JP2012209022A

JP2012209022A - 真空ギャップ付アレスタ

Info

Publication number: JP2012209022A
Application number: JP2011071594A
Authority: JP
Inventors: Tomoyuki Hikosaka; 知行彦坂; Masatoshi Nakajima; 昌俊中島
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2011-03-29
Filing date: 2011-03-29
Publication date: 2012-10-25

Description

本発明は真空ギャップ付アレスタに係り、特にサージ吸収手段として用いられる真空ギャップ付アレスタに関する。

回路のサージ吸収のために用いられるアレスタには、ギャップ付アレスタとギャップレスアレスタとがある。ギャップ付アレスタは、例えば特許文献１に記載された送電線用避雷装置が知られており、またギャップレスアレスタは、例えば特許文献２に記載されたサージアブソーバが知られている。

上記した特許文献１の送電線用避雷装置は、鉄塔に絶縁碍子を介して電力線を支持させると共に、絶縁碍子と並列に避雷要素部と直列ギャップの直列接続体を接続して使用するものである。この直列ギャップは、絶縁材製容器の内部に真空又は絶縁ガスを封入し、両端に一対の電極を設けたものである。

また、特許文献２のサージアブソーバは、交流や直流が印加される回路に使用するものである。この構造は、両端に一対の端子電極を有し、これら端子電極間にギャップが形成されたギャップ形のサージ吸収素子と、両端に一対の外部電極を有するバリスタの双方を、上下に重ねて絶縁性管体内に収容しており、絶縁性管体は両端をそれぞれ封止電極で封止し、内部に不活性ガスを満たしている。

ところで、電力系統におけるサージ吸収手段に望まれる主要な要件には、急峻なサージに対して動作遅れが少ないこと、制限電圧が低いこと、動作開始電圧が一定であることが挙げられる。実際の電力系統では、常時漏れ電流の発生を嫌ってギャップ付アレスタが用いられることが多いが、ギャップレスアレスタと比べると、時間応答特性が悪く、複数個のアレスタを並列に設置した場合には、各アレスタが同時に動作する並列動作もあまり期待できずにいる。

ギャップ付アレスタとギャップレスアレスタの双方の特性を比較してみると、次のような特徴がある。即ち、ギャップ付アレスタの放電特性は、急峻なサージに対して放電の時間遅れが生じるため、放電開始電圧の時間特性から絶縁協調を考慮する必要がある。これに対して、ギャップレスアレスタでは、急峻なサージに対しても動作遅れがあまりない。また、ギャップ付アレスタは、ギャップレスアレスタよりもサージ吸収素子の個数を少なくできるため制限電圧は低いが、ギャップレスアレスタではギャップ付アレスタよりもサージ吸収素子の個数が多いため、制限電圧が高くなる。

更に、ギャップ付アレスタは複数個を並列接続して使用する場合、それぞれのギャップの放電開始電圧を揃えることが困難なために、各アレスタが並列に動作せず、最初に動作したアレスタにサージ電流が集中してしまうことがある。これに対して、ギャップレスアレスタの複数個を並列接続する構造では、サージ吸収素子の組み合せを勘案してアレスタの動作開始電圧をそろえることで、並列動作が期待できる。

一般的に、図７に示す如く雷サージの波頭長は、気中沿面放電のＶ−ｔ特性（一点鎖線）、気中ギャップ放電のＶ−ｔ特性（二点鎖線）、真空中沿面放電のＶ−ｔ特性（実線）及び真空中ギャップ放電のＶ−ｔ特性（破線）のように、それぞれ１μｓ前後から１０μｓ程度までの領域でばらつくことが知られている。

アレスタは、急峻な雷サージに対しては図７に示すＶ−ｔ特性に基づき絶縁協調を考慮する必要があり、Ｖ−ｔ特性がなるべく平坦であることが望まれている。また、図７に示すように雷サージの波頭長１μｓ前後の時間領域において、気中ギャップや気中沿面ギャップよりも、真空中ギャップ或いは真空中沿面のＶ−ｔ特性は平坦であり、サージ吸収素子との組み合わせる上では好ましいが、この反面真空中での放電に特有のコンディショニング効果の問題がある。なお、コンディショニング効果は、電極部の微小な凹凸や真空容器壁に吸着された分子等の影響により、放電を繰り返すほど絶縁破壊電圧が上昇していき、数百回程度の放電を経た後はある絶縁破壊電圧値で収斂するという現象である。

