JP5971719B2 - 避雷器 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、避雷器に関する。

発電、変電、送電、配電系統の電力機器や通信機器などを、雷などの過渡的な異常な高電圧から保護する主要な手段として、避雷器が設けられる。避雷器としては、運転電圧においてはほとんど電流が流れず絶縁体に近い性質を示すが、雷などのサージが発生すると大きな電流を流すという非直線的な電圧／電流特性を有する酸化亜鉛などの非直線抵抗体が使用されている。また、避雷器は、碍子の外皮を有する碍子形避雷器やシリコーンゴムなどで外皮を構成するポリマー形避雷器などがある。

ポリマー形避雷器としては、酸化亜鉛を主成分とする円盤状の非直線抵抗体を積層し、その上下両端に電極を配置したものが知られている。

剛性を上げるために、たとえば、非直線抵抗体の締付用の絶縁ロッドを複数本、非直線抵抗体素子周囲に配置し、樹脂でモールドすることにより構成している。

また絶縁ロッドの両端で締め付けることにより、非直線抵抗体に軸力を加えて非直線抵抗体の接触不良を防止している。碍子形避雷器と比較して機械的強度が低い外被材を使用しているポリマー形避雷器では、恒常的に絶縁ロッドを含む構造体の強度の向上が求められている。

特開２００２−１５１３０９号公報

ポリマー形避雷器は外被がシリコーンゴムなどの樹脂で構成されるため、碍子形避雷器のように磁器容器の強度に依存する事ができず、積層された非直線抵抗体とその周囲に配置された絶縁ロッドで避雷器の強度を維持する必要がある。

避雷器の機械的強度を満足させるためには、絶縁ロッドを、両電極に強固に固定する必要があった。

これまで適用されてきたポリマー形避雷器において、絶縁ロッドは、電極に設けた穴とその穴に対応した楔状のスペーサを用いて固定され、経済性の観点から電極の穴とスペーサは四角形状のものを適用している。

しかしながら、このような従来の構造では、組立時に、絶縁ロッドを強固に固定する為、楔を絶縁ロッドと共に電極内に圧入しているが、穴形状が角型である為、角部に応力が集中し、電極が破損するという問題があった。

そこで、本発明の実施形態は、楔状スペーサを圧入する際の電極の破損を防止し、機械的強度を満足する信頼性の高いポリマー形避雷器を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の避雷器の実施形態は、１枚または複数枚が積層された非直線抵抗体と、この非直線抵抗体の軸方向外側に配置される金属板と、この金属板の軸方向外側に配置され、前記軸方向に貫通する複数の取合い孔を有する電極と、両端部を前記取合い孔に差し込まれ、前記電極どうしを連結する一方、前記非直線抵抗体の周囲に配置される絶縁ロッドと、前記電極のうち少なくとも一方の電極の前記複数の取合い孔と当該取合い孔に差し込まれた前記絶縁ロッドとの間の空隙に挿入される一対の楔状スペーサと、を備え、前記取合い孔は、前記電極面上にあっては、それぞれの中心が前記電極の中心から同一半径上に配されるとともに、前記非直線抵抗体の軸方向に対して垂直な断面は矩形であり、この矩形を形成する４面のうち、一対の面は、前記軸方向の前記非直線抵抗体側に行くに従い面どうしの幅が狭まる傾斜を有するとともに、残りの一対の面は、前記軸方向に対して平行に形成されており、前記一対の楔状スペーサは、前記絶縁ロッドを挟んで互いに対向し、それぞれが、前記絶縁ロッドに接する面にはこれに対応する凹面を具備し、この接する面と前記絶縁ロッドの軸方向に対して反対側の面は前記取合い孔の傾斜と略同一の傾斜を具備する一方、前記傾斜を有する面に垂直な線と、前記電極の中心から前記取合い孔の中心とを結ぶ直線とのなす角度が７５°以上１０５°以下である、ことを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、楔状スペーサを圧入する際の電極の破損を防止し、機械的強度を満足する信頼性の高いポリマー形避雷器を提供することができる。

本発明の実施形態に係るポリマー形避雷器の構成を示す立断面図である。 本発明の実施形態に係るポリマー形避雷器の電極部分における絶縁ロッドの固定部分の穴である取合い孔の形状を示す概念的鳥瞰図である。 本発明の実施形態に係るポリマー形避雷器の電極部分における絶縁ロッドの固定部分に使用するスペーサの構成を示す平面図である。 本発明の実施形態に係るポリマー形避雷器の電極部分における絶縁ロッドの固定部分に使用するスペーサの構成を示す立断面図である。 本発明の実施形態に係るポリマー形避雷器の電極部分を示す図１のV-V線矢視平面図である。 本発明の実施形態に係るポリマー形避雷器の電極部分における取合い孔の方向に対する最大応力の変化を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態に係るポリマー形避雷器について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。

