第４図の例では、0.5kVに抑制す
ることができる。半導体機器の接地線から上昇してきた
雷電流も半導体機器を通さず両側の避雷器から各線路に
流し去り半導体機器を保護し得ることになり、前記対策
の（ｄ）をも達成することができる。これが次に挙げる
雷サージに対する同電位化である。

1.雷サージに対して電源系統、入出力信号系統、接地系
の同電位化を図ること。

2.雷サージに対して各システム毎の同電位化、換言する
と、各システムのサージに対しての絶縁化。

3.耐雷サージ対策の多重化。

上記は既に一部の人達や発明者も唱えていた方策であ
る。その基本的論理としては電源系統、入出力信号系
統、接地系及び各回線毎の何れにおいても同電位化する
ことがその基本である。

上記同電位化の具体的手段の一例として、第５図は、距
離を隔てて設置された機器（１），（２）が同一電源に
より供給された場合について、大地側から侵入する雷サ
ージに対しての対策例を示したものである。

第５図Ａは無対策の場合で、機器（１）（２）毎に接地
を持たせた時、それらの近傍に落雷があって大地電流が
流れ込み、機器（１）（２）の接地点（ａ）と（ｂ）と
の間に電位差が生ずる。

この時、大地電流は接地点（ａ）から機器（１）の内部
の電気回路を破壊して電力線に入り込む。この雷サージ
が伝達されて大地電位が低くなった機器（２）の電気回
路を破壊して当該機器（１）のケースから接地点（ｂ）
を経て大地に抜け去って行く。この事は雷の大地電流の
分流が流れることによる。同図Ｃは各位置毎に避雷器に
よりその位置の大地の電位に同電位化は図られたが、そ
の間の電源線を絶縁化する処置が無いため、矢印の方向
の電流が流れそのエネルギが大きいときは避雷器、機器
ともに破壊されることが多い。

上記の解決策としては、第５図Ｂに示す如く、接地点
（ａ）と（ｂ）との間を連接線（３）で結線し、電線源
を含めた同電位化を図るようにしている。

ところが、上記の方策にあっても大地電流の分流の大部
分は上記連接線（３）を流れることになるが、終季雷の
ようにそのエネルギが大きいときは機器（１）（２）、
その避雷器が共に破壊される。また雷のエネルギは前記
ほど大きくなくても、その距離が長いと機器（２）が破
壊される。

即ち、上記連接線（３）にはZ_Eのサージインピーダンス
が存在しており、これに雷の大地電流の分流が流れ、波
頭部で上記接地点（ａ）と（ｂ）との間にその相乗積で
あるＵ＝Ｉ＃Z_Eなる電位差が生じ、機器（１）（２）の
同電位化が崩れること。又上記連接線（３）を通って機
器（２）に大地電流が到達する時間とそれが接地点
（ａ）から避雷器を経て電源線路を通って機器（２）に
到達する間に時間差があって、機器（２）の同電位化が
崩れるとの理由からである。

例えば、接地線が高いインピーダンス値を示すのは、波
頭部の比較的短い時間であり、電源線のインピーダンス
も同値であるとすれば、電源線に入る雷の大地電流の分
流成分は波頭部のみであり、第５図Ｂの破線と実線で示
すように連接線（３）と避雷器を経て電源線への通路に
２分され、波尾部では連接線（３）、電源線共にサージ
インピーダンスは激減し、電源線の方は避雷器の制限電
圧が存在するので、その方への分流成分は零に近い極小
値となる。従って、避雷器には波頭部の比較的短い時間
だけ大きい電流が流れるが、波尾部では激減されるので
避雷器のサージエネルギー処理の負担も軽減される。

また、第５図Ｄに示すように電源線を金属管（５）、又
は金属ダクト（５）内に収納して該金属管（５）を上記
機器（１）（２）の結線用連接線（３）として使用した
り、第５図Ｅに示すように金属管（５）内に絶縁電線に
よる連接線（３）をも一緒に収納して使用したりすれ
ば、連接線（３）のサージインピーダンスの影響並びに
進行波の伝達時間差による機器（２）の同電位化の崩れ
を少なくすることができ、本発明もこの作用と後に説明
するサージ・シェルタの働きとの併用によるものであ
る。

