(57)【要約】【課題】非線形抵抗材料を絶縁容器の内面に設けることにより、雷インパルス耐電圧試験時の電界緩和を図り、絶縁信頼性およびコンパクト性を向上させる。【解決手段】絶縁容器５の内表面１１の上部に高電圧側固定電極６を設置し、絶縁容器５の内表面１１の下部に接地側固定電極７を設置する。絶縁容器５の内表面１１には非線形抵抗材料１３を高電圧側固定電極６と連続して接地側固定電極７に至るまで塗布する。非線形抵抗材料１３は、雷インパルス耐電圧試験時に高電圧側固定電極６に高電圧が印加されると、非線形抵抗材料１３へと高電圧が必ず印加される。したがって、非線形抵抗材料１３は非線形抵抗特性を確実に動作させ、高電圧側固定電極６の周辺部１０にて高くなっていた電界強度を低減することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
雷インパルス耐電圧試験時に耐電圧試験相当の過電圧が印加される絶縁容器と、
前記絶縁容器の内部に着脱自在に設置され雷インパルス耐電圧試験時に前記絶縁容器から外される非線形抵抗素子の積層体と、
前記非線形抵抗素子の積層体の上下端部に配置された高電圧側固定電極および接地側固定電極と、
前記絶縁容器の内表面に前記高電圧側固定電極と連続して設けられた非線形抵材料、を備えたことを特徴とする避雷器。
【請求項２】
前記非線形抵抗材料は、前記高電圧側固定電極の少なくとも一部を覆い、この覆う部分の長さ寸法を、非線形抵抗材料の厚さ寸法よりも長くしたことを特徴とする請求項１に記載の避雷器。
【請求項３】
前記絶縁容器の内表面に沿った前記非線形抵抗材料の長さ寸法を、前記絶縁容器の内表面の長さ寸法よりも短くしたことを特徴とする請求項１または２に記載の避雷器。
【請求項４】
前記非線形抵抗材料の動作時の単位長さ当たりの残留抵抗に、前記非線形抵抗材料の長さで乗じたものを前記非線形抵抗材料の抵抗値とし、非線形抵抗材料と前記絶縁容器の外周部との間の単位長さ当たりの静電容量を、前記非線形抵抗材料の長さで乗じたものを前記非線形抵抗材料の静電容量値として、前記非線形抵抗材料の抵抗値と前記静電容量値との積で決まる時間が雷インパルス電圧の半波高時間の１．５倍以上となるような長さ寸法であり、且つ前記接地側固定電極に届かない長さ寸法以下に、前記絶縁容器の内表面に沿った前記非線形抵抗材料の長さ寸法を設定したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の避雷器。
【請求項５】
前記絶縁容器の内面に、非線形抵抗特性を持つ樹脂製の円筒部材を配置したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の避雷器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、絶縁容器の耐電圧性能を高めた避雷器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
落雷などを原因として電力系統に過電圧が発生すると、過電圧によって電力機器が損傷するおそれがある。そこで、電力系統には避雷器が組み込まれている。避雷器は、避雷器に印加される電圧が避雷器の動作電圧よりも高い場合に、印加電圧を制限することにより、他の電力機器を過電圧から保護することができる。
【０００３】
避雷器は非線形抵抗素子を収納する絶縁容器を有する。絶縁容器は耐電圧規格に基づいて、雷インパルス耐電圧試験を行っており、この試験に耐える必要がある。雷インパルス耐電圧試験の実施に際して、絶縁容器の内部に非線形抵抗素子を取り外すと、絶縁容器には耐電圧試験相当の過電圧が印加される。
【０００４】
絶縁容器の内部に非線形抵抗素子が無い状態では、高電圧側固定電極の周辺部で電界集中が生じるため、絶縁容器内面の電界強度が高くなる。したがって、高電圧側固定電極の周辺部が絶縁上の弱点となる。そこで従来では、非線形抵抗素子が無い状態での耐電圧試験を考慮して絶縁容器の絶縁寸法に余裕を持たせることで、絶縁上の弱点を克服している。
