JP6157587B2

JP6157587B2 - サージ電圧避雷器

Info

Publication number: JP6157587B2
Application number: JP2015504896A
Authority: JP
Inventors: エバーハルトゼルター，; ヴォルフガングドイマー，; フランクヴェルナー，
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2012-04-12
Filing date: 2013-03-26
Publication date: 2017-07-05
Anticipated expiration: 2033-03-26
Also published as: WO2013152948A1; US20150077894A1; DE102012103158A1; EP2837073A1; EP2837073B1; US9614370B2; JP2015513202A

Description

本発明は、動作サージ電圧が低減されるサージ電圧避雷器に関する。

サージ電圧避雷器（Uberspannungsableiter）は、データ配線をサージ電圧（Uberspannung）から保護するのに用いられる。サージ電圧は、このデータ配線に接続された通信装置を損傷する可能性がある。このサージ電圧避雷器が用いられるもう１つの応用分野は、電源保護（Netzschutz）である。交流電源の電源配線に接続されているサージ電圧避雷器は、たとえば落雷の際のサージ電圧からこの電源配線を保護するよう機能する。

僅かな電流が流れるデータ配線の保護と異なり、交流電源の電源配線には、多くの場合１００Ａを越える非常に大きな電流が流れ、またデータ配線に対して、たとえば１１０Ｖ〜４００ＶＡＣの非常に大きな電圧が現れる。落雷の結果、この電源配線に電圧インパルスが発生した場合には、このサージ電圧避雷器が点火（zunden）し、このサージ電圧をアースに放電し、続いて再び消火（erloschen）する。

このような交流電源の電源配線の放電は、いわゆる保護レベル（Schutzpegel）を守らなければならない。ＤＩＮＥＮ６１６４３−１１の規格では、たとえば６ｋＶの最大振幅で形式１．２／５０μｓの電圧インパルスを印加した場合の動作電圧（Ansprechspannung）の値は、通常１５００Ｖを越えてはならず、同時に最小の動作電圧５００Ｖが要求されている。ここでこの形式１．２／５０μｓの放電電圧インパルスは、１．２μｓ以内に６ｋＶに上昇し、また５０μｓ以内にこの半分の値に減衰する、直流電圧インパルスである。

近年上記の保護レベルの低下への要求がますます増大しており、たとえば上記の１５００Ｖからたとえば１０００Ｖへ低減することが要求されている。さらに、この保護レベルの低下にもかかわらず、上記の避雷器の他の特性パラメータは維持されるように要求されている。これは事実上この避雷器の放電開始電圧（Ansprechgleichspannung）を維持しながらの動作サージ電圧（Ansprechstosspannung）の低下を意味している。たとえばサージ電圧避雷器においてこの動作サージ電圧が低下されとるすると、しかしながらこれは同時に、導電ライン上でゆっくりとした電圧上昇が発生した場合、通常の電源動作でも起こり得るような、たとえば５ｍｓ以内で４００Ｖの電圧上昇の場合、６００Ｖの放電開始電圧に達する前にこの避雷器の点火が全く発生しないことになる。

そこで、この避雷器の放電開始電圧を維持しつつ、動作サージ電圧が低下されたサージ電圧避雷器を提供することが要求されている。

このようなサージ電圧避雷器の１つの実施形態が本願の請求項１に開示されている。

本発明によるサージ電圧避雷器は、空洞を包囲する電気的絶縁器と、ピン電極（Stiftelektrode）と、上記の空洞に配設されたチューブ電極（Rohrelektrode）とを備え、ピン電極はチューブ電極の中に突出している。この空洞に向いた、上記の絶縁器の内側表面上には、少なくとも１つの点火線（Zundstrich）が取り付けられている。さらにこの絶縁器の外側表面上に外部メタライジング部が配設されている。

