教えて!モリブデン避雷器

モリブデンとは

モリブデンという希少金属です。 原産国はアメリカ、カナダ、チリ(3国で世界の80%~90%を占めている)
特徴
・非常に硬い金属のため、加工が難しい。
・融点が2620℃と熱に強く、溶着しにくい。
・熱膨張率が低い。
・常温では耐酸性に優れている。
・電気抵抗率が低く、銅に匹敵するほど電気を通し易い。
・電気を通しやすい反面、熱により発生する酸化皮膜は高絶縁体。

モリブデン避雷器

モリブデン避雷器は避雷器の3要素である
静電容量が小さい
応答速度がきわめて速い(電気抵抗率は銅に匹敵するほど電気を通し易い。)
更に今までのサージ吸収素子にない自復作用がある

モリブデン避雷器の誕生

四国の高知市に住む大森清太氏が、1984年に行ったある実験から生まれました。 大森氏はある時、モリブデンの融点は摂氏2620度だから、安心して電流を流したところ赤熱したと思ったらモリブデン線から紫白色の煙がゆらゆらと上がってまもなく白色の灰になってしまいました。 ここからが大森氏の研究者たるゆえんですが、この灰、即ち酸化モリブデン(MoO₃)が測定により高性能の半導体であることが判明します。そこで、モリブデンの表面にMoO₃の皮膜を作れば避雷器に必要な弁作用が 生まれることを発見します。 即ち、電力会社から送られてくる電流は大地に逃さないが、雷のような特殊な電流は大地に逃すという弁作用の発見です。 そして、1995年モリブデン避雷器として製品化に成功し1996年特許を取得しました。 その当時、大森氏より技術提携先㈲ベクトルに製法技術を伝授いただき、㈲日本雷研より発売するに至りました。 これまでその優秀なモリブデン避雷器の性能が皆様に認められ全国約5000カ所以上で 設置され活躍しております。

モリブデン避雷器の用途

こんな現場にお勧めです。 激雷地区
雷被害が極端に多い場所に設置されると、避雷器が壊れるたびに交換していた労力が軽減されます。
点検困難な現場
長寿命ですので、山奥や積雪や高所で、行くことが困難な現場への交通・メンテナンス費用が軽減されます。
◎陸上無線中継所  ◎放送局、中継所 ◎お天気カメラ  ◎監視カメラ ◎ビル管理システム ◎地震観測所   ◎気象公害観測所 ◎ゴルフ場

これまでの主なご採用先(技術提携先の日本雷研ブランド含む)

☆日本放送協会(NHK)  ☆民間放送局  ☆防衛庁  ☆海上保安庁  ☆警察庁 ☆各県消防防災  ☆NTTドコモ関西  ☆NTTドコモ四国  ☆研究所  ☆病院 ☆市町村水道施設、防災無線  ☆セキュリティ会社 —約8000カ所以上—

モリブデン避雷器の原理

構造
電極素材の”モリブデン(Mo)”は、融点が高く容易に溶融しにくく、常温では耐酸性に優れた材質です。 絶縁体である”酸化モリブデン(MoO₃)”で皮膜を形成し、マイクロ単位で電極ペレットを接近させた構造です。 図のように、電子機器のラインと接地(Earth)との間にSPD(Surge Protection Device)避雷器として設置します。
応答速度
電極のギャップ間にある酸化モリブデン(MoO₃)は、極微量の電流から放電をはじめる特性(Junction Leader)を持っており、 いつ大きな雷サージが来ても速やかに通過できるように、常時準備をしている状態にあります。 応答速度が速いということは、雷サージによる電子機器への負担を軽減する能力が高いということです。
自復作用
酸化モリブデン(MoO₃)は破壊されても弁作用のようにエネルギー(electric arc)を一瞬に放出させることで、自動的に皮膜の修復をおこない再び雷サージを遮断できる状態になります。 この自復作用により避雷器のサージ吸収素子が劣化しにくくなり、酸化亜鉛式素子などに比べ長寿命化しています。 また、モリブデン避雷器は放射性物質を使わない構造の避雷器です。

モリブデン避雷器の弁作用について

弁作用とは 商用電圧によって加電されている回路において、雷電圧が印加した際に雷電流に便乗して流れようとする商用電流(続流)をストップさせ、雷電流のみ大地へ逃がす作用を弁作用(Valve Action)と云います。 ◎従来型避雷器の弁作用 一種の抵抗体(電流が流れにくい物質)Rからなり、雷電流iが流れると制限電圧iR=eの電圧が商用電圧に逆らう形に作用します。これが従来型避雷器の弁作用で酸化亜鉛式はこの応用です。
モリブデン避雷器の弁作用 一方モリブデン避雷器の方は”モリブデン”と云う金属を使用します。 モリブデンの抵抗値は0.048Ωmm2/mで電流をよく通す電気良導体です。 (因みに銅は0.039Ωmm2/m) そこでモリブデンの表面に酸化モリブデンMoO₃の皮膜を形成させることで絶縁体となります。 常時は、モリブデン表面の酸化モリブデンMoO₃による絶縁体ですが、放電開始電圧以上の雷電流が通過する時にはMoO₃の絶縁皮膜が剥がれます。(絶縁破壊) するとモリブデンは本来の電気良導体となり、高速で雷エネルギーを大地へ逃がします。 そして、その時放出されるエネルギーを使ってMoO₃の皮膜を再生し、再び絶縁体になります。(自復作用) 以上の様にモリブデン避雷器は、従来型避雷器の制限電圧による弁作用ではなく、絶縁体→電気良導体→絶縁体と云う過程による弁作用です。

