WO2005074084A1 - 火花ギャップアレスタ - Google Patents

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WO2005074084A1
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current
extinguishing
arrester
lightning
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Kojiro Kato
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Csd Co., Ltd.
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    • H01T4/00—Overvoltage arresters using spark gaps
    • H01T4/10—Overvoltage arresters using spark gaps having a single gap or a plurality of gaps in parallel
    • H01T4/12—Overvoltage arresters using spark gaps having a single gap or a plurality of gaps in parallel hermetically sealed

Definitions

  • the present invention relates to an arrester structure that is installed in a low-voltage AC power supply circuit to protect electronic devices that are sensitive to overvoltage during a lightning strike, and that bypasses and discharges lightning current to the ground. It is.
  • a main metal part for example, a steel frame, a reinforcing bar, or the like
  • a base ground Provide one or more grounding buses inside the building, connect them to the basic grounding at the shortest distance, and bring in metal pipes (for example, water pipes, gas pipes, etc.) and electric wires (distribution lines, telephone wires, antenna wires, etc.) that are drawn in from outside.
  • metal pipes for example, water pipes, gas pipes, etc.
  • electric wires distributed lines, telephone wires, antenna wires, etc.
  • Non-Patent Document 4 International standards for lightning currents during lightning strikes present the current values, waveforms, and charge amounts shown in Table 1.
  • Fig. 1 shows an example in which internal lightning protection specified in Non-Patent Document 3 is applied to a low-voltage power distribution system of a general building.
  • a lightning strike strikes point 31 on building 10
  • lightning current 32 is released to the ground (lightning current 33) via the metal structure of the building or the lightning conductor, but the potential of the entire building is reduced due to the ground resistance R1 of the building foundation.
  • R1 10 Q and 50 kA of the lightning current peak value of 100 kA flows to R1
  • the potential of the entire building is 500 kV.
  • the bonding bar 11 connected to the building foundation ground also has the same potential, and far exceeds the normal potential of low-voltage distribution lines (about 300 V or less with respect to the ground).
  • a part (lightning current 34) flows.
  • the lightning current 34 flows through each conductor of the distribution line (lightning current 35), and is finally discharged from the neutral point of the secondary winding 21 of the distribution transformer 20 to the ground via the grounding resistor R2 ( Lightning current 36).
  • the shunt ratio of the lightning currents 33 and 36 is approximately 1: 1
  • the impulse current peak value per pole of the arrester 12 is assumed to be about 1/6 of the lightning current 32 (lightning current When the peak value is 100kA, it is about 17kA).
  • the lightning current arrester installed at the distribution line entrance must have an impulse current capability of 20 kA or more with an impulse current waveform of 10/350 ⁇ s.
  • An arrester that has been most frequently used in the past to limit overvoltage generated in a distribution line has been a device mainly composed of a varistor element made of suboxide ii.
  • Oxide sub-varistor Figure 2 shows the current and voltage waveforms when the impulse current flows in Fig. 2.
  • Zinc oxide varistors can select a relatively small value of the ratio between the limit voltage and the maximum supply voltage (limit voltage / maximum supply voltage) that does not delay the overvoltage limit with respect to the impulse current with a fast rise speed.
  • limit voltage / maximum supply voltage limit voltage / maximum supply voltage
  • the varistor terminal voltage is maintained at several hundreds of volts during the impulse current flow, so that the energy conversion inside the varistor is large. In this case, it cannot be used as a lightning current arrester because it is easily damaged or ruptured.
  • Table 2 shows the relationship between the varistor's critical load value (can be loaded once without breaking) and the varistor diameter at an impulse current of 10/350 x s.
  • An arrester having a spark gap as a main element has essentially overvoltage switching characteristics (see FIG. 3). When the overvoltage exceeds the gap firing voltage, the spark gap breaks over and starts arcing.
  • the arc voltage is about several tens of volts, and the amount of energy conversion inside the arrester when lightning discharge current flows is small. Therefore, by selecting a material and structure that can withstand high temperatures, there is a possibility that it can be used as a lightning current arrester.
  • Fig. 4 shows the basic structure of the spark gap arrester disclosed in Reference 1. All the components are arranged in a rotationally symmetric structure with respect to the central axis, and the two main electrodes la and lb are opposed to each other with a certain gap by the cylindrical insulator 2. When an impulse voltage exceeding the withstand voltage of the gap is applied, spark discharge starts between the gaps and shifts to arc discharge.
  • the high-current arc discharge causes rapid ionization and expansion of the air inside the arrestor, but the outside of the case consisting of the cylindrical insulator 3, the heat insulation plates 4a and 4b, and the lid members 5a and 5b is covered with a metal pipe 6 It is covered by, and both sides are firmly closed by Carling Kaloe, so that even if the internal pressure exceeds tens of atmospheres, it can not explode or be damaged.