図１は、本発明の実施形態に係るポリマー形避雷器の構成を示す立断面図である。

ポリマー形避雷器は、中央に複数枚の非直線抵抗体１が積層されている。非直線抵抗体１は、酸化亜鉛を主成分とする材料からなる円盤状の素子で、図示はしていないが、各素子の上下面には金属からなる薄い電極が形成されており、素子間の電気伝導度を確保している。

積層された非直線抵抗体１の両端には金属板２ａ、２ｂが設けられており、金属板２ａ，２ｂの外側（避雷器軸方向（図１の上下方向）の面で非直線抵抗体１と接していない側）には、それぞれ、さらに２つの電極３ａ、３ｂが設けられている。金属板２ａ、２ｂと電極３ａ、３ｂとはそれぞれ両ねじボルト４ａ、４ｂで螺合している。それぞれの両ねじボルト４ａ、４ｂは、その軸方向のほぼ中間部を境にして、一方の軸には右ねじ用のおねじを形成し、他方の軸には左ねじ用のおねじを形成することにより両ねじボルトを構成している。そして、任意の一方の端部には、その外側（避雷器軸方向（図１の上下方向）非直線抵抗体１と反対側）から回転できるように六角の穴が形成されている。

電極３ａ、３ｂには、これらを貫通するボルト用貫通孔７が、また、金属板２ａ、２ｂにはボルト用穴８が設けられており、ボルト用貫通孔７には右ねじのめねじが形成され、ボルト用穴８には左ねじのめねじが形成されている。なお、めねじの向きは電極３ａ、３ｂの外側から両ねじボルト４ａ、４ｂを回す際に通常の方向で回せるようにするため右ねじ方向としているがこれに限定されず、反対の組合せでもよい。

電極３ａ、３ｂは、それぞれ複数の取合い孔１１を有する。この取合い孔１１は、両電極３ａ、３ｂともほぼ同一の位置に設けられており、それぞれの取合い孔１１に絶縁ロッド５が差し込まれている。絶縁ロッド５は直径が１０ｍｍ程度以上あるＦＲＰ製であり、複数の絶縁ロッド５が非直線抵抗体１の周囲の円周方向に等間隔に配置されている。

それぞれの取合い孔１１に差し込まれた絶縁ロッド５と当該取合い孔１１間の空隙には、一対の楔状スペーサ１２が電極３ａ、３ｂの外側から挿入され絶縁ロッド５を固定している。

電極３ａ、３ｂに挟まれた非直線抵抗体１および金属板２ａ、２ｂ、さらには絶縁ロッド５の非直線抵抗体１と金属板２ａ、２ｂに隣接する領域が、樹脂製の外被、すなわちシリコーン樹脂部９に覆われている。

図２は、本発明の実施形態に係るポリマー形避雷器の電極部分における絶縁ロッドの固定部分の穴である取合い孔の形状を示す概念的鳥瞰図である。

取合い孔１１は、図１に示すように電極３ａに複数個所、貫通して設けられている。以下、電極３ａに関して説明するが、電極３ｂについても同様である。

取合い孔１１の形状は、図２に示すように、その水平断面（避雷器軸方向に対して垂直な面）は矩形であるが、その深さ方向（避雷器軸方向）においては、対向する１組の側面１１ａおよび側面１１ｂの間が、電極３ａの金属板２ａ側に行くほど狭くなるように傾斜しているが、他の対向する組の側面１１ｃ、側面１１ｄは、避雷器軸方向に沿って平行である。

図３は、本発明の実施形態に係るポリマー形避雷器の電極部分における絶縁ロッドの固定部分に使用するスペーサの構成を示す平面図である。また、図４は、本発明の実施形態に係るポリマー形避雷器の電極部分における絶縁ロッドの固定部分に使用するスペーサの構成を示す立断面図である。

取合い孔１１に絶縁ロッド５（図１参照）が挿入された後に、絶縁ロッド５とそれが挿入されている取合い孔１１との間隙に挿入される楔状スペーサ１２は、図３および図４に示すように、楔状スペーサ部材１２ａおよび１２ｂが対になっており、これらが、絶縁ロッド５を挟んで相対している。

