JP2744149B2

JP2744149B2 - 避雷器

Info

Publication number: JP2744149B2
Application number: JP3164699A
Authority: JP
Inventors: 好秀茅野; 信行清水
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1991-07-04
Filing date: 1991-07-04
Publication date: 1998-04-28
Anticipated expiration: 2013-04-28
Also published as: JPH0513142A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、避雷器に係り、特に、
酸化亜鉛素子を用いた複数個の避雷器単位を段積みにし
た避雷器における、汚損時の内部電界ストレスを緩和す
る避雷器に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、変電システムなどには、雷サー
ジや開閉サージから他の機器を保護するため、避雷器を
組み入れている。この避雷器としては、近年、非直線性
能に優れた酸化亜鉛素子を内部要素として用いた、ギャ
ップレス形のものが主流になっており、シンプルな構造
であり、高い信頼性を得ている。

【０００３】この酸化亜鉛素子を用いた避雷器の従来構
造を図７、８に示す。これらの図に示す構造は、段積み
にされて避雷器を構成する避雷器単位１００に関するも
のである。この避雷器単位１００は、密封した碍子管１
０１に内部要素１０２を収納する構造としている。つま
り、碍子管１０１の両端部は、パッキン１０３を介して
蓋１０４を被せ、この蓋１０４に別のパッキン１０５を
介して避圧膜１０６を置き、この避圧膜１０６を押え１
０７で挟み込んでいる。内部要素１０２は、積み重ねら
れた所定枚数の酸化亜鉛素子１０８を仕切板１０９で区
切り、その下方に、碍子管１０１の内長との協調をとる
ための金属管１１０を配設した構造を有する。さらに、
素子１０８のセンタリングと導通面の確実な密着を図る
ため、複数本の絶縁ロッド１１１が素子１０８の側面に
接触した状態で仕切板１０９を貫通して配置され、その
両端がナットで固定されている。内部要素１０２の上端
側と蓋１０４の間にはバネ１１２が介挿され、内部要素
１０２がバネ１１２により強く押され、振動や部品寸法
のばらつきを吸収しつつ、確実な導通がとれるようにな
っている。この構成の避雷器単位１００は、汚損度に応
じて、碍子管１０１を長くしたり、酸化亜鉛素子１０８
の積層数及び金属管１１０の長さを増減させる。そし
て、その避雷器単位を複数個、段積みして所定の定格電
圧の避雷器を構成している。

【０００４】ところで、上述の構成の避雷器を汚損度の
高い場所で使用する場合、所定の汚損耐電圧を確保する
ために、碍子管１０１を長くして、その表面漏れ距離を
増加させる必要がある。これに対し、酸化亜鉛素子１０
８は雷サージや開閉サージに起因する過電圧を制限し、
他の変電機器の絶縁耐力以下に抑制する使命があるた
め、その積層数を増加できない。

【０００５】このため、碍子管１０１が長くなり且つ酸
化亜鉛素子１０８の積層数を増やせない以上、必然的
に、金属管１１０を長くすることにより、内部要素１０
２を碍子管１０１に収納することとなる。

【０００６】このように構成された、汚損地域向けの段
積み避雷器の内部断面のモデルを図９（ａ）に示し、そ
の避雷器の汚損有り、無しのときの電圧分担特性の比較
を図９（ｂ）に示す。図９（ａ）は３段積み避雷器を示
すもので、酸化亜鉛素子１０８は各避雷器単位１００内
の上方に突き上げて積層し、その下方には非常に長い金
属管１１０を配設し、耐汚損形の避雷器を形成してい
る。酸化亜鉛素子１０８は、浮遊静電容量の影響によ
り、上段側になるほど、避雷器単位１００の分担電圧が
多くなる。このため、上段、中段、下段の避雷器単位１
００，…，１００では、上段側になるほど、酸化亜鉛要
素１０８の積層数を多くして、グレードを付けると共
に、３段構成の最上部にシールドリング１１３を図示の
如く取り付け、電圧分担を均一化させている。

