(57)【要約】【課題】雷サージによる異常電圧に耐え得るために必要十分な大きさの非線形抵抗素子を有する避雷器及びその製造方法を提供する。【解決手段】所定の諸元を有する雷電流が避雷器に流れたと仮定したとき、このときの非線形抵抗素子の半径方向の熱応力σと半径方向の伸びΔｒとの積で表される破断エネルギーＱの最大値が管理値ＱL以下となるように非線形抵抗素子の大きさを設定することにより、上記諸元の雷撃により非線形抵抗素子にひび割れが発生するか否かを素子の設計段階で判断することが可能となる。【選択図】図６
2010287832.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非線形抵抗素子を有する避雷器であって、
非線形抵抗素子の半径方向の熱応力σと伸びΔｒとの積で表される破断エネルギーをＱとしたとき、雷が落ちたと仮定したときの非線形抵抗素子の破断エネルギーＱの最大値を管理値ＱL以下とした避雷器。
【請求項２】
非線形抵抗素子を有する避雷器を製造するための方法であって、
非線形抵抗素子の熱応力σと伸びΔｒとの積で表される破断エネルギーをＱとしたとき、雷が落ちたと仮定したときの非線形抵抗素子の破断エネルギーＱの最大値が管理値ＱL以下となるように、非線形抵抗素子の大きさを設定することを特徴とする避雷器の製造方法。
【請求項３】
雷撃時における非線形抵抗素子の破断エネルギーＱが、
【数１】
2010287832.tif 000006
（式中、Ｅは非線形抵抗素子のヤング率、μは非線形抵抗素子の平均線膨張係数、ｒ1は円柱状の非線形抵抗素子の半径、ｃは非線形抵抗素子の比熱、ρは非線形抵抗素子の密度、ρRは非線形抵抗素子の固有抵抗、Ｉは雷撃電流の大きさ、Δｔは雷撃時間を表す。）により表され、この式に、Ｅ、μ、ｃ、ρ、ρR、Ｉ、Δｔの諸元、及び破断エネルギーＱの管理値ＱLを代入することにより、非線形抵抗素子の半径ｒ1を求める請求項２記載の避雷器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非線形抵抗素子を有する避雷器及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非線形抵抗素子（以下、単に素子と言う。）は、通常電圧に対しては高抵抗を示して絶縁体として機能し、異常電圧（雷サージ等の高電圧）に対しては低抵抗を示して導電体として機能する。かかる素子を有する避雷器を発電所等の設備に設置すれば、平時は素子が高抵抗値となって通常の対地電圧を遮断し、雷サージによる異常電圧が発生すると素子が低抵抗値となって雷電流を瞬時に大地へ逃がすことができる。このような素子の弁作用により、避雷器の周辺設備を落雷から保護している。
【０００３】
このような素子は、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を主成分とし、Ｂｉ2Ｏ3等の添加物を加えた焼結体で構成される（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第２５７２８８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
素子に雷サージによる異常電圧が加わると、素子の温度が急激に上昇して素子が熱膨張する。この熱膨張により素子の内部に熱応力が発生し、素子にひび割れが発生する場合がある。
【０００６】
素子が損傷した場合には取り替える必要があるが、素子の取替え作業は発電所等の送電を一時ストップした停電状態で行う必要があるため、多大なコストがかかる上、電力供給先への影響が非常に大きい。このため、雷撃による素子の損傷を防止し、素子の交換作業をできるだけ回避する必要がある。特に、近年の地球温暖化の影響により、発雷の頻度は益々高くなり、その雷電流も大きくなっていることから、素子の損傷を防止する必要性が高まっている。さらに、送電線の鉄塔に取付けられる避雷器の場合は、鉄塔ごとに設けられるため数が膨大であり、且つ、電線に落ちた雷による異常電圧をまともに受けるため、素子の損傷を防止する必要性が高い。
【０００７】
しかし、素子にひび割れ等の損傷が生じるメカニズムは明確に解明されておらず、このため、雷撃に耐え得るか否かを素子の設計段階で判断する手法は確立されていなかった。従って、雷撃に耐え得るように素子を大きめに設計せざるを得ず、コスト高を招くばかりでなく、素子の大型化及び重量増を招き、特に鉄塔にぶら下げられる避雷器の場合は素子の大きさ及び重量が問題となる恐れがあった。
