JP4898960B2 - サージアレスタ - Google Patents

Description

本発明は、例えばＪＰ６３−３１２６０２で知られているような、かご型外観（design）をもったサージアレスタ（surge arrester）に関する。電力線でサージ発生のとき、このサージを大地に放散して電力供給システムにあるほかの機器を保護するため、サージアレスタは、電力供給システムの課電線と接地との間に接続される。このようなサージアレスタは、重層構成のバリスタ（varistor）のブロックを含み、それは二つの接続電極の間に保持される。この構成は、外被（outer housing）の中に収容される。

サージアレスタは、そのサージアレスタが、安全で必要的に設計された範囲で生じたサージをグラウンドに放散することができる。従来的に酸化亜鉛のセラミック素子からなるバリスタのブロックは、それらの電気抵抗が電圧依存する特性をもっている。これは、バリスタのブロックが、閾値電圧より下では良好な絶縁体であることを意味する。この電圧より上では、しかし、それらは良好な導電体である。

アレスタの近くや、高圧線の場合で電力線の欠陥近くで雷撃があった場合には、サージアレスタが、その設計範囲をはるかに超えた負荷にさらされる可能性がある。これにより、バリスタのブロックを貫く固体閃絡が起こり、サージアレスタに回復不能のダメージが起こる。このような事象下では、サージアレスタにおいて、大量のエネルギーが温度および圧力の極めて深刻な増加を伴って解き放たれる。よって、それにかかわらず安全動作の確保のため、そのような事象下であっても、外被やバリスタのブロックの材料から、何らの相対的に大きな破片も、遠方に飛び散らないことが必要である。

外被に関しては、現状、二つの異なる考え方が通常である。ひとつ目としては「管状の外観」をもったサージアレスタがあり、そこでは、能動的構成部品が、例えばセラミックまたは寸法の安定したプラスティックからできた管に収容されている。この場合、ガス体が外被体の内部に留まる。サージアレスタのこれらの外被体は、さらに、気体の排気口開口を備えていて、過負荷の場合にはそこから高温プラズマが脱出でき、その結果として、外被体内部の圧力増加が避けられる。このようなサージアレスタの場合には、過負荷のときでも、外被体それ自体は一般的にダメージなく維持される。

ふたつ目としては、外被が、能動的構成部品の周りに直接に、鋳造成形または射出成形されているサージアレスタがある。この目的のため、例えばＥＰ−０ ９６３ ５９０ Ｂ１に記載されているように、高品質のプラスティック、たいがいはシリコーンが使われる。

バリスタのブロックが、機械的負荷の場合においても、互いに良好な接触状態にあることを確保するために、重層構成のバリスタのブロックを一同に加圧下に保つことが、両方の場合で必要である。管状外観のサージアレスタでも、射出成形により取り付けられた外被を有するそれらでも、このため用いられるひとつの可能性は、補強要素、一般的には棒または綱、好ましくはガラス繊維補強プラスティック棒（ＧＦＲＰ棒）を設けることである。それは、応力下、枠端部上で保持される。場合によって、これらのサージアレスタは、「かごタイプ外観」をもったサージアレスタとも呼ばれる。

ＷＯ ９４／１４１７１あるいはＤＥ １０１ ０４ ３９３ Ｃ１は、バリスタのブロックの間に、かごの棒をその位置に保つ支持板または安定化ディスクを挿入すること開示している。これらの文献両者に開示されたサージアレスタは、外被体の構成の点からみて管状外観をもつサージアレスタである。

管状外観のサージアレスタにおけるひとつの不都合は、芯部と外被体との間のガス体を介して放電が起こり得るという事実にある。これを回避するため、ガス体への湿気の入来は防止されるべきである。空気より良好な絶縁特性をもった気体が使われることもある。ガスが周囲の空気と交換されることや湿気が入り込むことが起こるような状況を避けることも必要である。管状外観のサージアレスタは、したがって、製造に比較的費用がかかる。これらの不都合のかかわらず、管状外観のサージアレスタは、数メートルという物理的高さをもったサージアレスタが可能であるという適性から、数百ｋＶという特に非常な高電圧で広く使われている。

