浪涌保护装置及采用该浪涌保护装置的浪涌保护设备

摘要

在用于浪涌保护设备的浪涌保护装置40中，气体避雷器41与变阻器组串联连接，该变阻器组由多个变阻器42－1至42－5构成，这些变阻器具有高耐受容量并且相互并联连接，以及放电电阻器43被连接在变阻器组的两个电极之间。此外，由于变阻器电压被设置成高于AC电源电压的峰值，所以变阻器42－1至42－5通常通过气体避雷器41与电源电路绝缘。在变阻器42－1至42－5中存储的电荷通过电阻器43被快速释放，从而使得有可能防止气体避雷器41重燃弧。这提供了一种小型的、可靠的、廉价的、结构相对简单的浪涌保护装置(SPD)以及采用该SPD的浪涌保护设备。

说明书

技术领域

本发明涉及一种浪涌保护装置(在下文称作“SPD”)以及涉及一种采用该SPD的浪涌保护设备，该SPD是一种用于保护电气设备、通信电气设备和其它目标设备免受由诸如间接雷击或直接雷击之类的雷电浪涌所引起的异常电压的保护器。更特别地，本发明涉及一种电源需要高耐流容量的SPD以及涉及一种采用该SPD的浪涌保护设备。

背景技术

用于交流(在下文称作“AC”)电源的常规SPD包括例如气体放电管(在下文称作“气体避雷器”)和变阻器的组合。它打算用于免受间接雷击的保护并且依照(compliant)JIS(日本工业标准)等级II保护水平。如果对于电源电路单独采用气体避雷器，则在通过雷电浪涌对避雷器放电之后，该气体避雷器的寿命会缩短，或者甚至会由于持续电流的现象而被烧完，在该持续电流的现象中，在浪涌消失之后由AC电源维持放电。为了中断这种持续电流，串联组合气体避雷器和变阻器。如果对于电源电路单独采用变阻器，则变阻器的特性会由于雷电浪涌而随着操作数量的增加而恶化，从而导致漏电流增加，并且最终导致烧完。因此，为了中断持续电流，使用串联连接的气体避雷器和变阻器。

例如在下列专利文献中描述了采用串联的气体避雷器和变阻器的SPD技术。

【专利文献1】日本专利早期公开No.2006-136043(浪涌吸收器)

【专利文献2】日本专利早期公开No.2006-60917(用于开关电源的噪声滤波器电路)

【专利文献3】日本专利早期公开No.2004-236413(用于开关电源的噪声滤波器电路)

【专利文献4】日本专利早期公开No.2001-268888(浪涌保护电路和电源单元)

【专利文献5】日本专利早期公开No.9-172733(浪涌电压吸收电路)

【专利文献6】日本专利早期公开No.9-103066(开关调节器)

【专利文献7】日本专利早期公开No.7-39136(用于电子设备的电源单元)

【专利文献8】日本专利早期公开No.5-199737(AC输入电源)

图1是示出用于保护连接到配电系统(例如，建筑物等等中的低压配电线)的目标设备免受雷电浪涌的常规浪涌保护设备的示意框图。

例如，如果三相(3φ)三线制(3W)的6.6千伏高压AC在高压绝缘变压器1中被输入，则它在由绝缘变压器1变换成单相(1φ)三线(3W)市电系统的低压(200伏AC)之后，被供给两条低压配电线L1和L2以及一条中性线N。供给两条低压配电线L1和L2以及一条中性线N的该200伏低压AC经由接地漏电断路器2被供给目标设备3，例如电气设备，以便驱动该目标设备3。低压中性线N接地。由于雷电浪涌不仅可以相对于地发生，而且可以在线之间发生，所以为了保护目标设备3免受雷电浪涌，有必要提供设备和地之间的保护以及线和线之间的保护。

因此，低压配电线之一L1例如经由保险丝4-1和SPD 10-1被连接到中性线N，该保险丝4-1是依照JIS等级I保护水平制造的，并且打算用于免受直接雷击的保护，该SPD 10-1是依照JIS等级II保护水平制造的，并且打算用于免受间接雷击的保护。类似地，另一条低压配电线L2经由保险丝4-2和SPD 10-2被连接到中性线N，该保险丝4-2是依照JIS等级I保护水平制造的，并且打算用于免受直接雷击的保护，该SPD 10-2是依照JIS等级II保护水平制造的，并且打算用于免受间接雷击的保护。而且，中性线N经由接地侧SPD 20接地。SPD 10(即SPD 10-1和10-2)均由例如专利文献1中所述的气体避雷器和变阻器构成。接地侧SPD 20例如由避雷器构成。

