(57)【要約】【課題】  保護素子が劣化して放電電圧の上昇、及び故障してオープン状態となった場合と、放電電圧が低下及び故障して導通状態となった場合とを区別して検出することができ、かつ、設備を保護する機能を有した状態で、劣化及び故障を通知することが可能な保護回路及びそれを用いた避雷器を提供する。【解決手段】  本発明の保護回路は、異常電圧を放電する第１の放電素子と、該第１の放電素子に並列に接続され、所定の電圧値を超えると放電を行う第２の放電素子と、該第２の放電素子に直列に接続され、第２の放電素子に流れる電流を検知する検知器とを具備する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
異常電圧を放電する第１の放電素子と、
該第１の放電素子に並列に接続され、所定の電圧値を超えると放電を行う第２の放電素子と、
該第２の放電素子に直列に接続され、第２の放電素子に流れる電流を検知する検知器と
を具備することを特徴とする保護回路。
【請求項２】
前記第２の放電素子が、前記第１の放電素子より高い放電開始電圧を有することを特徴とする請求項１記載の保護回路。
【請求項３】
前記検知器が電流を検知すると出力端子のオン／オフ状態を変化させて異常を通知することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の保護回路。
【請求項４】
前記際１及び第２の放電素子と並列に接続され、該第１及び第２の放電素子より高い放電開始電圧を有する第３の放電素子を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の放電素子。
【請求項５】
保護対象の機器の端子に接続される配線と大地との間に発生した異常電圧を放電するための避雷器であり、
前記第１から第３に記載の保護回路のいずれか一方の端子を、前記配線に接続し、他方の端子を大地に接続して構成されることを特徴とする避雷器。
【請求項６】
複数の配線に対応する場合、各保護回路における検知器の出力端子を直列に接続することを特徴とする請求項５記載の避雷器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計装用信号ケーブル，通信ケーブル，電源ケーブルなどの電線に接続された機器を、異常電圧から保護する保護回路及びそれを用いた避雷器に関する。
【背景技術】
【０００２】
屋外に配置されたケーブルに対する落雷による被害は後を絶たないため、このケーブルに接続された機器の被害を最小にするため、従来より避雷器をこれら機器に近傍のケーブルに配置してきた。
従来の避雷器１００は、図６（ａ）に示すように、進入してくる雷などによるサージを、保護素子Ｘ１，Ｘ２及びＸ３を通過させることにより端子Ａ及び端子Ｂ側に接続される機器を保護している。ここで、保護素子Ｘ１，Ｘ２及びＸ３は酸化亜鉛バリスタ等が用いられている。
【０００３】
例えば、図７のように、センサ１０２と、その検出信号を受信する受信装置１０１との間に避雷器１００を配置し、落雷時の誘導などによるセンサ１０２と、避雷器１００との間の配線に混入するサージを、この避雷器１００により吸収し、高価な受信装置１０１を保護している。
また、図７において、落雷誘導などより配線に誘起されたサージエネルギは、入力端子１からｉ1の経路により接地点に流れ、受信装置１０１の入力端子の対地電圧ｖcを許容電圧以下に制限し、この受信装置１０１を上記サージより保護している。
【０００４】
上記保護素子Ｘ１，Ｘ２及びＸ３は図６（ｂ）に示す電流電圧特性を有しており、両端電圧が動作定格電圧Ｖzを超えると急激に素子内を電流が流れ、両端電圧の上昇を抑える、すなわち両端電圧が動作定格電圧を超えないように動作する。
保護素子Ｘ１及びＸ２は各配線と対地との間に生じるサージを吸収し、一方、保護素子Ｘ３は配線間に生じるサージを吸収するよう動作する。
【０００５】
しかしながら、避雷器は、サージが発生する毎に吸収することにより、吸収するサージのエネルギー強度や回数により、ダメージが蓄積されて徐々に劣化することとなり、結果的に電流電圧特性の変化や故障を起こし、サージを吸収する機能を果たさなくなる。
これ以降、避雷器は、落雷等により誘導されたサージを、直接に各設備に与えることとなり、設備に大きなダメージを与えることになる。
この避雷器の故障状態を確認するためには、直接現地にて測定器を用いてチェックするしか方法はなく、点在する設備の状態を把握することは容易に行うことができなかった。
【０００６】
