JP5999560B2

JP5999560B2 - 懸垂がいし

Info

Publication number: JP5999560B2
Application number: JP2013059364A
Authority: JP
Inventors: 優宏秋月; 努奈良
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2013-03-22
Filing date: 2013-03-22
Publication date: 2016-09-28
Anticipated expiration: 2033-03-22
Also published as: JP2014186808A

Description

本発明は、懸垂がいしに関するものである。

懸垂がいしが汚損湿潤すると、がいし表面に抵抗性の漏れ電流が流れる。

がいし表面を流れる電流を沿面方向で一定とすると、がいし半径の小さい内周（懸垂がいしのピン周辺）での表面電流密度が高くなり、発熱が大きくなることが知られており、また、フィールド観測や人工汚損試験結果から、汚損湿潤条件において、ピン周辺で放電が発生することが確認されている。

本発明者らが、電場解析ソフト（ＥｌｅｃＮｅｔ、カナダＩｎｆｏｌｙｔｉｃａ社）により解析したところ、図１８に示すように、汚損層の１ｃｍ×１ｃｍ当たりの表面抵抗が３３ＭΩの条件下で、２５０ｍｍ懸垂がいしの抵抗損失は、がいし半径の２乗にほぼ反比例するとの結果が得られた。

図１８は、懸垂がいしの構造では、ピン周辺（がいし半径の小さい内周）の抵抗損失が大きく、この部分が選択的に温度上昇（乾燥）し、電圧分担が集中すること、すなわち、ピン周辺に狭いドライバンド（乾燥帯）が形成されやすいことを示している。

ところで、横浜国立大学の研究により、ドライバンドの分担電圧は、１ｍｍ当たり４４２．８Ｖｒｍｓ（ｒｍｓ＝実効値）との試験結果が得られている。当該試験結果と図１８から、懸垂がいしでは、ピン周辺に形成されたドライバンド部分に、「１ｍｍ当たり４４２．８Ｖｒｍｓ」を超える電圧が加わると、放電が発生することが予測できる。

本発明者らは、懸垂がいしを用いた人工汚損試験を繰り返し、「薄くて長いリブを乾燥させる」ことにより、汚損耐電圧向上と汚損コロナ防止（汚損湿潤時の放電発生抑制）が図れることを見出し、「ピン金具から環状リブの内側付け根までの連続する下面の内周部に、表面抵抗（１ｃｍ×１ｃｍ）が４ＭΩ以下の抵抗帯を設け、その外周に環状の導電体を設ける」ことにより、従来ピン金具近傍に集中していた電力密度の高い位置を、外側のリブ部に移動させて、リブ部に低電力で安定したドライバンドを形成する技術を出願済みである（特許文献１）。

特開２００２−１５０８６２号公報

本発明の目的は、特許文献１と同様に、環状リブ周辺に安定したドライバンドを形成することができ、汚損コロナ防止（汚損湿潤時の放電発生抑制）を図ることができる懸垂がいしを提供することである。

上記課題を解決するためになされた本発明の懸垂がいしは、磁器またはガラス製の笠部の上下に、キャップ金具およびピン金具を各々、セメント接合した懸垂がいしにおいて、笠部の下面部に形成された複数の環状リブのうち、ピン金具側の環状リブを、笠部よりも熱伝導の低い材料で構成したことを特徴とするものである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の懸垂がいしにおいて、該熱伝導の低い材料が、シリコーンゴム、ＥＰＤＭ（エチレン・プロピレンゴム）、ＥＶＡ(エチレン・酢酸ビニル共重合樹脂)であることを特徴とするものである。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の懸垂がいしにおいて、最内周の環状リブの内側に凸状のコブを備え、該コブの先端まで、ピン金具側のセメント接合部を拡大したことを特徴とするものである。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３の何れかに記載の懸垂がいしにおいて、該熱伝導の低い材料で構成された環状リブの長さが、１５ｍｍ〜５０ｍｍであることを特徴とするものである。

請求項５記載の発明は、請求項１〜４の何れかに記載の懸垂がいしにおいて、該熱伝導の低い材料で構成された環状リブの半径座標を、セメントを含むピン側電極半径の２．７倍より内側に配置したことを特徴とするものである。

