JP4481785B2

JP4481785B2 - 避雷器の劣化診断方法

Info

Publication number: JP4481785B2
Application number: JP2004300107A
Authority: JP
Inventors: 利春多田
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc
Priority date: 2004-10-14
Filing date: 2004-10-14
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2024-10-14
Also published as: JP2006112904A

Description

本発明は、避雷器の劣化診断方法に関し、詳しくは、酸化亜鉛を主成分とする限流素子で構成された避雷器に対して、その限流素子の経時的な劣化を判定するための避雷器の劣化診断方法に関する。

例えば変電所などに設置される避雷器は、落雷による雷サージや、開閉器、遮断器などの入り切りによる開閉サージに起因して異常電圧が発生した際にその周辺設備をサージから保護するものである。

この避雷器は、サージ電圧に対しては低抵抗、通常の対地電圧に対しては高抵抗を示す非直線性の電流電圧特性を有する酸化亜鉛（ＺｎＯ）を主成分とする複数の限流素子を積層し、その積層体の外周面に、弾性を有するポリマーやＥＰＤＭ等の絶縁外被体を被着した構造を有する。

雷サージや開閉サージによる異常電圧が発生すると、サージ電流が限流素子を介して大地へ流れる。このとき、異常電圧に対して限流素子が低抵抗値となってこれを瞬時に大地に逃がし、その異常電圧が消滅すれば、限流素子が高抵抗値となって通常の対地電圧を遮断する。この弁作用により、変電所に設置された避雷器の周辺設備を保護している。

この避雷器を構成する限流素子の経時的な劣化は、抵抗漏れ電流あるいは全漏れ電流が限流素子への課電時間と共に上昇する性質を利用することにより、その抵抗漏れ電流あるいは全漏れ電流が、ある一定の閾値（管理値）に達した時点で、経時的な劣化による寿命として診断するようにしている。

抵抗漏れ電流を利用する場合、その初期値をｉｒ₀、課電時間をｔとすると、抵抗漏れ電流ｉｒは、ｉｒ＝ｉｒ₀（１＋ｈ√ｔ）の関係式（ｈは係数）を満足するように課電時間と共に上昇する。また、全漏れ電流の場合でも、その初期値をｉａ₀、課電時間をｔとすると、全漏れ電流ｉａは、ｉａ＝Ａ・ｉａ₀＋Ｈ√ｔの関係式（Ａ、ｈは係数）を満足するように課電時間と共に上昇する。

なお、上式のように抵抗漏れ電流あるいは全漏れ電流が課電時間ｔの平方根√ｔに比例するのは、限流素子内の亜鉛イオンがその濃度勾配に比例して拡散するためである。従来では、この亜鉛イオンの拡散による抵抗漏れ電流あるいは全漏れ電流の上昇でもって、経時的な劣化を判定するようにしている。

前述したように、従来では、抵抗漏れ電流あるいは全漏れ電流が課電時間に比例して増加する性質を利用することにより、限流素子の劣化を判定するようにしているが、この方法は、抵抗漏れ電流あるいは全漏れ電流が課電時間と共に増加する限流素子で構成された避雷器について有効である。

しかしながら、一般的に、前述したように抵抗漏れ電流あるいは全漏れ電流が課電時間と共に増加する限流素子で構成された避雷器（第一世代）以外に、抵抗漏れ電流あるいは全漏れ電流が課電時間と共に減衰する限流素子で構成された避雷器（第二世代）もある。

この第二世代の避雷器では、抵抗漏れ電流あるいは全漏れ電流が課電時間と共に減衰する性質を有するため、第一世代の避雷器のように抵抗漏れ電流あるいは全漏れ電流が課電時間と共に増加する場合に適用した従来方法を使用することが困難となる。

この第二世代の避雷器について、従来方法を使用しようとすると、抵抗漏れ電流あるいは全漏れ電流が課電時間と共に減衰するため、課電時間が経過すればするほど、限流素子の性能が向上するという矛盾した判定となる。

この第二世代の避雷器を診断する別の方法としては、大規模な試験装置を使ってインパルス電流試験を行うことが可能であるが、変電所などに設置されている避雷器について劣化診断する場合、その試験日数、試験費用の面などでも実施することが困難であり、また、避雷器自体も試験によって劣化させることになるので好ましい手段ではなかった。

そこで、本発明は、前述の問題点に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、抵抗漏れ電流あるいは全漏れ電流が課電時間と共に減衰する性質を有するタイプの避雷器についても、経時的な劣化を簡便かつ低コストで判定し得る避雷器の劣化診断方法を提供することにある。

前述の目的を達成するための技術的手段として、本発明は、酸化亜鉛を主成分とする限流素子で構成され、漏れ電流が経時的に減衰する特性を有する避雷器の劣化診断方法であって、前記限流素子への課電中にある避雷器に対して一定の無課電期間を設け、その無課電期間中における避雷器の酸素イオンの吸収に基づく無課電期間直後における漏れ電流の初期値および減衰勾配を測定し、前記無課電期間前における漏れ電流の初期値および減衰勾配との比較により避雷器の劣化状態を判定することを特徴とする。ここで、前述した全漏れ電流とは、抵抗漏れ電流と容量漏れ電流の合計であり、抵抗漏れ電流は、全漏れ電流から容量漏れ電流をキャンセルすることにより得られる。

