JP7495386B2 - ポリマー套管 - Google Patents

Description

本発明は、ポリマー套管に関する。

近年、套管の軽量化、スリム化、縮小化、套管種類の共通化及び作業工程の簡略化などを図る観点から、エポキシ樹脂等からなる絶縁筒の外周面にシリコーンゴム等からなるポリマー被覆体を直接モールド成形した固体絶縁構造（完全乾式）のポリマー套管が実用化されている（例えば特許文献１～４）。このようなポリマー套管は、ダイレクトモールド型と称される。

ダイレクトモールド型のポリマー套管において、ポリマー被覆体は、通常、絶縁筒の外周を覆う胴部と、胴部の外周に長手方向に離間して形成される傘状の襞部と、を有している。また、耐コロナ特性を向上させるために、絶縁筒とポリマー被覆体との界面には、酸化亜鉛層又は高誘電率層からなる電界緩和層が配置される（特許文献１、３、４参照）。特に、特許文献４に開示のポリマー套管では、電界緩和層の先端部に対応する外周位置において、ポリマー被覆体の胴部を肉厚に形成することにより、耐コロナ特性のさらなる向上が図られている。

特開２０１２－７５２６６号公報 特開２００７－１８８７３５号公報 特開２００９－５５１４号公報 特開２０１６－１４０１９５号公報

ところで、磁器套管においては、表面を流れる電気を確実に絶縁するために必要な表面漏洩距離が規格によって定められている。電圧階級が高電圧になるほど長い表面漏洩距離が要求される。近年、ダイレクトモールド型を含むポリマー套管も汚損設計基準曲線が規格で定められ、表面漏洩距離が新たに制定された（例えば、ＪＥＣ－５２０２）。また、ダイレクトモールド型を含むポリマー套管においては、電圧階級が高電圧になるほど高い絶縁性能が要求される。ここで要求される絶縁性能には、例えば、汚損交流耐電圧特性、乾燥および注水商用周波閃絡特性が含まれる。

本発明の目的は、要求される表面漏洩距離を確保できるとともに、さらに絶縁性能を向上できるポリマー套管を提供することである。

本発明に係るポリマー套管は、
中心に配置される棒状の内部導体と、
前記内部導体の外周に一体的に形成される硬質の絶縁筒と、
前記内部導体と同心状に前記絶縁筒に埋設される遮へい金具と、
前記絶縁筒の外周を覆う胴部と、前記胴部の外周に長手方向に離間して形成される複数の傘状の襞部と、を有するポリマー被覆体と、
酸化亜鉛層又は高誘電率層で構成され、前記絶縁筒と前記ポリマー被覆体との界面に沿って配置され、後端部が前記遮へい金具に接続される電界緩和層と、を備え、
複数の前記襞部は、複数の小襞部と、複数の前記小襞部と長手方向にわたって交互に配置され前記小襞部よりも前記胴部から径方向への突出長が大きい複数の大襞部と、複数の前記大襞部のうちの一部に代えて隣り合う前記小襞部の間に配置され前記大襞部よりも前記胴部から径方向への突出長が大きい特大襞部と、を有し、
前記特大襞部は、前記ポリマー被覆体において前記電界緩和層の先端部に対応する位置を基準として、先端側に向かって１枚目から３枚目のいずれかの位置に配置される第１特大襞部を含み、
前記第１特大襞部は、前記基準よりも先端側に位置する。

本発明のポリマー套管によれば、要求される表面漏洩距離を確保できるとともに、さらに絶縁性能を向上できる。

図１は、実施の形態に係るポリマー套管の全体構成を示す部分断面図である。 図２は、特大襞部の配置態様の一例を示す図である。 図３は、変形例に係るポリマー套管の全体構成を示す部分断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係るポリマー套管１の全体構成を示す部分断面図である。以下において、図中、上側を「先端側Ｓ１」、下側を「後端側Ｓ２」と称する。図１に示すポリマー套管１は、後端側Ｓ２に変圧器等の電力機器内に配置されるヘッド部Ｈを有する機器用ブッシングである。

