JP4554447B2 - Ion movement recognition method - Google Patents
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Description
本発明は、例えば、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、経時的な劣化の程度により現出した漏れ電流の変化に基づいて限流素子内部でのイオン移動状況を把握するイオン移動の認識方法に関する。 The present invention, for example, for a lightning arrester composed of a current limiting element mainly composed of zinc oxide, moves ions inside the current limiting element based on the change in leakage current that appears due to the degree of deterioration over time. The present invention relates to a method of recognizing ion movement for grasping the situation.
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。 For example, lightning arresters installed in substations, etc., protect the peripheral equipment from surges when abnormal voltages occur due to lightning surges caused by lightning strikes or switching surges caused by turning on / off switches, breakers, etc. .
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。 This lightning arrester includes a plurality of current limiting elements mainly composed of zinc oxide (ZnO) having non-linear current-voltage characteristics that exhibit low resistance to surge voltage and high resistance to normal ground voltage. The laminated body has a structure in which an insulating outer body such as an elastic polymer or EPDM is attached to the outer peripheral surface of the laminated body.
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。 When an abnormal voltage occurs due to lightning surge or switching surge, surge current flows to the ground via the current limiting element. At this time, the current limiting element has a low resistance value with respect to the abnormal voltage and immediately escapes to the ground. If the abnormal voltage disappears, the current limiting element has a high resistance value and cuts off the normal ground voltage. To do. This valve action protects the peripheral equipment of the lightning arrestor installed in the substation.
この避雷器では、課電時の初期において、抵抗漏れ電流が一旦減少し、その課電時間の経過と共に増大する性質を有する。この課電初期において、抵抗漏れ電流が減少するのは、限流素子内部に存在する酸素イオンが課電中に拡散して外部へ放出されるためである。なお、この酸素イオンは、無課電中に外部から限流素子内部に吸収される。この酸素イオンが拡散して外部へ放出されることにより、抵抗漏れ電流は、課電時間と共に指数関数的に減少する。一方、課電時間の経過と共に抵抗漏れ電流が増大するのは、限流素子内部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。この亜鉛イオンが拡散することにより、抵抗漏れ電流は、課電時間と共にその課電時間の平方根に比例して増大する。 This lightning arrester has the property that the resistance leakage current once decreases at the initial stage of power application and increases with the lapse of the power application time. The reason why the resistance leakage current decreases in the initial stage of the voltage application is that oxygen ions existing inside the current limiting element are diffused during the voltage application and released to the outside. The oxygen ions are absorbed from the outside into the current limiting element during no electric charge. As the oxygen ions diffuse and are released to the outside, the resistance leakage current decreases exponentially with the application time. On the other hand, the reason why the resistance leakage current increases with the lapse of the charging time is that zinc ions inside the current limiting element diffuse in proportion to the concentration gradient. As the zinc ions diffuse, the resistance leakage current increases in proportion to the square root of the charging time along with the charging time.
前述したように、この避雷器では、課電初期において、限流素子内部に存在する酸素イオンが拡散して外部へ放出されることにより、抵抗漏れ電流が指数関数的に一旦減少し、その課電時間の経過と共に、限流素子内部の亜鉛イオンがその濃度勾配に比例して拡散することにより、抵抗漏れ電流が課電時間の平方根に比例して増大する。 As described above, in this lightning arrester, in the initial stage of voltage application, oxygen ions existing inside the current limiting element diffuse and are released to the outside, so that the resistance leakage current once decreases exponentially, As time elapses, zinc ions inside the current limiting element diffuse in proportion to the concentration gradient, so that the resistance leakage current increases in proportion to the square root of the charging time.
このように限流素子の内部では、課電中に酸素イオンや亜鉛イオンが移動するが、このイオン移動状況を把握するためには、従来、電子顕微鏡などにより限流素子の素材の組成変化を観察したり、あるいは、エックス線アナライザーなどによって素材からの反射信号を解析して組成変化を観察したりする手段が講じられていた。 In this way, oxygen ions and zinc ions move during current application inside the current limiting element, but in order to grasp the state of this ion movement, the composition of the material of the current limiting element has conventionally been changed using an electron microscope or the like. There has been a means of observing or analyzing a reflected signal from a material by an X-ray analyzer or the like to observe a composition change.
