JPS6244802B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、酸化亜鉛を主成分とする電圧非直線
抵抗体を積層して成るギヤツプレス避雷器に関す
る。

近年、炭化珪素を主体とした特性要素に直列ギ
ヤツプを付加したギヤツプ付避雷器に替わり、酸
化亜鉛を主成分とした電圧非直線抵抗体素子を適
用することにより直列ギヤツプを省略したギヤツ
プレス避雷器に、避雷器の主流が移つている。こ
のギヤツプレス避雷器はギヤツプ付避雷器に比べ
て、小形軽量で部品点数が少なく経済的、耐汚損
特性が良い、急峻波応答性が良い、多重雷に強
い、などの優れた特徴を有する。

この反面、避雷器に放電ギヤツプを設けないた
めに素子には常時微小電流が流れており、避雷器
設計の際には素子の寿命を考慮する必要がある。
通常ギヤツプレス避雷器では必要とされる制限電
圧特性に応じて必要員数の素子を直列接続して内
部要素を形成するが、従来、避雷器の電位分布を
均等にし、素子各々に均等な電流が流れるように
することが素子の寿命という面から重要であつ
た。

避雷器の電位分布について、以下に図面を用い
て説明する。第１図は避雷器のコンデンサによる
モデルを示す。常規運転電圧（交流）下で避雷器
に流れる電流のうち抵抗分電流は微小であり、素
子各々は略コンデンサとみなしてよい。第１図で
１は素子をコンデンサで置き換えたものであり、
避雷器はコンデンサを高さ方向に連続的に接続し
たものとなる。これに対し、碍子形避雷器では素
子と大地との間に漂遊容量が第１図の２で示した
ように連続して存在すると考えられる。これら漂
遊容量のため、第２図に示すように避雷器の電位
分布は破線で示した均等分布とならず実線のよう
になつて、一部の素子が大きな電圧を分担するこ
とになる。この様子を第３図に示した。第３図の
縦軸の不平等率は、第２図の電位分布でそれぞれ
の高さにある素子にかかる電圧の、均等分布の時
の電圧に対する割合を表わす。

電位分布の均等分布からのずれは漂遊容量に依
存するが、避雷器の定格電圧が大きくなるほど用
いる素子数も多くなり、避雷器の高さも高く大形
となつて、電位分布の不平等率が大きくなつて特
に問題となつてくる。また同時に、避雷器が大形
となつた場合には内部要素のすべてを１本の大形
の中空碍管に収納して避雷器を一体として製造す
ることが困難になるために、避雷器を多段積にす
る必要が生じてくる。このような場合、一般には
上段に積まれた部分ほど不平等率が大きくなる。
従来の大形の多段積避雷器では、一部の素子に均
等分布よりも大きな電圧がかかつて避雷器全体の
寿命が短かくなるのを防ぐために、各段の碍管と
素子の間の空間に補償用のコンデンサ等を設け、
素子の各々にほぼ均等な電圧がかかるように電位
分布を改善していた。このため、避雷器の部品点
数が増え、容器碍管が大きくなることも避けられ
ないという欠点があつた。

本発明の目的は、従来よりも部品点数が少な
く、あるいはさらに碍管を小形化することも可能
な、高信頼性の多段積ギヤツプレス避雷器を提供
することにある。

本発明のギヤツプレス避雷器は、内部要素を形
成する素子の全部または一部に40℃課電率100％
で30年以上の寿命を有する素子を用い、多段積の
少なくとも最下段の１単位の避雷器の非直線抵抗
体群の電位分布が、その単位避雷器の電位分布を
改善するためのコンデンサ等の構成要素を設けな
いときの電位分布に相当する大きさを有する点を
特徴とする。ここで課電率とは、印加交流電圧ピ
ーク値の、20℃において直流１ｍＡを流すに必要
な電圧に対する割合を言う。

たとえば定格電圧182kV以上の大形のギヤツプ
レス避雷器では、電位分布を改善しない場合電圧
分担の不平等率は最大値が1.4程度またはそれ以
上になることが予想される。避雷器の課電率の値
は避雷器の設計によつて若干異なるが、420kV系
用以下の場場合、国内では約70％以下と考えられ
る。課電率が70％の時、不平等率が最大1.4の電
位分布では最も大きな電圧を分担する素子の課電
率は98％となる。従つて実使用状態の周囲温度40
℃で課電率100％に対する寿命が30年以上の素子
を用いれば、避雷器に30年以上の十分な寿命を持
たせることができる。また、課電率が60％と低い
場合には、不平等率が最大1.6程度の構造の避雷
器であつても、コンデンサやシールドを無くする
ことができる。

