JPWO2013186951A1 - 火花ギャップアレスタ - Google Patents

Abstract

【課題】封入構造の火花ギャップアレスタにおいて、放電発生時に消弧性ガスを十分に発生させて雷インパルス電流によるアークを確実に消弧板内に移動させることにより、消弧性能を高め、かつ、雷インパルス電流による消弧板の溶融蒸発を少なくして、寿命の長い火花ギャップアレスタを提供する。【解決手段】円筒状金属ケース内部に間隔をおいて対向配置した円錐台又は円柱状をなす１対の放電電極の間に、加熱により消弧性ガスを発生する絶縁性樹脂及び同様に加熱により消弧性ガスを発生する導電性樹脂の複合体からなる絶縁放電ギャップを配置し、その外側に単数又は複数の高溶融点金属と単数又は複数の低溶融点金属とを混合焼結して構成した導電性の焼結合金により形成した複数の金属消弧板を所定間隔離して配置する。【選択図】図４

Description

本発明は、落雷の際に過電圧に対して敏感な電子機器を保護するために、低圧電源回路に設置され、雷電流を大地にバイパスして放流するための火花ギャップアレスタに関する。

落雷電流を安全に大地にバイパスして放流することのできる火花ギャップアレスタとしては特許文献１に示すものが知られている。

この特許文献１に開示された火花ギャップアレスタの構成を図９に示す。

図９において、１０は、火花ギャップアレスタであり、すべての部品が中心軸に対して回転対称構造で配置されている。

アレスタ１０の１対の放電電極１１ａ、１１ｂは、円柱状絶縁物１２により、一定の放電ギャップＧを保持して対向している。この放電ギャップＧの大きさが、放電電圧を決定する。放電電極１１ａ、１１ｂから引出導体１７ａ、１７ｂが引き出され、これらの引出導体を介してアレスタ１０が保護対象の電気回路に接続される。電気回路に誘導された高電圧の雷インパルス電圧がアレスタ１０に加わると、アレスタ１０では、放電電極１１ａ、１１ｂ間の放電ギャップＧで火花放電から始まり、アーク放電へ移行する放電が生起して、雷インパルス電圧を吸収する。大電流のアーク放電はアレスタ１０の内部空間Ｓの空気に急激なイオン化と膨張を惹き起すが、放電電極１１ａ、１１ｂを取り囲む、円筒状絶縁物１３、絶縁板１４ａ、１４ｂおよび絶縁キャップ１５ａ、１５ｂからなる絶縁ケースの外側を金属パイプ１６によって覆い、その上下両端をカーリング加工によって堅固に閉じているため、内部圧力が数１０気圧を超えても爆発、破損することがない。

雷インパルス電流は、持続時間が１ｍｓ以下の短時間であり、金属部品の熱容量が充分に大きいために、この電流の放電によっては過度の温度上昇も生じない。

しかし、このような従来の火花ギャップアレスタ１０は、雷インパルス電流が消滅した後、内部空間Ｓの空気通路がイオン化されているため、この空気通路を通って電源回路から電流の続流が生じる。この続流を外部の回路遮断器によって遮断すれば、負荷回路に対する電源供給が遮断されたり、また、火花ギャップアレスタ１０が電源線から遮断されることにより過電圧保護機能が失われたりする不都合が生ずる。

この問題を解決するための火花ギャップアレスタとして、特許文献２に示す構成の火花ギャップアレスタがすでに知られている。

図１０は、この特許文献２に開示された火花ギャップアレスタ２０の構成を示す縦断面図である。構成要素はすべて回転対称に構成、配置されている。

この図１０における従来の火花ギャップアレスタ２０は、円筒状の金属ケース２８内に、所定の放電ギャップＧを保って対向配置された１対の放電電極２１ａ、２１ｂを有する。各放電電極は、銅材で構成された基部２２ａ、２２ｂの先端に、耐熱性、耐アーク性に優れた銅タングステン合金で構成された先端部２３ａ、２３ｂを結合して構成されている。また、１対の放電電極は、絶縁碍子２４、絶縁板２６ａ、２６ｂ、絶縁キャップ２７ａ、２７ｂを介して金属ケース２８の中に固定支持される。放電ギャップＧの大きさは、放電電極２１ａ，２１ｂ間に挟み込まれた絶縁碍子２４の厚さを調整することによって、簡単に設定することができる。絶縁碍子２４の外周には、加熱により消弧性ガスを発生する有機絶縁材で構成された絶縁リング２５が被嵌されている。放電電極２１ａ，２１ｂの周囲には、磁性金属リングで構成された複数の消弧板２９（ａ〜ｉ）が相互に所定間隔おいて絶縁して配置されている。

この火花ギャップアレスタ２０の内部空所Ｓにおいて、放電電極２１ａ、２１ｂ間に生じる放電は、初期においては両電極の先端部２３ａ、２３ｂ間にまたがるアーク放電路Ａに発生する。アーク放電路Ａにアーク放電が発生すると、このアークの熱によって、両電極間に配置された有機系消弧絶縁材で構成された絶縁リング２５から消弧性ガスが放出される。このガスの圧力および、磁性消弧板２９とアーク電流間の電磁力により、アーク放電路Ａのアークが消弧板２９の方向に移動され、消弧板２９の全体に拡がるアーク放電路Ｂに移る。このアーク放電路Ｂの中の個々の消弧板２９の両面にアーク放電の陰、陽極電圧降下が発生する。

