JP2010286441A - 避雷器の劣化診断方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】避雷器の非線形抵抗素子の劣化を診断し、非線形抵抗素子のひび割れを未然に防止する。
【解決手段】所定の諸元を有する雷電流が避雷器に流れたと仮定したとき、このときの非線形抵抗素子の熱応力σと半径方向の伸びΔｒとの積で表される破断エネルギーＱの最大値が管理値Ｑ_Lを超えていれば、その諸元値の雷電流により非線形抵抗素子にひび割れが生じる恐れがあると判別する。
【選択図】図１１

Description

本発明は、非線形抵抗素子を有する避雷器の劣化診断方法及び装置に関する。

非線形抵抗素子（以下、単に素子と言う。）は、通常電圧に対しては高抵抗を示して絶縁体として機能し、異常電圧（雷サージ等の高電圧）に対しては低抵抗を示して導電体として機能する。かかる素子を有する避雷器を発電所等の設備に設置すれば、平時は素子が高抵抗値となって通常の対地電圧を遮断し、雷サージによる異常電圧が発生すると素子が低抵抗値となって雷電流を瞬時に大地へ逃がすことができる。このような素子の弁作用により、避雷器の周辺設備を落雷から保護している。

素子が劣化すると、雷撃によりひび割れ等の損傷が生じ、雷電流を逃がす機能を十分に発揮できずに周辺設備が損傷する恐れがある。このため、定期的に素子の劣化状況を診断して、必要に応じて素子を交換する必要がある。例えば、特許文献１では、避雷器に流れる全漏れ電流（通常電圧時に避雷器内を流れる電流）を測定し、この測定値に基づいて避雷器（素子）の劣化を診断する方法が示されている。

特開２００５−１９５４０５号公報

しかし、上記の特許文献１に示されているように避雷器内を流れる全漏れ電流の測定値に基づく劣化診断方法では、その閾値の設定基準が必ずしも明確ではなく、素子の劣化を正確に診断できるとは言えなかった。

本発明は、素子の劣化を正確に診断し、雷撃による素子のひび割れの発生を未然に防止することを課題とする。

本発明者は、雷撃による素子の損傷（ひび割れ）のメカニズムを解明すべく、以下のような検証を行った。

雷撃による素子のひび割れは、素子の表面に形成された溶損による開口又は軟化を起点として円周方向に発生することが多い。特に、図４に示すように溶損Ｐが素子１０の中心からオフセットした位置（図示例では外周付近）に形成された場合は、図１に示すように溶損Ｐが素子１０の中心に形成された場合と比べて、ひび割れＬが生じやすい。そこで本発明者は、円柱状の素子を一様に温度上昇させたとき、半径ｒの位置における半径方向の伸びΔｒ、及び半径方向の熱応力σをシミュレーション解析した。素子１０の中心に溶損Ｐが形成された場合（図１参照）のシミュレーション結果を図２及び図３に示し、素子１０の外周部付近に溶損Ｐが形成された場合（図４参照）のシミュレーション結果を図５及び図６に示す。尚、このシミュレーションでは、素子１０の温度上昇θ＝１３０℃、溶損Ｐの半径ｒ_m＝０．３ｃｍ、素子１０のヤング率Ｅ＝１０９ＧＰａ、線膨張係数μ＝５．３×１０^-6とし、溶損Ｐの中心と素子の中心との距離ｍは、図１では０、図４では３．６ｃｍとした。