さらに大形の避雷器では不平等率が最高2.5程
度になる可能性もあるが、上記寿命特性の素子を
用いた場合にはこの不平等率を1.4程度まで改善
すればよい。一般に電位分布を改善するためのコ
ンデンサは高さ方向に分割して配置し、その時高
い位置のコンデンサほど容量が大きなものを用い
る必要がある。従つて最高2.5の不平等率を例え
ば1.1にまで改善するためには、上方の大容量の
コンデンサに始まつて大地近くの小容量のコンデ
ンサまでを配置する必要がある。しかし、不平等
率を1.4程度にまで改善すればよいのであれば、
少なくとも下半分のコンデンサは省略することが
できる。すなわち多段積の避雷器に前記寿命特性
の素子を用いた場合には、電位分布改善のための
コンデンサを設けるにしても少なくとも最下段の
１単位の避雷器ではそれを省略することができ
る。

これらの場合、内部要素を形成する素子の全部
に上記寿命特性を有する素子を用いてもよいが、
寿命特性の良い素子を用いるのはその一部でもか
まわない。たとえば、不平等率1.0以上の素子に
上記寿命特性の素子を用い、不平等率1.0未満の
素子としては40℃課電率70％で寿命が30年以上の
素子を用いることができる。

以上のように、電位分布が不平等であつても寿
命特性の良い電圧非直線抵抗体素子を用いれば、
避雷器に十分な寿命を持たせることができる。従
つて従来避雷器容器碍管内に設置する必要のあつ
た、コンデンサ等電位分布改善するための構成要
素を、少なくとも多段積の最下段の１単位の避雷
器では省略し、避雷器の部品点数を少なくして避
雷器の信頼性を向上することができる。またコン
デンサ等を除くことで碍管内の空間に余裕ができ
素子と碍管との間隔が広くとれるため、この空間
での気体の対流が促進されて素子の温度上昇を緩
和する利点がある。さらに、素子と碍管との間隔
を従来と同様にするとすれば容器碍管を小形化す
ることができて経済的であり、特に全段の碍管か
ら電位分布改善用構成要素を除去することにより
全碍管が小形化できれば避雷器全体の重量低減に
より地震時の発生応力が減少し、耐震強度が向上
するという利点がある。碍管の小形化による耐震
強度の向上は多段積避雷器の場合特に著しい。ま
た多段積避雷器の活線洗浄時にはそのうち１段の
単位の避雷器が短絡して一時的に他段に過電圧が
かかる場合があるが、上記寿命特性の素子を用い
ればこの過電圧の避雷器全体の寿命に対する影響
を少なくすることができる。

上記のような寿命特性を持つ電圧非直線抵抗体
素子は、γ型酸化ビスマスを含み、かつ、その濃
度が電極形成端面付近で高く中心部で低い分布を
持つ素子において実現できる。またこのような素
子は、たとえば酸化亜鉛を主成分とする焼結体の
一方又は上下端面から酸化ビスマスを拡散した後
にこの端面に電極を形成することにより、得るこ
とができる。その製法および特性は、特願昭55−
44606号に記載されている。第４図にこの素子の
構造を示す。図において、４１は酸化亜鉛系焼結
体、４２は電極形成端面、４３は電極である。酸
化ビスマスを拡散した時に焼結体内部にできるγ
型酸化ビスマス相は、電圧非直線抵抗体の長期課
電に対する安定性を向上させる効果を持つ。この
理由としては次のようなことが考えられる。

