JP3175500B2 - 電圧非直線抵抗体およびその製造方法 - Google Patents

電圧非直線抵抗体およびその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、主として送変電システ
ムなどの電力分野に用いられるZnOを主成分とする電
圧非直線抵抗体およびその製造方法に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】ZnOを主成分とする電圧非直線抵抗体
(以後、ZnO素子と記す)は、その電流電圧特性が優
れた非直線性を示すことから、送変電システムにおける
避雷器用素子として幅広く利用されている。この電圧非
直線抵抗体は、主成分のZnOに主添加成分としてBi
酸化物を含み、副添加成分として少量のSb,Mn,C
o,Cr,Si,Ni,Al,Bなどの酸化物が加えら
れており、これらが通常のセラミックス製造技術によっ
て合成される。ここでいうセラミックス製造技術とは、
原料粉末を混合,仮焼,造粒し、これを円板状,板状,
円筒状またはドーナツ状等の所定形状に成型したあと、
焼成,熱処理し、焼結体を得た後、電極を形成する行程
を表している。
【0003】このようにして得られた電力用の電圧非直
線抵抗体には、高い非直線係数(α値),制限電圧(バ
リスタ電圧)の最適化,インパルス耐量の増加,課電寿
命特性の改善などいくつかの重要な特性が求められる。
このうちでも重要なのは、雷サージ,開閉サージ等によ
る衝撃高電圧が印加されたときに、ZnO素子の沿面を
電流が短絡して流れないことである(沿面せん絡の防
止)。
【0004】この要求に対しては、たとえばZnO素子
の側面に素子そのものよりも高抵抗を有する無機物の高
抵抗層を塗布,焼き付けて形成し、ZnO素子の沿面に
流れる電流を抑止する方法が提示されている。これらの
無機物高抵抗層として、代表的には例えば特公昭54−26
710号,特公昭58−27643号に開示されているように、ホ
ウケイ酸亜鉛系のガラス、またはアルミナケイ酸系のガ
ラスが知られている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ZnO素子の沿面せん
絡を防止することは、これを用いた避雷器装置の安定化
が確保され、このことは送変電システム自体の信頼性・
安全性につながる。このため、産業上きわめて重要な技
術と位置づけられる。
【0006】前記の従来技術を使って得られた電圧非直
線抵抗体には、沿面せん絡の防止という観点からは次の
ような欠点がある。例えばホウケイ酸亜鉛系のガラスを
設けると、ZnO素子としての非直線係数が小さくな
る。またガラスの耐酸性が悪いために、避雷器のように
ZnO素子を窒素中に封入して使用すると、コロナ放電
により生成する硝酸ガスなどによってガラスが侵され
て、沿面耐量が低下する欠点が見られる。また、これら
の欠点を改善すべく提示されたアルミナケイ酸系のガラ
スを用いた場合であるが、開示されている化学組成、そ
の成分比では本発明者らの実験によると、ZnO素子と
ガラス自体との濡れ性が良くなく、製造工程中また避雷
器として使用中にマイクロクラックが素子とガラス層の
界面を中心に発生し、その結果ガラス層の剥離,沿面耐
量が低下するという問題があった。
【0007】ZnO素子の沿面せん絡を防ぎ、避雷器装
置の安定性・信頼性を確保するには、優れた側面高抵抗
層とこれを形成する製造プロセスが必要である。本発明
の目的は、避雷器などの放電耐量に関して、ZnO素子
の沿面せん絡を防止した電圧非直線抵抗体ならびにその
製造方法を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】ZnO素子の沿面せん絡
を防ぐことを目的とする側面高抵抗層として要求される
重要な要素は、 (1)ZnO素子との密着性に優れていること。
