JPH0982506A

JPH0982506A - 電力用抵抗体

Info

Publication number: JPH0982506A
Application number: JP7239571A
Authority: JP
Inventors: Naoki Shudo; 直樹首藤; Motomasa Imai; 基真今井; Fumio Ueno; 文雄上野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-09-19
Filing date: 1995-09-19
Publication date: 1997-03-28

Abstract

(57)【要約】【目的】単位体積あたりの熱容量が大きく、抵抗率が
適当で、絶縁耐圧、注入エネルギー耐量の大きな電力用
抵抗体を提供する。【構成】抵抗体１は、金属酸化物を主成分とし、副成
分として炭素を０．０３〜３ｗｔ％含む焼結体２と、そ
の両端面に形成された一対の電極３を備えている。焼結
体２の上下面５と側面６との境界線上には面取り処理が
施され、さらに前記面取り処理部を、絶縁相４が被服さ
れている。【効果】上記構成にすることで、上下面５と側面６と
の境界線上での放電を抑止し、抵抗体の、絶縁耐圧、注
入エネルギー耐量が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は過大なサージを吸収する
のに好適な電力用抵抗体に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、遮断器等の電流制御用、電動機の
始動・回生に伴う各種制御用、また、送電系統の異常発
生時に於ける接地用として、種々の電力用抵抗器が用い
られている。これら抵抗器は、金属抵抗体、セラミック
抵抗体、これらの複合体により構成されている。

【０００３】例えば、高電圧用遮断器には、開閉時に発
生する開閉サージを吸収したり遮断容量を増加させるた
めに遮断接点と並列に投入抵抗器を接続している。これ
らの目的に用いられる抵抗器の従来の抵抗体には、例え
ば特開昭５８−１３９４０１号公報に記載されているよ
うな、炭素粒子分散型セラミック抵抗体が用いられてい
る。この抵抗体は、絶縁性成分たる酸化アルミニウム粉
末に、導電性成分たるカーボン粉末を混合し、結合材た
る粘土で焼き固めたもので、１００〜２５００Ω・ｃｍ
の抵抗率を持つ。

【０００４】この炭素粒子分散型セラミック抵抗体は、
カーボン粉末添加量を調整することで抵抗率を変化させ
ることができる利点がある。しかし、気孔率が１０〜３
０％と高く緻密性に劣るため、以下の問題がある。すな
わち、第１に、体積当たりの熱容量が２Ｊ／ｃｍ³ ・Ｋ
程度と小さいために、放電耐量が小さい。その結果、サ
ージの吸収による発熱にともなう温度上昇が著しい。第
２に、開閉サージ吸収時にカーボン粉末間で放電を起こ
して、貫通放電をしてしまう。第３に高い温度にさらす
と抵抗値を制御している焼結体内部の炭素粒子が、開気
孔を通して酸化され、抵抗値が変化してしまう。以上の
様な問題により、高電圧用遮断器の抵抗体として、特開
昭５８−１３９４０１号公報に記載された従来の抵抗体
は問題が多い。

【０００５】さらに、近年の技術開発による遮断器の小
型化に伴い、開閉サージ吸収用投入抵抗器の小型化が希
求されている。投入抵抗器を小型化するためには、使用
される抵抗体の単位体積当たりの熱容量が不可欠であ
る。従来の抵抗体の２Ｊ／ｃｍ³ ／Ｋという熱容量で
は、これ以上投入抵抗器を小型化することは困難であ
る。