射出成形によって直接にかぶせられた外被をもつサージアレスタは、囲われたガス体をもたないが、構造は簡単になる。このようなサージアレスタの場合には、高温プラズマは局所的に外被を破壊し、外部に解放されるであろう。これが、サージアレスタの内部でのいかなる顕著な圧力増加もなしに生じるためには、外被はできるだけ薄い壁をもつように設計されていることが必要である。加えて、この設計のサージアレスタの製造におけるコストの実質的な部分は、外被の材料に起因していて相対的に高価である。したがって、当業者の目標は、できるだけ少ない材料の外被を設計することである。この設計のサージアレスタは、これまで相対的に低電圧、すなわち数十ｋＶに限られてきた。より高い電圧のため、複数のサージアレスタが直列に接続されてきた。

ここ数年、射出成形によって直接にかぶせる外被をもった、２ｍ以上の長さと考えられる今までにない大きなサージアレスタを構築する試みがなされてきた。しかしながら、特にこのような大きなサージアレスタの場合においては、かごの棒の曲がりや機械的安定性の減損がたやすく生じる。より太い棒のような安定化策は、外被のため、必然的に大きな壁厚に帰するので不都合であった。それは言及したように好ましくない。

特開６３−３１２６０２号公報 ＥＰ−０ ９６３ ５９０ Ｂ１ ＷＯ ９４／１４１７１ ＤＥ １０１ ０４ ３９３ Ｃ１

したがって、本発明の目的は、さらなる外被材料を必要とすることなく改善された安定性を有する、かご状外観で、射出成形で直接にかぶせるプラスティックの外被をもったサージアレスタを提供することである。

上記目的の達成のため、本発明の一態様であるサージアレスタは、積層構成を有するバリスタと、該バリスタの積層構成の全体を間に保持している２つの接続ブロックと、該２つの接続ブロックの間に延長して該２つの接続ブロックに固定されて設けられた複数の棒状補強要素と、前記バリスタの積層構成のうちの２つのバリスタの間に配置された、前記棒状補強要素のうちの少なくともひとつを案内する部位を備えた安定化ディスクと、を有する芯部と、複数の庇部を備えた、前記芯部を少なくとも部分的に収容する外被と、を具備し、前記外被が、前記芯部との間に何らの流体または空隙もなしに前記芯部を収容しており、前記安定化ディスクが、前記外被の、前記複数の庇部のうちのひとつの庇部の領域に配置されていることを特徴とする。

本発明のさらなる有利な構成は、従属クレームに与えられる。

本発明は、添付の図面を参照して以下詳細に記載される。

図１は、本発明に従うサージアレスタの部分断面図を示す。 図２は、本発明に従うサージアレスタの外被を製造するための、第１の片金型を示す。 図３は、本発明に従うサージアレスタの外被を製造するための、第２の片金型を示す。 図４は、図１の詳細図である。 図５は、安定化ディスクの詳細図である。

図１に示すサージアレスタは、２つの接続ブロックすなわち枠端部３を有しており、その間に複数の避雷ブロック、例えばバリスタのブロック１が配置されている。バリスタブロック１は、例えば、円柱または多角形である。それらは、一般的に、対応するドープ物を含んだ酸化亜鉛から形成されている。バリスタの材料は、閾値電圧より下では大きな電気抵抗をもち、一方この閾値電圧より上での電気抵抗は格段に降下するという特性をもっている。酸化亜鉛の場合におけるその遷移は非常に急峻である。このようにして、サージはサージアレスタを介して大地に流れ去るため、高電圧網のほかの機器をサージから保護することが可能である。

バリスタブロック１の重層構成を２つの接続ブロック３とともに保持するため、図１に示すサージアレスタでは、補強要素９が設けられる。この示された例では、補強要素９はガラス繊維棒であり、２つの接続ブロックに係止されている。接続ブロックにおけるこの係止は、くさび、クリンピング、ねじ止めや接着接続、またはほかの何らかの適当な固定可能性のあるものにより、確実化され得る。接続ブロック３には中心ねじ４が設けられ、これを使ってこのサージアレスタが高電圧網に接続される。

