JP2774029B2 - セラミックス直線抵抗体とそれを用いた遮断器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＵＨＶ送電用遮断器等
の開閉サージ吸収に好適なセラミックス直線抵抗体とそ
れを用いた遮断器に関する。

【０００２】

【従来の技術】直線抵抗体は、オームの法則に従う電圧
−電流特性を持ち、近似的にｌogＩ（電流）＝αｌog
〔Ｖ（電圧）／Ｃ（定数）〕で表した場合、α（非直線
指数）は１.３以下であることが望ましい。また、その
抵抗値もなるべく高く（例えば５００Ωｃｍ以上）、さ
らに抵抗の温度係数がゼロまたは正の値のものが、送電
用遮断器等の開閉サージ吸収に用いた場合、該装置を小
型化できる点で有利である。

【０００３】こうした直線抵抗体の代表的なものとして
は、例えば、特開昭５６−４２０６号公報に記載の炭素
−酸化アルミニウム−粘土系と、特開昭６１−２５６７
０１号公報に記載の酸化亜鉛を主成分としこれに他の酸
化物を添加した酸化亜鉛系がある。上記のうち前者は、
導電粒子として酸化物絶縁系に分散させた炭素の量とそ
の接触度合で抵抗値を調節している。また、後者は、基
本的には酸化亜鉛結晶粒と亜鉛スピネル結晶粒との複合
相からなり、その抵抗値はこれら結晶粒の体積比で調節
される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】近年、送電電圧の高圧
化に伴い、電力用遮断器に用いる直線抵抗体に対して
も、抵抗値、抵抗安定性などの仕様に厳しい条件が要求
されてきている。特に、ＵＨＶ（Ｕltra Ｈigh Ｖolt
age）送電における抵抗体に対する条件は一層苛酷なも
のとなり、電界強度にして３〜５ｋＶ／ｃｍが瞬間的に
印加され、また、それが繰返し印加されることが予想さ
れている。こうしたことから、当然、その抵抗体として
は高電界下においても高抵抗を示し、しかも長時間通電
や電界の変化に対して安定であることが求められる。

【０００５】従来技術による抵抗体をそのまゝこうした
電界下に供した場合、本発明者らが確認した結果では、
例えば、炭素系抵抗体では抵抗率の低下、あるいは炭素
の酸化による特性の大きな変動を防ぐためには、抵抗体
寸法を大きくしたり、数を多くするなどして抵抗値を稼
ぐ必要がある。しかし、遮断器等の機器が必然的に大型
になるため設置面積が大きくなり、価格が高くなるなど
の問題が生ずる。

【０００６】一方、酸化亜鉛系抵抗体は、特開昭６１−
２５６７０１号公報に記載されているように、優れた直
線性と抵抗温度係数を有するが、約５ｋＶ／ｃｍの高電
界が連続的、または、パルス的に印加されると、初期の
間こそその特性は維持されるが、長時間通電や繰返し印
加によって抵抗率が低下し、その他の特性の劣化が観測
され、しかも電界を取り除いても元に回復しないと云う
欠点があった。

【０００７】即ち、従来の抵抗体は、こうした高電界に
おける連続通電や繰返し印加に対する特性とその安定性
に問題があることが分かった。

【０００８】本発明の目的は、電力用遮断器の抵抗体と
して好適なセラミックス直線抵抗体およびそれを用いた
遮断器を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
本発明者らは検討を重ねた結果、高電界、例えば、３〜
５ｋＶのもとで高抵抗（５００Ωｃｍ以上）を示す材料
は直線性が必ずしもよくないこと、また、抵抗温度係数
も負でその絶対値も比較的大きく、使用条件の変化に対
して抵抗値を一定に保つことが困難であることが分かっ
た。また、酸化亜鉛系のセラミックス抵抗体に酸化バリ
ウムを添加したものが、もともとの特性をそれほど損な
わないこと、さらに高電界の繰返し印加実験によっても
特性変動が極めて少ないことを見出し、本発明に至った
ものである。