【０００８】
本発明は、雷サージによる異常電圧に素子が耐え得るか否かを設計段階で判断することにより、雷サージに対する耐久性を得るために必要十分な大きさの素子を得ることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、雷撃による素子の損傷（ひび割れ）のメカニズムを解明すべく、以下のような検証を行った。
【００１０】
雷撃による素子のひび割れは、素子の表面に形成された溶損による開口又は軟化を起点として円周方向に発生することが多い。特に、図４に示すように溶損Ｐが素子１０の中心からオフセットした位置（図示例では外周付近）に形成された場合は、図１に示すように溶損Ｐが素子１０の中心に形成された場合と比べて、ひび割れＬが生じやすい。そこで本発明者は、円柱状の素子を一様に温度上昇させたとき、半径ｒの位置における半径方向の伸びΔｒ、及び半径方向の熱応力σをシミュレーション解析した。素子１０の中心に溶損Ｐが形成された場合（図１参照）のシミュレーション結果を図２及び図３に示し、素子１０の外周部付近に溶損Ｐが形成された場合（図４参照）のシミュレーション結果を図５及び図６に示す。尚、このシミュレーションでは、素子１０の温度上昇θ＝１３０℃、溶損Ｐの半径ｒm＝０．３ｃｍ、素子１０のヤング率Ｅ＝１０９ＧＰａ、線膨張係数μ＝５．３×１０-6とし、溶損Ｐの中心と素子１０の中心との距離ｍは、図１では０、図４では３．６ｃｍとした。
【００１１】
図２及び図５のシミュレーション結果より、何れの場合も半径方向の最大熱応力σmaxは同程度である（約８０ＭＰａ）。一方、溶損Ｐの形成箇所における半径方向の伸びΔｒは、溶損Ｐが中心部に形成された場合（図２参照）はほとんど０（約−２μｍ）であるが、溶損Ｐが外周付近に形成された場合（図５参照）は非常に大きな値（約−３０μｍ）を示している。このことから、素子にひび割れが発生するか否かは、素子の半径方向の最大熱応力σmaxだけでなく、素子の半径方向の伸びΔｒが影響していると言える。図３及び図６に示すように、素子の半径方向の熱応力σと半径方向の伸びΔｒとの積で表される破断エネルギーＱをプロットすると、溶損Ｐが中心部に形成された場合（図３参照）は破断エネルギーＱが全体的に小さくなっているが、溶損Ｐが外周付近に形成された場合（図６参照）は破断エネルギーＱが溶損Ｐ形成部で非常に大きくなっている。このことから、破断エネルギーＱの最大値が管理値ＱLを超えていれば、雷撃によりひび割れが生じる恐れがあると言える。尚、このときの破断エネルギーＱは、雷撃が素子を破断するときに行う仕事量と解釈することができる。また、図３及び図６には、引張応力による破断エネルギーＱのみを示しているが、これは、一般に素子を形成する材料（酸化亜鉛等）は圧縮応力には強いが引張応力には弱いため、引張応力で素子の強度を判断すれば足りると考えたからである。
【００１２】
従って、雷が落ちたと仮定したとき、素子の最大熱応力σmaxのみに基づいて素子の設計を行うのではなく、素子の熱応力σと伸びΔｒとの積で表される破断エネルギーＱの最大値が管理値ＱL以下となるように素子の大きさを設定することにより、よりひび割れの発生しにくい素子の設計が可能となる。
【００１３】
雷撃時の素子内部における温度分布はおおよそ一様となっているため、雷撃時の温度上昇θを一定とすると、素子の熱応力σ及び半径方向の伸びΔｒは、下記の数式１及び数式２で表される。これらの数式から、破断エネルギーＱは下記の数式３で表される。
【数１】
2010287832.tif 000003
【数２】
2010287832.tif 000004
【数３】
2010287832.tif 000005
尚、上記の数式における各符号の意味は以下の通りである。
Ｅ：素子のヤング率
μ：素子の平均線膨張係数
θ：温度上昇
ｒ：中心からの距離
ｒ1：素子の半径
ｃ：素子の比熱
ρ：素子の密度
ρR：素子の固有抵抗
Ｉ：雷撃電流の大きさ
Δｔ：雷撃時間
【００１４】
上記の数式３において、素子の諸元値及び雷撃条件を設定したときに、破断エネルギーの最大値が管理値ＱLを超えないように、円柱状の素子の半径ｒ1を設定すればよい。すなわち、各諸元値、及び破断エネルギーの管理値ＱLを上記の数式３に代入することにより、雷撃時にひび割れが生じない素子の半径ｒ1の最小値を求めることができる。
【発明の効果】
【００１５】
