(57)【要約】【課題】絶縁外被としてシリコーンゴムを有する避雷器に搭載する酸化亜鉛形素子の電流分布が素子内で均一、あるいは外周部の電流集中を避けた素子では中心部で破壊することが多く、その場合はシリコーンゴムを亀裂させて内部ガス放出するより先に避雷器が爆発飛散してしまう問題を解消する。【解決手段】添加物として少なくとも酸化ビスマスを含むものであって電圧電流特性が非直線性を持つ酸化亜鉛形抵抗素子において、粒界層を形成する酸化ビスマスのガンマ型結晶相の量につき、素子周辺部の量が素子中央部の量よりも多い分布とするものとし、この酸化亜鉛形抵抗素子を避雷器に搭載した。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
添加物として少なくとも酸化ビスマスを含み電流通路を形成する酸化亜鉛形抵抗素子において、粒界層を形成する酸化ビスマスのガンマ型結晶相の量につき、電流通路の中心部を形成する素子中央部以外の電流通路を形成する素子周辺部の量が電流通路の中心部を形成する素子中央部の量よりも多い分布とすることを特徴とする酸化亜鉛形抵抗素子。
【請求項２】
前記酸化ビスマス相のガンマ化率が、電流通路の中心部を形成する素子中央部以外の電流通路を形成する素子周辺部で４０％から８０％までであり、電流通路の中心部を形成する素子中央部で２０％から６０％までであって、電流通路の中心部を形成する素子中央部以外の電流通路を形成する素子周辺部のガンマ化率が電流通路の中心部を形成する素子中央部のガンマ化率より２０％以上多いことを特徴とする請求項１に記載の酸化亜鉛形抵抗素子。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の前記酸化亜鉛形抵抗素子を搭載した避雷器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、酸化亜鉛形抵抗素子とそれを搭載した避雷器、特に、酸化亜鉛形抵抗素子の電流分布を制御した素子とそれを搭載した避雷器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、酸化亜鉛形素子の電流分布については、素子内をできるだけ均一に流すか、外周部の電流集中を避ける工夫がなされてきた。均一電流分布にする工夫がなされ（例えば、特許文献１参照）、外周部の電流集中を避ける工夫が見られる（例えば、特許文献２参照）。
また、さらに種々の工夫がなされている（例えば、特許文献３および特許文献４ならびに特許文献５参照）
【０００３】
【特許文献１】特開平３−２３０５０１号公報
【特許文献２】特開平９−１７１９０７号公報
【特許文献３】特開昭６２−１４１７０３号公報
【特許文献４】特開昭５８−１３０５０３号公報
【特許文献５】特開昭６２−２５０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＩＥＣ６００９９−４(避雷器の国際規格)において放圧試験時の酸化亜鉛形素子の破壊模擬を短時間過電圧（ＴＯＶ）により行う試験方法が採用された。
積み木細工式に積み上げた複数個の酸化亜鉛形素子は、放圧時には絶縁外被としてのシリコーンゴムを亀裂させる。ＴＯＶによる破壊を素子のどの部位で生じさせるかによって放圧試験結果の様相が変わるという課題がある。
上記のような、酸化亜鉛形素子の電流分布が素子内で均一、あるいは外周部の電流集中を避けた素子では中心部で破壊することが多く、その場合は絶縁外被としてのシリコーンゴムを亀裂させて内部ガスを放出するより先に避雷器が爆発飛散しやすいため、構造が難しいという問題があった。
【０００５】