【００１０】本発明の直線抵抗体としては、特性として
は５ｋＶ／ｃｍの電界が実質的に０.３秒間印加された
ときに５００〜５０００Ωｃｍの抵抗率を示し、かつ、
印加前の抵抗率に対してその低下率が３０％以内のセラ
ミックス直線抵抗体にある。

【００１１】上記の電界が実質的に０.３秒間印加と
は、連続通電やパルス状の電界が繰返し印加されること
を意味し、その電界は直流、交流のいずれにも適用され
る。

【００１２】上記抵抗体は、それを構成するセラミック
スが酸化亜鉛、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム
と、これに酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸
化バリウムから選ばれる一種以上を含む焼結体である。

【００１３】上記酸化物の量としては、酸化亜鉛６８〜
９０モル％、酸化アルミニウム５〜２０モル％、酸化マ
グネシウム３〜１０モル％であり、酸化カルシウム，酸
化ストロンチウム，酸化バリウムの一種以上は全体で
０.５〜１０モル％（但し、酸化カルシウム単独の場合
は１〜１０モル％）が望ましい。

【００１４】さらに、上記抵抗体に酸化ケイ素を０.１
〜５モル％添加することでセラミックス抵抗体の焼結性
が増加し、また、マンガン酸化物を０.１〜１重量％添
加することにより抵抗特性の安定化を図るに有効であ
る。

【００１５】本発明のセラミックス直線抵抗体は、一般
の窯業的製法により焼結することができる。即ち、所定
量の酸化物粉末を秤量後、ボールミルなどを用いて十分
に混合し、これを８００℃前後で仮焼きする。その粉砕
粉末にポリビニルアルコールなどの適当なバインダを加
えて造粒し、金型により成形する。成形体は電気炉で大
気中１０００〜１４００℃で焼成し、得られた焼結体の
電極形成端面を軽く研磨し、アルミニウム，金，白金、
パラジウム等を溶射して電極を形成することにより目的
の抵抗体を得る。

【００１６】なお、この場合の抵抗体形状としては、特
開昭６３−５５９０４号公報に記載されるように、中心
部分に貫通孔を設けた構造であってもよい。

【００１７】また、出発原料として前記酸化物の代わり
に、例えば炭酸塩などを用いても何等問題はない。

【００１８】本発明の抵抗体を遮断器に用いた場合、抵
抗率が５００Ωｃｍより小さいと機器の小型化にはあま
り有効でない。５０００Ωｃｍより大きいと機器の使用
条件の変化に対する抵抗の直線性が不安定になり、抵抗
値調整が難しくなるので設計上からはこれ以下が好まし
い。

【００１９】酸化亜鉛が６８モル％より少ない場合は、
高抵抗相であるスピネル相が支配的になり、抵抗率の著
しい上昇と抵抗温度係数の低下を招くので好ましくな
い。また、酸化アルミニウムが２０モル％を、また、酸
化マグネシウムが１０モル％を超えても同様に好ましく
ない。

【００２０】また、酸化亜鉛が９０モル％を超えると抵
抗率が急減する。酸化アルミニウムが５モル％より少な
い場合や酸化マグネシウムが３モル％より少ない場合
は、抵抗温度係数が低くなり直線性が失われるなど、高
電界下での直線抵抗体としては問題がある。

【００２１】本発明では上記基本成分に酸化カルシウ
ム、酸化ストロンチウム、酸化バリウムの一成分以上を
添加するが、この添加成分の総量は０.５〜１０モル％
が望ましい（但し、酸化カルシウムが単独配合の場合は
１〜１０モル％）。０.５モル％より少ない場合には結
晶格子への固溶の度合が小さいために特性改善効果が見
られず、また、１０モル％より多い場合には、異相の出
現による特性劣化、焼結性の低下につながるなど焼結体
としても問題がある。

