JP4135280B2

JP4135280B2 - 避雷器

Info

Publication number: JP4135280B2
Application number: JP31473699A
Authority: JP
Inventors: 晋吾白川; 聡史綿引
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-11-06
Filing date: 1999-11-05
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2019-11-05
Also published as: JP2000200521A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、避雷器に係り、特に酸化亜鉛素子が碍管内もしくはタンク内に複数積層された避雷器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より碍子形避雷器は、S．Shirakawa et al．：DC and AC Contamination Characteristics of Two Staged Porcelain Type Surge Arresters,10th ISH, Montreal, 1997に述べられているように、碍管表面が局部的に不均一汚損されると、一部の酸化亜鉛素子に過度の電気的ストレスが長時間加わり、酸化亜鉛素子が発熱し、最終的に熱暴走するような現象が生じる虞れがあった。
【０００３】
すなわち、酸化亜鉛素子の熱的なアンバランスになると、酸化亜鉛素子の漏れ電流が増加し、酸化亜鉛素子温度が急激に上昇し、酸化亜鉛素子が熱暴走してしまう虞れがあった。また、酸化亜鉛素子温度が上昇している状態で大きな雷サージや系統の多頻度の開閉サージを吸収してしまうと、酸化亜鉛素子温度が酸化亜鉛素子の熱バランスを超える状態（例えば酸化亜鉛素子温度が約２００℃を超える場合）となり、酸化亜鉛素子の漏れ電流が異常に増加し、熱暴走してしまう可能性が高くなる虞れがあった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
避雷器用の酸化亜鉛素子の基本特性は、１ｍＡ通電における酸化亜鉛素子の端子電圧と酸化亜鉛素子の厚みで評価される。従来では約２００Ｖ／mmの酸化亜鉛素子が主流であった。
【０００５】
碍子形避雷器では、保護レベルの改善のために制限電圧の低減による高性能化が期待されている。しかしながら、碍管表面の汚損による酸化亜鉛素子の温度上昇を極力抑えることのできる碍子形避雷器が実現されていないことから、碍子形避雷器の高性能化が懸念されている。
【０００６】
タンク形避雷器においても、同様に酸化亜鉛素子のサージ吸収時のＺｎＯ素子温度上昇から、避雷器の高性能化や酸化亜鉛素子の使用体積の縮減による避雷器のコンパクトの達成が懸念されている。
【０００７】
すなわち、従来の２００Ｖ／mmの酸化亜鉛素子を用いた場合、例えば２６６ｋＶの碍子形では、酸化亜鉛素子を９５枚程度積層する。これに対して高耐圧素子の酸化亜鉛素子を用いた場合、例えば約４００Ｖ／mmの酸化亜鉛素子を用いた場合、酸化亜鉛素子を４８枚程度積層し、約３００Ｖ／mmの酸化亜鉛素子を用いた場合、酸化亜鉛素子を６３枚程度積層することとなり、従来に比べて酸化亜鉛素子の枚数を減らせることができる。
【０００８】
ところが、酸化亜鉛素子の枚数を減少させた状態では、酸化亜鉛素子間の電圧分担が対地静電容量の影響を受けて不均一となり、課電寿命特性が課題となってくる。酸化亜鉛素子間の電位分担を改善するために碍管長さを短縮することも考えられるが、屋外の汚損条件を考えると外部沿面閃絡が発生することからむやみに短縮はできず、碍子形避雷器の設計としては碍管耐汚損電圧と酸化亜鉛素子の最適配置が必須となる。
【０００９】
本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、碍管表面の汚損による酸化亜鉛素子の温度上昇を抑えることのできる避雷器を提供するにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の避雷器は、上記目的を達成するために、碍管内に設けられた絶縁棒と、酸化亜鉛素子の上下端に金属板を配置したものを該絶縁棒を介して複数積層した積層体と、該積層体の下側端に設けられた金属製の導体と、前記積層体の上端側に設けられた前記積層体を前記碍管内に圧接する弾性体とを備え、
