(57)【要約】【課題】  雷電流の通過による熱応力でもって非線形抵抗素子に発生するひび割れを容易に抑制する。【解決手段】  サージ電圧に対しては低抵抗、通常の対地電圧に対しては高抵抗を示す非直線性の電流電圧特性を有する酸化亜鉛を主成分とする複数の非線形抵抗素子２ａ，２ｂ，２ｃを積層し、その積層体の外周面に絶縁外被体を被着した避雷器において、各非線形抵抗素子２ａ，２ｂ，２ｃの積層面に、雷電流の通過による熱応力で発生するひび割れを抑制するひび割れ抑制手段３として、導電性を有する金属部材３ａ，３ｂ，３ｃを接合する。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
サージ電圧に対しては低抵抗、通常の対地電圧に対しては高抵抗を示す非直線性の電流電圧特性を有する酸化亜鉛を主成分とする複数の非線形抵抗素子を積層し、その積層体の外周面に絶縁外被体を被着した避雷器において、前記各非線形抵抗素子に、雷電流の通過による熱応力で発生するひび割れを抑制するひび割れ抑制手段を設けたことを特徴とする避雷器。
【請求項２】
前記ひび割れ抑制手段は、導電性を有する金属部材を前記各非線形抵抗素子の積層面に接合した請求項１に記載の避雷器。
【請求項３】
前記ひび割れ抑制手段は、非線形抵抗素子に凹所を設けて隣接する非線形抵抗素子との間で連通する冷却媒体用通路を形成した請求項１に記載の避雷器。
【請求項４】
前記ひび割れ抑制手段は、複数の非線形抵抗素子を最小個数で積層した積層体で構成した請求項１に記載の避雷器。
【請求項５】
前記非線形抵抗素子は、その断面形状の縦横比が１よりも小さい円盤状である請求項１〜４のいずれか一項に記載の避雷器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化亜鉛を主成分とする複数の非線形抵抗素子を積層した積層体を絶縁外被体で被覆した避雷器に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば発電所や変電所などに設置される避雷器は、落雷による雷サージに起因して異常電圧が発生した際にその周辺設備をサージから保護するものである。
【０００３】
この避雷器は、サージ電圧に対しては低抵抗、通常の対地電圧に対しては高抵抗を示す非直線性の電流電圧特性を有する酸化亜鉛（ＺｎＯ）を主成分とする複数の非線形抵抗素子を積層し、その積層体の外周面に、弾性を有するポリマーやＥＰＤＭ等の絶縁外被体を被着した構造を有する。
【０００４】
雷サージによる異常電圧が発生すると、雷電流が非線形抵抗素子を介して大地へ流れる。このとき、異常電圧に対して非線形抵抗素子が低抵抗値となってこれを瞬時に大地に逃がし、その異常電圧が消滅すれば、非線形抵抗素子が高抵抗値となって通常の対地電圧を遮断する。この弁作用により、発電所や変電所などに設置された避雷器の周辺設備を保護している。
【０００５】
この発電所や変電所などに設置された避雷器に組み込まれる非線形抵抗素子は、ＺｎＯを主成分とし、Ｂｉ2Ｏ3等の添加物を加えた焼結体で、例えば、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ある（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特許第２５７２８８２号公報
【特許文献２】特開２００７−７３９２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、従来の避雷器を構成する非線形抵抗素子は、前述したようにＺｎＯを主成分とし、Ｂｉ2Ｏ3等の添加物を加えた焼結体であり、多数のＺｎＯ粒子と、それらＺｎＯ粒子間に形成されたＢｉ2Ｏ3等の粒界層との界面には空乏層が存在する。この非線形抵抗素子では、経年によって非線形特性機能が低下し、酸素格子イオンの放出によって空乏層内の応力が大きくなり、微小なひび割れが空乏層に生じる（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