  • the duration of the impulse current is as short as lms or less, and the heat capacity of the metal parts is sufficiently large so that no excessive temperature rise occurs. Therefore, the problem 2) in the previous section is solved by this sealing structure.
  • 7a and 7b are lead conductors screwed into the electrodes la and lb.
  • FIG. 5 shows the relationship between the arc current I and the arc voltage U.
  • FIG. 6 shows a follow-up waveform when an impulse current flows through the arrester at a phase angle of 60 ° (a momentary voltage value of about 270 V) of a 220 V power supply voltage.
  • the current waveform becomes a current waveform and the power supply restart voltage at the zero current point is 60 V or less, the follow-up current disappears at this point.
  • the impedance of the power supply circuit and the arc resistance are small, the current waveform of the continuation current 2 is obtained, and the power supply restart voltage at the zero current point is 60 V or more.
  • Patent Document 1 European Patent Application Publication No. 78434
  • Non-Patent Document 1 DIN VDE 0185 Part 100 "Regulations and General Principles for Building Lightning Protection”
  • Non-Patent Document 2 IEC 61024-1 (1990) "Protection of structures against lightning Part 1"
  • Non-patent document 3 JIS A 4201-2003 ⁇ Lightning protection for buildings, etc. ''
  • Non-Patent Document 4 IEC 61312-1 (1995) "Protection against lightning electromagnetic impulse Part 1 General principles
  • an object of the present invention is to provide a spark gap arrester having a sealed structure arrester that prevents re-ignition after passing a lightning current and has no follow-up current.
  • the voltage drop which does not depend on the arc current, can be obtained by inserting a metal plate into the arc discharge path, cutting the arc, and generating anode and power source voltage drops on both surfaces of the metal plate, respectively. . Since the voltage drop obtained by a pair of anode and power source electrodes is about 60V, assuming a power supply voltage of 200V, it is necessary to add a minimum of four metal plates to obtain a voltage drop of 300V.
  • an arc-extinguishing insulating material (polyacetal, polypropylene, or the like) is arranged adjacent to the arc discharge path to prevent thermal decomposition of the insulating material when an arc is generated. It is effective to use the arc-extinguishing gas that is spouted.
  • a lightning impulse current and / or lightning impulse current is generated by arranging a plurality of magnetic metal rings concentric with the circular cross section of a conical or cylindrical electrode as an arc-extinguishing plate.
  • the voltage drop between the anode and the cathode of the arc generated by the power supply circuit follow-up is increased, and the follow-up self-interruption performance independent of the power supply impedance is obtained.
  • the base of both discharge electrodes is made of a normal conductive material such as copper or brass, and only the tip is made of a heat-resistant or arc-resistant material such as copper tungsten or silver tungsten. According to the embodiment, the function of the arrester can be guaranteed while suppressing the material cost.
  • the gap size can be defined with high accuracy while simplifying the assembling work.
  • the arc-extinguishing plate is covered with the organic arc-extinguishing insulating material of the base from both ends of the two discharge electrodes, and is disposed over a part of the arc, the arc generated between the two discharge electrodes Can be completely transferred to the arc extinguishing plate, and the arc can be reliably extinguished.
  • the magnetic permeability of the magnetic material can be increased and the attractive force to the arc discharge path can be increased.
  • FIG. 1 An internal lightning protection circuit in a low voltage distribution system of a general building specified in JIS A 4201-2003.
  • FIG. 2 shows current and voltage waveforms of zinc oxide paris.
  • FIG. 3 shows the current and voltage waveforms of the spark gap.
  • FIG. 4 shows the structure of a conventional encapsulated spark gap arrester.
  • FIG. 5 shows current and voltage characteristics of arc discharge.
  • FIG. 6 shows an impulse current and a follow-on waveform in an AC power supply circuit.
  • FIG. 7 shows a sectional view of a self-extinguishing arrester according to the present invention.
  • FIG. 8 shows an air gap provided in a magnetic metal ring.
  • FIGS. 7 and 8 the structure and function of the arrester for a low-voltage AC power supply circuit according to the present invention will be described in detail.
  • FIG. 7 is a vertical cross-sectional view of the cylindrical enclosing arrester.
  • the parts are manufactured and arranged in a rotationally symmetrical manner with respect to the central axis.
  • Both discharge electrodes are made of copper members 102a and 102b whose bases are ordinary conductors and copper tungsten tips 101a and 101b whose tips are excellent in heat resistance and arc resistance.
