JP6350611B2

JP6350611B2 - 避雷器

Info

Publication number: JP6350611B2
Application number: JP2016157307A
Authority: JP
Inventors: 俊一成田; 成是戸田; 英典渡邉
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2016-08-10
Filing date: 2016-08-10
Publication date: 2018-07-04
Anticipated expiration: 2036-08-10
Also published as: KR102066855B1; KR20180018323A; JP2018026449A

Description

本発明は、系統に侵入した異常電圧から電気機器を保護するために用いられる避雷器に関する。特に、シリコーンゴム等のポリマー絶縁材料で酸化亜鉛素子ユニットをモールドしたポリマー形避雷器の構造に関する。

避雷器は、系統に侵入した異常電圧から電気機器を保護するために用いられる。例えば、避雷器は、送電線への落雷によるトリップ事故を防ぐための送電用避雷器装置本体としても使用される。

図５に示すように、ダイレクトモールド形の避雷器９は、電極１０、１１間に非直線抵抗素子である酸化亜鉛素子４を積層した酸化亜鉛素子ユニット１２と、シリコーンゴム等のポリマー絶縁材料で酸化亜鉛素子ユニット１２を直接モールドして形成された外被７と、を備える。

ダイレクトモールド形の避雷器９には、主にケージ構造が適用される。具体的には、積層した酸化亜鉛素子４の周囲に配置されるように、電極１０、１１間に支持部材１３が設けられる。この支持部材１３により、電極１０、１１間及び積層された酸化亜鉛素子４が機械的に固定されるとともに、曲げモーメントに対する強度が付与される。支持部材１３は、例えば、ガラス繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）等の絶縁物により形成される。

ダイレクトモールド形の避雷器９は、磁器がい管やポリマーがい管を使用する避雷器と同様に、地震時に発生する曲げモーメントや短絡時に流れる短絡電流に耐えることが要求される。

また、ダイレクトモールド形の避雷器９では、外被７のモールド中に外被を構成するポリマー絶縁材料が酸化亜鉛素子４間、その他導電経路となる部品間に侵入することを防止するため、酸化亜鉛素子４間に圧縮力が押圧ばね１４によって加えられる。そして、避雷器９として設置後は、リード線（図示せず）の張力、風圧荷重、地震によるモーメントを受ける。これらの荷重は、主として、酸化亜鉛素子ユニット１２を構成する支持部材１３に対する引張荷重となるので、支持部材１３の強度、支持部材１３の両端部と電極１０、１１との固着強度が重要な要素となる。

特開平１０−７００１３号公報

ガラス繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）は、樹脂がガラス繊維により補強された材料であり、優れた機械強度を有する。しかしながら、上下の電極に支持部材を固定するためにガラス繊維を切断する等の加工を行うことにより、支持部材の機械強度が大幅に低下するおそれがある。

そこで、従来技術に係る避雷器では、ベルト状の線輪（支持部材に相当する）により電極間の固定を行っている（例えば、特許文献１の図１参照）。ベルト状の支持部材は、一方向に束ねられたガラス繊維とプラスチックにより形成されており、ガラス繊維がベルト方向に配向される。また、支持部材がベルト状であることで、電極間を固定するためにガラス繊維が切断されない。したがって、ベルト状の支持部材は、曲げ荷重により発生する引張力に対して有利な構造であり、ＦＲＰ本来の強度を発揮できる。

その一方で、支持部材をベルト状とすることで、支持部材の中央が空間となり、支持部材自体のねじり剛性が小さくなり、結果的に避雷器のねじりに対する強度が小さくなってしまう。避雷器のねじりに対する強度を向上させるために、支持部材の外周に補強部材を取り付けたり、支持部材の本数を増やしたりできるが、このような補強をすることにより避雷器のコストが増加してしまう。

また、ベルト状の支持部材は、通常金型にエポキシレジンを含浸したガラス繊維を巻き付けた後（フィラメントワインディング）、硬化させて作製されており、酸化亜鉛素子ユニットの長さに応じて金型が必要となる。つまり、酸化亜鉛素子ユニットの長さ毎に金型を作製することとなり、避雷器の製造コストが増加する。

本発明は、上記事情を鑑みて為されたものであり、曲げ強度、ねじり強度を向上させた安価な避雷器を提供することを目的としている。

上記目的を達成する本発明の避雷器の一態様は、積層された非直線性の電圧−電流特性を有する素子と、前記積層された素子の両端に設けられる一対の電極と、前記電極間に設けられ、前記素子の周囲に複数配置される支持部材と、少なくとも前記素子、前記一対の電極、及び前記複数の支持部材を一体的にモールドするポリマー絶縁材料からなる外被と、を有し、前記支持部材は、芯部材と、前記芯部材の外周部に形成され、前記芯部材の外周に沿った方向に配向されたガラス繊維を含むガラス繊維強化層と、を有し、前記電極は、前記電極間に前記支持部材を張架する被張架部を備えることを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の避雷器の他の態様は、上記避雷器において、前記被張架部の端部に、前記被張架部に設けられた支持部材の延伸方向と反対側に突出する突縁部が形成されたことを特徴としている。

