JP2016131415A - ガス絶縁開閉装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス絶縁開閉装置の接地タンクが振動した際に金属異物が位置ずれを起こした振動した場合でも、金属異物周辺の部分放電を抑制しつつ、接地タンクから金属異物への電荷流入を抑制する。【解決手段】絶縁ガスが充填された接地タンク２と、接地タンク２の内部に配置されて電圧が印加される中心導体３と、接地タンク２の下側の内表面に配置され、高抵抗率の絶縁材料からなる高抵抗絶縁部５と、高抵抗絶縁部の少なくとも一部の表面上に配置され、低抵抗率材料からなる低抵抗絶縁部６とを備え、低抵抗絶縁部６の電気抵抗率と、低抵抗絶縁部６の比誘電率と、真空の誘電率の掛け算で表わされる時定数が、接地タンク２内に混入した金属異物７に部分放電が発生するまでの放電遅れ時間より小さくする。【選択図】図１

Description

この発明は、高電圧が印加される中心導体を接地タンク内部に収容し、接地タンク内部に充填した絶縁ガスで中心導体と接地タンクとを絶縁したガス絶縁開閉装置に関するものである。

ガス絶縁開閉装置は、高電圧が印加される中心導体を金属製の接地タンクに収納し、接地タンクと中心導体の間の空間に絶縁ガスを封入することで絶縁性能を確保している。ただし、製作時や現地での据付作業時に異物（ちり・繊維・導電性または半導電性の固体等）が接地タンク内に混入し、絶縁性能が低下する恐れがある。混入した異物は通電時に発生する電界によって帯電し、接地タンクの内表面から浮上する方向に静電気力を受ける。静電気力が異物に働く重力より大きくなると異物は浮上し、中心導体に向かって移動する。異物周囲で電界は集中するため、異物が中心導体に接近したり付着したりすると局所的に高電界となり、装置の耐電圧性能が低下する恐れがある。特に異物が金属製でかつ線状の場合は異物先端で強く電界集中するため、絶縁性能の低下が大きい。

この金属異物の問題に対し、例えば特許文献１に示される従来のガス絶縁開閉装置では、タンク内表面に高抵抗率の絶縁膜とその上に機械的強度の大きい被膜の二層を設けることで、金属異物に流入する電荷を抑制することによって金属異物の帯電を防止し、金属異物の浮上を抑制している。
また異物浮上を抑制する目的ではないが、例えば特許文献２に示されるような、１０^６〜１０^１１Ωｍ程度の電気抵抗率を持つ抵抗膜の上に、金属箔等の良導体を備えた二層構造を持つガス絶縁装置もある。

実開昭５９−１４９４２２号公報 特開平０２−０４６１０９号公報

しかし、特許文献１に示された従来の技術では、遮断器の投入や地震等で接地タンクが振動した際に金属異物が位置ずれを起こした場合、金属異物と高抵抗膜の接触部近傍で部分放電が発生し、金属異物が帯電する恐れがある。
また、特許文献２に示された構造では、膜の抵抗率が低すぎ、接地タンクから流れる漏れ電流による金属異物への電荷流入が防げず、金属異物が帯電する恐れがある。これらにより、金属異物の電荷に作用する静電力が金属異物に働く重力を上回ると金属異物が浮上を開始し、ガス絶縁開閉機器の絶縁性能を大きく低下させることになる。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、接地タンクが振動した場合でも金属異物周辺の部分放電を抑制しつつ、接地タンクから金属異物への電荷流入も抑制できるガス絶縁開閉装置を提供することを目的とする。

この発明に係るガス絶縁開閉装置は、絶縁ガスが充填された接地タンクと、接地タンクの内部に配置され、電圧が印加される中心導体と、接地タンクの下側の内表面に配置され、高抵抗率の絶縁材料からなる高抵抗絶縁部と、高抵抗絶縁部の少なくとも一部の表面上
に配置され、高抵抗絶縁部の抵抗率よりも低い抵抗率をもつ低抵抗率材料からなる低抵抗絶縁部とを備え、低抵抗絶縁部の抵抗率と、低抵抗絶縁部の比誘電率と、真空の誘電率の掛け算で表わされる時定数が、接地タンク内に混入した金属異物に部分放電が発生するまでの放電遅れ時間より小さくしたものである。