しかしながら、限流素子内部のイオン移動状況を把握するために、高額な電子顕微鏡やエックス線アナライザーを使用しなければならず、専門的な解析技術を必要とする。また、無課電状態における限流素子内部のイオン移動状況を把握することが困難であった。 However, in order to grasp the state of ion movement inside the current limiting element, an expensive electron microscope or X-ray analyzer must be used, and specialized analysis techniques are required. In addition, it is difficult to grasp the state of ion movement inside the current limiting element in the no-voltage state.
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、高額な電子顕微鏡やエックス線アナライザーを使用することなく、簡便な手段により、無課電状態における素子内部のイオン移動状況を把握し得るイオン移動の認識方法を提供することにある。 Therefore, the present invention has been proposed in view of the above-mentioned problems, and the object of the present invention is to provide an element in an uncharged state by a simple means without using an expensive electron microscope or X-ray analyzer. An object of the present invention is to provide a method of recognizing ion movement that can grasp the state of ion movement inside.
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、特性パラメータとしての所定電流が劣化により経時的に変化する素子について、その素子温度を一定に保持した状態で、前記素子への課電と無課電をその無課電時間を異ならせながら繰り返し、その課電時に素子に流れる前記所定電流の変化を測定することにより、各無課電時間が異なることによって現出した所定電流の変化に基づいて無課電時の素子内部におけるイオン移動の状況を把握することを特徴とする。 As a technical means for achieving the above-described object, the present invention is directed to an element in which a predetermined current as a characteristic parameter changes over time due to deterioration while the element temperature is kept constant. By repeating the non-electricity and non-electricity while changing the non-electricity time, and measuring the change of the predetermined current flowing through the element during the electric power application, It is characterized by grasping the state of ion movement inside the element when no power is applied based on the change.
ここで、素子としては、例えば酸化亜鉛を主成分とする限流素子が適用可能であり、その限流素子で構成された避雷器を、イオン移動状況を把握するための対象物とする。この避雷器の限流素子を使用する場合、特性パラメータとしての所定電流を抵抗漏れ電流とすればよい。なお、この抵抗漏れ電流は、容量漏れ電流を加えることにより全漏れ電流となることから、この全漏れ電流は抵抗漏れ電流に比例するため、抵抗漏れ電流の代わりに全漏れ電流を特性パラメータとしての所定電流とすることも可能である。また、第一世代と称される避雷器においては、抵抗漏れ電流が課電時間と共に増大する特性を有するが、第二世代と称される避雷器においては、抵抗漏れ電流が課電時間と共に減衰する特性を有する。本発明は、第一世代あるいは第二世代のいずれの避雷器においても適用可能である。 Here, as the element, for example, a current limiting element mainly composed of zinc oxide is applicable, and a lightning arrester constituted by the current limiting element is used as an object for grasping the ion movement state. When using the current limiting element of the lightning arrester, a predetermined current as a characteristic parameter may be used as a resistance leakage current. Since this resistance leakage current becomes total leakage current by adding capacitance leakage current, since this total leakage current is proportional to the resistance leakage current, the total leakage current is used as a characteristic parameter instead of the resistance leakage current. It is also possible to set a predetermined current. In addition, in the lightning arrester called the first generation, the resistance leakage current has a characteristic that increases with the charging time, but in the lightning arrester called the second generation, the characteristic that the resistance leakage current attenuates with the charging time. Have The present invention can be applied to any first generation or second generation lightning arrester.
本発明を、限流素子を具備した避雷器に適用した場合、まず、密閉性の高い恒温槽内に限流素子を設置することによりその限流素子温度を一定に保持する。この状態で限流素子への課電と無課電を繰り返す。つまり、限流素子に所定の電圧を印加すると、無課電で平衡状態にあった素子内部が不平衡状態となってその素子内部でイオン移動が発生し、次に、限流素子への電圧印加を停止すると、素子内部でのイオンが元の平衡状態に戻ろうとする。 When the present invention is applied to a lightning arrester equipped with a current limiting element, first, the current limiting element temperature is kept constant by installing the current limiting element in a thermostat having a high hermeticity. In this state, power application to the current limiting element and no power application are repeated. In other words, when a predetermined voltage is applied to the current limiting element, the inside of the element that is in an equilibrium state with no voltage applied becomes unbalanced and ion migration occurs inside the element, and then the voltage to the current limiting element When the application is stopped, ions inside the device try to return to the original equilibrium state.
