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技術 イオン移動の認識方法

出願人 関西電力株式会社
発明者 多田利春
出願日 2005年6月21日 (14年1ヶ月経過) 出願番号 2005-180775
公開日 2007年1月11日 (12年7ヶ月経過) 公開番号 2007-005383
状態 特許登録済
技術分野 短絡、断線、漏洩,誤接続の試験 サーミスタ・バリスタ
主要キーワード 全漏れ電流 課電装置 不平衡状態 周辺設備 課電状態 絶縁外被体 開閉サージ ZnO粒子
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2007年1月11日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (8)

課題

高額な電子顕微鏡エックス線アナライザーを使用することなく、簡便な手段により、無課電状態における素子内部のイオン移動状況を把握する。

解決手段

特性パラメータとしての抵抗漏れ電流irが劣化により経時的に変化する避雷器限流素子について、その素子温度を一定に保持した状態で、前記限流素子への課電と無課電をその無課電時間tr1,tr2,tr3を異ならせながら繰り返し、その課電時に限流素子に流れる抵抗漏れ電流irの変化を測定することにより、各無課電時間tr1,tr2,tr3が異なることによって現出した抵抗漏れ電流irの変化に基づいて無課電時の素子内部におけるイオン移動の状況を把握する。

概要

背景

例えば変電所などに設置される避雷器は、落雷による雷サージや、開閉器遮断器などの入り切りによる開閉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サージから保護するものである。

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限流素子を積層し、その積層体外周面に、弾性を有するポリマーやEPDM等の絶縁外被体被着した構造を有する。

雷サージや開閉サージによる異常電圧が発生すると、サージ電流が限流素子を介して大地へ流れる。このとき、異常電圧に対して限流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、限流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、変電所に設置された避雷器の周辺設備を保護している。

この避雷器では、課電時の初期において、抵抗漏れ電流が一旦減少し、その課電時間の経過と共に増大する性質を有する。この課電初期において、抵抗漏れ電流が減少するのは、限流素子内部に存在する酸素イオンが課電中に拡散して外部へ放出されるためである。なお、この酸素イオンは、無課電中に外部から限流素子内部に吸収される。この酸素イオンが拡散して外部へ放出されることにより、抵抗漏れ電流は、課電時間と共に指数関数的に減少する。一方、課電時間の経過と共に抵抗漏れ電流が増大するのは、限流素子内部の亜鉛イオンがその濃度勾配に比例して拡散するためである。この亜鉛イオンが拡散することにより、抵抗漏れ電流は、課電時間と共にその課電時間の平方根に比例して増大する。

概要

高額な電子顕微鏡エックス線アナライザーを使用することなく、簡便な手段により、無課電状態における素子内部のイオン移動状況を把握する。特性パラメータとしての抵抗漏れ電流irが劣化により経時的に変化する避雷器の限流素子について、その素子温度を一定に保持した状態で、前記限流素子への課電と無課電をその無課電時間tr1,tr2,tr3を異ならせながら繰り返し、その課電時に限流素子に流れる抵抗漏れ電流irの変化を測定することにより、各無課電時間tr1,tr2,tr3が異なることによって現出した抵抗漏れ電流irの変化に基づいて無課電時の素子内部におけるイオン移動の状況を把握する。

目的

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、高額な電子顕微鏡やエックス線アナライザーを使用することなく、簡便な手段により、無課電状態における素子内部のイオン移動状況を把握し得るイオン移動の認識方法を提供することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
2件
牽制数
0件

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請求項1

特性パラメータとしての所定電流劣化により経時的に変化する素子について、その素子温度を一定に保持した状態で、前記素子への課電と無課電をその無課電時間を異ならせながら繰り返し、その課電時に素子に流れる前記所定電流の変化を測定することにより、各無課電時間が異なることによって現出した所定電流の変化に基づいて無課電時の素子内部におけるイオン移動の状況を把握することを特徴とするイオン移動の認識方法

請求項2

前記素子は酸化亜鉛を主成分とする限流素子で、特性パラメータとしての所定電流を抵抗漏れ電流とした請求項1に記載のイオン移動の認識方法。

請求項3

前記素子は、抵抗漏れ電流が経時的に増大する特性を有する限流素子である請求項2に記載のイオン移動の認識方法。

技術分野

0001

本発明は、例えば、酸化亜鉛を主成分とする限流素子で構成された避雷器に対して、経時的な劣化の程度により現出した漏れ電流の変化に基づいて限流素子内部でのイオン移動状況を把握するイオン移動認識方法に関する。