【００２２】さらにまた、酸化ケイ素は磁器の焼結性を
高める効果がある。但し、５モル％より多くなると焼結
過程でガラス相を生成し、抵抗の直線性が悪くなる。ま
た、０.１モル％未満ではこれを添加した効果が得られ
ない。

【００２３】これらの組成に対して少量のマンガン酸化
物の添加も効果がある。焼結体製造の際、成形体を４〜
５個積み重ねて焼成するが、この時空気の循環の不均一
性などが原因となって最下段、中ほど、最上段の試料間
で特性がバラツクことがある。マンガン酸化物はこのバ
ラツキを低減するのに有効である。但し、１重量％を超
えると焼結性が著しく低下するので好ましくない。ま
た、０.１重量％未満ではこれを添加した効果が得られ
ない。

【００２４】なお、酸化亜鉛を主成分とする抵抗体とし
て、抵抗値が電圧に対して急激に変化するいわゆる非直
線抵抗体（バリスター）が知られているが、これは非直
線係数が普通１０以上のものを指す。典型的なものとし
て避雷器があるが、これは抵抗が急変する性質を積極的
に利用したもので、本発明の直線抵抗体とは本質的に異
なるものである。

【００２５】

【作用】従来の酸化亜鉛系抵抗体は、直線性に優れ、抵
抗範囲が広く、しかも正の抵抗温度係数を有するという
特長を備えている。これらの特性を損うことなく、か
つ、高電界下での長時間使用に耐え得るようにするに
は、焼結体構造を大きく変えることなく、抵抗値変化の
原因となる自由キャリアを抑制できるようにする。

【００２６】抵抗体の結晶構造は酸化亜鉛結晶粒、亜
鉛、マグネシウム、アルミニウムのスピネル結晶の複合
相を構成し、その結晶格子は、結晶化学的に隙間の多い
構造となっているため他のイオンの固溶が可能である。

【００２７】本発明の最も特徴的な点は、上記酸化亜鉛
系にカルシウム、ストロンチウム、バリウムなど比較的
イオン半径が大きい（１.１〜１.４Å）元素を添加した
ことである。また、これらの元素は電気陰性度が小さい
（約０.９）という特性を有している。

【００２８】結晶構造の安定性と抵抗率等の電気的特性
は、各原子間の静電エネルギーの大小、格子間ポテンシ
ャルにより支配されるので、前記特性を有する元素を固
溶させることによって、結晶構造自体にそれほど大きな
変化を及ぼすことなく、しかも結晶格子内の各原子間の
結合をより強固なものに変えることができ、その結果、
結晶構造の安定性や自由キャリアの抑制に優れた効果が
あるものと考える。

【００２９】

【実施例】以下に本発明を具体的実施例により説明す
る。

【００３０】〔実施例１〕出発原料として酸化亜鉛（純
度９９.９％）、酸化アルミニウム（純度９９.９９
％）、酸化マグネシウム（純度９９.９％）、炭酸カル
シウム（純度９９.９９％）、炭酸ストロンチウム（純
度９９.９９％）、炭酸バリウム（純度９９.９９％）の
各粉末を、酸化物に換算して表１に示す組成となるよう
所定量秤量した。これらをジルコニアを玉石としボール
ミル混合（分散媒は純水）を２０時間行い、この泥漿を
乾燥後、大気中８００℃、４時間保持して仮焼きした。

【００３１】得られた粉末１００ｇに対して３重量％の
ポリビニルアルコール溶液を７ｍｌ加えて混練後、３２
メッシュのふるいを通し造粒粉を得た。この造粒粉を金
型で直径２０ｍｍ×厚さ１.５ｍｍに成形し、大気中１
２５０℃、２時間本焼成した。得られた焼結体の上下端
面を約０.５ｍｍずつ研磨し、そこに電極としてアルミ
ニウムを溶射し目的のセラミックス直線抵抗体を得た。
表１，２に同様にして作製した組成の異なるセラミック
ス直線抵抗体の抵抗率と直線性を示す。