図１に示すように、ポリマー套管１は、中心に配置される棒状の内部導体１０、内部導体１０の外周に設けられる絶縁筒２０、絶縁筒２０と一体的に形成される遮へい金具３０、絶縁筒２０の外周に設けられるポリマー被覆体４０、及び絶縁筒２０とポリマー被覆体４０の界面に配置される電界緩和層５０等を備える。

内部導体１０、絶縁筒２０、遮へい金具３０、ポリマー被覆体４０、及び電界緩和層５０は、モールド成型により一体的に形成される。具体的には、内部導体１０と遮へい金具３０とを金型にセットした状態で絶縁筒２０がモールド成型される。そして、モールド成型した絶縁筒２０が電界緩和層成型用の金型にセットされ、後述するように絶縁筒２０の大径部２３の外周面に電界緩和層５０がモールド成型される。さらに、電界緩和層５０をモールド成型したものがポリマー被覆体成型用の金型にセットされ、絶縁筒２０及び電界緩和層５０の外周面にポリマー被覆体４０がモールド成型される。なお、ポリマー套管１において、課電時の電位は、内部導体１０が高電位、遮へい金具３０が接地電位となる。

内部導体１０は、例えば銅、アルミニウム、銅合金又はアルミニウム合金等からなる通電に適した導電性材料で構成される。ポリマー套管１では、内部導体１０の両端部（先端部１１及び後端部１２）は、絶縁筒２０から露出した状態とされる。内部導体１０の先端部１１は架空線や引き込み線（図示略）などに接続され、内部導体１０の後端部１２は電力機器内の高電圧導体に接続される。

絶縁筒２０は、例えばエポキシ樹脂やＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics）など、機械的強度の高い硬質プラスチック樹脂材料で構成される。絶縁筒２０は、先端側Ｓ１に直胴状に形成された小径部２１、小径部２１から後端側Ｓ２に向けて緩やかに拡径するテーパー部２２、テーパー部２２の後端側Ｓ２に直胴状に形成された大径部２３を有する。また、絶縁筒２０の後端部は、電力機器内に配置されるヘッド部Ｈを構成する。ここで、絶縁筒２０の後端部とは、大径部２３の後端側Ｓ２、すなわち遮へい金具３０のフランジ部３２より後端側Ｓ２に大径部２３と連設される部分を意味する。

絶縁筒２０を全体的に大径化すると、ポリマー套管１の表面電位を容易に下げることができるが、ポリマー套管１に要求される耐震性、耐曲げ荷重性が低下する。絶縁筒２０を小径部２１、テーパー部２２、大径部２３からなる構造とすることで、電気的性能と、耐震性、曲げ荷重性の両立を図ることができる。

遮へい金具３０は、絶縁筒２０の大径部２３に内部導体１０と同心状に埋設される円筒部３１と、円筒部３１の後端から径方向外側に延出するフランジ部３２とを有する。円筒部３１は電界緩和機能を有し、ポリマー套管１の電界を緩和する。フランジ部３２をＯリング等のシール部材（図示略）を介して電力機器のケースＣに載置した状態でボルト等の接続部材（図示略）で接続することにより、ポリマー套管１は電力機器に気密・水密に固定される。

ポリマー被覆体４０は、電気絶縁性能に優れる材料（例えばシリコーンポリマーなどの高分子材料）で構成される。ポリマー被覆体４０は、絶縁筒２０のヘッド部Ｈを除く部分の外周を覆うように形成される。すなわち、ポリマー被覆体４０は、遮へい金具３０のフランジ部３２より先端側Ｓ１の絶縁筒２０の外周を覆うように形成される。ポリマー被覆体４０は、絶縁筒２０の外周を覆う胴部４１と、胴部４１の外周に長手方向に離間して形成される複数の傘状の襞部４２とを有する。

本実施の形態では、襞部４２として、小襞部４３と、小襞部４３よりも胴部４１から径方向外側への突出長が大きい大襞部４４と、大襞部４４よりも胴部４１から径方向外側への突出長が大きい特大襞部４５と、が設けられている。具体的には、長手方向にわたって、小襞部４３と大襞部４４が交互に形成されており、長手方向における特定部位において大襞部４４に代えて特大襞部４５が形成されている。
大襞部４４の突出長は、例えば、小襞部４３の１．０５～１．２５倍に設定される。特大襞部４５の突出長は、例えば、大襞部４４の１．０５～１．２５倍に設定される。好ましくは、特大襞部４５の突出長は、特大襞部４５の外径が遮へい金具３０のフランジ部３２の外径以下となるよう設定される。特大襞部４５の数及び突出長は、ポリマー套管１に要求される表面漏洩距離に応じて設定される。特大襞部４５の位置については、後述する。