图2是示出图1中的常规SPD 10(SPD 10-1或10-2)的结构的示意电路图。

SPD 10具有输入端11和输出端12，例如如专利文献1中所述。多个气体避雷器13-1至13-6被串联连接在输入端11和输出端12之间。也就是，串联连接输入端11、节点15-1、气体避雷器13-1、节点15-2、气体避雷器13-2、节点15-3、气体避雷器13-3、节点15-4、气体避雷器13-4、节点15-5、气体避雷器13-5、节点15-6、气体避雷器13-6、节点15-7以及输出端12。变阻器14-1被连接在节点15-1和节点15-6之间，以及变阻器14-2被连接在节点15-2和节点15-7之间。而且，变阻器14-3被连接在节点15-2和节点15-5之间，变阻器14-4被连接在节点15-3和节点15-6之间，以及变阻器14-5被连接在节点15-3和节点15-4之间。

接着将描述图2中所示的SPD 10的操作。

如果在输入端11和输出端12之间(即在节点15-1和节点15-7之间)施加雷电浪涌电压，则在由气体避雷器13-1和变阻器14-2构成的串联电路中产生雷电浪涌电压，以及类似地，在由变阻器14-1和气体避雷器13-6构成的串联电路中产生雷电浪涌电压。当向由气体避雷器13-1和变阻器14-2构成的串联电路施加雷电浪涌电压时，由于这两者之间的电容差，雷电浪涌电压的大部分被施加到气体避雷器13-1.类似地，在由变阻器14-1和气体避雷器13-6构成的串联电路中，雷电浪涌电压的大部分被施加到气体避雷器13-6。

此时，由于雷电浪涌而被施加过电压的气体避雷器13-1和13-6试图开始放电。然而，这两者很少同时开始放电。它们中的一个由于可归因于制造批次的微小性能差异(即放电电压的微小差异)而首先开始放电。这里假设气体避雷器13-1首先开始放电。

当气体避雷器13-1开始放电时，在节点15-1和15-2之间建立电连续性，因此雷电浪涌电流流到变阻器14-2。因此，变阻器14-2因为其自身特性而将节点15-2和15-7之间的电压限制为变阻器电压。结果，节点15-2和15-7之间的电压变得等于气体避雷器13-1放电稳定所在的电弧电压和变阻器电压之和(x伏)。顺便提一句，x伏大于气体避雷器的放电电压值。

此时，在由变阻器14-1和气体避雷器13-6构成的串联电路中以及在节点15-1和15-7之间产生x伏的电压，但是由于变阻器14-1和气体避雷器13-6之间的电容差，x伏电压的大部分(x1伏)被施加到气体避雷器13-6。X1伏的电压大于气体避雷器13-6的放电电压值，因此气体避雷器13-6开始放电，在节点15-6和15-7之间建立电连续性，并且雷电浪涌电流流到变阻器14-1。因此，变阻器14-1因为其自身特性而将节点15-1和15-6之间的电压限制为变阻器电压。

随后，气体避雷器13-2至13-5以类似的方式依次放电，直到最后所有气体避雷器13-1至13-6都已经放电，并且经由气体避雷器13-1至13-6释放雷电浪涌电流。当气体避雷器13-1至13-6放电时，节点15-1和15-7之间的电压等于气体避雷器13-1至13-6的电弧电压之和(y伏)。虽然电弧电压根据避雷器规格在各个气体避雷器之间不同，但是它大约为十几伏至几十伏，因此y伏不是过量值。因此，目标设备免受过电压，从而有可能防止对目标设备的损坏。

接着，将给出当在图1的浪涌保护设备中的低压配电线L1和L2上产生诸如雷电浪涌之类的过电压(脉冲)时，在该低压配电线(L1和L2)和地之间进行的操作的描述。该描述将通过引用下面的情况(1)至(4)来提供。

(1)情况1

图3是示出图1中的保险丝4-2和SPD 10-2的电路图。图4是根据情况1的电压波形图，其中在图3中的低压配电线L2中产生脉冲。在图4中，参考数字21表示脉冲，22表示避雷器放电的开始，以及23表示避雷器电弧放电。图5是示出在图1的SPD 10-2的电弧放电期间的分摊电压等等的图。顺便提一句，在图5中假设，在电弧放电期间每个避雷器的电弧电压是15伏，但是该电弧电压随着气体避雷器的规格而发生变化，并且可以被设定为各种值。

在图3中的低压配电线L2中，当200VAC电源电压处于正半周期时，如果产生例如图4所示的正脉冲21，则SPD 10-2中的气体避雷器13-1至13-6开始放电，这由脉冲21来触发。因此，低压配电线L2和中性线N之间的电压达到电弧放电电压。该电弧放电电压例如是如图5所示的90伏。另一方面，电源电压处于+0伏与+300伏(200VACrms)之间。随着脉冲21变弱(下降)，气体避雷器13-1至13-6不再能够维持该电弧放电。

使得不可能维持电弧放电的条件例如包括下列三个条件：(a)条件1至(c)条件3。

(a)条件1

图6是示出关于例如由四个气体避雷器13-1至13-4的串联电路构成的SPD 13的电弧放电的条件的实例的图。图7是示出图6中的电弧放电不继续进行(中断)的情形的图。

