JPS5893201A - 避雷器およびその製法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は避雷器およびその製法に関する。

近年、炭化珪素を主体とした特性要素に直列ギャップを
付加したギャッ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
ギャップを省略したキャップレス避雷器に、避雷器の主
流が移っている。このギャップレス避雷器はギャップ付
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。また、酸化亜鉛素子の一部
に並列にギャップを付けたイ則路ギャップ付避雷器も実
用化されている。

この反面、素子に直列に放電ギャッ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、避雷器使用上、素
子の寿命が問題となる。すなわち従来の酸化亜鉛系゛電
圧非直線抵抗体はサージ吸収あるいは長時間の定電圧課
電によって特性の劣化が起り、漏れ電流が徐々に増加し
てついには熱暴走に至るという問題があったため、これ
を用いたギャップレス避雷器や側路キャップ付避雷器は
長時間の使用によってサージ処理能力が低下し、やがて
暴走してしまうという欠点があった。また素子の寿命と
いう面から、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必要があった。

本発明の目的は、従来よりも寿命特性の良い避雷器およ
びその製法を提供することにある。

即ち、本発明は、酸化亜鉛を主成分とする電圧非直線抵
抗体素子より構成される内部要素全避雷器容器内に収納
した避雷器において、内部要素全形成する前記素子の全
部筐たは一部として少なくとも一方の゛−極影形成主面
表面層近傍におけるγ型酸化ビスマス相濃度が当該素子
の中心部分の当該濃度よりも高い素子を使用して成るこ
とを特徴５・１１ とする避雷器並びに酸化亜鉛を主体とし、少なくとも酸
化ホウ素を添加物として含有する焼結体を用慧する工程
、該焼結体の少なくとも一方の主面から酸化ビスを拡散
する工程、該焼結体の主面に電極を設ける工程、該焼結
体を避雷器容器内に収納する工程から成ることを特徴と
する避雷器の製法に存する。

本発明の避雷器は、内部要素を形成する酸化亜鉛系電圧
非直線抵抗体素子として、γ型酸化ビスマスを含み、か
つその濃度が少なくとも一方の電極形成主面付近で高く
中心部に向って厚さ方向に低くなっていく分布を持つ素
子を用いることを特徴とする。また本発明は、酸化亜鉛
を主成分とする焼結体の上下主面のうち片面または両面
から酸化ビスマスを拡散することにより前記濃度分布の
γ型酸化ビスマス相を形成した素子を避雷器に用いるこ
とを特徴とする。さらに本発明は、これらの素子を用い
た避雷器の避雷器容器内に、電位分布を改善するための
構成要素を設けないことを特徴とする。なお、本発明の
避雷器はギャップレス避雷器または側路ギャップ付避雷
器であることが特に望ましい。次に、本発明を図面を用
いて説明する。

第１図は、本発明避雷器に用いる素子の断面を示す略図
である。本発明では酸化ビスマスを含む酸化亜鉛系焼結
体１の電極２が形成されている主面１１のうち、上下い
ずれかあるいは上下両方の主面近傍におけるγ型戯化ビ
スマス相の濃度が焼結体中心部よりも高い。この焼結体
中のｒ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ャルが低下して
漏れ１４１Ｍが増加することが原因と考えられる。これ
に対し、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型酸化ヒスマス相中には３価のビ
スマスノ他ニ一部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。

また主面１１の近傍でγ型酸化ビスマス相濃度が高いこ
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主面１１の近傍で抵抗
が低いため、通電時にここで発止する熱針が内部に比べ
て少なく、轟然酸素の外部への散逸も少なくなり主面の
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、電極形成主面近傍で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。上下両主面の近傍でγ型酸化ビスマス相濃度が高い
場合、その効果が著しい。

上記のような電極形成主面でγ型酸化ビスマス相濃度の
高い素子は、酸化ビスマスを含む拡散剤を焼結体の主面
の一方または両方に付着または塗布し、これを熱処理に
よって拡散すると同時にｒ相に相変化させることにより
、得ることができる。