この改善策として、避雷器の動作回数により劣化の程度を推定する方法や、避雷器の劣化や故障に起因する避雷器からの漏れ電流の増加を発光手段の輝度で表示することにより、劣化の程度や故障を検出する方法が考案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−１６３１０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、避雷器の劣化を動作回数により検出する方法は、サージ毎にエネルギー強度が異なるため、十分使用できるものや、すでに故障しているものの区別が明確に判定できないという欠点がある。
また、特許文献１における避雷器の漏れ電流を検出する方法は、例えば、劣化モードとして、保護素子の動作電圧の低下／上昇のいずれかか、さらに、故障モードとして、保護素子の短絡／オープンの特定ができない。
ここで、特許文献１の方法で検出可能なモードは、劣化として保護素子の動作電圧の低下であり、また故障として保護素子の短絡の場合、受信装置において受信信号の品質をモニタすることにより検出可能である。
【０００８】
しかし、動作電圧の低下及び短絡の状態は、配線における信号の品質は損なわれるが、受信装置の保護機能が維持されている。
一方、特許文献１の方法で検出不可能なモードは、劣化として保護素子の動作電圧の上昇であり、故障として保護素子のオープン状態である。
この、動作電圧の上昇及びオープンの状態は、配線における信号品質は正常であるが、受信装置の保護が損なわれることとなる。
このため、特許文献１の方法は、受信装置の保護機能を十分に保った状態で劣化及び故障が検出されずに、その後のサージ混入により、高価な受信装置等の設備を保護することができず、破壊してしまうという問題がある。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、保護素子が劣化して放電電圧の上昇、及び故障してオープン状態となった場合と、放電電圧が低下及び故障して導通状態となった場合とを区別して検出することができ、かつ、設備を保護する機能を有した状態で、劣化及び故障を通知することが可能な保護回路及びそれを用いた避雷器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の保護回路は、異常電圧を放電する第１の放電素子と、該第１の放電素子に並列に接続され、所定の電圧値を超えると放電を行う第２の放電素子と、該第２の放電素子に直列に接続され、第２の放電素子に流れる電流を検知する検知器とを具備することを特徴とする。
【００１１】
本発明の保護回路は、前記第２の放電素子が、前記第１の放電素子より高い放電開始電圧を有することを特徴とする。
【００１２】
本発明の保護回路は、前記検知器が電流を検知すると出力端子のオン／オフ状態を変化させて異常を通知することを特徴とする。
【００１３】
本発明の保護回路は、前記第１及び第２の放電素子と並列に接続され、該第１及び第２の放電素子より高い放電開始電圧を有する第３の放電素子を有することを特徴とする。
【００１４】
本発明の避雷器は、保護対象の機器の端子に接続される配線と大地との間に発生した異常電圧を放電するための避雷器であり、前記第１から第３に記載の保護回路のいずれか一方の端子を、前記配線に接続し、他方の端子を大地に接続して構成されることを特徴とする。
【００１５】
本発明の避雷器は、複数の配線に対応する場合、各保護回路における検知器の出力端子を直列に接続することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、本発明の保護回路によれば、第１の放電素子が複数回繰り返してサージを受けて放電動作を行ううちに劣化または破壊されるが、制限電圧（放電開始電圧）が上昇する方向であれば、第２の放電素子に電流が流れ検知器が通知を行い、一方、制限電圧を低下させる方向であれば、受信信号の品質によって検知が可能であるため、故障モードの区別を行うことができ、従来のように制限電圧が上昇方向となる異常を検出できないということがない。
また、本発明の保護回路によれば、第１の保護素子が破壊された後、第３の保護素子が設備のサージからの破壊を防止するため、検知器が異常を通知した後に交換するまでの余裕を得ることができ、より設備を破壊から防止する機能を強化させることが可能となる。
という効果が得られる。
【００１７】