以上の発明によれば、曲げ強度、ねじり強度の大きい安価な避雷器の製造が可能となる。

（ａ）本発明の実施形態に係る避雷器の要部の側面図、（ｂ）同避雷器の要部の上面図、（ｃ）同避雷器の要部の下面図、（ｄ）図１（ａ）に示した避雷器のＡ−Ａ断面図である。（ａ）本発明の実施形態に係る避雷器の下側に設けられた電極の上面図、（ｂ）同電極の側面図、（ｃ）図２（ａ）に示した電極のＢ−Ｂ断面図である。（ａ）支持部材の平面図、（ｂ）図３（ａ）に示した支持部材のＣ−Ｃ断面図である。（ａ）支持部材を構成する芯部材の端部の拡大図、（ｂ）孔を加工する前の支持部材の端部の拡大図、（ｃ）支持部材の端部の拡大図である。従来技術に係る避雷器の概略を示す断面図である。

本発明の実施形態に係る避雷器について、図面に基づいて詳細に説明する。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る避雷器１は、一対の電極２、３と、電極２、３間に積層される酸化亜鉛素子４と、積層された酸化亜鉛素子４のまわりに配置される支持部材５と、を備える。なお、図１では図示省略されているが、避雷器１は、図５に示した従来技術に係る避雷器９と同様に、電極２、３間に酸化亜鉛素子４を積層した酸化亜鉛素子ユニット６をシリコーンゴム等のポリマー絶縁材料により直接モールドした外被７や酸化亜鉛素子４に圧接力を付与する弾性部材等を備えている。また、実施形態の説明では、酸化亜鉛素子ユニット６に対して、電極２が設けられる側を上側、電極３が設けられる側を下側とするが、上下方向は本発明をなんら限定するものではない。

電極２、３は、略円柱状であり、電極２、３の内端部（すなわち、酸化亜鉛素子４と対向する端部）の外周面には、支持部材５の端部が遊嵌される電極溝２ａ、３ａが形成される。電極溝２ａ、３ａは、酸化亜鉛素子ユニット６に設けられる支持部材５の数に応じて、略等間隔に形成される。なお、電極２、３は、略円柱状だけでなく、支持部材５の数に対応した辺を有する角柱状等とすることができる。図２（ｂ）に示すように、電極溝３ａの支持部材５の主面と対向する面には、電極３の径方向に突出した被張架部３ｂが設けられる。この被張架部３ｂは、後に詳細に説明する支持部材５に形成された孔５ａに挿通され、支持部材５が掛着される。また、被張架部３ｂの先端部には、被張架部３ｂに設けられた支持部材５の延伸方向とは反対側に突出した突縁部３ｃが形成され、この突縁部３ｃにより電極３の径方向への支持部材５の脱落が防止される。なお、電極２についても同様に、電極溝２ａの支持部材５の主面と対向する面に、電極２の径方向に突出した被張架部２ｂが設けられ、被張架部２ｂの先端部には、被張架部２ｂに設けられた支持部材５の延伸方向とは反対側に突出した突縁部２ｃが形成される。このように被張架部２ｂ、３ｂに支持部材５の端部を掛着することで、電極２、３間に支持部材５が張架されることとなる。

酸化亜鉛素子４は、非直線性の電圧−電流特性を有し、避雷器１の連続使用電圧では絶縁体として働き、雷サージのような電圧が大きい領域では導体として働く。この働きにより、雷サージから機器を保護することが可能となる。図１（ａ）に示すように、酸化亜鉛素子４と電極２（または、電極３）との間には、長さ調整電極８が設けられる。長さ調整電極８の一方（例えば、電極２側の長さ調整電極８）には、後に詳細に説明する六角穴付き止ねじが当接され、電極２、３間の長さが調整される。

支持部材５は、電極２と電極３との間に張架される。支持部材５は、電極２、３の間に複数設けられる。図３に示すように、支持部材５の端部には、張架用の孔５ａが形成されている。図４に示すように、支持部材５は芯となる板状の芯部材５ｂと、芯部材５ｂの外周（すなわち、芯部材５ｂの上下・側面）に形成されるＦＷ（フィラメントワインディング）層５ｃと、を有する。

