(57)【要約】      （修正有）【課題】バリスタを用いずに、電子機器や電気設備を雷サージから安定して保護する。【解決手段】放電電極に挟まれた放電ギャップが複数縦続に接続されたサージ防護デバイス６であって、高圧側の放電ギャップを挟んでいる放電電極間の距離は、隣接する低圧側の放電ギャップを挟んでいる放電電極間の距離より短い。放電電極間の距離が短い方から順に、放電ギャップｂ11、放電ギャップｂ12、放電ギャップｂ13の順において放電していくので、安定して放電することが可能となる。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
放電電極に挟まれた放電ギャップが複数縦続に接続されたサージ防護デバイスであって、
高圧側の放電ギャップを挟んでいる放電電極間の距離は、隣接する低圧側の放電ギャップを挟んでいる放電電極間の距離より短いことを特徴とするサージ防護デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サージ防護デバイスに関し、より詳細には、落雷等により発生する雷サージから電子機器や電気設備を保護するサージ防護デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電源線に流入する雷サージから電子機器や電気設備を保護するため、電源線と接地との間にサージ防護デバイス（Surge Protective Device：ＳＰＤ）を取り付けることによって、雷サージに起因する過電圧で電子機器や電気設備が故障することを抑制している。電子機器は、ＩＣＴ（Information and Communication Technology：情報通信技術）装置などの通信機器を含み、電気設備は、太陽光発電に用いられるＰＣＳ（Power Conditioning System）や風力発電の受電設備などを含む。ＩＣＴ装置は、例えば、ホームゲートウェイ（Home Gateway：ＨＧＷ）、ルータ、サーバなどをいう。
【０００３】
図１に従来のサージ防護デバイスの使用例を示す。商用電力系統１から出力された交流電力は、ＡＣ／ＤＣコンバータ２で直流電力に変換され、変換された直流電力は、ＩＣＴ装置１に供給される。従来のサージ防護デバイス４は、ＡＣ／ＤＣコンバータ２とＩＣＴ装置３との間に接続された電源線と、ＩＣＴ装置３に接続された接地線との間に接続される。
【０００４】
従来のサージ防護デバイス４は、避雷管４１と、バリスタ４２とを備える。避雷管４１は、ガス入り放電管（Gas Discharge Tube：ＧＤＴ）等のアレスタをいう。避雷管４１とバリスタ４２は、直列に接続されている。避雷管４１にバリスタ４２が接続されている理由を以下に示す。
【０００５】
図２に雷サージが発生した場合の、従来のサージ防護デバイスに印加される電圧の推移を示す。図２に示すグラフについて、縦軸を電圧とし、横軸を時間とする。図１に示すサージ防護デバイス４を避雷管４１のみで構成されるデバイスに代えた場合と、避雷管４１とバリスタ４２で構成されたサージ防護デバイス４である場合を考える。点線αは、避雷管４１のみで構成されるデバイスに印加される電圧の推移を示し、実線βは、サージ防護デバイス４に印加される電圧の推移を示す。また、ＶMは、雷サージが発生した際に、避雷管４１のみで構成されるデバイスおよびサージ防護デバイス４に印加される電圧を示す。ｔｄは、避雷管４１の放電が開始される時刻を示す。
【０００６】
Ｖβは、雷サージが発生しサージ防護デバイス４の避雷管４１が放電した後に、サージ防護デバイス４において維持される電圧を示す。Ｖαは、雷サージが発生し避雷管４１が放電した後に、避雷管４１において維持される電圧を示す。ＶSは、ＩＣＴ装置３に供給される電圧を示す。
【０００７】
電圧Ｖαは、電圧ＶSより低いため、ＩＣＴ装置３に電圧ＶSを供給し続けた場合、避雷管４１のみで構成されるデバイスには、或る量の電流、即ち、続流が流れ続けることになる。一方、電圧Ｖβは、電圧ＶSより高いため、ＩＣＴ装置３に電圧ＶSを供給し続けても避雷管４１とバリスタ４２で構成されたサージ防護デバイス４には電流がほとんど流れないことになる。よって、避雷管４１にバリスタ４２を接続することで、サージ防護デバイスが放電した後に維持される電圧が電圧Ｖαから電圧Ｖβとなり（γ）、電圧ＶSより高くなるため、続流が発生することを抑止している。