たとえばセラミック材料からなる絶縁器上に、外部メタライジング部を取り付けることによって、同軸構造の電極と組み合わせて、放電開始電圧を維持しつつ、動作サージ電圧を低減することができる。外部の金属被覆と同軸の内部構造との組み合わせによって、この動作サージ電圧を、たとえば１０００Ｖの保護レベルまで低減することが可能となり、５ｍｓ当たり４００Ｖの電圧上昇で、６００Ｖの動作サージ電圧が維持される。電界シミュレーションによって、サージ電圧避雷器の構造におけるこの組み合わせによって、とりわけ大きな電界強度が、この避雷器の内部、特に上記の点火線の先端に実現され得ることが示されており、これは動作サージ電圧の低減をもたらすものである。

外部メタライジング部は、たとえば上記の絶縁器の外側表面上に環状に取り付けられていてよい。この絶縁器の周りの外部メタライジング部の環状の配設では、この外部メタライジング部は、２つの区分を備える。これらの区分は、それぞれ絶縁器の外側表面上に配設され、それぞれこの絶縁器の外部表面の縁部から始まって互いに対向して延伸している。ここでこの絶縁器の外側表面の２つの縁部は、このサージ電圧避雷器の異なる接続電極に向いている。この絶縁器の外側表面は、いずれの縁部においてもこのサージ電圧避雷器の接続電極（複数）の１つと接続されていてよい。上記の外部メタライジング部の１つの区分は、上記のピン電極と電気的に接続されていてよく、この外部メタライジング部のもう１つの区分は、上記のチューブ電極と電気的に接続されていてよい。この外部メタライジング部の２つの区分の間に、この絶縁器の外側表面のほぼ中央に、この外部メタライジング部の材料が存在しない間隙があり、これは絶縁距離となっている。

他の１つの実施形態においては、上記の絶縁器の外側表面上の外部メタライジング部は、この絶縁器がこのサージ電圧避雷器の接続電極と接続されている、この絶縁器の表面の１つの縁部の一方の側で、他の接続電極と接続されている、この絶縁器の外側表面の他の縁部に向かう方向に、延伸している。この外部メタライジング部は、たとえばこの絶縁器の外側表面の、上記のピン電極に向いているそれぞれの縁部から、この絶縁器の外側表面の反対側の上記のチューブ電極に向いた縁部に向かう方向に延伸している。この外部メタライジング部は、上記のピン電極と電気的に接続されており、この絶縁器の外側表面の、上記のチューブ電極に向いている縁部からある距離で終了している。

本発明が、以下の本発明の実施形態を示す図を参照して詳細に説明される。

外部メタライジング部の無いサージ電圧避雷器の１つの実施形態を、この避雷器の点火前の電界曲線分布と共に示す。２つの側に外部メタライジング部を有するサージ電圧避雷器の１つの実施形態を、この避雷器の点火前の電界曲線分布と共に示す。１つの側に外部メタライジング部を有するサージ電圧避雷器の１つの実施形態を、この避雷器の点火前の電界曲線分布と共に示す。２つの側に外部メタライジング部を有するサージ電圧避雷器の実施形態の斜視図を示す。

図１は、サージ電圧避雷器の電気部品の第１の実施形態を示し、このサージ電圧避雷器は、その内部に同軸構造の電極を有する。このサージ電圧避雷器１は、空洞２０を包囲する電気的絶縁器１０を備える。この電気的絶縁器１０は、たとえば酸化アルミニウムを含む材料のセラミック材料を含んでよい。この空洞２０には、ピン電極３０およびチューブ電極４０が配設されている。このチューブ電極４０と、ピン電極３０と、電気的絶縁器１０との間のこの空洞２０は、たとえば３５％〜９５％のアルゴン成分、５％〜２０％の水素成分、そして５０％以下のネオン成分を含む混合ガスによって充填されていてよい。

上記のピン電極３０は、上記のチューブ電極４０の中に突出しており、接続電極７１と電気的に接続されている。このチューブ電極４０は、ピン電極３０を包囲し、接続電極７２と電気的に接続されている。これらのチューブ電極およびピン電極は、これらの間に間隙２１が形成され、この間隙がこのサージ電圧避雷器の放電空間を形成するように配設されている。これらのピン電極およびチューブ電極は、銅、鉄またはタングステン−銅混合物を含んでいてよい。上記の接続電極７１，７２は、銅またはＦe−Ｎｉ合金から製造されていてよい。