電界緩和層５０は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）層又は高誘電率層で形成される。具体的には、例えば、電界緩和層５０は、樹脂材料に酸化亜鉛粉末を充填した酸化亜鉛層、又は、カーボンブラック等の導電性フィラーを充填したゴム等の比誘電率が１０以上の高誘電率層で構成される。電界緩和層５０は、絶縁筒２０の大径部２３の外周面にモールド成型により絶縁筒２０と一体的に形成される。すなわち、電界緩和層５０は、ポリマー套管１において、絶縁筒２０の大径部２３とポリマー被覆体４０との界面に沿って設けられる。

絶縁筒２０の大径部２３とポリマー被覆体４０との界面に電界緩和層５０を設ける方法として、電界緩和層５０が径方向外側に出っ張らないように電界緩和層５０の外径が絶縁筒２０の大径部２３の外径と同一になるように形成する方法、または電界緩和層５０の内径が絶縁筒２０の大径部２３の外径と同一になるように形成する方法が考えられる。

本実施の形態では、電界緩和層５０の成型の容易性から、電界緩和層５０は、図１に示すように、絶縁筒２０の大径部２３の外周に、電界緩和層５０の内径が絶縁筒２０の大径部２３の外径と同一になるように形成される。すなわち、電界緩和層５０がある部分と電界緩和層５０のない部分とで、ポリマー被覆体４０の胴部４１の厚さが異なる。具体的には、電界緩和層５０がある部分のポリマー被覆体４０の胴部４１の厚さが、電界緩和層５０がない部分の胴部４１の厚さよりも薄い。これにより、ポリマー套管１の高電圧化（例えば１１０ｋＶ級以上）への適用を考えた場合、電界緩和層５０の先端部５１に対応する位置の胴部４１の厚さが薄いため、電界緩和層５０の先端部５１近傍のポリマー被覆体４０においては気中放電が生じやすくなる。しかし、ポリマー套管１は、電界緩和層５０の先端部５１の近傍に特大襞部４５を有するので、気中放電が生じるのを抑えることができる。

絶縁筒２０の大径部２３の長手方向の長さは、電界緩和層５０の長手方向の長さよりも長くなっている。すなわち、電界緩和層５０は、絶縁筒２０の大径部２３に位置する。また、電界緩和層５０の後端は、遮へい金具３０に電気的に接続される。電界緩和層５０は、絶縁筒２０の大径部２３の外周面に形成されるので、全体が同一径となる。大径部２３に電界緩和層５０を形成することにより電界分布が最適化されるので、ポリマー套管１の電気的性能が向上する。

図２は、特大襞部４５の配置態様の一例を示す図である。図２では、ポリマー套管１における電界緩和層５０の先端部の近傍及び遮へい金具３０のフランジ部３２の近傍を拡大して示している。

図２に示すように、特大襞部４５の一例である第１特大襞部４５１は、電界緩和層５０の先端部５１の先端側Ｓ１の近傍に配置されている。ポリマー套管１において、電界緩和層５０の先端部５１は、電界が集中しやすく、放電を生じやすい。そのため、ポリマー套管１の後端側Ｓ２の低電位部で生じた放電は、電界緩和層５０の先端部５１に対応する表面を中継して、先端側Ｓ１の高電位部と後端側Ｓ２の低電位部との間で繋がろうとする。ここで、ポリマー套管１０の後端側Ｓ２の低電位部とは、例えば、遮へい金具３０の取付用のボルト（図示略）を意味する。また、ポリマー套管１０の先端側Ｓ１の高電位部とは、例えば、内部導体１０の先端部１１に取り付けられる端子等の金具（図示略）を意味する。本実施の形態では、電界緩和層５０の先端部５１の先端側Ｓ１の近傍に第１特大襞部４５１を配置することにより、低電位部と高電位部との間で生じる放電が繋がるのを抑制する、いわゆるバリア効果が得られる。ここで、バリア効果により抑制される放電には、低電位部から高電位部に向かうもの、および高電位部から低電位部に向かうものの、いずれの場合も含まれる。