請求項６記載の発明は、請求項１〜４の何れかに記載の懸垂がいしにおいて、該熱伝導の低い材料で構成された環状リブの半径座標を、セメントを含むピン側電極半径の１．８倍よりも内側に配置したことを特徴とするものである。

本発明の懸垂がいしによれば、磁器またはガラス製の笠部の上下に、ピン金具およびキャップ金具を各々、セメント接合した懸垂がいしにおいて、笠部の下面部に形成された複数の環状リブのうち、ピン金具側の環状リブを、笠部よりも熱伝導の低い材料で構成することにより、抵抗損失の高いピン側周辺ではなく、低熱伝導の環状リブを優先的に温度上昇させることができる。これにより、特許文献１と同様に、環状リブ周辺に安定したドライバンドを形成することができ、汚損コロナ防止（汚損湿潤時の放電発生抑制）を図ることができる。

本発明の懸垂がいしの断面説明図である。実施例１、実施例２、現行懸垂がいしの断面説明図である。懸垂がいしの半径座標と連結に支障のないリブ長さの関係を示す図である。電場解析における境界条件を示す図である。実施例１の抵抗損失分布を示す図である。実施例２の抵抗損失分布を示す図である。現行懸垂がいし（比較例）の抵抗損失分布を示す図である。実施例１において、汚損層の表面抵抗を３３ＭΩとして、温度の経時変化をシミュレーションした結果を示す図である。実施例１において、汚損層の表面抵抗を６７ＭΩとして、温度の経時変化をシミュレーションした結果を示す図である。実施例１において、汚損層の表面抵抗を１３３ＭΩとして、温度の経時変化をシミュレーションした結果を示す図である。実施例２において、汚損層の表面抵抗を３３ＭΩとして、温度の経時変化をシミュレーションした結果を示す図である。実施例２において、汚損層の表面抵抗を６７ＭΩとして、温度の経時変化をシミュレーションした結果を示す図である。実施例２において、汚損層の表面抵抗を１３３ＭΩとして、温度の経時変化をシミュレーションした結果を示す図である。比較例において、汚損層の表面抵抗を３３ＭΩとして、温度の経時変化をシミュレーションした結果を示す図である。比較例において、汚損層の表面抵抗を６７ＭΩとして、温度の経時変化をシミュレーションした結果を示す図である。比較例において、汚損層の表面抵抗を１３３ＭΩとして、温度の経時変化をシミュレーションした結果を示す図である。電場-熱の複合解析（表面抵抗３３ＭΩ、４８００s後の条件）により求めた温度分布を示す図である。懸垂がいしの半径と抵抗損失の解析結果を示す図である。

以下に本発明の好ましい実施形態を示す。図１に示すように、がいし本体１の笠部２の上下には、キャップ金具４およびピン金具３がセメント５を介して接合固定されている。笠部２の下側面には、円環状かつ同心円状に複数の環状リブ６（ここではピン金具３に近い側から第１環状リブ６１、第２環状リブ６２を設けている）が一体に形成されている。なお、本例において、ピン金具３に最も近い凸部は環状リブではなく、コブ７と呼ばれるものである。本実施形態のがいし本体１は、磁器で構成されているが、ガラス製とすることもできる。

本実施形態では、図１に示すように、ピン金具３側のセメント５の範囲を拡大して、ピン金具３側の電極を拡大し、ピン金具３側付近への抵抗損失の集中を緩和している。

複数の環状リブ６のうち、ピン金具３に近い側の第１環状リブ６１は、笠部（磁器の熱伝導率：１．１６〜２．５６Ｗ/（ｍ℃））よりも熱伝導の低い材料（シリコーンゴム、ＥＰＤＭ（エチレン・プロピレンゴム）、ＥＶＡ(エチレン・酢酸ビニル共重合樹脂)等）で構成されている。

第１環状リブ６１は、笠部２の下側面に該熱伝導の低い材料を注型し硬化させることで成型と接着を併行する方法と、予め成型し硬化させたのちに笠部２の下面側に適切な材料を用い接着する方法のいずれかにより構成する。