酸化亜鉛系の電圧非直線抵抗体素子の長時間課
電による特性劣化については、素子を窒素雰囲気
中で熱処理すると課電の場合と同様に特性劣化す
ること、劣化した素子を大気中または酸素雰囲気
中で熱処理すると特性がもとに戻ることなどか
ら、焼結体中の結晶粒界層中の酸素または結晶粒
子素面の吸着酸素が課電時に脱離して外界に散逸
し、この結果粒界層の静電ポテンシヤルが低下し
て漏れ電流が増加することが原因と考えられる。
これに対し、酸化ビスマスを拡散することにより
焼結体中に形成されるγ型酸化ビスマス相は体心
立方晶の構造を持ち、α型酸化ビスマス相（単斜
晶）やβ型酸化ビスマス相（正方晶）に比べてそ
の体積が大きいため、粒界の隙間を埋めて酸素の
移動を阻止する働きがある。あるいはγ型酸化ビ
スマス相中には３価のビスマスの他に一部の５価
のビスマスも含まれていると言われており、この
５価のビスマスが粒界層に存在する酸素イオンを
安定化し外界への散逸を阻止する、などの効果が
考えられる。特に、酸化ビスマスを外部から拡散
する場合には、拡散された酸化ビスマス相が結晶
粒界や気孔を充填する結果、焼結体からの酸素の
散逸を防ぐ効果が特別著しい。

また、電極形成端面４２の表面近傍でγ型酸化
ビスマス相濃度が高く、焼結体４１の中心部で低
い分布を持つことの効果は、次のように考えられ
る。

すなわち、素子の動作領域の抵抗は粒界に析出
したγ型酸化ビスマス相の含有量が多いほど低下
する傾向にある。本発明に用いる素子においては
電極形成端面４２の表面近傍でγ型酸化ビスマス
相濃度が高いため、電極形成端面近傍で発生する
熱量が内部に比べて少なくなり、当然酸素の外部
への散逸も少なく、電極形成端面近傍は特性劣化
しにくい。一方、γ型酸化ビスマス相の少ない内
部では通電時の発熱量が多いが、酸素の外部への
散逸が厚い層を通して行われるので散逸量が少な
く、特性劣化しにくい。以上の結果、電極形成端
面近傍でγ型酸化ビスマス相濃度の高い素子は通
電に対して長寿命となる。

本発明に用いるのに特に適した素子は酸化亜鉛
を主成分とし、これに少なくとも0.05〜５モル％
の酸化ビスマスを含む焼結体である。酸化ビスマ
ス含有量がこの範囲内では、Ｖ−Ｉ特性の非直線
係数を十分大きな値とすることができる。非直線
係数が大きいと一定課電率における電流が増加す
るのを避けることができ、素子の寿命特性が低下
しない。

本発明に用いられる素子は、0.01〜５モル％の
酸化ホウ素を含有することが特に望ましい。酸化
ホウ素の存在は、γ型酸化ビスマス相を含む素子
において、γ型酸化ビスマス相の安定化と非直線
係数の増加をもたらす効果がある。

本発明で特に有用な電圧非直線抵抗体には、前
記添付加物の他に、酸化マンガン、酸化アンチモ
ン、酸化コバルト、酸化クロム、酸化ニツケル、
酸化ケイ素のそれぞれを0.05〜５モル％、酸化ア
ルミニウム、酸化ガリウムのそれぞれを0.001〜
0.05モル％のうち、１種以上を添加することがで
きる。これらの添加物は、素子の非直線係数の向
上あるいは課電寿命やインパルス耐量の向上に効
果がある。

以下実施例によつて本発明を説明する。

実施例 １ ZnOにBi₂O₃0.7モル％、MnCO₃0.5モル％、
Co₂O₃1.0モル％、Cr₂O₃0.5モル％、Sb₂O₃1.0モ
ル％、NiO1.0モル％、SiO₂1.5ル％、B₂O₃0.1モル
％、Al（NO₃）₃0.005モル％を加え、焼結して得
た径66mm、厚さ20mmの円板状焼結体の両端面に、
酸化ビスマス２ｇ、エチルセルローズ0.05ｇ、ブ
チルカルビトール0.4ｇから成るペーストをほぼ
均一に塗布し、950℃で２時間熱処理した。つい
で両端面にAlを溶射して、径62mmの電極を形成
した。

得られた電圧非直線抵抗体素子の非直線係数
（電流10μＡ〜１ｍＡ）は20、平坦率（電流10kA
の時の電圧と１ｍＡの時の電圧の比）は1.8、20
℃で直流１ｍＡ時の電圧は4.3kkVであつた。