【０００７】図９（ｂ）は上述の３段積みの避雷器の電
圧分担を示すもので、縦軸は同図（ａ）の避雷器の高さ
を、横軸は電圧Ｖの割合を表している。図中、実線Ａ，
Ｂは汚損の無い状態若しくは汚損している場合でも、碍
子表面が乾燥している状態のもので、実線Ａは酸化亜鉛
素子１０８の電圧分担を、実線Ｂは碍子管１０１の電圧
分担である。つまり、汚損の影響が無い状態では碍子表
面のインピーダンスが高いため、各電圧分担Ａ，Ｂは避
雷器単位１００内の素子１０８の積層数に比例する。ま
た、金属管１１０と碍子管下部の金属部１１４が同電位
となる。碍子管１０１は上下の金属部１１４、１１４間
の磁器部分で電圧を分担するので、金属管１１０が長い
場合には、上段の避雷器単位１００における抵抗体部分
１１５の最下部と碍子管１０１との間に最大の電位差Ｖ
ｅを生じる。

【０００８】一方、図９（ｂ）中、破線Ｃ，Ｄは汚損の
影響を受けた状態を示すもので、破線Ｃは酸化亜鉛素子
１０８の電圧分担、破線Ｄは碍子管１０１の電圧分担で
ある。碍子管１０１の表面が平等に汚損すると、今度は
碍子管表面のインピーダンスが低くなるため、各避雷器
単位１００の電圧分担は碍子管１０１の表面漏れ距離に
比例している。つまり、各避雷器単位１００の碍子管１
０１の構成が同一であるならば、最大の電位差Ｖｅは内
部素子数の最も少ない、下段の避雷器単位１００におけ
る抵抗体部分１１５の最下部と碍子管１０１との間に生
じる。

【０００９】汚損が不平等の場合、碍子管表面のインピ
ーダンスもアンバランスになるため、そのインピーダン
スが高いほど分担電圧が多くなる。このとき、抵抗体部
分１１５の最下部と碍子管１０１との間に生じる電位差
Ｖｅは、不平等汚損の程度如何によって、非常に大きな
値になる可能性がある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、耐汚損
形避雷器は通常、積層した酸化亜鉛素子（群）１０８の
下側に挿入する金属管１１０が非常に長くなることか
ら、抵抗体部分１１５の最下部と碍子管１０１との間に
大きな電位差Ｖｅを生じ、この電位差Ｖｅにより内部の
電界ストレスが増加してしまう。

【００１１】一般に、電界ストレスＥは、次式で計算で
きる。

【００１２】

【数１】Ｅ＝ｆ（Ｖｅ／ｄ_o） ……（１）ここで、ｆは電界係数であり、電極と誘電体の位置関係
等によって決まる数値、ｄ_oは酸化亜鉛素子と絶縁ロッ
ドとの間のギャップ長（図８参照）である。

【００１３】この電界ストレスＥを前述した図７、８の
構成について考察する。前述した構成では、内部素子１
０８と絶縁ロッド１１１とを接触させているが、絶縁ロ
ッド１１１は軸方向両端で固定されているから、酸化亜
鉛素子１０８の積層時のずれや径のばらつきにより、実
際には、素子１０８の側面との間に微小なギャップがｄ
_oが存在する。絶縁ロッド１１１は所定の絶縁性能と機
械的強度を必要とするため、その材料としてはＦＲＰ
（繊維強化プラスチック）などの比誘電率＝５〜６の絶
縁材料が選定される。このように、素子１０８の側面に
微小ギャップｄ_oを有して絶縁ロッド１１１が配設され
ると、電界係数ｆも大きな値をとることから、（１）式
で計算される電界ストレスＥが大きくなって、微小ギャ
ップｄ_o部分に電界が集中してしまう。

【００１４】また、汚損状態又は汚損の無い状態におい
ても、図９（ｂ）に示した電位差Ｖｅはコロナ開始電圧
を上回る電界ストレスとなる可能性があった。このよう
に電界ストレスが増大すると、内部コロナが発生し易く
なる。内部コロナが発生すると、絶縁ロッド１１１の沿
面が軸方向に劣化し、沿面地絡に至ってしまう可能性が
あった。