アーク放電の両端の放電電極にも陰、陽極電圧降下が発生するのでｎ枚の消弧板を使用するとアーク放電路Ｂ内の陽極および陰極電圧降下は、（ｎ＋１）×（Ｕ_Ａ＋Ｕ_Ｋ）となり、放電電極２１ａ、２１ｂ間の印加電圧に対して逆起電力として作用する。雷インパルス電流が消滅する直前に交流電源回路から流れる電流の続流は、雷インパルス電流の放電経路と同じ経路を通ってアークを形成するが、交流電源回路の電圧の瞬時値が続流アークの逆起電圧よりも低くなったところで続流が遮断され、アーク放電は消滅する。

従って、この従来の火花ギャップアレスタ２０によれば、雷インパルス電流の消滅後の電源回路からの続流を遮断することができる。

しかし、この従来の火花ギャップアレスタ２０にも次の２つの欠点がある。
（１）アーク発生時に消弧性ガスを発生する絶縁リング２５が放電電極の内側に配置されているため、消弧性ガスの発生量が少ない。従ってアークを消弧板に移動させるための力が不十分となり、アークの移動距離が不足することによって消弧性能が低下する。
（２）消弧板２９ａ〜２９ｉに純鉄等の磁性材料を使用した場合、雷インパルス電流は、電流が２０ｋＡ以上の極めて大電流で、かつ、立ち上り速度が２ｋＡ／μｓ以上と極めて速いため、消弧板がアーク電流によって溶融蒸発することにより、消弧板の機能が低下するとともに、アレスタの寿命が短くなる。

欧州特許出願公開第０７８９４３４号明細書 国際公開第２００５-０７４０８４号

従って本発明の課題は、封入構造の火花ギャップアレスタにおいて、放電発生時に消弧性ガスを十分に発生させて雷インパルス電流によるアークを確実に消弧板内に移動させることにより消弧性能を高めて続流を確実に防止し、かつ雷インパルス電流による消弧板の溶融蒸発を少なくすることにより寿命を長くすることのできる火花ギャップアレスタを提供することにある。

前記の課題を解決するため、請求項１の発明は、 前記１対の放電電極の間に、加熱により消弧性ガスを発生する絶縁性樹脂により形成した樹脂絶縁体と、同様に加熱により消弧性ガスを発生する導電性樹脂により形成した樹脂導電体との複合体からなる樹脂間隔体を配置し、前記放電電極の一方と前記前記樹脂間隔体の前記樹脂導電体部との間に、絶縁放電ギャップを形成する前記樹脂間隔体の前記樹脂絶縁体部の層を介在させるとともに、前記樹脂間隔体の外側に、単数又は複数の高溶融点金属と単数又は複数の低溶融点金属とを焼結して構成した導電性の焼結合金により形成した複数の金属消弧板を所定間隔離して配置したことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記金属消弧板を形成する焼結合金は、低融点金属が銅であり、高融点金属がタングステンであることを特徴とする。

請求項３の発明は、前記請求項１または２の発明おいて前記樹脂間隔体の樹脂絶縁体で構成された一端と樹脂導電体で構成された他端をそれぞれ前記１対の放電電極の互いに対向する端面の凹部に嵌合し、前記樹脂間隔体の樹脂絶縁体で構成された一端の嵌合された側の放電電極の凹部の深さと、この凹部に挿入される前記樹脂間隔体の樹脂絶縁体で構成された一端側の絶縁体の厚みとの差により、前記放電ギャップの寸法を規定したことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１から３の何れか１つの発明において、前記１対の放電電極の周囲の空間を絶縁材により構成した隔壁により仕切って複数の空間を形成し、その１つをアーク室とし他の１つを膨張室として、これらの各室を気体通路によって相互に連通したことを特徴とする。

請求項５の発明は、前記の請求項１から４の何れか１つの発明おいて、前記１対の放電電極間の空間に設けられた前記アーク室内に、前記樹脂間隔体を構成する樹脂導電体部を収容し、この導電体部と対向して前記金属消弧板を配置したことを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１から５の何れか１つの発明において、前記円筒状金属ケースの内側に複数の分割構成された絶縁リングを連接接合して構成した絶縁筒が挿入され、前記複数の金属消弧板が、前記絶縁筒を構成する絶縁リングにより、相互の間隔が保たれ、かつ前記金属ケースから電気的に絶縁して固定されたことを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項１から６の何れか１項の発明において、前記金属ケースの内側に挿入した前記絶縁リングの一部の内周に先端を鈎形に折曲して形成された環状溝を有する環状突起を設けたことを特徴とする。

請求項８の発明は請求項６または７の発明において、前記絶縁筒を構成する絶縁リングの少なくとも１つにこのリングの内外周に通じる通気路を少なくとも１個設けたことを特徴とする。

請求項９に記載の発明は、請求項８の発明において、前記通気路は、前記絶縁筒を構成する絶縁リングの接合部に設けたことを特徴とする。

請求項１０の発明は、請求項１から９の何れか１つの発明において、前記加熱により消弧性ガスを発生する絶縁性樹脂が無機強化材を含む複合樹脂であることを特徴とする。

請求項１１の発明は、請求項１から１０の何れか１つの発明おいて、前記加熱により消弧性ガスを発生する絶縁性樹脂はポリオキシメチレン（ＰＯＭ）樹脂であり、前記加熱により消弧性ガスを発生する導電性樹脂は前記ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）樹脂にカーボン粉末を混合した樹脂であることを特徴とする。