【０００６】このような問題に対して、原料粉の粉径が
非常に細かい酸化アルミニウム粉末を用いることで、緻
密な焼結体を得る方法が考案されている（特開平１−１
４１６６号公報）。この、特開平１−１４１６６号公報
に記載された焼結体は、焼結体の相対密度が、従来の炭
素粒子分散型セラミックに比べて大きく、理論密度に近
い値を有する。そのため、単位体積あたりの熱容量も酸
化アルミニウムの熱容量３Ｊ／ｃｍ³ ・Ｋとほぼ等し
く、従来の炭素粒子分散型セラミックに比べて１．５倍
もの熱容量を有する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述の特開平１−１４
１６６号公報に記載された焼結体は、特開昭５８−１３
９４０１号公報に記載された抵抗体に比較して緻密なた
め、単位体積あたりの熱容量が大きくなり、単位体積あ
たり吸収できるエネルギーが大きいことが期待される。
しかるに、電力用抵抗体は、高電圧、大電流で使用され
る。このような場合、焼結体内部に抵抗率に分布がなく
均一であっても、電流は焼結体内部を均一に流れること
は少なく、焼結体素体の外表面に沿って流れやすい傾向
を有する。この結果、特開平１−１４１６６号公報に記
載された焼結体を抵抗体として用いても、使用電流を大
きく、及びまたは使用電圧を高くすると、沿面電流が大
きくなり、抵抗体は沿面閃絡、すなわち沿面で放電した
り、貫通放電して抵抗体が破壊してしまうという、耐電
圧性能が悪いという問題を有していた。

【０００８】上記問題を解決する一つの手段として、例
えば特開昭５７−４２１０１号公報に記載されているよ
うな、該抵抗体の電極端部を除く外表面に絶縁層を形成
することによって、沿面放電を抑止できることが知られ
ている。しかし、近年電力用機器の運転電流及び電圧は
さらに大きくなり、該抵抗体の電極端部を除く外表面に
絶縁層を形成することのみでは、沿面放電を抑止するこ
とは、困難となってきた。本発明は上述の従来の問題を
解決する為に、電極形成面と外周面の境界線部上に工夫
をきたした新規な電力用抵抗体を提供するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段及び作用】本発明は、金属
酸化物を主成分とし、副成分として平均粒径１μｍ以下
のカーボン粒子を０．０５〜３重量％含む焼結体を有す
る電力用抵抗体において、電極形成面と外周面の境界線
部上が、絶縁層で被覆されていることを特徴とするもの
である。

【００１０】本発明に係わる電力用抵抗体を図１、図２
を参照して説明する。図１は、本発明に一様態に係わる
電力用抵抗体である。抵抗体１は、環状の焼結体２と、
前記焼結体２の両面に設けられた電極３と、前記焼結体
２の外周面および中空部の内周面に被覆された絶縁層４
とから構成されている。

【００１１】前記焼結体２は、金属酸化物を主成分と
し、副成分として平均粒径１μｍ以下のカーボン粒子を
０．０５〜３重量％含む組成を有する。前記金属酸化物
としては、例えば酸化アルミニウム、酸化ジルコニウ
ム、酸化チタン、酸化珪素、酸化マグネシウム、酸化
鉄、酸化亜鉛、ムライト（３Ａｌ₂Ｏ₃ ・２ＳｉＯ
₂ ）、ジルコン（ＺｒＯ₂ ・ＳｉＯ₂ ）、フォステライ
ト（２ＭｇＯ・ＳｉＯ₂ ）、ステアタイト（ＭｇＯ・Ｓ
ｉｏ₂ ）、スピネル（２ＭｇＯ・Ａｌ₂ Ｏ₃ ）、コージ
ライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ₂ Ｏ₃ ・５ＳｉＯ₂ ）等を用
いることができる。これら金属酸化物の中で酸化アルミ
ニウムまたは酸化アルミニウムを含む複合酸化物が好ま
しく、特に酸化アルミニウムは高強度、高硬度で化学的
安定性、耐熱性およびエネルギー耐量が優れているため
好適である。このような酸化アルミニウムを含む焼結体
は、前記酸化アルミニウムがα型で存在し、かつその結
晶粒径が５μｍ以下、好ましくは１μｍ以下であること
が望ましい。

【００１２】前記カーボン粒子は、１μｍ以下の微細な
平均粒径を有することにより良好な導電パスを実現する
ことが可能になる。より好ましい前記カーボン粒子の平
均粒径は、０．００１〜０．１μｍである。