前記金属板は、碍管頭部には、酸化亜鉛素子１枚の厚み相当以上の厚みを有し、対地鉛直側に沿って、酸化亜鉛素子の厚み以上の金属板の枚数を順次増加させた金属板を酸化亜鉛素子の下側に段階的に配置したことを特徴とする。
【００１２】
前記酸化亜鉛素子は、ＺｎＯ粒子とこれに酸化ビスマス，酸化アンチモン，酸化コバルト，炭酸マンガン，酸化クロム，酸化ニッケル，酸化ホウソ，炭素マグネシウム，酸化銀，酸化ケイ素，硝酸アルミニウムで構成される金属添加物の粒界で構成されていることを特徴とする。そして、酸化亜鉛素子は粒径１〜５μｍのＺｎＯ粒子とこれに酸化ビスマス，酸化アンチモン，酸化コバルト，炭酸マンガン，酸化クロム，酸化ニッケル，酸化ホウソ，炭素マグネシウム，酸化銀，酸化ケイ素，硝酸アルミニウムで構成される金属添加物の粒径０.０５〜０.６μｍで構成され、動作開始電圧２８０Ｖ／mm〜５００Ｖ／mmの特性を出現させる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る碍子形避雷器とタンク形避雷器の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１８】
図１〜図４は第１の実施の形態である碍子形避雷器を示す図面であって、図１は２段積避雷器の構成図と電圧分担図を示す。図２は碍子形避雷器の構造を示す断面図、図３は図２の酸化亜鉛素子部分を拡大した拡大図、図４は図３の酸化亜鉛素子の形状を示す斜視図である。
【００１９】
図面において１は上段側碍管であり、２は下段側碍管である。本実施の形態では上段側碍管１側ユニットと下段側碍管２側ユニットから構成された２段側碍子形避雷器の例を示している。さらに３段積にすれば高定格避雷器も実現できる。碍管１，２は磁器もしくはポリマー製で構成される。
【００２０】
上段側碍管１及び下段側碍管２内には絶縁筒９を設け、その内部には直線状に鉛直方向に延びる絶縁棒５も設けている。絶縁棒５には図３に示すようなドーナツ形状した酸化亜鉛素子３の上下端にドーナツ形状した金属板４を配置したものを複数積層した積層体を挿入している。
【００２１】
酸化亜鉛素子３には動作開始電圧２８０Ｖ／mm〜５００Ｖ／mmの特性を有する高耐圧化のものを用いている。金属板４は酸化亜鉛素子３で発生した熱を吸収する機能を有しているものである。また、金属板４には酸化亜鉛素子３の厚み相当以上の厚みを有するものを用いている。
【００２２】
積層体の下端側には金属製の導体６を設け、積層体を支えている。積層体の上端側には弾性体であり、バネ７を設け、積層体を碍管内、具体的には絶縁筒９内に隣接している。なお、バネ７には短絡用接続導体が内蔵されており、避雷器の放電電流に対して影響のないように配慮している。上段側碍管１の上端側には部分的欠かした傘状のシールド１０を設け、下段側碍管２の下段側には絶縁べース８を設けている。
【００２３】
本実施の形態によれば、動作開始電圧２８０Ｖ／mm〜５００Ｖ／mmの特性を有する酸化亜鉛素子を用いて酸化亜鉛素子の積層枚数を減らし、酸化亜鉛素子の上下端に酸化亜鉛素子の厚み相当以上の厚みを有する金属板を配置したので、碍管表面の汚損により酸化亜鉛素子に過渡的に流れる漏れ電流によって発生する酸化亜鉛素子の熱を吸収できると共に、制限電圧を低下して避雷器の高性能化が図れる。
【００２４】
碍子形避雷器の構成として、避雷器の放圧性能（防爆性能）に対して、絶縁筒９は内部要素の碍管への飛散防止には非常に有効な方法である。しかし、内部酸化亜鉛素子の放熱に対して、碍管との間で絶縁状態になるので、放熱特性に対しては悪い影響となる。これを改善させる意味においても、酸化亜鉛素子の上下端に酸化亜鉛素子の厚み相当以上の厚みを有する金属板を複数積層することは、酸化亜鉛素子の熱暴走を防ぐ意味で非常に効果的となる。
【００２５】
なお、本実施の形態で得られた碍子形避雷器では、１ユニット当たり、制限電圧特性における（於：１０ｋＡ）と運転電圧との比が１.９〜２.４の範囲にあった。