上記の空洞２０に向いた、上記の絶縁器１０の内側表面Ｓ１０ａ上には、１つ以上の点火線５０が取り付けられていてよい。この点火線５０は、グラファイトから成る材料を含んでよい。このような点火線によって、とりわけ良好なこの避雷デバイスの動的な点火動作が確実となる。放電の際には、上記の接続電極７１から上記のピン電極３０へ電流が流れ、上記の放電空間２１のスパークギャップを介して上記のチューブ電極４０およびこのチューブ電極から上記の接続電極７２へ流れる。この放電空間２１においては、このサージ電流放電（Stosstromentladung）は、特に径方向で起こる。

図１には、このサージ電流放電で発生する電界曲線が、上記のサージ電圧避雷器の右側の部分に示されている。簡単にするために、この電界曲線の線は、このサージ電圧避雷器デバイスの右側の部分のみに示されている。このサージ電圧避雷器の左側の部分には、対応して電界曲線が走っている。これらの電界曲線は、等ポテンシャル線となっている。これらの電界曲線は、上記のピン電極３０とチューブ電極４０と空洞２０との間の放電空間２１を通って走っており、部分的に上記の絶縁器１０とチューブ電極４０との間を走っている。これらの電界曲線は、上記の絶縁器の内側表面の、上記の点火線５０によって覆われていない、残りの絶縁領域１１，１２で、このデバイスの外側の環境に漏れ出す。

サージ電圧避雷器の以下の実施形態２および３では、図１と同じ要素は同じ符号で示されている。以下では、図１に示すサージ電圧避雷器の実施形態例１に対して異なるものに関してのみ記載する。これらのサージ電圧避雷器の実施形態２，３では、実施形態１と異なり、上記の絶縁器１０の外側表面Ｓ１０ｂ上に追加的に外部メタライジング部が配設されている。

この図２に示すサージ電圧避雷器の実施形態例２では、この外部メタライジング部は、区分６１と区分６２とを備え、これらは上記の絶縁器の外側表面Ｓ１０ｂ上で距離ｄ_a1離れて配設されている。この外部メタライジング部の区分６１は、上記の接続電極７１と接続されており、外部メタライジング部の区分６２は、上記の接続電極７２と接続されている。この外部メタライジング部の区分６１は、上記の絶縁器１０の外側表面Ｓ１０ｂ上で、上記の外部電極７１あるいは上記のピン電極３０に向いている、この絶縁器の外側表面の１つの縁部Ｒ１から始まって、上記の外部メタライジング部の区分６２に向かう方向に延伸している。この外部メタライジング部の区分６２は、上記の絶縁器１０の外側表面Ｓ１０ｂ上で、上記の外部電極７２と接続されている、あるいは上記のチューブ電極４０に向いている、上記の絶縁器の外側表面の縁部Ｒ１の反対側にある縁部Ｒ２から始まって、上記の外部メタライジング部の区分６１に向かう方向に延伸している。これらのメタライジング層６１および６２の間には、間隙が形成されている。

この外部メタライジング部の区分６１と区分６２との間の間隙の幅あるいは距離ｄ_a1は、内部の主電極間距離ｄ_iおよびガス放電経路２１の充填ガス圧ｐ_iに依存している。
上記の絶縁器の環境の外圧（通常１気圧）をｐ_aで表し、上記の間隙領域でのメタライジング部６１，６２の最小距離をｄ_a1,minで表すと、これらの外部メタライジング部の区分６１，６２は、これらのメタライジング部の間の最小距離が、ｄ_a1,min＝ｐ_i／ｐ_a＊ｄ_iとなるように上記の絶縁器の外側表面Ｓ１０ｂ上に配設されてよい。