このサージアレスタにおいてこのように構成の芯部には、環境の影響からの保護のため、複数の庇部７を伴った外被５が伴われている。この外被は、流体や空隙を間に挟まずにバリスタブロックを収容する。

示された実施例において、２つの異なる庇部７、すなわち、大径の庇部７ａおよび小径の庇部７ｂは、このサージアレスタの長手方向に沿って形成されている。この庇部の精細な寸法、間隔、および形状は、意図するこのサージアレスタの使用分野に拠る。庇部７のはたらきは、とりわけ、このサージアレスタにおける２つの接続点間のもれ電流経路を延長し、そしてこのサージアレスタの熱放出表面を拡大することである。２つの異なる庇部サイズをもったこのサージアレスタの構成は良好なものと証明されたが、本発明はこの構成に限られない。このサージアレスタに１つのみの庇部サイズを備えることも可能であり、あるいは、サージアレスタに沿って３つまたはさらに異なる庇部形状を設けることもできる。

現実には、庇部７を、このサージアレスタの長手方向軸に対してある角度、好ましくは５度から２０度の角度をもって設定するのが有利であると証明された。この設計によれば、このサージアレスタを屋外で使用したとき、雨水が流れ落ちるのをより容易にする。

このサージアレスタの内部への湿気の侵入を防止するため、図１に示すように、接続ブロック３も外被５に収容されており、これは射出成型でかぶせられたものである。これにより、それらの間にも、流体や発生空隙はない。

外被５のため使われるシリコーン材料は、本発明に従うサージアレスタの製造において、かなり大きなコスト要素になる。したがって、外被５は、できるだけ薄くなるように設計される。図１に見ることができるように、このサージアレスタにおける２つの庇部７間の領域での直径は、接続ブロック３の領域でのそれより小さい。

接触を改善するアルミニウムのディスク（不図示）が個々のバリスタブロック１の間に挿入され得る。加えて、必要なら積層部に、バリスタブロック１間およびバリスタブロック１と枠端部３との間の電気的接触を確実化するため、ばね要素を設けることもできる。

本発明に従い、このサージアレスタは、さらに、１つまたはそれ以上の安定化ディスク２５をもち、それは２つのバリスタブロック１それぞれの間に配置される。

このような安定化ディスク２５の詳細図が図５に与えられている。

安定化ディスク２５は、好ましくはアルミニウムまたはほかの安定した高導電性の材料から作られ、それに十分な安定性を与えつつできるだけ薄く保たれた厚みを有している。本発明の好ましい実施例において、安定化ディスク５は約５ｍｍの厚みである。

安定化ディスク２５の周縁に沿って、複数の貫通孔２７が形成され、その中をＧＦＲＰ棒９が通っている。貫通孔２７は、安定化ディスク２５の縁から少なからず離れた距離にあり、そのため十分な安定性が確保され得る。本発明の好ましい実施例において、貫通孔２７の縁と安定化ディスク２５の周縁との間の距離は、少なくとも３ｍｍである。

この設計により、このサージアレスタの過負荷事象時に、バリスタ１の相対的に大きな破片が外被５を貫通して外部に飛び散るのを安全かつ効果的に防止することが可能である。加えて、このように製造されたサージアレスタは、非常に長い場合であっても、屋外使用のため予定する卓越したたわみ強度およびねじり強度を示す。特殊な場合、要求に応じて、このサージアレスタの長さ方向に分配された複数の安定化ディスク２５を使うことで、２．５ｍ以上の長さが可能である。

本発明に従い、安定化ディスク２５は、それらがそれぞれ庇部７のひとつの領域に配置されるようにサージアレスタの長さ方向において分配される。図４に詳細に示される通りである。

外被５を用い良好な絶縁で安定化ディスク２５を設けることが第１に必要であり、結果として２、３ｍｍの少しの被覆が必要となり、しかし、第２に、外被の材料すなわち通常シリコーンは非常に高価であり、サージアレスタのため総量を増加させることは望ましくはないので、安定化ディスク２５は、本発明に従い、庇部７のうちのひとつの領域に設けられる。そこでは、外被材料による十分な程度の被覆が、必要な材料のさらなる使用することなく可能である。