【００１３】前記カーボン粒子の割合を限定したのは、
次のような理由によるものである。前記カーボン粒子の
割合を０．０５重量％未満にすると、カーボンの導電性
効果が発揮され難くなり、その結果前記焼結体の電気抵
抗が高くなって安定した電気抵抗値にすることが困難に
なる。一方、前記カーボン粒子の割合が３重量％を越え
ると電気抵抗が低くなりすぎること、緻密性が低下し体
積当たりの熱容量が小さくなり、エネルギーの吸収に伴
う抵抗体の温度上昇が著しくなる。

【００１４】前記カーボン粒子は、前記焼結体２中に非
晶質状態で存在することが好ましい。特に、酸化アルミ
ニウムのような金属酸化物の粒子の界面でグラファイト
化されていることが好ましい。

【００１５】図２は、図１に示した抵抗体１の外周面の
拡大図である。本発明者らは、沿面閃絡が前記焼結体２
の電極形成面５と、外周面６との境界線部で主に発生す
ること見いだした。これは、電位集中が鋭角部で特に著
しいためである。沿面閃絡をふせぐために、図２に示し
たような面とり処理を施す。図２中、処理部７は、０．
２ｍｍから２ｍｍが好ましい。０．２ｍｍ以下では、境
界線部に電位集中が発生し、沿面閃絡を起こす。

【００１６】電極３と絶縁層４の境界は、図２に示した
ように、処理部７より内側にあることが必須である。絶
縁層４を電極形成面５に回り込ませることで、最も放電
しやすい部分からの閃絡を防止することが可能になる。
ただし、図２に示したような境界を形成することが困難
な場合、図３の様に、絶縁層４の上に電極３が重なるの
はかまわない。電力用抵抗体は、通常、複数個の抵抗体
を積み重ねて使うため、図４の様に、電極３の上に絶縁
層４が重なることは、電極と電極の接触性を阻害するこ
とから、好ましくない。

【００１７】前記電極３は、例えばアルミニウムまたは
ニッケルのような金属、またはＨｆ，Ｎｂ，Ｔａもしく
はＴｉの炭化物或いはＴｉＮから形成されることが好ま
しい。前記絶縁層４は、前記焼結体２の側面での沿面
放電を防止するために設けられる。前記絶縁層４は、酸
化アルミニウム、酸化珪素、ホウ珪酸ガラスのような絶
縁性セラミック、またはポリイミドのような絶縁性耐熱
樹脂から形成されることが好ましい。

【００１８】本発明にかかわる抵抗体１は、例えば以下
のような方法により作製される。平均粒子径１μｍ以
下、焼結性を良くするためには、好ましくは０．５μｍ
以下の金属酸化物粉末、例えば酸化アルミニウム粉末
に、有機化合物からなる炭素前駆体を溶剤に溶解させ添
加、混合し、さらに乾燥して混合粉末を調整する。前記
炭素前駆体は、焼結体中に炭素として存在させるための
炭素源となる物質、または極一部は前記金属酸化物粉末
の一部の金属の炭化物もしくは炭酸化物として変換する
ための物質である。このような炭素前駆体としては、例
えばレゾール系フェノール樹脂、ポリ塩化ビニリデン、
アクリロニトリル系共重合体、ポリウレタン、ポリビニ
ルピロリドン、澱粉、ポリアミド等の有機物を挙げるこ
とができる。特に、レゾール系フェノール樹脂、ポリビ
ニルピロリドン等の環状炭化水素を有する炭素前駆体
は、第２工程で炭素に変換する割合が多く特に好まし
い。

【００１９】つづいて、前記混合粉末を真空中または非
酸化性ガス中、３００〜８００℃中で加熱処理して前記
炭素前駆体を炭素化する。ひきつづき、前記加熱処理粉
末を解砕し、例えばパラフィン等の成形用バインダーを
添加、造粒粉末を調整する。この際、ボールミル等を用
い湿式混合の後、乾燥、ふるいを用いて造粒調整しても
かまわないが、スプレードライヤーを用いて造粒調整す
る方が、粉末の粒度分布が小さく、より好ましい。