芯部材５ｂは、例えば、ガラス繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）等により形成された板であり、ＦＷ層５ｃを構成するＦＷ材が隙間なく巻きつけられるように、芯部材５ｂの両端部の角部には面取り加工（Ｒ加工）が施されている。ＦＷ材とは、例えば、エポキシ樹脂等のマトリックスを含浸させたロービング（ガラス繊維の撚糸等）である。

ＦＷ層５ｃは、ＦＷ材を、芯部材５ｂの外周に巻きつけて形成される層である。ＦＷ層５ｃ部分は、支持部材５において最も重要な引張強度（曲げ強度）を担う部分である。したがって、所定の強度を得るために必要な回数（ＦＷ層５ｃが所定の強度を得るために必要な厚さとなるように）ＦＷ材が巻きつけられる。図４（ｂ）、（ｃ）に示すように、ＦＷ材を芯部材５ｂの外周に巻きつけた後、エポキシ樹脂が硬化させられる。そして、最終的に出来上がった板をスライス加工し、張架用の孔５ａをあけて、支持部材５が製造される。なお、孔５ａの形成方法は本発明を何ら限定する物ではない。例えば、予め芯部材５ｂに孔５ａを形成しておき、孔５ａが形成された芯部材５ｂにＦＷ層５ｃを形成する態様とすることができる。

なお、孔５ａをあけることにより、ＦＷ層５ｃのガラス繊維の一部が切れたとしても、孔５ａの外に位置するガラス繊維は切れていない。つまり、実際に張力を受ける部分ではガラス繊維が切れていないことから、所定の強度を有する支持部材５を得ることができる。よって、孔５ａは、ＦＷ層５ｃのガラス繊維を切らないように、芯部材５ｂ部分のみに加工するか、あるいは、ＦＷ層５ｃ残存部が所定の寸法になるように加工すればよい。

酸化亜鉛素子ユニット６の製作時に、酸化亜鉛素子４等の内部部品が電極２と電極３の間に配置され、支持部材５が電極２と電極３の間に懸架される。支持部材５には張力が加えられ、支持部材５が伸びた状態で酸化亜鉛素子ユニット６が組み立てられる。これにより、酸化亜鉛素子４等の内部部品に圧縮力が付加され、外被７のモールド中に酸化亜鉛素子４間や酸化亜鉛素子４と電極２、３（長さ調整電極８を含む）間にポリマー絶縁材料が入り込まなくなる。

ここで、酸化亜鉛素子ユニット６の組立て方法について具体的に説明する。まず、酸化亜鉛素子４と両端の電極２、３を並べて配置し、電極２、３の被張架部２ｂ、３ｂに支持部材５の端部を引っ掛ける。次に、組立装置にて両端の電極２、３を引っ張る。支持部材５が伸びるため、内部部品（酸化亜鉛素子４や長さ調整電極８）と電極２、３との間に隙間ができるが、その隙間を片側の電極２（または、電極３）に配置した六角穴付き止めねじを回して、ねじと内部部品（具体的には、長さ調整電極８）が当たるまで埋める。その後、張力を徐荷すると、支持部材５が伸びた状態になりばねの機能を持つことになる。つまり、支持部材５が縮もうとする力が圧縮力になる。

［支持部材５のねじり強度について］
支持部材５と、特許文献１のベルト状の線輪では、部材自体のねじり剛性を示す断面二次極モーメントの値が異なる。これにより、酸化亜鉛素子ユニット６のねじれ易さも変わることとなる。

例えば、厚さ５ｍｍ、幅２５ｍｍである支持部材５の断面二次極モーメントが約６７７０ｍｍ⁴であるのに対して、線輪厚さ５ｍｍ、線輪幅５ｍｍ、線輪全幅２５ｍｍ（芯部材５ｂがない場合）の断面二次極モーメントは、約５２１０ｍｍ⁴となる。つまり、支持部材５が、芯部材５ｂにＦＷ層５ｃを形成した構造を有することで、部材自体のねじり剛性が３０％程度向上する。その結果、酸化亜鉛素子ユニット６及び避雷器１のねじり剛性が向上する。

以上のような本発明の実施形態に係る避雷器１によれば、曲げ強度やねじり強度に優れた避雷器１を安価に提供することができる。

つまり、電極２、３間に設けられる支持部材５において、少なくともＦＷ層５ｃはガラス繊維が連続した構造であり、ＦＲＰ本来の強度が期待できる。また、通常使用されるねじによる締結方法を用いていないため、ＦＲＰ本来の強度が期待できるだけでなく、避雷器１の組立てが容易になる。

また、支持部材５のねじり強度を高めることで、支持部材５の本数の低減、及び支持部材５の外周部に設けられる補強部材の削減が可能となる。その結果、避雷器１（及び酸化亜鉛素子ユニット６）を補強するためのコストを削減することができる。