假定，例如+48VDC(伏直流)的电源电压被施加于如图6所示的SPD 13的两端。如图7所示，如果SPD 13的电弧电压例如是+60伏，其高于+48VDC的电源电压，则图6中的SPD 13的电弧放电不继续进行(在该情况下从不继续进行)。

(b)条件2

图8(i)和8(ii)是示出例如关于图6中的SPD 13的电弧放电不继续进行(中断)的情形的图。

如图8(i)所示，如果SPD 13的电弧电压是+60伏而电源电压是+100VAC，即如果电弧电压低于电源电压但是差异不大，则在许多情况下SPD 13的电弧放电不继续进行。同样，如图8(ii)所示，如果SPD 13的电弧电压是+30伏而电源电压是+48VDC，即如果电弧电压低于电源电压但是差异不大，则在许多情况下SPD 13的电弧放电不继续进行。顺便提一句，SPD 13的气体避雷器13-1至13-4由于馈给的电源电压而继续电弧放电的现象被称为“持续电流”。

(c)条件3

图9是示出例如关于图6中的SPD 13的电弧放电停止的情形的图。

如果SPD 13的电弧电压是+60伏并且低于电源电压，其中该电源电压是+100VAC，则当电源电压波形的电流达到零电流点24时，持续电流通常停止。它至多在电源电压的半波点上停止。

因此，在(1)情况1中，虽然SPD 13的电弧电压低于电源电压，但是由于电弧电压和电源电压之间只有小的差异，因此电弧放电停止相对较快(这对应于上面的条件2)。

(2)情况2

图10是示出例如关于图6中的SPD 13的电弧放电停止的情况2的图。

在情况2中，例如，电源电压是100VAC而电弧电压是60伏，以及电源电压处于负半周期并且存在负脉冲。在该情况(情况2)中，极性和情况1中的极性相反。与情况1一样，在电弧放电期间，在-30伏的电弧电压和-100VAC的电源电压之间存在小的差异，因此电弧放电停止相对较快(这对应于上面的条件2)。

(3)情况3

图11是示出例如关于图6中的SPD 13的电弧放电停止的情况3的图。

在情况3中，例如，电源电压是100VAC而电弧电压是60伏，以及电源电压处于正半周期并且存在负脉冲。在该情况(情况3)中，在电弧放电期间，在电弧电压和电源电压之间存在大的差异，因此电弧放电不会快速停止。它在100VAC电源电压的电流达到零电流点24时停止(这对应于上面的条件3)。

(4)情况4

图12是示出例如关于图6中的SPD 13的电弧放电停止的情况4的图。

在情况4中，例如，电源电压是100VAC而电弧电压是60伏，以及电源电压处于负半周期并且存在正脉冲。在该情况(情况4)中，极性和情况3中的极性相反。与情况3一样，在电弧放电期间，在电弧电压和电源电压之间存在大的差异，因此电弧放电不会快速停止。它在100VAC电源电压的电流达到0的时间24停止(这对应于上面的条件3)。

现在，将给出在图1所示的浪涌保护设备中保险丝(4-1和4-2)和SPD(10-1和10-2)之间的关系的描述。

如果SPD 10-1和10-2短路或以其他方式损坏，则保险丝4-1和4-2烧断，从而将低压配电线L1和L2从地切断。当等于或大于预定值的过电流流过保险丝4-1和4-2时，保险丝4-1和4-2也会烧断。

常规地，保险丝4-1和4-2具有普通规格，并且它们不具有非常高的跳闸性能。它们的额定电流例如是大约200安培(A)。它们在这一方面具有高容量，因此具有大的外形。

由于常规使用的保险丝4-1和4-2是这种类型的，所以，即使SPD10-1和10-2在上面的情况1至4的任何一个中进行操作，保险丝4-1和4-2也不会烧断。因此，在上面的情况3和4中，市电电流流过保险丝4-1和4-2(至多持续半周期)，直至达到零电流点24，但是保险丝4-1和4-2不会烧断，因为没有超过额定电流。

然而，最近，保险丝4-1和4-2的规格已被修订，例如如在下面的(A)和(B)中所述。

(A)保险丝规格1

额定电流可以为小的。例如，200A的额定电流是过量的。

(B)保险丝规格2

随着额定电流的降低，保险丝的外形可以相应地减小。例如，常规保险丝的外部尺寸为100mm(毫米)×100mm×200mm，重量为几千克(Kg)，但是它们优选在外部尺寸上更为紧凑。

规格1和2的这种变化已经使保险丝尺寸变小，但是也减小了额定电流。也就是，已经使得保险丝在较小电流跳闸。从另一个角度看，这可以被看作是性能改进。

然而，例如图1所示的常规浪涌保护设备具有的问题在于，常规SPD 10-1和10-2受到保险丝4-1和4-2的改变的规格1和2的影响。

也就是，在情况3和4中，由于市电电流流过SPD 10-1和10-2以及保险丝4-1和4-2至多半周期，所以保险丝4-1和4-2通过对该电流作出反应而烧断。一旦保险丝4-1和4-2被烧断，它们必须被手动复位，这要求操作者通过去浪涌保护设备的安装位置来进行操作。这既不方便也不有利。