このようにして限流素子への課電と無課電を繰り返すに際して、無課電時間を異ならせることにより、課電時に限流素子に流れる抵抗漏れ電流が変化する。この抵抗漏れ電流を測定することにより、各無課電時間が異なることにより現出した抵抗漏れ電流の変化に基づいて、無課電時にイオン移動がどのような状況で発生しているかを把握することができる。なお、課電時におけるイオン移動については、その課電時での抵抗漏れ電流の増減から直接的に把握することが可能である。 In this way, when repeating the application of current to the current limiting element and the application of no power to the current limiting element, the resistance leakage current flowing through the current limiting element changes when the power is applied by changing the non-application time. By measuring this resistance leakage current, based on the change in resistance leakage current that appears due to the difference in each no-charge time, it is possible to understand under what circumstances ion migration occurs during no charge. be able to. In addition, about the ion movement at the time of charging, it is possible to grasp | ascertain directly from the increase / decrease in the resistance leakage current at the time of the charging.
本発明は、前述したように避雷器を構成する限流素子に適用する以外に、電子部品であるダイオードにも適用可能であり、この場合、特性パラメータとしての所定電流を逆電流とすればよい。 The present invention can be applied not only to the current limiting element constituting the lightning arrester as described above, but also to a diode which is an electronic component. In this case, a predetermined current as a characteristic parameter may be a reverse current.
本発明によれば、特性パラメータとしての所定電流が劣化により経時的に変化する素子について、その素子温度を一定に保持した状態で、前記素子への課電と無課電をその無課電時間を異ならせながら繰り返し、その課電時に素子に流れる前記所定電流の変化を測定することにより、各無課電時間が異なることによって現出した所定電流の変化に基づいて無課電時の素子内部におけるイオン移動の状況を把握するので、高額な電子顕微鏡やエックス線アナライザーを使用することなく、簡便な手段により、無課電状態における素子内部のイオン移動状況を把握することができ、その実用的価値は大きい。 According to the present invention, with respect to an element in which a predetermined current as a characteristic parameter changes with time due to deterioration, in the state where the element temperature is kept constant, the electric power is applied to the element and the electric power is not applied to the electric power. By measuring the change in the predetermined current that flows through the element when the power is applied, based on the change in the predetermined current that appears due to the difference in each non-electricity time. Because it is possible to grasp the state of ion movement in the device without using an expensive electron microscope or X-ray analyzer, it is possible to grasp the state of ion movement inside the device in an uncharged state by using simple means. Is big.
本発明の実施形態を詳述する。以下の実施形態では、特性パラメータとしての所定電流が劣化により経時的に変化する素子として、酸化亜鉛を主成分とする限流素子を適用し、その限流素子で構成された避雷器を、イオン移動状況を把握するための対象物とする。この場合、特性パラメータとしての所定電流を抵抗漏れ電流とする。また、この実施形態では、抵抗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)を対象とする。 An embodiment of the present invention will be described in detail. In the following embodiments, a current limiting element mainly composed of zinc oxide is applied as an element whose predetermined current as a characteristic parameter changes over time, and a lightning arrester configured by the current limiting element is ion-transferred. It is an object for grasping the situation. In this case, a predetermined current as a characteristic parameter is set as a resistance leakage current. Further, in this embodiment, a lightning arrester (first generation) composed of a current limiting element in which the resistance leakage current increases with the application time is targeted.