【0009】(2)材料内に不均一な抵抗分布などが少
ないこと。
【0010】(3)側面高抵抗層を設ける際の熱処理工
程によって、ZnO素子の特性を損なわないこと。
【0011】の3点が考えられる。
【0012】本発明者らはこれらの観点から、熱膨張特
性,耐酸化性などを考慮して検討した結果、側面高抵抗
層として結晶化ガラスに的を絞った。さらにZnO素子
との密着性を検討した結果、ZnOとアルカリ土類金属
をガラスに同時添加すると、ZnO素子との濡れ性が良
くなり、かつその界面には反応層が形成されることを見
出した。より詳細にガラスの成分を検討した結果、主成
分としてZnO,Al23,SiO2,ZrO2,Ba
O,CaOから成る結晶化ガラスが側面高抵抗層として
適していることを明らかにした。このことを元にさらに
熱処理条件などの検討を進めた結果、本発明に至ったも
のである。
【0013】本発明は、Al23,SiO2,ZnO,
BaO,ZrO2,CaOを必須成分とした結晶化ガラ
スを側面高抵抗層として有している電圧非直線抵抗体
(ZnO素子)である。
【0014】各成分の組成範囲としては、酸化物に換算
して、ZnOが10〜20重量%,Al23が10〜3
0重量%,SiO2 が20〜40重量%,BaOが20
〜30重量%,ZrO2が1.5〜5重量%,CaOが
0.5〜1.0重量%である。このガラスに含まれるAl
23はフィラーであることが望ましい。
【0015】ZnO素子を得るために通常のセラミック
ス製造技術により焼結し、この焼結体を300℃以下ま
で冷やし、この焼結体側面にガラス粉末をペースト状に
塗布する工程と、これを大気中800〜950℃に昇温
して1時間以上保持して降温する工程とから成る製造方
法である。
【0016】
【作用】前述したようにZnO素子の側面高抵抗層とし
ては、ZnO素子自体の非直線性を損なうことなく、か
つ耐酸性にも優れた結晶化ガラスを基本とする。結晶化
ガラスの主成分はZnO,BaO,SiO2,Al
23,ZrO2,CaOであり、ガラス中のZnO及び
BaOにより、ZnO素子とガラスとが良く濡れて密着
性が改善される。ZnOのみの添加,BaO以外のアル
カリ土類金属酸化物を添加しても改善の効果は見られな
い。ZnOとBaOを同時に添加することによりZnO
素子と反応層が形成されやすくなり、密着性改善の効果
を示す。また、CaOは反応層形成に伴いBaO,Si
2,Al23,ZrO2よりZnO素子内に深く反応す
るため、高抵抗層となるガラス反応層とZnO素子間の
抵抗分布の段差を小さくする効果がある。
【0017】この結果、界面のクラックやボイドに電界
が集中することがなく、ZnO素子内に不均一な抵抗分
布が少なくなるので沿面せん絡が低減される。
【0018】本発明の側面高抵抗層に用いるガラスは、
熱処理を施すことにより結晶化ガラとなる。ガラス組成
としては、ZnOが10〜20重量%,Al23が10
〜30重量%,SiO2が20〜40重量%,BaOが
20〜30重量%,ZrO2が1.5〜5.0重量%,C
aOが0.5〜1.0重量%であることが望ましい。
【0019】SiO2 が40重量%より多い場合には、
ガラスの軟化点、または作業温度が高くなりすぎて、ガ
ラス焼き付け温度がZnO素子の焼結温度よりも高くな
ってしまい好ましくない。逆にSiO2 が20重量%よ
り少なかったり、Al23が30重量%よりも多い場合
には、ガラス層内にクラックが多数発生し高抵抗層とし
ての役割を果たせず好ましくない。またAl23が10
重量%より小さいとガラスの軟化温度が高くなるため好
ましくない。ZnOが10重量%より小さい場合には、
ZnO素子との熱膨張係数が合わず(ZnO素子;50
〜70×107/℃)、製造過程で剥離するという問題
がある。逆にZnOが20重量%よりも多いとガラスの
耐酸性,ガラス焼き付け温度が低下して好ましくない。