【０００５】
電力機器の分野では、耐電圧試験を実施して絶縁信頼性を確かめるのは勿論のこと、絶縁信頼性を高めるべく、様々な改良が施されている。例えば、電界集中部に非線形抵抗材料を設けることにより、電界集中部の電界強度を低減する電界緩和技術が提案されている。具体的な非線形抵抗材料の応用例としては、特許文献１に記載された回転機器や、非特許文献１に記載されたブッシング部などが知られている。
【０００６】
非線形抵抗材料とは、図８のグラフに示すように、動作電界Ｅ１（点線部分）を越すと、材料の体積抵抗率が非線形的に低下するものである。すなわち、非線形抵抗材料は、動作電界Ｅ１を越す高電界部分では低抵抗領域となり、電圧分担が低下して電界強度を低下させる作用を示す。また、非線形抵抗材料は、動作電界Ｅ１に達しない低電界部分では高抵抗領域となり、電圧分担が増加して電界強度を増大させる作用を示す。これらの作用を電界均等化作用と呼び、この電界均等化作用が働くことで、非線形抵抗材料を設けた部位では、電界の高い部分の電界強度が低減する。したがって、非線形抵抗材料を備えた電力機器では、電界緩和効果を期待することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１２−３８９２８号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】IEEE Electrical Insulation Magazine p.p.18-29
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
非線形抵抗材料は動作電界を越して初めて低抵抗領域となり電界強度を低下させるが、動作電界に達しない低電界部分では電界強度を増大させる。このため、電界集中部に非線形抵抗材料を設置すれば、必ず電界緩和が図れるといった単純なものではなく、非線形抵抗材料の使用方法が電界緩和効果を大きく左右する。
【００１０】
非線形抵抗材料を備えた電力機器において所要の電界緩和効果を得るためには、非線形抵抗材料を設ける部位の電界分布を把握し、その上で電界分布に適した非線形抵抗材料の使用方法を検討することが不可欠である。言い換えると、非線形抵抗材料の適用技術が十分に検討されていなければ、非線形抵抗材料は電界緩和効果を発揮することが困難であった。
【００１１】
従来の避雷器においては、絶縁容器の絶縁寸法に余裕を持たせることで絶縁上の弱点を克服しているので、絶縁容器の雷インパルス耐電圧試験のためだけに、非線形抵抗材料を設けるといったことは行っていない。したがって、非線形抵抗材料の適用による電界緩和については全く検討されていなかった。
【００１２】
しかし近年、電力機器の分野ではコンパクト化が進み、避雷器の絶縁容器は縮小化傾向にある。絶縁容器を縮小化すると絶縁寸法の余裕が削られるので、雷インパルス耐電圧試験時の絶縁容器内面の電界強度は大きくなる。このような状況のもと、コンパクト化した避雷器の絶縁容器においては、雷インパルス耐電圧試験時の電界緩和対策が急務となっており、電界集中を確実に緩和するための非線形抵抗材料の適用技術が強く望まれていた。
【００１３】
本実施形態の避雷器は、上記の課題を解決するために提案されたものである。本実施形態の目的は、非線形抵抗材料を絶縁容器の内面に設けることにより、雷インパルス耐電圧試験時の電界緩和を図り、絶縁信頼性およびコンパクト性を向上させた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】
【００１４】
前記の目的を達成するために、本実施形態の避雷器は、以下の（１）−（４）の構成要素を有することを特徴としている。