为了应付这种情形，必须改进SPD 10-1和10-2的电路结构。然而，通过简单结合专利文献1至8等等的技术，难以提供一种小型的、可靠的、廉价的、结构相对简单的SPD以及一种采用该SPD的浪涌保护设备。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种小型的、可靠的、廉价的SPD，该SPD结构相对简单并且能够应付直接雷击。

本发明的第二目的是提供一种能够防止安装在SPD前面或后面的断路装置跳闸的浪涌保护设备。

为了实现第一目的，根据本发明的第一方面，提供一种用于电源的SPD，该SPD保护以AC电源电压操作的目标设备免受施加于该目标设备的异常电压，该SPD包括：施加AC电源电压的气体避雷器；与气体避雷器串联连接并且包含多个具有高耐受容量的变阻器的变阻器组，其中这些变阻器相互并联连接，并且每个变阻器具有被设置成高于AC电源电压的峰值的变阻器电压；以及电阻器，其被连接在变阻器组的两个电极之间，对在变阻器组的电容中存储的电荷进行放电。

为了实现第二目的，根据本发明的第二方面，提供一种浪涌保护设备，该浪涌保护设备包括：断路装置，其通过阻断异常电压来保护以AC电源电压操作的目标设备免受施加于该目标设备的异常电压；以及用于电源的SPD，其与该断路装置串联连接，保护该目标设备免受该异常电压，其中该SPD包括：施加AC电源电压的气体避雷器；与气体避雷器串联连接并且包含多个具有高耐受容量的变阻器的变阻器组，其中这些变阻器相互并联连接，并且每个变阻器具有设置成高于AC电源电压的峰值的变阻器电压；以及电阻器，其被连接在变阻器组的两个电极之间，对在变阻器组的电容中存储的电荷进行放电。

如上所述，在根据本发明的第一方面的SPD中，气体避雷器与变阻器组串联连接，该变阻器组由多个变阻器构成，这些变阻器具有高耐受容量并且相互并联连接，以及放电电阻器被连接在变阻器组的两个电极之间。此外，由于变阻器电压被设置成高于AC电源电压的峰值，所以变阻器通常通过气体避雷器与电源电路绝缘。即使施加异常电压，由于变阻器的操作电压被设置成高于AC电源电压的峰值，所以不会流过AC电源电流。

此外，变阻器的耐流容量例如取决于其面积，因此具有高耐受容量的变阻器组具有高电容。在气体避雷器的操作期间，对电容进行充电并且保持电压。因此，当AC电源电压的极性被反向时，变阻器所维持的电压被添加到施加于气体避雷器的AC电源电压，这可能导致重燃弧。根据本发明的第一方面，由于电阻器被连接在变阻器组的电极之间，所以在变阻器中存储的电荷通过电阻器被快速释放。这使得有可能防止气体避雷器重燃弧。

根据本发明的第二方面的浪涌保护设备可以可靠地保护该目标设备免受直接雷击，并且防止安装在SPD前面或后面的断路装置跳闸，因为该断路装置与根据第一方面的SPD串联连接。这使得有可能省去麻烦的操作，例如更换或复位该断路装置。