BaOが20重量%より少ないとZnO素子との濡れ性
改善に効果がなく、30重量%を越えると熱処理工程中
で不均一な化学反応を生じ、ガラス反応層内に不均一な
抵抗分布ができて好ましくない。ZrO2に関しては、
1.5重量%より小さい場合または逆に5重量%を越え
た場合には、熱膨張係数がZnO素子と合わないため好
ましくない。CaOが0.5重量%より少ない場合、ま
たは1.0重量%より多い場合は、ガラス層とZnO素
子間に不均一な抵抗分布ができて好ましくない。本発明
によるガラス組成には、不純物としてSrO,MgO,
CoO,B23,Fe23,CuO,Y23,Mn
2,Na2O,Li2O などが含まれていても良い。た
だし、これらの含有量が多すぎるとガラスの特性が変化
してしまうので、これらの総量は1重量%より小さいこ
とが望ましい。
【0020】また添加するAl23がフィラーである
と、通常の酸化物粉末を使うよりも軟化温度の低温化及
びガラスの強化ができ結晶性の良いガラスができるため
本発明の目的により合致している。
【0021】本発明による電圧非直線抵抗体は、通常の
セラミックス製造技術によって合成された円板状,円筒
状またはドーナツ状のZnO素子の側面に、上記ガラス
粉末を適当な有機物を加えてペースト状にしたものを、
スプレー法,ディップ法あるいは機械転写法によって塗
布し、乾燥後、大気中800〜950℃の温度で1時間
以上保持し降温して得られる。最終的にはこの焼結体上
・下端面に溶射あるいは焼き付け法によってAl電極を
形成する。熱処理温度を限定する理由は、下記による。
【0022】熱処理温度が800℃以下では、ガラスが
溶解しない。また、950℃以上ではZnO素子に熱歪
みが残留しやすくなること、ガラス反応層の変質及び過
度の結晶化により反応層界面及びガラスにマイクロクラ
ックが発生して好ましくない。ガラスを焼き付ける温度
は1時間以上が好ましい。これより短いと反応が十分に
進まず密着性の観点から好ましくない。なおこの製造工
程において、既に本発明者らが開示している(特願平6
−16080号記載)ようなZnO素子自体の特性を向上さ
せるための熱処理条件(熱処理工程を2回以上行う)を
適用しても良く、本発明の効果を損なうものではない。
【0023】なお、ZnO素子と本発明のガラス層との
界面に高抵抗セラミック層(例えばBi23,Si
2,Sb23 等の複合酸化物)を設けても良く、本発
明の効果を損なうものではない。
【0024】
【実施例】
〈実施例1〉出発原料として純度99.9%以上のZn
O:94.39モル%,Bi23:1.0モル%,Sb2
3:1.0モル%,MnCO3:0.5モル%,CO
23:1.0モル%,Cr23:1.0モル%,NiO
1.0モル%,B23:0.1モル%,Al(NO3)3
0.01 モル%になるように各粉末を所定量だけ秤量
し、ZnOを除いた他の添加物をパールミルで混合,乾
燥して空気中850℃,2h保持で仮焼し、その後、仮
焼物を粉砕して複合酸化物を作製し、所定量の複合酸化
物とZnO粉末とに適当量のポリビニルアルコール水溶
液を加え、ボールミルで混合して造粒粉を作製した。
【0025】造粒粉を加圧成形後、空気中1190℃で
約4h焼結した。このときの昇・降温速度は約70℃/
hとした。焼結後のZnO素子の形状寸法はφ50×2
5tである。
【0026】別にガラス(軟化点:850℃,組成:Z
nO=15重量%,BaO=27重量%,Al23フィ
ラー=25重量%,SiO2=29.2重量%,ZrO2
=3重量%,CaO=0.8 重量%)粉をエチルセルロ
ースのカルビトール溶液に懸濁してペースト状にし、こ
れを前述の焼結体側面に厚さが100〜200μmにな
るようにしてスプレー法で塗布・乾燥した。これを85
0℃に加熱して2時間保持した後、約75℃/hの降温
速度で室温まで冷却した。こうして得られた焼結体上・
下端面にAlを溶射して電極を形成し、ZnO素子を作