（１）雷インパルス耐電圧試験時に耐電圧試験相当の過電圧が印加される絶縁容器。
（２）前記絶縁容器の内部に着脱自在に設置され雷インパルス耐電圧試験時に前記絶縁容器から外される非線形抵抗素子の積層体。
（３）前記非線形抵抗素子の積層体の上下端部に配置された高電圧側固定電極および接地側固定電極。
（４）前記絶縁容器の内表面に前記高電圧側固定電極と連続して設けられた非線形抵材料。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１の実施形態の断面図（絶縁機器の電界分布も合わせて示す）。
【図２】第１の実施形態の全体基本構造を示す断面図。
【図３】第１の実施形態によって解決される課題を説明するための断面図（絶縁機器の電界分布も合わせて示す）。
【図４】第２の実施形態の断面図。
【図５】第３の実施形態の断面図。
【図６】第４の実施形態の断面図。
【図７】第５の実施形態の断面図。
【図８】非線形抵抗材料の体積抵抗率における電界依存性を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（１）第１の実施形態
［構成］
図１に示すように、第１の実施形態には、円筒状の絶縁物からなる密閉型の絶縁容器５が配置されている。図１は、後述する固定ユニット４が絶縁容器５から外された状態を示している。
【００１７】
絶縁容器５には高電圧側固定電極６が設置され、その下方には高電圧側固定電極６と対向して接地側固定電極７が設置されている。高電圧側固定電極６から接地側固定電極７に至るまで絶縁容器５の内面を内表面１１とする。また、絶縁容器５の内部には絶縁性ガス８が封入されている。さらに、絶縁容器５の外面には導電性塗装９が施されており接地電位とされる。なお、符号１０は高電圧固定電極６の周辺部を示している。
【００１８】
第１の実施形態の構成上の特徴は、絶縁容器５の内表面１１に非線形抵抗材料１３が塗布された点にある。非線形抵抗材料１３は高電圧側固定電極６の下面から連続して接地側固定電極７の上面に達するまで塗布されている。図１には、絶縁容器５に隣接して、絶縁容器５の内表面１１の電界強度のグラフが示されている。このグラフには、非線形抵抗材料１３によって「非線形特性により制限された電界強度」と、「絶縁ガスの絶縁破壊電界」と、「非線形抵抗材料を塗布した時の電界分布」が、矢印Ａ〜Ｃによって示されている。
【００１９】
図２は第１の実施形態の全体基本構造を示し、避雷器として電力系統に組み込まれる状態を示している。図２に示すように、絶縁容器５には固定ユニット４が収納されている。固定ユニット４は、非線形抵抗素子１、高電圧電極２および接地電極３から構成されている。非線形抵抗素子１は酸化亜鉛を主成分としたものであり、複数個が直列に連続して配置されている。高電圧電極２は非線形抵抗素子１の上端部に取り付けられており、接地電極３は非線形抵抗素子１の下端部に取り付けられている。固定ユニット４の上部に高電圧側固定電極６が接続され、固定ユニット４の下部に接地側固定電極７が接続されている。
【００２０】
［作用効果］
絶縁容器５内部に固定ユニット４が取り付けられた状態では、固定ユニット４内の非線形抵抗素子１によって、高電圧側固定電極６に印加される電圧が制限される。そのため、耐電圧試験電圧相当の過電圧が高電圧側固定電極６に印加されることはない。ただし、絶縁容器５は内部に非線形抵抗素子１が無い状態で雷インパルス耐電圧試験に耐えることが必要とされる。
【００２１】
雷インパルス耐電圧試験に際して耐電圧試験電圧相当の過電圧が絶縁容器５に印加されたとき、図３に示すように、絶縁容器５内部に非線形抵抗材料１３がなければ、絶縁容器５の高電圧側固定電極６の周辺部１０で電界集中が生じ、絶縁容器５の内表面１１の電界強度が高くなる（図３における電界強度のグラフ参照）。
【００２２】