根据后面结合附图对优选实施例的描述，本发明的这些和其它的目的和新颖特征将完全变得明显。然而，附图仅作为说明而被提供，并且不打算限制本发明的范围。

附图说明

图1是示出用于保护连接到配电系统(例如，建筑物等等中的低压配电线)的目标设备免受雷电浪涌的常规浪涌保护设备的示意框图；

图2是示出图1中的常规SPD 10(SPD 10-1或10-2)的结构的示意电路图；

图3是示出图1中的保险4-2和SPD 10-2的电路图；

图4是根据情况1的电压波形图，在情况1中，在图3中的低压配电线L2中产生脉冲；

图5是示出在图1的SPD 10-2的电弧放电期间的分摊电压等等的图；

图6是示出关于由四个气体避雷器13-1至13-4的串联电路构成的SPD 13的电弧放电的条件的实例的图；

图7是示出图6中的电弧放电不继续进行(中断)的情形的图；

图8是示出关于图6中的SPD 13的电弧放电不继续进行(中断)的情形的图；

图9是示出关于图6中的SPD 13的电弧放电停止的情形的图；

图10是示出关于图6中的SPD 13的电弧放电停止的情况2的图；

图11是示出关于图6中的SPD 13的电弧放电停止的情况3的图；

图12是示出关于图6中的SPD 13的电弧放电停止的情况4的图；

图13是示出根据本发明的优选实施例的浪涌保护设备的示意框图，其中该浪涌保护设备被用于保护连接到配电系统(例如，建筑物等等中的低压配电线)的目标设备免受雷电浪涌；

图14是示出由图13中的一个气体避雷器41和一个变阻器42-1构成的串联电路的示例性结构图；

图15是示出图14中的变阻器42-1的示例性结构图；

图16是示出图14中的结构的改进实例的图；

图17是对应于图13中的每个SPD 40(40-1或40-2)并且通过解决图16(i)中的电路问题而获得的电路图；

图18是示出图13中依照等级I测试的SPD 40(40-1和40-2)所需的性能的图；

图19是示出直接雷击的三个水平的电流值的图；

图20是通过将脉冲电压施加于被构造用作图13中的特殊气体避雷器41的原型而获得的操作波形图；

图21是当在图13中的SPD 40(40-1和40-2)上没有安装电阻器43时获得的操作波形图；

图22是示出图21中的操作负载测试的操作波形图；

图23是示出当电阻器43被安装在变阻器两端之间时图13中的每个SPD 40(40-1或40-2)中的变阻器42(42-1至42-5)两端的操作波形的图；以及

图24是示出图23中的操作负载测试的操作波形图。

具体实施方式

以下将参考附图来描述本发明的优选实施例。

(实施例)

(根据优选实施例的浪涌保护设备的总体结构)

图13是示出根据本发明的优选实施例的浪涌保护设备的示意框图，其中该浪涌保护设备被用于保护连接到配电系统(例如，建筑物中的低压配电线等等)的目标设备免受雷电浪涌。

在图13的电路中，例如，如在图1所示的常规电路的情况下，如果三相(3φ)三线制(3W)的6.6千伏高压AC在高压绝缘变压器31中被输入，则它在由绝缘变压器31变换成单相(1φ)三线(3W)市电系统的低压(200伏AC)之后，被供给两条低压配电线L1和L2以及一条中性线N。供给两条低压配电线L1和L2以及一条中性线N的该200伏低压AC经由接地漏电断路器32被供给目标设备33，例如电气设备，以便驱动该目标设备33。低压中性线N接地。由于雷电浪涌不仅可以相对于地发生，而且还可以在线之间发生，所以为了保护目标设备33免受雷电浪涌，有必要提供设备和地之间的保护以及线和线之间的保护。

因此，低压配电线之一L1经由根据不同于常规规格的规格1和2的过电流电路断路装置(例如，保险丝)34-1以及电路结构不同于图1所示的常规电路结构的SPD 40-1被连接到中性线N。同样，另一条低压配电线L2经由根据不同于常规规格的规格1和2的过电流电路断路装置(例如，保险丝)34-2以及电路结构不同于图1所示的常规电路结构的SPD 40-2被连接到中性线N。而且，中性线N经由接地侧SPD(例如，气体避雷器)50接地。

每个SPD 40(即40-1或40-2)由一个气体避雷器41、相互并联连接并且与气体避雷器41串联连接的多个(例如五个)变阻器42-1至42-5、以及与变阻器42-1至42-5并联连接的放电电阻器43构成。

(每个SPD 40(即40-1或40-2)的结构)

图14(i)和14(ii)是示出由图13中的一个气体避雷器41和一个变阻器42-1构成的串联电路的示例性结构的图，其中图14(i)是串联电路的电路图，而图14(ii)是示出该串联电路中的电压V和时间t之间的关系的特征曲线。

为了解决该常规问题，可以想到把SPD 4(4-1和4-2)的电路结构改变成例如图14(i)所示的电路结构。

图14(i)中的SPD具有这样的电路结构，其中由一个气体避雷器41和一个变阻器42-1构成的串联电路被连接到两个接线端T1和T2。

在具有该结构的电路中，当例如施加市电200VAC电源电压时，电弧放电会快速停止，如同上面的情况1和2中那样，而不是上面的情况3和4中那样，其中市电电源电流流动某一时间周期。

图15(i)和图15(ii)是示出图14中的变阻器42-1的示例性结构的图，其中图15(i)是变阻器42-1的电路图，以及图15(ii)是变阻器42-1的电流(I)与电压(V)的关系的曲线。

以下将参考图14(ii)、图15(i)和图15(ii)来描述图14(i)中的电路的操作。

当施加于两个接线端T1和T2之间的高压V超过气体避雷器的+600伏放电电压(60)时，气体避雷器41放电并且变得导通，从而导致脉冲电流流过变阻器42-1。如图14(ii)所示，流过变阻器42-1的脉冲电流I随时间t而增加，但是变阻器42-1两端的电压V被限制为几乎恒定(例如350伏)的变阻器箝位电压61。

以这种方式，在图14(i)的电路中，接线端T1和T2之间的电压略微超过+350伏，这高于市电200VAC电源电压。因此，气体避雷器41不导致持续电流，并且电弧放电快速停止。因此，这种过电流没有流过图13中的保险丝34，其中该过电流会导致连接到接线端T1的保险丝34(具体而言是34-1或34-2)进行响应。因此，保险丝34不会烧断，并且似乎解决了该常规问题。