好ましい実施例において、このサージアレスタは、図２、図３に示されるような単位構成の金型で製造される。

この単位構成の金型は、安定化ディスクの正確な位置合わせの達成を可能にする。特に、安定化ディスク２５が設けられる庇部７のため、特殊な中間部材１５を使うことが可能である。中間部材１５は、安定化ディスクを外被材料で安全に被覆することを可能にする。

図１に示すサージアレスタを製造する方法が以下記載される。

第１に、サージアレスタで必要な絶縁耐力に応じて、必要な数のバリスタブロック１が結合される。アルミニウムの接触用ディスクが、個々のバリスタブロック１の間に、そのブロック間の電気的接触を改善するため、挿入され得る。加えて、１つまたはそれ以上の安定化ディスクがその重層構成に挿入される。サージアレスタの全体の長さ、よって課電線と接地との間の距離を延長するため、また、庇部７に対して安定化ディスク２５を正確に位置決めするため、形状に関して実質的にバリスタ１に対応しているアルミニウムからなるスペーサを、さらに設けることもできる。さらに、２つの枠端部３が設けられる。枠端部３、バリスタブロック１、安定化ディスク２５、および可能性としてスペーサおよび接触ディスクから、積層構成が形成される。

加えて、必要なら板ばねまたはさらなる要素がこの積層構成に加えられ得る。

そして、示された実施例において、ガラス繊維補強プラスティック棒９が、バリスタブロック１と枠端部３とを一同に加圧下で保持するため、枠端部３の間に配置され留められる。このようにして形成されたコア部が図２に示された金型の中に入れられる。

図２に示された金型は、単位構成の設計を有していて、上部材１１と底部材１３とを含んでいる。それらはそれぞれ、２つの枠端部３に相当している。選択可能な数の中間部材１５が、上部材１１と底部材１３との間に設けられ、その結果、全体として単位構成による金型が作られる。

部材の全部は、一同に、載置用のすなわち底部の板１７上に固定されている。載置用の板１７は、格子状の外観を有して設けられており、その結果、上部材１１と底部材１３との間の距離を設定することができ、可変できる数の中間部材１５が挿入され得る。

中間部材１５は、シリコーンを充填し湿性化する処理で必要な加熱要素（不図示）、および冷却喚起経路１９、２１を含む。

好ましい実施例において、個々の中間部材１５の加熱要素および冷却経路１９は、金型が組み立てられたときに外部とも通じている接合部が設けられる。これにより、加熱要素あるいは冷却経路は相互接続され得、これが、金型の個々の部分における、目標とされ、空間的に異なり、また可能性としては時間依存性のある熱処理への備えになっていて、シリコーンの湿性化処理に対し積極的影響を与えることができる。

中間部材１５は、外被５の庇部７の周状のへりに沿って相互に接触している。言い換えれば、庇部７の上側が第１の中間部材１５によって形成されるとすると、同じ庇部７の下側は隣に続く中間部材１５により形成される。したがって、鋳造成形のとき２つの中間部材１５の間に遷移線に沿って形成される継ぎ目は、庇部７の外側周縁に一致する。

図３は、図２に示された片金型に対する相補の対応片を示している。サージアレスタを形成するため、図２、図３に示される片金型は、一旦、芯部分が挿入されて、閉鎖装置によって相互に固定的につなげられ、組み立てられる。そして、シリコーンのエラストマーが圧力下、中に成形射出され、熱供給を伴い湿性化される。最適温度、必要な圧力、あるいは流速というようなこの湿性化処理の個々のパラメータは、選択された可塑性材料に依存していて、この分野の当業者には知られている。例えば、５０から３００度、好ましくは８０〜１５０度の温度、および１から２０バールの圧力が選ばれ得る。

シリコーン湿性化の動作のあと、金型は図２、図３に示すように再び２つに分離され、サージアレスタが取り出される。硬化後においてもシリコーンはまだ相対的に弾性を有しているので、庇部は何ら問題なく金型により形成された凹部から外れる。

