JP2013247160A - 避雷器 - Google Patents

Abstract

【課題】雷インパルス耐電圧試験時の絶縁容器のフラッシュオーバーを抑制し、避雷器の信頼性を高める。
【解決手段】避雷器は、複数個直列に積層された酸化亜鉛を主成分とする非線形抵抗素子１と、積層された非線形抵抗素子１の両端部に配置された一対の電極端子２と、非線形抵抗素子１の外周に沿って配置され一対の電極端子２を連結する絶縁支持物３１と、を含む内部要素を絶縁容器４内に収納して構成される。絶縁支持物３１は、電気抵抗が非線形な特性を持つ粉末を絶縁材料に充填して構成される。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電力系統に接続され過電圧から電気機器を保護する避雷器に関する。

避雷器は、電力系統において雷サージや開閉サージ等の過電圧が発生した場合に、系統の施設や機器の絶縁を過電圧から保護するものである。避雷器は一般的に、絶縁容器の内部に酸化亜鉛を主成分とする非線形抵抗素子を複数個直列に積層して収容し、両端に電極端子を固定した構造となっている。

この非線形抵抗素子は正常な電圧下においては絶縁特性を示す。しかし、電力系統に落雷等によって過電圧が発生し、電圧の大きさが所定値を越えると導電性を示すものである。そのため、過電圧が発生した場合には、避雷器を通して放電電流が流れて、過電圧が制限される。そして、電圧が正常状態に復帰すると直ちに放電が停止し、元の絶縁状態に戻る。

ところで、避雷器の絶縁容器は、耐電圧規格に基づいた電圧に耐えられる耐電圧性能を備える必要がある。そのため、絶縁容器の内部から非線形抵抗素子を取り外して雷インパルス耐電圧試験が実施され、絶縁容器には耐電圧試験相当の過電圧が印加される。

しかしながら、非線形抵抗素子が無い状態では、高圧側の電極端子の角部に電界が集中し、絶縁容器内面の電界強度が高くなり絶縁破壊やフラッシュオーバーを引き起こす可能性がある。そのため、絶縁容器は絶縁寸法に余裕を持たせ、雷インパルス耐電圧試験時に必要とされる耐電圧性能が確保できるようにしていた。

特開2001-291606号公報 特開2004-165355号公報

近年、他の電気機器と同様に、避雷器にもコンパクト化が要求されている。避雷器をコンパクト化するためには、絶縁容器や電極端子も縮小化を免れず、必要とされる絶縁寸法を確保することが難しくなる。この場合、非線形抵抗素子の無い状態で雷インパルス耐電圧試験を行うと、電極端子の角部に電界が集中して、耐電圧より低い電圧でフラッシュオーバーを引き起こし、必要とされる耐電圧性能を維持できない問題が生じる。

この場合、絶縁容器の内部に非線形抵抗材料を塗布して電界集中を緩和させる方法もあるが、非線形抵抗材料を均一に塗布することは難しく、コンパクト化した避雷器において十分な耐電圧性能を容易に得ることができなかった。

本実施形態は、上述のような問題を鑑みてなされたものである。すなわち、コンパクト化した避雷器においても、雷インパルス耐電圧試験時に電極角部への電界集中によるフラッシュオーバーを抑制し、絶縁容器の耐電圧性能を正常に試験し、信頼性の高い避雷器を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本実施形態の避雷器は、複数個直列に積層された酸化亜鉛を主成分とする非線形抵抗素子と、積層された非線形抵抗素子の両端部に配置された一対の電極端子と、非線形抵抗素子の外周に沿って配置され一対の電極端子を連結する絶縁支持物と、を含む内部要素を絶縁容器内に収納して構成される。絶縁支持物は、電気抵抗が非線形な特性を持つ粉末を絶縁材料に充填して構成される。