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、意図的に素子外周近傍の電流密度を大きくし、確実に素子外周で破壊して、放圧動作を的確に行なわせることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る酸化亜鉛形抵抗素子では、添加物として少なくとも酸化ビスマスを含む酸化亜鉛形抵抗素子において、粒界層を形成する酸化ビスマスのガンマ型結晶相の量につき、素子周辺部の量が素子中央部の量よりも多い分布とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、意図的に素子外周近傍の電流密度を大きくし、確実に素子外周で破壊して、放圧動作を的確に行なわせることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
この発明による実施の形態を図１および図２について説明する。図１はこの発明による実施の形態における避雷器の構成を示す断面図である。図１（ａ）は横断面図を示し、図１（ｂ）は縦断面図を示す。図２はこの発明による実施の形態における避雷器用非直線抵抗素子に関わるガンマ型酸化ビスマスの分布を示す特性線図である。
【０００９】
図１において、ひだを有する筒状のシリコーンゴムからなる絶縁外被２１には、それぞれ円盤状の外形を有し積み木式に積み上げられた複数個の酸化亜鉛形非直線性抵抗素子２２が収納される。
複数個の酸化亜鉛形非直線性抵抗素子２２は、複数本の支持絶縁物２３およびナット２４によって両端面から締結される。下部電極２５には下部支持板２６が係合し、上部支持板２７は上部電極２８にばね２９を介して係合する。支持絶縁物２３およびナット２４による支持板２６，２７の接近方向への締結により、電極２５，２８は酸化亜鉛形非直線性抵抗素子２２の端面への加圧方向に付勢されて、下部電極２５は積み木式に積み上げられた複数個の酸化亜鉛形非直線性抵抗素子２２の下端面に圧接され、上部電極２８は寸法調整用スペーサ３０を介して積み木式に積み上げられた複数個の酸化亜鉛形非直線性抵抗素子２２の上端面に圧接される。
【００１０】
酸化亜鉛形素子２２については、酸化亜鉛を主成分とし添加物としてそれぞれ０．１〜２モル％の酸化ビスマス，酸化アンチモン，酸化コバルト，酸化マンガン，酸化クロム，酸化シリコンおよびそれぞれ０．００１〜０．１モル％の硼酸および硝酸アルミニウムを秤量し、粉砕して、混合し、造粒して、成形した後、１２００℃で焼成し、３２ｍｍφ３５ｍｍｔの素子を得た。
【００１１】
これらの試料を５００〜６５０℃、保持時間０．５〜５ｈｒの熱処理を行った。
次いで、研磨し、電極付けして、電圧電流特性を測定した。ＡＣ１ｍＡを通電したときの素子両端に発生する電圧をＶ１ｍＡと呼ぶ。
寿命試験は周囲温度１３０℃、課電率８５％（印加電圧ＶＡ＝Ｖ１ｍＡ×０．８５）でＡＣ課電し、抵抗分漏れ電流の経時変化を測定した。１００時間後に漏れ電流の経時変化が増加傾向を示さない状態を良、増加傾向を示す状態を不良と判断した。
また、短時間過電圧（ＴＯＶ）試験を素子が破壊するまで行い、各試料ＮＯ．ごとに素子１０個ずつ試験し素子の破壊状況を調べた。素子が内部から半分あるいは四散する破壊するモードを内部破壊、素子の外周が破壊するモードを外周破壊と呼ぶ。
【００１２】
酸化ビスマスは焼成後、酸化亜鉛グレインの粒界部に存在し、焼成したままではベータ型酸化ビスマスの結晶相で存在し、熱処理をすることによってガンマ型酸化ビスマスに相変態する。この変態はＸ線回折装置によって測定することができる。例えば、特開昭６０−４２０２公報に示されている。
この発明においてもガンマ型酸化ビスマスの強度はガンマ型酸化ビスマスの(３２１)面による回折ピークから、ベータ型酸化ビスマスの強度はベータ型酸化ビスマスの（４００）面による回折強度から求めた。酸化ビスマスの結晶相を、各種条件で熱処理された試料について、素子表面から中心部まで測定した。