背景技術

0002

例えば変電所などに設置される避雷器は、落雷による雷サージや、開閉器遮断器などの入り切りによる開閉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限流素子を積層し、その積層体外周面に、弾性を有するポリマーやEPDM等の絶縁外被体被着した構造を有する。

0004

雷サージや開閉サージによる異常電圧が発生すると、サージ電流が限流素子を介して大地へ流れる。このとき、異常電圧に対して限流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、限流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、変電所に設置された避雷器の周辺設備を保護している。

0005

この避雷器では、課電時の初期において、抵抗漏れ電流が一旦減少し、その課電時間の経過と共に増大する性質を有する。この課電初期において、抵抗漏れ電流が減少するのは、限流素子内部に存在する酸素イオンが課電中に拡散して外部へ放出されるためである。なお、この酸素イオンは、無課電中に外部から限流素子内部に吸収される。この酸素イオンが拡散して外部へ放出されることにより、抵抗漏れ電流は、課電時間と共に指数関数的に減少する。一方、課電時間の経過と共に抵抗漏れ電流が増大するのは、限流素子内部の亜鉛イオンがその濃度勾配に比例して拡散するためである。この亜鉛イオンが拡散することにより、抵抗漏れ電流は、課電時間と共にその課電時間の平方根に比例して増大する。

発明が解決しようとする課題

0006

前述したように、この避雷器では、課電初期において、限流素子内部に存在する酸素イオンが拡散して外部へ放出されることにより、抵抗漏れ電流が指数関数的に一旦減少し、その課電時間の経過と共に、限流素子内部の亜鉛イオンがその濃度勾配に比例して拡散することにより、抵抗漏れ電流が課電時間の平方根に比例して増大する。

0007

このように限流素子の内部では、課電中に酸素イオンや亜鉛イオンが移動するが、このイオン移動状況を把握するためには、従来、電子顕微鏡などにより限流素子の素材組成変化を観察したり、あるいは、エックス線アナライザーなどによって素材からの反射信号解析して組成変化を観察したりする手段が講じられていた。

0008

しかしながら、限流素子内部のイオン移動状況を把握するために、高額な電子顕微鏡やエックス線アナライザーを使用しなければならず、専門的な解析技術を必要とする。また、無課電状態における限流素子内部のイオン移動状況を把握することが困難であった。

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、高額な電子顕微鏡やエックス線アナライザーを使用することなく、簡便な手段により、無課電状態における素子内部のイオン移動状況を把握し得るイオン移動の認識方法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、特性パラメータとしての所定電流が劣化により経時的に変化する素子について、その素子温度を一定に保持した状態で、前記素子への課電と無課電をその無課電時間を異ならせながら繰り返し、その課電時に素子に流れる前記所定電流の変化を測定することにより、各無課電時間が異なることによって現出した所定電流の変化に基づいて無課電時の素子内部におけるイオン移動の状況を把握することを特徴とする。

0011

ここで、素子としては、例えば酸化亜鉛を主成分とする限流素子が適用可能であり、その限流素子で構成された避雷器を、イオン移動状況を把握するための対象物とする。この避雷器の限流素子を使用する場合、特性パラメータとしての所定電流を抵抗漏れ電流とすればよい。なお、この抵抗漏れ電流は、容量漏れ電流を加えることにより全漏れ電流となることから、この全漏れ電流は抵抗漏れ電流に比例するため、抵抗漏れ電流の代わりに全漏れ電流を特性パラメータとしての所定電流とすることも可能である。また、第一世代と称される避雷器においては、抵抗漏れ電流が課電時間と共に増大する特性を有するが、第二世代と称される避雷器においては、抵抗漏れ電流が課電時間と共に減衰する特性を有する。本発明は、第一世代あるいは第二世代のいずれの避雷器においても適用可能である。

0012

本発明を、限流素子を具備した避雷器に適用した場合、まず、密閉性の高い恒温槽内に限流素子を設置することによりその限流素子温度を一定に保持する。この状態で限流素子への課電と無課電を繰り返す。つまり、限流素子に所定の電圧印加すると、無課電で平衡状態にあった素子内部が不平衡状態となってその素子内部でイオン移動が発生し、次に、限流素子への電圧印加を停止すると、素子内部でのイオンが元の平衡状態に戻ろうとする。