図２及び図５のシミュレーション結果より、何れの場合も半径方向の最大熱応力σ_maxは同程度である（約８０ＭＰａ）。一方、溶損Ｐの形成箇所における半径方向の伸びΔｒは、溶損Ｐが中心部に形成された場合（図２参照）はほとんど０（約−２μｍ）であるが、溶損Ｐが外周付近に形成された場合（図５参照）は非常に大きな値（約−３０μｍ）を示している。このことから、素子にひび割れが発生するか否かは、素子の半径方向の最大熱応力σ_maxだけでなく、素子の半径方向の伸びΔｒが影響していると言える。図３及び図６に示すように、素子の半径方向の熱応力σと半径方向の伸びΔｒとの積で表される破断エネルギーＱをプロットすると、溶損Ｐが中心部に形成された場合（図３参照）は破断エネルギーＱが全体的に小さくなっているが、溶損Ｐが外周付近に形成された場合（図６参照）は溶損Ｐ形成部で破断エネルギーＱが非常に大きくなっている。このことから、破断エネルギーＱの最大値が管理値Ｑ_Lを超えていれば、雷撃によりひび割れが生じる恐れがあると言える。尚、このときの破断エネルギーＱは、雷撃が素子を破断するときに行う仕事量と解釈することができる。また、図３及び図６には、引張応力による破断エネルギーＱのみを示しているが、これは、一般に素子を形成する材料（酸化亜鉛等）は圧縮応力には強いが引張応力には弱いため、引張応力で素子の強度を判断すれば足りると考えたからである。

従って、雷が落ちたと仮定したとき、素子の熱応力σと伸びΔｒとの積で表される破断エネルギーＱに基づいて素子の劣化を診断することで、その諸元の雷撃により素子にひび割れが生じるか否かを正確に判別することができる。

雷撃時の素子内部における温度分布はおおよそ一様となっているため、雷撃時の温度上昇θを一定とすると、素子の熱応力σ及び半径方向の伸びΔｒは、下記の数式１及び数式２で表される。これらの数式から、破断エネルギーＱは下記の数式３で表される。

尚、上記の数式における各符号の意味は以下の通りである。
Ｅ：素子のヤング率
μ：素子の平均線膨張係数
θ：温度上昇
ｒ：中心からの距離
ｒ₁：素子の半径
ｃ：素子の比熱
ρ：素子の密度
ρ_R：素子の固有抵抗
Ｉ：雷撃電流の大きさ
Δｔ：雷撃時間

一方、素子の温度Ｔｓ、ヤング率Ｅ、線膨張係数μ、及び通常電圧時に素子を流れる漏れ電流ｉを測定し、図７及び図８に示すようにプロットすると、漏れ電流ｉの増加に伴って、すなわち素子の劣化の進行に伴って、素子のヤング率Ｅ及び線膨張係数μの何れも増加することが分かる。このことから、上記数式３における破断エネルギーＱの係数であるＥμ²を漏れ電流ｉに対してプロットすると、図９に示すように、漏れ電流ｉの増加に伴って、すなわち素子の劣化の進行に伴って、Ｅμ²が増加し、破断エネルギーＱが大きくなる。

以上より、非線形抵抗素子の温度Ｔｓ、ヤング率Ｅ、及び漏れ電流ｉの関係式と、非線形抵抗素子の温度Ｔｓ、線膨張係数μ、及び漏れ電流ｉの関係式を事前に求めるステップと、非線形抵抗素子の実際の漏れ電流ｉ’及びそのときの周辺温度Ｔを測定し、これらの測定値に基づいて雷撃時の非線形抵抗素子の温度Ｔｓ’を算出するステップと、前記漏れ電流ｉ’及び前記測定温度Ｔｓ’と、事前に求めた前記関係式とに基づいて、前記測定温度Ｔｓ’における非線形抵抗素子のヤング率Ｅ’及び線膨張係数μ’を算出するステップと、算出したヤング率Ｅ’及び線膨張係数μ’に基づいて破断エネルギーＱを算出するステップと、算出した破断エネルギーＱの最大値と予め定めた管理値Ｑ_Lとを比較するステップとを順に経ることで、避雷器の劣化診断を行うことができる。

以上のように、破断エネルギーＱに基づいて素子の劣化を診断することにより、避雷器の劣化状態をより正確に診断することができる。

中心に溶損が形成された素子の平面図である。 図１のａ−ａ’線における半径方向の伸びΔｒ及び熱応力σを示すグラフである。 図１のａ−ａ’線における破断エネルギーＱを示すグラフである。 中心からオフセットした位置に溶損が形成された素子の平面図である。 図４のｂ−ｂ’線における半径方向の伸びΔｒ及び熱応力σを示すグラフである。 図４のｂ−ｂ’線における破断エネルギーＱを示すグラフである。 素子を流れる電流ｉと素子のヤング率Ｅとの関係を示すグラフである。 素子を流れる電流ｉと素子の平均線膨張係数μとの関係を示すグラフである。 素子を流れる電流ｉとＥμ²との関係を示すグラフである。 避雷器の部分切り欠き正面図である。 素子の劣化診断方法を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態を説明する。