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。
As shown in FIG. 1A, the
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。
In the
図2に示すように、この避雷器1の限流素子2を密閉性の高い恒温槽4内に設置することによりその限流素子温度を一定(例えば65℃)に保持する。この状態で加速寿命試験により限流素子2への課電と無課電を繰り返す。この加速寿命試験では、恒温槽4内に設置された限流素子2について、その両端に取り付けれた電極5を介して、課電装置6内の交流定電圧源7から例えば3kVの電圧を限流素子2に印加し、その課電中に発生した抵抗漏れ電流を課電装置6内の計測器8により測定する。
As shown in FIG. 2, by installing the current limiting
限流素子2への課電と無課電を繰り返すことにより、その限流素子2に流れる抵抗漏れ電流の特性を図3に示す。図3では、横軸を時間t、縦軸を抵抗漏れ電流irとし、無課電時間tr1,tr2,tr3については、実際上、時間幅を有するが、抵抗漏れ電流irが流れないことから、都合上、時間幅がない状態で表している。また、課電終了時、つまり無課電開始直前時の抵抗漏れ電流ir p を一定にして課電と無課電を繰り返している。
FIG. 3 shows the characteristics of the resistance leakage current that flows through the current limiting
この限流素子2への課電と無課電の繰り返しにおいて、課電装置6の交流定電圧源7により恒温槽4内の限流素子2に所定電圧を印加すると、無課電で平衡状態にあった素子内部が不平衡状態となってその素子内部でイオン移動が発生し、次に、限流素子2への電圧印加を停止すると、素子内部でのイオンが元の平衡状態に戻ろうとする。つまり、図3に示すように課電時の初期において、抵抗漏れ電流irが一旦減少し、その課電時間tの経過と共に増大する。
When a predetermined voltage is applied to the current limiting
ここで、図4は課電中における限流素子内部の電位障壁の模式図であり、図5は無課電中における限流素子内部の電位障壁の模式図である。限流素子内部は、空乏層となるZnO粒子とBi2O3からなる粒界層で構成されている。 Here, FIG. 4 is a schematic diagram of the potential barrier inside the current limiting element during power application, and FIG. 5 is a schematic diagram of the potential barrier inside the current limiting element during no voltage application. The inside of the current limiting element is composed of a grain boundary layer made of ZnO particles serving as a depletion layer and Bi 2 O 3 .
この課電初期において、抵抗漏れ電流irが減少するのは、図4に示すように限流素子2の内部に存在する酸素イオンが拡散して強制的に粒界層の界面に沿って外部へ放出されるためである。なお、酸素イオンは、無課電中に外部から限流素子2の内部に吸収される(図5参照)。この酸素イオンは、その反応速度が濃度に比例しながら放出あるいは吸収される。このように課電中に酸素イオンが拡散して外部へ放出されることにより、抵抗漏れ電流irは、課電時間tと共に指数関数的に減少する。つまり、この酸素イオンが拡散して放出されることによる抵抗漏れ電流irは、その初期値をirdn、課電時間をtとすると、ir=irdn・e-H・tの関係式(Hは係数、n=0,1,2,‥)を満足するように課電時間tと共に減少する。
In the initial stage of voltage application, the resistance leakage current ir decreases because, as shown in FIG. 4, oxygen ions existing inside the current limiting
一方、課電時間tの経過と共に抵抗漏れ電流irが増大するのは、図4に示すように限流素子内部の亜鉛イオンが強制的に粒界層の界面方向へ拡散するためである。なお、亜鉛イオンは、無課電中に粒界層の界面方向と反対方向へ拡散して元の状態に戻る。このように課電中に亜鉛イオンが粒界層の界面方向へ拡散することにより、抵抗漏れ電流irは、課電時間tと共にその課電時間tの平方根に比例して増大する。つまり、この亜鉛イオンが拡散することによる抵抗漏れ電流irは、その初期値をir0n、課電時間をtとすると、抵抗漏れ電流irは、ir=ir0n(1+h√t)の関係式(hは係数,n=0,1,2,‥)を満足するように課電時間tと共に上昇する。 On the other hand, the reason why the resistance leakage current ir increases with the lapse of the charging time t is that zinc ions inside the current limiting element are forcibly diffused toward the interface of the grain boundary layer as shown in FIG. In addition, zinc ion diffuses in the direction opposite to the interface direction of the grain boundary layer and returns to the original state during no charge. As described above, the zinc ions diffuse in the interface direction of the grain boundary layer during voltage application, so that the resistance leakage current ir increases in proportion to the square root of the voltage application time t together with the voltage application time t. In other words, the resistance leakage current ir due to the diffusion of zinc ions has an initial value of ir 0n , and the charging time is t. The resistance leakage current ir is expressed by a relational expression of ir = ir 0n (1 + h√t) ( h increases with the application time t so as to satisfy the coefficient, n = 0, 1, 2,.
