インパルス電圧の技術資料

　インパルス電圧の基礎知識

　インパルス電圧

　雷放電や送電線の開閉サージ電圧のように過渡的に短時間出現する電圧を「インパルス電圧」を称し、前者を「雷インパルス電圧（Lightning impulse voltage）」、後者を「開閉インパルス電圧（Switching impulse voltage または Switching surge voltage）と言う。 　インパルス電圧の最大値を「波高値（Peak value）」、波高値に達するまでの立上り部分の時間を「波頭長（Time of wave front ： T_f）」、波高値を過ぎて波高値の1/2に低下するまでの時間を「波尾長（Time of wave tail ： T_t）」とよび、 インパルス電圧の波形を表すのに「 T_f／T_t 」と書くが実際には下の図1-1および図1-2に示すよう作図によって求める。ここでは分かりやすくする為、 Ｔ_ｆをＴ_１とT_tをT₂とそれぞれ呼びます。通常、「±1.2／50μS」の単極性全波電圧を「標準雷インパルス電圧」と称して、雷インパルス電圧の試験に使用する。 さらに「開閉インパルス電圧」では、「±250／2500μS」の単極性全波電圧を「標準開閉インパルス電圧」と言う。

T₁：規約波頭長、　T₂：規約波尾長、　O₁：規約原点、　Q₁およびQ₂：半波高点、　P：波高点、　C-F：波高値、
C-F/T₁：規約波頭しゅん度

図1-1　規約による雷インパルス全波電圧の表示 　※ JEC-0202-1994 P11-図3

　O：原点
　P：波高点
T_cr：波頭長
T₂：規約波尾長
T_d：90%継続時間
T_z：第一半波継続時間

図1-2　開閉インパルス電圧の表示　　　　※ JEC-0202-1994 P15-図8

また、インパルス電圧の継続時間中に絶縁破壊によって電圧の値が急にゼロに降下する事を「裁断波」と言い、この様な電圧を裁断波電圧（Chopped wave）とよぶ。

O：原点
P：波高点
OP：波頭
D：裁断点
D-D"：裁断値
D-Q-D'：裁断部分
O-D"：裁断までの時間
Q：裁断最降下点

図1-3　裁断波電圧の表示　　　※ JEC-0202-1994 P10-図1

　インパルス試験電圧の波形および波高値

2-1.　雷インパルス試験電圧波形の表示

波頭長T₁（μS）、波尾長T₂（μS）の雷インパルス電圧波形を表すのに、次の様な記号を用いる。
　　　　　　　　　　±T₁／T₂（μS）
正負の符合は電圧の極性を表す。振動性雷インパルス電圧の場合には、第一半波の極性を表す。

2-2.　標準雷インパルス電圧

　雷インパルス電圧試験に用いる標準雷インパルス電圧は、±1.2／50（μS）の単極性全波電圧とする。特に標準雷インパルス電圧以外の雷インパルス電圧を必要とする場合には、それぞれの規格による。

2-3.　開閉インパルス試験電圧波形の表示

波頭長T_cr（μS）、波尾長T₂（μS）の開閉インパルス電圧波形を表示するのに次の様な記号を用いる。
　　　　　　　　　±T_cr／T₂（μS）

正負の符合は電圧の極性を表す。振動性開閉インパルス電圧の場合には第一半波の極性を表す。

波頭長T_cr（μS）、第一半波継続時間T_z（μS）、90%継続時間T_d（μS）の開閉インパルス電圧波形を表示するのに、次の様な記号を用いる。
　　　　　　　　　±T_cr／Ｔ_ｚ／Ｔ_d（μＳ）

2-4.　標準開閉インパルス電圧

　開閉インパルス電圧試験に用いる標準開閉インパルス電圧は、±250／2500（μS）の単極性全波電圧とする。特に標準開閉インパルス電圧以外の開閉インパルス電圧を必要とする場合には、それぞれの規格による。

2-5.　波形および波高値の裕度

標準インパルス電圧波形および波高値の裕度（規定値と実測値との差）を表１に示す。

表１　標準インパルス電圧波形および波高値の裕度

電 圧 波 形	波頭長	波尾長	波高値
雷インパルス電圧	±30%	±20%	±3%
開閉インパルス電圧	±20%	±60%	±3%

　なお、雷インパルス電圧において、波高値付近に高周波振動が重なった場合には、その振幅は波高値の5%以内、また波頭における50%波高点までの部分に高周波振動が重なった場合には、その振動は波高値の 25%以内でなければならない。