  • the bases 102a, 102b and the tip portions 101a, 101b are integrated without performing a troublesome process such as brazing by fitting a projection of the tip portion into a recess provided in the base portion.
  • the concave and convex portions at the base and the tip may be in the reverse combination.
  • the discharge electrode has a conical shape in this embodiment.
  • the discharge electrode may have a cylindrical shape. Both discharge electrodes are housed in a metal pipe 306 together with an insulator 301, insulating plates 305a and 305b, and insulating caps 304a and 304b. Both ends of the metal pipe are bent inward by a curling cable, and an axial pressure is applied to the flanges 103a and 103b of the copper electrodes to form a strong pressure-resistant structure.
  • the size of the spark gap between the electrodes is automatically determined by the difference between the thickness of the insulator 301 and the sum of the depths of the concave portions provided at the end faces of the copper tungsten chips 101a and 101b, which is troublesome. No adjustment is required.
  • the external lead portions of the copper electrode have terminal screws 104a and 104b, which are used to connect to external conductors.
  • the space around the electrode is an arc chamber 106, which is filled with a high-temperature, high-pressure gas during arc discharge, so that the copper electrode is provided with exhaust pipes 105a, 105b to balance the pressure with the outside air.
  • an insulating pipe 302 made of an organic arc-extinguishing insulating material, for example, polyacetal or polypropylene is arranged outside the insulator 301.
  • the pipe 302 is decomposed by the heat generated when an arc discharge (arc a) is generated in the spark gear and blows out the arc-extinguishing gas, and the arc leg is positioned outside the gap and the conical surface of the electrodes 101a and 101b. (Arc b).
  • n pieces of metal magnetic material arc extinguishing plates 201 to 209 concentric with the circular cross sections of the conical electrodes 101a and 102a and 101b and 102b, in this embodiment, are arranged.
  • the metal magnetic body may be, for example, soft iron. Since the central arc-extinguishing plate 205 is located closest to the gap, the suction acting between the arc discharge path and the inner edge of the ring is reduced. Due to the force, the arc discharge path shifts outward, and first, the arc extinguishing plate 205 enters the inside of the arc discharge path, and a cathode and an anode for arc discharge are formed on both surfaces thereof (arc c).
  • the arc discharge path is maintained even when the impulse current exceeds the peak value and enters the decay process.
  • the power current value becomes substantially 0, if the instantaneous power supply voltage V is smaller than the arc voltage, the power supply
  • the impulse current value is relatively small, the impulse current may disappear at the stage of arc a or b. In this case, there is a possibility that continuation of current from the power supply will occur because the arc voltage does not increase sufficiently.
  • the arc due to the impulse current the arc due to the follow-up current is transferred to the outer surface of the gear and to the conical surfaces of the discharge electrodes 101a and 101b by the arc-extinguishing gas ejected from the insulating pipe 302 made of an organic arc-extinguishing insulating material. (Arc b), and the arc moves to arcs c and d by the attraction force from the arc extinguishing plate.
  • the continuation current rapidly decreases and disappears near the zero point of the AC voltage. Because the arc resistance is large enough, even if the source impedance is sufficiently small, the follow-on current has the waveform of follow-on 1 shown in Fig. 6, and can be cut off within 1Z2 cycle.
  • the discharge electrode, the arc-extinguishing insulating member, and the arc-extinguishing magnetic substance ring are all arranged in a rotationally symmetric structure, the self-extinguishing function of the arc is maintained regardless of the initial spark discharge generated at any position of the main electrode.
  • a stepped cross section spacer ring 311 is used.
  • a part of the metal ring is cut out as shown in FIG. 8, and an air gap 312 is provided in the magnetic path. If the remanence of the magnetic metal ring decreases, the change in magnetic flux inside the magnetic material can be increased when an impulse current flows near the magnetic material, increasing the magnetic permeability of the magnetic material and reducing the attractive force to the arc discharge path. Can be bigger.

