JP2007005383A - イオン移動の認識方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高額な電子顕微鏡やエックス線アナライザーを使用することなく、簡便な手段により、無課電状態における素子内部のイオン移動状況を把握する。
【解決手段】 特性パラメータとしての抵抗漏れ電流ｉｒが劣化により経時的に変化する避雷器の限流素子について、その素子温度を一定に保持した状態で、前記限流素子への課電と無課電をその無課電時間ｔ_r1，ｔ_r2，ｔ_r3を異ならせながら繰り返し、その課電時に限流素子に流れる抵抗漏れ電流ｉｒの変化を測定することにより、各無課電時間ｔ_r1，ｔ_r2，ｔ_r3が異なることによって現出した抵抗漏れ電流ｉｒの変化に基づいて無課電時の素子内部におけるイオン移動の状況を把握する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、例えば、酸化亜鉛を主成分とする限流素子で構成された避雷器に対して、経時的な劣化の程度により現出した漏れ電流の変化に基づいて限流素子内部でのイオン移動状況を把握するイオン移動の認識方法に関する。

例えば変電所などに設置される避雷器は、落雷による雷サージや、開閉器、遮断器などの入り切りによる開閉サージに起因して異常電圧が発生した際にその周辺設備をサージから保護するものである。

この避雷器は、サージ電圧に対しては低抵抗、通常の対地電圧に対しては高抵抗を示す非直線性の電流電圧特性を有する酸化亜鉛（ＺｎＯ）を主成分とする複数の限流素子を積層し、その積層体の外周面に、弾性を有するポリマーやＥＰＤＭ等の絶縁外被体を被着した構造を有する。

雷サージや開閉サージによる異常電圧が発生すると、サージ電流が限流素子を介して大地へ流れる。このとき、異常電圧に対して限流素子が低抵抗値となってこれを瞬時に大地に逃がし、その異常電圧が消滅すれば、限流素子が高抵抗値となって通常の対地電圧を遮断する。この弁作用により、変電所に設置された避雷器の周辺設備を保護している。

この避雷器では、課電時の初期において、抵抗漏れ電流が一旦減少し、その課電時間の経過と共に増大する性質を有する。この課電初期において、抵抗漏れ電流が減少するのは、限流素子内部に存在する酸素イオンが課電中に拡散して外部へ放出されるためである。なお、この酸素イオンは、無課電中に外部から限流素子内部に吸収される。この酸素イオンが拡散して外部へ放出されることにより、抵抗漏れ電流は、課電時間と共に指数関数的に減少する。一方、課電時間の経過と共に抵抗漏れ電流が増大するのは、限流素子内部の亜鉛イオンがその濃度勾配に比例して拡散するためである。この亜鉛イオンが拡散することにより、抵抗漏れ電流は、課電時間と共にその課電時間の平方根に比例して増大する。

前述したように、この避雷器では、課電初期において、限流素子内部に存在する酸素イオンが拡散して外部へ放出されることにより、抵抗漏れ電流が指数関数的に一旦減少し、その課電時間の経過と共に、限流素子内部の亜鉛イオンがその濃度勾配に比例して拡散することにより、抵抗漏れ電流が課電時間の平方根に比例して増大する。

このように限流素子の内部では、課電中に酸素イオンや亜鉛イオンが移動するが、このイオン移動状況を把握するためには、従来、電子顕微鏡などにより限流素子の素材の組成変化を観察したり、あるいは、エックス線アナライザーなどによって素材からの反射信号を解析して組成変化を観察したりする手段が講じられていた。

しかしながら、限流素子内部のイオン移動状況を把握するために、高額な電子顕微鏡やエックス線アナライザーを使用しなければならず、専門的な解析技術を必要とする。また、無課電状態における限流素子内部のイオン移動状況を把握することが困難であった。

そこで、本発明は、前述の問題点に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、高額な電子顕微鏡やエックス線アナライザーを使用することなく、簡便な手段により、無課電状態における素子内部のイオン移動状況を把握し得るイオン移動の認識方法を提供することにある。

前述の目的を達成するための技術的手段として、本発明は、特性パラメータとしての所定電流が劣化により経時的に変化する素子について、その素子温度を一定に保持した状態で、前記素子への課電と無課電をその無課電時間を異ならせながら繰り返し、その課電時に素子に流れる前記所定電流の変化を測定することにより、各無課電時間が異なることによって現出した所定電流の変化に基づいて無課電時の素子内部におけるイオン移動の状況を把握することを特徴とする。