特開平７−５７５７６号公報特許公報第２５１３１０５号

上記特許文献１の直列ギャップ付の送電線用避雷装置は、コンディショニング効果を解消するために、直列ギャップは内部に真空又は絶縁ガスを封入する絶縁材製容器内に一対の電極を配置した、所謂ロゴウスキー電極を採用している。しかし、この送電線用避雷装置の構成でも、絶縁破壊電圧を安定化するために必要な数百回のコンディショニング放電の回数が、数十回程度に低減される効果があると予想されるが、電力系統に使用するサージ吸収手段の要件の１つである放電遅れ時間の問題が解消されない恐れがある。

また、上記特許文献２のサージアブソーバでは、絶縁管体内に不活性ガスを満たすことで図７のＶ−ｔ特性を平坦にしようとしている。このサージアブソーバを電力系統に適用するためは、沿面の耐圧を少なくともｋＶ以上確保できるだけの大きさにする必要がある。しかし、サージアブソーバを仮に巨大なものにして沿面耐圧を確保できるようにすると、漏れ電流が発生し、これに伴って劣化が進展する問題が生じてくる。

通常、電力系統ではギャップ付アレスタの複数個を並列接続して使用するが、直撃雷を受けたときは各ギャップ付アレスタへサージ電流の分流効果が働かず、一番初めに動作した特定のギャップ付アレスタの１つだけが、エネルギー耐量を超えるサージを受けて破損する。この結果、電力系統に使用した並列接続構成のギャップ付アレスタ全体が使用不能になってしまう問題があった。

更にまた、構造の異なる各種の型式のガス絶縁開閉装置でもサージ吸収手段を設けているが、装置に内蔵させるサージ吸収手段は、より小形軽量化して全体の構成の小型化を損なわないようにすることが要求されている。

本発明の目的は、放電遅れ時間の低減と放電開始電圧の安定化が図れる真空ギャップ付アレスタを提供することにある。

また、本発明の他の目的は、ガス絶縁開閉装置に使用可能な小型で軽量化できる真空ギャップ付アレスタを提供することにある。

本発明の真空ギャップ付アレスタは、絶縁材製容器の上端面に高圧端子を設けかつ下端面に接地端子を設けて密封し、前記絶縁材製容器の内部に複数個のサージ吸収素子を積層して収納し、前記高圧端子と積層した前記サージ吸収素子間に予備放電ギャップと沿面放電ギャップを順に直列に組み合わせて配設し、前記絶縁材製容器の内部を真空雰囲気に維持して構成したことを特徴としている。

好ましくは、前記各サージ吸収素子は、前記高圧端子側の平坦面の一部と側面の一部に絶縁皮膜を施したことを特徴としており、また更に好ましくは、前記絶縁材製容器を貫通させて前記モニタリング端子を設け、前記モニタリング端子は前記高圧端子側の前記サージ吸収素子の平面と接続したことを特徴としている。

また、本発明の真空ギャップ付アレスタは、金属製容器の上端面に高圧端子を設けると共に下端面に接地端子を設けて密封し、前記金属製容器の内部に絶縁筒を用いて前記高圧端子側の平坦面の一部と側面の一部に絶縁皮膜を施した複数個のサージ吸収素子を積層して収納し、前記高圧端子と積層した前記サージ吸収素子間に予備放電ギャップと沿面放電ギャップを順に直列に組み合わせて配設し、前記金属製容器は内部を真空雰囲気に維持して構成したことを特徴としている。

本発明のように真空ギャップ付アレスタを構成すれば、真空雰囲気中の高圧端子と積層したサージ吸収素子間に、予備放電ギャップと沿面放電ギャップを順に直列に組み合わせて配設しているから、放電遅れ時間の低減と放電開始電圧の安定化が図れる効果がある。また、真空ギャップ付アレスタに過大なサージが侵入し、仮にサージ吸収素子が破壊した場合であっても、真空ギャップにより続流が遮断されるため短絡や地絡事故にはつながらない利点がある。

しかも、真空ギャップ付アレスタを並列に接続して使用する電力系統の場合は、並列に動作させることが可能になるからサージ電流の分流効果が期待でき、直撃雷を受けた場合にアレスタが破損する割合を抑えることができる。

また、本発明のように真空ギャップ付アレスタを構成すれば、サージ吸収素子の沿面耐圧強度を向上させて小型で軽量化できるため、ガス絶縁開閉装置に容易に内蔵させて使用することができる、装置全体の縮小化に効果がある。