このようにして得られた主面近傍でｒ型酸化ビスマス相
濃度の高い素子を用いることにより、従来よりも寿命特
性の優れたキャップレス避雷器および側路ギャップ付避
雷器を構成することができる。また、上記素子は従来の
素子よ・、りも高電界で使用可能なため、構成要素とし
て用いる素子数が少なくでき、避雷器が小型、軽量とな
り、耐震性も向上するという利点がある。

なお本発明に用いられる素子は酸化亜鉛を主成分とし、
これに少なくとも０．０５〜５モルチの酸化ビスマスを
含む焼結体である。酸化ビスマス含有量がこの範囲外で
は、Ｖ−Ｉ特性の非直線係数が十分大きな値とはならな
い。非直線係数の低下は一定課電率における電流の増加
を招き、素子の商品特性を低下させるため好ましくない
。

また本発明に用いられる素子は、０．０１〜５モルチの
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、ｒ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。酸化ホウ素量がこの範囲より少ないとその
効果が不十分となり、逆に多いと非直線係数が低下して
短寿命となる。

本発明に用いられる電圧非直線抵抗体には、前記添加物
の他に、酸化４ンガン、酸化アンチモン、酸化コバルト
、酸化クロム、酸化ニッケル、酸化ケイ素のそれぞれを
０，０５〜５モルチ、酸化アルミニウム、酸化ガリウム
のそれぞれを０．００１〜０．０５モルチのうち、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。

次に、本発明によれば避雷器の電位分布を改善するため
に避雷器容器内に設ける構成要素を省略することができ
る。通常避雷器では高さ方向に連続して漂遊容量が存在
するため、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って、一部の
素子が大きな電圧を分担することになる。一般には上部
の素子はど電圧分担が大きくなる。従来のギャップレス
避雷器や側路ギャップ付避雷器では、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、避雷器容器内に補償用のコン
デンサ等を設け、素子の各々に均等な電圧がかかるよう
に電位分布を改善していた。

しかし本発明の避雷器では素子の寿命特性が良いため、
一部の素子にある程度大きな′電圧がかか（９）　　　
　　　　　　　　　　　〜つていても避雷器に十分な寿
命を持たせることができる。従って避雷器の電位分布を
改善するために必要な構成要素を省略することが可能で
ある。

これにより避雷器の部品点数が少なくてすみ、小形化も
可能であり、経済的、信頼性が向上する等の利点がある
。

なおこの点から明らかなように、内部要素を形成する素
子の全部に上記の寿命特性の良い素子を用いても良いが
、一部に用いてもかまわない。たとえば電圧分担が均等
分布の場合に比べて大きい素子に上記の寿命特性の良い
素子を用い、他は従来の素子を用いても、従来より寿命
特性の優れた避雷器を構成することができる。

以下実施例によって本発明を説明する。

実施例　ｌ Ｚｎ０１ＣＢｉ２０３Ｑ、７モル％、Ｍｎ　ＣＯ３０，
５モルＬ　００２０３１．０モ／ｌ／％、　Ｃｒ２０３
０，５モル％、５ｂ２０３１．０モル敷Ｎｉ０１．０モ
ルチ、５ｉｎ２１．５モル勲　）３２ｏ３０．１モル敷
Ａｚ（ＮＯ３）３０．００５モルチを加え、焼結して得
た径６０ｍｍｓ（１０） 厚さ２０能の円板状焼結体の両生面に、酸化ビスマス２
ｇ、エチルセルロースＱ、　０５　ｇ、　フｆ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′Ｃで２時間熱処理した。次いで両生面にＡ／を
溶射して径５６ｍｍ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１０
μＡ　〜１ｍＡ）は２４、平担率（電流１０ｋ　Ａの時
の電圧と１ｍＡの時の電圧の比）は１、７２０　’ｃで
直流１ｍＡ時の電圧は４．６ｋＶであった。

この素子を３５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１２０■）内に収納し、
外部に通常のシールドを設けてギャップレス避雷器を構
成した。第３図にこのギャップレス避雷器の構造を示す
。第３図中３０が避雷器、３１が内部要素、３２が碍管
、３３がシールドである。　　　　　　　　　　［。