ここで、素子としては、例えば酸化亜鉛を主成分とする限流素子が適用可能であり、その限流素子で構成された避雷器を、イオン移動状況を把握するための対象物とする。この避雷器の限流素子を使用する場合、特性パラメータとしての所定電流を抵抗漏れ電流とすればよい。なお、この抵抗漏れ電流は、容量漏れ電流を加えることにより全漏れ電流となることから、この全漏れ電流は抵抗漏れ電流に比例するため、抵抗漏れ電流の代わりに全漏れ電流を特性パラメータとしての所定電流とすることも可能である。また、第一世代と称される避雷器においては、抵抗漏れ電流が課電時間と共に増大する特性を有するが、第二世代と称される避雷器においては、抵抗漏れ電流が課電時間と共に減衰する特性を有する。本発明は、第一世代あるいは第二世代のいずれの避雷器においても適用可能である。

本発明を、限流素子を具備した避雷器に適用した場合、まず、密閉性の高い恒温槽内に限流素子を設置することによりその限流素子温度を一定に保持する。この状態で限流素子への課電と無課電を繰り返す。つまり、限流素子に所定の電圧を印加すると、無課電で平衡状態にあった素子内部が不平衡状態となってその素子内部でイオン移動が発生し、次に、限流素子への電圧印加を停止すると、素子内部でのイオンが元の平衡状態に戻ろうとする。

このようにして限流素子への課電と無課電を繰り返すに際して、無課電時間を異ならせることにより、課電時に限流素子に流れる抵抗漏れ電流が変化する。この抵抗漏れ電流を測定することにより、各無課電時間が異なることにより現出した抵抗漏れ電流の変化に基づいて、無課電時にイオン移動がどのような状況で発生しているかを把握することができる。なお、課電時におけるイオン移動については、その課電時での抵抗漏れ電流の増減から直接的に把握することが可能である。

本発明は、前述したように避雷器を構成する限流素子に適用する以外に、電子部品であるダイオードにも適用可能であり、この場合、特性パラメータとしての所定電流を逆電流とすればよい。

本発明によれば、特性パラメータとしての所定電流が劣化により経時的に変化する素子について、その素子温度を一定に保持した状態で、前記素子への課電と無課電をその無課電時間を異ならせながら繰り返し、その課電時に素子に流れる前記所定電流の変化を測定することにより、各無課電時間が異なることによって現出した所定電流の変化に基づいて無課電時の素子内部におけるイオン移動の状況を把握するので、高額な電子顕微鏡やエックス線アナライザーを使用することなく、簡便な手段により、無課電状態における素子内部のイオン移動状況を把握することができ、その実用的価値は大きい。

本発明の実施形態を詳述する。以下の実施形態では、特性パラメータとしての所定電流が劣化により経時的に変化する素子として、酸化亜鉛を主成分とする限流素子を適用し、その限流素子で構成された避雷器を、イオン移動状況を把握するための対象物とする。この場合、特性パラメータとしての所定電流を抵抗漏れ電流とする。また、この実施形態では、抵抗漏れ電流が課電時間と共に増加する限流素子で構成された避雷器（第一世代）を対象とする。

この実施形態で使用する避雷器１は、図１（ａ）に示すようにサージ電圧に対しては低抵抗、通常の対地電圧に対しては高抵抗を示す非直線性の電流電圧特性を有する酸化亜鉛（ＺｎＯ）を主成分とする複数の限流素子２を積層し、その積層体〔同図（ｂ）参照〕の外周面を、弾性を有するポリマーやＥＰＤＭ等の絶縁外被体３で被覆した構造を有する。

この避雷器１では、雷サージや開閉サージによる異常電圧が発生すると、サージ電流が限流素子２を介して大地へ流れる。このとき、異常電圧に対して限流素子２が低抵抗値となってこれを瞬時に大地に逃がし、その異常電圧が消滅すれば、限流素子２が高抵抗値となって通常の対地電圧を遮断する。この弁作用により、変電所に設置された避雷器１の周辺設備を保護している。