Landscapes

  • Thermistors And Varistors (AREA)
  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)
  • Arc-Extinguishing Devices That Are Switches (AREA)

Abstract

【課題】封入構造のアレスタにおいて、アーク電流に依存しない電圧降下を増大することにより、雷電流通過後の電源電圧による再点弧を防止し、続流のない火花ギャップアレスタを実現する。 【解決手段】火花ギャップを収容する円筒状金属ケース内に、火花ギャップを構成する円錐または円柱状電極と同心の複数の磁性体金属リングを消弧板として配置する。雷電流の通過により生じたアークを、外周の消弧板に導き、雷電流通過後の電源電圧による再点弧を消弧板両面に生ずるアーク電圧により防止する。                                                                                 

Description

明 細 書
火花ギャップアレスタ
技術分野
[0001] 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、低圧交 流電源回路に設置され、雷電流を大地にバイパス、放流するためのアレスタ構造に 関するものである。
背景技術
[0002] 1700年代後半にフランクリン型避雷針が発明された後、約 200年間は建物に対す る雷保護装置としては専ら避雷針と導線が用いられた（外部雷保護)。雷撃電流をこ れらの導体で受雷し、最短距離で接地電極を介して大地に放流すれば被害を最も 少なくする事が出来たからである。 1900年代初頭に配電線、電話線が普及し始める と、これらの電線を経由して建物内部に流入する雷電流、又は建物に落雷した時に これらの電線を経由して建物外部の接地に流入する雷電流によって、電気、通信機 器の絶縁部が破壊される事故が多発するようになった。特に最近、電子機器の普及 度が高まり、経済、交通、電力、通信、生産運営の中枢部を担うようになったため、落 雷によるシステムダウン防止対策は重要な技術課題となっている。
[0003] 建物に流入、又は建物から流出する雷電流による事故を防止する方法として、建 物基礎構造体の主要金属部分 (例えば鉄骨、鉄筋等)を電気的に接続して基礎接 地とし、建物内部に単数又は複数の接地母線を設けて最短距離で基礎接地に接続 し、外部から引込まれる金属管（例えば水道管、ガス管等）、電線（配電線、電話線、 アンテナ線等）をすベて入口付近でボンディング用バーに電気的に接続する事 (等 電位ボンディング）が最良であることが提案され、 1987年にドイツで規格化された（非 特許文献 1)。この規格は略そのままの内容で国際規格 (非特許文献 2)として採用さ れ、 日本でも上記 IEC規格に準拠した新しい規格 (非特許文献 3)が制定された。
[0004] 落雷時の雷電流に関して国際規格 (非特許文献 4)では表 1に示す電流値，波形， 電荷量を提示している。
[0005] [表 1] 電流パラメ一夕 保護レベル 3)
I Π Π！〜] V 波高値 I (kA) 200 150 100 波頭長 ( i s) 10 10 10 波尾長 τ2 ( s) 350 350 350 放電電荷 Qs" ( C ) 100 75 50 固有エネルギー W/R" (MJ/ Ω ) 10 5. 6 2. 5
1 ) 全体の電荷 Qsの大部分は第 1雷撃に含まれるので、 全放電電荷は表示の値に一致する。
2) 固有エネルギー W/Rの大部分は第 1雷撃に含まれるので、 全放電の固有エネルギーは表示の値に一致する。
3) 保護レベルは落雷の頻度と保護すべき建物の重要度によって決められる。 （レベル Ι > Π > ΠΙ > ΐν )
[0006] 雷電流波高値 1=100— 200kA，波尾長 Τ2 = 350 μ sは従来予想されていた値を 大幅に超える値であった。基準波形の変更は、一面においては従来のアレスタが落 雷の際に比較的簡単に焼損、破裂し、アレスタとしての本来の役割を果たさない原因 を明らかにし、一面においては、雷電流アレスタのインパルス電流耐量の大幅な増大 が必要である事を示唆してレ、る。