【００２０】また、造粒粉末は、以下のようにして作成
することもできる。平均粒子径１μｍ以下、焼結性を良
くするためには、好ましくは０．５μｍ以下の金属酸化
物粉末、例えば酸化アルミニウム粉末を原料粉とする。
導電相たるカーボン源にはカーボン粉末を用いる。カー
ボン粉末の粒子径は０．１μｍ以下が焼結性を確保する
ために好ましく、微粉になる程好ましい。このような金
属酸化物原料粉末と平均粒子径が０．１μｍ以下のカー
ボン粉末原料を水、または、有機溶媒を用い、ボールミ
ル中で混合する。カーボン添加量の異なる、少なくとも
２種類以上の混合粉末を準備する。

【００２１】これらのカーボン含有量の異なるそれぞれ
の混合粉末に、成形体を作成するときには必要に応じ
て、パラフィン、ポリビニルアルコール等の成形用バイ
ンダーを添加しても構わないが、これら成形用バインダ
ーも焼結体中の炭素源になるため、あらかじめカーボン
粉末量は適宜調整する必要がある。これら混合分に、各
々成型用バインダーを添加湿式混合後、乾燥。ふるいを
用いて造粒調整する。造粒粉調整の際には、それぞれ
に、有機溶剤、成型用バインダーと共に混合を行いスラ
リー化し、スプレードライヤーを用いて溶媒を除去する
方が、工程上煩雑になる欠点は有するものの、粉末の粒
度分布を小さくする上でより好ましい。これらカーボン
添加量の異なる造粒粉末を、所定の比率により、例えば
Ｖ型ミキサーにより混合する。

【００２２】以上のようにして得られた造粒粉末を、金
型プレス、押し出しおよび射出成形などの手段で成形を
行う。金型成形で成形する際には、焼結体の密度を高め
るために２００ｋｇ／ｃｍ² 以上であることが望まし
い。これ以下だと焼結体の相対密度が上がらず、単位体
積当たりの熱容量が低下する。

【００２３】次に、電極形成面と外周面の境界線上を上
下とも面取りする。抵抗体の形状が、図１に示したよう
な、円筒形状の場合は、内周面と電極形成面の境界線上
も面取りすることが好ましい。電極形成面と外周面の境
界線部の面とり処理は、焼成後得られる焼結体に施して
も何等性能に差はないが、成形体に施す方が簡易であ
る。

【００２４】この後、加熱処理して成形用バインダーを
除去して脱脂体を形成する。この加熱処理も、炭素前駆
体の炭素化処理と同様、真空中または非酸化性雰囲気中
でおこなうことが好ましい。雰囲気中への酸素の混入
が、１％を越えると、導電相たる炭素成分が酸化消失
し、抵抗体としての機能を果たさなくなる。この成形用
バインダーの除去条件は、バインダーの種類等に依存す
る。たとえば前記パラフィンバインダーでは、５００〜
６５０℃、アクリル系バインダーでは、４５０〜６００
℃が好ましい。

【００２５】焼成は脱脂の熱処理に続けて真空中または
不活性ガス中、１３００〜１８００℃で１〜４時間保持
することによって行われる。ただし、脱脂の熱処理後、
一度室温まで降温したのち再度昇温し焼成しても問題は
ない。焼成は、１３００〜１８００℃の範囲で行うこと
が好ましい。１３００℃以下では、焼結が進まず焼結体
の緻密性に劣る。この結果、単位体積あたりの熱容量が
小さくなり、エネルギー耐量が小さくなる。一方、１８
００℃以上では、焼結体中のカーボンが気散し、高抵抗
になり抵抗体として使用できなくなる。

【００２６】得られた焼結体の上下電極形成面を研磨
し、電極形成面と外周面の境界線部、焼結体の外周面お
よび中空部の内周面に、酸化アルミニウム、酸化珪素、
ホウ珪酸ガラスのような絶縁性セラミック、またはポリ
イミドのような樹脂を、焼き付け、溶射または塗布、乾
燥等により絶縁層を形成する。前記絶縁層の厚さは、抵
抗体の形状および使用する電流、電圧によるが、電力用
抵抗体として使用する場合には１００μｍ以上あること
が望ましい。