図２に示すように、この避雷器１の限流素子２を密閉性の高い恒温槽４内に設置することによりその限流素子温度を一定（例えば６５℃）に保持する。この状態で加速寿命試験により限流素子２への課電と無課電を繰り返す。この加速寿命試験では、恒温槽４内に設置された限流素子２について、その両端に取り付けれた電極５を介して、課電装置６内の交流定電圧源７から例えば３ｋＶの電圧を限流素子２に印加し、その課電中に発生した抵抗漏れ電流を課電装置６内の計測器８により測定する。

限流素子２への課電と無課電を繰り返すことにより、その限流素子２に流れる抵抗漏れ電流の特性を図３に示す。図３では、横軸を時間ｔ、縦軸を抵抗漏れ電流ｉｒとし、無課電時間ｔ_r1，ｔ_r2，ｔ_r3については、実際上、時間幅を有するが、抵抗漏れ電流ｉｒが流れないことから、都合上、時間幅がない状態で表している。

この限流素子２への課電と無課電の繰り返しにおいて、課電装置６の交流定電圧源７により恒温槽４内の限流素子２に所定電圧を印加すると、無課電で平衡状態にあった素子内部が不平衡状態となってその素子内部でイオン移動が発生し、次に、限流素子２への電圧印加を停止すると、素子内部でのイオンが元の平衡状態に戻ろうとする。つまり、図３に示すように課電時の初期において、抵抗漏れ電流ｉｒが一旦減少し、その課電時間ｔの経過と共に増大する。

ここで、図４は課電中における限流素子内部の電位障壁の模式図であり、図５は無課電中における限流素子内部の電位障壁の模式図である。限流素子内部は、空乏層となるＺｎＯ粒子とＢｉ₂Ｏ₃からなる粒界層で構成されている。

この課電初期において、抵抗漏れ電流ｉｒが減少するのは、図４に示すように限流素子２の内部に存在する酸素イオンが拡散して強制的に粒界層の界面に沿って外部へ放出されるためである。なお、酸素イオンは、無課電中に外部から限流素子２の内部に吸収される（図５参照）。この酸素イオンは、その反応速度が濃度に比例しながら放出あるいは吸収される。このように課電中に酸素イオンが拡散して外部へ放出されることにより、抵抗漏れ電流ｉｒは、課電時間ｔと共に指数関数的に減少する。つまり、この酸素イオンが拡散して放出されることによる抵抗漏れ電流ｉｒは、その初期値をｉｒ_dn、課電時間をｔとすると、ｉｒ＝ｉｒ_dn・ｅ^-H・^tの関係式（Ｈは係数、ｎ＝０，１，２，‥）を満足するように課電時間ｔと共に減少する。

一方、課電時間ｔの経過と共に抵抗漏れ電流ｉｒが増大するのは、図４に示すように限流素子内部の亜鉛イオンが強制的に粒界層の界面方向へ拡散するためである。なお、亜鉛イオンは、無課電中に粒界層の界面方向と反対方向へ拡散して元の状態に戻る。このように課電中に亜鉛イオンが粒界層の界面方向へ拡散することにより、抵抗漏れ電流ｉｒは、課電時間ｔと共にその課電時間ｔの平方根に比例して増大する。つまり、この亜鉛イオンが拡散することによる抵抗漏れ電流ｉｒは、その初期値をｉｒ_0n、課電時間をｔとすると、抵抗漏れ電流ｉｒは、ｉｒ＝ｉｒ_0n（１＋ｈ√ｔ）の関係式（ｈは係数，ｎ＝０，１，２，‥）を満足するように課電時間ｔと共に上昇する。

このようにして限流素子２への課電と無課電を繰り返すに際して、無課電時間ｔ_r1，ｔ_r2，ｔ_r3を異ならせることにより、課電時に限流素子２に流れる抵抗漏れ電流ｉｒが変化する。この抵抗漏れ電流ｉｒを課電装置６内の計測器８で測定することにより、各無課電時間ｔ_r1，ｔ_r2，ｔ_r3が異なることにより現出した抵抗漏れ電流ｉｒの変化に基づいて、無課電時にイオン移動がどのような状況で発生しているかを把握することができる。