避雷器１は、例えば図１０に示すように、円柱状の素子１０を積層した積層体１１と、積層体１１の外周を覆った円筒状の絶縁カバー２０とを有し、一端側を発電設備（図示省略）等の電線に接続すると共に、他端側を接地した状態で配置される。

素子１０は、例えば酸化亜鉛（ＺｎＯ）を主成分とし、Ｂｉ₂Ｏ₃等の添加物を加えた焼結体で構成され、具体的には、多数のＺｎＯ粒子と、それらＺｎＯ粒子間に形成されたＢｉ₂Ｏ₃等の粒界層からなる多結晶質酸化物で構成される。素子１０は、図７に示すように隙間無く積層してもよいし、隙間を介して、あるいは金属板等の通電部材を介して積層してもよい。

絶縁カバー２０は、磁器や、弾性を有するポリマー、あるいはＥＰＤＭ等の絶縁材料で形成される。絶縁カバー２０は、図７に示すように積層体１１の外周面に被着してもよいし、積層体１１の外周面と隙間を介して配してもよい。

次に、上記構成の避雷器の劣化診断方法及び劣化診断装置を、図１１のブロック図を用いて説明する。同図に示すように、本実施形態の劣化診断装置は、第１演算部１０１、第２演算部１０２、第３演算部１０３、第４演算部１０４、比較判別部１０５、及び劣化診断部１０６とを有する。この劣化診断装置による診断方法は、下記の（１）〜（４）に示すステップを経て行われる。

（１）ｉ−Ｅ特性及びｉ−μ特性の関係式の事前作成（第１演算部１０１）
まず、温度Ｔｓの素子に電流ｉを流したときのヤング率Ｅ及び線膨張係数μを事前に測定する。この測定は、例えば、避雷器１に組み込まれる素子１０と同種の材料、同様の形状で形成された素子に対して行われる。この測定値から、各温度Ｔｓ（本実施形態では１５０℃及び３５０℃）におけるＥとｉとの間の関係式（図７参照）、及び、μとｉとの間の関係式（図８参照）を作成する。尚、本実施形態では、劣化の進行に伴ってｉが大きくなる、いわゆる第１世代の素子の場合を示しているが、本発明は、劣化の進行に伴ってｉが小さくなる、いわゆる第２世代の素子を用いた避雷器にも適用可能である。

（２）雷撃時における素子の温度Ｔｓ’の算出（第２演算部１０２）
次に、避雷器１の素子１０の漏れ電流ｉ’及び周辺温度Ｔを測定する。このｉ’及びＴの測定値と、雷サージの諸元値（雷撃電流の大きさＩ、及び雷撃時間Δｔ）と、上記の数式１〜３とから、雷撃時における素子１０の温度Ｔｓ’を算出する。尚、このとき測定する漏れ電流ｉ’は、避雷器全体を流れる全漏れ電流でも良いし、素子を流れる抵抗分漏れ電流でも良い。

（３）雷撃時におけるＥ’及びμ’の算出（第３演算部１０３）
各温度ＴｓにおけるＥ−ｉ特性のグラフ（図７参照）及びμ−ｉ特性のグラフ（図８参照）から、上記算出温度Ｔｓ’に相当するグラフを選択する。当該算出温度Ｔｓ’に相当するグラフが無い場合は、その前後の温度におけるグラフから予測して算出する。こうして選択したグラフの関係式に、測定した漏れ電流ｉ’を代入し、雷撃時におけるＥ’及びμ’を算出する。