2-6.　波形の認定

インパルス電圧試験における電圧波形の認定は、「分圧器とオシロスコープ」または「デジタル記録計」を用いて行う。

2-7.　波高値の認定

　インパルス電圧試験における試験電圧波高値は、「分圧器とオシロスコープ」、「波高電圧計」、「デジタル記録計」、 あるいは「標準球ギャップ」のいずれかによって認定する。

　インパルス電圧試験

インパルス電圧試験は交流送電系統に発生する「雷インパルス電圧」や「開閉インパルス電圧」の様な波頭しゅん度が大きい過電圧が電力用機器や電気工作物に印加されても絶縁破壊や絶縁劣化が生じない事を試験、検証するために行う。インパルス電圧試験には次の項目とその目的がある。

1. 「インパルス電圧試験」は供試物に所定の波高値のインパルス電圧を印加し、絶縁破壊を生じない事を確認する為に行う。 雷インパルス耐電圧試験における波高値および回数は「JEC-0102-1994 （試験電圧標準）」の規定がある。 表２参照
2. 「50%フラッシュオーバー電圧試験」は同一波形、同一波高値のインパルス電圧を多数回印加してフラッシュオーバーの確立が50%となる電圧を求める試験を行う。 一般的に50%フラッシュオーバー電圧試験は「昇降法」または「補間法」による。
3. 「インパルス電圧破壊試験」は印加する電圧の波高値を徐々に高くし、供試物が絶縁破壊を生じる最低の電圧を求める為に行う。 供試物によっては電圧の上昇間隔、印加回数、電圧印加時の時間間隔などが破壊電圧値に影響するので、試験結果には、これらの試験条件もできるだけ詳細に付記しなければならない。
4. 「雷インパルス電圧−時間（V-t）曲線試験」は同一の波形で波高値を少なくとも5回以上変化させた雷インパルス電圧を供試物に印加して絶縁破壊させ、そのV-t曲線を得る為に行う。 なお供試物に印加する電圧の波頭しゅん度を問題とする場合には、絶縁破壊するまでほぼ一定の波頭しゅん度で上昇するインパルス電圧を用いてV-t曲線を求めることがある。
5. 「開閉インパルス電圧試験−時間（V-t）曲線試験」は少なくとも3種類以上の波頭長の開閉インパルス電圧を供試物に印加して絶縁破壊させ、そのV-t曲線を得る為に行う。
6. 「開閉インパルス電圧−波頭長曲線試験」は少なくとも3種類以上の波頭長の異なる開閉インパルス電圧を供試物に印加し、それぞれの波頭長における50%フラッシュオーバー電圧を求め、 その時の電圧−波頭長曲線およびその最低点（臨海波頭長）を得る為に行う。　図2-1参照

表２　雷インパルス耐電圧試験電圧値

公称電圧 [kV]	最高電圧 [kV]	絶縁階級 [号]	試験電圧値[kV]
			雷インパルス 耐電圧試験	開閉インパルス 耐電圧試験	商用周波数 耐電圧試験 [実効値]
3.3	3.45	3A	45	-	16
		3B	30	-	10
6.6	6.9	6A	60	-	22
		6B	45	-	16
11	11.5	10A	90	-	28
		10B	75	-	28
22	23	20A	150	-	50
		20B	125	-	50
		20S	180	-	50
33	34.5	30A	200	-	70
		30B	170	-	70
		30S	240	-	70
66	69	60	350	-	140
		60S	420	-	140
77	80.5	70	400	-	160
		70S	480	-	160
110	115	100	550	-	230
		100S	660	-	230
154	161	140	750	-	325
187	195	140S	900	-	325
220	230	170	900	-	395
		170S	1080	-	395
275	287.5	200	1050	-	460
		200S	1260	-	460
500	525550	500L	1550	1175	750
		500H	1800	1175	750