つまり、各無課電時間ｔ_r1，ｔ_r2，ｔ_r3が異なることにより変化する抵抗漏れ電流ｉｒ₀₁，ｉｒ₀₂，ｉｒ₀₃に基づく無課電時におけるイオン移動状況を図６に示す。図６では、横軸を無課電時間ｔ_rの平方根とし、縦軸を抵抗漏れ電流ｉｒとする。図６に示すように抵抗漏れ電流ｉｒ₀₁，ｉｒ₀₂，ｉｒ₀₃が減少する傾向にあり、この場合、限流素子２の内部において亜鉛イオンが拡散して元の状態へ戻る状況を把握することができる。

また、各無課電時間ｔ_r1，ｔ_r2，ｔ_r3が異なることにより変化する抵抗漏れ電流ｉｒ_d1，ｉｒ_d2，ｉｒ_d3に基づく無課電時におけるイオン移動状況を図７に示す。図７では、横軸を無課電時間ｔ_rとし、縦軸を抵抗漏れ電流ｉｒとする。図７に示すように抵抗漏れ電流ｉｒ_d1，ｉｒ_d2，ｉｒ_d3が増加する傾向にあり、この場合、酸素イオンが限流素子２の外部から内部へ吸収される状況を把握することができる。

前述した抵抗漏れ電流ｉｒ₀₁，ｉｒ₀₂，ｉｒ₀₃およびｉｒ_d1，ｉｒ_d2，ｉｒ_d3は、図３に示すように抵抗漏れ電流ｉｒ₁，ｉｒ₂，ｉｒ₃を課電装置６内の計測器８により実際に測定し、その抵抗漏れ電流ｉｒ₁，ｉｒ₂，ｉｒ₃から割り出すことにより求められる。つまり、抵抗漏れ電流ｉｒ₀₁，ｉｒ₀₂，ｉｒ₀₃については、ｉｒ＝ｉｒ_0n（１＋ｈ√ｔ）の関係式において課電時間ｔ＝０の時の値として求められ、抵抗漏れ電流ｉｒ_d1，ｉｒ_d2，ｉｒ_d3については、測定値である抵抗漏れ電流ｉｒ₁，ｉｒ₂，ｉｒ₃と前述の抵抗漏れ電流ｉｒ₀₁，ｉｒ₀₂，ｉｒ₀₃との差として求められる（図３参照）。

なお、課電時におけるイオン移動については、その課電時での抵抗漏れ電流ｉｒの増減から直接的に把握することが可能である。つまり、前述したように抵抗漏れ電流ｉｒが減少する場合には、酸素イオンが外部へ放出する状態にあり、抵抗漏れ電流ｉｒが増加する場合には、亜鉛イオンが拡散する状態にある。

（ａ）は避雷器を示す一部断面を含む正面図、（ｂ）は避雷器に内蔵された複数の限流素子を積層した状態を示す正面図である。 加速寿命試験において課電と無課電を繰り返す装置設備を示す概略構成図である。 限流素子への課電と無課電を繰り返すことにより、その限流素子に流れる抵抗漏れ電流を示す特性図である。 課電中における限流素子内部の電位障壁を示す模式図である。 無課電中における限流素子内部の電位障壁を示す模式図である。 各無課電時間が異なることにより変化する抵抗漏れ電流ｉｒ₀₁，ｉｒ₀₂，ｉｒ₀₃に基づく無課電時におけるイオン移動状況を示す特性図である。 各無課電時間が異なることにより変化する抵抗漏れ電流ｉｒ_d1，ｉｒ_d2，ｉｒ_d3に基づく無課電時におけるイオン移動状況を示す特性図である。

符号の説明

１ 避雷器
２ 限流素子
ｉｒ 抵抗漏れ電流

Claims (3)

1. 特性パラメータとしての所定電流が劣化により経時的に変化する素子について、その素子温度を一定に保持した状態で、前記素子への課電と無課電をその無課電時間を異ならせながら繰り返し、その課電時に素子に流れる前記所定電流の変化を測定することにより、各無課電時間が異なることによって現出した所定電流の変化に基づいて無課電時の素子内部におけるイオン移動の状況を把握することを特徴とするイオン移動の認識方法。
2. 前記素子は酸化亜鉛を主成分とする限流素子で、特性パラメータとしての所定電流を抵抗漏れ電流とした請求項１に記載のイオン移動の認識方法。
3. 前記素子は、抵抗漏れ電流が経時的に増大する特性を有する限流素子である請求項２に記載のイオン移動の認識方法。

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