本発明は、抵抗漏れ電流あるいは全漏れ電流が課電時間と共に減衰する限流素子で構成された避雷器（第二世代）に対して適用することが有効である。この第二世代の避雷器では、限流素子への課電により酸素イオンが拡散して放出されるが、無課電状態で限流素子を放置しておけば、逆に酸素イオンを吸収して回復する。このときの酸素イオンの吸収量を測定すれば、その酸素イオンの吸収量に応じて限流素子の経時的な劣化状態を判定することができる。つまり、酸素イオンの吸収量が少なければ、その限流素子における劣化状態の程度が小さく、逆に、酸素イオンの吸収量が多ければ、その限流素子における劣化状態の程度が大きい。

本発明では、前述したように課電中にある避雷器に対して一定の無課電期間を設け、その無課電期間中における避雷器の酸素イオンの吸収に基づく無課電期間直後における漏れ電流の初期値および減衰勾配を測定し、前記無課電期間前における漏れ電流の初期値および減衰勾配との比較により避雷器の劣化状態を判定する。つまり、避雷器の劣化状態は、無課電期間直後における漏れ電流の初期値を測定し、その無課電期間前における漏れ電流の初期値との比較により判定することが可能であり、また、無課電期間直後における漏れ電流の減衰勾配を測定し、その無課電期間前における漏れ電流の減衰勾配との比較によっても判定することが可能である。

また、前述の構成における漏れ電流は、抵抗漏れ電流あるいは全漏れ電流のいずれかである。つまり、全漏れ電流は、抵抗漏れ電流と容量漏れ電流の合計であり、容量漏れ電流は劣化に関係なく一定であるため、抵抗漏れ電流あるいは全漏れ電流のいずれでも利用することが可能である。

本発明によれば、抵抗漏れ電流あるいは全漏れ電流が課電時間と共に減衰する限流素子で構成された避雷器（第二世代）であっても、課電中にある避雷器に対して一定の無課電期間を設け、その無課電期間中における避雷器の酸素イオンの吸収に基づく無課電期間直後における漏れ電流の初期値および減衰勾配を測定し、前記無課電期間前における漏れ電流の初期値および減衰勾配との比較により避雷器の劣化状態を簡便かつ低コストで判定することができるので、その実用的価値は大きい。

以下、本発明の実施形態を詳述する。

この実施形態で使用する避雷器１は、図１（ａ）に示すようにサージ電圧に対しては低抵抗、通常の対地電圧に対しては高抵抗を示す非直線性の電流電圧特性を有する酸化亜鉛（ＺｎＯ）を主成分とする複数の限流素子２を積層し、その積層体〔同図（ｂ）参照〕の外周面を、弾性を有するポリマーやＥＰＤＭ等の絶縁外被体３で被覆した構造を有する。

この避雷器１では、雷サージや開閉サージによる異常電圧が発生すると、サージ電流が限流素子２を介して大地へ流れる。このとき、異常電圧に対して限流素子２が低抵抗値となってこれを瞬時に大地に逃がし、その異常電圧が消滅すれば、限流素子２が高抵抗値となって通常の対地電圧を遮断する。この弁作用により、変電所に設置された避雷器１の周辺設備を保護している。

この実施形態では、抵抗漏れ電流あるいは全漏れ電流が課電時間と共に減衰する限流素子２で構成された避雷器１（第二世代）を劣化診断の対象とする。この第二世代の避雷器１では、限流素子２への課電により酸素イオンが拡散して放出されるが、無課電状態で限流素子２を放置しておけば、逆に酸素イオンを吸収して回復する。

そこで、このタイプの避雷器１の劣化診断方法としては、課電中にある避雷器１に対して一定の無課電期間を設け、その無課電期間中における避雷器１の酸素イオンの吸収に基づく無課電期間直後における抵抗漏れ電流の初期値および減衰勾配を測定し、その無課電期間前における抵抗漏れ電流の初期値および減衰勾配との比較により避雷器１の劣化状態を判定する。つまり、この避雷器１において、酸素イオンの吸収量が少なければ、その限流素子２における劣化状態の程度が小さいと判定でき、逆に、酸素イオンの吸収量が多ければ、その限流素子２における劣化状態の程度が大きいと判定できる。

前述した無課電期間中における避雷器１の酸素イオンの吸収に基づく無課電期間直後における抵抗漏れ電流の初期値ｉｒ ₀を測定し、その無課電期間前における抵抗漏れ電流の初期値との比較により避雷器１の劣化状態を判定することが可能である。