（ａ）は本発明の一実施例である真空ギャップ付アレスタを示す概略縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。図１の等価回路図である。（ａ）及び（ｂ）は沿面放電電極の放電遅れ時間を低減する概念図である。（ａ）は本発明の真空ギャップ付アレスタに用いるサージ吸収素子の斜視図、（ｂ）は（ａ）のＢ部の縦断面図である。本発明の他の実施例である真空ギャップ付アレスタを示す概略縦断面図である。本発明の別の実施例である真空ギャップ付アレスタを示す概略縦断面図である。気中ギャップ、気中沿面ギャップ、真空中ギャップ及び真空中沿面ギャップにおけるＶ−ｔ特性例を示すグラフである。

本発明の真空ギャップ付アレスタは、上端面に高圧端子を設けると共に下端面に接地端子を設けて封鎖し、内部を真空雰囲気に維持する絶縁材製容器を用いている。この絶縁材製容器の内部に複数個のサージ吸収素子を積層して収納し、しかも高圧端子とサージ吸収素子間に、予備放電ギャップと沿面放電ギャップを順に組み合わせて配設している。以下、本発明の真空ギャップ付アレスタの各実施例を、図１から図６を用いて順に説明する。

本発明の真空ギャップ付アレスタは、図１（ａ）、（ｂ）に示す例では複数の鍔部１０Ａを形成した絶縁材製容器１０を使用している。そして、絶縁材製容器１０は、この上端面に高圧端子１１を固着し、またこの下端面に接地端子１２を固着して設けている。

そして、例えば高圧端子１１又は接地端子１２等の一部を活用して開閉弁を設け、絶縁材製容器１０の内部を真空雰囲気の状態維持が可能な構造にしている。絶縁材製容器１０内の真空雰囲気の程度は、１０^−３Ｐａ以下として所謂パッシェン曲線の左側領域になるようにする。なお、絶縁材製容器１０は、内部を真空雰囲気の状態維持が容易なセラミック材製の容器や、内面をガラス又はセラミックで絶縁被覆した樹脂モールド製の容器を使用することができる。

絶縁材製容器１０の内には、酸化亜鉛（ＺｎＯ）素子や線形抵抗素子の如き複数個のサージ吸収素子１３を積層して収納しており、積層した各サージ吸収素子１３間を面接触させるため、例えば接地端子１２側に配置するばね１４や絶縁スタッド等を用いた締め付け圧力を加え、押圧固定している。

絶縁材製容器１０の内部の高圧端子１１と積層した各サージ吸収素子１３間には、それぞれセラミックス製のスペーサ１７、１８を介在させて２つの放電ギャップを配置、即ち高圧端子１１側から順に直列に組み合わせた予備放電ギャップ１５と沿面放電ギャップ１６を配置し、所定の位置に固定している。

予備放電ギャップ１５は、例えば高圧端子１１側と接続する球電極１５Ａと、これに対抗配置する球電極１５Ｂから構成しており、サージ電圧が侵入したときは放電遅れもなく最初に導通する。また、沿面放電ギャップ１６は、例えば球電極１５Ｂを連結部材１９によって支持させ、しかも図１（ｂ）に示す如く内側部分を格子形状等にして内部の真空引きを容易にした形状の円筒電極１６Ａと、これに対向配置するサージ吸収素子１３側に配置する円筒電極１６Ｂを絶縁材製容器１０の内周面に配置して構成され、予備放電ギャップ１５の導通後に特定条件下で導通する。

なお、予備放電ギャップ１５を構成する電極は、図１に示すものばかりでなく棒電極対棒電極や棒電極対平板電極や球電極対平板電極等の種々の組み合せが使用でき、定常状態で放電しないが雷サージが侵入した時だけ放電を生じる構造にして用いられる。また、沿面放電ギャップ１６を構成する電極も、円筒電極部分の円周上に複数個の小電極を設けてギャップを形成する構造等が使用できる。

本発明の真空ギャップ付アレスタでは、真空雰囲気中で予備放電ギャップ１５と沿面放電ギャップ１６を順に直列に組み合わせたものであるから、このときのＶ-ｔ特性は予備放電ギャップの特性で決まり、図７に示す真空ギャップのものと同様になって、雷サージの波頭長に相当する時間領域で平坦なＶ−ｔ特性が得られる。