先に述べたように、非線形抵抗材料１３が所要の電界緩和効果を発揮するためには、非線形抵抗材料１３を設ける部位の電界分布を把握することが重要である。そこで第１の実施形態では、高電圧側固定電極６から接地側固定電極７にかけての電界分布を調べている。第１の実施形態では、調べた電界分布に基づいて、電界強度が高い部分すなわち非線形抵抗材料１３を高電圧側固定電極６の周辺部１０付近から、接地側固定電極７に至るまで連続して塗布している。
【００２３】
このような非線形抵抗材料１３では、雷インパルス耐電圧試験時に高電圧側固定電極６に高電圧が印加されると、非線形抵抗材料１３へと高電圧が必ず印加されることになる。したがって、非線形抵抗材料１３は非線形抵抗特性を確実に動作させることができる。これにより、高電圧側固定電極６の周辺部１０付近の電界強度を的確に低減することができる。
【００２４】
この結果、非線形抵抗材料１３によって絶縁容器５の内表面１１における電界集中を緩和することができ、電界強度を絶縁性ガス８の絶縁破壊電界よりも低く抑制することが可能となる（図１の矢印Ｃ参照）。これにより、非線形抵抗素子１が無い状態での雷インパルス耐電圧試験を実施する場合においても、耐電圧性能を保つことができ、コンパクトで耐電圧信頼性の高い避雷器を提供することができる。
【００２５】
（２）第２の実施形態
［構成］
図４に第２の実施形態を示す。第２の実施形態は、前記第１の実施形態と同様、絶縁容器５の内表面１１に非線形抵抗材料１３を高電圧側固定電極６と連続して塗布した避雷器である。第２の実施形態の特徴は、非線形抵抗材料１３が高電圧側固定電極６を覆う部分の長さ寸法Ｌｏを、非線形抵抗材料１３の厚さ寸法ｄよりも長くした点にある。
【００２６】
［作用効果］
上記の第２の実施形態では、非線形抵抗材料１３の長さと厚さを検討し、高圧側固定電極６を覆う非線形抵抗材料１３の塗布長さ寸法Ｌｏを、非線形抵抗材料１３の厚さ寸法ｄよりも長くしている。このため、非線形抵抗材料１３と高圧側固定電極６との接続面積を、非線形抵抗材料１３の厚さ断面よりも大きくすることができる。
【００２７】
したがって、非線形抵抗材料１３の厚さ断面を通して流れる電流を、高圧側固定電極６から十分に供給することができる。その結果、非線形抵抗材料１３は電界緩和効果を確実に発揮することができる。これにより、非線形抵抗素子１が無い状態で耐電圧試験を行っても、絶縁容器５は耐電圧性能をいっそう安定して保つことが可能となる。
【００２８】
（３）第３の実施形態
［構成］
図５に第３の実施形態を示す。第３の実施形態は前記第１の実施形態と同様、絶縁容器５の内表面１１に非線形抵抗材料１３を高電圧側固定電極６と連続して塗布した避雷器である。第３の実施形態は、絶縁容器５の内表面１１に沿った非線形抵抗材料１３の塗布長さ寸法Ｌを、絶縁容器５の内表面１１の長さ寸法Ｈよりも短くした点に特徴がある。
【００２９】
［作用効果］
上記の第３の実施形態では、非線形抵抗材料１３の長さを検討して、非線形抵抗材料１３の塗布長さ寸法Ｌを、絶縁容器５の内表面１１自体の長さ寸法Ｈよりも短くすることで、非線形抵抗材料１３と接地側固定電極７との間には非線形抵抗材料１３は存在しない。したがって、高電圧側固定電極６と接地側固定電極７との間に、非線形抵抗材料１３を通る電流経路が無いことになる。
【００３０】
このため、通常のＡＣ運転電圧が避雷器に印加された状態で、非線形抵抗材料１３を通して微小な漏れ電流が、高電圧側固定電極６から接地側固定電極７へと流れることが無い。非線形抵抗材料１３に漏れ電流が流れなければ、非線形抵抗材料１３の劣化がなくなり、避雷器の運転状態における長時間信頼性が向上する。
【００３１】
また、耐電圧試験電圧として電圧値の最も大きい雷電圧に対しては、雷電圧の周波数が高い。そのため、非線形抵抗材料１３と導電性塗装９との間の静電容量１４を通して高周波電流が流れる。したがって、非線形抵抗材料１３は非線形抵抗特性を確実に動作させて、電界緩和効果を発揮することができる。