これら楔型スペーサ部材１２ａおよび１２ｂを形成する面のうち、絶縁ロッド５と接する面とは避雷器軸方向に対して反対側の面である側面１２ｐ、１２ｑが、取合い孔１１の対向する側面１１ａ、側面１１ｂとほぼ同一の傾きを有している。

また、互いに相対して絶縁ロッド５に接する面は、絶縁ロッド５の外面に密着するような凹型の面を形成するとともに、その軸方向については絶縁ロッド５と平行となるように構成されている。なお、凹型の面の例としては、絶縁ロッドの外径に沿った円弧上の面や、Ｖ字状の面などが挙げられる。

楔状スペーサ１２の内面（凹型の面）は、摩擦係数を向上させるように表面加工されている。また、楔状スペーサ部材１２ａ、１２ｂは、強度を考慮すると最も薄い部分で２ｍｍ程度以上が望ましい。

図２で示す取合い孔１１の対向する側面１１ａおよび側面１１ｂの組（傾斜している面の組）以外の対向する面の組は、図３および図４で示す楔状スペーサ１２を差し込む際に側面１１ａおよび側面１１ｂの傾斜面以外に抵抗を生ずる面（くさび効果を生じる面）とはならないという条件が成立する必要がある。この条件が確保されていれば、側面１１ａおよび側面１１ｂの組以外の対向する側面が必ずしも互いに平行でなくともよく、また、互いに対向する面でなくともよい。

電極３ａに設けられた取合い孔１１に、絶縁ロッド５を挿入し、取合い孔１１に対応した一対の楔状スペーサ１２を、絶縁ロッド５の端部側から挿入する。その後、油圧ジャッキなどの外部装置を用いて、絶縁ロッド５と電極３ａの相対位置を固定したまま、一対の楔状スペーサ１２を取合い孔１１内に圧入することで、絶縁ロッド５、楔状スペーサ１２、電極３ａが摩擦力によって固定される。

この時、穴、スペーサが共に角型のため、一対の楔状スペーサ１２を圧入時に、スペーサは内部で回転が拘束される。そのため、絶縁ロッド５には、回転方向の力が加わらず、組立時に内部要素に捩れは発生しない。

取合い孔１１に設ける傾斜を有する側面１１ａ、１１ｂの高さは、発明者等の実験等によると、１５ｍｍ以上とすることにより、絶縁ロッド５と楔状スペーサ１２間の摩擦力を得るための接触面積を確保することができることを確認している。

また、楔状スペーサ１２の材料は、電極３ａよりも硬度の高い材料とすることにより、圧入時の楔状スペーサ１２の変形を防止することができる。たとえば、電極３ａがアルミニウムの場合には、楔状スペーサ１２は鉄が望ましい。これらの材料の例とては、電極３ａとしては、アルミニウム、銅などが、楔状スペーサ１２としては、鉄、ステンレス鋼、ニッケル基合金などが挙げられるが、その組み合わせは適宜選択することができる。

また、一対の楔状スペーサ１２の角部に面取りを施し、取合い孔１１の角と接触しない様に加工することにより、取合い孔１１の角部の応力集中を緩和する事ができる。またこの時、一対の楔状スペーサ１２の内面に、ローレット加工や、サンドブラストなどの表面処理を施すことで、一対の楔状スペーサ１２と絶縁ロッド５との間の摩擦係数を向上させ、絶縁ロッド５を電極３ａに強固に固定することができる。

また、一対の楔状スペーサ１２と絶縁ロッド５を取合い孔１１から飛び出さない様に長さを適宜選択する事により、避雷器の電極端面から突起物を無くすことができ、避雷器の組立時の作業を簡素化することができる。

前述したように、電極３ａ、３ｂを貫通するボルト用貫通孔７、および金属板２ａ、２ｂにもボルト用穴８が設けられており、ボルト用貫通孔７には右ねじのめねじが形成され、ボルト用穴８には左ねじのめねじが形成されている。

このようにして構成した内部要素は、電極３ａ、３ｂの中心部に右ねじのめねじが形成されたボルト用貫通孔７、金属板２ａ、２ｂは左ねじのめねじが形成されたボルト用穴８でそれぞれ対応したおねじを有する両ねじボルト４ａ、４ｂで連結されているため、両ねじボルト４ａ、４ｂを締め付けると、電極３ａ、３ｂと金属板２ａ、２ｂは互いに離れる方向に移動する。