この発明の構成とすることにより、接地タンクの振動により金属異物の位置ずれが発生しても、金属異物と接地タンクの接触部近傍で部分放電が発生する前に接触部近傍における電界を緩和でき、金属異物の帯電を抑制できる、という効果を奏する。

この発明の実施の形態１に係わるガス絶縁開閉装置の軸方向断面図である。 この発明の実施の形態１に係わるガス絶縁開閉装置の径方向断面図である。 高抵抗絶縁膜と金属異物との微小ギャップを説明する拡大図である。 一般的な高抵抗絶縁膜と実施の形態３における低抵抗絶縁膜において、金属異物と膜の接触点近傍の電界を示す図である。 この発明の実施の形態４に係わるガス絶縁開閉装置に使用される絶縁膜の拡大断面図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１に係るガス絶縁開閉装置を図１から図３に基づいて詳細に説明する。
図１は実施の形態１に係るガス絶縁開閉装置の軸方向断面図、図２は径方向の断面図である。これら図１および図２において、ガス絶縁開閉装置１は、圧力容器である円筒状の接地タンク２と、接地タンク２の内部に配置され、高電圧が印加される中心導体３と、接地タンク２に取付けられ、中心導体３を絶縁支持する絶縁支持部材４とを有する。中心導体３は固体絶縁物からなる絶縁支持部材４で接地タンク２と同軸中心の位置に固定されている。なお、図１は、ガス絶縁開閉装置１の一部を示したものであり、ガス絶縁開閉装置１は以上述べた構成要素の他、遮断器、断路器、計器用変流器等の機器を備えている。

接地タンク２と中心導体３との間には、両者を絶縁するための絶縁ガス（図示せず）が充填されている。絶縁ガスとして、例えばＳＦ_６・乾燥空気・Ｎ_２・ＣＯ_２・Ｏ_２・ＣＦ_３Ｉなどの単体ガスが挙げられる。また、上記ガスを２種類もしくはそれ以上の種類で混合させたものを用いても良い。

接地タンク２の内表面には高抵抗絶縁膜５（高抵抗絶縁部）が配置されている。高抵抗絶縁膜５は、例えば接地タンク２の下側の内表面に配置されている。高抵抗絶縁膜５は樹脂を主成分とする絶縁材料で形成された被膜である。絶縁材料としては熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂が考えられる。熱可塑性樹脂であれば塩化ビニル系・ポリエステル系・ナイロン系等の樹脂が、熱硬化性樹脂であればエポキシ系・ウレタン系・アクリル系等の樹脂が使用される。また、高抵抗絶縁膜５の形成方法としては、はけ塗り・スプレー塗装・静電塗装（静電気を粉体に与えて目標物に付着させる）等で薄膜を形成後硬化させる方法がある。

また、この高抵抗絶縁膜５の上には高抵抗絶縁膜５を少なくとも部分的に被覆するように、高抵抗絶縁部５の抵抗率よりも低い抵抗率をもつ低抵抗率材料からなる低抵抗絶縁膜６（低抵抗絶縁部）が配置されている。低抵抗絶縁膜６は、例えば図２のように、接地タンク２の下側内表面に配置された高抵抗絶縁膜５の表面に、接地タンク２に触れないように配置されている。低抵抗絶縁膜６の形成方法としては、例えば数μｍ〜数１０μｍの粒径を持った粉体粒子状の低抵抗材料を液状バインダ樹脂と混ぜあわせ、吹き付け塗装、はけ塗り、焼付け塗装、浸漬塗装などで薄膜を形成後硬化させる方法がある。

ただし、この場合は、低抵抗絶縁膜６の構成材として低抵抗材料と異なる材料を混合させるため、体積割合で低抵抗材料が他の混合物よりも多くの割合とする必要がある。またガス絶縁開閉装置に適用できる低抵抗材料は、絶縁物であること、分解ガスを生成しないこと、運転時間中に性能に対する経年劣化が小さいこと、１００度前後の熱環境下で性能が落ちないことが挙げられる。