本発明によれば、次に述べるような優れた効果が得られる。
（１）円錐台又は円柱状放電電極間に配置した樹脂間隔体を、加熱により消弧性ガスを発生する絶縁性樹脂で形成した樹脂絶縁体と加熱により消弧性ガスを発生する導電性樹脂で形成した樹脂導電体の複合体により構成し、絶縁体部の表面に放電ギャップを形成しているため、この放電ギャップに発生したアークを樹脂間隔体全体の沿面に進展させることができるので、アーク放電によって樹脂間隔体表面から大量の消弧性ガスを発生させることができる。これにより、樹脂間隔体表面を走行するアークを確実に消弧板側へ移動させてアークを分断し、アーク電圧を高めることができることにより、雷インパルス電流が減衰後の電源からの続流を確実に防止することができる。
（２）円筒状金属ケースに封入された火花ギャップアレスタにおいて、対向配置した円錐台又は円柱状の１対の放電電極間の空間に配置した金属消弧板を、低融点金属粉末と高融点金属粉末を混合、焼結して形成した焼結合金により構成したことにより、金属消弧板が雷インパル電流によるアーク放電に曝されても消弧板の損耗を小さくし、アレスタの寿命を長くすることができる。

本発明の火花ギャップアレスタの原理的な構成を示す図であり、（ａ）は、（ｂ）におけるａ−ａ線に沿う横断面図、（ｂ）は（ａ）におけるｂ−ｂ線に沿う縦断面図。 本発明に使用する金属消弧板を構成する焼結合金板の構造を模式的に示す断面図。 本発明の動作説明に用いるアーク放電の電圧−電流特性を示す線図。 本発明の第１の実施例を示す構成図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ部分を拡大して示す部分拡大縦断面図。 図４（ａ）のＶ-Ｖ線に沿う横断面図。 本発明の第２の実施例を示す構成図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ部分を拡大して示す部分拡大縦断面図。 本発明の第３の実施例の火花ギャップアレスタの構成を示す縦断面図。 本発明の第３の実施例の火花ギャップアレスタに使用する１つの絶縁リングの構成図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）左側面図、（ｃ）は（ａ）におけるｃ−ｃ線に沿う縦断面図。 火花ギャップアレスタの従来例の構成を示す縦断面図。 火花ギャップアレスタの他の従来例の構成を示す縦断面図。

まず、図１に示す本発明による火花ギャップアレスタの原理的な構成について説明する。

図１において、３０は火花ギャップアレスタであり、円筒状の絶縁ケース３３内に所定間隔をおいて納められた１対の放電電極３１ａ、３１ｂを備える。電極３１ａ、３１ｂの間隔は、この間に挿入された円形の樹脂間隔体３２によって保たれている。この樹脂間隔体３２は、例えば、ＰＯＭと呼ばれているポリオキシメチレン樹脂のような、高温で消弧性ガスを発生する樹脂で形成された消弧性樹脂絶縁体３２ａと、このポリオキシメチレン樹脂に導電性のカーボン粉末を添加して導電性を持たせた樹脂で形成した消弧性樹脂導電体３２ｂとを一体に結合して形成した複合樹脂で構成される。このため、樹脂間隔体３２は、軸方向に２分された半部３２ａが絶縁性を示し、残り半部３２ｂが導電性を示す。

ポリオキシメチレン樹脂は、カーボンのような導電剤を添加、混合しても高温で多量の消弧性ガスを発生する特性は失われないので、消弧性樹脂導電体３２ｂは、消弧性樹脂絶縁体３２ａと全く同等の消弧性ガス発生機能を有する。

樹脂間隔体３２は、それぞれほぼ半円柱状に形成された消弧性樹脂絶縁体３２ａと消弧性樹脂導電体３２ｂとを互いの平面部分を接合して円柱状に形成されている（図１（ａ）参照）。そして、消弧性樹脂絶縁体３２ａの中間部に樹脂間隔体３２の半径方向に突出した薄い半円板状の突出部３２ｃが形成され、この突出部３２ｃの外周面は消弧性樹脂導電体３２ｂの外周面まで延びアーク室３６ａ内に露出する（図１（ｂ）参照）。突出部３２ｃの上下面は、各面上に配置された消弧性の樹脂導電体３２ｂの上下に分割した分割体３２ｂ−１,３２ｂ−２を介して、それぞれ放電電極３１ａ、３１ｂと導電結合される。突出部３２ｃの厚さが放電電極３１ａ、３１ｂ間の放電ギャップＧを形成し、例えば、この放電ギャップＧの大きさを０．３ｍｍに選定すると、放電電極３１ａ、３１ｂ間に２ｋＶ程度の雷インパルス電圧が加わったとき、この放電ギャップＧの絶縁が破壊され、閃絡（火花放電）が発生する。

放電電極３１ａ、３１ｂおよび樹脂間隔体３２を封入した円筒状の絶縁ケース３３の内部空間は、樹脂間隔体３２の絶縁体３２ａと導電体３２ｂとの境界部分で、前記樹脂間隔体３２と同様に消弧性絶縁樹脂で形成された半径方向の絶縁隔壁３５ａ、３５ｂによって仕切られた２つの空間を形成する。この２つの空間の一方をアーク室３６ａとし、他方を膨張室３６ｂとする。絶縁隔壁３５ａ、３５ｂには、それぞれ通気路３５ｈ、３５ｈが設けられ、これによって両室が連通されるので、アーク室３６ｂのアークによる過大な内圧上昇を膨張室３６ｂが吸収し、アーク室３６ａの圧力上昇を抑える働きをする。

アーク室３６ａ内には樹脂間隔体３２の消弧性の樹脂導電体３２ｂが収まり、膨張室３６ｂ内に消弧性の樹脂絶縁体３２ａが収まる。アーク室３６ａには、消弧性の樹脂導電体３２ｂおよび消弧性の樹脂絶縁体３２ａの突出部３２ｃの外周面と対向して、消弧板３７が所定の間隔をおいて配置されている。この消弧板３７は、環状平板を部分的に切り取った形状の複数の導電性金属消弧板３７ａ〜３７ｅを軸方向に所定間隔おいて積層して構成される。この金属消弧板３７ａ〜３７ｅは、１種類以上の低融点金属粉末と１種類以上の高融点金属粉末を焼結して形成した導電性の焼結合金板によって構成され、相互に一定の間隔を保って、絶縁ケース３３によって保持されている。