【０００８】
しかしながら、バリスタは、何度も雷サージを受けると劣化する。バリスタが劣化すると、バリスタ内の絶縁状態が破壊され、バリスタに供給電流の一部が継続的に流れ、バリスタが過熱して発火する場合がある（非特許文献１を参照）。
【０００９】
そこで、１つの避雷管が放電ギャップ及び放電電極を複数備えて、避雷管が放電した後に維持される電圧を高くすることで、続流を発生させないようにする方法が考えられる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】大貫宗一郎著、「電気製品の発火事故原因究明事例について」、平成２２年度製品安全センター製品安全業務報告会、２０１０年１１月、＜ＵＲＬ：http://www.nite.go.jp/jiko/seika/2010/data/5_1_kaminari.pdf＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
図３に放電ギャップを複数備えた避雷管の構成の一例を示す。図３（ａ）に放電ギャップを４つ備えた避雷管５の構成の一例を示し、図３（ｂ）に放電ギャップを８つ備えた避雷管５’の構成の一例を示し、図３（ｃ）に放電ギャップを１２つ備えた避雷管５’’の構成の一例を示す。
【００１２】
図３（ａ）に示す避雷管５では、放電ギャップｂ1を放電電極ａ1と放電電極ａ2とで挟み、放電ギャップｂ2を放電電極ａ2と放電電極ａ3とで挟んでいる。また、放電ギャップｂ3を放電電極ａ3と放電電極ａ4とで挟み、放電ギャップｂ4を放電電極ａ4と放電電極ａ5とで挟んでいる。
【００１３】
放電電極ａ1と放電電極ａ2との間の距離をｄ1とし、放電電極ａ2と放電電極ａ3との間の距離をｄ2とする。また、放電電極ａ3と放電電極ａ4との間の距離をｄ3とし、放電電極ａ4と放電電極ａ5との間の距離をｄ4とする。避雷管５の放電ギャップｂ1からｂ4は、同じ素材で構成され、距離ｄ1からｄ4は、それぞれ等しい距離とする。放電ギャップｂ1からｂ4において、放電が開始される電圧Ｖdは、それぞれ１ｋＶとする。
【００１４】
図３（ｂ）に示す避雷管５’および図３（ｃ）に示す避雷管５’’も、図３（ａ）に示す避雷管５の構成と同様に、放電電極に挟まれた放電ギャップが複数縦続している構成となっている。
【００１５】
図４に避雷管が放電した後に維持される電圧と、避雷管の放電ギャップの数との関係を表す。図５に遅延時間と、避雷管の放電ギャップの数との関係を表す。本明細書では、遅延時間とは、雷サージで発生した過電圧が、避雷管またはサージ防護デバイスに印加される時刻から、避雷管またはサージ防護デバイスにおいて放電が開始される時刻ｔｄまでの時間をいう。雷サージが発生し避雷管５の両端に、４ｋＶの電圧が印加されたとして仮定する。
【００１６】
図４に示されるグラフにおいて、縦軸を避雷管が放電した後に維持される電圧（Ｖ）とし、横軸を避雷管の放電ギャップの数とする。避雷管が放電した後に維持される電圧は、避雷管５の場合には約８０Ｖ（δ）、避雷管５’の場合には約２１０Ｖ（ε）、避雷管５’’の場合には約２８０Ｖ（δ）となる。よって、避雷管の放電ギャップの数を増加させると、避雷管が放電した後に維持される電圧が上昇することがわかる。
【００１７】
次に、図５に示されるグラフにおいて、縦軸を遅延時間（μｓ）とし、横軸を避雷管の放電ギャップの数とする。避雷管の遅延時間は、避雷管５の場合には約２．５μｓ（η）、避雷管５’の場合には約７μｓ（θ）、避雷管５’’の場合には約３２μｓ（λ）となる。よって、避雷管の放電ギャップの数を増加させると、遅延時間が上昇することがわかる。
【００１８】
したがって、避雷管の放電ギャップの数を増加させると、避雷管が放電した後に維持される電圧が上昇するが、遅延時間が上昇してしまう。遅延時間が上昇すると、保護すべき電子機器や電気設備に過電圧が印加され続ける時間もまた延びてしまい、電子機器や電気設備が故障する可能性が高まるという問題があった。
【００１９】