この実施の形態では、６５０℃で５ｈｒ熱処理をした試料のガンマ型酸化ビスマスの最大強度を１００として、この強度に対する比をガンマ化率と定義した。
【００１３】
図２は、この発明の実施の形態におけるガンマ型酸化ビスマスの分布を示すもので、図２の横軸に示す“０”は素子側面の高抵抗層を除去した素子表面を、“５”，“１０”，１５はそれぞれ素子表面からの距離（ｍｍ）を示す(素子高さ方向については中央部とした)。１５ｍｍは素子のほぼ中心部である。
【００１４】
試料ＮＯ．１は比較品で、ガンマ型酸化ビスマスの生成していない素子で熱処理はしていない。
試料ＮＯ．２は比較品で、素子表面部では酸化ビスマスのガンマ化率が４０％で、中心部では１０％と低い素子であり、熱処理が５００℃×０．５ｈｒされたものである。
試料ＮＯ．３は本発明品で、素子表面部では酸化ビスマスのガンマ化率が４０％で、中心部ではガンマ化率が２０％の素子であり、熱処理が５００℃×１ｈｒされたものである。
試料ＮＯ．４は本発明品で、素子表面部では酸化ビスマスのガンマ化率が６０％で、中心部ではガンマ化率が４０％の素子であり、熱処理が５１０℃×１ｈｒされたものである。
試料ＮＯ．５は比較品で、素子表面部では酸化ビスマスのガンマ化率が６０％で、中心部ではガンマ化率が５０％の素子であり、熱処理が５１０℃×２ｈｒされたものである。
試料ＮＯ．６は比較品で、素子表面部では酸化ビスマスのガンマ化率が６０％で、中心部でもガンマ化率が６０％ある均一ガンマ化な素子であり、熱処理が５１０℃×５ｈｒされたものである。
試料ＮＯ．７は本発明品で、素子表面部では酸化ビスマスのガンマ化率が８０％で、中心部ではガンマ化率が６０％の素子であり、熱処理が５５０℃×１ｈｒされたもの。
試料ＮＯ．８は比較品で、素子表面部では酸化ビスマスのガンマ化率が８０％で、中心部でもガンマ化率が８０％ある均一ガンマ化な素子であり、熱処理が５５０℃×５ｈｒされたものである。
試料ＮＯ．９は比較品で、素子表面部では酸化ビスマスのガンマ化率が１００％で、中心部でもガンマ化率が１００％ある均一ガンマ化な素子であり、熱処理が６５０℃×５ｈｒされたものである。
【００１５】
これら試料の短時間過電圧（ＴＯＶ）試験、Ｖ１ｍＡ測定値、寿命試験結果を表１に示す。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
上記の表１で、Ｖ１ｍＡ／ｍｍとは、ＤＣ１ｍＡを通電したときの素子両端に発生する電圧Ｖ１ｍＡを素子厚み（ｍｍ）で除した値である。
【００１８】
表１と図２から次のことが分かる。
試料ＮＯ．４，試料ＮＯ．５，試料ＮＯ．６から周辺部のガンマ化率が中央部よりも２０％大きい試料ＮＯ．４の場合に、ＴＯＶによる破壊様相は１００％外周破壊モードになることが示されている。試料ＮＯ２，試料ＮＯ３，試料ＮＯ７も周辺部のガンマ化率が中央部よりも２０％大きく、ＴＯＶによる破壊様相は１００％外周破壊モードになっていることが示されている。
この理由は、次のように考察できる。
表１からＶ１ｍＡ／ｍｍ（１ｍｍあたりの抵抗に比例する）は試料ＮＯ．１を基準にしたとき、酸化ビスマスのガンマ型結晶相への変態が進んだ試料ほど小さくなっていることが分かる。酸化ビスマスのガンマ化率１００％の試料ＮＯ．９のＶ１ｍＡ／ｍｍの値は、ガンマ化率がゼロの試料ＮＯ．１の値の９２％である。このことより、素子周辺部のガンマ化率が素子中央部のそれより大きい素子では、素子周辺部の電流密度は中央部のそれより大きいことになる。
実際、素子中央部の電極とこれと絶縁された素子周辺部のリング状電極を設けて測定すれば、ガンマ化の進んだ素子周辺部の電流密度が大きいことが確認された。ＴＯＶ試験時においても、素子周辺部と中央部で酸化ビスマスのガンマ化率に差があれば、ガンマ化率の大きい領域の電流密度が大きくなり、発熱も大きく高温になるのでそこから破壊が起きるのである。本発明品では周辺部のガンマ化率が中央部よりも２０％以上大きいので素子周辺部の電流密度が大きく、発熱も大きく高温になり破壊が周辺から生じるのである。