第１の実施形態に係る避雷器の構成を示す断面図である。 第１の実施形態に係る避雷器の固定ユニットの構成を示す斜視図である。 絶縁支持物の側面図である。 絶縁支持物の両端に金属ネジが差し込まれた状態を示す側面図である。 絶縁支持物の導電率と電界関係を示すグラフである。 （ａ）は従来例における避雷器の電極端子角部の等電位線図であり、（ｂ）は第１の実施形態に係る避雷器の電極端子角部の等電位線図である。 第２の実施形態に係る避雷器の絶縁支持物の側面図であり、（ａ）は絶縁支持物の周面全体に非線形抵抗材料を充填した樹脂がコーティングされた状態を示し、（ｂ）は端部付近にのみコーティングされた状態を示す。 図７（ａ）の絶縁支持物の両端に金属ネジが差し込まれた状態を示す側面図である。

以下、避雷器の実施形態について添付図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
（構成）
図１に示すように、本実施形態に係る避雷器は、筒状の絶縁容器４に内部要素が収納されている。内部要素として、酸化亜鉛を主成分とする非線形抵抗素子１が複数個直列に積層されている。この非線形抵抗素子１の積層体の両端部には一対の電極端子２が配置されている。一対の電極端子２は、具体的には、上側の高圧側電極端子２ａと、下側の接地側電極端子２ｂである。一対の電極端子２は、固定ユニット３を介して非線形抵抗素子１の積層体に固定されている。

固定ユニット３は、図２に示すように、一対の円板状の導電板３２，３３と、これらを連結して支持する複数の柱状の絶縁支持物３１とから構成される。上側の導電板３２は高圧側電極端子２ａと非線形抵抗素子１の積層体の上端の間に配置され、双方に固定されている。下側の導電板３３は、接地側電極端子２ｂと非線形抵抗素子１の積層体の下端の間に配置され、双方に固定されている。

絶縁支持物３１は、図３に示すように、絶縁材料に電気抵抗が非線形な特性を持つ粉末を充填した非線形抵抗材料により構成される。電気抵抗が非線形な特性を持つ粉末としては、例えば、酸化亜鉛や炭化珪素が挙げられる。絶縁材料は、ポリエチレンやポリブタジエン等の樹脂又は繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）が挙げられる。

図４に示すように、絶縁支持物３１の両端には金属ネジ３４が差し込まれている。この金属ネジ３４を導電板３２，３３に設けられた固定金具に接続することにより、固定ユニット３が組み立てられる。

絶縁支持物３１を構成する非線形抵抗材料は、低電界においては絶縁性を示すが、一定以上の電界になると導電率が急激に上昇して、導体と近い導電率になる。この非線形抵抗材料により構成された絶縁支持物３１の導電率特性を、図５のグラフに示す。印加電圧によって絶縁支持物３１に発生する電界が図中の電界Ｅ１より低い場合は、導電率は１Ｅ−１３程度に保たれ、絶縁性を示している。電界Ｅ１になると、導電率が急激に上昇して、その後は導電率１Ｅ−１という導体に近い導電率を保ち続ける。この導電率が急激に上昇する電界Ｅ１を発生させる電圧を、動作開始電圧という。

絶縁支持物３１の動作開始電圧は、電気抵抗が非線形な特性を持つ粉末の充填量によって変化する。本実施形態において、絶縁支持物３１の動作開始電圧が絶縁容器４のフラッシュオーバー電圧よりも低くなるように充填量が決定される。

（作用）
本実施形態の避雷器は、次のように作用する。雷インパルス耐電圧試験は、上述したように絶縁容器４の内部に非線形抵抗素子１が無い状態で行われる。従来の避雷器においては、避雷器に電圧が印加されると、高圧側電極端子２ａの角部２１に電界が集中するため、図６（ａ）に示すように角部２１付近の等電位線が密となっている。この角部２１への電界の集中により、絶縁容器４はフラッシュオーバーを引き起こしやすくなり、必要とされる耐電圧性能を維持できなくなる。