次に、図１に示す真空ギャップ付アレスタのサージ吸収手段としての動作原理を、図２の電気的等価回路を用いて説明する。まず、真空ギャップ付アレスタにサージ電圧が侵入すると、予備放電ギャップ１５が放電遅れなく直ちに導通し、沿面放電ギャップ１６を形成する円筒電極１６Ａ、１６Ｂの近傍に紫外線光（ＵＶ）があたり、光電効果による初期電子が沿面ギャップ電極の近傍に供給される。なお、予備放電ギャップ１５の放電により生成された電子が、真空雰囲気中に存在する沿面放電ギャップ１６の放電時の初期電子として働く効果も期待できる。

侵入したサージは、図２に示す沿面放電ギャップ１５の電極の対地静電容量Ｃを充電し、沿面ギャップの例えば約５ｋＶ／ｍｍ程度の耐圧を超えると、沿面放電ギャップ１６が直ちに放電し、侵入したサージは積層した各サージ吸収素子１３で消費されて熟エネルギ一に変化する。上記のように本発明の真空ギャップ付アレスタは、予備放電ギャップ１５と沿面放電ギャップ１６が順に動作するため、放電遅れ時間の低減と放電開始電圧の安定化が可能となる。

正極性サージが侵入時の放電遅れ時間の低減について、図３の概念図により説明する。予備放電ギャップ１５での放電が無い場合は、図３（ａ）に示すように金属の円筒電極１６Ｂとセラミックス製のスペーサ１８と真空雰囲気の３接合部からの放電が始まり、スペーサ１８沿面での負電子の増倍過程を経て電子なだれが対向電極側に届くまでの間は少なくとも絶縁破壊が生じない状態にある。

ところが、予備放電ギャップ１５で予備放電がある場合は、紫外線光が電極１６Ａ、１６Ｂに当たると光電効果により電子が放出される効果と、予備放電そのものの生成電子の効果で、図３（ｂ）のように各電極１６Ａ、１６Ｂ間には相当数の負電子が存在し、絶縁破壊が遅滞なくしかもコンディショニング効果に依存せず安定に起こるようになる。負極性サージの場合には、放電の発端となる上記３接合部が上側電極部になる以外は、同様の動作となる。

更に、具体的に特許文献１の真空ギャップ付避雷装置と本発明による真空ギャップ付アレスタの動作を比較して説明する。特許文献１のものでは、真空の直列ギャップ部がスイッチの役割を担っており、定常状態では開、雷サージが侵入して所定の電圧で放電する時には閉の動作が要求される。しかしながら、定常状態においては部分放電を発生させてしまうと、電極部の劣化が進んでしまうため、ある程度のギャップ長を確保せざるを得ず、逆にギャップ長を広げると放電電圧のばらつきが大きくなるために、本来なら閉動作して欲しいサージ電圧値で放電しない場合が生ずることになる。

これに対して、本発明の真空ギャップ付アレスタは、スイッチの役割を担うのはサージ吸収素子１３側に配置された沿面放電ギャップ１６であって、高圧端子側に配置された予備放電ギャップ１５は定常状態で部分放電が発生しないだけの最低距離を確保しておくだけで十分である。この組み合わせ状態で、例えば定常状態の２倍の電圧の雷サージが侵入した場合には、予備放電ギャップ１５が部分放電から全路破壊に至り、沿面放電ギャップ１６に初期電子が供給されるため、サージ電圧が沿面放電ギャップ１６の約５ｋＶ／ｍｍ程度の耐圧レベルを越えた段階で、確実に沿面ギャップが放電する。

本発明の高圧端子１１側から予備放電ギャップ１５と沿面放電ギャップ１６とを順に直列に組み合わせて配設した真空ギャップ付アレスタの構成とすれば、過大なエネルギーを持つサージが侵入して仮に積層したサージ吸収素子１３が破壊した場合であっても、沿面放電ギャップ１６が存在するため、継続的な短絡や地絡事故にはつながらなくなる。また、本発明の構造の真空ギャップ付アレスタを並列接続して使用する場合には、サージの侵入時に並列動作が可能になるから、サージ電流を分流させることで、直撃雷を受けたときにもアレスタが破損する割合を抑制できる。しかも、真空ギャップ付アレスタは、ギャップレスアレスタに比較して静電容量が小さくなるため、半導体製造装置等の高周波回路にも適用できる。