このようにして限流素子2への課電と無課電を繰り返すに際して、無課電時間tr1,tr2,tr3を異ならせることにより、課電時に限流素子2に流れる抵抗漏れ電流irが変化する。この抵抗漏れ電流irを課電装置6内の計測器8で測定することにより、各無課電時間tr1,tr2,tr3が異なることにより現出した抵抗漏れ電流irの変化に基づいて、無課電時にイオン移動がどのような状況で発生しているかを把握することができる。
In this way, the repeated voltage application and no voltage application to the current limiting
つまり、各無課電時間tr1,tr2,tr3が異なることにより変化する抵抗漏れ電流ir01,ir02,ir03に基づく無課電時におけるイオン移動状況を図6に示す。図6では、横軸を無課電時間trの平方根とし、縦軸を抵抗漏れ電流irとする。図6に示すように抵抗漏れ電流ir01,ir02,ir03が減少する傾向にあり、この場合、限流素子2の内部において亜鉛イオンが拡散して元の状態へ戻る状況を把握することができる。
That is, it shows an ion moving situation in suck conductive time based on the resistance leakage current ir 01, ir 02, ir 03 each unsubstituted Division charging time t r1, t r2, t r3 is changed by different in FIG. In Figure 6, the horizontal axis represents the square root of the non-voltage application time t r, the vertical axis represents the resistance leakage current ir. As shown in FIG. 6, the resistance leakage currents ir 01 , ir 02 , ir 03 tend to decrease, and in this case, grasp the situation where zinc ions diffuse inside the current limiting
また、各無課電時間tr1,tr2,tr3が異なることにより変化する抵抗漏れ電流ird1,ird2,ird3に基づく無課電時におけるイオン移動状況を図7に示す。図7では、横軸を無課電時間trとし、縦軸を抵抗漏れ電流irとする。図7に示すように抵抗漏れ電流ird1,ird2,ird3が増加する傾向にあり、この場合、酸素イオンが限流素子2の外部から内部へ吸収される状況を把握することができる。
Also, shows an ion moving situation in suck conductive time based on the resistance leakage current ir d1, ir d2, ir d3 of each non-Division charging time t r1, t r2, t r3 is changed by different in FIG. In FIG. 7, the horizontal axis is the no-charge time tr , and the vertical axis is the resistance leakage current ir. As shown in FIG. 7, the resistance leakage currents ir d1 , ir d2 , ir d3 tend to increase, and in this case, it is possible to grasp the situation in which oxygen ions are absorbed from the outside of the current limiting
前述した抵抗漏れ電流ir01,ir02,ir03およびird1,ird2,ird3は、図3に示すように抵抗漏れ電流ir1,ir2,ir3を課電装置6内の計測器8により実際に測定し、その抵抗漏れ電流ir1,ir2,ir3から割り出すことにより求められる。つまり、抵抗漏れ電流ir01,ir02,ir03については、ir=ir0n(1+h√t)の関係式において課電時間t=0の時の値として求められ、抵抗漏れ電流ird1,ird2,ird3については、測定値である抵抗漏れ電流ir1,ir2,ir3と前述の抵抗漏れ電流ir01,ir02,ir03との差として求められる(図3参照)。 The above-described resistance leakage currents ir 01 , ir 02 , ir 03 and ir d1 , ir d2 , ir d3 are the resistance leakage currents ir 1 , ir 2 , ir 3 as shown in FIG. 8 is actually measured and is calculated from the resistance leakage currents ir 1 , ir 2 , ir 3 . That is, the resistance leakage currents ir 01 , ir 02 , ir 03 are obtained as values when the charging time t = 0 in the relational expression ir = ir 0n (1 + h√t), and the resistance leakage currents ir d1 , ir d2 and ir d3 are obtained as differences between the measured resistance leakage currents ir 1 , ir 2 and ir 3 and the aforementioned resistance leakage currents ir 01 , ir 02 and ir 03 (see FIG. 3).
なお、課電時におけるイオン移動については、その課電時での抵抗漏れ電流irの増減から直接的に把握することが可能である。つまり、前述したように抵抗漏れ電流irが減少する場合には、酸素イオンが外部へ放出する状態にあり、抵抗漏れ電流irが増加する場合には、亜鉛イオンが拡散する状態にある。 In addition, about the ion movement at the time of charging, it is possible to grasp | ascertain directly from the increase / decrease in the resistance leakage current ir at the time of the charging. That is, as described above, when the resistance leakage current ir decreases, oxygen ions are released to the outside, and when the resistance leakage current ir increases, zinc ions are diffused.
1 避雷器
2 限流素子
ir 抵抗漏れ電流
1
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