製した。焼き付けしたガラスは結晶化していることを確
認した。作製したZnO素子の模式断面図を図1に示
す。
【0027】表1に作製したZnO素子の非直線係数
(α値)及びインパルス耐量試験結果を示す。
【0028】
【表1】
【0029】非直線係数(α値)はZnO素子にDC1
0μA(I1)及び1mA(I2)通電したときのZnO素子
端子間の電圧:V1およびV2を使って(1)式からもと
めた。
【0030】
【数1】
【0031】また、インパルス耐量は8×20μsのイ
ンパルス電流(電流値は4種類)を2回通電したときの
ZnO素子の破壊(沿面せん絡)の有無で検討した。同
表において○印は正常、×印は破壊を示す。
【0032】本発明のZnO素子は、非直線係数が側面
にホウケイ酸亜鉛系ガラス(表中従来品1)あるいはア
ルミナケイ酸系ガラス(従来品2)を焼き付けた従来素
子に比べて約2倍以上大きい。インパルス耐量は、従来
素子が40kAで破壊するのに対して本発明の素子は1
00kAまで正常であった。
【0033】〈実施例2〉実施例1と同様に出発原料と
して99.9%以上のZnO=94.39ル%,Bi23
=1.0モル%,Sb23=1.0モル%,MnCO3
0.5モル%,CO23=1.0モル%,Cr23=1.
0モル%,NiO=1.0モル%,B23=0.1モル
%,Al(NO3)3=0.01モル%になるように各粉末
を所定量だけ秤量しZnOを除いた他の添加物をパール
ミルで混合,乾燥して空気中850℃・2h仮焼し、そ
の後、仮焼物を粉砕して複合酸化物を作製し、所定量の
複合酸化物とZnOをボールミルで混合して造粒粉を作
製した。造粒粉を加圧成形後、空気中1190℃で約4
h焼結した。焼結後のZnO素子の形状寸法はφ50×
25tである。
【0034】別に表2に示したガラス粉29種(Zn
O:5,10,13,14,15,17,20及び25
重量%,SiO2 =15,20,26.2,27.7,2
8,28.2,29.2,30,40及び44.2 重量
%,BaO=15,20,23,24.2,24.5,2
5,25.9,26,26.2,26.5,26.6,2
7,29.2,30及び35重量%,ZrO2=1.0,
1.5,3,4,5,5.5重量%,Al23フィラー=
7,10,15,22,23,25,28及び30重量
%,CaO=0.4,0.5,0.8,1.0及び1.1 重
量%からなる各金属酸化物の組合せ)をエチルセルロー
スのカルビトール溶液に懸濁してペースト状にし、これ
を焼結体素子の側面に厚さが100〜200μmになる
ようにスプレー法で塗布・乾燥した。
【0035】
【表2】
【0036】これを850℃に加熱して2時間保持した
後、約70℃/hの降温速度で室温まで冷却した。こう
して得られた焼結体の上・下端面にAlを溶射して電極
を形成し、ZnO素子を作製した。
【0037】表2に各ガラス29種の組成,熱膨張係
数,軟化温度,作業温度及びZnO素子側面に29種の
ガラスを熱処理によって焼き付けたZnO素子の非直線
係数とインパルス耐量を示す。インパルス耐量は、10
0kA(4×10μs)のインパルス電流を2回通電し
たときのZnO素子の破壊(沿面せん絡)の有無で検討
した。同表において○印は正常、×印は破壊を示す。
【0038】29種のガラスペーストを焼き付けた素子
の非直線係数は約27〜30の範囲内で大差なかった。
しかし、No.1,5,6,11,12,16,17,2
1,22,24,25及び29のガラスペーストを焼き
付けた素子は、100kAのインパルス耐量試験によっ
て破壊した。
【0039】素子が破壊した主な理由として、No.6,
11,22のガラスでは、ガラスの熱膨張係数がZnO
素子の熱膨張係数(50〜70×107/℃)と合致しな
いためZnO素子とガラスの界面剥離及びガラスに割れ
等が生じたこと、No.21のガラスでは軟化温度が高く