然而，使用变阻器42-1使得不可能满足其它要求。也就是，图13中用于保护免受直接雷击的SPD 40(40-1和40-2)使作为大电流的脉冲电流通过，因此它们需要高耐受容量(例如25KA)。对于图1中常规结构的SPD 10(10-1和10-2)，当放电稳定时由气体避雷器单独承载大电流，但是因为气体避雷器在结构上具有高耐受容量，所以不会存在问题。然而，变阻器具有比气体避雷器低的耐受容量。因此，可以想到并联安装多个变阻器42-1。

图16(i)至图16(iv)是示出图14中结构的改进实例的图。

图16(i)是示出示例性结构的电路图，其中，在图14(i)的电路中，多个(例如五个)变阻器42-1至42-5相互并联连接。

当如在图16(i)的电路的情况中那样相互并联连接多个变阻器42-1至42-5时，由于流过气体避雷器41的大电流在多个变阻器42-1至42-5之间进行分配，所以图16(i)中整个SPD的耐受容量根据变阻器42-1至42-5的数量而改进。然而，图16(i)中的电路结构造成一个新问题。

图16(ii)是示出图16(i)的电路的电容等效电路的图。

图16(ii)中的等效电路由气体避雷器41的电容C41和相互并联连接的多个变阻器42-1至42-5的总电容C42构成，其中电容C41和电容C42相互串联连接。多个变阻器42-1至42-5均具有大电容，当并联连接时产生非常大的总电容C42。因此，在大电流流过图16(i)和16(ii)中的电路之后，在多个变阻器42-1至42-5中聚集大量电荷。

图16(iii)是电流I与电压V的关系的曲线，其表示变阻器42-1至42-5中的变阻器箝位电压61。图16(iv)是时间t与电压V的关系的曲线，其表示图16(i)中的接线端T1和T2之间所施加的市电200VAC电源电压。而且，图17是对应于图13中的每个SPD 40(40-1或40-2)并且通过解决图16(i)中的电路问题而获得的电路图。

如图16(iii)所示，在气体避雷器41停止放电之后，变阻器42-1至42-5中的充电电压350伏长时间保持，但是气体避雷器41仅仅在充电电压350伏将不开始放电(即重燃弧)。

然而，如图16(iv)所示，当市电200VAC电源电压的极性在时间t反向时，充电电压350伏和反向的市电200VAC电源电压(-200VAC)之和(例如，350伏-(-200伏)＝550伏)被施加于气体避雷器41。因此，总电压(例如550伏)会超过气体避雷器41的放电电压，在这种情况下，气体避雷器41会再次放电。在最坏的情况下，气体避雷器41会与市电200VAC电源电压的周期同步地反复点燃和熄灭。

在这种情况下，在导通期间该市电电源电流也会流过，从而导致电流在长的时间周期流过图13中的保险丝34-1和34-2，因此烧断保险丝34-1和34-2。然后，不可能解决该常规问题。因此，如图17所示，放电电阻器43被并联连接到变阻器42-1至42-5。

在图17所示的电路中，当气体避雷器41停止放电时，接线端T1和T2相互断开，同时利用350伏电压对变阻器42-1至42-5进行充电。然而，充电电压经由电阻器43被快速放电，并且气体避雷器41不会重燃弧。

(SPD 40(40-1和40-2)的具体设计实例)

图18是示出图13中依照等级I测试的SPD 40(40-1和40-2)所需的性能的图。

为了保护图18中的目标设备33免受雷电浪涌，用于提供来自直接雷击的分路电流的图13中的等级I SPD 40(40-1和40-2)现在是JIS(日本工业标准)C 5381-1和相关JIS编码所需的，而不是图1中打算用于免受间接雷击的保护的常规等级II SPD 10(10-1和10-2)，其中新近制定JIS C 5381-1以符合例如国际标准IEC(国际电工委员会)。例如，JIS(日本工业标准)C 0367评估三级尺度的直接雷击的电流。

图19是示出直接雷击的三个水平的电流值的图。

如图19所示，根据诸如建筑物之类的目标对象的重要性来提供三个保护水平，并且对于每个保护水平指定一个雷电电流的幅度。例如，最高保护水平I表示雷电保护应当被设计成使得将保护目标对象免受具有200kA的峰值电流值的极大雷电电流。

当难以计算直接雷击的分路电流时，应当假设50％的原始幅度的雷电电流转移到配电系统。配电线中电缆的数量基于单相双线制的假设，并且流到一条线的雷电电流最大为50kA。JIS C 0367假设，直接雷击具有10/350μs(微秒)电流波形。常规上打算用于间接雷击的SPD10(10-1和10-2)已经被额定通常基于8/20μs电流波形。

另一方面，依照等级I测试的SPD 40(40-1和40-2)的性能要求例如包括以下两个。

-在由JIS A 4201“Lightning Protection of Buildings and the like(建筑物等等的雷电保护)”所假设的每个保护水平，依照等级I测试的SPD应当具有足够的性能以耐受雷电电流的分路电流。在单相双线制的情况中，对于每相10/350μs计算的最大值是50kA。