【００２７】次いで、スパッタリング、溶射、焼き付け
などの手段によりアルミニウム、ニッケルのような金
属、またはＨｆ、Ｎｂ、ＴａもしくはＴｉの炭化物或い
はＴｉＮなどからなる電極を形成して抵抗体を製造す
る。

【００２８】なお、図１に示した抵抗体１の構造は環状
であるが、これに限定されるものではなく、円板状の焼
結体と、焼結体の両面に設けられた電極と、焼結体の外
周面に被覆された絶縁層とから抵抗体を構成してもよ
い。

【００２９】また、本発明に係わる電力用抵抗体は電力
用遮断器の投入抵抗体として利用する場合に限らず、高
電圧装置、大容量コンデンサの充放電装置等に用いられ
る固定抵抗器、可変抵抗器、巻線抵抗器、抵抗器アレー
に適用することができる。

【００３０】

【実施例】

（実施例１）炭素前駆体として市販のポリビニルピロリ
ドン１５ｇをメタノール５００ｍｌに溶解させ、平均粒
径１μｍの酸化アルミニウム粉末５００ｇに添加し、ア
ルミナボールと共に２４時間混合した。前記混合物を乾
燥した後、乾燥粉末を純度９９％以上の酸化アルミニウ
ムセラミック製容器に入れ、アルゴンガス雰囲気中６０
０℃で２時間加熱処理し、ポリビニルピロリドンを炭素
化した。

【００３１】続いて、前記加熱処理粉末をアルミナボー
ル、エタノールと共に６時間解砕した後、乾燥させ乾燥
粉とした。前記乾燥粉末にパラフィン２５ｇをキシレン
５００ｍｌに溶解させた溶液を添加し、混合した後、キ
シレンを除去し目開き１００μｍの篩を通して造粒粉と
した。前記造粒粉を金型にて加圧成形して円板状の粉末
圧粉体とした。この粉末圧粉体の上下円面と外周面の境
界線部を１ｍｍ、面取りを行った。次いで、この粉末圧
粉体を４００℃で４時間窒素ガス中で保持し、パラフィ
ンを除去し脱脂体を得た。次いでこの脱脂体を、酸化ア
ルミニウムセラミック製箱形容器に入れ、酸化アルミニ
ウムセラミック製板で蓋をし、アルゴンガス雰囲気中、
１５００℃で１時間加熱処理することにより焼成を行っ
て、直径１００ｍｍ厚さ２５ｍｍ円板状の焼結体を作成
した。

【００３２】この焼結体の上下両端面を各々研削した
後、外周面および面取り部に燐酸アルミニウムとアルミ
ナ微粉、シリカ微粉からなる水溶性ペーストを刷毛塗装
し、１５０℃で１時間乾燥し電極端部を除く外表面に絶
縁層を形成した。次にアルミニウム電極を、両電極形成
面に溶射法で形成し、電力用抵抗体を得た。

【００３３】この抵抗体の抵抗率は３８００Ωｃｍ、対
電圧値は２２ｋＶ／ｃｍ、耐量は６７０Ｊ／ｃｍ³ と良
好な値を有した。（比較例１）実施例１と同様の方法で得られた粉末圧粉
体に、面取りを施さず、実施例１と同様にパラフィン除
去、焼成を行い焼結体を得た。この焼結体の上下両端面
を各々研削した後、面取り部にかからぬよう、外周面の
みに燐酸アルミニウムとアルミナ微粉、シリカ微粉から
なる水溶性ペーストを刷毛塗装し、１５０℃で１時間乾
燥し絶縁層を形成した。次にアルミニウム電極を、両電
極形成面に溶射法で形成し、電力用抵抗体を得た。