[0007] 図 1は非特許文献 3に規定された内部雷保護を一般的な建物の低圧配電システム に適用した例である。建物 10の点 31に落雷した時、雷電流 32は建物の金属構造体 又は避雷導線を経由して大地に放流（雷電流 33)されるが、建物基礎接地抵抗 R1 のために建物全体の電位上昇が起る。例えば R1 = 10 Qとして、雷電流波高値 100 kAのうち 50kAが R1に流れたとすれば、建物全体の電位は 500kVとなる。建物基 礎接地に接続されたボンディング用バー 1 1も同電位となり、低圧配電線の通常の電 位（大地に対し約 300V以下）を遥かに超えるため、アレスタ 12がブレークオーバして 雷電流の一部（雷電流 34)が流れる。雷電流 34は配電線の各導線に流れ (雷電流 3 5)、最終的には配電用変圧器 20の 2次卷線 21の中性点から接地抵抗 R2を介して 大地に放流される（雷電流 36)。 R1 R2と仮定すれば、雷電流 33， 36の分流比は 略 1 : 1であり、アレスタ 12の 1極当たりのインパルス電流波高値は雷電流 32の約 1/6 と想定される （雷電流波高値 = 100kAの場合、約 17kA)。このため、配電線引込み 口に設置される雷電流アレスタはインパルス電流波形 10/350 μ sにて 20kA以上の インパルス電流耐量が必要である。
[0008] 配電線に発生する過電圧を制限するために従来最も多く用いられてきたアレスタは 酸化亜 ii、からなるバリスタ素子を主要要素とするデバイスであった。酸化亜 バリスタ にインパルス電流が流れた時の電流，電圧波形を図 2に示す。酸化亜鉛バリスタは、 立上り速度の速いインパルス電流に対して過電圧制限の遅延がなぐ制限電圧と電 源電圧最大値の比 (制限電圧/電源電圧最大値)を比較的小さな値に選定する事が 出来、かつ電源電圧最大値よりも高い電圧値でクランプするために、インパルス電流 消滅後、電源回路からの続流の心配がなレ、点で優れた過電圧保護要素である。
[0009] しかし、図 2に示されるように、インパルス電流通電中にバリスタ端子電圧は数 100 Vに維持されるため、バリスタ内部でのエネルギー変換量が大きぐ特に波尾長の長 レ、インパルス電流では容易に破損、破裂してしまうために、雷電流アレスタとして使 用できない。
[0010] 表 2はインパルス電流 10/350 x sにおけるバリスタの限界負荷値（破壊せずに 1回 負荷可能） とバリスタ直径との関係を示す。
[0011] [表 2]
Figure imgf000005_0001
[0012] 直径 80mmの大型バリスタを使用しても、所要のインパルス電流耐量 20kAの 1Z4 の耐量しか得られなレ、事が判る。
[0013] 火花ギャップを主要要素とするアレスタは、本質的には過電圧スイッチング特性を 有する （図 3参照）。 過電圧値がギャップの放電開始電圧を超えると、火花ギャップ はブレークオーバを起こし、アーク放電を開始する。アーク電圧は数 10V程度であり 、雷放電電流が流れた時のアレスタ内部でのエネルギー変換量が少ない。従って高 温に耐え得る材料、構造を選定することによって、雷電流アレスタとして実用化出来 る可能性がある。
しかし、火花ギャップを雷電流アレスタとして実用化するために、次の 2つの技術的課 題がある。
1)雷インパルス電流が消滅した後、イオン化された空気経路を通って電源回路から 続流が流れる。外部保護回路によってこの続流を遮断すれば、負荷回路に対する電 源供給が遮断されたり、又は火花ギャップアレスタが電源線から遮断されるために過 電圧保護機能が失われる等の不都合が生ずる。
2)大きな雷インパルス電流が流れると、気中アーク放電路周辺の空気が加熱、ィォ ン化され、爆発的に膨張、噴出することによって周辺の配線や器具に影響を及ぼす
[0014] 課題 2)は特許文献 1の技術により解決された。図 4は文献 1に開示された火花ギヤ ップアレスタの基本構造を示す。全ての部品は中心軸に対して回転対称構造で配置 され、 2個の主電極 la, lbは円柱状絶縁物 2により、一定のギャップを保持して対向 している。このギャップの耐圧を超えるインパルス電圧が加わるとギャップ間で火花放 電が始まり、アーク放電に移行する。大電流のアーク放電はアレスタ内部空間の空気 の急激なイオン化と膨張を惹き起すが、円筒状絶縁物 3，熱絶縁版 4a， 4b及び蓋部 材 5a, 5bからなるケースの外側を金属パイプ 6によって覆われ、その両側はカーリン グカロェによって堅固に閉じられているため、内部圧力が数 10気圧を超えても爆発、 破損することがなレ、。インパルス電流の持続時間は lms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過度の温度上昇も生じない。従ってこの封入構 造によって前項の課題 2)は解決される。なお、図中 7a, 7bは電極 la, lbにねじ込ま れた引出し導体である。
前記の課題 1)は前述の特許文献 1の構造により完全に解決されたとは言えない。何 故ならアーク電圧にはアーク電流依存性があり、圧力一定の条件では一般に次式が 成り立つ。
[0015] U = (U +U ) +R ·Ι
B A K B B
ここに u =アーク電圧、 u +u =アノード電圧降下 +力ソード電圧降下、
B A K
R =アーク抵抗そして I =アーク電流である。
B B