また、図３（ａ）に示す避雷管５での放電を考えると、雷サージが発生し避雷管５の両端に４ｋＶの電圧が印加された場合、避雷管５の放電電極ａ1と放電電極ａ2との間、放電電極ａ2と放電電極ａ3との間、放電電極ａ3と放電電極ａ4との間、放電電極ａ4と放電電極ａ5との間には、それぞれ１ｋＶの電圧が印加される。しかし、避雷管５の全ての放電ギャップｂ1、ｂ2、ｂ3、ｂ4において放電が同時に開始されずに、放電ギャップにおいて放電するか放電しないかという不安定な状態になり得るため、遅延時間が予想より長くなる場合がある。遅延時間が長くなると、保護すべき電子機器や電気設備に過電圧が印加され続ける時間も長くなり、電子機器や電気設備が故障する可能性が高まるという問題があった。
【００２０】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、バリスタを用いずに、電子機器や電気設備を雷サージから安定して保護するサージ防護デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、放電電極に挟まれた放電ギャップが複数縦続に接続されたサージ防護デバイスであって、高圧側の放電ギャップを挟んでいる放電電極間の距離は、隣接する低圧側の放電ギャップを挟んでいる放電電極間の距離より短いことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
以上説明したように、本発明によれば、バリスタを用いずに、電子機器や電気設備を雷サージから安定して保護することが可能となる。また、本発明によれば、サージ防護デバイスの省スペース化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】従来のサージ防護デバイスの使用例を示す図である。
【図２】従来のサージ防護デバイスに印加される電圧の推移を示す図である。
【図３】放電ギャップを複数備えた避雷管の構成の一例を示す図である。
【図４】避雷管が放電した後に維持される電圧と、避雷管の放電ギャップの数との関係を表す図である。
【図５】遅延時間と、避雷管の放電ギャップの数との関係を表す図である。
【図６】本発明の第１の実施形態にかかるサージ防護デバイスの使用例を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施形態にかかるサージ防護デバイスの構成の一例を示す図である。
【図８】雷サージが発生した際の、本発明の第１の実施形態にかかるサージ防護デバイスに印加される電圧の変移の一例を示す図である。
【図９】本発明の第２の実施形態にかかるサージ防護デバイスの使用例を示す図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態にかかるサージ防護デバイスの使用例を示す図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態にかかるサージ防護デバイスの使用例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００２５】
＜第１の実施形態＞  
図６に本発明の第１の実施形態にかかるサージ防護デバイスの使用例を示す。商用電力系統１から出力された交流電力は、ＡＣ／ＤＣコンバータ２で直流電力に変換され、変換された直流電力は、ＩＣＴ装置３に供給される。本発明の第１の実施形態にかかるサージ防護デバイス６は、ＡＣ／ＤＣコンバータ２とＩＣＴ装置３との間に接続された電源線と、ＩＣＴ装置３に接続された接地線との間に接続される。
【００２６】
図７に本発明の第１の実施形態にかかるサージ防護デバイスの構成の一例を示す。本発明の第１の実施形態にかかるサージ防護デバイス６は、放電電極に挟まれた放電ギャップが複数縦続に接続されている。図７に示されたサージ防護デバイス６は、図３（ａ）に示された避雷管５の構成と異なり、放電電極間の距離が、放電ギャップごとに異なる。
【００２７】
本発明の第１の実施形態にかかるサージ防護デバイス６は、４つの放電電極ａ11、放電電極ａ12、放電電極ａ13、放電電極ａ14を備える。また、本発明の第１の実施形態にかかるサージ防護デバイス６は、放電電極ａ11と放電電極ａ12との間に設けられた放電ギャップｂ11と、放電電極ａ12と放電電極ａ13との間に設けられた放電ギャップｂ12と、放電電極ａ13と放電電極ａ14との間に設けられた放電ギャップｂ13とを備える。
【００２８】
