避雷器の機能
落雷による過電圧が空中送電線を通じて変電所や他の建物に入ると、放電や電気設備の絶縁破壊を引き起こす可能性があります。したがって、保護装置として知られる避雷器を設備の電源入口に並列接続すると（図1参照）、過電圧が設定された動作レベルに達するとすぐに作動します。
避雷器は余分なエネルギーを放出し、電圧の急上昇を制限し、設備の絶縁を保護します。電圧が正常に戻ると、避雷器は迅速に元の状態に戻り、システムが通常の電力供給を続けることができます。
避雷器の保護機能は以下の3つの前提に基づいています：
避雷器と保護対象の絶縁体の伏秒特性の適切な調整。
避雷器の残存電圧は、保護対象の絶縁体のインパルス耐電圧よりも低い。
保護対象の絶縁体は避雷器の保護距離内にある。
避雷器の要件：
通常運転条件下では放電しないが、過電圧時に正確かつ確実に放電する。
放電後に自己回復能力を持ち（つまり高抵抗状態に戻り、後続電流を消滅させる）。
避雷器の主要パラメータ：
連続運転電圧：許容される長期運転電圧。これはシステムの最大相間接地電圧以上であるべき。
定格電圧（kV）：最大許容短時間商用周波数電圧（また弧消去電圧とも呼ばれる）。この電圧下で避雷器は動作し、弧を消去できるが、長期間このレベルでの運転はできない。これは避雷器の設計、特性、構造の基本的なパラメータである。
商用周波数耐電圧伏秒特性：指定された条件下で金属酸化物（例えばZnO）避雷器が過電圧に耐える能力を示す。
名目放電電流（kA）：避雷器の等級を分類するために使用される放電電流のピーク値。220 kV以下のシステムでは5 kAを超えてはならない。
残存電圧：サージ電流にさらされたときに避雷器の端子間に現れる電圧。これも放電イベント中に避雷器が耐えられる最大電圧と理解できる。
避雷器の種類と構造
一般的な避雷器にはバルブ型、管型、保護ギャップ、金属酸化物避雷器があります。
(1) バルブ型避雷器
バルブ型避雷器は主に通常バルブ型と磁気吹きバルブ型の2つに分けられます。通常タイプにはFSシリーズとFZシリーズがあり、磁気吹きタイプにはFCDシリーズとFCZシリーズがあります。
モデル指定における記号は次の通りです：
F – バルブ型避雷器；
S – 配電系統用；
Z – 変電所用；
Y – 送電線用；
D – 回転機械用；
C – 磁気吹き放電ギャップ付き。
バルブ型避雷器はシリコンカーバイド（SiC）抵抗ディスク（バルブブロック）と平面スパークギャップが直列に接続され、陶器製ハウジング内に密封され、外部端子ボルトで設置されます。シリコンカーバイド抵抗は非線形特性を有しており、通常電圧下では高抵抗であり、過電圧時には急激に抵抗が低下します。
通常の商用周波数電圧下ではスパークギャップは導通しません。落雷による過電圧が発生すると、スパークギャップが崩壊します。SiCブロックの抵抗は大幅に低下し、高電流を安全に接地させることができます。サージ後、SiCブロックは商用周波数の後続電流に対して高抵抗を示し、スパークギャップがこの電流を遮断し、システムの正常な動作を復元します。このオンオフの挙動は「バルブ」のように、雷電流に対して開き、商用周波数電流に対して閉じるため、「バルブ型」と呼ばれます。
(2) 保護ギャップと排気（管型）避雷器
保護ギャップは最も単純な雷保護手段です。通常、亜鉛メッキ丸鋼で作られ、主ギャップと補助ギャップから構成されています。主ギャップは角形状に形成され、水平に取り付けられて弧消去を容易にします。補助ギャップは主ギャップの下に直列に接続され、異物によるショートを防ぎます。弱い弧消去能力のために、保護ギャップは自動再閉装置と組み合わせて使用され、供給信頼性を向上させます。