消弧板３７を形成する焼結合金としては、例えば、低融点金属として銅を２０重量％、高融点金属としてタングステンを８０重量％含有する焼結合金を使用することができる。

次にこのように構成された本発明の火花ギャップアレスタの動作を説明する。

アレスタの接続される保護対象の施設の電気回路の通常の使用電圧は、１００〜４００Ｖ程度の低電圧である。樹脂間隔体３２の絶縁体３２ａの突出部３２ｃを挟んで対向する消弧性樹脂導電体３２ｂの端縁部間の放電ギャップＧによって１対の放電電極３１ａ、３１ｂ間の耐電圧は、数ｋＶに設定されているので、１対の放電電極３１ａと３１ｂとの間に通常の使用電圧が加わっても、放電ギャップＧの絶縁が維持され、放電は起きない。

電気回路の電路に、落雷等により高電圧の雷インパルス電圧が誘導され、放電電極３１ａと３１ｂの間の樹脂間隔体３２の絶縁体３２ａの突出部３２ｃを挟んで対向する分割導電体３２ｂ−１と３２ｂ−２の上下の端縁間に放電ギャップＧの耐電圧以上の雷インパルス電圧が加わると、この放電ギャップＧの絶縁が破壊されて閃絡（火花放電）が生じる。この閃絡により、樹脂間隔体３２の絶縁体３２ａの突出部３２ｃの外周表面を経由して上下の分割導電体３２ｂ−１、３２ｂ−２の対向する端縁の閃絡点ａ、ｂ間の点線で示す放電路Ａに大きな電流が供給されるためアーク放電に発展する。さらに、このアーク放電によってアーク室３６ｂ内部空気がイオン化されることにより、放電路が１対の放電電極３１ａ、３１ｂのｃ、ｄ点間に亘る点線で示す放電路Ｂにアークが拡大する。この放電路Ｂのアークによって消弧性の樹脂導電体３２ｂが高温に加熱されることによりその表面から大量の消弧性ガスが発生し、アーク室から膨張室に向かうガス流が形成される。その時のガス圧力によって１対の放電電極間の放電路Ｂのアークが、金属消弧板３７ａ〜３７ｅの中央部に移動し、点線で示す放電路Ｃが形成される。

これにより、アークが、複数の金属消弧板３７ａ〜３７ｅにより分断され、各消弧板間に生じる約３０Ｖの陰、陽極電圧降下によってアーク電圧が上昇する。

このアーク電圧Ｕ_Ａは、図１（ｂ）に示すように、消弧板３７が５枚設けられていると、これに放電電極３１ａ，３１ｂの陰極および陽極電圧降下が加わるので、
Ｕ_Ａ ＝ ３０（Ｖ）×（５＋１） ＝ １８０（Ｖ） （１）
となる。このように、１対の放電電極３１ａ、３１ｂ間のアーク電圧が上昇することにより、雷インパルス電流が消滅した後に、アーク室３６ｂの内部空気がイオン化されていることにより電源回路から続流が流れても、消弧板３７によって生じる陰、陽極電圧降下は維持されるので、１対の放電電極３１ａ、３１ｂ間に加わる電源回路電圧の瞬時値が１８０Ｖ以下に低下したところで、この陰、陽極電圧降下を維持することができないので、これを確実に遮断することができる。

金属消弧板３７においては、雷インパルス電流のアークと接触することにより、接触部分のミクロンオーダの薄い領域に、約３０Ｖの陰、陽極電圧降下が発生し、この電圧と２０ｋＡに達するインパルス電流との積で決まる損失熱が発生する。この損失熱によって消弧板３７の表面が溶融する。純鉄などで構成した従来の磁性金属消弧板の場合は、この溶融した金属が高いアーク圧力によって瞬時に飛散し、消弧板の消耗量が大きくなることにより、溶融部分が更に深部にまで達するため、消弧板に貫通孔が生じて続流遮断機能を失うことがある。

本発明においては、金属消弧板３７を、比較的低温度で溶融する低融点金属、例えば銅の粉末と、高温度まで溶融しない高融点金属、例えばタングステンの粉末とを焼結して形成した焼結合金で構成しているため、雷インパルス電流による溶融，蒸発量が極めて少なくなり、消弧板の損耗を小さくすることができる。

この理由を、図２を参照して説明する。

図２は、低融点金属と高融点金属の焼結合金で構成した消弧板の縦断面を模式的に拡大して示す金属組織図である。この図に示すように、消弧板の金属組織は、高融点金属の多数のタングステン粒子Ｗが高温焼成されるによって相互に結合し、その空隙部分を低融点金属の銅粒子Ｃｕが埋める構造となっている。

このような消弧板に雷インパルス電流のアークが接触すると、表面に露出した僅かな低融点金属の銅粒子Ｃｕは、直ちに溶融飛散するが、高融点金属のタングステン粒子Ｗで構成された枠組み構造の内部の銅は溶融しても飛散することなく消弧板内部に留まり、その溶融熱によってアークによる損失熱を吸収して、周囲に伝達するように作用するため、消弧板が冷却され、消弧板の温度上昇が抑えられる。このため、低融点金属の銅粒子Ｃｕの溶融、蒸発による消失が減少し、また、タングステン粒子Ｗの融点は銅粉末の融点よりも遥かに高いため、枠組み構造は溶融することなく強固に維持される。

従って、比較的高い溶融点の金属と比較的低い溶融点の金属からなる焼結合金で構成した本発明の消弧板は、アークと接触しても損耗が極めて小さいため、アレスタの寿命を長く保つことができる。