このように微小なひび割れが空乏層に生じると、粒界層の接着機能が失われると共に非線形抵抗素子全体へのひび割れに進展する。また、この非線形抵抗素子を雷電流が通過することによる温度上昇でもって非線形抵抗素子が膨張し、その膨張時の素子円周方向の伸びと半径方向の伸びとに差が生じると熱応力が発生する。この熱応力が原因で、非線形抵抗素子のひび割れが発生しやすいというのが現状であった。
【０００８】
近年、地球温暖化に伴って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、停電防止策および電気設備保護の目的で発電所や変電所などに取り付けられる避雷器の数が膨大であり、さらに、近年のコンピュータ普及の視点から無停電が要求されることからも、避雷器の設置台数が増加する傾向にある。このような状況の下、非線形抵抗素子のひび割れが発生した避雷器は取替えを要するため、その取替え作業では停電状態になると共に費用を要することになる。
【０００９】
そこで、本発明は、前述の問題点に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、雷電流の通過による熱応力でもって非線形抵抗素子に発生するひび割れを容易に抑制し得る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】
【００１０】
前述の目的を達成するための技術的手段として、本発明は、サージ電圧に対しては低抵抗、通常の対地電圧に対しては高抵抗を示す非直線性の電流電圧特性を有する酸化亜鉛を主成分とする複数の非線形抵抗素子を積層し、その積層体の外周面に絶縁外被体を被着した避雷器において、各非線形抵抗素子に、雷電流の通過による熱応力で発生するひび割れを抑制するひび割れ抑制手段を設けたことを特徴とする。
【００１１】
そのひび割れ抑制手段としては、導電性を有する金属部材を各非線形抵抗素子の積層面に接合したり、あるいは、非線形抵抗素子に凹所を設けて隣接する非線形抵抗素子との間で連通する冷却媒体用通路を形成したりすることが有効である。
【００１２】
本発明では、積層体を構成する各非線形抵抗素子に雷電流が通過することによる温度上昇でもって非線形抵抗素子が膨張し、その膨張時の素子円周方向の伸びと半径方向の伸びとに差が生じると熱応力が発生する。この熱応力が原因で非線形抵抗素子に発生するひび割れを前述したひび割れ抑制手段により防止する。
【００１３】
この非線形抵抗素子は、ＺｎＯを主成分とし、Ｂｉ2Ｏ3等の添加物を加えた焼結体であることから、積層体を構成する各非線形抵抗素子が接触する積層面は粗面となっており、各非線形抵抗素子の積層面間での接触抵抗が大きい。その結果、雷電流の通過により各非線形抵抗素子の積層面間で温度が上昇し易く、その積層面の一部が軟化したり、その軟化による凹穴が発生し易い。この温度上昇により発生した熱応力の作用により、軟化または凹穴が起因となってひび割れが生じることになる。
【００１４】
そこで、ひび割れ抑制手段の一つとして、導電性を有する金属部材を各非線形抵抗素子の積層面に接合する。この場合、その金属部材で各非線形抵抗素子が接触する面を平坦な鏡面とし、各非線形抵抗素子の金属部材の接合面間での接触抵抗を低下させることができる。これにより、雷電流の通過による温度上昇でもって発生した熱応力の作用により、非線形抵抗素子の一部が軟化したり、その軟化による凹穴が発生する現象を回避し、軟化または凹穴を起因とするひび割れを抑制する。
【００１５】
