避雷器
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避雷器（ひらいき、英：lightning arrester）とは、発電、変電、送電、配電系統の電力機器や電力の供給を受ける需要家の需要機器、有線通信回線、空中線系統、通信機器などを、雷などにより生じる過渡的な異常高電圧から保護する、いわゆるサージ防護機器のひとつである。
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[編集] 概要
屋外に設置される送配電線（電力線）や電話線、空中線などは雷の影響を受けやすい。 架設線（架空線）への落雷（直撃雷）はもとより、直撃雷よりもはるかに多く発生する避雷針を含む周辺への落雷や、雷雲内や雷雲間で生じる稲妻（雲間放電）などによっても、架設線などに過渡的な異常高電圧が発生し、大電流が流れて回路を損傷するため、この対策は重要である。なお過渡的な異常高電圧は「大波電圧」の意味で「サージ電圧」、その結果流れる大電流のことを「サージ電流」といい、まとめて「サージ」という。雷によるものは「雷サージ」という。また、避雷針を含む周辺への落雷や雲間放電などによって架設線などに生じる雷サージを「誘導雷サージ」という。直撃雷によるものは「直撃雷サージ」という。 なお、過渡的な異常高電圧として「ノイズ」があるが、これは回路を損傷させるほどのものではないが、回路の正常な動作を妨げる恐れのある程度のものを示し、サージとは区別されている。
重要な回路部分にサージ電圧がかからなければ、サージ電流は流れず、重要な回路部分が損傷することはない。そこで回路中に意図的に絶縁の弱い部分を作り、ここをサージ電圧によって破壊、サージ電流をバイパスさせることにより、サージ電圧を抑制、重要な回路部分を保護する手段をとる。しかし、ただ破壊するだけでは破壊した部分を修復するまで機器が使用できないなどの問題が生じるので、サージ終息後、直ちに元の絶縁を回復する機能を持たせたものが避雷器である。雷によるサージを処理することが多いことから、避雷器の名があるが、実際のサージは雷によるものだけではなく、避雷器は他の原因によるものも処理する必要がある。このことから2003年より、その正式名称は日本工業規格（JIS）により、サージ防護デバイス（SPD：Surge Protective Device）に統一された。他にも「アレスタ」、「サージアブソーバ」などの呼称がある。なお「サージアブソーバ」は抵抗器とコンデンサを組み合わせ、コンデンサによりサージを吸収、抵抗器により熱に変換して減衰させるようにしたものを示すことがある。
避雷器の歴史は古く、例えば送配電用としては、1900年代初頭に酸化アルミニウム避雷器が実用化されており、1930年代には炭化ケイ素（SiC）を用いた弁抵抗避雷器が登場、1980年代からより特性の優れた酸化亜鉛（ZnO）避雷器に代ってきている[1]。
日本では、高圧送配電系統については以前より避雷器の設置が義務付けられており、電気規格調査会 JEC 203、JEC 217 さらに JIS C4608 などの統一規格があったが、これ以外の低圧回路などに用いる避雷器については特に規定はなく、メーカーの自主規格に依っていた。 しかし2003年以降、国際電気標準会議（IEC）のものに従い、低圧電源用避雷器などについても、統一規格が設けられるようになった。
[編集] サージ防護素子と避雷器
避雷器とは一般に、サージ防護素子を他の部品と組み合わせ、回路に使用できるようにしたものをいう。
サージ防護素子
現在、大別して4種類程度ある。
- 最も古典的なサージ防護素子である。避雷管などとも呼ばれる。放電による電圧制限特性を利用したものである。古くは一対の放電電極を空気もしくは真空雰囲気中に配したものであったが、今日では特殊な用途のものを除き、ネオン、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気中に配したものが一般的となっている。侵入したサージ電圧により放電電極間に放電が生じると、電極間のインピーダンスが急激に低下、ほぼ短絡状態となり、サージ電圧を非常に低く抑制することができる。右の写真のような2極のものの他に3極のものなどもある。
- なお、サージ防護素子がサージの処理を開始する電圧を動作開始電圧といい、サージ防護素子の動作によって抑制された電圧のことを制限電圧という。