本発明による火花ギャップアレスタの具体的な実施例を図４から図６に示す。以下これについて説明する。

次に、本発明の具体的な実施の態様を図に示す実施例について説明する。

本発明の第１の実施例を図４および図５に示す。図４は、この実施例１の火花ギャップアレスタ４０の構成を示す縦断面図、図５は、図４のＶ−Ｖ線に沿う横断面図である。

この実施例１においても、ほとんどの構成要素が、軸線に対して回転対称に構成、配置されている。ただ消弧板４７だけは、図５に平面図形を示すように、環状の平板の一部を所定の円弧角で切り取った形状とされ、回転対称な構成とはなっていない。

図４に示すように、１対の放電電極４１ａ、４１ｂは、通常の導電体である銅材で構成された基部４１ａ−２、４１ｂ−２と、そしてこの基部の先端に結合された耐熱性、耐アーク性に優れる銅タングステン合金製のチップで構成された先端部４１ａ−１、４１ｂ−１とからなる。基部４１ａ−２、４１ｂ−２と先端部４１ａ−１、４１ｂ−１とは、先端部に設けた凹部内に基部を挿入することで、ろう付け等の面倒な処理を行うことなく一体化されている。

放電電極４１ａ、４１ｂの先端部４１ａ−１、４１ｂ−１はこの実施例１では円錐台状に形成されているが、これに代えて、円柱状としてもよい。１対の放電電極４１ａ、４１ｂは、間に挟んだ、消弧性の樹脂絶縁体４２ａと消弧性の樹脂導電体４２ｂとを一体に結合して構成した樹脂間隔体４２により対向間隔が一定に保持される。この放電電極４１ａ、４１ｂは、絶縁キャップ４３ａ、４３ｂと複数に分割構成された絶縁リング４４ａ〜４４ｆを連接結合して構成された絶縁筒４４とで形成された絶縁ケース内に弾性を有する絶縁板４４ｊ、４４ｋを介して収容される。絶縁筒４４等で構成された絶縁ケースは、外側から金属パイプからなる金属ケース４５により被嵌されている。金属ケース４５は、上下両端をカーリング加工により内側に折り曲げて、放電電極基部４１ａ−２、４１ｂ−２のフランジ部４１ａ−３、４１ｂ−３に対して軸方向に締め付け圧力を加えることにより強固な耐圧構造体を構成する。

１対の放電電極の先端部４１ａ−１、４１ｂ−１の間には、複数、ここでは３枚の消弧板４７ａ〜４７ｃが相互に間隔をおいて積層配置されている。これらの消弧板４７ａ〜４７ｃは、絶縁筒４４を構成する絶縁リング４４ｂ〜４４ｄが互いに連接結合される部分に形成される環状溝４４ｇ〜４４ｉ内に嵌め込むことにより固定支持されている。これらの消弧板４７（ａ〜ｃ）は、前記したように銅等の低融点金属とタングステン等の高融点金属とをそれぞれ１種類以上含む焼結合金により形成されている。

樹脂間隔体４２は、その上端部と外周のほぼ半部が、消弧性の樹脂絶縁体４２ａにより形成され、露出する。そして、その下端部と外周の残り半部が、消弧性の樹脂導電体４２ｂで形成され、露出する。樹脂間隔体４２の上端部が上部の放電電極４１ａの先端部４１ａ−１に嵌合結合され、下端部が下部の放電電極４１ｂの先端部４１ｂ−１に嵌合結合される。上部放電電極４１ａの先端部４１ａ−１と接合された樹脂間隔体４２の樹脂絶縁体４２ａの上端部は全周が露出し、樹脂間隔体４２の樹脂導電体４２ｂの露出する外周面側に露出する部分の厚さｇが、上部放電電極４１ａの先端部４１ａ−１と樹脂間隔体４２の樹脂導電体４２ｂとの間の絶縁放電ギャップＧを決定する。

図４（ｂ）に、この放電ギャップＧを含む図４（ａ）におけるＡ部を拡大して示す。

この図４（ｂ）に示されるように、放電電極４１ａの先端部４１ａ−１の端面に設けた凹部４１ａ−６に嵌合された部分の樹脂間隔体４２の消弧性樹脂絶縁体４２ａの厚さｔと、前記凹部４１ａ−６の深さｄとの差で樹脂導電体の側に露出する部分の厚さｇが決められる。そしてこの厚さｇにより電極間の絶縁放電ギャップＧの寸法が自動的に定まるので、樹脂間隔体４２や、放電電極先端部４１ａ−１の寸法を決めて組み立てるだけですみ、組み立て時における面倒な位置の調整等は一切不要となる。放電電極基部４１ａ−２および４１ｂ−２から外部へ引出導体を引き出す場合は、外部引出部に設けた引出導体結合用のねじ穴４１ａ−４、４１ｂ−４に図示しない引出導体をねじ結合することによって引き出すことができる。

絶縁筒４４内の樹脂間隔体４２の周辺空間は、図５に示すように、絶縁筒４４を構成する分割絶縁リング４４ａ〜４４ｆの内周に対向して内側へ突出形成された１対の半径方向の隔壁４４ｐ、４４ｑによって２つの空間に分割される。樹脂間隔体４２の消弧性樹脂導電体４２ｂおよび消弧板４７（４７ａ〜４７ｃ）を収容する方の空間をアーク室４６ａとし、他方の樹脂絶縁体４２ａを収容する方の空間を膨張室４６ｂとする。隔壁４４ｐ、４４ｑには上下の軸方向に延びた条溝４４ｒ、４４ｓが形成され、この条溝に樹脂間隔体４２の樹脂絶縁体４２ａの外周に対向して外側に突出形成した凸条４２ｃ、４２ｄを嵌め込むことにより絶縁筒４４内の内部空間が完全に２つの空間に仕切られる。