【００３２】なお、抵抗率は直流５ｋＶ／ｃｍを０.３
秒間印加したときの電流から求めた。また、直線性は直
流１０Ｖ／ｃｍと５ｋＶ／ｃｍとの抵抗率を比較し抵抗
減少率が３０％以内の場合を○、それより大きい場合を
×で示した。

【００３３】

【表１】

【００３４】

【表２】

【００３５】図１は上記抵抗体の電界強度−抵抗率特性
を示す。表１，２および図１から明らかなように、本発
明のセラミックス直線抵抗体は高電界が印加した場合で
も高抵抗率を示し、しかも直線性が優れ、電界の大小に
よる抵抗の差も小い。このことは、例えば、遮断器等へ
の応用に極めて有利である。

【００３６】上記に対し、従来組成の酸化亜鉛系抵抗体
では、抵抗率の急激な減少が目立っている。また、基本
成分（酸化亜鉛、酸化アルミニウム、酸化マグネシウ
ム）が最適組成範囲から外れると、例えば、試料番号２
１、２７、２８に見られるように、高抵抗値は示すが直
線性が悪くなり、遮断器用の抵抗体としては好ましくな
い。

【００３７】また、添加成分（酸化カルシウム、酸化ス
トロンチウム、酸化バリウム）の量が最適組成範囲を逸
脱すると、特性の他に磁器としての焼結性が低下し、耐
圧や信頼性の点でも問題となる。

【００３８】〔実施例２〕図２に実施例１で得た抵抗体
試料を用いて測定した直流５ｋＶ／ｃｍ印加直後からの
抵抗率の時間変化を示す。本実施例品では抵抗率の低下
はほとんど認められない。しかし、従来品は約０.０５
秒程度でまでは初期の抵抗率を保持できるが、その後は
急激に低下する。

【００３９】図３に交流４ｋＶ／ｃｍで３０ミリ秒の電
圧パルスを１０回印加した場合の抵抗率の変化を示す。
本実施例品はパルスの印加回数にかかわらず、ほぼ一定
値を維持しているが、従来品では１〜２回のパルス印加
で抵抗が急激に低下し、元の状態に戻らない。このこと
は、遮断器に用いたとき一回の遮断で３〜５回の投入動
作があるので従来の抵抗体では信頼性が全く保障できな
いが、本実施例品ではパルスの繰返し印加による抵抗変
動が少く、遮断器用抵抗体として好適である。

【００４０】〔実施例３〕実施例１のものに二酸化ケイ
素（純度９９.９％）を添加し焼結温度を変えた場合に
ついて検討した。評価は、破断面観察（画像解析）によ
る気孔率および実施例１と同じく電圧−電流特性から得
られた抵抗率の直線性で比較した。結果を表３に示す。

【００４１】

【表３】

【００４２】試料番号３６に見られるように二酸化ケイ
素を微量添加することで、焼結温度を１２５０℃から約
１００℃低い１１５０℃で焼結しても、その気孔率は６
％程度で、磁器としての焼結性も十分である。しかも電
気的特性への影響もほとんどない。しかし、添加量が５
モル％を超えると、試料番号４１に見られるように直線
性が悪くなる。これは粒界部にガラス相が生成して、キ
ャリア抑制の効果がなくなることに起因するものと推定
される。

【００４３】〔実施例４〕実施例１の組成に二酸化マン
ガン（純度９９.９％）を添加し、直径５０ｍｍ×厚さ
２０ｍｍの抵抗体２を作製した。これを図４に示すよう
にアルミナ基板１上に乗せ、各抵抗体間に酸化亜鉛粉３
を敷いて４段に積み重ね、電気炉で１２５０℃、２時間
焼成した。該抵抗体の抵抗特性を表４に示す。

【００４４】二酸化マンガンを添加しない場合は、上部
と下部とでは、抵抗値が２０％程度異なるが、二酸化マ
ンガンの添加により特性の変動は極めて少なく、安定し
た製品を製造することができる。しかし、過剰な添加は
逆に焼結性を阻害することになり好ましくない。