なりすぎてZnO素子にガラスが溶着しなかったこと、
また、No.1,5,7,24のガラスではガラスに不均
一層が生じてクラックが発生したことが考えられる。
【0040】一方、No.12のガラスではZnO素子と
ガラスの濡れ性が悪く、ZnO素子とガラスの界面で剥
離が生じたこと、No.16のガラスではZnO素子と不
均一な化学反応を生じて低抵抗な部分ができたこと、N
o.25及びNo.29のガラスではガラス層とZnO素子
間の抵抗分布が不均一であったことなどが考えられる。
【0041】以上のことから、ガラスの最適組成とし
て、ZnOが10〜20重量%,SiO2 が20〜40
重量%,BaOが20〜30重量%,ZrO2 が1.5
〜5.0 重量%,Al23が10〜30重量%,CaO
が0.5〜1.0重量%であることが望ましい。
【0042】熱処理によってガラスを焼き付けたZnO
素子側面近傍の断面組織の走査電子顕微鏡での観察及び
図2にガラス反応層近傍の金属元素を同定した特性X線
強度(測定:X線マイクロアナライザー)の模式図から
わかるようにZnO素子6とガラス4が緻密なガラス反
応層5を介して良く密着しており、Ba,Si,Zr,
Alと比較してCaがガラス層4からガラス反応層5を
経てZnO素子6側により深く反応しておりガラス反応
層とZnO素子間の抵抗段差を小さくしているものと判
断される。このガラス反応層に伴う抵抗のバランスがイ
ンパルス耐量向上に大きく寄与する。
【0043】〈実施例3〉実施例2で作製したZnO素
子側面に表2に示したNo.3のガラスペーストを約10
0〜200μm塗布・乾燥した後、これを850℃に昇
温して2時間保持した後、約70℃/hの降温速度で室
温まで冷却した。こうして得られたZnO素子を研磨・
洗浄,乾燥後、エッチング液(硝酸:水の比率が1:
9)に2分間浸し、浸漬前後の重量減からガラスの耐酸
性の目安とした。このとき比較のために従来から用いら
れているホウケイ酸亜鉛系ガラスを焼き付けた素子も同
様にエッチング液に2分間浸して耐酸性を調べた。
【0044】表3に試験結果を示す。本発明品のガラス
は従来のガラスに比べてガラス溶出量(重量減少の程
度)が約1/5と小さく耐酸性に優れている。
【0045】
【表3】
【0046】〈実施例4〉実施例2で作製したZnO素
子側面にガラスペースト(表2、No.3ガラス)を約1
00μm〜200μm塗布して乾燥し、熱処理工程の加
熱温度を750,800,900,950,1000℃
に変えて、熱処理した後に電極を形成し、ZnO素子の
熱処理温度とガラスのZnO素子への密着性およびイン
パルス耐量との関係を調べた。インパルス条件は実施例
2の場合と同じである。同表において○印はインパルス
耐量が正常、×印は破壊を示す。
【0047】結果を表4に示す。
【0048】
【表4】
【0049】熱処理工程での加熱温度が750及び10
00℃の場合は密着性が悪く、ボイドやマイクロクラッ
クが界面に生じ、インパルス耐量は悪い。これに対し、
熱処理温度を800〜950℃に選ぶと密着性が良くな
り、インパルス耐量の結果も良好である。したがって、
熱処理工程の加熱温度は800〜950℃の間が望まし
い。
【0050】〈実施例5〉実施例2で作製したZnO素
子側面にガラスペースト(表2、No.3ガラス)を約1
00μm〜200μm塗布して乾燥し、850℃,2時
間で焼き付けた電圧非直線抵抗体を碍子管に納め図3に
示す碍子型避雷器を作製した。
【0051】これに実施例4と同じインパルス耐量試験
を行った。試験終了後、碍子内のZnO素子の貫通破壊
の有無を調べたところ、貫通破壊をしている素子は見当
らなかった。
【0052】
【発明の効果】本発明によれば、従来技術よりインパル
ス耐量に優れた電圧非直線抵抗体が得られ、その結果こ
れを使った電力用送変電システムの信頼性,安定性が増
