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技術 サージ防護装置

出願人 株式会社美貴本有限会社山本エンジニアリング
発明者 山本東平米井康二山口信之
出願日 2009年9月30日 (12年1ヶ月経過) 出願番号 2009-228516
公開日 2011年4月14日 (10年7ヶ月経過) 公開番号 2011-078247
状態 拒絶査定
技術分野 非常保護回路装置(断路なし) 静止型機器の保護
主要キーワード 抑制ダイオード 自然劣化 絶縁電圧 雷放電 インパルス電流 配線遮断器 接続電線 同時印加
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2011年4月14日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (5)

課題

低圧配電系統負荷機器直撃雷または近接サージから保護しうるサージ防護装置を提供する。

解決手段

各相毎に設置されたサージ防護デバイス5と、当該各サージ防護デバイスと電源系統との間に単極配線用遮断器4を用いた。また、前記サージ防護デバイス5は、放電管式サージ防護デバイス、または、酸化亜鉛素子式サージ防護デバイス、または、放電管と酸化亜鉛素子を組み合わせたサージ防護デバイスである。さらに、前記各配線用遮断器4の相間に絶縁材料を挿入した。

概要

背景

電源系統負荷機器雷サージから保護するため、電源系統の主幹配線遮断器の二次側で負荷機器の一次側にサージ防護デバイスを接続することが行われている。しかしながら、サージ防護デバイスを保護するための分離器、特に直撃雷用分離器についての技術的検討は十分に行われていない。

直撃雷とは、雷雲大地間で生ずる雷放電が、から保護されるべき人工物建物或いは送電線配電線など)と雷雲間で発生する場合をいう。近接雷とは、それによって誘起されるサージが直撃雷相当のサージである場合をいう。

サージ防護デバイスとは、JISにおいて複数の内部的な構造が分類されており、大別すると印加電圧に応じて瞬時に低インピーダンスとなる電圧スイッチング型ガス放電管素子エアギャップ素子など)と印加電圧増加に対応してそれ自体の抵抗を連続的に低減させる電圧制限型金属酸化物素子抑制ダイオード素子など)とそれらを組合せた回路構成を有するものがあり、電源系統の通常の電圧においては高インピーダンス絶縁体であるが、雷サージ等の瞬間的な高電圧に対しては低インピーダンスとなり、電源系統に侵入した雷サージを、当該サージ防護デバイス経由で地絡させることにより、電源系統に接続された負荷機器を保護するものである。

SPDとは、サージ防護デバイス(Surge
Protective Device=SPD)をいう。

ところが、サージ防護デバイスの能力を超える雷サージが、サージ防護デバイスに流れるとサージ防護デバイスが電気的または物理的に破損してしまい、電源系統の通常の電圧においても、低抵抗となってしまうおそれがある。かかる場合、サージ防護デバイスを速やかに電源系統から切り離して、電源短絡事故を未然に防止する必要がある。
そこで、サージ防護デバイスと直列ヒューズを設置したり(特許文献1)、当該サージ防護デバイスと電源系統との間に多極一体型配線用遮断器を設置したり、または、各相漏電電流検出装置からのトリップ信号により動作する三相開閉器等を組み合わせたサージ防護装置が提案されている(特許文献2)。
特開2002−238110号公報
特開2008−187892号公報

概要

低圧配電系統の負荷機器を直撃雷または近接雷のサージから保護しうるサージ防護装置を提供する。各相毎に設置されたサージ防護デバイス5と、当該各サージ防護デバイスと電源系統との間に単極の配線用遮断器4を用いた。また、前記サージ防護デバイス5は、放電管式サージ防護デバイス、または、酸化亜鉛素子式サージ防護デバイス、または、放電管と酸化亜鉛素子を組み合わせたサージ防護デバイスである。さらに、前記各配線用遮断器4の相間に絶縁材料を挿入した。

目的

そこで、この発明の目的は、上記した問題点を解決して、低圧配電系統の負荷機器を直撃雷または近接雷のサージから保護しうるサージ防護装置を提供することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

低圧配電系統において、各相毎に設置されたサージ防護デバイスと、当該各サージ防護デバイスと電源系統との間に単極配線用遮断器を用いたことを特徴とするサージ防護装置

請求項2

前記サージ防護デバイスは、放電管式サージ防護デバイス、または、酸化亜鉛素子式サージ防護デバイス、または、放電管と酸化亜鉛素子を組み合わせたサージ防護デバイスであることを特徴とする請求項1記載のサージ防護装置