また、他のひび割れ抑制手段として、非線形抵抗素子に凹所を設けて隣接する非線形抵抗素子との間で連通する冷却媒体用通路を形成する。この場合、凹所により各非線形抵抗素子間に形成された通路に冷却媒体を流すことによって、各非線形抵抗素子を冷却することができる。これにより、非線形抵抗素子における温度上昇を抑制することで熱応力の発生を回避し、ひび割れの発生を防止する。
【００１６】
さらに、他のひび割れ抑制手段としては、複数の非線形抵抗素子を最小個数で積層した積層体で構成することも有効である。ここで、「最小個数」とは、製造可能な最大限の大きさを有する非線形抵抗素子を使用し、その積層個数を最小限にすることを意味する。このように非線形抵抗素子の積層個数を最小限にできれば、各非線形抵抗素子の積層面の数を低減することで、雷電流の通過による温度上昇で熱応力が発生することを抑制し、ひび割れの発生を防止できる。
【００１７】
なお、複数の非線形抵抗素子を一体化することにより、非線形抵抗素子の積層個数を最小限にして単一の非線形抵抗素子を製造することが可能となれば、非線形抵抗素子の積層面がなくなることになり、雷電流の通過による温度上昇で熱応力が発生することをより一層抑制することができ、ひび割れを飛躍的に少なくすることができる。
【００１８】
本発明における非線形抵抗素子は、その断面形状の縦横比が１よりも小さい円盤状であることが望ましい。断面形状の縦横比が１よりも小さい円盤状の非線形抵抗素子は、通常、発電所や変電所などに設置される避雷器に使用される。このように断面形状の縦横比が１よりも小さい円盤状の非線形抵抗素子では、素子の軸中心部分と周縁部分とで温度差が大きくなる温度分布となるため、雷電流の通過による温度上昇で大きな熱応力が発生し易く、ひび割れが発生し易いことから、本発明を適用することが有効な手段である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、各非線形抵抗素子に、雷電流の通過による熱応力で発生するひび割れを抑制するひび割れ抑制手段を設けたことにより、積層体を構成する各非線形抵抗素子に雷電流が通過することによる温度上昇でもって非線形抵抗素子が膨張し、その膨張時の素子円周方向の伸びと半径方向の伸びとに差が生じると熱応力が発生する。この熱応力が原因で非線形抵抗素子にひび割れが発生することを防止できる。
【００２０】
その結果、雷による避雷器の故障が低減するため、避雷器の取替えに要するコストや労働力を節約することができる。また、避雷器の信頼度が向上するため、地球温暖化によって雷頻度と雷電流が増加しても電力供給の信頼度が向上することになる。さらに、雷による避雷器の劣化も低減するため、避雷器の長寿命化が図れ、経年による取替え台数も低減して設備投資費を節約することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明に係る避雷器の実施形態を以下に詳述する。図１は以下の各実施形態で共通する避雷器の概略的な構成を示し、図２および図３は本発明の第一の実施形態、図４および図５は本発明の第二の実施形態、図６および図７は本発明の第三の実施形態を示す。
【００２２】
なお、本発明は、抵抗漏れ電流が課電時間と共に増加する限流素子で構成された避雷器（第一世代）や、抵抗漏れ電流が課電時間と共に減衰する限流素子で構成された避雷器（第二世代）に適用可能である。
【００２３】
各実施形態における避雷器１は、図１に示すようにサージ電圧に対しては低抵抗、通常の対地電圧に対しては高抵抗を示す非直線性の電流電圧特性を有する酸化亜鉛（ＺｎＯ）を主成分とする複数の非線形抵抗素子２を積層し、その積層体の外周面を、弾性を有するポリマーやＥＰＤＭ等の絶縁外被体４で被覆した構造を有する。通常、発電所や変電所などに設置される避雷器１に使用される非線形抵抗素子２は、その断面形状の縦横比が１よりも小さい円盤状をなす。
【００２４】