し、効果は大なるものがある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるZnO素子の断面説明図。
【図2】本発明によるZnO素子のガラス反応層近傍の
金属元素を同定した特性X線強度の模式図。
【図3】本発明による電圧非直線抵抗体を用いた避雷器
の構造を示す図。
【符号の説明】
1,6…ZnO素子、2,4…ガラス層、3…Al電
極、5…ガラス反応層、7…電圧非直線抵抗体、8…碍
子、9…シールド、10…絶縁ベース。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 元脇 成久 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 高橋 研 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 白川 晋吾 茨城県日立市国分町一丁目1番1号 株 式会社 日立製作所 国分工場内 (72)発明者 前田 邦裕 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56−164501(JP,A) 特開 平3−275531(JP,A) 実開 昭55−88203(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01C 7/10 H01B 1/08 H01C 7/12

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ZnOを主成分とし添加成分としてBi酸
    化物を含む焼結体と、 前記焼結体の側面を被覆するSiO 2 ,Al 2 3 ,Zn
    O,ZrO 2 ,BaO,CaOを必須成分とする結晶化
    ガラスと、 前記焼結体の両端面に形成された電極とを備える電圧非
    直線抵抗体において、 前記結晶化ガラスは、BaOを20〜30重量%および
    CaOを0.5〜1.0重量%含むことを特徴とする 電圧
    非直線抵抗体。
  2. 【請求項2】前記結晶化ガラスは、SiO 2 を20〜4
    0重量%,Al 2 3 を10〜30重量%,ZnOを10
    〜20重量%およびZrO 2 を1.5〜5 重量%含むこと
    を特徴とする請求項1の電圧非直線抵抗体。
  3. 【請求項3】前記結晶化ガラスに含まれるAl23がフ
    ィラーであることを特徴とする請求項1の電圧非直線抵
    抗体。
  4. 【請求項4】SiO 2 ,Al 2 3 ,ZnO,ZrO 2 ,B
    aO,CaOを必須成分とし、かつZnOを10〜20
    重量%,BaOを20〜30重量%およびCaOを0.
    5 〜1.0重量%含むガラス粉に有機物を加えてペース
    トにするステップと、 ZnOを主成分とし添加成分としてBi酸化物を含む焼
    結体の側面に前記ペーストを塗布するステップと、 前記ペーストが塗布された前記焼結体を800〜950
    ℃に昇温して1時間以上保持するステップと、 前記焼結体の両端面に電極を形成するステップとを有す
    ることを特徴とする 電圧非直線抵抗体の製造方法。
  5. 【請求項5】電圧非直線抵抗体と、前記電圧非直線抵抗
    体を納める碍子管とを備える避雷器において、 前記電圧非直線抵抗体は、ZnOを主成分とし添加成分
    としてBi酸化物を含 む焼結体と、前記焼結体の側面を
    被覆するSiO 2 ,Al 2 3 ,ZnO,ZrO 2 ,Ba
    O,CaOを必須成分とし、BaOを20〜30重量%
    およびCaOを0.5〜1.0重量%含む結晶化ガラス
    と、前記焼結体の両端面に形成された電極とを有するも
    のであることを特徴とする避雷器。
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