放電電極ａ11と放電電極ａ12との間の距離をｄ11とし、放電電極ａ12と放電電極ａ13との間の距離をｄ12とし、放電電極ａ13と放電電極ａ14との間の距離をｄ13とする。本実施形態では、雷サージが発生し、過電圧がサージ防護デバイス６の両端に印加された際、例えば、高圧側の放電ギャップｂ11を挟んでいる放電電極ａ11と放電電極ａ12との間の距離ｄ11は、隣接する低圧側の放電ギャップｂ12を挟んでいる放電電極ａ12と放電電極ａ13との間の距離ｄ12より短い。
【００２９】
具体的には、例えば、放電電極の数をｎ（ｎ≧２）、放電電極間の距離をｄnとすると、電極間の長さの比率は、次の（式１）で示される。
【００３０】
ｄ1：ｄ2：,．．．,：ｄn＝１：２：,．．．,：ｎ              （式１）
本実施形態では、距離ｄ11と距離ｄ12と距離ｄ13の比率は、１：２：３とする。また、放電ギャップｂ11、放電ギャップｂ12、放電ギャップｂ13、放電ギャップｂ14において、放電が開始される電圧Ｖdは、それぞれ１ｋＶとする。
【００３１】
図８に雷サージが発生した際の、本発明の第１の実施形態にかかるサージ防護デバイスに印加される電圧の変移の一例を示す。図８（ａ）にサージ防護デバイス６の放電ギャップｂ11で放電が開始された状態を示し、図８（ｂ）にサージ防護デバイス６の放電ギャップｂ12で放電が開始された状態を示し、図８（ｃ）にサージ防護デバイス６の放電ギャップｂ13で放電が開始された状態を示す。
【００３２】
例えば、落雷が発生し、商用交流系統１から雷サージがＡＣ／ＤＣコンバータ２を介して、本発明の第１の実施形態にかかるサージ防護デバイス６に侵入した場合を考える。本発明の第１の実施形態にかかるサージ防護デバイス６の両端に印加された電圧を３ｋＶと仮定する。
【００３３】
図８（ａ）に示すように、本発明の第１の実施形態にかかるサージ防護デバイス６において、放電ギャップｂ11に１．５ｋＶの電圧が印加され、放電ギャップｂ12に１ｋＶの電圧が印加され、放電ギャップｂ13に０．５ｋＶの電圧が印加される。よって、放電ギャップｂ11に印加される電圧が、放電ギャップｂ11で放電が開始する電圧Ｖdを大幅に上回るため、放電ギャップｂ11において放電が、放電ギャップｂ12および放電ギャップｂ13より先に開始される。
【００３４】
次に、図８（ｂ）に示すように、本発明の第１の実施形態にかかるサージ防護デバイス６において、放電ギャップｂ12に１．８ｋＶの電圧が印加され、放電ギャップｂ13に１．２ｋＶの電圧が印加される。よって、放電ギャップｂ12に印加される電圧が、放電ギャップｂ12で放電が開始する電圧Ｖdを大幅に上回るため、放電ギャップｂ12において放電が、放電ギャップｂ13より先に開始される。
【００３５】
次に、図８（ｃ）に示すように、本発明の第１の実施形態にかかるサージ防護デバイス６において、放電ギャップｂ13に３ｋＶの電圧が印加される。よって、放電ギャップｂ13に印加される電圧が、放電ギャップｂ13で放電が開始する電圧Ｖdを大幅に上回るため、放電ギャップｂ13において放電が開始される。
【００３６】
よって、放電電極間の距離が短い方から順に、放電ギャップにおいて放電していくので、安定して放電することが可能となる。つまり、放電電極間の距離が最も短い放電ギャップｂ11での放電がトリガーとなって、次々と放電ギャップで放電が安定して開始されることになる。
【００３７】
また、本実施形態のサージ防護デバイス６は、放電ギャップの数が多いため放電後に維持される電圧が高くなる。したがって、バリスタに接続しなくても、続流も発生しにくくなる。
【００３８】
さらに、バリスタを使用していないためレアショート等による焼損のリスクが減少し、素子を一つにまとめることもできるため、実装スペースも狭くできるメリットがある。
【００３９】
本実施形態によれば、バリスタを用いずに、電子機器や電気設備を雷サージから安定して保護することが可能となる。また、本実施形態によれば、サージ防護デバイスの省スペース化が可能となる。
【００４０】
なお、本実施形態において、最も放電電極間の距離が短い部分の金型を基準とし、これを複数組み合わせて放電電極間の距離を調整することで、本実施形態にかかるサージ防護デバイス６の製造コストを下げることが可能である。
【００４１】
＜第２の実施形態＞  