【００３４】この抵抗体の抵抗率は３８００Ωｃｍと実
施例１と同じであったが、電圧、１８ｋＶ／ｃｍで沿面
閃絡が発生し、耐量は５９０Ｊ／ｃｍ³ に留まった。（実施例２）平均粒径０．２μｍの酸化アルミニウム粉
末に成型用バインダーとしてパラフィンを固形分として
５ｗｔ％加え、キシレンを溶媒としてスラリー化した
後、乾燥を行い、第１の造粒粉末を得た。また、第１の
造粒粉末に使用したものと同じ酸化アルミニウム粉末を
出発原料として、平均粒子径５０ｎｍのカーボン粉末を
所定量添加し、エタノール溶媒とし、アルミナ製ポット
およびアルミナ製ボールを用いて混合、粉砕を行った。
これを乾燥後、さらに成型用バインダーとしてパラフィ
ンを固形分としてそれぞれ５ｗｔ％加え、第１の造粒粉
末と同じ方法で、第２の造粒粉末を得た。

【００３５】第１の造粒粉末を６０ｗｔ％、第２の造粒
粉末を４０ｗｔ％の割合でＶ型混合器により混合し、混
合造粒粉末を得た。これらの混合造粒粉末は金型を用い
て円筒状に成形され、実施例１と同様、上下円環面と外
周面の境界線部、及び、上下円環面と内周面の境界線部
の面取りを行った。次いで、この粉末圧粉体を、窒素ガ
ス雰囲気中６００℃での脱脂過程を経て、アルゴンガス
雰囲気中１５００℃で２時間の焼成を行った。

【００３６】この焼結体の上下両端面を各々研削した
後、外周面、内周面および面取り部に、ホウケイ酸ガラ
ス粉末を塗布、焼き付けて絶縁層を形成した。その後、
外径１２０ｍｍ、内径３５ｍｍ、高さ２５ｍｍの寸法と
し、両電極形成面にアルミニウム電極を溶射により形成
して、抵抗素子を得た。

【００３７】この抵抗体の抵抗率は４０００Ωｃｍ、耐
電圧値は２３ｋＶ／ｃｍ、耐量は６８０Ｊ／ｃｍ³ と良
好な値を有した。（比較例２）実施例２と同様の方法で得られた粉末圧粉
体に、面取りを施さず、実施例１と同様にパラフィン除
去、焼成を行い焼結体を得た。この焼結体の上下両端面
を各々研削した後、面取り部にかからぬよう、外周面の
みに燐酸アルミニウムとアルミナ微粉、シリカ微粉から
なる水溶性ペーストを刷毛塗装し、１５０℃で１時間乾
燥し絶縁層を形成した。次にアルミニウム電極を、両電
極形成面に溶射法で形成し、電力用抵抗体を得た。この
抵抗体の抵抗率は４０００Ωｃｍと実施例２と同じであ
ったが、電圧、１９ｋＶ／ｃｍで沿面閃絡が発生し、耐
量は６００Ｊ／ｃｍ³ に留まった。

【００３８】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、電極形
成面と外周面の境界線部上に、絶縁層を被覆すること
で、抵抗体の絶縁性、注入エネルギー耐量が向上した。
このため、これまでの抵抗体に比較して、高温、高電
圧、大注入エネルギーでの使用が可能になり、また抵抗
体の信頼性も向上した。その結果、遮断器などの電力用
機器の縮小化におおいに有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本概念を示す構成図。

【図２】図１の抵抗体の外周面の拡大図。

【図３】図２の変形例を示す図。

【図４】図２の変形例を示す図。

【符号の説明】

１……電力用抵抗体。２……焼結体。３……電極。４……絶縁層。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属酸化物を主成分とし、副成分として
平均粒径１μｍ以下のカーボン粒子を０．０５〜３重量
％含む焼結体を有する電力用抵抗体において、前記焼結
体の電極形成面と外周面の境界線部上が絶縁層で被覆さ
れていることを特徴とする電力用抵抗体。
【請求項２】金属酸化物は、酸化アルミニウムまたは
アルミニウムを含む複合酸化物であることを特徴とする
請求項１記載の電力用抵抗体。