本実施例で使用した電圧非直線抵抗体素子を温度８０′
ｃ、交流（実効値）３．０４ｋＶ（課電率１００％）で
連続通電した時の抵抗分漏れ電流の（１１） 時間変化は第４図のようになった。ここで課電率とは、
印加交流電圧ピーク値の２０　’ｃ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。

第４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
による特性劣化の加速性を考慮すると、これは実１更用
状態の４０′Ｃにおける寿命にして、３０年以上に相当
する。

一方本実施例のギャップレス避雷器の電位分布を近似計
算により求めたところ、電圧分担は最上部の素子で最大
になり、その太きさは均等分布の場合の１．３倍であっ
た。従って本実施例のギャップレス避雷器を保護特性を
考慮して系統最高電圧１１０１ｃ　’Ｖの系に適用した
場合、常規使用電圧に対する課電率は１００Ｘ４２Ｘ（
１１０／Ｍ丁）／４．６Ｘ３５＝５５．８　（％）とな
る。よって電圧分担が最大の素子に的する課電率は５５
．８ｘ１．３−７２．５（％）である。上記の素子の寿
命特性より、本実施例のギャップレス避雷器は定格電圧
１１２ｋＶの避雷器として十分な寿命を有するこ（１２
） とがわかる。

また第５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。ｒ型酸化ビスマス相の分布は
、素子を電極形成主面に平行に厚さ０．５咽ずつに切断
し、それぞれの切片を粉末にして、エックス線粉末回折
法によるγ型酸化ビスマスを利の回折線強度より求めた
。測定には面間隔２□７１〜２．７２　Ａの反射線を用
い、ＺｎＯの回折線強度で規格化した。第５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
た時の分布を示しである。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、
電極形成主面の表面層近傍で高く内部で低い。

実施例　２ 実施例１と同様にして得た焼結体の主面のうち片面より
酸化ビスマスを含むペーストラ塗布拡散し、両生面にＡ
／を溶射して径５６能の電極を形成した。得られた電圧
非直線抵抗体素子の直流１ｍＡ１流すに必要な電圧は４
．３ｋＶであった。こ（１３）　　　　　　　　　　　
　　。

の素子を温度８０’ｃ、課電率１００係で交流連続通電
したところ、抵抗分電流の増加は実施例１で用いた素子
の場合よりもやや多かったが、やはり通電時間１万時間
でも初期電流の１．５倍に達しなかった。

また、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、両生面にＡＩを溶射
して径５６胡の電極を形成した。

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であった。この素子を温度８０’
ｃ、課電率１００％で交流連続通電したところ、通電時
間１０００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’ｃ、課電率７０
％で交流連続通電したところ、通電時間１万時間後の抵
抗分電流は初期電流の１．５倍に達しなかった。

これら２種の素子のうち、酸化ビスマスを拡散しなかっ
た素子を３０個積層した上に、酸化ビスマスを片面から
拡散した素子を３０個積層して、避雷器内部要素としギ
ャップレス避雷器を構成しく１４） た。

この時の電位分布の近似計算により、下の３０個の素子
については電位分担は均等分布の場合の最大０９８倍、
上の３０個の素子については最大１．４倍であることが
わかった。

このギャップレス避雷器を系統最高電圧２２０ｋ　Ｖの
系に適用した場合、常規使用電圧に対する課電率は１０
０ｘＪ７ｘ　（２２ｏ／、ｒ丁）／（４，２Ｘ３０＋４
．３Ｘ３０）＝７０．４　（％）となる。従って下の３
０個の素子については課電率はすべて７０％（７０，４
ｘＯ，９８）以下、上の３０個の素子については課電率
はすべて１００チ（７０，４Ｘ　１．４　）以下となる
。前記のそれぞれの素子の寿命特性より、本実施例のギ
ャップレス避雷器は、定格電圧２１０１ｃ　Ｖの避雷器
として３０年以上の十分な寿命を有することがわかる。