【００２６】
また、本実施の形態によれば、金属板の厚みを酸化亜鉛素子の厚み相当以上としたので、動作開始電圧２８０Ｖ／mm〜５００Ｖ／mmの特性を有する酸化亜鉛素子を用いて酸化亜鉛素子の積層枚数を減らしても、酸化亜鉛素子間の電圧分担が対地静電容量の影響を受けて不必要まで不均一とならない。
【００２７】
また、金属板の厚みを酸化亜鉛素子の厚み以上とすれば、約２倍の高耐圧化素子を用いた場合に相当し、見掛け状熱容量を約２倍に上げることができる。漏れ距離の長くなる碍管を用いる場合は、さらに厚みの大きい金属板の適用が可能となり、酸化亜鉛素子の熱吸収容量を拡大できるほか、外部碍管の汚損による放電時の酸化亜鉛素子漏れ電流への過渡的影響が低減できる。
【００２８】
また、制限電圧をさらに低減したい場合には、酸化亜鉛素子の枚数が低減されることから、金属板の挿入が容易となり、酸化亜鉛素子の放熱特性が優れた避雷器の構成ができる。
【００２９】
図６は第２の実施の形態である碍子形避雷器を示す図面であって、酸化亜鉛素子部分の拡大図である。本実施の形態も前例と同様に２段積碍子形避雷器の例を示している。本実施の形態では、酸化亜鉛素子３の上下端に配置した金属板４を複数に分割（本実施例では４分割）している。なお、他の構成については前例と同様であり、その説明は省略する。
【００３０】
これは図１の碍子形避雷器（２段積）の基本的な電圧分担（酸化亜鉛素子間の電圧分担であり、これは酸化亜鉛素子の固有の静電容量と対地静電容量で決まる電圧分担値）を示すように、碍管の電位分布に対して、酸化亜鉛素子の配置により、酸化亜鉛素子と碍管電位分布の間に電位差があり、碍管汚損時にはこの影響が大きくなり、過度の電気的ストレスが発生するものである。
【００３１】
本発明に係る碍子形避雷器によれば、酸化亜鉛素子の上下端に酸化亜鉛素子の厚み相当より厚い金属板を配置することにより、酸化亜鉛素子の電圧分担は碍管の電圧分担により近づけることができ、碍管表面と酸化亜鉛素子間の電位差がより少なくできる。ここでは、さらに、酸化亜鉛素子としての動作開始電圧２８０Ｖ／mm〜５００Ｖ／mmの特性を有するものを用いたので、碍管表面の汚損により酸化亜鉛素子に過渡的に流れる漏れ電流によって発生する酸化亜鉛素子の熱を酸化亜鉛素子の厚み相当より厚い金属板により吸収できると共に、制限電圧を低減して避雷器の高性能化が図れる。従って、碍管表面の汚損による酸化亜鉛素子の温度上昇を抑えることができると共に、制限電圧の低減による高性能化が図れる碍子形避雷器を提供することができる。
【００３２】
本発明に係る碍子形避雷器によれば、酸化亜鉛素子の上下端に酸化亜鉛素子の厚み相当より厚い金属板を配置すると共に、金属板４を対地鉛直側に沿って金属板の厚みを漸次拡大し、酸化亜鉛素子としての動作開始電圧２８０Ｖ／mm〜500Ｖ／mmの特性を有するものを用いたので、碍管表面の汚損により酸化亜鉛素子に過渡的に流れる漏れ電流によって発生する酸化亜鉛素子の熱を吸収できると共に、制限電圧を低減して避雷器の高性能化が図れる。従って、碍管表面の汚損による酸化亜鉛素子の温度上昇を抑えることができると共に、制限電圧の低減による高性能化が図れる碍子形避雷器を提供することができる。
【００３３】
碍管表面の電位と酸化亜鉛素子間の電位差が低減され、汚損時の素子表面への過電圧を抑制でき、耐汚損特性の優れた避雷器が実現できる。
【００３４】
なお、本実施の形態ではドーナツ形状の酸化亜鉛素子を用いた場合について説明したが、円盤状の酸化亜鉛素子を用いた場合も同様の効果を得ることができる。
【００３５】
本実施例の形態によれば、金属板を複数に分割し、金属板の厚みを任意に調整することができるようにしているので、金属板を酸化亜鉛素子の厚み以下とする場合も容易に設定でき、コスト低減もできる。
【００３６】
図７は本実施の形態も前例と同様に２段積碍子形避雷器の例を示している。図５は第３の実施の形態である碍子形避雷器を示す図面であって、酸化亜鉛素子部分の拡大図である。本実施の形態では、酸化亜鉛素子３の上下端に配置した金属板４を対地鉛直側に沿って金属板の厚みを漸次拡大したものとしている。さらに、金属板の厚みは酸化亜鉛素子１枚の厚み相当以上の厚みとし、対地側に酸化亜鉛素子の厚み以上の金属板を段階的に配置することで、さらに電圧分担が改善される。