第１環状リブ６１の構成方法は、抵抗損失により第１環状リブ６１が温度上昇した状態にあっても、第１環状リブ６１および笠部２の接合部分で電気貫通が生じることなく、かつ第１環状リブ６１に引張力が加わった場合にあっては第１環状リブ６１が凝集破壊する接着強度を有する方法を選択する。

複数の環状リブ６のうち、ピン金具３に近い側の第１環状リブ６１を笠部よりも熱伝導の低い材料で構成した懸垂がいしと、熱伝導の低い材料部分を有さない通常の懸垂がいしの電場と熱伝導の複合解析をすると、通常の懸垂がいしではコブ７の温度が高いが、上記構成の懸垂がいしでは、第１環状リブ６１が温度上昇し易いことが確認できた。

したがって、上記構成によれば、特許文献１と同等の効果（所定の箇所を温度上昇させて、リブ部に低電力で安定したドライバンドを形成する、という効果）を、特許文献１の構成（ピン金具から環状リブの内側付け根までの連続する下面の内周部に、酸化鉄系の導電釉または酸化スズ系の導電釉を用いて下面の内周部に抵抗帯を設け、その外周に環状の導電体を設けるという構成）によらず、実現することができる。

なお、熱伝導の低い環状リブ部を有さない通常の懸垂がいしでは、がいし表面の汚損湿潤層に漏れ電流が流れると、抵抗損失と温度の高いピン金具からコブ７部で、最大沿面電界値が急激に上昇し、放電発生電界値に達すると放電が発生するのに対し、本実施形態では、温度が高くなる箇所を漏れ距離の長い第１環状リブ６１に形成することにより、放電の発生を効果的に抑制している。

放電発生抑制のメカニズムとしては、第１環状リブ６１は内周と外周の半径差が小さく、また、絶縁物の体積が小さいため温度上昇速度が速いこと（要因１）、更に、第１環状リブ６１は熱伝導率の低い材質で構成されており熱が逃げにくいこと（要因２）から、汚損湿潤層に漏れ電流が流れた際、第１環状リブ６１全周が温度上昇し、第１環状リブ６１の長さに応じたドライバンドが形成される。この結果、放電の発生が抑制されることが考えられる。第１環状リブ６１の長さは、温度上昇したリブががいしの分担電圧に耐え得る長さであることが必要であり、厚さ（容積）は、笠との界面やリブの絶縁を確保できる範囲で、薄くすることが好ましい。

以下、本発明の効果を奏するための環状リブの長さと座標について、具体的に検討する。

（環状リブの長さ）
背景技術の欄に記載のように、ドライバンドの分担電圧は、１ｍｍ当たり４４２．８Ｖｒｍｓであり、長時間耐電圧を左記値の８０％と考えると、３５０Ｖｒｍｓ（０．３５ｋＶ）となるしたがって、懸垂がいし1個当り１０ｋＶｒｍｓ（一般に、がいし連に加わる電圧をがいし連結個数で除したがいし単体の分担電圧の目安とされる電圧値）に耐えるには、表面漏れ距離が２９ｍｍ（＝１０／０．３５）必要である。漏れ距離は、リブの内面側と外面側の合計になるので、必要なリブの長さは１５ｍｍ以上となる。

（環状リブの座標）
図１８に示したように、懸垂がいしの抵抗損失は、がいし半径の２乗にほぼ反比例する。したがって、低熱伝導性材料の環状リブは、できるだけがいしの内周側にあった方が良い。しかし、懸垂がいしは、リブの長さが所定値以上になると連結に支障が生じる。例えば、リブの長さを２９ｍｍとした場合、図３より、半径座標は７０ｍｍ以上とすることが必要となる。ただし、半径座標が大きくなると、抵抗損失が小さくなり、本発明の効果が得られ難くなる点にも留意して、ピン側電極（セメント延長など導体もしくは抵抗体での延長を含む）の半径座標とのバランスを図る必要がある。後述する図８、１１のように、ピン側電極とリブの半径比が２．７倍以下なら、表面抵抗３３ＭΩの条件下で、温度上昇があり、ドライバンドの形成が見込まれる。

本実施形態では、ピン側電極（セメント延長など導体もしくは抵抗体での延長を含む）の１．８倍程度および２．７倍程度の位置にリブを設けている。本実施形態では、現在屋外の気中絶縁に実績のある有機材料としたが、より熱伝導率の低い材料を用いれば、この相対値を大きくすることが可能である。逆にリブの熱伝導率が高めの場合は、この相対値を小さくすることが必要である。