上記の絶縁体１０の外側表面Ｓ１０ｂ上の放電で起こり得る沿面放電効果（Gleitentladungseffekte）を防ぐために、上記の外部間隔ｄ_a1は、上記のピン電極３０と上記のチューブ電極４０との間の間隔ｄ_iと、上記の空洞２０における充填ガス８０の内部圧力ｐ_iと上記のサージ電圧避雷器の環境の外部雰囲気圧力ｐａとの割合と、の積の少なくとも倍の大きさとなっていてよい。ここで充填ガスは、空気と同様なパッシェン曲線を有すると仮定している。こうしてｄ_a1＞＝２＊ｐ_i／ｐ_a＊ｄ_iの関係が得られ、好ましくはｐ_a＝１気圧の外部圧力に対しては、ｄ_a1＞＝２＊ｐ_i＊ｄ_iが得られる。

ガス放電経路が気密でなくなる場合、この外部絶縁距離ｄ_a1は、主電極間間隙ｄ_iより大きくなっていなければならない。これはさもなければ放電空間２１における放電の代わりに外部放電が発生しかねないからである。これから間隔ｄ_a1はｄ_a1＞＝２＊ｄ_iに設定されてよい。

上記の点火線は、上記の外部電極７１から距離ｄ_z1離間していてよく、また上記の外部電極７２から距離ｄ_z2離間して配設されていてよい。上記の外部メタライジング部の区分６１の長さは、この点火線の距離ｄ_z1より大きくてよい。上記の外部メタライジング部の区分６２の長さは、この点火線の距離ｄ_z2より大きくてよい。

図３は、サージ電圧避雷器の実施形態３を示し、ここでは上記の外側のメタライジング部として、上記の絶縁器１０の外側表面Ｓ１０ｂ上に１つの外部メタライジング層６３のみが配設されている。この外部メタライジング部６３は、上記の絶縁体の外側表面Ｓ１０ｂ上で、上記の接続電極７１あるいは上記のピン電極３０に向いている、この絶縁器の外側表面の縁部Ｒ１から始まって、上記の接続電極７２あるいは上記のチューブ電極４０に向いている、この絶縁器の外側表面の反対側にある縁部Ｒ２に向かう方向に延在している。この外部メタライジング層６３は、上記の外部電極７１と接続されており、また上記の外部電極７２から距離ｄ_a2離れて配設されている。この外部メタライジング部６３は、上記の縁部Ｒ２から距離ｄ_a2離れている。

上記の点火線５０は、この外部電極７２から距離ｄ_z2離れて配設されている。上記の外部メタライジング部６３の外部電極７２からの距離ｄ_a2は、上記の外部メタライジング部の対向電極７２までの残りの絶縁路に対応し、上記の点火線５０の外部電極７２からの距離ｄ_z2より短い。

さらに、上記の外部メタライジング部６３と上記の外部電極７２との間の距離ｄ_a2は、上記のピン電極３０と上記のチューブ電極４０との間の距離ｄ_iと、上記の空洞２０に存在する充填ガス８０の内部圧力ｐ_iと上記のサージ電圧避雷器の環境の外部雰囲気圧力ｐ_aとの割合と、の積の少なくとも倍の大きさとなっている。

このサージ電圧避雷器の実施形態３では、上記の外部メタライジング層６３の上記の外部電極７２までの距離ｄ_a2は、上記の電極間距離ｄ_i、上記のガス放電経路２１の充填ガス圧ｐ_iおよび外部雰囲気圧力ｐ_aに依存する。この接続電極７２からの外部メタライジング部の最小の距離ｄ_a2,minは、ｄ_a2,min＝ｐ_i／ｐ_a＊ｄ_iに設定されてよい。