つまり、酸素イオンが拡散して放出することによる抵抗漏れ電流ｉｒは、その初期値をｉｒ₀、課電時間をｔとすると、ｉｒ＝ｉｒ₀・ｅ^-H・^tの関係式（Ｈは係数）を満足するように課電時間と共に減衰する。この初期値ｉｒ₀は、図２に示すように限流素子２の劣化度合に比例し、図３に示すように時定数１／Ｈは、劣化度合に関係なく一定である。

図２は、限流素子２のＶ₁₀μ_Aに対する抵抗漏れ電流の初期値ｉｒ₀の関係を示す。ここで、「Ｖ₁₀μ_A」とは、限流素子２に直流１０μＡを流した時の電圧降下分を意味し、このＶ₁₀μ_Aの値が小さければ小さいほど、限流素子２の劣化が大きいことを意味する。同図において、劣化度合が異なる三つの試料で無課電期間ｔｒを異ならせた四つのケース（◇：ｔｒ＝２４ｈ、□：ｔｒ＝４８ｈ、△：ｔｒ＝９６ｈ、×：ｔｒ＝２１６ｈ）について、抵抗漏れ電流の初期値ｉｒ₀をｙ、Ｖ₁₀μ_Aをｘとした関数で表記すると、
（１）◇：ｔｒ＝２４ｈの場合、ｙ＝−０．００８５ｘ＋０．０７５８
（２）□：ｔｒ＝４８ｈの場合、ｙ＝−０．０１８１ｘ＋０．１３０７
（３）△：ｔｒ＝９６ｈの場合、ｙ＝−０．０２３７ｘ＋０．１５５
（４）×：ｔｒ＝２１６ｈの場合、ｙ＝−０．０３９ｘ＋０．２３９６
となり、初期値ｉｒ₀が、限流素子２の劣化度合に比例することを示している。

図３は、無課電期間ｔｒに対する係数Ｈの関係を示す。同図において、劣化が小さい試料Ａ（図中の◇）と劣化が大きい試料Ｂ（図中の△）について、無課電期間ｔｒに対して係数Ｈの値がほぼ同一であることから、時定数１／Ｈは、劣化度合に関係なく一定であることを示している。

避雷器１の酸素イオンは、課電により拡散して限流素子２から放出されるが、無課電状態のままで限流素子２を放置すると、逆に、限流素子２が酸素イオンを吸収して回復する。この酸素イオンの吸収による抵抗漏れ電流の初期値ｉｒ₀は、図４に示すように無課電期間ｔｒに対してｉｒ₀＝α・（１−ｅ^-β・^tr）の指数関数（α、βは係数）でもって増加する。

図４は、無課電期間ｔｒに対する抵抗漏れ電流ｉｒ₀の関係を示す。同図において、劣化が小さい試料Ａ（図中の◇）と劣化が大きい試料Ｂ（図中の△）について、無課電期間ｔｒに対して抵抗漏れ電流ｉｒ₀が指数関数的に増加していることを示している。

従って、無課電期間中における避雷器１の酸素イオンの吸収に基づく無課電期間直後における抵抗漏れ電流の初期値ｉｒ ₀を測定し、その無課電期間前における抵抗漏れ電流の初期値との比較により避雷器１の劣化状態を判定することができる。なお、前述した初期値ｉｒ ₀ の比較の場合と同様に、無課電期間中における避雷器１の酸素イオンの吸収に基づく無課電期間直後における抵抗漏れ電流の減衰勾配と、その無課電期間前における抵抗漏れ電流の減衰勾配との比較により避雷器１の劣化状態を判定することもできる。

なお、前述では、抵抗漏れ電流について説明したが、全漏れ電流が、抵抗漏れ電流と容量漏れ電流の合計であり、容量漏れ電流は劣化に関係なく一定であることから、抵抗漏れ電流の代わりに全漏れ電流を利用することも可能である。

（ａ）は避雷器を示す一部断面を含む正面図、（ｂ）は避雷器に内蔵された複数の限流素子を積層した状態を示す正面図である。本発明の実施形態で、限流素子のＶ₁₀μ_Aに対する抵抗漏れ電流の初期値ｉｒ₀の関係を示す特性図である。本発明の実施形態で、無課電期間ｔｒに対する係数Ｈの関係を示す特性図である。本発明の実施形態で、無課電期間ｔｒに対する抵抗漏れ電流ｉｒ₀の関係を示す特性図である。

符号の説明

１避雷器
２限流素子

Claims

酸化亜鉛を主成分とする限流素子で構成され、漏れ電流が経時的に減衰する特性を有する避雷器の劣化診断方法であって、前記限流素子への課電中にある避雷器に対して一定の無課電期間を設け、その無課電期間中における避雷器の酸素イオンの吸収に基づく無課電期間直後における漏れ電流の初期値および減衰勾配を測定し、前記無課電期間前における漏れ電流の初期値および減衰勾配との比較により避雷器の劣化状態を判定することを特徴とする避雷器の劣化診断方法。
前記漏れ電流は、抵抗漏れ電流あるいは全漏れ電流のいずれかである請求項１に記載の避雷器の劣化診断方法。