また、支持部材５は、芯部材５ｂにＦＷ材を巻きつけて作製するため金型が不要となり、避雷器１の製造コストを低減することができる。金型が不要となることで、金型の離型処理が不要となり避雷器１の製造の手間が削減される。また、芯部材５ｂとして市販のＦＲＰ板を用いた場合においても、曲げ強度やねじり強度がＦＷ層５ｃにより確保されるので、安価で曲げ強度やねじり強度に優れた避雷器１を提供することができる。

また、支持部材５の長さ寸法は、芯部材５ｂの長さやＦＷ材の巻付け回数を変えることで自由に変更することができる（支持部材５の長さ方向の作製自由度が大きい）。つまり、支持部材５の長さに応じて金型を作製するコストと手間を削減することができる。

また、強度の仕様に応じてＦＷ材の巻付け回数、ＦＷ材の配向方向等を自由に選定することができるので、支持部材の強度を容易に変更することができる。従来、避雷器の強度仕様に応じて、必要な幅を有する線輪に対応した金型を作製していたが、本発明の実施形態に係る避雷器１では、ＦＷ材の巻付け回数を選定することで支持部材５の幅及び強度を自由に変更することができる。その結果、支持部材５の幅方向の作製自由度が大きくなり、支持部材５の幅に応じて金型を作製するコストと手間を削減することができる。

また、支持部材５は、少なくともＦＷ層５ｃの外周部のガラス繊維を切断することなく作製されるので、ベルト状の支持部材と同等以上の曲げ強度が得られるだけでなく、支持部材５の中央部に芯部材５ｂが設けられていることにより、支持部材５自体のねじり剛性が大きくなり、避雷器１（及び、酸化亜鉛素子ユニット６）のねじり強度が大幅に向上する。

以上、具体的な実施形態を示して本発明の避雷器及び支持部材について詳細に説明したが、本発明の避雷器及び支持部材は、実施形態に限定されるものではなく、その特徴を損なわない範囲で適宜設計変更が可能であり、設計変更された形態も本発明の技術的範囲に属する。

例えば、実施形態の説明では、芯部材５ｂにフィラメントワインディング（ＦＷ）によりＦＷ層５ｃを形成しているが、少なくとも一部のガラス繊維が一方向（芯部材５ｂの外周方向に沿った方向）に配列したものであれば、ＦＷ層は、フィラメントワインディング法により形成された層に限定されるものではない。例えば、芯部材５ｂの外周に一方向にガラス繊維の一部が配向するようにガラス繊維（ガラスクロス）を巻き付けて、ＦＷ層５ｃと同様の層を形成することもできる。

また、電極２、３に設けられる被張架部２ｂ、３ｂは、電極２と電極３の間に支持部材５が張架可能であれば、実施形態に限定されるものではない。例えば、電極２、３に雌ねじを加工し、止めねじで突起の機能を持たせる方法（脱落防止は別の方法となる）や、電極２、３に形成された雌ねじにボルトを通す方法等で、電極２、３間に支持部材５を張架させることができる。

また、避雷器１に設けられる素子は、非直線性の電圧−電流特性を有するものであれば、酸化亜鉛素子に限定されるものではない。

１…避雷器
２、３…電極
２ａ、３ａ…電極溝、２ｂ、３ｂ…被張架部、２ｃ、３ｃ…突縁部
４…酸化亜鉛素子（素子）
５…支持部材
５ａ…孔、５ｂ…芯部材、５ｃ…ＦＷ層（ガラス繊維強化層）
６…酸化亜鉛素子ユニット
７…外被
８…長さ調整電極

Claims

積層された非直線性の電圧−電流特性を有する素子と、
前記積層された素子の両端に設けられる一対の電極と、
前記電極間に設けられ、前記素子の周囲に複数配置される支持部材と、
少なくとも前記素子、前記一対の電極、及び前記複数の支持部材を一体的にモールドするポリマー絶縁材料からなる外被と、を有し、
前記電極は、前記支持部材の端部が引っ掛けられる被張架部を備え、
前記支持部材は、板状の芯部材と、前記支持部材の端部に形成され、前記被張架部が引っ掛けられる孔と、前記芯部材の前記孔が形成された面に隣接する側面である前記芯部材の外周部に形成され、前記芯部材の外周に沿った方向に配向されたガラス繊維を含むガラス繊維強化層と、を有する
ことを特徴とする避雷器。
前記被張架部の端部に、前記被張架部に設けられた支持部材の延伸方向と反対側に突出する突縁部が形成された
ことを特徴とする請求項１に記載の避雷器。