図９に本発明の第２の実施形態にかかるサージ防護デバイスの使用例を示す図である。商用電力系統１から出力された交流電力は、ＡＣ／ＤＣコンバータ２で直流電力に変換され、変換された直流電力は、ＩＣＴ装置７に供給される。ＩＣＴ装置７に供給された直流電力は、ＩＣＴ装置７内に設置されたＣＰＵやＩＣ等を含む内部装置７１に供給される。本発明の第２の実施形態にかかるサージ防護デバイス６は、ＩＣＴ装置７に内蔵されてもよい。ＩＣＴ装置７に内蔵されたサージ防護デバイス６は、ＡＣ／ＤＣコンバータ２と内部装置７１との間に接続された電源線と、内部装置７１に接続された接地線との間に接続される。
【００４２】
サージ防護デバイス６は、小型であるため、ＩＣＴ装置７に内蔵することも可能である。
【００４３】
本発明の第２の実施形態にかかるサージ防護デバイス６の構成や動作は、本発明の第１の実施形態にかかるサージ防護デバイスと異ならないため、説明を省略する。
【００４４】
本実施形態によれば、ＩＣＴ装置に内蔵された状態であっても、第１の実施形態と同様に、バリスタを用いずに、ＩＣＴ装置の内部装置を雷サージから安定して保護することが可能となる。
【００４５】
＜第３の実施形態＞  
図１０に本発明の第３の実施形態にかかるサージ防護デバイスの使用例を示す図である。太陽光パネル９で生成された直流電力は、ＰＣＳ８で調整され、調整された電力は、不図示のＩＣＴ装置や家電製品などに供給される。夜間などで電力が不足している場合、商用交流系統１からの交流電力を、ＰＣＳ８を介して、不図示のＩＣＴ装置や家電製品などに供給する。
【００４６】
本発明の第３の実施形態にかかるサージ防護デバイス６は、太陽光パネル９とＰＣＳ８との間に設置しても良い。本発明の第３の実施形態にかかるサージ防護デバイス６は、太陽光パネル９とＰＣＳ８との間に接続された電源線と、ＰＣＳ８に接続された接地線との間に接続される。
【００４７】
落雷が生じて太陽光パネル９から侵入してきた雷サージを、本発明の第３の実施形態にかかるサージ防護デバイス６が接地点へ逃がすことで、ＰＣＳ８を保護している。
【００４８】
本発明の第３の実施形態にかかるサージ防護デバイス６の構成や動作は、本発明の第１の実施形態にかかるサージ防護デバイスと異ならないため、説明を省略する。
【００４９】
本実施形態によれば、太陽光発電とＰＣＳとの間に設置された状態であっても、第１の実施形態と同様に、バリスタを用いずに、太陽光パネルに接続されたＰＣＳを雷サージから安定して保護することが可能となる。
【００５０】
＜第４の実施形態＞  
図１１に本発明の第４の実施形態にかかるサージ防護デバイスの使用例を示す図である。風力発電機１０で生成された交流電力は、風力発電機１０に内蔵された受電設備１０１で調整され、調整された電力は、不図示の家電製品などに供給される。本発明の第４の実施形態にかかるサージ防護デバイス６は、風力発電機１０に内蔵されても良い。本発明の第４の実施形態にかかるサージ防護デバイス６は、風力発電機１０の発電機と受電設備１０１との間に接続された電源線と、受電設備１０１に接続された接地線との間に接続される。
【００５１】
落雷が生じて風力発電機１０から侵入してきた雷サージを、本発明の第４の実施形態にかかるサージ防護デバイス６が接地点へ逃がすことで、受電設備１０１を保護している。
【００５２】
本発明の第４の実施形態にかかるサージ防護デバイス６の構成や動作は、本発明の第１の実施形態にかかるサージ防護デバイスと異ならないため、説明を省略する。
【００５３】
本実施形態によれば、風力発電機１０に内蔵された状態であっても、第１の実施形態と同様に、バリスタを用いずに、風力発電機に内蔵された受電設備を雷サージから安定して保護することが可能となる。
【符号の説明】
【００５４】
ａ1、ａ2、ａ3、ａ4、ａ5、ａ11、ａ12、ａ13、ａ14  放電電極
ｂ1、ｂ2、ｂ3、ｂ4、ｂ11、ｂ12、ｂ13  放電ギャップ
１  商用交流系統
２  ＡＣ／ＤＣコンバータ
３、７  ＩＣＴ装置
４、６  サージ防護デバイス
５、５’、５’’、４１  避雷管
８  ＰＣＳ
９  太陽光パネル
１０  風力発電機
４２  バリスタ
７１  内部装置
１０１  受電設備
【図１】
2015222681.tif 000003
【図２】
2015222681.tif 000004
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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