1. 公称電圧：電線路を代表する線間電圧
2. 最高電圧：へ常時に電線路に発生する最大の線間電圧
3. 絶縁階級：電力機器、設備の絶縁耐力を示す階級であり、耐えるべき試験電圧の組み合わせで表される（例えば170号は900kVの雷インパルス電圧と395kVの交流電圧に耐える絶縁である）
4. 記号Aは一般用、記号Bは雷サージの危険が少ない場合、記号Sは電力線搬送用結合コンデンサおよび避雷器の保護範囲外で使用するコンデンサ型計器用変圧器に適用する事を表す
5. 500Lは避雷器の近くに設置され雷サージからよく保護されている機器に適用。500Hはそうでない機器に適用する
6. 雷インパルスおよび開閉インパルス試験電圧：避雷器の保護レベルに裕度を考慮して定める
7. 商用周波数試験電圧：一般に最高電圧運転時における１線地絡時の健全相電位上昇に2倍の安全率を乗じて定める（例えば154kV以下の有効接地系統機器は（最高電圧/√3）×√3×2、また275kVの場合、（287.5×√3）×1.4×2、また500kVの機器では1.4の変わりに1.25を用いる。 但し、√3、1.4、1.25は1線地絡時の電位上昇率。
8. 187kV以上は有効接地系統を対象とする
9. 公称電圧500kVでは、最高電圧が525kVと550kVの系統があるが、試験電圧は同一である

図2-1　開閉インパルス電圧−波頭長曲線
（開閉インパルスV-Tcr曲線）
　※ JEC-0202-1994 P16-図10

　インパルス電圧の発生について

　多段式インパルス電圧発生器

　高電圧のインパルス電圧を発生するには、「多段式インパルス電圧発生器」が一般的に用いられている。この発生器には充電方式により、次のような種類がある。

　　　　　　　　(1)　直列充電方式
　　　　　　　　(2)　直並列充電方式

図3-1〜図3-3に各方式の充電回路を示す。

r：制動抵抗
R：充電抵抗
Ro：放電抵抗
G：放電ギャップ
Gs：始動ギャップ
C₁〜C_n：充電コンデンサ

　左記の「直列充電方式」はよく用いられ、図に示すように充電抵抗を全部直列に接続する方式である。各段の充電抵抗は放電時に一段のコンデンサの充電電圧に耐えればよく、比較的耐電圧の小さな同一種類の抵抗器が使用でき、発生器の構造も簡単である。
しかし各段のコンデンサの充電の時定数が異なるので、充電に十分注意する必要がある。このため図3-1に破線で示したように、最上段のギャップと並列に充電抵抗を接続し、最下段の接地側端子の充電抵抗を除去して、充電特性を改善する方法がとられることがある。

図3-1　直列充電方式
　　 （正極性インパルス電圧発生の場合）
　　　　※ JEC-0202-1994 P35-参考図5

※ W：充電抵抗

図3-2　直並列充電方式
（正極性インパルス電圧発生の場合）
※ JEC-0202-1994 P35-参考図6

図3-3　倍電圧直列充電方式
（正極性インパルス電圧発生の場合）
※ JEC-0202-1994 P35-参考図7

　図3-2の「直列充電方式」は上段になるほど充電抵抗の耐電圧を高くする必要があり、構造が複雑になる為にあまり使用されない。しかしながらギャップの放電特性を良好にすることができるので、下段のみにこの方式を採用する場合がある。
図3-3は「倍電圧直列充電方式」を示し、一段の充電電圧が2倍となるので発生の段数が少なくてすみ構造が簡単となる。このため段数の多い発生器には殆どこの方式が用いられている。
発生器の各段の充電抵抗は、動作時に生ずる電圧に耐えること、十分な電流許容があることがまず必要である。なお発生器充電中、直列ギャップの一部のみが放電すると図3-4に示すように、コンデンサに充電された全電荷がこの部分の充電抵抗を通って流れる。このためコンデンサの容量が大きい大容量発生器や段数の多い発生器では、 抵抗の温度上昇を十分考慮して充電抵抗の容量を定める必要がある。
また充電抵抗値が大きすぎると、充電時間が長くなり試験に不便を生ずる。反対に小さすぎると発生波形に影響を与え、あまり長い波尾の電圧は発生できなくなる。これらの点より、容量に十分耐えるもの（例えばセラミック系の素体や無誘導巻線の抵抗器など）で、 数十ｋΩ程度の抵抗が用いられている。