この避雷器１に使用される非線形抵抗素子２は、低抵抗の主成分としてのＺｎＯ（酸化亜鉛）と、高抵抗の添加物としてのＢｉ2Ｏ3（酸化ビスマス）、ＣｏＯ（酸化コバルト）、Ｃｒ2Ｏ3（酸化クロム）、ＭｎＯ（酸化マンガン）、Ｓｂ2Ｏ3（酸化アンチモン）等で組成され、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、混合、造粒、成形および焼成の各工程を経て製造されるセラミックス（焼結体）である。
【００２５】
第一の実施形態における避雷器１は、図２および図３に示すように、雷電流の通過による熱応力で発生するひび割れを抑制するひび割れ抑制手段３として、導電性を有する金属部材３ａ，３ｂ，３ｃを各非線形抵抗素子２ａ，２ｂ，２ｃの積層面に接合した構造を具備する。
【００２６】
この非線形抵抗素子２ａ，２ｂ，２ｃは、ＺｎＯを主成分とし、Ｂｉ2Ｏ3等の添加物を加えた焼結体であることから、従来の避雷器においては、積層体を構成する各非線形抵抗素子が接触する積層面は粗面となっており、各非線形抵抗素子の積層面間での接触抵抗が大きい。その結果、雷電流の通過により各非線形抵抗素子の積層面間で温度が上昇し易く、その積層面の一部が軟化したり、その軟化による凹穴が発生し易い。この温度上昇により発生した熱応力の作用により、軟化または凹穴が起因となってひび割れが生じることになる。
【００２７】
そこで、導電性を有する金属部材３ａ，３ｂ，３ｃを各非線形抵抗素子２ａ，２ｂ，２ｃの積層面に接合することにより、各非線形抵抗素子２ａ，２ｂ，２ｃが接触する面を平坦な鏡面とし、各非線形抵抗素子２ａ，２ｂ，２ｃの金属部材３ａ，３ｂ，３ｃの接合面間での接触抵抗を低下させる。これにより、雷電流の通過による温度上昇でもって発生した熱応力の作用により、非線形抵抗素子２ａ，２ｂ，２ｃの一部が軟化したり、その軟化による凹穴が発生する現象を回避し、軟化または凹穴を起因とするひび割れを抑制する。
【００２８】
なお、前述した金属部材３ａ，３ｂ，３ｃとしては、スズなどの高導電率物質からなる金属膜を各非線形抵抗素子２ａ，２ｂ，２ｃの積層面に塗布、あるいは蒸着または爆着（爆発圧接）などの手段により被着させたり、スズなどの高導電率物質からなる金属板を各非線形抵抗素子２ａ，２ｂ，２ｃの積層面に接着材により接合したりすることにより実現可能である。
【００２９】
次に、第二の実施形態における避雷器１は、図１に示すようにサージ電圧に対しては低抵抗、通常の対地電圧に対しては高抵抗を示す非直線性の電流電圧特性を有する酸化亜鉛（ＺｎＯ）を主成分とする複数の非線形抵抗素子２を積層し、その積層体の外周面を、弾性を有するポリマーやＥＰＤＭ等の絶縁外被体４で被覆した構造において、雷電流の通過による熱応力で発生するひび割れを抑制するひび割れ抑制手段３として、図４および図５に示すように各非線形抵抗素子２ｄ，２ｅ，２ｆに凹所としての直線状の凹溝３ｄ，３ｅ，３ｆを形成し、積層により隣接する非線形抵抗素子との間で冷却媒体用通路を形成した構造としている。
【００３０】
この実施形態では、非線形抵抗素子２ｄ，２ｅ，２ｆの一方の積層面に形成された凹溝３ｄ，３ｅ，３ｆを例示しているが、他方の積層面に凹溝を形成することも可能である。また、この実施形態では、直線状の凹溝３ｄ，３ｅ，３ｆを例示しているが、曲線状や蛇行状などの他の形状であってもよく、この場合、雷電流の通過による非線形抵抗素子２ｄ，２ｅ，２ｆの積層面での温度分布に応じて凹溝３ｄ，３ｅ，３ｆの形状を選定すればよい。
【００３１】
また、第三の実施形態における避雷器１は、図１に示すようにサージ電圧に対しては低抵抗、通常の対地電圧に対しては高抵抗を示す非直線性の電流電圧特性を有する酸化亜鉛（ＺｎＯ）を主成分とする複数の非線形抵抗素子２を積層し、その積層体の外周面を、弾性を有するポリマーやＥＰＤＭ等の絶縁外被体４で被覆した構造において、図６および図７に示すように各非線形抵抗素子２ｇ，２ｈ，２ｉの中心に凹所として軸方向に延びる凹孔３ｇ，３ｈ，３ｉを貫通形成し、積層により隣接する非線形抵抗素子との間で連通する冷却媒体用通路を形成した構造を具備する。この実施形態では、各非線形抵抗素子２ｇ，２ｈ，２ｉの中心に形成された一つの凹孔３ｇ，３ｈ，３ｉを例示しているが、雷電流の通過による非線形抵抗素子２ｇ，２ｈ，２ｉの積層面での温度分布に応じて複数の凹孔３ｇ，３ｈ，３ｉを形成するようにしてもよい。