請求項3

前記配線用遮断器の相間絶縁電圧を、前記サージ防護デバイスの作動電圧より高い電圧としたことを特徴とする請求項1または請求項2記載のサージ防護装置

請求項4

前記各配線用遮断器の相間に絶縁材料を挿入したことを特徴とする請求項1ないし請求項3記載のサージ防護装置

技術分野

0001

この発明は、低圧配電系統に接続された電気電子機器(以下「負荷機器」という)を、直撃雷または近接により侵入するサージから保護しうるサージ防護装置に関する。

背景技術

0002

電源系統の負荷機器を雷サージから保護するため、電源系統の主幹配線遮断器の二次側で負荷機器の一次側にサージ防護デバイスを接続することが行われている。しかしながら、サージ防護デバイスを保護するための分離器、特に直撃雷用分離器についての技術的検討は十分に行われていない。

0003

直撃雷とは、雷雲大地間で生ずる雷放電が、雷から保護されるべき人工物建物或いは送電線配電線など)と雷雲間で発生する場合をいう。近接雷とは、それによって誘起されるサージが直撃雷相当のサージである場合をいう。

0004

サージ防護デバイスとは、JISにおいて複数の内部的な構造が分類されており、大別すると印加電圧に応じて瞬時に低インピーダンスとなる電圧スイッチング型ガス放電管素子エアギャップ素子など)と印加電圧増加に対応してそれ自体の抵抗を連続的に低減させる電圧制限型金属酸化物素子抑制ダイオード素子など)とそれらを組合せた回路構成を有するものがあり、電源系統の通常の電圧においては高インピーダンス絶縁体であるが、雷サージ等の瞬間的な高電圧に対しては低インピーダンスとなり、電源系統に侵入した雷サージを、当該サージ防護デバイス経由で地絡させることにより、電源系統に接続された負荷機器を保護するものである。

0005

SPDとは、サージ防護デバイス(Surge
Protective Device=SPD)をいう。

0006

ところが、サージ防護デバイスの能力を超える雷サージが、サージ防護デバイスに流れるとサージ防護デバイスが電気的または物理的に破損してしまい、電源系統の通常の電圧においても、低抵抗となってしまうおそれがある。かかる場合、サージ防護デバイスを速やかに電源系統から切り離して、電源短絡事故を未然に防止する必要がある。
そこで、サージ防護デバイスと直列ヒューズを設置したり(特許文献1)、当該サージ防護デバイスと電源系統との間に多極一体型配線用遮断器を設置したり、または、各相漏電電流検出装置からのトリップ信号により動作する三相開閉器等を組み合わせたサージ防護装置が提案されている(特許文献2)。
特開2002−238110号公報
特開2008−187892号公報

発明が解決しようとする課題

0007

従来技術による場合、サージ防護デバイスに直列に配置されるヒューズは、当該ヒューズの定格電流が小さいと、直撃雷サージにより溶断し、サージ防護装置の本来の目的を達成できない。また、ヒューズは自然劣化した状態で、直撃雷が襲来すると雷サージ継続中に、ヒューズの一部が溶融し、アークが発生することによりヒューズが溶断する可能性がある。さらに、ヒューズにアークが発生している間は、当該アーク電圧が、サージ防護デバイスの制限電圧加算され、負荷機器の耐電圧(耐インパルスカテゴリーにより指定されている電圧)を超過する場合が生じ得るので、サージから負荷機器を保護するという本来の機能が果たされない。

0008

また、ヒューズが当該サージの印加直後に溶断する場合、サージ防護デバイスが機能を発揮する前に電源系統から切離され、サージが直接、負荷機器に侵入してしまう。加えて、サージ防護デバイスが導通状態となった場合(即ち、電源系が地絡状態である場合)、ヒューズの定格容量が、電源系統の短絡電流に対して小さいと、ヒューズが電源系統の定格電流以下で溶断するなどの問題が生じる。更に、ヒューズのメンテナンスコストは、配線用遮断器に比して高額となる。

0009

また、定格容量の小さな多極一体型の配線用遮断器、或いは同様の開閉器を用いた場合には、雷電流トリップしたり、機器内部の可動接点融着するなどの恐れがある。融着した場合、短絡状態となり、サージ防護デバイスが破壊する恐れがある。JIS
C5381−1:2004に規定されたクラスI用10/350μsのインパルス電流に対し、このような融着を回避することが検討されている(特許文献3)
特開2008−270135