次に、この発明の実施の形態１に係るガス絶縁開閉装置１において生じる物理現象について説明する。
ガス絶縁開閉装置１を構成するほとんどのパーツは、工場内のクリーンルームで組み立てられて現地へ輸送されるが、輸送限界等により一部は現地で組み立てられる。そのため、現地組立時にガス絶縁開閉装置１の接地タンク２内に金属異物７が混入する（紛れ込む）可能性がある。これら金属異物７の大部分は検査工程で取り除かれるが、長さが３ｍｍ程度以下で、太さが０．２ｍｍ程度以下の金属異物７は発見が困難であり、検査で見落とされ、接地タンク２内に残される場合がある。

金属異物７は、発生した直後は重力によって接地タンク２内の底面に落下して平伏した状態となる。ここで、中心導体３に電圧が印加されている運転状態で、接地タンク２を構成する金属が直接金属異物７に接触する場合、静電誘導の現象が金属異物７に作用して接地タンク２から金属異物７に電荷が供給されて、金属異物７は帯電する。

一方、高抵抗絶縁膜５のみが接地タンク２の内面に形成されている場合、図３に示すように、金属異物７と高抵抗絶縁膜５の接触部近傍の微小ギャップによる放電で生成したイオンが金属異物７を帯電させる。帯電した金属異物７は、課電されている接地タンク２内では高電圧の中心導体３と接地タンク２の間で電界が発生しているため、帯電量に応じたクーロン力の作用を受けて、平伏した状態から起立、高電圧の中心導体３に向けて浮上する。その後、高電圧の中心導体３に接近して接触する。高電圧の中心導体３近傍は高電界であるため、金属異物７が高電圧の中心導体３に接近した状態で雷サージなどの過電圧が侵入すると、地絡に至る場合がある。

以上、接地タンク２底面に絶縁物などの被覆がない場合、あるいは接地タンク２底面に高抵抗絶縁膜５のみが被覆されている場合に、金属異物７が接地タンク２内で平伏した状態から起立、浮上する現象について説明したが、以下に、この発明の実施の形態１におけるガス絶縁開閉装置１の場合は、金属異物７が浮上しにくい現象について詳細に説明する。

接地タンク２に外部から機械的振動が加わると、静置状態では浮上に必要な電荷量を持たなかった金属異物７が振動によって運動し、運動したはずみに金属異物７と低抵抗絶縁膜６の接触点近傍の局所電界が変化し、部分放電が発生して金属異物７に電荷が供給され金属異物７が浮上してしまう可能性がある。
ここで言う、接地タンク２に加わる外部からの機械振動とは、例えば地震であったり、この接地タンク２に併設された機器（断路器、遮断器）等の動きで発生する振動であったりする。金属異物７が運動した瞬間に部分放電が発生しないためには、金属異物７と低抵抗絶縁膜６の接触点近傍の局所電界が、部分放電が発生する前に、金属異物７が静置状態の局所電界値とほぼ同等の値に戻る必要がある。この電界が元に戻る時間を時定数と定義する。

ここで、低抵抗絶縁膜６の時定数Ｔは以下の式（１）で表される。
Ｔ＝ε_ｒε_ｏρ ・・・（１）
ε_ｒは低抵抗絶縁膜６の比誘電率、
ε_ｏは真空の誘電率８．８５×１０^−１２ｍ^−３ｋｇ^−１ｓ^４Ａ^２、
ρは低抵抗絶縁膜６の電気抵抗率である。

一方で、金属異物７に部分放電が発生するまでは、放電遅れ時間と呼ばれる時間がある。放電遅れ時間は、電圧が印加されてから放電のタネとなる初期電子が発生するまでの統計的遅れ時間と、初期電子が発生してから放電に成長するまでの形成遅れ時間の和である。ガス中における放電の統計的遅れ時間は最短でほぼゼロｓであり、形成遅れ時間は最短で数十ｎｓである。

このことから放電遅れ時間の最短時間は数十ｎｓとされる（例えば、文献『方形波インパルスによるＳＦ６中準平等電界ギャップの短時間領域Ｖ−ｔ特性の解明（著・財団法人電力中央研究所）』）。したがって、低抵抗絶縁膜６の時定数Ｔは、放電遅れ時間より小さくすることで、金属異物７と接地タンク２の接触部近傍で部分放電が発生する前に接触部近傍における電界を緩和でき、金属異物７の帯電を抑制できる。
因みに、数値例として放電遅れ時間＝時定数を５０ｎｓ、低抵抗絶縁膜６の比誘電率を１０として式（１）に代入すると、低抵抗絶縁膜６の電気抵抗率は５．５×１０^２Ωｍとなる。