その結果、非直線抵抗体１に圧縮力を印加すると共に、絶縁ロッド５には引張力が加わる。そして、両ねじボルト４ａ、４ｂの締め付けトルクを管理することで、非直線抵抗体１の導通に必要な軸力を容易に得ることができ、従来軸力を得るために必要であった内部要素のバネを省略することができるとともに、接触不良をなくすことができる。

更に、金属板２ａ、２ｂと両ねじボルト４ａ、４ｂの連結は左ねじであるため、両ねじボルト４ａ、４ｂ締結時は、非直線抵抗体1と金属板２ａ、２ｂの摩擦によって金属板２ａ、２ｂの回転は抑制され、組立工程における内部要素のねじれが改善される。

この両ねじボルト４ａ、４ｂは、内部要素端部に配置されるため、避雷器に曲げ荷重が加わった際に、最も応力を受ける部品の一つである。この時、両ねじボルト４ａ、４ｂのサイズをＭ２０以上とする事で、避雷器の曲げ荷重に対する頭部変位量を抑制する事ができることを発明者等は実験等で確認している。

また、両ねじボルト４ａ、４ｂに印加する軸力を１１０Ｎｍ以上とする事で、避雷器本体に剛性を与える事ができ、避雷器の曲げ荷重に対する変位量をさらに抑制する事ができる。この様に構成された内部要素をシリコーン樹脂部９（図１参照）にて一体成形している。

図５は、本発明の実施形態に係るポリマー形避雷器の電極部分を示す図１のV-V線矢視平面図である。

取合い孔１１は、それぞれの中心が電極３ａの中心から同一半径上であって円周上に互いに等間隔に配されている。矩形の取合い孔１１を構成する４辺のうち、避雷器軸方向に対して傾斜している面（図２の１１ａ、１１ｂ）を構成する２辺は、電極３ａの平面上であってこの２辺に垂直な線の方向（図２の１１ａ、１１ｂに対して垂直な線の方向）が、電極３ａの中心とこの取合い孔１１の中心とを結ぶ線に対して角度θをなしている。

図６は、本発明の実施形態に係るポリマー形避雷器の電極３ａ部分における取合い孔１１に、絶縁ロッド５を挿入し、あらかじめ決められた軸力で楔状スペーサ部材１２ａ、１２ｂを圧入した際に、前記角度θを変化させて電極３ａに生じる最大応力を計測したときのグラフである。

最大応力値は、角度θが０°、すなわち取合い孔１１を構成する４辺のうち、避雷器軸方向に対して傾斜している面（図２の１１ａ、１１ｂ）を構成する２辺に垂直な線の方向が半径方向を向いているときの値を基準（１００％）として相対値で示している。

図６に示すように、角度θが４５°を超えるとその最大応力は急激に低下し、７５°あたりでその定価の割合は減少し、９０°では０°のおよそ６３％程度の最低値になることが分かる。

このことから、取合い孔１１は、避雷器軸方向に対して傾斜している面（図２の１１ａ、１１ｂ）を構成する２辺に垂直な線の方向が正確に周方向を向いているときが、電極３ａに与える応力が小さく、楔状スペーサ部材１２ａ、１２ｂを圧入する際の軸力を向上させることができ、より強固に絶縁ロッド５の固定が可能となる。その結果、避雷器全体の機械的強度が向上し、信頼性の高い避雷器の提供が可能となる。

［変形例］
ところで、前記実施例においては、非直線抵抗体１の周囲に配置される絶縁ロッド５のピッチ（隣り合う絶縁ロッド５同士の互いの間隔）、すなわち、取合い孔１１のピッチ（隣り合う取合い孔１１同士の互いの間隔）については、電極３ａの径が比較的大きいもしくは余裕のある場合を想定しているため、特にその点を考慮することなく詳述している。

ところが、避雷器の定格によっては、非直線抵抗体１の径を小さくする場合もある。その場合には、その径に合わせて金属板２ａ、２ｂ、電極３ａ、３ｂの径も小さくなり、絶縁ロッド５のピッチは小さくなる。

しかし、絶縁ロッド５の径は、非直線抵抗体１にある一定の軸力を与える必要があるため、非直線抵抗体１の径に比例して小さくなることは無い。よって、電極３ａに形成される取合い孔１１も小さくなることは無い。

ここで、前記実施例に従い、角度θを９０°で取合い孔１１を電極３ａに形成すると、場合（電極３ａの直径が小さい場合）によっては、隣り合う取合い孔１１の電極３ａの中心側の角の間隔δが小さく、もしくはほとんどゼロになり、電極３ａの強度上好ましくない状態になる。