ここで、「先端側Ｓ１の近傍」とは、ポリマー被覆体４０において電界緩和層５０の先端部５１に対応する位置を基準として、先端側Ｓ１に向かって１枚目から３枚目のいずれかの位置、すなわち、第１特大襞部４５１によってバリア効果が得られる位置であればよく、好ましくは、電界緩和層５０の先端部５１に対応する外周位置を基準Ｐ０として、先端側Ｓ１に向かって１枚目の襞の位置Ｐ１又は２枚目の襞の位置Ｐ２である。図２では、第１特大襞部４５１は、１枚目の襞の位置Ｐ１に配置されている。

また、特大襞部４５の他の一例である第２特大襞部４５２は、電界が集中する遮へい金具３０の円筒部３１の先端より後端側Ｓ２に配置される。実施の形態では、第２特大襞部４５２は、ポリマー套管１における遮へい金具３０のフランジ部３２の近傍に配置されている。図２では、第２特大襞部４５２は、フランジ部３２から２枚目の襞の位置に配置されている。フランジ部３２の近傍に第２特大襞部４５２を配置することにより、ポリマー套管１における後端側Ｓ２の低電位部で生じる放電が、電界緩和層５０の先端部５１の近傍で生じる放電と繋がりにくくなる。

また、ポリマー套管１は、特大襞部４５として、第１特大襞部４５１及び第２特大襞部４５２とは異なる位置に配置される第３特大襞部４５３を有する。第３特大襞部４５３は、例えば、第１特大襞部４５１よりも先端側Ｓ１に、所定の間隔を空けて配置される。本実施の形態では、ポリマー套管１の先端部と、第１特大襞部４５１の間に、２つの第３特大襞部４５３が配置されている。具体的には、ポリマー套管１の小径部２１の先端側Ｓ１と後端側Ｓ２に、それぞれ第３特大襞部４５３が配置されている。第３特大襞部４５３を設けることにより、絶縁有効長を長くすることなく、ポリマー套管１に要求される表面漏洩距離を確保しやすくなる。ここで、絶縁有効長とは、ポリマー套管１の襞部４２が形成されている部分の長手方向の長さを意味する。また、ポリマー套管１の先端側Ｓ１の高電位部の近傍に第３特大襞部４５３を配置した場合、高電位部からの放電の進展が抑制されるので、表面閃絡を防止するのに効果的である。

このように、ポリマー套管１は、中心に配置される棒状の内部導体１０と、内部導体１０の外周に一体的に形成される硬質の絶縁筒２０と、内部導体１０と同心状に絶縁筒２０に埋設される遮へい金具３０と、絶縁筒２０の外周を覆う胴部４１及び胴部４１の外周に長手方向に離間して形成される複数の傘状の襞部４２を有するポリマー被覆体４０と、酸化亜鉛層又は高誘電率層で構成され絶縁筒２０とポリマー被覆体４０との界面に沿って配置され後端部が遮へい金具３０に接続される電界緩和層５０と、を備える。複数の襞部４２は、小襞部４３と、小襞部４３よりも胴部４１から径方向への突出長が大きい大襞部４４と、大襞部４４よりも胴部４１から径方向への突出長が大きい特大襞部４５と、を有し、特大襞部４５は、ポリマー被覆体４０において電界緩和層５０の先端部５１に対応する位置Ｐ０を基準として、先端側Ｓ１に向かって１枚目から３枚目のいずれかの位置に配置される第１特大襞部４５１を含む。