　

図3-4　G₁のみ放電時の電流
　　　　　　　※ JEC-0202-1994 P36-参考図8

　雷インパルス電圧波形および波高値の算定

　雷インパルス電圧試験に際しては、試験項目に応じて定められた波形および波高値の電圧を発生するようインパルス電圧発生回路定数、充電電圧を調整する必要がある。このため回路定数より発生波形、利用率などを決定すること、 或いは逆に波形を与えられて回路定数を決定することが要求される。そこで簡単ではあるが、雷インパルス電圧の発生波形の算定方法を示し、試験の便宜をはかった。

(ａ) Lで波頭長を作るIG等価回路

(ｂ) Cで波頭長を作るIG等価回路

図4-1　インパルス電圧発生器の基本等価回路

　図4-1で、直流高電圧回路（通常、直流高圧電源で充電器を指します）によってCに充電される。ギャップGを短絡させる（または設定したギャップ間隔において放電する直前間際の充電電圧まで上昇させ、 初段の始動ギャップに始動パルスを印加して、全段の放電をさせる（図3-1〜3-3参照→「3点トリガー方式」とも言う）ことで、Cに充電された電荷は、Rs、Ｌ、Roを介して放電する。その際、Roに現れる電圧がインパルス電圧となる。 図中のCには通常、充電抵抗を介して充電される。この充電抵抗は放電時の火花ノイズを充電器側をブロックする回路保護の役目もある。
Rsは発生器の各段に挿入された制動抵抗（図3-1では[ r ]）の総和、Cは各段のコンデンサ直列総合等価静電容量、Roは放電抵抗、ＬおよびCoは波頭長調整用インダクタンスおよび静電容量を示す。
回路（a）はインダクタンスＬにより波頭調整を行っているので、容量性供試物の場合はこれと共振して振動電圧を発生しやすく、またＬの値が大きくなると自身で局部振動を生ずる場合もあるので注意を要する。回路（b）はコンデンサCoにより波頭調整を行っている。

　インパルス電圧波形回路の算定

図4-1 （a）の回路において、放電ギャップGが t=0 で火花放電したときの回路方程式は、

・・・・・(1)

(1)式の両辺を t で微分して整理すると、以下の微粉方程式が得られる。

・・・・・(2)

初期条件（t=0の時、i=0、

）を導入して式(2)を解くと、次の三つの条件に対応した回路電流 i が得られるので、

Roの両端電圧Voはオームの法則よりそれぞれ次式のように与えられる。

のとき

・・・・・(3)

のとき

・・・・・(4)

のとき

・・・・・(5)

ただし、

である。

　式(3)、(4)、(5)に対応した電圧波形を図示すると、それぞれ図5-1のようになる。実際のインパルス電圧発生器では、単極性の電圧が必要であり、上記式の式(3)と式(4)の条件がこれに対応するが、普通L値が小さくRs+Ro値が大きいので、式(3)の条件が標準波形の発生に用いられる。

図5-1　インパルス電圧波形

　インパルス電圧発生器の基本回路には、図4-1の(a）のLCR回路の他に、(b)に示すようなCR回路もある。これは波頭長調整用のＬの代わりにコンデンサ Co を用いた回路となっており、波頭長T_１はCoと制動抵抗Rsによって調整される。なお発生するインパルス電圧の解析は、上記と同様に回路方程式を解くことによって求められる。
これらのインパルス電圧発生器において、インパルス電圧の波高値Vpとコンデンサの充電電圧Vcとの比 η=Vp／Vc は、回路設計を行う上で考慮すべき重要な因子であり、利用率（efficiency）と呼ばれる。利用率は次のように求められる。

　例えば、図4-1 (a)の回路で、式(3)の条件を満足するインパルス電圧波形（図5-1の式(3)の波形）の場合を考える。この波形のt=0 から波高値に達するまでの時間 tp は、式(3)に dVo/dt=0 の条件を適用すると、

・・・・・(6)

のように得られるので、波高値 Vp は次式で与えられる

・・・・・(7)

従って利用率ηは次のように表される。

・・・・・(8)