-依照等级I测试的SPD应当能够与依照等级II测试的SPD 10(10-1和10-2)合作来进行操作。大部分雷电电流必须由等级I测试兼容SPD 40(40-1和40-2)来处理。为此，如图18所示，操作电压必须满足以下关系：依照等级I测试的SPD 40(40-1和40-2)＜依照等级II测试的SPD 10(10-1和10-2)。

当考虑到上述的两个功能时，当前将发生具有超过200kA峰值电流的直接雷击的可能性小于10％。此外，鉴于日本的大多数配电系统采用三相或单相三线制，可以说允许大约25kA(10/350μs)的分路电流就足够了。

因此，根据第一实施例，依照等级I测试的SPD 40(40-1和40-2)已经被如下开发。

如图18所示，依照等级I测试的SPD 40(40-1和40-2)不仅具有如上所述的非常高耐流容量，而且还需要与依照等级II测试的SPD 10(10-1和10-2)合作来进行操作。当将依照等级I测试的SPD 40(40-1和40-2)安装在电源侧并将依照等级II测试的SPD 10(10-1和10-2)安装在相同线上但是在目标设备33的那一侧时，如果考虑到电磁感应等等，理想的是使主电流通过安装在电源侧上的依照等级I测试的SPD40(40-1和40-2)，而几乎不使电流通过依照等级II测试的SPD 10(10-1和10-2)。

关于用于电源的SPD 40(40-1和40-2)的基本性能要求，SPD需要具有足够的持续电流中断额定值。如果该性能要求不能由SPD单独满足，则它必须结合备用断路器(例如，图13中的保险丝34-1和34-2)等满足。特别是，安装在电源点的依照等级I测试的SPD 40(40-1和40-2)期望也具有大的持续电流中断额定值，因为电源具有高短路容量。

因此，下面的开发目标是为最通用的依照等级I测试的SPD 40(40-1和40-2)的性能而设定的，并且设计了规格(A)至(D)。

-耐流容量(脉冲电流)：Iimp＝10/350μs 25kA

-最大供给电压：Uc＝230伏

-电压保护水平：Up＝1500伏或以下(最低可能值)

(与依照等级II测试的SPD合作所需的)

-持续电流中断额定值：Ifi＝50kA(Uc＝23050/60Hz)

(必须大于电源的短路电流)

-在320VDC下，漏电流IPE＝3μA或以下

(A)用于图13中的SPD 40(40-1和40-2)的装置的规格

例如，如果单独使用气体避雷器，则在操作期间将发生到低压的切换，这会导致持续电流。如果在操作期间在SPD的接线端之间不存在超过电源电压的电压，则将由电源电压来维持操作状态。为了在操作期间提供该电压，从防止持续电流的观点来看，结合气体避雷器来使用产生高于电源电压的峰值的电压的元件。由于这些原因，根据本实施例的SPD 40(40-1或40-2)由特殊气体避雷器41和变阻器42的串联电路构成。

(B)变阻器42(42-1至42-5)的规格

变阻器的操作电压V1通常被限定为毫安培(mA)。用于SPD 40(40-1或40-2)的变阻器42的操作电压例如被设置为320伏或以上，这考虑到了最大供给电压Uc为230伏(AC)。可以通过并联连接操作电压几乎相同的变阻器来加倍变阻器42的耐流容量。在SPD 40(40-1或40-2)中，并联使用耐流容量均为5500 A(10/350μs)的五个变阻器42(42-1至42-5)，以满足Iimp＝25kA以及满足尺寸约束。

(C)特殊气体避雷器41的规格

特殊气体避雷器41应当被设计成使得，即使多次施加脉冲电流，操作电压的下限也不会降到例如320伏以下。通常，由于在操作期间利用一部分活性气体例如氢气进行自加热，使得在用于电源的SPD 40(40-1和40-2)中所使用的气体避雷器容易地关断，但是同时，该加热促进了电极磨损，从而导致操作电压波动。为了防止这一点，对于SPD 40(40-1和40-2)中的特殊气体避雷器41采用惰性气体来代替氢气。

图20是通过将脉冲电压施加于被构造用作图13中的特殊气体避雷器41的原型而获得的操作波形图。

在图20中，通过将波形的操作电压62部分地设置成高于电源电压的足够大的的值，并且采用具有足够高耐流容量的变阻器42，有可能获得不会导致持续电流并且不会使不同于脉冲电流的电流通过的特性。

(D)添加电阻器43

对于变阻器型雷电避雷器，耐流容量的增加导致电容增加。这同样适用于在SPD 40(40-1和40-2)中所用的变阻器42(42-1至42-5)而毫无例外。增加量例如是每变阻器大约5600皮法(pF)。该数字太大以至于不能忽视。不必说，高电容意味着，存储了大量电荷，以及甚至在浪涌消失之后保持电压。