排気（管型）避雷器は、ロッドとリング電極によって形成されたガス生成チューブ内にスパークギャップを収容しています。内部と外部のギャップを含みます。避雷器管はフェノール樹脂強化繊維などの材料で作られ、加熱時に大量のガスを生成します。落雷による過電圧が発生すると、内部と外部のギャップが崩壊し、雷電流を接地させます。その後の商用周波数電流により強い弧が生成され、チューブ壁が燃え、高圧ガスが開放端から排出され、弧を急速に消去します。外部ギャップは絶縁を復元し、避雷器をシステムから隔離し、正常な動作を再開します。
排気避雷器は商用周波数電流を用いてガスを生成して弧を消去するため、過度の短絡電流により生成されるガスが多すぎると、チューブの機械的強度を超え、破裂または爆発を引き起こす可能性があります。そのため、排気避雷器は通常屋外に設置されます。
(3) ギャップレス金属酸化物（酸化亜鉛）避雷器
バリスタ避雷器とも呼ばれ、1970年代に導入された現代的なタイプです。従来のシリコンカーバイドバルブ型避雷器と比較して、ギャップレス金属酸化物避雷器はスパークギャップがなく、シリコンカーバイドの代わりに酸化亜鉛（ZnO）を使用します。ZnOバリスタディスクを積層し、優れた非線形電圧-電流特性を有します：通常の商用周波数電圧下では非常に高い抵抗を示し、リーク電流を効果的に抑制します。落雷による過電圧下では抵抗が急激に低下し、サージ電流を効率的に放出します。
金属酸化物避雷器は優れた保護特性、高い放電容量、低い残存電圧、小型化、簡単な設置を提供します。現在、高低圧電気設備の保護に広く使用されています。
(4) ギャップ付き金属酸化物（酸化亜鉛）避雷器
これらは複合ハウジング内でスパークギャップと直列に接続されたZnO抵抗ディスクから構成されています。ギャップユニットには通常、セラミックリングに封入された2つの円板形電極が含まれています。中性点非効率接地システムに適しています。単相接地障害やアーク接地時、長時間続く深刻な一時過電圧が発生する可能性があり、ギャップレスZnO避雷器ではこれを耐えられない場合があります。ギャップ付きZnO避雷器はこの制限を克服します：単相接地や低レベルのアーク接地などの中程度の過電圧下では、直列ギャップは不活性であり、避雷器をシステムから隔離します。
過電圧が閾値を超えると、ギャップが火花を発し、ZnOブロックの優れた非線形特性により避雷器の残存電圧が制限されます。結果として生じる後続電流は非常に小さく、簡単に遮断でき、変圧器などの設備に信頼性のある絶縁保護を提供します。
避雷器の試験項目と基準
(1) 絶縁抵抗測定
2500 V以上のメガオームメータを使用します。35 kV以上の避雷器の場合、絶縁抵抗は2500 MΩ以上であるべきです。35 kV未満の場合、1000 MΩ以上であるべきです。
(2) 1 mAの直流電圧とその75%の電圧でのリーク電流の測定
避雷器に直流電圧を印加します。電圧が上がるとリーク電流が徐々に増加します。電流が1 mAに達したときの電圧値を記録します。次に、この値の75%まで電圧を下げ、リーク電流を記録します。この電流は50 μAを超えてはなりません。
(3) 運転電圧下の交流リーク電流
運転電圧下の総電流、抵抗電流、または損失を測定します。測定値は初期値と比べて大きな変化がないはずです。抵抗電流が2倍になった場合は、避雷器を停電して検査する必要があります。
抵抗電流が初期値の150%に増加した場合は、監視周期を適切に短縮する必要があります。
これらの試験は、避雷器バルブブロックの湿潤侵入や劣化、表面クラック、絶縁悪化などの欠陥を検出することができます。