【００３２】
一般に絶縁容器５の絶縁寸法は最大の電圧値である雷電圧に対する絶縁で決まるので、非線形抵抗材料１３の電界緩和効果が確実であれば、絶縁寸法の削減が可能となる。以上述べたように、第３の実施形態によれば、絶縁信頼性を長時間高く保つことができ、且つコンパクト性に優れた避雷器を提供することが可能である。
【００３３】
（４）第４の実施形態
［構成］
図６を参照して第４の実施形態を示す。第４の実施形態は、前記第１の実施形態と同様、絶縁容器５の内表面１１に非線形抵抗材料１３を高電圧側固定電極６と連続して塗布した避雷器である。
【００３４】
第４の実施形態の特徴は、絶縁容器５の内表面１１に沿った非線形抵抗材料１３の塗布長さ寸法Ｌを次のように設定した点にある。すなわち、非線形抵抗材料１３の動作時の単位長さ当たりの残留抵抗ｒをＬ倍して非線形抵抗材料１３の抵抗値Ｒとする。非線形抵抗コーティング１１と導電性塗装９との間の単位長さ当たりの静電容量ｃをＬ倍して非線形抵抗材料１３の静電容量値Ｃとする。
【００３５】
これら非線形抵抗材料１３の抵抗値Ｒと静電容量値Ｃとの積ＣＲで決まる時間が雷インパルス電圧の半波高時間の１．５倍以上となるような長さで、且つ接地側固定電極７に届かない長さ以下に、非線形抵抗材料１３の塗布長さ寸法Ｌを設定する。また、非線形抵抗材料１３は高電圧側固定電極６と接地側固定電極７とを接続していないものとする。
【００３６】
［作用効果］
一般に、非線形抵抗材料１３によって絶縁容器５の内表面１１の電界を、目標とする電界Ｅａよりも低くするためには、非線形抵抗材料１３の塗布長さ寸法Ｌを、試験雷電圧Ｖａと目標電界Ｅａで決まる長さＶａ/Ｅａよりも長くする必要がある。
【００３７】
一方、非線形抵抗材料１３が高電圧側固定電極６と接地側固定電極７とを接続していない構成では、非線形抵抗材料１３の先端部１６の電界についても、電圧が高くなりすぎないように注意しなくてはならない。なぜなら、非線形抵抗材料１３の先端部１６の電圧が高くなれば、先端部１６の電界も高くなりやすく、絶縁信頼性低下の原因となる可能性があるためである。
【００３８】
非線形抵抗材料１３の塗布長さ寸法Ｌを接地側固定電極７まで長くすれば、非線形抵抗材料１３の先端部１６の影響については、これを減らすことが可能となる。しかし、その代わりに、塗布に必要な非線形抵抗材料１３の量が増えてコスト増加につながる。したがって、非線形抵抗材料１３の塗布長さ寸法Ｌは、非線形抵抗材料１３の先端部１６での電界増加の影響を抑制できる範囲で短くすることが望ましい。また、非線形抵抗材料１３の塗布長さ寸法Ｌを接地側固定電極７に達しない長さにすることは、運転ＡＣ電圧に対する漏れ電流を防止することにもなり、長期の材料劣化を防止する観点から言って好ましい。
【００３９】
第４の実施形態のように、非線形抵抗材料１３が高電圧側固定電極６と接地側固定電極７とを接続していない構成では、雷電圧印加時の非線形抵抗材料１３各部の電圧は、高電圧側固定電極６の電圧に近づくように変化する。この時の時定数は、非線形抵抗材料１３動作時の単位長さ当たりの残留抵抗ｒと、非線形抵抗材料１３と導電性塗装９との間の単位長さ当たりの静電容量ｃとよって決まる。
【００４０】
このため、絶縁容器５の内表面１１に沿った非線形抵抗材料１３の塗布長さ寸法Ｌを、前述した抵抗値Ｒ（＝残留抵抗ｒ×Ｌ）と静電容量値Ｃ（＝静電容量ｃ×Ｌ）との積ＣＲで決まる時間が雷インパルス電圧の半波高時間の１．５倍以上となるような長さに調整すれば、非線形抵抗材料１３の先端部１６の電界が高電界になるために必要な時間以前に、印加雷電圧そのものが低下してしまう。したがって、絶縁信頼性に影響するような電界値とはならない。
【００４１】