0013

このようにして限流素子への課電と無課電を繰り返すに際して、無課電時間を異ならせることにより、課電時に限流素子に流れる抵抗漏れ電流が変化する。この抵抗漏れ電流を測定することにより、各無課電時間が異なることにより現出した抵抗漏れ電流の変化に基づいて、無課電時にイオン移動がどのような状況で発生しているかを把握することができる。なお、課電時におけるイオン移動については、その課電時での抵抗漏れ電流の増減から直接的に把握することが可能である。

0014

本発明は、前述したように避雷器を構成する限流素子に適用する以外に、電子部品であるダイオードにも適用可能であり、この場合、特性パラメータとしての所定電流を逆電流とすればよい。

発明の効果

0015

本発明によれば、特性パラメータとしての所定電流が劣化により経時的に変化する素子について、その素子温度を一定に保持した状態で、前記素子への課電と無課電をその無課電時間を異ならせながら繰り返し、その課電時に素子に流れる前記所定電流の変化を測定することにより、各無課電時間が異なることによって現出した所定電流の変化に基づいて無課電時の素子内部におけるイオン移動の状況を把握するので、高額な電子顕微鏡やエックス線アナライザーを使用することなく、簡便な手段により、無課電状態における素子内部のイオン移動状況を把握することができ、その実用的価値は大きい。

発明を実施するための最良の形態

0016

本発明の実施形態を詳述する。以下の実施形態では、特性パラメータとしての所定電流が劣化により経時的に変化する素子として、酸化亜鉛を主成分とする限流素子を適用し、その限流素子で構成された避雷器を、イオン移動状況を把握するための対象物とする。この場合、特性パラメータとしての所定電流を抵抗漏れ電流とする。また、この実施形態では、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)を対象とする。

0017

この実施形態で使用する避雷器1は、図1(a)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限流素子2を積層し、その積層体〔同図(b)参照〕の外周面を、弾性を有するポリマーやEPDM等の絶縁外被体3で被覆した構造を有する。

0018

この避雷器1では、雷サージや開閉サージによる異常電圧が発生すると、サージ電流が限流素子2を介して大地へ流れる。このとき、異常電圧に対して限流素子2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、限流素子2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、変電所に設置された避雷器1の周辺設備を保護している。

0019

図2に示すように、この避雷器1の限流素子2を密閉性の高い恒温槽4内に設置することによりその限流素子温度を一定(例えば65℃)に保持する。この状態で加速寿命試験により限流素子2への課電と無課電を繰り返す。この加速寿命試験では、恒温槽4内に設置された限流素子2について、その両端に取り付けれた電極5を介して、課電装置6内の交流定電圧源7から例えば3kVの電圧を限流素子2に印加し、その課電中に発生した抵抗漏れ電流を課電装置6内の計測器8により測定する。

0020

限流素子2への課電と無課電を繰り返すことにより、その限流素子2に流れる抵抗漏れ電流の特性を図3に示す。図3では、横軸を時間t、縦軸を抵抗漏れ電流irとし、無課電時間tr1,tr2,tr3については、実際上、時間幅を有するが、抵抗漏れ電流irが流れないことから、都合上、時間幅がない状態で表している。

0021

この限流素子2への課電と無課電の繰り返しにおいて、課電装置6の交流定電圧源7により恒温槽4内の限流素子2に所定電圧を印加すると、無課電で平衡状態にあった素子内部が不平衡状態となってその素子内部でイオン移動が発生し、次に、限流素子2への電圧印加を停止すると、素子内部でのイオンが元の平衡状態に戻ろうとする。つまり、図3に示すように課電時の初期において、抵抗漏れ電流irが一旦減少し、その課電時間tの経過と共に増大する。

0022

ここで、図4は課電中における限流素子内部の電位障壁の模式図であり、図5は無課電中における限流素子内部の電位障壁の模式図である。限流素子内部は、空乏層となるZnO粒子とBi2O3からなる粒界層で構成されている。

0023

この課電初期において、抵抗漏れ電流irが減少するのは、図4に示すように限流素子2の内部に存在する酸素イオンが拡散して強制的に粒界層の界面に沿って外部へ放出されるためである。なお、酸素イオンは、無課電中に外部から限流素子2の内部に吸収される(図5参照)。この酸素イオンは、その反応速度が濃度に比例しながら放出あるいは吸収される。このように課電中に酸素イオンが拡散して外部へ放出されることにより、抵抗漏れ電流irは、課電時間tと共に指数関数的に減少する。つまり、この酸素イオンが拡散して放出されることによる抵抗漏れ電流irは、その初期値をirdn、課電時間をtとすると、ir=irdn・e-H・tの関係式(Hは係数、n=0,1,2,‥)を満足するように課電時間tと共に減少する。