（４）Ｑの算出（第４演算部１０４）、ＱとＱ_Lとの比較（比較判別部１０５）、及び素子の劣化診断（劣化診断部１０６）
こうして算出したＥ’及びμ’を上記の数式３に代入し、雷撃時における破断エネルギーＱを算出する。この破断エネルギーＱの最大値を予め定めた管理値Ｑ_Lと比較し、その比較判別結果に基づいて素子１０の劣化状態が診断される。具体的には、破断エネルギーＱに所定の安全率αをかけた値がＱ_Lよりも小さければ（Ｑ・α＜Ｑ_L）、素子１０の劣化は許容範囲内と診断され、Ｑ・αがＱ_Lよりも大きければ（Ｑ・α＞Ｑ_L）素子１０は劣化が進み、雷撃時にひび割れが生じる恐れがあると診断される。

尚、管理値Ｑ_Lは、最大熱応力σ_maxが素子１０の最小引張強度Ｓｆｔであるとして算出することができる。例えば、各諸元値が下記の場合、管理値Ｑ_Lは９（ｋＪ／ｍ₂）となる。
Ｅ：１０７（ＧＰａ）
μ：０．０００００５９（１／℃）
ｒ₁：０．０５（ｍ）
Ｓｆｔ：２００（ＭＰａ）

１ 避雷器
１０ 非線形抵抗素子
１１ 積層体
２０ 絶縁カバー

Claims (3)

1. 非線形抵抗素子を有する避雷器の劣化診断を行う方法であって、
   非線形抵抗素子の熱応力σと伸びΔｒとの積で表される破断エネルギーをＱとしたとき、雷が落ちたと仮定したときにおける非線形抵抗素子の破断エネルギーＱに基づいて、非線形抵抗素子の劣化状況を診断する避雷器の劣化診断方法。
2. 非線形抵抗素子の温度Ｔｓ、ヤング率Ｅ、及び漏れ電流ｉの関係式と、非線形抵抗素子の温度Ｔｓ、線膨張係数μ、及び漏れ電流ｉの関係式を事前に求めるステップと、
   非線形抵抗素子の実際の漏れ電流ｉ’及びそのときの周辺温度Ｔを測定し、これらの測定値に基づいて雷撃時の非線形抵抗素子の温度Ｔｓ’を算出するステップと、
   前記漏れ電流ｉ’及び前記測定温度Ｔｓ’と、事前に求めた前記関係式とに基づいて、前記測定温度Ｔｓ’における非線形抵抗素子のヤング率Ｅ’及び線膨張係数μ’を算出するステップと、
   算出したヤング率Ｅ’及び線膨張係数μ’に基づいて破断エネルギーＱを算出するステップと、
   算出した破断エネルギーＱの最大値と、予め定めた管理値Ｑ_Lとを比較するステップとを有する請求項１記載の避雷器の劣化診断方法。
3. 非線形抵抗素子を有する避雷器の劣化診断を行う装置であって、
   非線形抵抗素子の温度Ｔｓ、ヤング率Ｅ、及び漏れ電流ｉの関係式と、非線形抵抗素子の温度Ｔｓ、線膨張係数μ、及び漏れ電流ｉの関係式を事前に求める第１演算部と、
   非線形抵抗素子の実際の漏れ電流ｉ’及びそのときの周辺温度Ｔの測定値に基づいて、雷撃時の非線形抵抗素子の温度Ｔｓ’を算出する第２演算部と、
   第１演算部で求めた関係式と、前記漏れ電流ｉ’の測定値と、第２演算部で求めた雷撃時の非線形抵抗素子の温度Ｔｓ’とに基づいて、温度Ｔｓ’における非線形抵抗素子のヤング率Ｅ’及び線膨張係数μ’を算出する第３演算部と、
   第３演算部で算出したヤング率Ｅ’及び線膨張係数μ’に基づいて、非線形抵抗素子の半径方向の熱応力σと半径方向の伸びΔｒとの積で表される破断エネルギーＱを算出する第４演算部と、
   第４演算部で算出した破断エネルギーＱの最大値と、予め定めた管理値Ｑ_Lとを比較する比較判別部と、
   比較判別部の判別結果に基づいて非線形抵抗素子の劣化状況を診断する劣化診断部とを有する避雷器の劣化診断装置。

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