また、運転ＡＣ電圧に対しては非線形抵抗材料１３は動作しないので、通常のＡＣ運転電圧が避雷器に印加された状態では、非線形抵抗材料１３の抵抗は著しく高くなる。そのため、非線形抵抗材料１３と導電性塗装９との間の単位長さ当たりの静電容量１４の積から決まる時定数は十分に長くなって、非線形抵抗材料１３の先端部１６の電界は高くなりにくい。絶縁容器５の絶縁材料の誘電率を高くすることで上記時定数を長くすることができることから、絶縁容器５の誘電率との組合せで、時定数を調整する必要がある。
【００４２】
上記のように、第４の実施形態では、非線形抵抗材料１３の抵抗値Ｒと静電容量値Ｃとの積ＣＲで決まる時間が雷インパルス電圧の半波高時間の１．５倍以上となるような長さで、しかも接地側固定電極７に届かない範囲で、非線形抵抗材料１３の長さ寸法Ｌをできる限り短くしている。これにより、非線形抵抗材料１３の先端部１６の電界を抑制しながら、非線形抵抗材料１３の塗布長さ寸法Ｌを最大限に抑制し、且つコスト増を抑えることができる。したがって、長時間の絶縁信頼性を高く保つことができ、且つコンパクトな避雷器を提供することができる。
【００４３】
（５）第５の実施形態
［構成］
図７は第５の実施形態を示している。第５の実施形態に係る絶縁容器５は、内面側に非線形抵抗樹脂層１７が配置されている。非線形抵抗樹脂層１７は非線形抵抗特性を持つ樹脂製の円筒部材から構成されている。非線形抵抗樹脂層１７は高圧側固定電極６に電気的に接続され、接地側固定電極７には接続されていない。
【００４４】
［作用効果］
第５の実施形態では、絶縁容器５の内表面１１に沿って高電圧側固定電極６から接地側固定電極７へ向かって非線形抵抗樹脂層１７を構成するので、耐電圧試験時に高電圧側固定電極６に雷電圧が印加された場合に、非線形抵抗樹脂層１７によって絶縁筒内表面１１の高電圧側固定電極６周辺の電界集中を緩和することができる。
【００４５】
また、非線形抵抗樹脂層１７が高電圧側固定電極６と低電圧側固定電極７とを接続していないので、運転ＡＣ電圧印加時の漏れ電流を抑制することができ、非線形抵抗樹脂層１７の劣化を防止でき、長期にわたって絶縁信頼性を保障することできる。これにより、コンパクトで耐電圧信頼性の高い避雷器を提供することができる。
【００４６】
（６）他の実施形態
なお、上記の実施形態は、本明細書において一例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図するものではない。すなわち、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことが可能である。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。例えば、非線形抵抗材料は同等の機能を有する樹脂層であってもよい。また、非線形抵抗材料は、流体状に構成して絶縁容器の内面に塗布してもよいし、層状の部材として絶縁容器の内面に取り付けるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４７】
１…非線形抵抗素子
２…高電圧電極
３…接地電極
４…固定ユニット
５…絶縁容器
６…高電圧側固定電極
７…接地側固定電極
８…絶縁性ガス
９…導電性塗装
１０…高電圧固定電極の周辺部
１１…絶縁容器の内表面
１３…非線形抵抗材料
１４…静電容量
１６…非線形抵抗材料の先端部
１７…非線形抵抗樹脂層
Ｃ…静電容量値
ｃ…単位長さ当たりの静電容量
ｄ…非線形抵抗材料の厚さ寸法
Ｈ…絶縁容器の内表面の長さ寸法
Ｌ…非線形抵抗材料の塗布長さ寸法
Ｌｏ…非線形抵抗材料が高電圧側固定電極を覆う部分の長さ寸法
Ｒ…抵抗値
ｒ…単位長さ当たりの残留抵抗
【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】
2013235909.tif 000009
【図８】
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