【００３７】
碍管表面の電位と酸化亜鉛素子間の電位差が低減され、汚損時の素子表面への過電圧を抑制でき、耐汚損特性の優れた避雷器が実現できる。
【００３８】
図８は本実施の形態も前例と同様に２段積碍子形避雷器の例を示している。図８での上段と下段とでは、通常、上段側に１.０５〜１.３倍程度の過電圧が対地静電容量の影響で差が生じることから、酸化亜鉛素子の厚み以上の金属板を上段と下段とで差を設けてある。この方法は前記の段階的に金属板を調整する方法よりはコスト的により簡単に実現できる。
【００３９】
図９，図１０はタンク形避雷器の構造を示す断面図である。図９は頭部シールド１７により酸化亜鉛素子間の電位分担を制御していることから、頭部課電側に電位が集中する。このことから金属板４の厚みの調整により、頭部に酸化亜鉛素子３の個数を多く配置し、電位分担に低い部分には金属板４の厚いもので構成できる。図１０は頭部にリングシールド１８を有する金属シールドにより、電圧分担を制御していることから、リングシールド周辺に電位が集中することから、この部分に酸化亜鉛素子３の個数を多く配置し、電位分担に低い部分には金属板４の厚いもので構成させることができる。
【００４０】
タンク形避雷器の酸化亜鉛素子の熱暴走，課電寿命の向上を酸化亜鉛素子の厚みより大きい金粗板で調整することができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明した本発明の避雷器によれば、碍管表面の汚損による酸化亜鉛素子の温度上昇を抑えることのできる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による２段積避雷器の構成図と電圧分担図。
【図２】本発明の第１の実施の形態である碍子形避雷器の構造を示す断面図。
【図３】図２の酸化亜鉛素子部分を拡大した拡大図。
【図４】図２の酸化亜鉛素子の形状を示す斜視図。
【図５】図７の酸化亜鉛素子部分を拡大した拡大図。
【図６】酸化亜鉛素子部分を拡大した拡大図。
【図７】本発明の第２の実施の形態である碍子形避雷器の内部構造図。
【図８】本発明の第３の実施の形態である碍子形避雷器の内部構造図。
【図９】本発明による第４の実施の形態であるタンク形避雷器の内部構造図。
【図１０】本発明による第４の実施の形態であるタンク形避雷器の内部構造図。
【図１１】従来ＺｎＯ素子と高耐圧ＺｎＯ素子の微構造と電圧−電流特性図。
【図１２】従来ＺｎＯ素子と高耐圧ＺｎＯ素子の耐量との関係図。
【図１３】タンク形避雷器器の電圧分担図。
【符号の説明】
１…上段側碍管、２…下段側碍管、３…酸化亜鉛素子、４…金属板、５…絶縁棒、６…金属製の導体、７…バネ、８…絶縁ベース、９…絶縁筒、１０，１７，２０…シールド、１１，１２，１３，１４，１５…金属板、１６…タンク、１８…スペーサ、１９…導体。

Claims

碍管内に設けられた絶縁棒と、酸化亜鉛素子の上下端に金属板を配置したものを該絶縁棒を介して複数積層した積層体と、該積層体の下側端に設けられた金属製の導体と、前記積層体の上端側に設けられた前記積層体を前記碍管内に圧接する弾性体とを備え、
前記金属板は、碍管頭部には、酸化亜鉛素子１枚の厚み相当以上の厚みを有し、対地鉛直側に沿って、酸化亜鉛素子の厚み以上の金属板の枚数を順次増加させた金属板を酸化亜鉛素子の下側に段階的に配置したことを特徴とする避雷器。
請求項１に記載の避雷器において、
前記酸化亜鉛素子は、ＺｎＯ粒子と金属添加物の粒界を有することを特徴とする避雷器。
請求項１又は２に記載の避雷器において、
前記酸化亜鉛素子は、粒径１〜５μｍのＺｎＯ粒子と金属添加物の粒界０.０５〜０.６μｍを有することを特徴とする避雷器。
請求項２又は３に記載の避雷器において、
前記金属添加物は、酸化ビスマス，酸化アンチモン，酸化コバルト，炭酸マンガン，酸化クロム，酸化ニッケル，酸化ホウソ，炭酸マグネシウム，酸化銀，酸化ケイ素，硝酸アルミニウムを有することを特徴とする避雷器。
請求項１に記載の避雷器において、
前記酸化亜鉛素子は、動作開始電圧２８０Ｖ／mm〜５００Ｖ／mmの特性を有するものであることを特徴とする避雷器。
請求項１に記載の避雷器において、
前記酸化亜鉛素子１枚相当以下に複数分割されていることを特徴とする避雷器。