具体的には、本実施形態（実施例１、実施例２）における環状リブの座標は、図２に示すように、ピン側セメント：Ｒ３８およびＲ２６、リブの半径：Ｒ７０、リブの長さ：２９ｍｍとした。

本発明のハイブリッド型懸垂がいしおよび通常の懸垂がいしの各々について、電場と熱の複合解析を行った。具体的には、電場解析で抵抗損失計算を行った後、熱伝導解析を行った。電場解析ソフトはＥｌｅｃＮｅｔ（周波数応答解析）、熱伝導解析ソフトはＴｈｅｒｍＮｅｔ（非定常解析）を用いた。

解析には、下記表１に示す物性を用いた。

上記表１において、汚損層は、想定される厚さの３０倍の０．３ｍｍとし、体積抵抗率以外の物性は空気相当とした。汚損層の体積抵抗率１ｅ４, ２ｅ４, ４ｅ４すなわち、１×１０^４、２×１０^４、４×１０^４Ωｍを、１ｃｍ×１ｃｍ当たりの表面抵抗に換算すると、３３ＭΩ、６７ＭΩ、１３３ＭΩとなる。なお、表面抵抗が６７ＭΩの場合は、がいしに流れる容量性電流と抵抗性電流が同等になる。表面抵抗に対するロバスト性を評価するため、表面抵抗が１/２倍、１倍、２倍の各条件での解析とした。各物性の温度依存（温度抵抗率）は考慮しないものとする。また、汚損層以外の材料の導電率は、（０Ｓ／ｍ）すなわち（ゼロＳｉｅｍｅｎs／ｍ）である。

本実施例では、図２に示す３つの形状（実施例１、実施例２、比較例）の懸垂がいしについて電場-熱の複合解析を行った。周囲は、がいしの電界分布に影響が出ないように十分な空間（Ｒ２ｍ、Ｈ４ｍ）を設けた。実施例１では、第１環状リブ６１をシリコーンゴムで構成するとともに、セメント５の範囲を拡大して、ピン金具３側の電極を拡大している。実施例２では、第１環状リブ６１をシリコーンゴムで構成している。セメント５範囲の拡大は行っていない。比較例は、熱伝導の低い材料部分を有さない通常の懸垂がいしである。セメント５範囲の拡大も行っていない。

（電場解析）
電場解析の条件として、図４の軸対称モデルとし、ピン金具に１０ｋＶｒｍｓ、キャップ金具に０Ｖ加え、周囲を接地する境界条件を設定した。

図５には、実施例１の懸垂がいしにおける抵抗損失分布を示し、図６には、実施例２の懸垂がいしにおける抵抗損失分布を示し、図７には、比較例の懸垂がいしにおける抵抗損失分布を示している。図５〜図７において、横軸はピン金具３側セメントからの漏れ距離（図５では、セメントを延長しない場合のセメント面を起点とした）を示し、縦軸は抵抗損失を示している。

図７と図６の比較から、図６に示す実施例２において、図７に示す比較例よりも抵抗損失のピーク値が若干下がっているが、シリコーンゴムのリブにより漏れ距離が若干長くなったことによると考えられる。図５においては、セメントを延長しているため、電極付近の抵抗損失が下がると共にリブ付近の抵抗損失が図６に示した実施例２および図７に示した比較例の同位置の抵抗損失に比べ増加し、リブが温度上昇しやすい条件になる。

（熱伝導解析）
上記の電場解析だけでは、抵抗損失によりどの程度の温度上昇が見込めるのかわからないので、続いて、熱伝導解析を加えた複合解析を行った。

熱伝導解析の条件として、周囲の空気と触れる面全てに、自然対流（空気静止時）の境界条件を与えた。また、周囲の環境温度および各部品の初期温度（０ｓ）は２０℃、熱伝達率は６Ｗ/ｍ^２とした。