上記の絶縁器１０の外側表面Ｓ１０ｂ上の放電で起こり得る沿面放電効果（Gleitentladungseffekte）を防ぐために、上記の外部メタライジング部６３と上記の外部電極７２との距離ｄ_a2は、上記のピン電極３０と上記のチューブ電極４０との間の間隔ｄ_iと、上記の空洞２０における充填ガス８０の内部圧力ｐ_iと上記のサージ電圧避雷器の環境の外部雰囲気圧力ｐ_aとの割合と、の積の少なくとも倍となっていなければならない。ここで充填ガスは、空気と同様なパッシェン曲線を有すると仮定している。こうしてｄ_a2＞＝２＊ｐ_i／ｐ_a＊ｄ_iの関係が得られ、好ましくはｐ_a＝１気圧の外部圧力に対しては、ｄ_a2＞＝２＊ｐ_i＊ｄ_iが得られる。

ガス放電経路が気密でなくなる場合、この外部絶縁距離ｄ_a2は、主電極間間隙ｄ_iより大きくなっていなければならない。これはさもなければ放電空間２１における放電の代わりに外部放電が発生しかねないからである。これから間隔ｄ_a2はｄ_a2＞＝２＊ｄ_iに設定されてよい。

要求されている電圧増大に依存して、上記の外部メタライジング部６１，６２，６３の層厚は、３μｍ〜２５μｍとなってよい。しかしながらｍｍ領域の厚さを有する金属キャップが、上記の絶縁器の上に被せられてもよい。

図２および３における電界曲線分布から分かるように、上記の点火線５０の終端部および上記の外部メタライジング部の終端部での電界曲線は密集しており、したがってこの領域においては、この避雷器内部での高い電界強度が達成されており、これはこのデバイスの動作サージ電圧の低減をもたらす。これと同時に、上記のサージ電圧避雷器の実施形態２および３によって、上記の放電開始電圧を、たとえば静的な点火電圧である約６００Ｖに維持することができる。

図４は、図２に示す実施形態例２によるサージ電圧避雷器の斜視図を示す。このサージ電圧避雷器は、空洞２０の周りに、円筒形に配設された絶縁器１０を備える。この絶縁器１０は、その縁部で上記の外部電極７１および上記の外部電極７２と接続されている。これらの接続電極７１，７２は、コネクタピン９１，９２によって接続されている。上記の外部メタライジング部は、この絶縁器の外側表面Ｓ１０ｂ上で環状に配設されている。この外部メタライジング部の２つの区分６１，６２は、互いに距離ｄ_a1離間して配設されている。

１，２，３本発明によるサージ電圧避雷器の実施形態
１０絶縁器
２０空洞
２１放電空間
３０ピン電極
４０チューブ電極
５０点火線
６１，６２，６３外部メタライジング部
７１，７２接続電極
８０充填ガス
９１，９２コネクタピン