図４に示されるようにアーク室４６ａと膨張室４６ｂとは、放電電極先端部４１ａ−１、４１ｂ−１と基部４１ａ−２、４１ｂ−２との間に形成された空所４６ｃ，４６ｄによって連通されている。アーク室４６ａ内に発生したアークにより、このアーク室４６ａの内部圧力が急激に上昇したとき、この圧力をこれらの空所４６ｃ，４６ｄを通して膨張室４６ｂに逃がすことにより、アーク室４６ａ内の圧力上昇を緩和し、アレスタの圧力上昇による破壊を防止する。この時に発生する消弧ガス流によってアークは消弧板４７ａ，４７ｂ，４７ｃの中央部に移動する。

次に、このように構成された火花ギャップアレスタ４０の動作を説明する。

雷電圧から保護すべき電気回路の電路と大地の間にアレスタ４０の１対の放電電極４１ａ、４１ｂを電気的に接続する。

このアレスタ４０の一方の放電電極先端部４１ａ−１の端縁と、樹脂間隔体４２の絶縁体４２ａを挟んでこれと対向する樹脂間隔体４２の導電体４２ｂの端縁との間に形成された絶縁放電ギャップＧ（図４（ｂ）参照）の耐電圧は、例えば１００〜４００Ｖ程度の低電圧の通常の使用電圧より十分高い電圧、例えば１．５ｋＶに設定されているので、通常の使用電圧で使用しているときは、放電ギャップＧの絶縁が維持され、放電は起きない。

しかし、電気回路の電路に雷インパルス電圧が誘導され、放電電極４１ａと４１ｂとを通して、放電ギャップＧの耐電圧以上の数ｋＶ以上の雷インパルス電圧が加わると、この放電ギャップＧの絶縁が破壊されて閃絡（火花放電）が生じ、樹脂間隔体４２の絶縁体４２ａの上端部４２ｃの表面を経由して上方の放電電極先端部４１ａ−１の端縁と樹脂間隔体４２の樹脂導電体４２ｂの上端縁の閃絡点ａ、ｂ間に大きな電流が供給されるため閃絡（火花放電）はアーク放電に発展する。さらに、このアーク放電によってアーク室４６ａの内部空気がイオン化されることにより、アークが、１対の放電電極４１ａ、４１ｂのａ、ｃ点間に伸び、樹脂間隔体４２の消弧性樹脂導電体４２ｂの露出した表面を走る。これにより樹脂間隔体４２の消弧性樹脂導電体４２ｂの表面が高温に加熱されるため、樹脂導電体４２ｂの表面から大量の消弧性ガスが発生する。この消弧性ガスの圧力により押されて樹脂導電体４２ｂの表面を走るアークが消弧板４７ａ〜４７ｃの中央部に移動する。

このようにアレスタ４０内に雷インパルス電圧によりアーク放電が発生することにより、この雷電圧はアレスタ４０を介して、大地へ逃がされ、電気回路を雷電圧から保護することができる。

アレスタ４０内のアークが、３枚の導電性の金属消弧板４７ａ〜４７ｅに移動すると、これが消弧板によって分断されるため、各消弧板に陰、陽極が形成され約３０Ｖの陰、陽極電圧降下が発生する。

１対の放電電極４１ａ、４１ｂ間に生じる総合の陰、陽極電圧降下Ｕ_Ａは、３枚の消弧板の陰、陽極電圧降下に１対の放電電極の陰、陽極電圧降下が加わるので、
Ｕ_Ａ ＝ ３０（Ｖ）×（３＋１） ＝ １２０（Ｖ） （２）
となる。

通常の消弧板のないアーク路のアーク電圧は、長い放電路の大きなアーク抵抗によって図３に特性線Ｂで示すようにアーク電流に依存して変化するが、消弧板を含むアーク路のアーク電圧は、消弧板に生じる陰、陽極電圧降下と短いアーク放電路の小さなアーク抵抗によって、図３に特性線Ａで示すように、アーク電流に依存せず略一定の１２０Ｖとなる。このため、雷インパルス電流がピーク値を超えて減衰過程に入ってもアーク電圧は、略一定に保たれるので、雷インパルス電流が略０となり、電源電圧の瞬時値がアーク電圧よりも小さくなったとき、電源回路からの続流が遮断され、アークが消滅し、アレスタの絶縁が回復される。

アレスタ４０内にアーク放電が発生すると、アークの熱によって放電電極および消弧板の金属が蒸発、飛散し、その金属酸化物が絶縁筒４４の内表面に付着することにより、１対の放電電極間に電気的なバイパス回路が形成され、放電電極間の絶縁抵抗が低下する。

この実施例１では、このような絶縁抵抗の低下を防止するために、絶縁筒４４を形成する両端の絶縁リング４４ａおよび４４ｆの内周に先端部が内側に鉤形に折曲形成された環状突起を設けることにより、電極等から蒸発、飛散した金属酸化物が回り込まない環状溝４４ｍ、４４ｎを形成している。この環状溝４４ｍ、４４ｎの中には、アークによって放電電極や金属消弧板から溶融蒸発した金属酸化物の回り込みが少なくなるので、ここで、絶縁筒４４の内表面に付着する金属酸化物層の連続が切断されることになり、１対の放電電極間の絶縁抵抗の低下を長期間防止することができる。

また、アーク室４６ａ、膨張室４６ｂの外壁を構成する絶縁リング４４ａ〜４４ｆは、絶縁性の樹脂で形成されているため、アーク発生時に加わる大きな内部圧力によって破損する可能性がある。これを防止すために、絶縁性の樹脂にグラスファイバ等の無機強化材料を添加することにより、機械的強度を高めるようにするのがよい。