【００３２】
なお、冷却媒体としては、ＳＦ6ガスなどを使用すればよい。また、ＳＦ6ガスなどの気体を使用する以外に、凹溝３ｄ，３ｅ，３ｆや凹孔３ｇ，３ｈ，３ｉからなる通路に高熱伝導率の物質を挿通させるようにしてもよい。
【００３３】
これら第二の実施形態および第三の実施形態における避雷器１では、雷電流の通過による熱応力で発生するひび割れを抑制するひび割れ抑制手段３として、各非線形抵抗素子２ｄ，２ｅ，２ｆに凹溝３ｄ，３ｅ，３ｆを形成したり、あるいは各非線形抵抗素子２ｇ，２ｈ，２ｉに凹孔３ｇ，３ｈ，３ｉを形成することにより、積層により隣接する非線形抵抗素子との間で連通する冷却媒体用通路を形成したことにより、凹溝３ｄ，３ｅ，３ｆあるいは凹孔３ｇ，３ｈ，３ｉで各非線形抵抗素子間に形成された通路に冷却媒体を流すことによって、各非線形抵抗素子２ｄ〜２ｉを冷却することができる。これにより、各非線形抵抗素子２ｄ〜２ｉにおける温度上昇を抑制することで熱応力の発生を回避し、ひび割れの発生を防止する。
【００３４】
これら第一〜第三の実施形態では、断面形状の縦横比が１よりも小さい円盤状の非線形抵抗素子２ａ〜２ｉを使用した場合について説明したが、このような円盤状の非線形抵抗素子２ａ〜２ｉでは、素子の軸中心部分と周縁部分とで温度差が大きくなる温度分布となるため、雷電流の通過による温度上昇で大きな熱応力が発生し易く、ひび割れが発生し易いことから、ひび割れ抑制手段を設けることは有効な手段である。
【００３５】
なお、以上で説明した避雷器は、複数の非線形抵抗素子を最小個数で積層した積層体で構成することも可能である。理想的には、第一の実施形態や第二の実施形態で説明した複数の非線形抵抗素子を一体化した単一の非線形抵抗素子を絶縁外被体で被覆した構造が望ましい。この避雷器では、非線形抵抗素子の積層個数を最小限、つまり、一つにすることで、非線形抵抗素子の積層面がなくなることになり、雷電流の通過による温度上昇で熱応力が発生することをより一層抑制することができ、その熱応力でもって発生するひび割れを飛躍的に少なくすることができる。
【００３６】
本発明は前述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の各実施形態で共通する避雷器の概略構成を示す正面図である。
【図２】本発明の第一の実施形態で、（Ａ）は避雷器を構成する非線形抵抗素子を示す平面図、（Ｂ）は（Ａ）の正面図である。
【図３】本発明の第一の実施形態で、図２の非線形抵抗素子を積層した状態を示す斜視図である。
【図４】本発明の第二の実施形態で、（Ａ）は避雷器を構成する非線形抵抗素子を示す平面図、（Ｂ）は（Ａ）の正面図である。
【図５】本発明の第二の実施形態で、図４の非線形抵抗素子を積層した状態を示す斜視図である。
【図６】本発明の第三の実施形態で、（Ａ）は避雷器を構成する非線形抵抗素子を示す平面図、（Ｂ）は（Ａ）の正面図である。
【図７】本発明の第三の実施形態で、図６の非線形抵抗素子を積層した状態を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  避雷器
２  非線形抵抗素子
２ａ〜２ｉ  非線形抵抗素子
３  ひび割れ抑制手段
３ａ〜３ｃ  金属部材
３ｄ〜３ｆ  凹溝
３ｇ〜３ｉ  凹孔
【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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