- GDTを電力系統などにそのまま用いると、サージ侵入が終息しても、電源からの供給電圧により放電が継続し、放電電極間に電源からの大きな電流が流れ続ける問題がある。これを続流（follow current）という。また放電を利用するものであるため、サージの処理開始までにはある程度の時間を要する。これを応答遅れという。急峻な立ち上がりを持つサージ処理などで、応答遅れが問題となる場合には、別途、リアクトルなどを必要とする。しかしながら、放電電極間の静電容量が小さく、動作開始電圧（試験規定は複数ある。例えば直流電圧を放電電極間に印加し、放電を開始する電圧、あるいは規定の立ち上がり（dV/dt）を持つ衝撃的な電圧（インパルス電圧）を放電電極間に印加し、放電を開始する電圧。）よりも十分に低い制限電圧が得られること、小型でも大きなサージ電流を処理することができることから、高周波回路などに好んで用いられる。今日のGDTは、雰囲気や放電電極間隙などを調整して制限電圧をある程度高くし、続流遮断能力を高める工夫がなされている。また、応答遅れについても小さくする工夫がなされている。なお、特性改善の目的から、過去、放射性物質を雰囲気や放電電極に用いたものもあったが、今日では見られなくなっている。
- 金属酸化物を主成分とするセラミック（金属酸化物粉末の焼結体）の非線形特性を利用したサージ防護素子である。動作原理については未だに不明な点があるが、多結晶体の結晶粒界に形成されるダブルショットキー障壁によるものとされている。今日では、日本で発明された酸化亜鉛を用いたものが主流となっている。続流を生じず、GDTと比べて応答遅れは小さいが、静電容量が大きいことから、通常、高周波回路には用いられない。
- アヴァランシェダイオード（ABD=Avalanche Breakdown Diode）
- シリコン半導体のPN接合でのアヴァランシェ（なだれ）降伏を利用したサージ防護素子である。続流を生じず、応答遅れが極めて小さく制限電圧を細かく調節できるが、サージ電流の処理能力に制限があり、また静電容量も大きい。主に回路の最終保護用として用いられる。
- サージ防護サイリスタ（TSS=Thyristor Surge Suppressor）
- 2端子サイリスタPNPN構造を基本とするサージ防護素子である。サージ電流の処理能力がABDよりも大きい。
避雷器
上述のサージ防護素子単体もしくはこれらを組みあわせたものである。今日のJEC、JISに規定する「SPD」もこれである。いずれも必要な場合、さらにリアクトルやコンデンサ、抵抗器などと組み合わせて構成される。現在、その構造の違いから「ギャップ式避雷器」「ギャップレス避雷器」という大別がなされる他、主にその特性の違いにより「電圧スイッチング型避雷器」「電圧制限型避雷器」「複合型避雷器」といった分類もなされている。
- ギャップ式避雷器
- 「ギャップ」とは、放電電極（放電間隙＝放電ギャップ）のことであり、一般にGDT単体もしくはこれを含むものをいう。
- 続流を生じるGDTを電力系統などにそのまま用いることは困難である。電力系統などに用いるためには、放電電極に続流を効果的に遮断するためのものを付加する必要がある。古くは放電電極に直列に炭化ケイ素粉末の焼結体などを接続して用いた。これを直列ギャップ付避雷器といい、炭化ケイ素粉末の焼結体などのことを特性要素という。放電電極により、その電流の変化はあたかも「弁」作用による液体の流れのようになることから、「弁抵抗避雷器」と呼ばれる。
- なお、炭化ケイ素粉末の焼結体の電圧-電流特性は理想的な特性要素のものからは外れており、そもそも放電電極に直列に接続して相互に特性を補完する必要がある。それでもなお、炭化ケイ素粉末の焼結体を特性要素として用いた直列ギャップ付避雷器は、悪条件が重なると続流遮断に失敗することがある。
- 今日の特性要素の主流は、理想的な特性要素の電圧-電流特性に近い特性を持ち、そもそも直列ギャップを必要としない酸化亜鉛粉末の焼結体となっている。応答遅れなどの点では後述のギャップレス避雷器に劣るが、酸化亜鉛粉末の焼結体の登場により最大の欠点が克服され、本来の長所、すなわちGDTと特性要素の組み合わせにより、所望のものが比較的簡単に得られること、静電容量を小さくすることができることなどが活きるようになり、今日、幅広く使われている。なお今日、酸化亜鉛粉末の焼結体の優れた特性により「並列ギャップ付避雷器」もある。
- ギャップレス避雷器
- 放電電極を持たないものをいう。酸化亜鉛粉末の焼結体は電力系統用として優れた諸特性を持つことから、送配電系統に用いる避雷器の多くが今日、酸化亜鉛粉末の焼結体を用いたギャップレス避雷器となっている。また、ABD、TSSの電圧-電流特性はさらに理想的なものに近く、応答遅れが極めて小さい長所を活かすため、これらを用いたものも通常、ギャップレス避雷器となっている。しかしいずれも静電容量が大きいことから、通常、高周波回路には用いられない。