さらに、この実施例１の金属消弧板４７も、比較的低温度で溶融する低融点金属、例えば銅の粉末と、高温度まで溶融しない高融点金属、例えばタングステンの粉末とを焼結して形成した焼結合金で構成しているため、前記図１の実施例と同様に、低融点金属と高融点金属との相乗機能により、雷インパルス電流による溶融，蒸発量が極めて少なくなり、消弧板の損耗を小さくすることができるので、アレスタの寿命を長くすることができる。

さらに、本発明の具体的な第２の実施例を図６に示すので、これについて説明する。

この実施例２は、実施例１における１対の放電電極４１ａと４１ｂの間の間隔を保持する樹脂間隔体４２の樹脂絶縁体４２ａの上端部および上部電極先端部４１ａ−１の構造を改良したものである。

実施例１では、放電ギャップＧを形成する間隔体の樹脂絶縁体の露出部分の厚さｇを、上部電極先端部４１ａ−１に設けた嵌合用の凹部４１ａ−６の深さｄと、これに嵌めこむ樹脂絶縁体４２ａの上端部のはめ込み部分の厚さｔとの差によって決める構成としている。これに対して、この実施例２では、上部電極先端部４１ａ−１と、樹脂間隔体４２の樹脂導電体４２ｂの露出する部分の上端との間で樹脂絶縁体４２ａの露出する部分の厚さｇによって絶縁放電ギャップＧの大きさを一義的に決定する構成としている。

このため、実施例２においては、図６（ａ）に示すように、上部電極先端部４１ａ−１の嵌合孔４１ａ‐７に、樹脂間隔体４２の樹脂絶縁体４２ａの突起４２ａ−１を嵌め込むことにより上部電極先端部４１ａ−１に樹脂間隔体４２を結合しているが、実施例１では、絶縁ギャップＧの大きさを決めるための上部電極先端部４１ａ−１の凹部４１ａ−６や、この凹部への樹脂絶縁体４２ａの嵌合凸部を設けることはしていない。

その他の構成は、実施例１と同じであるので、説明を省略する。

この実施例２によれば、樹脂間隔体４２の樹脂絶縁体４２ａの上部電極先端部４１ａ−１と樹脂間隔体４２の樹脂導電体４２ｂの上端との間で外周面の露出する部分の厚さｇを所望する耐電圧に対応した寸法に形成するだけで、絶縁放電ギャップＧを規定できるので、この絶縁ギャップＧの規定が容易となる。

図７および図８に本発明の第３の実施例を示す。

実施例１の火花ギャップアレスタにおいては、アーク室４６ａ、膨張室４６ｂの外壁を構成する絶縁性樹脂で形成された絶縁リング４４ａ〜４４ｆの機械的強度を高めて、アーク発生時の大きな内部圧力上昇による破損を防止しているのに対し、この第３の実施例では、絶縁リング外壁に通気口を設けて絶縁リングの内外の圧力を均衡させることにより、機械的強度の小さい樹脂絶リングの破損を防止している。

実施例３の火花ギャップアレスタは、図７に示すように円筒状の金属ケース４５内に収納した絶縁筒４４を構成する複数に分割した絶縁樹脂製の絶縁リング４４ａ〜４４ｆのうちの２つの絶縁リング４４ｂおよび４４ｅにそれぞれ１つの通気路４４ｂ-１、および４４ｅ−１、を設けている点が、実施例１の構成と異なるだけで、その他の構成は同じであるので、詳細な説明は省略する。

通気路の設けられた絶縁筒４４の１つの絶縁リング４４ｂだけを取り出して図８に示す。

絶縁リング４４ｂの内側には、１対の隔壁４４ｐ、４４ｑが対向して突出して形成されている。一点鎖線によって仮想的に示す樹脂間隔体４２を絶縁筒４４内に収め、隔壁４４ｐ、４４ｑと嵌合結合することによって、絶縁筒４４の内部空所がアーク室４６ａと膨張室４６ｂに区画される。アーク室４６ａには、一点鎖線で仮想的に示す消弧板４７が設置される。通気路４４ｂ−１は膨張室の外側絶縁リング４４ｂに設けられている。また、通気路は、絶縁リングの周壁の内外に通じる連通孔として、１個、または２個以上設けてもよい。

同様に絶縁リング４４ｅに設けられている通気路４４ｅ−１も絶縁リング４４ｅの他の絶縁リング４４ｄとの接合面となる面に設けられている。

図７には、通気路を設けた絶縁リングを２個設けた例を示しているが、通気路を設けた絶縁リングは１個だけでもよく、また、２個以上設けることもできる。

火花ギャップアレスタの内部の放電電極４１ａ、４１ｂ間において、雷インパルス電圧を吸収するためにアーク放電が生じると、まず絶縁筒４４内のアーク室４６ａの内部圧力が上昇し、この圧力上昇に伴ってこれと連通した膨張室４６ｂの内部圧力も上昇するため、絶縁筒４４内を構成する絶縁リング４４ａ〜４４ｆには内部から大きな応力が加わり、この応力によって絶縁リングが破損することがある。

前記の実施例１においては、絶縁筒を構成する絶縁リングの機械的強度を高めることによって、アーク放電の発生に伴う内部圧力の上昇による絶縁リングの破損を防止するようにしている。しかし、絶縁リングは樹脂で構成されているため、これの機械的強度を高めるにも限度があるため、この方法によっては、アーク放電の発生に伴う内部圧力上昇による絶縁リングの破損を完全に防止することが困難である。