積層する各サージ吸収素子１３は、絶縁材製容器１０内の真空雰囲気中に配置されることから、沿面耐圧の向上により高さを縮小できる。更に望ましくは、各サージ吸収素子１３は、真空状態を阻害するガスを発生させない対策を施した構造にする。例えば、図４（ａ）、（ｂ）に示すようにサージ吸収素子１３は、電極２０を設ける高圧端子側の平坦面の一部及び側面の一部にガラス又はセラミック等で絶縁皮膜２１を施し、ガスを発生し難くして使用する。

このように各サージ吸収素子１３に絶縁皮膜２１を施すと、絶縁材製容器１０内の真空状態を長期間の維持することができるし、絶縁皮膜２１でサージ吸収素子の沿面耐圧を高めて寸法を縮小することもできるから、複数個のサージ吸収素子を用いた機器全体の高さを低減することができる。

次に、本発明の別の実施例について、図１に示す部分に同一符号を付した図５を用いて説明する。この真空ギャップ付アレスタは、絶縁材製容器１０を貫通するモニタリング端子２２を設けたもので、他の部分は図１と同構造であるので説明を省略する。モニタリング端子２２は、導電板にて形成して沿面放電ギャップ１６に接する最上段のサージ吸収素子１３の平面、即ちサージ吸収素子１３の平面に形成するアルミニウム等の電極２０と接続している。

このように、モニタリング端子２２を設けて真空ギャップ付アレスタを構成すると、上記した実施例と同様な効果を達成できる上、仮に直撃雷や何らかの外乱を受けた際、高圧端子１１とモニタリング端子２２間の絶縁抵抗を測定すれば、容易に真空ギャップの健全性を判定できる。また、モニタリング端子２２と接地端子１２の絶縁抵抗を測定すれば、酸化亜鉛素子や抵抗素子等のサージ吸収素子１３の健全性を判定することができる。

更に、本発明の真空ギャップ付アレスタの別実施例について、上記の実施例と同一部分を同符号で示した図６を用いて説明する。この真空ギャップ付アレスタは、各種のガス絶縁開閉装置に内蔵させることが容易なように連結対象の金属製容器と同様な材料で作製した金属製容器３０を用いたものである。この金属材製容器３０も、上記と同様に上端面に高圧端子１１を設け、また下端面に接地端子を設けて密封しており、内部を真空雰囲気に維持できる構造にしている。

このように金属製容器３０内に各サージ吸収素子１３を収納した真空ギャップ付アレスタの構造としたので、上記実施例と同様な効果を達成できる。しかも、サージ吸収素子１３が六弗化硫黄（ＳＦ_６）ガス中では沿面耐圧強度が１ｋＶ／ｍｍ未満であるのに対して、真空雰囲気中では５ｋＶ／ｍｍ程度まで向上するため、全体を小型化できるからガス絶縁開閉装置への内蔵も容易になるし、より一層装置の縮小化が可能となる。

１０…絶縁材製容器、１１…高圧端子、１２…接地端子、１３…サージ吸収素子、１５…予備放電ギャップ、１６…沿面放電ギャップ、２１…絶縁皮膜、２２…モニタリング端子、３０…金属製容器。

Claims

絶縁材製容器の上端面に高圧端子を設けかつ下端面に接地端子を設けて密封し、前記絶縁材製容器の内部に複数個のサージ吸収素子を積層して収納し、前記高圧端子と積層した前記サージ吸収素子間に予備放電ギャップと沿面放電ギャップを順に直列に組み合わせて配設し、前記絶縁材製容器の内部を真空雰囲気に維持して構成したことを特徴とする真空ギャップ付アレスタ。
請求項１において、前記各サージ吸収素子は、前記高圧端子側の平坦面の一部と側面の一部に絶縁皮膜を施したことを特徴とする真空ギャップ付アレスタ。
請求項１又は２において、前記絶縁材製容器を貫通させて前記モニタリング端子を設け、前記モニタリング端子は前記高圧端子側の前記サージ吸収素子の平面と接続したことを特徴とする真空ギャップ付アレスタ。
金属製容器の上端面に高圧端子を設けると共に下端面に接地端子を設けて密封し、前記金属製容器の内部に絶縁筒を用いて前記高圧端子側の平坦面の一部と側面の一部に絶縁皮膜を施した複数個のサージ吸収素子を積層して収納し、前記高圧端子と積層した前記サージ吸収素子間に予備放電ギャップと沿面放電ギャップを順に直列に組み合わせて配設し、前記金属製容器は内部を真空雰囲気に維持して構成したことを特徴とする真空ギャップ付アレスタ。