また、本発明の避雷器によれば、屋外の配線などに誘起される誘導雷サージなどから、受信装置などの設備を保護する際、複数回繰り返してサージを受けて放電動作を行ううちに劣化または破壊されるが、制限電圧が上昇する方向であれば、保護回路に電流が流れ検知器が通知を行い、一方、制限電圧を低下させる方向であれば、受信信号の品質によって検知が可能であるため、故障モードの区別を行うことができ、従来のように制限電圧が上昇方向となる異常を検出できずに設備を破壊させることがなく、事前に劣化及び故障の交換処理を容易とする効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施例による避雷器を図面を参照して説明する。図１は同実施例による避雷器の構成例を示すブロック図である。
この図において、図６（ａ）に示す従来の避雷器と、配線に対する接続は同様である。
この実施例の避雷器Ｑは、一例として、平衡２線で形成された配線に対応したものであり、入力端子１が配線ｌ11に接続され、入力端子２が配線ｌ12に接続され、出力端子Ａが配線ｌ1に接続され、出力端子Ｂが出力端子ｌ2に接続されている。また、出力端子Ｃ及びＤは故障警報端子である。入力端子１及び２はセンサ側に接続されており、出力端子Ａ及びＢは受信装置側に接続されている。
【００１９】
避雷器Ｑは、入力端子１及び出力端子Ａを接続する配線Ｌ1と、入力端子２及び出力端子Ｂを接続する配線Ｌ2とが設けられ、本発明による保護回路Ｙ1及びＹ2各々の一方の接続端子Ｅがそれぞれ配線Ｌ1，Ｌ2に接続され、他方の接続端子Ｆが接地されている（大地に接続されている）。例えば、配線ｌ11に対して保護回路Ｙ1の放電電圧を超えるサージが誘導されたとすると、保護回路Ｙ1が電流ｉsを接地点に対して流して、異常電圧の放電動作を行う。また、保護素子Ｘ3は従来例と同様であるが、本発明による保護素子を用いることも可能である。
【００２０】
次に、図を参照して本発明による保護回路Ｙ1及びＹ2の説明を行う。図２は、本発明による保護回路Ｙ1（また、保護回路Ｙ2も同様の構成）の一構成例を示すブロック図である。
本発明の保護回路は、少なくとも、保護素子Ｚ1，保護素子Ｚ2，放電素子Ｚ3及び検知器Ｓを有して構成されている。
保護素子Ｚ1及び保護素子Ｚ2は、半導体または放電管による、図６（ｂ）に示す特性（＋側及び−側でそれぞれ所定の放電電圧が設定されており、この放電電圧を超える異常電圧が印加された場合に、電流を流し放電動作を行う特性）を有するサージ吸収素子であり、例えば酸化亜鉛バリスタなどである。
【００２１】
放電素子Ｚ3は、所定のツェナー電圧を有するツェナーダイオードＤ1及びＤ2とが、カソード側で接続されて形成され、図６（ｂ）に示す特性となっており、双方のツェナーダイオードのアノードが接続端子となっている。
また、放電素子Ｚ3は保護素子Ｚ1及びＺ2と同様のサージ吸収装置を用いても良いし、逆に、保護素子Ｚ1及びＺ2も放電素子Ｚ3と同様の構成を用いても良い。
保護素子Ｚ1，Ｚ2及び放電素子Ｚ3各々の放電電圧Ｖ1，Ｖ2及びＶ3は、避雷器Ｑにて保護する受信装置の許容対地電圧Ｖdに対し、以下の（１）式に示す関係を有している。
｜Ｖ1｜  ＜  ｜Ｖ3｜  ＜  ｜Ｖ2｜  ＜  ｜Ｖd｜    …（１）
【００２２】
例えば、本実施例においては、受信装置の許容対地電圧Ｖdを１０００Ｖdcとして、保護素子Ｚ1の放電電圧（バリスタ電圧）Ｖ1を５００Ｖ（放電時の電流耐量１０００Ａ）とし、保護素子Ｚ2の放電電圧（バリスタ電圧）Ｖ2を７００Ｖ（放電時の電流耐量１０００Ａ）とし、ツェナー電圧（放電電圧に対応）Ｖ3を６００Ｖ（電流耐量１０Ａ）として説明する。ここで、ツェナーダイオードＤ1及びＤ2のツェナー電圧は同様な値が用いられる。
各保護素子の放電電圧は（１）式の関係を満足させ、すなわち、各々の保護素子の放電電圧のバラツキに十分対応させた電圧差を有するように、各放電素子の放電電圧を選択し、放電電圧のバラツキにより（１）式の関係を逆転させないように放電素子が選択される。
【００２３】
また、放電素子Ｚ3には直列に検知器Ｓが接続されており、この検知器Ｓは、放電素子Ｚ3に流れる電流を検出し、電流が流れると故障警報端子の状態、すなわち導通状態を変化させ、外部に故障を通知する。
本実施例においては、ツェナーダイオードＤ1及びＤ2の順方向電圧を超えて流れた電流値により切断されるヒューズにより形成される警報接点付きヒューズ（例えば、０．１Ａ即断型）を用いており、ヒューズが切断された際に故障警報接点（故障警報端子Ｃ-Ｄ間）の出力状態がオープン状態となる。
【００２４】
次に、図１，図２及び図３を用いて、上記実施例における避雷器の動作を説明する。図３は、本発明の実施例における避雷器の動作例を示すタイミングチャートである。