しかし、これらの対策のみでは、次に挙げるような原因
で充分な耐雷対策とはならない。

接地母線、メッシュ接地の中間から侵入する雷サージの
対策は、接地母線、連接接地線はいくら太い電線を使用
しても、分布インピーダンス、分布容量によって定まる
サージインピーダンスは余り低下してくれない。従っ
て、これに電流が流れると、波頭部で２点間に電位差が
生じて同電位化は図れない問題点を残している。

高層階に接地された半導体機器応用システムに対する同
電位化について吟味すれば、インテリジェントビル、そ
の他一般のビルにおいても、コンピュータ本体、デジタ
ル交換器等は高層階に施設されることが多い。

従って接地線も大地に到るまで非常に長くなって進行波
が接地極に到着して接地の影響が元の機器に効果を現す
までには接地線の往復する時間、例えば、高さが100mの
場合では約0.7μｓの時間を要する。この間、接地線の
サージインピーダンスは非常に高い値を示し、種々の障
害が発生し、同電位化が崩れる。

建物に出入する回線を持ったシステムの同電位化につい
て見れば、当該建物に出入りする回線としては、各種の
システムに共通して言えることは電源を挙げることがで
き、又信号、制御回線としては種々のものがあるが、こ
れらにおいてはどの回線から侵入する雷サージも可能な
限り障壁を設け、雷サージを遮断又は減衰させ、残留し
たサージを避雷器、アブソーバ等でさらに必要な範囲に
低減させることであって、同電位化のポイントとして
は、建物内にある最重要半導体機器本体の接地点におけ
る電位にあらゆる回線の電位を揃えることである。

前述の同電位化に対する具体的手段は何れも第３図Ｂに
示したa,b,dの対策として、避雷器等により雷サージを
抑制しようとする手段である。特に第５図Ｂ、Ｃ、Ｄ、
Ｅを見れば判明する通り、大きな雷電流が同電位化の連
接線、あるいは電源線に抜け出してゆき種々の弊害をも
たらすものである。これを防止するためには第３図Ｂの
各対策として、雷サージの低減、抑制ではなく隔壁とし
て阻止することが顕著な効果を発揮するものである。

上記の目的を達成するために開発されたものがサージ・
シェルタ（多層シールド耐雷変圧器）である。これは入
力電源と負荷設備との間に介在させる変圧器で、その入
力巻線と負荷設備に接続されるべき出力巻線との間に少
なくも３枚の互いに絶縁されたシールド板を持ち、それ
ぞれ離隔された独立の接地極に接続するものである。斯
くすることにより、雷サージが入力電源側から侵入した
とき、信号回線から侵入したときも、どの接地極から侵
入したときでも各シールド板間の絶縁物で他の回線に雷
サージが抜け出していくことを防止する作用を持たしめ
たものである。その一例として示したのが第５図Ｆで、
これは同図Ｃの同電位化作用にサージ・シェルタの作用
を併用して連接接地線、電源線に雷電流が抜け出して行
くことを防止したものである。

（発明が解決しようとする課題）以上の如く、半導体機器システムの雷害防止手段として
は種々の方策が採用されていたが、サージ・シェルタを
適用した方策が有効的であることが判明した。

しかし、半導体システムが広い敷地にわたって端末器、
センサー等が設置されたり、屋外にまで延長されるよう
な時には、サージ・シェルタで雷サージが遮断された後
の線路、連接線、接地点間の電位差等により、損傷また
はノイズ障害等が発生されることがある。或いは頂上に
接地された避雷針に雷の直撃を受ける確率の大きい無線
中継所、高層階ビルに設置された半導体機器システム等
では、鉄骨で囲まれた建物によりファラデーケージがで
きあがり、内部の装置は安全と誤認され勝ちであるが、
このファラデーケージに大きな雷電流が通るときは完全
な同電位とはならない。またここから外部に出て行く電
流線があるときはその作用は失われてしまう。本発明は
これらの課題を解決した耐雷対策を提供しようとするも
のである。