[0016] 図 5はアーク電流 Iとアーク電圧 Uの関係を示しており、気圧，アーク長等によって
B B
アーク抵抗 Rが変化すれば a， b, c, dに示すように関係直線の傾斜が変化するもの
B
の、電流 0点の電圧（U +U )は変化しない。 （U +U )の値は圧力，温度等の影響
A A K
を受けず略一定値、約 60Vである。 [0017] 図 6は 220Vの電源電圧の位相角 60° (電圧瞬時値約 270V)においてアレスタに インパルス電流が流れた場合の続流波形を示す。インパルス電流が略 0に低減した 際に、アーク電圧が電源電圧に略等しくなれば続流は発生しなレ、が、アーク電圧が 上記の（U + U ) = 60Vであれば続流を阻止する事が出来ない。
A K
[0018] 電源回路インピーダンス及び/又はアーク抵抗 Rが比較的大きい場合、続流 1の電
B
流波形となり、電流 0点での電源再起電圧は 60V以下であるため、この点で続流は 消滅する。しかし電源回路インピーダンス及びアーク抵抗が小さい場合、続流 2の電 流波形となり、電流 0点での電源再起電圧は 60V以上であるため、アークは再点弧し 続流が継続する。
特許文献 1：欧州特許出願公開第 78434号明細書
非特許文献 1 : DIN VDE 0185 Part 100『建物雷保護に対する規定、一般的原則』 非特許文献 2： IEC 61024-1 (1990) "Protection of structures against lightning Part 1"
非特許文献 3 : JIS A 4201-2003『建築物等の雷保護』
非特許文献 4 : IEC 61312-1 (1995) "Protection against lightning electromagnetic impulse Part 1 General principles
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0019] 従って本発明の課題は、封入構造アレスタにおいて、雷電流通過後の再点弧を防 ぎ、続流のない火花ギャップアレスタを実現することにある。
課題を解決するための手段
[0020] アーク電流に依存しなレ、電圧降下はアーク放電路に金属板を揷入してアークを分 断し、金属板の両面に夫々アノード、力ソード電圧降下を発生させる事で得られる。 1 対のアノード、力ソード電極によって得られる電圧降下は約 60Vであるため、 200V の電源電圧を想定し、 300Vの電圧降下を得るために最少 4枚の金属板追加が必要 である。
[0021] 磁性体板に近接して導体を配置し、導体に電流を流すと磁性体板と導体間には吸 引力が働く。電流によって生ずる磁束は通常は導体を中心とする同心円状であるが 、導体付近に透磁率の高い磁性体があれば磁束の大部分は磁性体内部に集中し、 導体の磁性体側の磁束密度が低下するためである。この吸引力は導体が磁性体板 の中心まで移動すれば 0となる。本発明においては、この原理を応用し、落雷時に両 放電電極間に生じたアークを消弧板グリッド構造内に移動させて消弧する。
[0022] 更に、アーク放電路を移動させるための補助的な手段として、アーク放電路に隣接 して消弧絶縁材料（ポリアセタール，ポリプロピレン等）を配置し、アーク発生時に前記 絶縁材料の熱分解に伴い噴出する消弧ガスを利用すると効果的である。
発明の効果
[0023] 本発明の構造によれば、次に述べるような優れた効果が得られる。
•円筒状金属ケース内部に配置された火花ギャップアレスタにおいて、円錐又は円柱 状電極の円形断面と同心の複数の磁性体金属リングを消弧板として配置する事によ つて、雷インパルス電流及び/又は電源回路続流によって発生するアークの陽極，陰 極電圧降下を高め、電源インピーダンスに依存しない続流自己遮断性能が得られる
•両放電電極の基部を銅や真鍮のような通常の導電材料で作り、先端部のみを銅タ ングステンや銀タングステンのような耐熱性、耐アーク性の材料で作る本発明の 1つ の実施の形態によれば、材料費を抑えつつ、アレスタの機能を保証することが出来る
•電極の基部に凹部を設け、ここに電極先端部の凸部を圧入する上記形態の発展形 態によれば、異種材料のろう付け等の面倒な作業を回避できる。電極には、金属ケ ースにより常時圧縮力が加わっているので、基部と先端部の分離は起らない。
•円錐又は円柱状電極の先端部と基部を除き、有機系消弧絶縁材料により覆う本発 明の他の実施形態によれば、アーク放電路の延長を助長し、続流自己遮断性能が 高められる。
•両放電電極の互いに対向する端面に各々凹部を設け、両凹部に跨って絶縁碍子 を間挿し、両凹部の深さの和と、絶縁碍子の厚みとの差により火花ギャップの寸法を 定めるようにした更に他の実施の態様によれば、組立て作業を簡素化しつつ、高精 度でギャップ寸法を規定できる。 •複数のリング状消弧板間に、スぺーサとして有機系消弧絶縁材料力 なり、断面階 段状のリング状円板を挿入する別の形態によれば、消弧板は金属ケースから絶縁し て固定され、アーク放電が金属ケースに転移する事が防止される。
