JP4633513B2

JP4633513B2 - 避雷器の劣化診断方法

Info

Publication number: JP4633513B2
Application number: JP2005095771A
Authority: JP
Inventors: 利春多田
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc
Priority date: 2005-01-13
Filing date: 2005-03-29
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2025-03-29
Also published as: JP2006220639A

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ｔ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ｔ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。

第一世代の避雷器のように亜鉛イオンの拡散が主流のものは、従来方法による劣化診断方法を適用することができるが、第二世代の避雷器のように酸素イオンの拡散が主流のものは、従来方法による劣化診断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の場合、抵抗漏れ電流あるいは全漏れ電流が課電時間と共に酸素イオンによって減衰するため、その初期値を劣化診断に使用する方法があるが、この初期値を測定するために避雷器を停止しなければならない場合もある。また、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、その避雷器を停止させることなく、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、酸素イオンの拡散により漏れ電流が前記限流素子への課電時間と共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、前記避雷器の劣化度合に依存する漏れ電流の変化率に基づいて、前記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、亜鉛イオンと酸素イオンが課電時間と共に粒界層へ移動するというイオン濃度に関係した劣化反応があるが、この種の避雷器が劣化する上でイオン濃度に関係しない他の劣化反応があることが見出された。その劣化反応は、課電時間に比例すると共に漏れ電流を抑制する作用である。つまり、避雷器の劣化度合と漏れ電流の変化率は相関関係にあり、その漏れ電流の変化率は避雷器の劣化に依存する。

本発明では、前述したように避雷器の劣化度合に依存する漏れ電流の変化率に基づいて、避雷器の劣化状態を判定するが、漏れ電流の変化率から算出される漏れ電流の低下分あるいはその低下分比率でもって、避雷器の劣化状態を判定することが可能である。ここで、漏れ電流の低下分比率とは、漏れ電流の初期値に対する低下分の割合を意味する。

また、前述の構成における漏れ電流としては、抵抗漏れ電流を利用することが可能である。また、この抵抗漏れ電流と全漏れ電流は、避雷器の劣化度合が異なっても比例関係にあることを見出したことから、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。

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、避雷器の劣化度合に依存する漏れ電流の変化率に基づいて、その避雷器を停止させることなく、経時的な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への課電により亜鉛イオンと酸素イオンがその課電時間と共に粒界層へ移動するというイオン濃度に関係した劣化反応がある。

この劣化反応は、図２に示すように、酸素イオンの拡散による抵抗漏れ電流ｉｒが、その初期値をｉｒ₀₁、課電時間をｔとすると、ｉｒ＝ｉｒ₀₁・ｅ^-H・^tの関係式（Ｈは係数）を満足するように課電時間ｔと共に指数関数的に減衰する（図２の指数関数曲線Ｘ）。なお、避雷器１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、以下では、抵抗漏れ電流ｉｒについて説明する。

本出願人は、この種の避雷器１が劣化する上で、前述したイオン濃度に関係した劣化反応の他に、イオン濃度に関係しない劣化反応があることを見出した。その劣化反応は、課電時間ｔに比例すると共に抵抗漏れ電流ｉｒを抑制する作用である。

このイオン濃度に関係しない劣化反応、すなわち、漏れ電流抑制作用による劣化反応では、抵抗漏れ電流ｉｒが、その初期値をｉｒ₀₂、課電時間をｔとすると、ｉｒ＝ｉｒ₀₂−Ｒｔの関係式を満足するように課電時間ｔと共に直線的に減衰する（図２の直線Ｙ）。従って、前述したイオン濃度に関係した劣化反応とイオン濃度に関係しない劣化反応の両者を考慮すると、酸素イオンの拡散による抵抗漏れ電流と漏れ電流抑制作用による抵抗漏れ電流とを合成した抵抗漏れ電流ｉｒは、ｉｒ＝ｉｒ₀₂−Ｒｔ＋ｉｒ₀₁・ｅ^-H・^tの関係式（Ｈは係数）を満足するように課電時間ｔと共に減衰する。

図３は、避雷器１の劣化度合を示すＶ₁₀μ_Aに対する抵抗漏れ電流ｉｒの変化率Ｒ（μＡｐ／ｈ）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。同図に示すように避雷器１の劣化度合と抵抗漏れ電流ｉｒの変化率Ｒは相関関係にあり、その抵抗漏れ電流ｉｒの変化率Ｒは避雷器１の劣化に依存する（図３の特性Ｚ）。

このように避雷器１の抵抗漏れ電流ｉｒの変化率Ｒが避雷器１の劣化に依存することから、避雷器１の抵抗漏れ電流ｉｒが課電時間ｔに比例して減少する部分、すなわち、抵抗漏れ電流ｉｒの変化率Ｒを測定するだけで、避雷器１の劣化状態を判定することができる。この抵抗漏れ電流ｉｒの変化率Ｒの測定では、その変化率Ｒの大きさでもって避雷器１の劣化状態を判定するか、あるいは、抵抗漏れ電流ｉｒの変化率Ｒから算出される抵抗漏れ電流ｉｒの低下分Δｉｒあるいはその低下分比率Δｉｒ／ｉｒ₀₂（ｉｒ₀₂は抵抗漏れ電流ｉｒの初期値）でもって、避雷器１の劣化状態を判定することも可能である。

ここで、前述では、抵抗漏れ電流ｉｒについて説明したが、この抵抗漏れ電流ｉｒと全漏れ電流ｉａとは、図４に示すように避雷器の劣化度合が異なっても比例し、ｉａ＝α・ｉｒ＋βで表されることを見出した。このことから、抵抗漏れ電流ｉｒの代わりに全漏れ電流ｉａを利用することも可能である。なお、全漏れ電流ｉａは、避雷器１から直接に測定可能である点で、抵抗漏れ電流ｉｒを利用する場合よりも利点がある。

つまり、前述した抵抗漏れ電流の場合と同様、全漏れ電流ｉａの変化率Ｒを測定するだけで、避雷器１の劣化状態を判定することができる。この全漏れ電流ｉａの変化率Ｒの測定では、その変化率Ｒの大きさでもって避雷器１の劣化状態を判定するか、あるいは、全漏れ電流ｉａの変化率Ｒから算出される全漏れ電流ｉａの低下分Δｉａあるいはその低下分比率Δｉａ／ｉａ₀₂（ｉａ₀₂は全漏れ電流ｉａの初期値）でもって、避雷器１の劣化状態を判定することも可能である（図２参照）。

（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、限流素子の課電時間ｔに対する抵抗漏れ電流ｉｒの関係を示す特性図である。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ｉｒの変化率Ｒの関係を示す特性図である。本発明の実施形態で、抵抗漏れ電流ｉｒに対する全漏れ電流ｉａ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、酸素イオンの拡散により漏れ電流が前記限流素子への課電時間と共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、前記避雷器の劣化度合に依存する漏れ電流の変化率に基づいて、前記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。
前記漏れ電流の変化率から算出される漏れ電流の低下分あるいはその低下分比率でもって、避雷器の劣化状態を判定する請求項１に記載の避雷器の劣化診断方法。
前記漏れ電流は、抵抗漏れ電流である請求項１又は２に記載の避雷器の劣化診断方法。
前記漏れ電流は、全漏れ電流である請求項１又は２に記載の避雷器の劣化診断方法。