複合解析の設定として、電場解析（６０Ｈｚ）での抵抗損失により、熱の非定常解析を行った。具体的には、本解析では、物性の温度依存を考慮しないため、初期ステップで計算される電場の周波数応答解析による平均の抵抗損を基に熱の非定常解析を行った。また、熱の非定常解析については、十分に定常状態にいたる４００００ｓまで計算を行った。

図８には、実施例１の懸垂がいしで、表面抵抗を３３ＭΩとして、温度の経時変化をシミュレーションした結果を示している。図９には、実施例１の懸垂がいしで、表面抵抗を６７ＭΩとして、温度の経時変化をシミュレーションした結果を示している。図１０には、実施例１の懸垂がいしで、表面抵抗を１３３ＭΩとして、温度の経時変化をシミュレーションした結果を示している。

図８〜図１０に示すように、実施例１の懸垂がいしでは、表面抵抗、時間ステップが変わっても第１環状リブ６１が優先的に温度上昇した。

図１１には、実施例２の懸垂がいしで、表面抵抗を３３ＭΩとして、温度の経時変化をシミュレーションした結果を示している。図１２には、実施例２の懸垂がいしで、表面抵抗を６７ＭΩとして、温度の経時変化をシミュレーションした結果を示している。図１３には、実施例２の懸垂がいしで、表面抵抗を１３３ＭΩとして、温度の経時変化をシミュレーションした結果を示している。

図１１〜図１３に示すように、実施例２の懸垂がいしでは、表面抵抗が６７ＭΩ以下のある時間で、第１環状リブ６１が優先的に温度上昇した。

図１４には、比較例の懸垂がいしで、表面抵抗を３３ＭΩとして、温度の経時変化をシミュレーションした結果を示している。図１５には、比較例の懸垂がいしで、表面抵抗を６７ＭΩとして、温度の経時変化をシミュレーションした結果を示している。図１６には、比較例の懸垂がいしで、表面抵抗を１３３ＭΩとして、温度の経時変化をシミュレーションした結果を示している。

図１４〜図１６に示すように、比較例の懸垂がいしでは、コブ７周辺が優先的に温度上昇した。

図１７には、電場-熱の複合解析（表面抵抗３３ＭΩ、４８００s後の条件）により求めた温度分布を、実施例１、実施例２、比較例の各懸垂がいしで対比して示している。図１７からも、実施例１および実施例２の懸垂がいしでは、第１環状リブ６１が優先的に温度上昇すること、比較例の懸垂がいしでは、コブ７周辺が優先的に温度上昇することが確認された。

汚損層が１０μ程度の水膜であるため、温度上昇した箇所で、ドライバンドが形成されるものと想定される。したがって、実施例１および実施例２の懸垂がいしでは、第１環状リブ６１にドライバンドが形成され、汚損耐電圧と汚損コロナ防止を図ることができる。実施例１では、表面抵抗、時間ステップが変わっても第１環状リブ６１にドライバンドが形成されるため、効果が得られる確率が増加する。

１がいし本体
２笠部
３ピン金具
４キャップ金具
５セメント
６環状リブ
６１第１環状リブ
６２第２環状リブ
７コブ

Claims

磁器またはガラス製の笠部の上下に、キャップ金具およびピン金具を各々、セメント接合した懸垂がいしにおいて、笠部の下面部に形成された複数の環状リブのうち、ピン金具側の環状リブを、笠部よりも熱伝導の低い材料で構成したことを特徴とする懸垂がいし。
該熱伝導の低い材料が、シリコーンゴム、ＥＰＤＭ（エチレン・プロピレンゴム）、ＥＶＡ(エチレン・酢酸ビニル共重合樹脂)であることを特徴とする請求項１記載の懸垂がいし。
最内周の環状リブの内側に凸状のコブを備え、該コブの先端まで、ピン金具側のセメント接合部を拡大したことを特徴とする請求項１または２記載の懸垂がいし。
該熱伝導の低い材料で構成された環状リブの長さが、１５ｍｍ〜５０ｍｍであることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の懸垂がいし。
該熱伝導の低い材料で構成された環状リブの半径座標を、セメントを含むピン側電極半径の２．７倍より内側に配置したことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の懸垂がいし。
該熱伝導の低い材料で構成された環状リブの半径座標を、セメントを含むピン側電極半径の１．８倍より内側に配置したことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の懸垂がいし。