•消弧板を両放電電の先端部から基部の有機系消弧絶縁材料で覆われてレ、なレヽ部 分に亘り配置した更に別の形態によれば、両放電電極間に生じたアークを完全に消 弧板に移行させ、確実な消弧を図ることができる。
•有機系消弧絶縁材料に対し無機強化材を添加することによって部品の消弧性能を 低下させることなぐ耐熱性と機械強度を高める事が出来る。
•消弧板として使用する磁性体金属リングの残留磁気を小さくするためにエアギヤッ プを設けることによって磁性体の透磁率を高め、アーク放電路に対する吸引力を大き くする事が出来る。
図面の簡単な説明
[0024] [図 1]JIS A 4201-2003に規定された一般的な建物の低圧配電システムにおける内部 雷保護回路を示す。
[図 2]酸化亜鉛パリスの電流，電圧波形を示す。
[図 3]火花ギャップの電流，電圧波形を示す。
[図 4]従来の封入型火花ギャップアレスタの構造を示す。
[図 5]アーク放電の電流，電圧特性を示す。
[図 6]交流電源回路におけるインパルス電流と続流波形を示す。
[図 7]本発明による自己消弧型アレスタの断面図を示す。
[図 8]磁性体金属リングに設けられたエアギャップを示す。
符号の説明
[0025] 10 建物構造体、 11 ボンディング用バー、 12 アレスタ、 20 配電用変圧器、 21 同上 2次卷線、 31 落雷点、 32— 36 雷電流経路、 R1 , R2 接地抵抗、 100 火花 ギャップ、 101a, 101b 電極銅タングステンチップ、 102a, 102b 電極銅部材、 10 3a, 103b フランジ、 104a, 104b 端子ねじ、 105a, 105b 気管、 106 アーク室 、 201一 209 肖弧板、 301 絶縁碍子、 302 絶縁ノ ィプ、 303a, 303b 絶縁ジン グ、 304a，304b 絶縁キャップ、 305a, 305b 絶縁板、 306 金属ノ ィプ、 311 ス ぺーサリング、 312 エアギャップ。
発明を実施するための最良の形態
[0026] 以下図 7、図 8を参照し、本発明による低圧交流電源回路用アレスタの構造と機能 を詳細に説明する。
[0027] 図 7は円筒封入型アレスタの縦断面図である。 部品は中心軸に対して回転対称型 に製作、配置される。両放電電極は、基部が通常の導電体である銅部材 102a, 102 bそして先端部が耐熱性、耐アーク性に優れる銅タングステンのチップ 101a, 101b 力らなる。基部 102a, 102bと先端部 101 a, 101bとは、基部に設けた凹部内に先端 部の凸部を嵌め込むことにより、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。基部と先端部の凹凸部は逆の組合せであってもよい。放電電極は、この実施 例では円錐状をなしている。これに代えて、放電電極を円筒状としてもよい。両放電 電極は、絶縁碍子 301 ,絶縁板 305a, 305b,絶縁キャップ 304a, 304bと共に金属 パイプ 306に収容される。金属パイプの両端をカーリングカ卩ェにより内側に折り曲げ 、銅電極のフランジ 103a, 103bに対して軸方向の圧力を加えることで強固な耐圧構 造体を構成する。絶縁碍子 301の厚みと、銅タングステンチップ 101a, 101bの互い に対向する端面に設けた凹部の深さの和との差により、、電極間の火花ギャップの寸 法が自動的に定まり、面倒な調整は不要である。銅電極の外部引出し部には端子ね じ 104a， 104bがあり、これによつて外部導線との接続が行われる。電極周辺の空間 はアーク室 106となり、アーク放電の際に高温、高圧のガスが充満するので、外気と の圧力均衡のために、銅電極には排気管 105a, 105bが設けられている。
[0028] 絶縁碍子 301の外側には有機系消弧絶縁材料、例えばポリアセタール或いはポリ プロピレン等からなる絶縁パイプ 302が配置されている。該パイプ 302は、火花ギヤッ プにアーク放電（アーク a)が発生した時の熱により分解して消弧ガスを噴出し、ァー ク脚点をギャップの外側の、電極 101a, 101bの円錐面に移行させる（アーク b)。
[0029] 前記アーク室 106内に、円錐状電極 101a, 102aおよび 101b, 102bの円形断面 と同心の n枚、この実施例では 9枚の金属磁性体消弧板 201— 209が配置されてい る。金属磁性体は例えば軟鉄であってもよい。中央の消弧板 205がギャップに最も接 近して配置されていることからアーク放電路とリング内側エッジ間に働く前記の吸引 力により、アーク放電路は外側に移行し、まず消弧板 205がアーク放電路内部に入り 、その両面にアーク放電の陰極、陽極が形成される（アーク c)。