モリブデン避雷器の制限電圧について

制限電圧とは サージ吸収器の放電中、サージ電圧が制限されて両端子間に残留する電圧であって、インパルス電流の波高値および波形によって定まります。 従来の抵抗式(酸化亜鉛バリスタなど)は、インパルス電流による制限電圧を設けないと続流を遮断することができない特性を持っています。 モリブデン避雷器はインパルス電流を投入した時、内部抵抗は0.2Ωになりエネルギーを瞬時に放出し、再び無限大となる特性のため、続流は関係なく制限電圧を設ける必要がないことになります。

モリブデン避雷器のサージ耐量(放電耐量)について

サージ耐量とは サージ吸収器が実質上障害を起すことなく、所定の回数だけ流し得る所定波形のサージ電流波高値の最大限度を云います。 雷の直撃雷と誘電雷とでは、そのエネルギーの大きさは想像できない程の開きがあります。電力業界では10kA以上のエネルギーについては直撃雷と云う位置付けで対応しています。 しかし、モリブデン避雷器はあくまでも誘導雷を対象に次の算式を基に論理値で20kAとしています。
実験投入電圧値/MoLAの内部抵抗値=4,400[V]÷0.2[Ω]=約20,000[A]
モリブデン避雷器の場合、弁作用によりエネルギーを一気に放出する構造でどのようなサージ電圧であっても抵抗値は金属そのものの内部抵抗値(約0.2Ω)で放出することになります。

モリブデン避雷器の超高速応答速度について

応答速度とは モリブデンサージ吸収素子(MoLA)の応答速度は極めて速く、実際にはns(ナノ秒)オーダーあるいは、それよりも速い応答速度を持つものと考えられています。 しかしながら、現在この領域の測定は非常に困難です。 実際の使用においては、様々な防護ケースに収納されたり、電極やリード線も取り付けられています。 使用する場所によって周囲の様子が大きく異なることになります。
※2019年現在、応答速度はJIS規格にて定義されておらず、弊社では記載することを中止致します。 同じ製品でもサージ波形によって速度が変わるため、お客様に混乱を招くと判断致しました。
◎説明 仕様書の表現に際しましては、右の写真1と2にて実力値としています。 弊社では、屋内での通過サージは最高20ns(ナノ秒)と考えていますので、余裕をみて10ns(ナノ秒)あれば超高速応答といえます。 写真1はラインに投入するサージ波形です。 写真1はそのラインにモリブデンサージ吸収素子(MoLA)を挿入した場合の波形です。 4.4kVで投入したサージ電圧は、ピーク値2.7kVのところで放電しています。 その時間軸の位置が1マス0.02μs(マイクロ秒)の1/5のところにあるので0.02μs/5にて0.004μs(マイクロ秒)、すなわち4ns(ナノ秒)としてご使用頂いております。 ◎測定環境

モリブデン避雷器の極微小静電容量について

極微小静電容量の必要性 静電容量は、電極板の面積と電極間の距離およびその電極間の誘電体によって決まります。 静電容量を大きくするためには、当然電極の面積を広くすることになります。 酸化亜鉛素子においては、サージ電流耐量を多くするために面積を広くすれば良いことになりますが、通信機の場合、信号形態がパルス信号のため静電容量が増えると影響が大きくなり、使用できません。 参考値:酸化亜鉛方式避雷器の場合、20kAタイプにて約2400μF
ギャップ方式の場合、10kAタイプにて約3pF
モリブデン方式の場合、20kAタイプにて約0.4pF、40kAタイプにて約4pF
一般的には、サージ電流耐量を大きくすると、静電容量が多くなるのに対して、モリブデン式は逆に小さく増えない構造になっています。 なぜ、モリブデン方式は極微少静電容量なのか 構造は、極めて簡単で円柱を積み重ねているだけです。 つまり、接合部分は酸化皮膜が線接触していて面接触ではないため極めて少なく、更に、動作電圧が高ければモリブデンのペレットが増える(積み重ねを増す)ことになりさらに静電容量はコンデンサーの直列接続の計算と同じで、小さくなります。 通信回路におきましては、通常では10pFまであれば対応できますが、条件が大サージ電流耐量で、超高速応答速度、超高周波となると静電容量は少ないことが有効となります。

モリブデン避雷器の無続流について

続流、無続流について 素子に雷サージを印加すると高インピーダンス状態から低インピーダンス状態となり、アースとバイパスになることでアースに雷サージを逃がします。 この原理で機器を保護するのですが、雷サージが通過後でも低インピーダンス状態から高インピーダンス状態に戻れない状態を続流と言い、この続流が機器に悪影響を与えることもあります。 モリブデン素子は無続流、つまり続流を起こさない素子ですので、機器への負担を軽減することができます。