JPH048922B2

JPH048922B2 -

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Publication number: JPH048922B2
Application number: JP63168746A
Authority: JP
Priority date: 1988-07-08
Filing date: 1988-07-08
Publication date: 1992-02-18
Also published as: JPS6433875A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕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。

〔従来の技術〕

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，耐汚染特性
が良い，急峻波応答性が良い，多重雷に強い、な
どの優れた特徴と有する。

〔発明が解決しようとする課題〕

このようなギヤツプレス避雷器の場合、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２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２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２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３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４図に示した。第４図の
縦軸の不平等率は、第３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。従来の避雷器では、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
器全体の寿命が短くなるのを防ぐために、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、あるいはさらに容器を小形化することも可能
な、高信頼性のギヤツプレス避雷器を提供するこ
とにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、多段積重ねされる酸化亜鉛を主成
分とする電圧非直線抵抗体素子の表面近傍に内部
よりも高いγ型酸化ビスマスを多く含む素子を用
いることにより達成される。

γ型酸化ビスマスを表面近傍に多く含む素子
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５図はこの素子の
構造を示す。図において、４１は酸化亜鉛焼結
体、４２は電極形成端面、４３は電極である。

〔作用〕

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表
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〓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、上記の製法で得られる素子は、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
高く、焼結体４１の中心部で低い分布を持つ。特
にこの分布による効果は、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る焼結体である。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。

こうして得られる素子は、40℃課電率100％で
30年以上の寿命を有する。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。

この素子を用いることにより、部品点数が少な
く、碍管を小形化することも可能な、高信頼性の
ギヤツプレス避雷器を得ることができる。

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、補償用のコンデンサを用いなくても
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
度になる可能性があるが、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程度にまで改
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、この時
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、
低圧端子側の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。更に、全体にコンデンサを
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γ型酸化ビスマスを多く
含む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。すなわち電圧端子側に上記素子を用い
ることで、目的は達せられる。

以上のように、電位分布が不平等であつても、
電圧端子側にγ型酸化ビスマスを多く含む素子を
用いれば、避雷器に十分な寿命を持たせることが
できる。従つて従来避雷器葉器碍管内に設置する
必要があつた。コンデンサ等電位分布改善のため
の構成要素を、避雷器の部品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、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。

本発明のギヤツプレス避雷器は、単独でもある
いは他の酸化亜鉛避雷器と組合せても用いること
ができる。

〔実施例〕

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モル％，B₂O₃0.1モ
ル％，Al（NO₃）0.005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
チルカルブトール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4.3kV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。

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。測定には面間間
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
例では使用した素子中の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。全体として、酸化ビスマスを拡散しない素子
に比べて多くのγ型酸化ビスマスを含む。

上述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。この素子
は、前述の素子に比べてγ型酸化ビスマスの含有
量が少ない。

得られた電圧非直線抵抗素子の直流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。

このギヤツプレス避雷器を高さ2.2mの架台上
に設置し、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この時の電
位分布を近似計算した結果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
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。

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。

〔発明の効果〕

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２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３図は避雷器の電位分布を示す
図、第４図は電圧分担の不平等率を示す図、第５
図は電圧非直線抵抗体素子の構造を示す断面図、
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

【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
子を多段積層ね１個の容器に収容した避雷器にお
いて、該電圧非直線抵抗体素子がその表面近傍
に、内部よりも高濃度のγ型酸化ビスマスを含有
することを特徴とするギヤツプレス避雷器。２前記素子は温度40℃，課電率100％で30年以
上の寿命を有する特許請求の範囲第１項に記載の
ギヤツプレス避雷器。