因此，图13中的每个SPD 40(40-1或40-2)被构造成经由安装在变阻器42-1至42-5的电极之间的电阻器43来对在变阻器42-1至42-5的电容中存储的电荷进行快速放电。市电可用电压继续被施加于用于电源的SPD 40(40-1或40-2)。SPD 40必须在雷电浪涌进入时开始操作，并且在浪涌之后快速关断。

图21是当没有电阻器43被安装在图13中的SPD 40(40-1和40-2)上时获得的操作波形图。

图21示出市电200VAC电源电压的波形以及通过变阻器42(42-1至42-5)的电容所保持的电压(即变阻器两端的电压)63的波形。

当没有安装电阻器43时，市电200VAC电源电压和通过变阻器42-1至42-5的电容所保持的电压63被施加于气体避雷器41。因此，当电压64变得高于气体避雷器41的操作电压时，气体避雷器41重燃弧并且保持接通，从而在最坏的情况下破坏SPD 40(40-1和40-2)本身。

图22是示出图21中的操作负载测试的操作波形图。

图22示出SPD两端的电压波形65、浪涌施加点66和流过SPD 40(40-1或40-2)的电流的电流波形67。电压波形65是200VAC的波形。顺便提一句，使用1000∶1的探头，这意味着一个刻度等于200毫伏。电流波形67实际上通过变换而获得。也就是，由于使用1000∶1的探头，所以以5A/1的电流间隔来对垂直轴标刻度。因此，电流波形67是电压-电流变换的结果。另一方面，图22中的延迟表示以毫秒为单位显示过去数据的能力。

由于没有安装电阻器43，所以当施加浪涌时，在SPD 40(40-1和40-2)操作之后，由变阻器42(42-1至42-5)的电容所保持的电压63导致气体避雷器41继续重燃弧。这是因为，变阻器42(42-1至42-5)的操作电压低，电荷继续被存储在变阻器42(42-1至42-5)的电容中，并且气体避雷器41的操作电压下降。

图23是示出当在变阻器两端之间安装电阻器43时图13中每个SPD 40(40-1或40-2)中的变阻器42(42-1至42-5)两端的操作波形的图。

图23示出市电200VAC电源电压的波形和变阻器两端的电压68的波形。

当在变阻器42(42-1至42-5)两端安装电阻器43时，在变阻器42(42-1至42-5)的电容中存储的电荷在浪涌消失之后快速放电。因此，气体避雷器41不会重燃弧，除非它的操作电压降到市电200VAC电源电压以下。利用该结构，SPD 40(40-1和40-2)仅使浪涌通过，而没有不必要地影响市电电源电压。

图24是示出图23中的操作负载测试的操作波形图。

图24示出SPD两端的电压波形69、浪涌施加点70和流过SPD 40(40-1或40-2)的电流的电流波形71。电压波形69是200VAC的波形，如同图22的情况中那样。顺便提一句，使用1000∶1的探头，这意味着一个刻度等于200毫伏。电流波形71实际上通过变换而获得。也就是，由于使用1000∶1的探头，所以以5A/1的电流间隔来对垂直轴标刻度。因此，电流波形71是电压-电流变换的结果。另一方面，图24中的延迟表示以毫秒为单位显示过去数据的能力。

通过采用特殊气体避雷器41，将变阻器42(42-1至42-5)的操作电压设置成高于市电200VAC电源电压并且低于400伏，并联连接操作电压相同的五个变阻器42-1至42-5，以及在变阻器42-1至42-5的两端连接合适的电阻器43，有可能提供能够与依照等级II测试的SPD10(10-1和10-2)合作地操作而不影响电源系统的依照等级I测试的SPD 40(40-1和40-2)。

(实施例的优点)

根据该实施例，SPD 40(40-1和40-2)与相应保险丝34-1和34-2串联连接。此外，它们与相应气体避雷器41、相应组的相互并联连接的变阻器42-1至42-5以及相应电阻器43串联连接。这使得有可能可靠地保护目标设备33免受直接雷击，并且防止安装在SPD 40(40-1和40-2)前面或后面的保险丝34-1和34-2跳闸。这也使得有可能相比于常规SPD 10(10-1和10-2)来延长产品寿命。此外，相对简单的电路结构使得有可能提供小型的、可靠的、廉价的产品。而且，由于JIS(日本工业标准)已经采用了对付直接雷击的措施以符合IEC标准，所以SPD 40(40-1和40-2)可以替代常规SPD 10(10-1和10-2)。

(变型)

本发明不限于上面的实施例，并且各种应用和变型是可能的。这样的应用和变型例如包括下面的(a)至(d)。

(a)图13中的浪涌保护设备的总体结构可以被改变成另一种电路结构。

(b)图13中的SPD 40(40-1和40-2)的结构可以被用于不同于图13中的装置的浪涌保护装置。

(c)图13中的每个SPD 40(40-1或40-2)的变阻器数量可以不同于五个(42-1至42-5)。

(d)可以采用其它断路装置(例如电路断路器或各种断路器)来代替图13中的保险丝34-1和34-2。