0024

一方、課電時間tの経過と共に抵抗漏れ電流irが増大するのは、図4に示すように限流素子内部の亜鉛イオンが強制的に粒界層の界面方向へ拡散するためである。なお、亜鉛イオンは、無課電中に粒界層の界面方向と反対方向へ拡散して元の状態に戻る。このように課電中に亜鉛イオンが粒界層の界面方向へ拡散することにより、抵抗漏れ電流irは、課電時間tと共にその課電時間tの平方根に比例して増大する。つまり、この亜鉛イオンが拡散することによる抵抗漏れ電流irは、その初期値をir0n、課電時間をtとすると、抵抗漏れ電流irは、ir=ir0n(1+h√t)の関係式(hは係数,n=0,1,2,‥)を満足するように課電時間tと共に上昇する。

0025

このようにして限流素子2への課電と無課電を繰り返すに際して、無課電時間tr1,tr2,tr3を異ならせることにより、課電時に限流素子2に流れる抵抗漏れ電流irが変化する。この抵抗漏れ電流irを課電装置6内の計測器8で測定することにより、各無課電時間tr1,tr2,tr3が異なることにより現出した抵抗漏れ電流irの変化に基づいて、無課電時にイオン移動がどのような状況で発生しているかを把握することができる。

0026

つまり、各無課電時間tr1,tr2,tr3が異なることにより変化する抵抗漏れ電流ir01,ir02,ir03に基づく無課電時におけるイオン移動状況を図6に示す。図6では、横軸を無課電時間trの平方根とし、縦軸を抵抗漏れ電流irとする。図6に示すように抵抗漏れ電流ir01,ir02,ir03が減少する傾向にあり、この場合、限流素子2の内部において亜鉛イオンが拡散して元の状態へ戻る状況を把握することができる。

0027

また、各無課電時間tr1,tr2,tr3が異なることにより変化する抵抗漏れ電流ird1,ird2,ird3に基づく無課電時におけるイオン移動状況を図7に示す。図7では、横軸を無課電時間trとし、縦軸を抵抗漏れ電流irとする。図7に示すように抵抗漏れ電流ird1,ird2,ird3が増加する傾向にあり、この場合、酸素イオンが限流素子2の外部から内部へ吸収される状況を把握することができる。

0028

前述した抵抗漏れ電流ir01,ir02,ir03およびird1,ird2,ird3は、図3に示すように抵抗漏れ電流ir1,ir2,ir3を課電装置6内の計測器8により実際に測定し、その抵抗漏れ電流ir1,ir2,ir3から割り出すことにより求められる。つまり、抵抗漏れ電流ir01,ir02,ir03については、ir=ir0n(1+h√t)の関係式において課電時間t=0の時の値として求められ、抵抗漏れ電流ird1,ird2,ird3については、測定値である抵抗漏れ電流ir1,ir2,ir3と前述の抵抗漏れ電流ir01,ir02,ir03との差として求められる(図3参照)。

0029

なお、課電時におけるイオン移動については、その課電時での抵抗漏れ電流irの増減から直接的に把握することが可能である。つまり、前述したように抵抗漏れ電流irが減少する場合には、酸素イオンが外部へ放出する状態にあり、抵抗漏れ電流irが増加する場合には、亜鉛イオンが拡散する状態にある。

図面の簡単な説明

0030

(a)は避雷器を示す一部断面を含む正面図、(b)は避雷器に内蔵された複数の限流素子を積層した状態を示す正面図である。
加速寿命試験において課電と無課電を繰り返す装置設備を示す概略構成図である。
限流素子への課電と無課電を繰り返すことにより、その限流素子に流れる抵抗漏れ電流を示す特性図である。
課電中における限流素子内部の電位障壁を示す模式図である。
無課電中における限流素子内部の電位障壁を示す模式図である。
各無課電時間が異なることにより変化する抵抗漏れ電流ir01,ir02,ir03に基づく無課電時におけるイオン移動状況を示す特性図である。
各無課電時間が異なることにより変化する抵抗漏れ電流ird1,ird2,ird3に基づく無課電時におけるイオン移動状況を示す特性図である。

符号の説明

0031

1避雷器
2限流素子
ir 抵抗漏れ電流

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