【００１５】本発明は、このような従来技術の問題に鑑
みてなされたもので、耐汚損形として酸化亜鉛素子群の
下方に、碍子管の内長との協調をとるための金属管を取
り付けた構造であっても、内部要素の抵抗体部分の下端
位置を空間的に積層方向に極力下げ、その下端位置と碍
子管との間の電位差を下げるとともに、絶縁ロッドと積
層体との間の一定の気中距離を確保してその電界係数を
下げ、これらにより、内部の電界ストレスを減少させて
コロナ放電の発生を抑制し、絶縁劣化を抑制できるよう
にした避雷器を提供することを、その目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、複数個の酸化亜鉛素子と複数個の金属製
スペーサとを交互に積層した積層体と、この積層体の積
層方向一端部に当該積層体と直列に配置した金属管と、
前記積層体をその積層方向に複数個に仕切る位置に介挿
させるとともに前記積層体および金属管からなる要素体
の前記積層方向両端に取り付けた複数枚の導電性の板体
と、この複数枚の板体を直線状に貫通して配置した絶縁
ロッドを含み且つ前記要素体及び板体の全体を一体的に
固定する固定手段と、を有する内部要素を、両端を金属
製フランジで密封した磁器製の碍子管内に収納して避雷
器単位を形成し、この避雷器単位の複数個を直列に段積
みにした構造を備え、前記積層方向に直交する面上の前
記要素体の位置を固定するガイド部を前記複数枚の板体
それぞれに設けるとともに、前記積層体から一定の気中
距離を隔てた前記面上の位置で前記絶縁ロッドを前記板
体それぞれに貫通させている。

【００１７】

【作用】本発明では、酸化亜鉛素子及びこれに交互配置
した金属製スペーサからなる積層体が形成される。この
積層体の積層方向一端部には金属管が直列に配置され
る。積層体をその積層方向に複数個に仕切る位置に導電
性板体が介挿されるとともに、積層体および金属管の積
層方向両端に導電性板体が設けられる。この複数枚の板
体は固定手段の絶縁ロッドにより貫通され、前記積層
体、金属管及び板体の全体が一体的に固定される。この
とき、前記積層体および金属管からなる要素体は、板体
に設けたガイド部に係止されて積層方向に直交する面上
の位置決めがなされ、センタリングが的確に行われる。
複数の酸化亜鉛素子の間には金属製スペーサが交互に配
置されているから、各酸化亜鉛素子が積層方向に分散
し、抵抗体部分が長くなるから、電圧分担域も積層方向
に空間的に広がる。これにより、抵抗体部分の下端部の
位置が金属製スペーサを挿入しない場合よりも積層方向
に空間的に下がり、その下端部の位置と碍子管との間の
電位差が小さくなる。また、絶縁ロッドは積層体および
金属管のセンタリングの役目から解放され、専ら積層体
および金属管の積層方向の固定を担う。つまり、絶縁ロ
ッドは積層体から十分離れた気中距離で板体を貫通でき
るので、絶縁ロッドと酸化亜鉛素子との間の電界係数が
小さくなる。このように、電位差が低下し、且つ、電界
係数も小さくなるので、避雷器内部の電界ストレスが下
がり、コロナ放電による絶縁劣化も抑制される。また軸
方向の沿面せん絡も防止でき、耐汚損特性も向上する。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１〜図６に基づ
き説明する。

【００１９】酸化亜鉛素子を用いた避雷器単位１の構造
を図１〜図３に示し、その避雷器単位１を段積みにした
耐汚損形避雷器２の構造を図４に示す。

【００２０】まず、避雷器単位１について説明する。こ
の避雷器単位１は、金属製フランジで密封した碍子管１
１に内部要素１２を収納する構造としている。つまり、
碍子管１１の両端部は、パッキン１３を介して蓋１４を
被せ、この蓋１４に別のパッキン１５を介して避圧膜１
６を置き、この避圧膜１６を押え１７で挟み込んでい
る。

【００２１】内部要素１２は、避雷器単位１の定格電圧
に見合う所定複数枚の酸化亜鉛素子１８を積層する構造
を有する。各酸化亜鉛素子１８の間には、金属製スペー
サとしての金属カラー１９を挿入している。この金属カ
ラー１９は、酸化亜鉛素子１８と同形状に形成されてい
る。このように素子１８と金属カラー１９とを交互に積
層した積層体を、所定枚数毎に円盤状の板体としての仕
切板２０で区切っている。

【００２２】仕切板２０は導電性部材で成り、図３に示
すように、その中央部の上面、下面夫々に穿設された、
素子１８及び金属カラー１９を受ける凹状の溝２０ａ、
２０ａ（ガイド部）を有すると共に、その溝２０ａの周
囲の位置に後述する絶縁ロッド２１を貫通させる複数の
貫通孔を有する。この貫通孔の位置は、絶縁ロッド２１
と積層体との間の十分な気中距離を確保できる位置に設
定されている。