なおこの場合、酸化ビスマスを拡散しない素子だけを６
０個積層してギャップレス避雷器を構成したとすると、
電位分担の大きな素子の特性劣化が政しくなり、避雷器
に十分な寿命を持たせるこ（１５） とができないのは明らかである。

また本実施例で使用した片方の電極形成主面から酸化ビ
スマスを拡散した素子中のγ型酸化ビスマス相濃度の分
布を実施例１の場合と同様にしてＸ線粉末回折法で調べ
たところ、γ型酸化ビスマス相濃度は拡散を施した電極
形成主面の表面層近傍で最も高く、厚さ方向に行くに従
って次第に低くなる分布を持つことがわかった。

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
含むペーストを上下両主面に塗布拡散して電極を形成し
た素子を、５０個直列接続した避雷器内部要素と、補償
用の並列コンデンサと、側路ギャップとを碍管内に収納
して、側路キャップ付避雷器を構成した。第６図にこの
避雷器の構造を示す。第６図中６１が側路ギャップであ
る。

この避雷器を系統ｉ高電圧２７５　ｋ　Ｖの系に適用し
た場合、常規使用電圧に対する課電率は１００ｘ　ｆＥ
　ｘ　（２７５／　、１丁）　／　４．６　ｘ　５０　
＝　９７．６（％）となる。補償用コンデンサにより電
位分布（１６） は均等となっており、各素子に対する課電率が１００％
以下となるので、前記の素子の寿命特性より本実施例の
避雷器は定格電圧２６６　ｋ　Ｖの避雷器として３０年
以上の寿命を有する。

なお、従来の素子を用いて避雷器に同様の寿命を持たせ
ようとした場合には、課電率を７０係以下に抑える必要
があり、そのためには上記の約１０／７以上の個数の素
子が必要となる。すなわち、本実施例の避雷器では必要
とする素子の個数が従来の約７０％に少なくなっている
。また、素子の個数が従来の約７０チであるため、サー
ジが入った時の避雷器の保護レベルが従来の素子を用い
た場合の約７０％に下がり、保護性能が向上している。

従って系統機器の耐圧設計もそれだけ楽になる。

以上説明してきたように、本発明によれば従来の避雷器
に比べて素子の特性劣化を少なくすることができるので
、キャップレス避雷器や側路ギャップ付避雷器の寿命特
性を向上させる効果がある。

【図面の簡単な説明】

（１７）＋ 第１図は電圧非直線抵抗体素子の構造を示す断面図、第
２図は避雷器の電位分布を示す図、第３図および第６図
は本発明の実施例で得られた避雷器の構造を示す図、第
４図と第５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・・・酸化亜鉛系焼結体、２・・・電極、１１・・・
電極形成主面、３１・・・酸化亜鉛系電圧非直線抵抗体
素子（内部要素）、３２・・・碍管、３３・・・シール
ド、（１８） 第　１　図 ２　　　　ＩＩ 吊２　図 高さくイト高１ニナ十する客弓＠−） 第３区 ￥　４　困 ６− 弔　６　図 ０ ）

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よ
   り構成される内部要素を避雷器容器内に収納した避雷器
   において、内部要素を形成する前記素子の全部または一
   部として少なくとも一方の電極形成主面の表面層近傍に
   おけるγ型酸化ビスマス相濃度が当該素子の中心部分の
   当該濃度よりも高い素子を１吏用して成ることを特徴と
   する避雷器。 ２、特許請求の範囲第１項において、上記素子が酸化亜
   鉛を主成分とする焼結体の上下主面のうち片面または両
   面から酸化ビスマスを拡散することにより前記濃度分布
   のγ型酸化ビスマス相を形成し次いで上下主面に電極を
   形成した素子であることを特徴とする避雷器。 ３、酸化亜鉛を主体とし、少なくとも酸化ホウ素を添加
   物として含有する焼結体を用意する工程、該焼結体の少
   なくとも一方の主面から酸化ビスを拡散する工程、該焼
   結体の主面に電＠を設ける工程、該焼結体を避雷器容器
   内に収納する工程から成ることを特徴とする避雷器の製
   法。