そこで、本変形例では、角度θを、図６に示す最大応力σｍａｘの低下割合が減少する付近の７５°から１０５°（角度９０°に対して７５°と対象位置）にすることにより、隣り合う取合い孔１１の電極３ａの中心側の角の間隔δを確保する。これにより、電極３ａに生じる応力も低下させることが出来、その結果、実施例と同様の効果を得ることが出来る。

［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。実施形態では、特に機械的強度の向上が望まれるポリマー形避雷器の場合を例にして示したが、ポリマー形避雷器に限定されず、同様の内部要素を有しており、磁器碍子や金属タンクなどで覆った他の形式の避雷器にも適用できる。

また、実施形態では、楔状スペーサによる電極と絶縁ロッドとの結合を、両電極に取合い孔を設けて行う例を示しているが、必ずしも両方の電極について行う必要はなく、たとえば、一方の電極については、絶縁ロッドが取合い孔から抜けないように太くして、他方について実施例の内容を適用することでもよい。

また、電極と金属板とに両ねじボルトを螺合させることは、一方の側の電極について行うことでもよい。

さらに、実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。

これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１・・・非直線抵抗体、２ａ、２ｂ・・・金属板、３ａ、３ｂ・・・電極、４ａ、４ｂ・・・両ねじボルト、５・・・絶縁ロッド、７・・・ボルト用貫通孔、８・・・ボルト用穴、９・・・シリコーン樹脂部（外被）、１１・・・取合い孔、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ・・・側面、１２・・・楔状スペーサ、１２ａ、１２ｂ・・・楔状スペーサ部材、１２ｐ、１２ｑ・・・・側面

Claims (7)

1. １枚または複数枚が積層された非直線抵抗体と、
   この非直線抵抗体の軸方向外側に配置される金属板と、
   この金属板の軸方向外側に配置され、前記軸方向に貫通する複数の取合い孔を有する電極と、
   両端部を前記取合い孔に差し込まれ、前記電極どうしを連結する一方、前記非直線抵抗体の周囲に配置される絶縁ロッドと、
   前記電極のうち少なくとも一方の電極の前記複数の取合い孔と当該取合い孔に差し込まれた前記絶縁ロッドとの間の空隙に挿入される一対の楔状スペーサと、
   を備え、
   前記取合い孔は、
   前記電極面上にあっては、それぞれの中心が前記電極の中心から同一半径上に配されるとともに、
   前記非直線抵抗体の軸方向に対して垂直な断面は矩形であり、この矩形を形成する４面のうち、一対の面は、前記軸方向の前記非直線抵抗体側に行くに従い面どうしの幅が狭まる傾斜を有するとともに、残りの一対の面は、前記軸方向に対して平行に形成されており、
   前記一対の楔状スペーサは、前記絶縁ロッドを挟んで互いに対向し、それぞれが、前記絶縁ロッドに接する面にはこれに対応する凹面を具備し、この接する面と前記絶縁ロッドの軸方向に対して反対側の面は前記取合い孔の傾斜とほぼ同一の傾斜を具備する一方、
   前記傾斜を有する面に垂直な線と、前記電極の中心から前記取合い孔の中心とを結ぶ直線とのなす角度が７５°以上１０５°以下である、
   ことを特徴とする避雷器。
2. 前記金属板のほぼ中心には、前記非直線抵抗体の軸方向に沿っためねじを形成した穴を設け、
   前記電極のほぼ中心には、前記金属板の穴と対向する位置に前記非直線抵抗体の軸方向に沿っためねじを設けた貫通穴が設け、
   前記金属板の穴と前記電極の貫通穴とを螺合する両ねじボルトを備えた、
   ことを特徴とする請求項１記載の避雷器。
3. 前記両ねじボルトは、その軸方向中間部分を境にして一方が右ねじのおねじが、他方が左ねじのおねじがそれぞれ形成されている
   ことを特徴とする請求項２に記載の避雷器。
4. 前記金属板のめねじが右ねじのときは、前記電極のめねじが左ねじであり、前記金属板のめねじが左ねじのときは、前記電極のめねじが右ねじである、
   ことを特徴とする請求項２または３に記載の避雷器。
5. 前記一対の楔状スペーサは、角部に面取りを施したことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の避雷器
6. 前記一対の楔状スペーサの前記絶縁ロッドを接する内面は、表面加工されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の避雷器。
7. 前記一対の楔状スペーサの材料は、前記電極の材料より硬度が高いことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の避雷器。

Images