ここで、本実施形態の避雷器においては、絶縁支持物３１は、低電界においては絶縁性を示すが、動作開始電圧を超えると導電性を示すものである。そして動作開始電圧は絶縁容器４のフラッシュオーバー電圧よりも低くなるように設定されている。したがって、絶縁支持物３１は絶縁容器４がフラッシュオーバーに達する前に導電性となり、高圧側電極端子２ａの角部２１に集中していた電界は、柱状の絶縁支持物３１に沿って避雷器の内部へ拡散される。すなわち、図６（ｂ）に示すように、角部２１付近の等電位線８は疎に分布することとなる。これによって、絶縁容器４のフラッシュオーバーが抑制される。

（効果）
（１）以上詳述したように、本実施形態の避雷器は、複数個直列に積層された酸化亜鉛を主成分とする非線形抵抗素子１と、積層された非線形抵抗素子１の両端部に配置された一対の電極端子２と、非線形抵抗素子１の外周に沿って配置され一対の電極端子２を連結する絶縁支持物３１と、を含む内部要素を絶縁容器４内に収納して構成される。絶縁支持物３１は、電気抵抗が非線形な特性を持つ粉末を絶縁材料に充填して構成される。

このように、絶縁支持物３１を非線形抵抗材料で構成することによって、非線形抵抗素子１が無い状態で行われる雷インパルス耐電圧試験において、過電圧印加時に角部２１の電界を緩和し、電界をより均一に分布させることができる。これによって、絶縁容器４のフラッシュオーバーを抑制し、絶縁容器４の耐電圧性能を正常に試験することができる。このため、コンパクトで信頼性の高い避雷器を提供することができる。

（２）さらに、絶縁支持物３１は、その動作開始電圧が絶縁容器４のフラッシュオーバー電圧より低くなるように構成されている。そのため、電極端子２の角部２１に電界が集中し絶縁容器４にフラッシュオーバーが発生する前に絶縁支持物３１が導電性となるため、確実にフラッシュオーバーを抑制することができる。

（３）また、一対の電極端子２は、それぞれ導電板３２，３３を介して非線形抵抗素子１の両端部に固定される。絶縁支持物３１は、その両端に金属ネジ３４が差し込まれ、この金属ネジ３４を介して一対の導電板３２，３３に連結されている。このような構成によって、絶縁材料のみから構成された絶縁支持物を備えた従来の避雷器に対しても、本実施形態の非線形抵抗材料で構成される絶縁支持物３１に取り換えることで、本実施形態の避雷器を容易に提供することができる。

（第２の実施形態）
（構成）
次に第２の実施形態について、図７及び図８を参照して説明する。
なお、この第２の実施形態では、前述の第１実施形態とは異なる点のみを説明し、前述の第１の実施形態と同じ部分については同じ符号を付して詳細な説明は省略する。

第１の実施形態では、絶縁支持物３１を、電気抵抗が非線形な特性を持つ粉末を絶縁材料に充填して構成していた。本実施形態では、絶縁支持物３５は樹脂又は繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）等の絶縁材料で構成される。そして絶縁支持物３５の周面には、図７に示すように、電気抵抗が非線形な特性を持つ粉末を樹脂に充填して作製された、非線形抵抗樹脂３６が被覆されている。電気抵抗が非線形な特性を持つ粉末は、第１の実施形態と同様に、酸化亜鉛や炭化珪素が挙げられる。粉末の充填量は、絶縁支持物３５の動作開始電圧が絶縁容器４のフラッシュオーバー電圧よりも低くなるように決定される。

非線形抵抗樹脂３６が被覆された絶縁支持物３５は、第１の実施形態の絶縁支持物３１と同様に作用する。すなわち、絶縁支持物３５は低電界においては絶縁性を示すが、絶縁容器４がフラッシュオーバーに達する前に導電性を示し、高圧側電極端子２の角部２１に集中していた電界は、絶縁支持物３５に沿って避雷器の内部へ拡散される。

このように、絶縁支持物３５は従来通り絶縁材料で構成し、周面のみを非線形抵抗材料で被覆した構成とすることで、材料コストを削減することができる。さらには既設の絶縁材料のみからなる絶縁支持物についても、非線形抵抗樹脂３６を被覆することで同様の効果を得ることができる。