図２、図３に示されるように、射出形成のため特に設けられた中間部材２３は、少なくとも、２つの片金型のひとつに設けられる。シリコーン外被における、目に見える射出形成の箇所を回避するため、この射出成形の箇所が庇部７の下側に形成されるように位置させれば好ましい。

図２、図３に示された単位構成の金型は、製造される必要がある新たな金型なしに、サージアレスタの長さを非常に融通性高く設定することを可能にする。この目的のためには、金型から個々の中間部材１５を取り去り相応に短くするか、またはさらに中間部材１５を挿入すれば十分である。この金型は、さらに、接続ブロックの精緻な形成に関して程度大の融通性を有している。サージアレスタのこの部分の異なる直径も、上部材１１および底部材１３を単純に交換することによって容易に実現するからである。

記載の製造方法のさらなる利点は、庇部の異なる形状あるいは並びが可能なことであり、特に、安定化ディスク２５が配置される場所に特殊な庇部が設けられ得る。

原理的に、本発明は、バリスタをもったサージアレスタの製造に限定されない。本発明に従う方法を使い、火花ギャップをもったサージアレスタを製造することが同様に可能である。

本発明のさらなる利点は、金型の中間部材１５が簡単で安価な方法、例えば旋盤またはフライス盤を使用して製造され得るという事実にある。しかしながら、組み立てで、ほかの一体金型では困難さをもって形成され得るだけかまたはまったく形成され得もしないような凹部が可能である。

さらなる有利な構成が、ここに開示された教示を明白な方法で検証することにより、この分野の当業者に結果として得られる。しかして、例えばＷＯ ９４／１４１７１で知られているように、例えば、円形の安定化ディスクの代わりに多角形の安定化ディスクを使うことが可能である。本発明に従う教示に関連して、ＤＥ １０１ ０４ ３９３ Ｃ１で知られているように、複数部分からなる安定化ディスクの使用も可能である。

さらなる安定化目的のため、さらに、ガラス繊維補強プラスティック棒もその長手方向の動きに関して安定化ディスク上に固定化することも考えられる。これは、例えば、クリンピングを用い起こり得る。

Claims (7)

1. 積層構成を有するバリスタと、該バリスタの積層構成の全体を間に保持している２つの接続ブロックと、該２つの接続ブロックの間に延長して該２つの接続ブロックに固定されて設けられた複数の棒状補強要素と、前記バリスタの積層構成のうちの２つのバリスタの間に配置された、前記棒状補強要素のうちの少なくともひとつを案内する部位を備えた安定化ディスクと、を有する芯部と、
   複数の庇部を備えた、前記芯部を少なくとも部分的に収容する外被と、を具備し、
   前記外被が、前記芯部との間に何らの流体または空隙もなしに前記芯部を収容しており、
   前記安定化ディスクが、前記外被の、前記複数の庇部のうちのひとつの庇部の領域に配置されていること
   を特徴とするサージアレスタ。
2. 前記安定化ディスクとして複数の安定化ディスクが設けられ、
   該複数の安定化ディスクが、それぞれ、前記複数の庇部のうちの異なるひとつの庇部の領域に配置されていること
   を特徴とする請求項１記載のサージアレスタ。
3. 前記安定化ディスクが、前記案内する部位として前記複数の棒状補強要素が通り抜ける複数の貫通孔を有することを特徴とする請求項１または２記載のサージアレスタ。
4. 前記安定化ディスクが、アルミニウムから作られ、３ｍｍないし１０ｍｍの厚さを有することを特徴とする請求項３記載のサージアレスタ。
5. 前記安定化ディスクの前記貫通孔の縁が、該安定化ディスクの縁から少なくとも２ｍｍないし４ｍｍの距離をもって離れている請求項３または４記載のサージアレスタ。
6. 前記外被が、前記芯部を射出成形でまたは金型への鋳造成形で被覆したシリコーンから形成されている請求項１ないし５のいずれか１項記載のサージアレスタ。
7. 前記複数の補強要素が、前記安定化ディスクにクリンピングにより固定されている請求項１ないし６のいずれか１項記載のサージアレスタ。

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