【００２３】この仕切板２０は酸化亜鉛素子１８と金属
カラー１９とを積層した最下部にも配設し、その下方に
は、碍子管１１の内長との協調をとるため、金属管２２
を配設する。この一連の直列結合要素の両端にも仕切板
２０、２０を夫々配設し、全部の仕切板２０，…，２０
の貫通孔に絶縁ロッド２１を通した状態で、その両端を
ナットで固定することにより、内部要素１２を形成して
いる。

【００２４】このように形成された内部要素１２は、下
側の蓋１４の金属ベース２３上に載置され、上側の蓋１
４と内部要素上端部との間にはバネ２４が介挿されてい
る。このバネ２４により、内部要素１２に圧縮荷重を与
え、碍子管１１内部に固定して収容している。

【００２５】この避雷器単位１は、図４に示すように、
３段積みにして所定の定格電圧の避雷器２を構成してい
る。なお、図４中、符号３２はシールドリングであり、
符号３３は碍子管金属部を、符号３４は抵抗体部分を夫
々示す。

【００２６】次に、本実施例の作用効果を説明する。

【００２７】酸化亜鉛素子１８と金属カラー１９が交互
に積層されているため、内部要素１２を構成する抵抗体
部分３４（図４参照）が、同一定格電圧であっても、金
属カラー１９を用いない従来のものよりも長くなる。つ
まり、各避雷器単位１において、電圧を分担する距離
（高さ）範囲が碍子管１１の下方に延びると共に、碍子
管１１の内長との協調をとる金属管２２が短くて済む。
この金属管２２は、碍子管下部の金属部３３（図４参
照）と同電位である。

【００２８】また、素子１８と金属カラー１９の積層体
は、各仕切板２０の溝２０ａにより積層方向に直交する
面上のセンタリングがなされ、且つ、バネ２４により内
部要素１２全体が押さえられている。このため、絶縁ロ
ッド２１，…，２１を積層体の周面に接触させなくて
も、積層体が積層方向に直交する面で位置ずれを起こす
ことはない。これにより、導通面も十分に確保される。

【００２９】以上の状況を踏まえて、図５、６に基づき
本実施例の電圧分担特性を説明する。図５は碍子管１１
の汚損が無いときの電圧分担特性を、図６は碍子管１１
が汚損され、その影響を受けたときの電圧分担特性を示
すもので、縦軸及び横軸のとり方は前述した図９（ｂ）
と同一である。図中、実線Ａ，Ｂ及び破線Ｃ，Ｄ並びに
電位差Ｖｅの定義付けも図９（ｂ）と同一であり、比較
し易いように同図のものをそのまま模写している。

【００３０】図５における一点鎖線Ｅは汚損の影響が無
いときの、酸化亜鉛素子１８、即ち抵抗体部分３４の電
圧分担特性であり、図６における二点鎖線Ｆは汚損時の
抵抗体部分３４の電圧分担特性である。実際には、素子
１８が電圧を分担し、金属カラー１９は電圧を分担しな
いため、特性曲線Ｅ，Ｆは階段状に変化するものである
が、概略、図示の特性として差し支え無い。

【００３１】前述したように、各避雷器単位１における
抵抗体部分３４が金属カラー１９の挿入によって下方に
延びていることから、特性曲線Ｅ，Ｆにおける各碍子管
１１の分担電圧Ｖ₁，Ｖ₂，Ｖ₃に到達する各点も従来
の特性（図９（ｂ））に比べ夫々、グラフ上で下方に移
動している。このため、碍子管１１と抵抗体部分３４の
電位差Ｖｆとなり、従来の電位差Ｖｅに比べて、Ｖｅ＞
Ｖｆと小さくなる。

【００３２】さらに、各絶縁ロッド２１は素子１８及び
金属カラー１９の積層体から十分離れて位置するため、
それらの間の距離ｄ_o（図２参照）が大きくなる。つま
り、誘電体が電極から遠ざかるのと等価であり、電界係
数ｆは小さくなる。このように、電位差Ｖｅ＞Ｖｆ、ギ
ャップｄ_o：大、及び、電界係数ｆ：小となるので、前
記（１）式から電界ストレスＥは従来構造よりも小さく
なる。