[0030] これによつて（U +U ) =約 60Vのアーク電圧が加わる。次いで、消弧板 205の両
A K
側の全消弧板 201 204並びに 206— 209も同様にして順次アーク放電路内部に 入り、最終的には全消弧板に跨るアーク dが形成され、 n X (U +U ) (V)のアーク
A K
電圧が加わる。
[0031] 消弧絶縁材料からなり、両放電電極 101a， 102aと 101b， 102bの側面を覆う絶縁 リング 303a， 303bは、そこにアークの脚点が生ずるのを防ぎ、アーク放電路の延長 を助成する効果を有する。
[0032] インパルス電流がピーク値を越えて減衰過程に入ってもアーク放電路は維持される 力 電流値が略 0となった時、電源電圧瞬時値 Vがアーク電圧よりも小さければ電源
1
力 の続流は発生せず、アークは消滅する。
[0033] 雷インパルス電流値が比較的小さい場合、インパルス電流はアーク a又は bの段階 で消滅することがある。この場合、アーク電圧の充分な増加がないため電源からの続 流が発生する可能性がある。続流によるアークもインパルス電流によるアークと同様 に、有機系消弧絶縁材料からなる絶縁パイプ 302から噴出する消弧ガスによりギヤッ プの外側、放電電極 101a, 101bの円錐面に移行して沿面放電となり（アーク b)、更 に消弧板からの吸引力によってアーク c, dに移行する。
[0034] アークが消弧板に接触することによる冷却効果と金属リングの両面に発生する陰極 ,陽極電圧のために続流電流は急速に低減し交流電圧の 0点付近で消滅する。ァ ーク抵抗が充分大きいために、仮に電源インピーダンスが充分に小さくても続流電流 は図 6，続流 1の波形となり、 1Z2サイクル以内で遮断できる。
[0035] 放電電極，消弧絶縁部材及び消弧磁性体リングは全て回転対称構造で配置され ている故、最初の火花放電が主電極のどの位置で発生してもアークの自己消弧機能 は同一である。
[0036] 金属磁性体リング 201— 209の位置を固定し、金属パイプ 306との絶縁を保っため に階段状断面形スぺーサリング 311が用いられる。アークを冷却し、かつアークが金 属パイプに転移する事を防止するために、スぺーサリング 311として有機系消弧絶縁 材料を使用することが有効である。
消弧板として使用する磁性体金属リング 201— 209の残留磁気を小さくするために 、図 8に示すように金属リングの一部を切り欠き、磁路内にエアギャップ 312を設ける 。磁性体金属リングの残留磁気が小さくなれば、磁性体付近にインパルス電流が流 れる時に磁性体内部の磁束変化を大きくすることが出来、磁性体の透磁率を高め、 アーク放電路に対する吸引力を大きくする事が出来る。

Claims

請求の範囲
[1] 円筒状金属ケース内部に円錐又は円柱状をなす 2個の放電電極を対向配置して なる火花ギャップアレスタにおいて、前記放電電極と同心の複数の磁性体金属リング を消弧板として放電電極の外周に配置したことを特徴とするアレスタ。
[2] 両放電電極の先端部と基部とが別個の導電性材料からなり、先端部の材料のみ耐 熱性、耐アーク性を有することを特徴とする請求の範囲第 1項に記載のアレスタ。
[3] 両放電電極の基部に凹部又は凸部が設けられ、該凹部又は凸部と放電電極の凸 部又は凹部が嵌め込み結合されたことを特徴とする請求の範囲第 2項に記載のァレ スタ。
[4] 両放電電極は、先端部と基部を除き、有機系消弧絶縁材料により覆われたことを特 徴とする請求の範囲第 1項から第 3項の 1つに記載のアレスタ。
[5] 両放電電極の互いに対向する端面に各々凹部が設けられ、両凹部に跨って絶縁 碍子が間挿され、両凹部の深さの和と、絶縁碍子の厚みとの差により、火花ギャップ の寸法が定まることを特徴とする請求の範囲第 1項から第 4項の 1つに記載のアレス タ。
[6] 複数のリング状磁性体金属円板間に、スぺーサとして有機系消弧絶縁材料からな るリング状円板が挿入され、かつ該スぺ一サが消弧板の位置を固定し、金属ケースと 各消弧板を電気的に絶縁するために、階段状の断面形状を有することを特徴とする 請求の範囲第 1項から第 5項の 1つに記載のアレスタ。
[7] 消弧板が、両側電極先端部から基部の有機系消弧絶縁材料で覆われていない部 分に亘つて配置されたことを特徴とする請求の範囲第 1項から第 6項の 1つに記載の アレスタ。
[8] 有機系消弧絶縁材料が無機強化材を含む複合材料であることを特徴とする請求の 範囲第 1項から第 7項の 1つに記載のアレスタ。
[9] 消弧板として使用する磁性体金属リングの残留磁気を小さくするためにエアギヤッ プを設けたことを特徴とする請求の範囲第 1項から第 8項の 1つに記載のアレスタ。
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