しかし低抵抗絶縁膜６を接地タンク２の底面に直接被覆したのでは、上で述べた静電誘導の現象によって、接地タンク２の底面から低抵抗絶縁膜６を通して金属異物７に電荷が供給される恐れがある。したがって、接地タンク２に高抵抗絶縁膜５を、例えば金属異物７が接触する恐れのある底面に施し、この高抵抗絶縁膜５の上に低抵抗絶縁膜６を被覆するとよい。

上記のように実施の形態１の発明は、高抵抗絶縁膜５の上に低抵抗絶縁膜６を構成し、低抵抗絶縁膜６の時定数が金属異物７に部分放電が発生するまでの放電遅れ時間より小さくすることで、接地タンク２の振動により金属異物７の位置ずれが発生しても、金属異物７と接地タンク２の接触部近傍で部分放電が発生する前に接触部近傍における電界値を静置状態の局所電界値にまで戻すことができ、部分放電の発生を抑制できる。

実施の形態２．
実施の形態１では、振動が発生したときに変化する電界が、放電遅れ時間の最短時間よりも早く、静置状態の電界に戻るような低抵抗絶縁膜６について述べたが、実施の形態２では静電誘導による金属異物７の帯電を抑制するような高抵抗絶縁膜５と低抵抗絶縁膜６について述べる。

静置状態の金属異物７に電荷流入が発生する要因として先に述べたように、静電誘導によって接地タンク２の底面等から電荷供給を受ける場合がある。漏れ電流による接地タンク２の底面からの静電誘導による電荷供給は、金属異物７と接地タンク２の底面の間に高抵抗絶縁膜５があれば防げる。しかし実施の形態１は、高抵抗絶縁膜５の上に低抵抗絶縁膜６があり、低抵抗絶縁膜６と金属異物７が接している。
低抵抗絶縁膜６の抵抗率が低すぎ、接地タンク２内が高電界となる電圧が高電圧の中心導体３に印加される場合、低抵抗絶縁膜６からの静電誘導によって金属異物７に電荷が供給される恐れがある。そのため例えば、接地タンク２内が高電界となる電圧が高電圧の中心導体３に印加される場合等は、低抵抗絶縁膜６の低抵抗材料の電気抵抗率は１０Ωｍ程度以上あった方がのぞましい。

上記のように実施の形態２の発明は、上記した実施の形態１の発明において、低抵抗絶縁膜６の低抵抗材料の電気抵抗率を１０Ωｍ程度以上に構成すれば、静電誘導による金属異物７の帯電を抑制することができる。

実施の形態３．
実施の形態２では、静電誘導による金属異物７の帯電を抑制するような高抵抗絶縁膜５と低抵抗絶縁膜６について述べたが、実施の形態３では部分放電による金属異物７の帯電を抑制するような高抵抗絶縁膜５と低抵抗絶縁膜６について述べる。

図４は、実施の形態１における高抵抗絶縁膜５と低抵抗絶縁膜６において、金属異物７の周囲電界に対する金属異物７と絶縁膜５、６の接触点近傍の局所電界の依存性を示す図である。
金属異物７の周囲電界が高くなると、金属異物７と絶縁膜５、６の接触点近傍の局所電界も上昇する。また、金属異物７と高抵抗絶縁膜５の接触点近傍の局所電界の方が、金属異物７と低抵抗絶縁膜６の接触点近傍の局所電界よりも高くなる。一般的に金属異物７の周囲電界が同じ場合、局所電界が高電界である方が、部分放電が発生しやすくなる。このため、振動が少ない箇所であっても、金属異物７が接すると考えられる箇所には、電気抵抗率の高い高抵抗絶縁膜５を塗装した上に、電気抵抗率の低い低抵抗絶縁膜６を塗装するのが望ましい。

上記のように実施の形態３の発明は、上記した実施の形態１の発明において、低抵抗絶縁膜６の電気抵抗率を、高抵抗絶縁膜５の電気抵抗率よりも低くすると、部分放電の発生を抑制し、金属異物７の帯電を抑える効果がある。