【００３３】そこで、本実施例によれば、避雷器２のサ
ージ吸収特性には何等支障を与えない状態で、避雷器２
内部の電界ストレスＥが緩和されることから、コロナ放
電の発生を的確に抑えることができる。したがって、コ
ロナ放電に起因した絶縁ロッド２１の沿面絶縁劣化を確
実に抑制でき、信頼性が向上すると共に汚損にも高い耐
性の避雷器を提供できる。

【００３４】なお、上記実施例においては酸化亜鉛素子
と金属カラーを交互に積層する構成としたが、内部素子
は必ずしもその構成に限定されるものではなく、例えば
酸化亜鉛素子の２個置きに１個の金属カラーを挿入する
など、サージ特性に応じて変えてもよい。また、耐汚損
形避雷器を構成する避雷器単位の数は任意である。さら
に、板体としての仕切板に設けるガイド部は、実施例記
載のように溝構造である必要は無く、反対に凸状であっ
てもよい。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る避雷
器では、積層した酸化亜鉛素子の間に金属製スペーサを
交互に挿入した内部要素とすると共に、内部要素を仕切
る板体には、積層体および金属管からなる要素体の積層
方向に直交する面上の位置を固定するガイド部を設け、
固定用の絶縁ロッドを上記積層体から一定の気中距離を
隔てた位置で上記板体に貫通させた構造にしたため、板
体のガイド部が積層体および金属管の位置決を行って、
積層体および金属管全体を確実にセンタリングできる。
一方、絶縁ロッドはその位置決めの機能から解放され、
内部要素の積層方向の固定に専念でき、積層体の側面か
ら一定の気中距離だけ離され、内部要素の抵抗部分と絶
縁ロッドとの間の電界係数が小さくなると共に、複数個
の酸化亜鉛素子が担う抵抗部分が金属製スペーサの挿入
により積層方向に延び、その抵抗部分の下端部と碍子管
との電位差が、金属製スペーサを挿入しない場合よりも
低下することから、避雷器内部の電界ストレスが格段に
低下し、内部コロナの発生に伴う絶縁劣化が抑制され
た、信頼性の高い耐汚損形の避雷器を提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る避雷器単位の一例を示す、一部省
略した軸方向断面図。

【図２】図１中のＡ−Ａ線に沿った断面図。

【図３】図１中の仕切板付近の拡大断面図。

【図４】本発明に係る避雷器単位を段積みにした耐汚損
形避雷器の一例を示す、一部省略した軸方向断面図。

【図５】汚損の影響が無いときの電圧分担特性図。

【図６】汚損の影響が有るときの電圧分担特性図。

【図７】従来の避雷器単位の一例を示す、一部省略した
軸方向断面図。

【図８】図７中のＢ−Ｂ線に沿った断面図。

【図９】従来の耐汚損形避雷器の軸方向断面構造と電圧
分担特性を説明する説明図。

【符号の説明】

１避雷器単位２耐汚損形避雷器１１碍子管１２内部要素１３パッキン１４蓋１７押え１８酸化亜鉛素子１９金属カラー（金属製スペーサ）２０仕切板（板体）２０ａ溝（ガイド部）２１絶縁ロッド２２金属管

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】複数個の酸化亜鉛素子と複数個の金属製
スペーサとを交互に積層した積層体と、この積層体の積
層方向一端部に当該積層体と直列に配置した金属管と、
前記積層体をその積層方向に複数個に仕切る位置に介挿
させるとともに前記積層体および金属管からなる要素体
の前記積層方向両端に取り付けた複数枚の導電性の板体
と、この複数枚の板体を直線状に貫通して配置した絶縁
ロッドを含み且つ前記要素体及び板体の全体を一体的に
固定する固定手段と、を有する内部要素を、両端を金属
製フランジで密封した磁器製の碍子管内に収納して避雷
器単位を形成し、この避雷器単位の複数個を直列に段積
みにした構造を備え、前記積層方向に直交する面上の前記要素体の位置を固定
するガイド部を前記複数枚の板体それぞれに設けるとと
もに、前記積層体から一定の気中距離を隔てた前記面上
の位置で前記絶縁ロッドを前記板体それぞれに貫通させ
たことを特徴とする避雷器。