非線形抵抗樹脂３６を被覆する範囲については、図７（ａ）に示すように、絶縁支持物３５の全面を被覆するか、あるいは図７（ｂ）に示すように上側端部付近、すなわち高圧側電極端子２ａ近傍のみを覆うようにしても良い。

全面を被覆するようにすれば、避雷器内部全体に、より均一に電界を分布させることができる。図７（ｂ）のように電極端子付近のみを覆うようにすれば、角部の電界をピンポイントで緩和させることができ、コストも削減できる。

なお、第１の実施形態と同様に絶縁支持物の端部には金属ネジ３４が差し込まれているが、その連結方法としては、まず金属ネジ３４をこの絶縁支持物３５の両端に差し込み、その後に絶縁支持物３５の周面から金属ネジ３４の一部に掛けて非線形抵抗樹脂３６を被覆する。これによって、金属ネジ３４と絶縁支持物３５とが非線形抵抗樹脂３６により隙間なく連結され、隙間の発生による電界の集中の可能性を低減することができる。

本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１ 非線形抵抗素子
２ 電極端子
２ａ 高圧側電極端子
２ｂ 接地側電極端子
２１ 角部
３ 固定ユニット
４ 絶縁容器
８ 等電位線
３１，３５ 絶縁支持物
３２，３３ 導電板
３４ 金属ネジ
３６ 非線形抵抗樹脂

Claims (8)

1. 複数個直列に積層された酸化亜鉛を主成分とする非線形抵抗素子と、前記積層された非線形抵抗素子の両端部に配置された一対の電極端子と、前記非線形抵抗素子の外周に沿って配置され前記一対の電極端子を連結する絶縁支持物と、を含む内部要素を絶縁容器内に収納して構成される避雷器であって、
   前記絶縁支持物は、電気抵抗が非線形な特性を持つ粉末を絶縁材料に充填して構成されることを特徴とする避雷器。
2. 前記絶縁支持物は、動作開始電圧が前記絶縁容器のフラッシュオーバー電圧より低くなるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の避雷器。
3. 前記一対の電極端子は、それぞれ導電板を介して前記非線形抵抗素子の両端部に固定され、前記絶縁支持物はその両端に差し込まれた金属ネジを介して、前記導電板に連結されていることを特徴とする請求項１又は２記載の避雷器。
4. 複数個直列に積層された酸化亜鉛を主成分とする非線形抵抗素子と、前記積層された非線形抵抗素子の両端部に配置された一対の電極端子と、前記非線形抵抗素子の外周に沿って配置され前記一対の電極端子を連結する絶縁支持物と、を含む内部要素を絶縁容器内に収納して構成される避雷器であって、
   前記絶縁支持物は絶縁材料で構成され、その周面に、電気抵抗が非線形な特性を持つ粉末を樹脂に充填してなる非線形抵抗樹脂が被覆されていることを特徴とする避雷器。
5. 前記非線形抵抗樹脂が被覆された前記絶縁支持物は、動作開始電圧が前記絶縁容器のフラッシュオーバー電圧より低くなるように構成されていることを特徴とする請求項４記載の避雷器。
6. 前記非線形抵抗樹脂は、前記絶縁支持物の外周の全面に被覆されていることを特徴とする請求項４又は５記載の避雷器。
7. 前記非線形抵抗樹脂は、前記絶縁支持物の外周の電極端子付近にのみ被覆されていることを特徴とする請求項４又は５記載の避雷器。
8. 前記一対の電極端子は、それぞれ導電板を介して前記非線形抵抗素子の両端部に固定され、前記絶縁支持物は、その両端に差し込まれた金属ネジを介して、前記一対の導電板に連結され、前記絶縁支持物と前記金属ネジとは前記非線形抵抗樹脂を被覆することにより連結されていることを特徴とする請求項４〜７のいずれか一項に記載の避雷器。
   
   
   

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