保護回路Ｙ1及びＹ2における保護素子の状態が「正常」である期間において、保護回路を構成する保護素子Ｚ1が劣化及び故障状態になく、保護素子Ｚ1が異常電圧が放電電圧を超えることによる放電動作を行う。
すなわち、落雷等により配線ｌ11にサージ電圧パルスＳ１が誘導されると、サージ電圧が保護素子Ｙ1の放電電圧Ｖ1（６００Ｖ）を超えると、保護素子Ｙ1（すなわち、保護素子Ｚ1）が接地点に対してサージ電流ｉs（図２におけるｉ1）を流し、配線ｌ11の対地電圧が放電電圧Ｖ1の範囲内で制限され、受信装置が保護されることとなる。
【００２５】
このとき、保護素子Ｚ1は上記サージ電流によりストレスを受けるが、配線Ｌ1（またはＬ2）の対地電圧が保護素子Ｚ2及び放電素子Ｚ3の放電電圧に達しないため、保護素子Ｚ2及び放電素子Ｚ3には電流が流れず異常電圧によるストレスを受けない。
また、放電素子Ｚ3に電流が流れないため、検知器Ｓのヒューズは切断されず、故障警報接点は閉状態を維持する。
【００２６】
そして、保護素子Ｚ1が「劣化」の状態の場合、サージ放電動作が複数回行われることにより、保護素子Ｚ1が徐々に劣化していく。
次に、保護素子Ｚ1が劣化の進行または破壊され、保護素子Ｚ1が放電電圧の低下及び素子の端子の短絡する異常モードとなった場合、受信装置の受信する信号の信号品質が異常に劣化するため、保護回路Ｙ1（またはＹ2）または、避雷器全体の交換動作を行う。
【００２７】
一方、保護素子Ｚ1が「劣化により放電電圧の上昇または破壊によるオープン」の状態の場合、すなわち、保護素子Ｚ1が放電電圧の上昇（ここでは、保護素子Ｚ１の放電電圧Ｖ1が放電素子Ｚ3の放電電圧Ｖ3を超えたときを示す）及び素子の端子が開放となる異常モードとなった場合、サージパルスＳ２が入力され、配線ｌ11（または配線ｌ12）の対地電圧が放電電圧Ｖ1（５００Ｖ）を超えても、保護素子Ｚ1における放電動作は行われない。
このため、配線ｌ11（または配線ｌ12）の対地電圧が５００Ｖを超えて、放電電圧Ｖ3（６００Ｖ）をも超えることとなり、放電素子Ｚ3にサージ電流（図２におけるｉ2）が流れる。
【００２８】
そして、サージ電流ｉ2が流れることにより、検知器Ｓのヒューズが瞬時に切断され、検知器Ｓの端子Ｇ-Ｈが開となることにより、故障警報接点Ｃ-Ｄの出力状態が、正常な状態を示す閉（オン）状態から、異常を示す開（オフ）状態へ変化することにより、外部に異常を通知する状態となり、外部からの故障の検出（検知）が容易に行える。
次に、配線ｌ11（または配線ｌ12）の対地電圧が放電電圧Ｖ2（７００Ｖ）を超えると、サージ電流の経路として唯一残った保護素子Ｚ2にサージ電流（図２におけるｉ3）が流れ、これ以降のサージパルスＳ3も保護素子Ｚ2が放電動作を行うことにより、配線ｌ11（または配線ｌ12）の対地電圧が放電電圧Ｖ2の範囲で制限され、受信装置の許容対地電圧Ｖd（１０００Ｖ）を超えることなく、受信装置が継続して保護されることになる。そして、故障の検出が行われた場合、避雷器の交換を行う。
【００２９】
また、上記実施例においては、平衡２線用の避雷器で本発明の構成を説明したが、図４に示す多線の配線の場合や、図５に示す同軸ケーブルの場合にも適用可能である。
図４においては、多線を構成する各々の配線毎に１つずつ保護回路を接続し、すなわち、配線毎に保護回路Ｙの一方の端子Ｅを接続し、接地点に他方の端子Ｆを接続し、各検知器の出力を直列に接続することにより、多線用の避雷器が構成される。
また、図５においては、同軸ケーブルの導体に保護回路Ｙの一方の端子Ｅを接続し、他方の端子Ｆを、被覆としての外部導体と同様に接地して構成されている。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施例による保護回路を用いた避雷器の一構成例を示す概念図である。
【図２】本発明の一実施例による保護回路の一構成例を示すブロック図である。
【図３】図２の保護回路の動作例を説明するタイミングチャートである。
【図４】多線に対応させた、本発明の保護回路を用いた避雷器を説明する概念図である。
【図５】同軸ケーブルに対応させた、本発明の保護回路を用いた避雷器を説明する概念図である。
【図６】避雷器の動作を説明するための概念図である。
【図７】避雷器の動作を説明するための概念図である。
【符号の説明】
【００３１】
Ｙ1，Ｙ2…保護回路
Ｘ3，Ｚ1，Ｚ2，Ｚ3…保護素子
Ｄ1，Ｄ2…ツェナーダイオード
Ｑ…避雷器
Ｓ…検知器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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