【００４５】

【表４】

【００４６】〔実施例５〕本発明の組成による抵抗体
（直径１００ｍｍ×厚さ２５ｍｍ、抵抗値２０Ω）を７
４５枚製造し、５並列方式で組み込んだ電力用遮断器を
試作した。これに１００ＭＶ正弦波を印加し、連続１０
回の遮断投入動作を行なった結果、試験中、試験後共に
抵抗特性や遮断器には異常は見られなかった。

【００４７】

【発明の効果】本発明のセラミックス直線抵抗体は、高
電界下における抵抗率の安定性が従来の抵抗体に比べ
て、少なくとも３倍は優れており、ＵＨＶ送電用遮断器
の信頼性および寿命を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】試料抵抗体の印加電圧と抵抗率との関係を示す
グラフである。

【図２】直流電圧の印加時間に対する抵抗率の変化を示
すグラフである。

【図３】パルス電圧の繰返し印加と抵抗率の変化を示す
グラフである。

【図４】実施例４における抵抗体の焼成方法を示す模式
図である。

【符号の説明】

１…アルミナ基板、２…抵抗体、３…酸化亜鉛粉。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山田 誠一 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株式会社日立製作所 日立研究所内 (72)発明者 庄司 守孝 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株式会社日立製作所 日立研究所内 (56)参考文献 特開 昭61−256701（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01C 7/00 H01C 7/10 H01H 33/16

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電圧−電流特性が直線であるセラミック
   ス直線抵抗体において、該抵抗体を構成するセラミック
   スが、酸化亜鉛，酸化アルミニウムおよび酸化マグネ
   シウムと、これに酸化カルシウム，酸化ストロンチウ
   ム，酸化バリウムから選ばれる一種以上を含む焼結体で
   あって、前記酸化亜鉛６８〜９０モル％、前記酸化アル
   ミニウム５〜２０モル％、前記酸化マグネシウム３〜１
   ０モル％であり、前記酸化カルシウム，酸化ストロンチ
   ウム，酸化バリウムの一種以上の合計が０.５〜１０モ
   ル％（但し、酸化カルシウムが単独配合の場合は１〜１
   ０モル％）含むことを特徴とするセラミックス直線抵抗
   体。
2. 【請求項２】 前記抵抗体を構成するセラミックスが
   ０.１〜５モル％の酸化ケイ素を含んでいる請求項１に
   記載のセラミックス直線抵抗体。
3. 【請求項３】 前記抵抗体を構成するセラミックスがマ
   ンガン酸化物を０.１〜１重量％含んでいる請求項１ま
   たは２に記載のセラミックス直線抵抗体。
4. 【請求項４】 絶縁性ガスを封入したタンク内に遮断部
   と、該遮断部に並列に挿入された抵抗体を有する電力用
   の遮断器において、前記抵抗体が、酸化亜鉛，酸化ア
   ルミニウムおよび酸化マグネシウムと、これに酸化カ
   ルシウム，酸化ストロンチウム，酸化バリウムから選ば
   れる一種以上を含むセラミックス焼結体で構成され、前
   記酸化亜鉛６８〜９０モル％、前記酸化アルミニウム５
   〜２０モル％、前記酸化マグネシウム３〜１０モル％で
   あり、前記酸化カルシウム，酸化ストロンチウム，酸化
   バリウムの一種以上の合計が０.５〜１０モル％（但
   し、酸化カルシウムが単独配合の場合は１〜１０モル
   ％）含むセラミックス直線抵抗体の１個以上で構成した
   ことを特徴とする遮断器。
5. 【請求項５】 前記抵抗体を構成するセラミックスが
   ０.１〜５モル％の酸化ケイ素を含んでいる請求項４に
   記載の遮断器。
6. 【請求項６】 前記抵抗体を構成するセラミックスがマ
   ンガン酸化物を０.１〜１重量％含んでいる請求項４ま
   たは５に記載の遮断器。