0010

また、雷サージは配電線に対してコモンモードとして、各相に同じ大きさのサージ電流が流れるとされているが、実際には各相に接続されている負荷アンバランスのため、1相に偏って雷サージが侵入し、多極一体型の配線用遮断器の可動接点近傍において焼損する事例が多い。或いは、サージ防護デバイス相互の動作遅延により、多極一体型配線用遮断器の相間に過大な電位差を生じ、絶縁破壊する可能性がある。従来、この焼損や絶縁破壊は雷によるものとして理解され、対処できない自然現象として放置されている。このように多極一体型の配線用遮断器を用いた場合には、雷サージによる相間短絡が発生し、電気的または物理的に破損するなどの問題がある。

0011

そこで、この発明の目的は、上記した問題点を解決して、低圧配電系統の負荷機器を直撃雷または近接雷のサージから保護しうるサージ防護装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

0012

かかる目的を達成するために、この発明の構成は、低圧配電系統において、各相毎に設置されたサージ防護デバイスと、当該各サージ防護デバイスと電源系統との間に単極の配線用遮断器を用いたことを特徴とするサージ防護装置であることを、その要旨とする。

0013

また、上記目的を達成するために、この発明の構成は、前記サージ防護デバイスは、放電管式サージ防護デバイス、または、酸化亜鉛素子式サージ防護デバイス、または、放電管と酸化亜鉛素子を組み合わせたサージ防護デバイスであることを特徴とする請求項1記載のサージ防護装置であることを、その要旨とする。

0014

また、上記目的を達成するために、この発明の構成は、前記配線用遮断器の相間絶縁耐力を、サージ防護デバイスの作動電圧より高い電圧としたことを特徴とする請求項1または請求項2記載のサージ防護装置であることを、その要旨とする。

0015

本発明において、サージ防護デバイスの作動電圧とは、後述する絶縁電圧測定方法に基づいて測定されるサージ防護デバイスの絶縁電圧をいう。

0016

なお、配電系統に雷サージが侵入した場合、各相のサージ保護デバイス動作時間がずれることによって相間電圧が瞬間的にサージ保護デバイスの作動電圧を上回る(動作時間のズレが0.2μsの場合、作動電圧の1.3倍程度となる。)。そのため配線用遮断器の相間絶縁耐力は、サージ防護デバイスの作動電圧の1.3倍より高い電圧とすることがより好ましい。

0017

さらに、上記目的を達成するために、この発明の構成は、前記各配線用遮断器の相間に絶縁材料を挿入したことを特徴とする請求項1ないし請求項3記載のサージ防護装置であることを、その要旨とする。

発明の効果

0018

この発明の構成によるときは、低圧電源系統に雷サージが流れた場合、雷サージ継続中、サージ防護デバイスを安定に機能させることができ、負荷機器保護の信頼性が向上する。

0019

また、多極一体型の配線用遮断器を用いた場合と比較し、相間短絡を防止することが容易となり、負荷機器保護の信頼性が向上する。

0020

さらに、低圧電源系統の特定の一相の線に雷サージが流れ、サージ防護デバイスが電気的または物理的に破損した場合には、当該破損したサージ防護デバイスを含む線に取り付けられた配線用遮断器が、当該破損したサージ防護デバイスを電源系統から切り離して、地絡事故を防止する。また、前記の場合でも、他の相の線に設置されたサージ防護デバイスを電源系統に接続されたままにする構成をとれば、同時印加或いは後続の雷サージが、残りの健全な相の線に流れ込んだ場合にも、サージ防護装置としての役割を果たす可能性が高まり、サージ防護装置としての信頼性が向上する。

実施例

0021

以下、図面を以て、発明の実施の形態を説明する。

0022

図1は、本発明の第1の実施形態である。三相の低圧配電系統(1)において、各相毎にサージ防護デバイス(5)が、各線に直列に接続された単極の配線用遮断器(4)を介して、各相に接続されている。

0023

配線用遮断器(4)は、単極の遮断器であり、可動接点式の遮断器である。本実施例では、160AF/ATの電機産業株式会社製を用いているが、同等以上の遮断器であれば、これに制限されない。本発明においては、160AF/AT以上であることがより好ましい。前記寺崎製の配線用遮断器の筐体寸法は、165mm×35mm×68mmであり、端子は筐体端辺部の中央に配置されている。