この素子を30個直列接続して避雷器内部要素を
形成した。この内部要素を碍管（内径120mm）内
に収納することにより、１単位の避雷器を形成し
た。この避雷器を多段積することにより、ギヤツ
プレス避雷器を構成することができる。

この単位避雷器を２段積にし、通常のリング状
シールドを設けてギヤツプレス避雷器を構成し
た。

第５図にこのギヤツプレス避雷器の構成を示
す。このギヤツプレス避雷器を高さ2.2ｍの架台
上に設置した場合の電位分布を近似計算により求
めた。この計算ではギヤツプレス避雷器を円柱導
体ブロツクの積層体と見なし、大地に対する漂遊
容量の分布を求めて電位分布を計算した。この計
算方法の妥当性は、実寸モデルを用いた測定との
比較により確かめられている。計算結果によれば
電圧分担の不平等率は最上部の素子で最大になり
その値は1.4であつた。

この避雷器を保護特性を考慮して系統最高電圧
220kVの系に適用した場合、常規使用電圧に対す
る課電率は、100×√２×（220／√３）／4.3×60
＝69.6（％）となる。従つて電圧分担が最大の素
子に対する課電率は、69.6×1.4＝97.4（％）であ
る。

一方本実施例で使用した電圧非直線抵抗体素子
を、温度80℃、交流（実効値）3.04kV（課電率
100％）で連続通電した時の抵抗分もれ電流の時
間変化は、第６図のようになつた。

この図に見られるように、本素子は通電時間１
万時間後の抵抗分電流が初期の1.5倍にも達して
いない。温度による特性劣化速度の加速性を考慮
すると、これは実使用状態の40℃における寿命に
して30年以上に相当する。従つてこの素子を用い
てなる本実施例のギヤツプレス避雷器は、定格電
圧210kVの避雷器として30年以上の十分な寿命を
有する。

また第７図は本実施例で使用した素子中のγ型
酸化ビスマス相濃度の分布を示す。γ型酸化ビス
マス相の分布は、素子を電極形成端面に平行に厚
さ0.5mmずつに切断し、それぞれの切片を粉末に
して、エツクス線粉末回折法によるγ型酸化ビス
マス相の回折線強度より求めた。測定は面間隔
2.71〜2.72Åの反射線を用い、ZnOの回折線強度
で規格化した。第７図には素子中心部におけるγ
型酸化ビスマス相濃度を１に規格化した時の分布
を示してある。この図に見られるように、本実施
例で使用した素子中のγ型酸化ビスマス相濃度
は、電極形成端面の表面層近傍で高く内部で低
い。

なお本実施例と同様な避雷器に従来公知の素子
を用いた場合、碍管内部にコンデンサや金属シー
ルドを設けて電位分布の均一化を図る必要があ
り、耐圧などの面から碍管の内径として175mmの
ものを用いることが必要となつた。

実施例 ２ 実施例１と同様にして得た焼結体に酸化ビスマ
スを含むペーストを塗布拡散せずに、両端面に
Alを溶射して、径62mmの電極を形成した。

得られた電圧非直線抵抗体素子の直流１ｍＡを
流すに必要な電圧は4.2kVであつた。この素子を
温度80℃、課電率100％で交流連続通電したとこ
ろ、課電時間１万時間で抵抗分電流は初期電流の
7.5倍にまで増加した。一方この素子を温度80
℃、課電率70％で交流連続通電したところ課電時
間１万時間後の抵抗分電流は初期電流の1.5倍に
達しなかつた。

この素子を30個直列接続して内部要素とし、こ
れを碍管（内径120mm）内に収納して１単位の避
雷器を形成した。この１単位の避雷器の上に実施
例１と同様にして得られた１単位の避雷器を積
み、２段積のギヤツプレス避雷器を構成した。

この時の電位分布の近似計算により、下段の30
個の素子については不平等率がすべて0.98以下、
上段の30個の素子についての不平等率は最大1.4
であることがわかつた。

この避雷器を系統最高電圧220kVの系に適用し
た場合、常規使用電圧に対する課電率は100×√
２×（220／√３）／（4.2×30＋4.3×30）＝70.4
（％）となる。従つて下段の30個の素子について
は課電率はすべて70％以下、上段の30個の素子に
ついては課電率はすべて100％以下となる。