実施の形態４．
実施の形態３では部分放電による金属異物７の帯電を抑制するような高抵抗絶縁膜５と低抵抗絶縁膜６について述べたが、実施の形態４では低抵抗絶縁膜６の構成要素である低抵抗材料の分布方法について述べる。

図５は実施の形態４の発明において、接地タンク２の底面に被覆された高抵抗絶縁膜５と低抵抗絶縁膜６、および低抵抗絶縁膜６を構成する樹脂８と低抵抗材料９を示した図である。
低抵抗絶縁膜６を構成する低抵抗材料９は、例えば導電材料（金属酸化物、導電性カーボン）または半導体材料等が挙げられる。低抵抗材料９は粉体または微小球の形状であり、粒径の細かなものが用いられる。低抵抗材料９は樹脂８と混ぜて塗布される。このとき低抵抗材料９が樹脂８の底に沈降しないように、低抵抗材料９の粒径は数μｍ以下とする。また低抵抗材料９が底に沈降しないよう、低抵抗絶縁膜６中に均等に分布する方法として、低抵抗材料９に表面処理を施してから樹脂８と混合させる方法や、低抵抗材料９と一緒に分散安定剤を樹脂８に混合させる方法等がある。

上記のように実施の形態４の発明は、上記した実施の形態１の発明において、低抵抗絶縁膜６は、低抵抗材料９を沈降させないように樹脂８と混ぜ込んだ構成にすると、低抵抗絶縁膜６の中にある低抵抗材料９により金属異物７付近の電界を抑制でき、静置時または振動による金属異物が移動時も、部分放電の発生を抑制できる。

実施の形態５．
実施の形態４では、低抵抗絶縁膜６の作製方法として、低抵抗材料９の粉体を樹脂８と混ぜ込み塗布する方法を述べたが、実施の形態５の発明は、低抵抗絶縁膜６の作製方法として、低電気抵抗率の樹脂を塗布することで低抵抗絶縁膜６としたものである。

低電気抵抗率の樹脂として、導電性高分子を用いる。導電性高分子の例としてポリアセチレン、ポリパラフェニレン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリアセン等が挙げられる。導電性高分子は樹脂そのものとして塗布可能であるため、低抵抗材料の粉体を利用するよりも製膜が容易である。

上記のように実施の形態５の発明は、上記した実施の形態１の発明において、低抵抗絶縁膜６を、低電気抵抗率の樹脂を塗布する構成にすると、金属異物７付近の電界を抑制でき、静置時または振動による金属異物が移動時も、部分放電の発生を抑制できる。

以上、この発明の実施の形態を記述したが、この発明は実施の形態に限定されるものではなく、種々の設計変更を行うことが可能であり、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１：ガス絶縁開閉装置、２：接地タンク、３：中心導体、４：絶縁支持部材、
５：高抵抗絶縁膜、６：低抵抗絶縁膜、７：金属異物、８：樹脂、９：低抵抗材料

Claims (4)

1. 絶縁ガスが充填された接地タンクと、前記接地タンクの内部に配置され、電圧が印加される中心導体と、前記接地タンクの下側の内表面に配置され、高抵抗率の絶縁材料からなる高抵抗絶縁部と、前記高抵抗絶縁部の少なくとも一部の表面上に配置され、前記高抵抗絶縁部の抵抗率よりも低い抵抗率をもつ低抵抗率材料からなる低抵抗絶縁部とを備え、
   前記低抵抗絶縁部の抵抗率と、前記低抵抗絶縁部の比誘電率と、真空の誘電率の掛け算で表わされる時定数が、前記接地タンク内に混入した金属異物に部分放電が発生するまでの放電遅れ時間より小さいことを特徴とするガス絶縁開閉機器。
2. 前記低抵抗絶縁部の低抵抗率材料の抵抗率は、１０Ωｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載のガス絶縁開閉機器。
3. 前記低抵抗絶縁部の低抵抗材料は、導電材料または半導体材料を混合させた樹脂からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガス絶縁開閉機器
4. 前記低抵抗絶縁部の低抵抗材料は、導電性高分子からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガス絶縁開閉機器。