Claims

空洞（２０）を包囲する電気的絶縁器（１０）と、
前記空洞（２０）に配設されているピン電極（３０）およびチューブ電極（４０）と、
電圧印加のために前記ピン電極（３０）と接続されている第１の外部電極（７１）と、
電圧印加のために前記チューブ電極（４０）と接続されている第２の外部電極（７２）と、
を備え、
前記ピン電極（３０）が前記チューブ電極（４０）の中に突出しているサージ電圧避雷器であって、
前記絶縁器の前記空洞（２０）に向いた内側表面（Ｓ１０ａ）上に、点火線（５０）が取り付けられており、
前記絶縁器の（１０）の外側表面（Ｓ１０ｂ）上に、外部メタライジング部（６１，６２，６３）が配設されており、
第１の態様の場合には、前記外部メタライジング部（６１，６２）は、第１の区分（６１）と第２の区分（６２）とを備え、前記第１の区分および前記第２の区分は、前記絶縁器（１０）の外側表面（Ｓ１０ｂ）上で、互いに１つの距離（ｄ _a1 ）で離間して配設されており、かつ前記外部メタライジング部の前記第１の区分（６１）と前記第２の区分（６２）との間の距離（ｄ _a1 ）は、前記ピン電極（３０）と前記チューブ電極（４０）との間の距離（ｄ _i ）と、前記空洞（２０）における充填ガスの内部圧力（ｐ _i ）と前記サージ電圧避雷器の環境の外部雰囲気圧力（ｐ _a ）との割合と、の積の少なくとも倍の大きさとなっており、
あるいは第２の態様の場合には、前記外部メタライジング部（６３）は、前記第２の接続電極（７２）より前記第１の接続電極（７１）の近くにある、前記絶縁器（１０）の外側表面（Ｓ１０ｂ）の第１の縁部（Ｒ１）から始まり、前記第１の縁部（Ｒ１）の反対側にある、前記絶縁器の外側表面（Ｓ１０ｂ）の第２の縁部（Ｒ２）に向かう方向に延伸し、前記第２の縁部（Ｒ２）から１つの距離（ｄ _a2 ）離れて配設されており、かつ前記外部メタライジング部（６３）と前記第２の外部電極（７２）との間の距離（ｄ _a2 ）は、前記ピン電極（３０）と前記チューブ電極（４０）との間の距離（ｄ _i ）と、前記空洞（２０）における充填ガス（８０）の内部圧力（ｐ _i ）と前記サージ電圧避雷器の環境の外部雰囲気圧力（ｐ _a ）との割合と、の積の少なくとも倍の大きさとなっている、
ことを特徴とするサージ電圧避雷器。
請求項１に記載のサージ電圧避雷器において、
前記絶縁器（１０）は前記空洞の周りに円筒形に配設されており、
前記外部メタライジング部（６１，６２，６３）は、前記絶縁器（１０）の外側表面（Ｓ１０ｂ）上に環状に配設されていることを特徴とするサージ電圧避雷器。
請求項１または２に記載のサージ電圧避雷器において、
前記第１の態様の場合の前記外部メタライジング部の前記第１の区分（６１）は、前記絶縁器（１０）の外側表面（Ｓ１０ｂ）上で、前記第１の外部電極（７１）に向いている前記絶縁器の第１の縁部（Ｒ１）から始まり、前記外部メタライジング部の前記第２の区分（６２）は、前記絶縁器（１０）の外側表面（Ｓ１０ｂ）上で、前記第１の縁部（Ｒ１）の反対側に配設されている前記絶縁器の第２の縁部（Ｒ２）から始まり、前記第１の区分と前記第２の区分は、互いに対向して延伸していることを特徴とするサージ電圧避雷器。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のサージ電圧避雷器において、
前記第１の態様の場合の前記点火線（５０）は、前記第１の外部電極（７１）から第１の距離（ｄ_z1）離れて配設されており、
前記第１の態様の場合の前記外部メタライジング部の前記第１の区分（６１）の長さは、前記点火線の前記第１の距離（ｄ_z1）より大きくなっており、
前記点火線（５０）は、前記第２の外部電極（７２）から第２の距離（ｄ_z2）離れて配設されており、
前記第１の態様の場合の前記外部メタライジング部の前記第２の区分（６２）の長さは、前記点火線（５０）の前記第２の距離（ｄ_z2）より大きくなっている、
ことを特徴とするサージ電圧避雷器。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のサージ電圧避雷器において、
前記第１の態様の場合の前記外部メタライジング部の前記第１の区分（６１）は、前記第１の接続電極（７１）と接続されており、前記外部メタライジング部の前記第２の区分（６２）は、前記第２の接続電極（７２）と接続されていることを特徴とするサージ電圧避雷器。
請求項１または２に記載のサージ電圧避雷器において、
前記第２の態様の場合の前記外部メタライジング部（６３）は、前記第１の外部電極（７１）と接続されており、前記第２の外部電極（７２）に対し前記距離（ｄ_a2）離間して配設されていることを特徴とするサージ電圧避雷器。
請求項１，２または６に記載のサージ電圧避雷器において、
前記第２の態様の場合の前記点火線（５０）は、前記第２の外部電極（７２）から第２の距離（ｄ_z2）離れて配設されており、
前記第２の態様の場合の前記外部メタライジング部（６３）の前記第２の外部電極（７２）からの前記距離（ｄ_a2）は、前記点火線（５０）の前記第２の距離（ｄ_z2）より短いことを特徴とするサージ電圧避雷器。