- 電圧スイッチング型避雷器
- サージ電圧に応答し、電極間のインピーダンスが急激に低下するもの。これに用いられるサージ防護素子は上述のものであればGDT及びTSSである。
- 電圧制限型避雷器
- サージ電圧およびサージ電流の増加に従い、電極間のインピーダンスが連続的に低下するもの。これに用いられるサージ防護素子は上述のものであればMOVおよびABDである。
- 複合型避雷器
- 電圧スイッチング型及び電圧制限型の両方のサージ防護素子を内部に持ち、両方の特性を有するもの。上述のギャップ式避雷器はこれに相当する。
サージ防護素子はサージを処理する度に劣化が進み、最終的に消耗故障する。（GDTは最終的に開放故障、MOVなどは短絡故障する。）そこで通常、避雷器はその消耗故障の状態を表示、もしくは切り離す回路と組み合わせて構成される。避雷器に内蔵する場合と、外部に置く場合がある。
- 電力系統用：多くはMOVを用いているため、この短絡故障に備え、ヒューズや、MCCBなどと組み合わせて使用される。
- 信号系統用：4〜20mAなどで伝送される計装信号回路では、アイソレータ（信号絶縁器）などと組み合わせて使用される。
左の写真は日本で発明され、1950年に登場した「紙避雷器」（低圧電源用紙コンデンサ避雷器）である。初期のものは紙コンデンサのみの避雷器であったが、後にGDTが追加されて直列ギャップ付避雷器となった。「紙」を用いた「弁」作用による避雷器であることから、「紙弁」＝Paper valve より、「Pバルブ避雷器」と呼ばれる。サージを処理すると、紙コンデンサの箔電極に穴が開き、この穴の数とそれぞれの穴の大きさを目視計測することにより、需要家の電源回路にどの程度のサージの影響があったのかを知ることができる簡易な「サージ計測器」としての機能を兼ね備えたものである。この避雷器の登場により、配電系統への雷サージの影響を簡易測定できるようになり、その後の配電系統の避雷設計に大きく寄与した。現在、JISからは外れたものとなっているが、諸特性の良さと簡易なサージ計測器としての役割から、製造・販売が続けられている。
以下、汎用避雷器（低圧系統用）のJIS番号を示す。より詳しくはそれぞれの規格を参照されたい。
- JIS C 5381-1
- 低圧配電システムに接続するSPDの所要性能および試験方法。
- JIS C 5381-12
- 低圧配電システムに接続するSPDの選定および適用基準。
- JIS C 5381-21
- 通信および信号回線に接続するSPDの所要性能及び試験方法。
- JIS C 5381-22
- 通信および信号回線に接続するSPDの選定及び適用基準。
[編集] 避雷器の選択
避雷器のサージ処理能力には全て限界があり、その処理能力を超えるサージについては無力である。従ってまずは、雷を受けても、回路にできるだけ大きなサージが生じないように、避雷針、架空地線、接地系統（アース系統）などの「導雷系統」を総合的に検討・設計する必要があり、しかる後に、サージから保護しようとする機器のサージに耐え得る能力（サージ耐力）、回路の状態などの要素を勘案して、最善となるものを選択することが肝心である。
特にアース系統は重要で、例えばビルなどであれば、従来の分離アースはもちろんのこと、新しく規格化された一点接地（統合接地）でも、その設計に何らかの不具合や限界があると、ビルの避雷針に雷の直撃を受けた場合、アース側からその雷サージが避雷器に逆流、避雷器を破壊、機器を損傷する問題が知られている。これを逆流雷という。逆流雷により避雷器が壊れたからといって、アース系統を見直すことなく、避雷器のみをさらに大きなサージ電流を処理できるものに交換すると、今度は逆流した雷サージにより肝心の電力引込系統などを破壊する結果ともなりかねない。また残念ながら、総合的に最善の対策を行ったとしても、雷の被害を完全になくすことは現在のところ不可能であり、総合的なフェイルセーフ設計が極めて重要である。
すなわち避雷器の選択、使用については、相当に専門的な知識を必要とすることから、専門とするメーカーや施工業者、コンサルタントなどと事前によく協議することが肝心である。
[編集] 参考文献等
- 「OTOWA 総合カタログ」 技術資料・用語集 音羽電機工業
- 「雷害リスク」 妹尾堅一郎編 雷害リスクコンソーシアム著 ダイヤモンド社 ISBN 4-478-45047-1
- 「送配電」 前川幸一郎・荒井聡明 共著 東京電機大学出版局 ISBN 4-501-10240-3
[編集] 特許公開公報
- 紙避雷器 （特公昭26-006069） 特許193558 宮崎 貢 中国電力株式会社