本実施例のギヤツプレス避雷器は、電位分布改
善のための要素を碍管内部に設けずに、定格電圧
210kVの避雷器として30年以上の寿命を有する。

実施例 ３ 実施例１と同様にして得られた、焼結後酸化ビ
スマスを含むペーストを塗布拡散して電極を形成
した素子を、40個直列接続して避雷器内部要素を
形成した。

この内部要素を碍管内に収納して得られる１単
位の避雷器を２段積にしてギヤツプレス避雷器を
構成した場合、近似計算により電圧分担の不平等
率は最高1.9となる。従つて不平等率を1.4程度ま
で下げるために、電位分布改善のための構成要素
が必要である。

素子を40個直列接続した上記内部要素を、碍管
（内径175mm）内に収納して１単位の避雷器を形成
した。また、同様の内部要素とこれに並列接続し
た補償用のコンデンサを碍管（内径175mm）内に
収納して、別の１単位の避雷器を形成した。次い
でこれらを、コンデンサを含まない単位の避雷器
が下段に、コンデンサを含む単位の避雷器が上段
になるように２段積し、通常のリング状シールド
を設けて、ギヤツプレス避雷器を構成した。第８
図にこのギヤツプレス避雷器の構造を示す。この
ギヤツプレス避雷器を高さ2.2ｍの架台上に設置
した時の電圧分担の不平等率は最高1.4である。
これは上段の単位の避雷器碍管内に所要の容量の
並列コンデンサを設けたことにより、実現可能で
あつた。

このギヤツプレス避雷器を系統最高電圧275kV
の系に適用した場合、常規使用電圧に対する課電
率は100×√２×（275／√３）／4.3×80＝65.3
（％）となる。従つて電圧分担が最大の素子に対
する課電率は65.3×1.4＝91.4（％）である。よつ
て前記の素子の寿命特性より、本実施例のギヤツ
プレス避雷器は定格電圧266kVの避雷器として30
年以上の寿命を有することがわかる。

以上説明してきたように、本発明によれば寿命
特性を満足した上、従来より部品点数の少ない、
あるいは小形の多段積ギヤツプレス避雷器を得る
ことができ、ギヤツプレス避雷器の低価格化、小
形軽量化及び信頼性向上の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はギヤツプレス避雷器をコンデンサによ
るモデルで表わした図、第２図は避雷器の電位分
布を示す図、第３図は電圧分担の不平等率を示す
図、第４図は電圧非直線抵抗体素子の構造を示す
断面図、第５図と第８図は本発明の実施例で得ら
れた２段積ギヤツプレス避雷器の構造を示す図、
第６図と第７図は本発明の実施例で用いた素子の
特性を示す特性曲線図である。 １……電圧非直線抵抗体素子の容量、２……漂
遊容量、４１……酸化亜鉛系焼結体、４２……電
極形成端面、４３……電極、５１……酸化亜鉛系
電圧非直線抵抗体素子、５２……碍管、５３……
シールド、８１……並列コンデンサ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 酸化亜鉛を主成分とする電圧非直線抵抗体素
   子を複数個直列接続して形成される内部要素を中
   空碍管内に収納してなる避雷器を１単位としてこ
   れを２段以上積層した多段積ギヤツプレス避雷器
   において、内部要素を形成する前記素子の全部ま
   たは一部が周囲温度40℃、課電率100％で30年以
   上の寿命を有する素子から成り、かつ少なくとも
   最下段の１単位の避雷器の非直線抵抗体群の電位
   分布がその単位避雷器の電位分布を改善するため
   の構成要素を設けないときの電位分布に相当する
   大きさを有することを特徴とするギヤツプレス避
   雷器。 ２ 特許請求の範囲第１項において、すべての中
   空碍管内に電位分布改善用の上記構成要素を設け
   ないことを特徴とするギヤツプレス避雷器。 ３ 特許請求の範囲第１項または第２項におい
   て、上記素子として、電極形成端面の表面層近傍
   におけるγ型酸化ビスマス相濃度が他の部分より
   も高い素子を用いることを特徴とするギヤツプレ
   ス避雷器。 ４ 特許請求の範囲第１項、第２項または第３項
   において、上記素子として、電極形成端面から酸
   化ビスマスを拡散した素子を用いることを特徴と
   するギヤツプレス避雷器。