これに対して、実施例３の火花ギャップアレスタにおいては、前記のように、金属ケース４５内に収容した絶縁筒４４の一部に絶縁筒４４の内外周に通じる通気路を設けているので、火花ギャップアレスタ内部にアーク放電が発生して、絶縁筒４４内のアーク室４６ａおよび膨張室４６ｂの内部圧力が上昇すると、高圧ガスの一部が、通気路４４ｂ−１、４４ｂ−２、４４ｅ−１および４４ｅ−２を通して絶縁筒４４の外側の絶縁筒４４と金属ケース４５との間の隙間に導かれ、ここに逃がされる。

これによって、絶縁筒４４の内外の圧力が等しくなるため、火花ギャップアレスタ内部に発生するアーク放電によって絶縁筒内４４の内部圧力が上昇しても、絶縁筒４４を構成する各絶縁リングに加わる引張り力の上昇はなく、圧縮力のみが加わる。したがって、絶縁リングの機械的強度高めなくとも、アーク放電の発生に伴う内部圧力上昇による絶縁リングの破損を完全に防止することができる。

なお、絶縁筒４４と金属ケース４５との間の隙間に絶縁筒の内部圧力の一部が逃がされることより、金属ケース４５の内部圧力が大きく上昇するので、この金属ケース４５には大きな機械的応力が加わる。しかし、金属材料の引張り強度は樹脂材料のそれに比較して極めて大きいため、アーク放電の発生に伴う内部圧力上昇によって破損することがない。

したがって、実施例３の火花ギャップアレスタによれば、絶縁リングを機械的強度の低い絶縁樹脂で形成することができるので、火花ギャップアレスタを安価に製造でき、かつ、長時間安全に使用することができる。

４０：火花ギャップアレスタ、４１ａ，４１ｂ：放電電極、４２：樹脂間隔体、４２ａ：樹脂絶縁体、４２ｂ：樹脂導電体、４３ａ，４３ｂ：絶縁キャップ、４４（４４ａ〜４４ｆ）：絶縁筒（分割絶縁リング）、４４ｂ−１，４４ｅ−１，：通気路、４５：金属ケース、４６ａ：アーク室、４６ｂ：膨張室、４７（４７ａ〜４７ｃ）：金属消弧板。

Claims (11)

1. 円筒状金属ケースの内部に間隔をおいて対向配置した円錐台又は円柱状をなす１対の放電電極を備えた火花ギャップアレスタにおいて、
   前記１対の放電電極の間に、加熱により消弧性ガスを発生する絶縁性樹脂により形成した樹脂絶縁体と、同様に加熱により消弧性ガスを発生する導電性樹脂により形成した樹脂導電体との複合体からなる樹脂間隔体を配置し、前記放電電極の一方と前記樹脂間隔体の前記樹脂導電体部との間に、絶縁放電ギャップを形成する前記樹脂間隔体の前記樹脂絶縁体部の層を介在させるとともに、前記樹脂間隔体の外側に、単数又は複数の高溶融点金属と単数又は複数の低溶融点金属とを焼結して構成した導電性の焼結合金により形成した複数の金属消弧板を所定間隔離して配置したことを特徴とする火花ギャップアレスタ。
2. 前記金属消弧板を形成する焼結合金は、低融点金属が銅であり、高融点金属がタングステンであることを特徴とする請求項１に記載の火花ギャップアレスタ。
3. 前記樹脂間隔体の樹脂絶縁体で構成された一端と樹脂導電体で構成された他端をそれぞれ前記１対の放電電極の互いに対向する端面の凹部に嵌合し、前記樹脂間隔体の樹脂絶縁体で構成された一端の嵌合された側の放電電極の凹部の深さと、この凹部に挿入される前記樹脂間隔体の樹脂絶縁体で構成された一端側の絶縁体の厚みとの差により、前記放電ギャップの寸法を規定したことを特徴とする請求項１または２に記載の火花ギャップアレスタ
4. 前記１対の放電電極の周囲の空間を絶縁材により構成した隔壁により仕切って複数の空間を形成し、その１つをアーク室とし他の１つを膨張室として、これらの各室を気体通路によって相互に連通したことを特徴とする請求項１から３の１つに記載の火花ギャップアレスタ。
5. 前記１対の放電電極間の空間に設けられた前記アーク室内に、前記樹脂間隔体を構成する樹脂導電体部を収容し、この導電体部と対向して前記金属消弧板を配置したことを特徴とする請求項４に記載の火花ギャップアレスタ。
6. 前記円筒状金属ケースの内側に複数の分割構成された絶縁リングを連接接合して構成した絶縁筒が挿入され、前記複数の金属消弧板が、前記絶縁筒を構成する絶縁リングにより、相互の間隔が保たれ、かつ前記金属ケースから電気的に絶縁して固定されたことを特徴とする請求項１から５の１つに記載の火花ギャップアレスタ。
7. 前記金属ケースの内側に挿入した前記絶縁リングの一部の内周に先端を鈎形に折曲して形成された環状溝を有する環状突起を設けたことを特徴とする請求項１から６の１つに記載の火花ギャップアレスタ。
8. 前記絶縁筒を構成する絶縁リングの少なくとも１つにこのリングの内外周に通じる通気路を少なくとも１個設けたことを特徴とする請求項６または７に記載の火花ギャップアレスタ。
9. 前記通気路は、前記絶縁筒を構成する絶縁リングの接合部に設けたことを特徴とする請求項８に記載の火花ギャップアレスタ。
10. 前記加熱により消弧性ガスを発生する絶縁性樹脂が無機強化材を含む複合樹脂であることを特徴とする請求項１から９の１つに記載の火花ギャップアレスタ。
11. 前記加熱により消弧性ガスを発生する絶縁性樹脂はポリオキシメチレン（ＰＯＭ）樹脂であり、前記加熱により消弧性ガスを発生する導電性樹脂は前記ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）樹脂にカーボン粉末を混合した樹脂であることを特徴とする請求項１から９の１つに記載の火花ギャップアレスタ。

Images