（課題を解決するための手段）前掲の課題を解決するための手段として本発明は、入力
側巻線と出力側巻線との間に３層のシールド板を設ける
とともに、少なくとも出力側のシールド板を出力側巻線
の内周及び外周を包むように設け、前記出力側のシール
ド板、ケーブルシース及び／又は金属管、負荷機器のケ
ースにより出力側巻線から出力側配線、負荷機器の内部
回路を包み込むファラデーケージを構成し、このファラ
デーケージの接地を前記負荷機器の接地と連続又は一点
接地とし、負荷機器の内部回路への雷サージの侵入及び
ノイズの発生を防止する電子機器の耐雷方法を採用した
ものである。

（作用及び実施例）以下第１図の回路構成図に基づき本発明方法の実施例を
説明する。

尚、符号は前述の従来例と同一物品については同一の符
号を附して説明する。入力側の一次巻線E_Pと出力側の二
次巻線E_Sとの間に３層のシールド板（15p）（15c）（15
s）を設け、一次巻線E_P側のシールド板（15p）の接地線
E₁、サージ・シェルタのケース（140）と接続した中間
のシールド板（15c）は接地線E₂により接地され、又半
導体機器の電子回路（14）は接地線E₃により大地へ接地
されている。そして、出力側の二次巻線E_Sから電子回路
（14）に接続する配線（17）は、金属管（18）に内蔵さ
れ、絶縁されている構成である他、配線（17）の一線並
びに金属管（18）は端末のところで半導体機器のケース
（141）に接続した接地線E₃に繋がっている。

そして、本実施例では入力側の一次巻線E_Pと出力側の二
次巻線E_Sとの間に３層のシールド板（15p）（15c）（15
s）を設け、少なくとも（15s）は出力側巻線の内周及び
外周を厳重に包合するように構成し、これと図示の配線
（17）を囲む主金属管（18）、負荷機器（１）の電子回
路（14）を囲む負荷機器のケース（141）とを接続する
ことにより二次巻線E_Sから配線（17）、上記電子回路
（14）に至る回路の全てを金属に囲まれた１点接地のフ
ァラデー・ケージを形成する構成としている。

なお、入力電源側シールド板（15p）と出力電源側シー
ルド板（15s）との中間にあるシールド板（15c）は、保
護しようとする半導体システムが広い敷地にわたって設
置されたり、端末のセンサー等が屋外または別に存在す
るときは、サージ・シェルタの設置付近の接地極に接続
する。しかし、山頂にある中小型の無線中継所のように
局舎建物の面積が狭いときは、出力電源側シールド板
（15s）または主接地と連接する方が高い効果が得られ
る。

上記ファラデー・ケージは、接地された導体網でできた
容器であって電界並びに磁界に変化に対する影響を遮蔽
する構造物である。

本発明の実施例に係る回路構成は以上の通りであるが、
第２図Ｂに示すように金属管（18）と大地との静電容量
（破線で図示）、回線と金属管（18）との間の静電容
量，サージ・シェルタによるE_SE_C、シールド板（15p）
（15c）（15s）間の静電容量C_PE、C_ESにより、波頭部で
金属管（18）に僅かな電流が流れるが、これは前述の通
り軽微な電流である為負荷側の電子回路（14）にはノイ
ズとしてさえの影響は出ない。

上記実施例でも後に測定した結果のように雷サージ電流
の波頭部で軽微な電流が流れることによる同電位の崩れ
しか認められないが、より確実化する為に、第２図Ｃに
示すように金属管（18）の中にシースを有するケーブル
（17）を入れ、負荷機器（１）のところで、電源線の一
線、ケーブルシース、金属管（18）、負荷機器の主接地
とケース（141）全てをE₃点で一点接地にする、なお、
（15s）なる出力側シールド板はケーブル（17）の電源
端におけるケーブルシースに接続する。