0024

本発明のサージ防護デバイスは、酸化亜鉛素子型のサージ防護デバイス、放電管式のサージ防護デバイス、放電菅式と酸化亜鉛素子型を組み合わせたサージ防護デバイスなど適宜選択が可能である。本実施例では、放電管式を用いている。放電管式サージ防護デバイスは、漏洩電流がほぼゼロであること、酸化亜鉛素子型サージ防護デバイスでは劣化した場合、漏洩電流が過大となる危険があることから、放電管式サージ保護デバイスがより好ましい。

0025

絶縁電圧の測定
各機器の絶縁電圧は、インパルス電圧発生器HEAFLEY製2400kV、120kJ)を用いて測定した。具体的な測定方法は、絶縁電圧を測定する対象物にインパルス電圧発生器の端子を接続し、1.2/50μs, 1000kVの電圧を印加し、当該対象機器が絶縁破壊した時の電圧値を測定した。IV線の絶縁電圧の測定は、インパルス電圧発生器の一端をIV線の心線に接続し、インパルス電圧発生器の他端をIV線の被覆表面部分(インパルス電圧発生器の一端を接続した部分から50cm離れた部分)に接続し測定した。サージ防護デバイスの絶縁電圧は、サージ防護デバイスの両電極にインパルス電圧発生器の各端子を接続して測定した。単極用配線遮断器は、図2に示すように、2台の単極用配線遮断器を並行に配置し、一方の配線用遮断器の一極(a点)にインパルス電圧発生器の端子を接続し、他の配線用遮断器の他極(並置した配線用のインパルス電圧発生器の端子を接続した極と相異なる極:b点)にインパルス電圧発生器の端子を接続して測定した。三相一体型配線遮断器は、遮断器の入力端子のひとつにインパルス電圧発生器の端子を接続し、前記入力端子の隣接する相の出力端子にインパルス電圧発生器の他方の端子を接続して測定した。中相抜き三相一体型配線遮断器については、遮断器の入力端子のひとつにインパルス電圧発生器の端子を接続し、前記入力端子とは異なる相の出力端子にインパルス電圧発生器の他方の端子を接続して測定した。測定回路図3に示す。

0026

前記の試験方法により、測定された絶縁破壊電圧を表1に示した。

0027

相間絶縁耐力の測定
つぎに、図2に示すように、サージ防護デバイス(5)に直列に配置された各相の配線用遮断器(4)のa点及びb点に、インパルス電圧発生器の各端子を接続し、間隔Dを変化させて、相間短絡が生じる電圧を測定した。その結果を表2に示した。間隔Dは、配線用遮断器の側面部分と隣接させた配線用遮断器の隣接端面部分の最短距離をいう。

0028

表1の結果から明らかなように、サージ防護デバイスの絶縁破壊電圧を最小とし、接続電線の絶縁電圧は十分高いが、三相一体型遮断器は低い絶縁電圧を示す。単極配線用遮断器は一体型より高い値を示す。

0029

表2の結果から明らかなように、単極配線用遮断器の間隔Dを10mm以上にすれば、放電管式サージ防護デバイスの絶縁電圧以上にできることとなり、絶縁協調の採れた、より信頼性の高いサージ防護装置が達成できる。また、単極配線用遮断器の間隔Dを増大させれば絶縁破壊電圧は増大するが、間隔Dが大きくなるとサージ防護装置の全体寸法が大きくなるため、60kV相当となる20mm程度を上限とするのが好ましい。

0030

図4は、本発明の第2の実施形態であり、単極配線用遮断器近傍の構成を示している。第2の実施形態が第1の実施形態と異なる部分は、各線に直列に接続された単極配線用遮断器(4)の間隙の全部または一部に絶縁材料(7)が配置されていることである。

0031

本発明の絶縁材料は、マイカベークライト碍子ガラス繊維セラミック等、絶縁性能のある材料を適宜用いることができる。

図面の簡単な説明

0032

本発明の実施例1におけるサージ防護装置の構成図である。
単極配線用遮断器の相間絶縁電圧の測定点を示す説明図である。
雷インパルス電圧の測定回路図である。
本発明の実施例2における単極配線用遮断器近傍の構成を示す説明図である。

0033

1低圧電源系統2主幹配線用遮断器(多極一体型) 3負荷機器
4単極配線用遮断器5サージ防護デバイス6接地7 絶縁材料

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