以上のように、本発明の製造方法によれば、素子のひび割れを確実に防止することができるため、避雷器の素子の交換作業の頻度を減らし、交換作業の手間や停電による周辺への悪影響を回避することができる。また、雷撃により素子にひび割れが発生するか否かを素子の設計段階で判断することができるため、雷サージに対する耐久性を得るために必要十分な大きさの素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】中心に溶損が形成された素子の平面図である。
【図２】図１のａ−ａ’線における素子の半径方向の伸びΔｒ及び熱応力σを示すグラフである。
【図３】図１のａ−ａ’線における素子の破断エネルギーＱを示すグラフである。
【図４】中心からオフセットした位置に溶損が形成された素子の平面図である。
【図５】図４のｂ−ｂ’線における素子の半径方向の伸びΔｒ及び熱応力σを示すグラフである。
【図６】図４のｂ−ｂ’線における素子の破断エネルギーＱを示すグラフである。
【図７】避雷器の断面図である。
【図８】避雷器を鉄塔に取付けた状態の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態を説明する。
【００１８】
避雷器１は、例えば図７に示すように、円柱状の素子１０を積層した積層体１１と、積層体１１の外周を覆った円筒状の絶縁カバー２０とを有する。避雷器１は、例えば送電線の鉄塔２にぶら下げて取付けられ、具体的には図８に示すように、碍子４の上端部付近から水平に延びた支持部材５に、避雷器１の上端部が取付けられる。避雷器１の下端部には避雷器側放電電極６が設けられ、碍子４の下側から水平に延びた送電線側放電電極７との間に鉛直方向のギャップｇが形成される。送電線３に雷が落ちると、雷電流が、送電線側放電電極７、ギャップｇ、及び避雷器側放電電極６を介して低抵抗となった素子１０を流れ、鉄塔２を通って大地に放電される。
【００１９】
素子１０は、例えば酸化亜鉛（ＺｎＯ）を主成分とし、Ｂｉ2Ｏ3等の添加物を加えた焼結体で構成され、具体的には、多数のＺｎＯ粒子と、それらＺｎＯ粒子間に形成されたＢｉ2Ｏ3等の粒界層からなる多結晶質酸化物で構成される。素子１０は、図７に示すように隙間無く積層してもよいし、隙間を介して、あるいは金属板等の通電部材を介して積層してもよい。
【００２０】
絶縁カバー２０は、磁器や、弾性を有するポリマー、あるいはＥＰＤＭ等の絶縁材料で形成される。絶縁カバー２０は、図７に示すように積層体１１の外周面に被着してもよいし、積層体１１の外周面と隙間を介して配してもよい。
【００２１】
上記構成の避雷器１の製造方法、特に、素子１０の設計方法を説明する。
【００２２】
まず、素子１０に関する諸元値と、想定される雷サージに関する諸元値を設定する。具体的には、素子１０のヤング率Ｅ、平均線膨張係数μ、比熱ｃ、密度ρ、及び固有抵抗ρRと、想定される雷撃電流の大きさＩ、及び雷撃時間Δｔと、かかる諸元を示す雷撃に耐え得るために必要とされる破断エネルギーの管理値ＱLを設定する。各諸元値を上記の数式３に代入することにより、素子１０の半径寸法ｒ1の最小値が求められる。管理値ＱLは、例えば、素子１０にひび割れが生じる臨界破断エネルギーＱ0に所定の安全率αを掛けることで求められる（ＱL＝Ｑ0×α）。
【００２３】
例えば、各諸元が下記に示す値である場合、素子１０の半径ｒ1は２．１（ｃｍ）となる。従って、素子１０の半径を２．１ｃｍ以上とすれば、下記に示したような諸元の雷撃に耐え得る避雷器を得ることができる。
ＱL：５００（Ｊ／ｍ2）
Ｅ：１０９（ＭＰａ）
μ：０．０００００５３（１／℃）
ｃρ：３３０００００（℃／ｍ3）
ρR：０．３（Ωｃｍ）
Ｉ：５０（ｋＡ）
Δｔ：１００（μｓ）
【００２４】
こうして形成された避雷器は、上記諸元の雷が落ちたと仮定したとき、素子の破断エネルギーＱの最大値が管理値ＱL以下となるため、この雷によりひび割れが生じる事態を回避できる。また、破断エネルギーＱに基づいて素子１０の半径ｒ1を定めることで、素子１０が必要以上に大きくなることはなく、特に鉄塔にぶら下げた状態で設置される場合に適した避雷器が得られる。
【符号の説明】
【００２５】
１     避雷器
２     鉄塔
３     送電線
４     碍子
５     支持部材
６     避雷器側放電電極
７     送電線側放電電極
１０   素子
１１   積層体
２０   絶縁カバー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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