以上の通り、本実施例の基本構成は上述の通りである
が、第２図Ａに示した回路構成のシステムに第１図で示
したように接地側から雷サージが侵入した場合の各々の
電位は、図示の接地点E₃にＵ＝10KV（1/40μｓ）を印加
したとき、V_C＝450V、V_P＝30V、Vl＝450V、Ｖ＝0.2V
（何れもサージ継続時間１μｓ前後）であり、電位は１
μｓ前後の極めて短時間で終息してしまう髪状の勢力の
弱いものとなっている。

このことから、サージ・シェルタの働きによって入力雷
サージが大幅に低減される。この実測は測定装置の都合
上、第２図Ａにおける出力電源線の末端にあるバリスタ
を除いて試験したもので、これを挿入するときは大きな
雷サージの印加に対して更に大きな雷サージの減衰効果
があったものと考えられる。

特に、機器（１）の電子回路（14）に現れた電圧は0.2V
と極めて軽微で微弱なものであって、測定の際に測定系
に粉れ込んだノイズとの判別がつかない程度のものであ
り、実用上の同電位の崩れはない。

本発明の実施例は以上の通りであるが、雷サージが入力
源側から侵入した場合においても前述と同様である。

（発明の効果）本発明は前掲の通り、入力側の一次巻線E_Pと出力側の二
次巻線E_Sとの間に３層のシールド板（15p）（15c）（15
s）を設け、少なくとも出力側巻線に近接したシールド
板（15s）は、出力側巻線の内周及び外周を包むように
設け、前記出力側のシールド板、ケーブルシース又は金
属管（18）、負荷機器（１）のケース（141）により、
出力側巻線から出力側配線（17）、負荷機器の内部回路
を包み込む極小容積のファラデーケージを構成し、この
ファラデーケージの接地を前記負荷機器の接地と連接、
又は一点接地し、負荷機器の内部会路への雷サージの侵
入及びノイズの発生を防止する卓越した作用を持たしめ
たものである。

この発明の効果は単に半導体機器システムを雷サージか
ら保護する効果のみではなく、上記の通り構成された極
小容積のファラデーケージは、サージ・シェルタにより
入力電源線との間は絶縁化されており、雷サージが配電
線に侵入するのを防止する顕著な効果がある。冬季雷の
激しい無線中継所等では、ここへの頻度の高い直撃雷に
より数kmにわたって配電線に被害が頻発されることは珍
しいことではなく、積雪の山中での配電線の復旧には多
大の労力と時間を要し、そのため長時間の停電となり、
社会的に莫大な二次被害の発生を防止する卓越した効果
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を適用した実施例の回路構成図、第
２図ABCは本発明方法を適用した実施例の要部を示す回
路構成図、第３図ABは雷サージの侵入形態の説明図、第
４図は従来の雷サージの防止例を示す回路構成図、第５
図ABCDEFは雷サージの侵入形態によるサージ電流の流れ
を示す説明図である。符号の名称は以下の通りである。（１）（２）……負荷機器、（３）……連接線、（４）
……二次巻線、（10）……線路、（11）……電源線、
（14）……電子回路、（15_P）（15_C）（15_S）……シー
ルド板、（16）……ケース、（17）……出力配線、（1
8）……金属管、E₁E₂E₃……接地点、

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入力側巻線と出力側巻線との間に３層のシ
ールド板を設けるとともに、少なくとも出力側のシール
ド板を出力側巻線の内周及び外周を包むように設け、前
記出力側のシールド板、ケーブルシース及び／又は金属
管、負荷機器のケースにより出力側巻線から出力側配
線、負荷機器の内部回路を包み込むファラデーケージを
構成し、このファラデーケージの接地を前記負荷機器の
接地と連続又は一点接地とし、負荷機器の内部回路への
雷サージの侵入及びノイズの発生を防止することを特徴
とする電子機器の耐雷方法。