　波形が与えられた場合の回路定数および利用率の算定

図4-1(a)と(b)の回路において、供試物を接続しない場合（無負荷）、出力端子における発生電圧波形はいずれも次式で表される。

・・・・・(9)

　ここに、Eは主静電容量Cの充電電圧（各段のコンデンサ充電電圧×段数）、α、β、Aは回路定数のみから決まる定数で、波頭長T₁、波尾長T₂が与えられた場合、α、βは図6-1から求められる ａ、ｂと次式とにより算定される。

・・・・・(10)

・・・・・(11)

図6-1　a、bとT₂/T₁の図表 　　図6-2　φ(k)とT₂/T₁の図表

※ 諸般事情によりグラフ関連は小さく表示しております。恐れい入りますが下記のサイトより「JEC-0202（1994） インパルス電圧・電流試験一般 」、定価 6,500 を購入し、ご参照下さい。また今後出てくるグラフ関係の詳細等は下記のサイトで資料を購入の上、ご参照下さい。

https://www.iee.or.jp/cfml/OA/front/NonAuthenticate/bookpur/fbo_BookList.cfm?Kubun=9

インパルス電圧発生器の回路定数を決定するに際しては、発生電圧の波形と共に、その利用率についても重油分考慮しなければならない。利用率ηは図6-2で求められるφ(k)と次式とにより算定される。

・・・・・(12)

ただし

　図4-1(a)の回路

発生すべき波形のT₁、T₂が与えられると、図6-2および図6-3より、これに対応するφ(k)、p、q が求められる。この値と次式により回路定数と利用率とが算定される。

・・・・・(13)

・・・・・(14)

図6-3　q、p、r とT₂/T₁の図表

RsとRoとはその和が定まる。それぞれの値は利用率と発生電圧の振動防止を考慮して適当な値を選定すればよい。

ただし

であり、φ(k)は図6-2より求められる。

　図4-1(b)の回路

与えられた波形のT₁、T₂に対する q、r を図6-3、φ(k)を図6-2より求めれば、次式により Rs、Ro、ηが定まる。

・・・・・(15)

・・・・・(16)

図6-4　m とT₂/T₁の図表

ただし

※ m は図6-4より定まる値を用いる

　また、Hには二つの値が可能であるが、＋を用いたほうが利用率がよくなる。与えられた波形を発生する為にはγに上限（γ_m）がある。 この上限は図6-5に、また、利用率が最大になるときのγの値（γ_o）とその場合の利用率（η_m）および（H_m）とが図6-6に示されている。

図6-6　γ_o、H_m、η_m とT₂/T₁の図表

　　　　　　　　図6-5　γ_m とT₂/T₁の図表

※ 図6-1〜図6-6のグラフは恐れい入りますが、下記のサイトより「JEC-0202（1994） インパルス電圧・電流試験一般」、定価6,500 を購入し、ご参照下さい。 また今後出てくるグラフ関係の詳細等は下記のサイトで資料を購入の上、ご参照下さい。

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　推奨するインパルス電圧関連の書籍　※ 敬称省略

題：高電圧工学 著者：植月唯夫／松原孝史／ 箕田充志 出版：�潟Rロナ社	題：基礎高電圧工学 著者：赤崎正則 出版：�鰹ｺ晃堂	題：高電圧技術 著者：岸　啓二 出版：�潟Rロナ社	題：高電圧工学 著者：花岡良一 出版：森北出版��
題：高電圧・絶縁工学 著者：小崎正光 出版：�潟Iーム社	題：電界パノラマ 著者：宅間　董 出版：�潟Iーム社	題：放電技術基礎のきそ 著者：小林春洋 出版：日刊工業新聞社	題：最新の雷サージ 防護システム 編集：黒沢秀行／木島　均 出版：(財)日本規格協会
題：高電圧工学 3版改訂 著者：河村達雄 出版：(社)電気学会	題：パルスパワー技術とその応用 著者：柳父　悟 出版：�潟Iーム社

　上記の書籍は、インパルス電圧に係わらず、インパルス電圧の応用を始めとし、インパルス電流、交流電圧、パルス電圧、放電現象、絶縁工学など、かなり有意義な内容が掲載されております。どれか一冊でも読み始めると、高電圧の興味も深まることと思っております。