酸化亜鉛形避雷器は、ギャップを使用せずに使用されることが多いので、素子については課電劣化がないことを確認する必要がある。表１に寿命試験結果を示す。ガンマ化率が２０〜８０％の素子の寿命特性は良で、本発明品の寿命特性も良であった。
ここで、素子中央部とは電流通路を形成する酸化亜鉛形素子２２のうち電流通路の中心部を形成する部分をいい、素子周辺部とは電流通路の中心部を形成する素子中央部以外の電流通路を形成する部分をいうものである。
【００１９】
図１に示すように、積み木細工式に積み上げた複数個の酸化亜鉛形素子２２は素子側面の周辺に絶縁棒２３を鉛直にあてがう方式により支持されており、放圧時には絶縁棒の隙間を通して絶縁外被２１としてのシリコーンゴムを亀裂させる。
この発明による酸化亜鉛形素子２２を搭載した避雷器では、酸化亜鉛形素子２２の電流分布は意図的に外周近傍の電流密度を高くしてあるので、短時間過電圧（ＴＯＶ）試験時には確実に酸化亜鉛形素子２２の外周で破壊し、避雷器が爆発飛散することなく、放圧動作がうまくいった。
【００２０】
この発明による実施の形態によれば、添加物として少なくとも酸化ビスマスを含み電流通路を形成するものであって電圧電流特性が非直線性を持つ酸化亜鉛形非直線性抵抗素子２２において、粒界層を形成する酸化ビスマスのガンマ型結晶相の量につき、電流通路の中心部を形成する素子中央部以外の電流通路を形成する素子周辺部の量が電流通路の中心部を形成する素子中央部の量よりも多い分布とすることを特徴とする酸化亜鉛形非直線性抵抗素子を構成したので、意図的に外周近傍の電流密度を大きくし、確実に素子外周で破壊して、放圧動作を的確に行なわせることができる。
【００２１】
また、この発明による実施の形態によれば、前項における構成において、前記酸化ビスマス相のガンマ化率が、電流通路の中心部を形成する素子中央部以外の電流通路を形成する素子周辺部で４０％から８０％までであり、電流通路の中心部を形成する素子中央部で２０％から６０％までであって、電流通路の中心部を形成する素子中央部以外の電流通路を形成する素子周辺部のガンマ化率が電流通路の中心部を形成する素子中央部のガンマ化率より２０％以上多いことを特徴とするので、意図的に外周近傍の電流密度を大きくし、確実に素子外周で破壊して、放圧動作を的確に行なわせるとともに、良好な寿命特性を確保することができる。
【００２２】
さらに、この発明による実施の形態によれば、前項または前々項に記載の酸化亜鉛形非直線性抵抗素子２２を搭載した避雷器を構成したので、意図的に外周近傍の電流密度を大きくし、確実に素子外周で破壊して、放圧動作を的確に行なわせる避雷器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】この発明による実施の形態における避雷器の構成を示す横断面図および縦断面図である。
【図２】この発明による実施の形態における避雷器用非直線抵抗素子に関わるガンマ型酸化ビスマスの分布を示す特性線図である。
【符号の説明】
【００２４】
２１  絶縁外被(例えばシリコーンゴム)、２２  酸化亜鉛素子、２３  絶縁支持物、２４  ナット、２５  下部電極、２６  下部支持板、２７  上部支持板、２８  上部電極、２９  ばね、３０  寸法調整用スペーサ。
【図１】
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【図２】
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