第１特大襞部４５１のバリア効果により、ポリマー套管１の低電位部と高電位部との間で生じる気中放電の進展が抑制され、表面閃絡が生じにくくなるので、絶縁特性が向上する。ここで、絶縁特性とは、例えば、乾燥ＡＣ閃絡特性、注水ＡＣ閃絡特性及び人工汚損ＡＣ耐電圧特性である。また、第１特大襞部４５１を設けることにより、小襞部４３及び大襞部４４のみを配置した場合に比較して、容易に表面漏洩距離を長くすることができる。したがって、さらなる高電圧化を図ることができ、例えば、１１０ｋＶ以上の電圧階級にも対応することができる。また、従来のポリマー套管の設計を大幅に変更することなく、近年改定されたＪＥＣ－５２０２の規格に適合させることができる。

また、ポリマー套管１において、第１特大襞部４５１は、電界緩和層５０の先端部５１に対応する位置Ｐ０を基準として、先端側Ｓ１に向かって１枚目の位置Ｐ１又は２枚目の位置Ｐ２に配置されるのがより好ましい。
これにより、第１特大襞部４５１によるバリア効果を確実に得ることができる。

また、ポリマー套管１において、特大襞部４５は、さらに、遮へい金具３０の近傍に配置される第２特大襞部４５２を含む。
これにより、ポリマー套管１における後端側Ｓ２の低電位部で生じた放電が、電界緩和層５０の先端部５１の近傍で生じる放電と繋がりにくくなるので、さらに絶縁性能が向上する。

また、ポリマー套管１において、特大襞部４５は、さらに、第１特大襞部４５１及び第２特大襞部４５２とは異なる位置に配置される第３特大襞部４５３を含む。
これにより、特大襞部４５の突出長を極端に大きくすることなく、要求される表面漏洩距離を確保することができる。

また、ポリマー套管１において、特大襞部４５は、隣り合う小襞部４３の間に配置されている。すなわち、ポリマー套管１の長手方向において、小襞部４３、特大襞部４５、小襞部４３の順に配置されている。
これにより、長手方向において、特大襞部４５と小襞部４３とが隣接し、降雨時又は注水時に、落下する水滴による橋絡が生じにくくなるので、注水ＡＣ閃絡特性がさらに向上する。

また、ポリマー套管１及び後述するポリマー套管３は、完全乾式の固体絶縁構造である。すなわち、従来の磁器套管のように套管本体の内部に絶縁油あるいはＳＦ_６ガスなどを使用しない環境に配慮した技術である。また、磁器套管に比較して耐震性に優れ災害に強い。よって、持続可能な開発目標（ＳＤＧｓ）の目標９「強靭（レジリエント）なインフラ構築、包摂的かつ持続可能な産業化の促進及びイノベーションの推進を図る」及び目標１１「包摂的で安全かつ強靭（レジリエント）で持続可能な都市及び人間居住を実現する」に貢献することが可能となる。ここで、持続可能な開発目標（ＳＤＧｓ）は、２０１５年９月の国連サミットで採択された「持続可能な開発のための２０３０アジェンダ」にて記載された、２０３０年までに持続可能でよりよい世界を目指す国際目標である。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。

例えば、実施の形態では、本発明のポリマー套管を機器用ブッシングに適用した場合について説明したが、本発明のポリマー套管は、壁貫通ブッシング（特許文献２参照）や、絶縁筒２０の後端側Ｓ２にケーブル端末が装着されるケーブル終端接続部（図３参照）に適用することもできる。ここで、ケーブル端末は、電力ケーブル６１の他、ストレスコーン６２及び圧縮装置６３等の接続部品を含む。

図３は、本発明をケーブル終端接続部に適用したポリマー套管３の全体構成を示す部分断面図である。すなわち、図３に示すポリマー套管３は、いわゆる気中終端接続部である。図３に示すポリマー套管３における気中側の構造、すなわちポリマー被覆体４０を有する部分の構造は、実施の形態のポリマー套管１における気中側の構造、すなわちポリマー被覆体４０を有する部分の構造と同じであるため、詳細な説明を省略する。また、ケーブル終端接続部としては、ストレスコーン６２を絶縁筒２０内に収容するいわゆるインナーコーンタイプ（図３参照）と、ＲＢＪ（Rubber Block Joint;ゴムブロックジョイント）の絶縁方式のようにゴムブロックで絶縁ユニットの外周を覆うことによりポリマー套管とケーブル端末とを接続するいわゆるアウターコーンタイプ（図示略）とがあるが、本発明はいずれにも適用できる。

また例えば、実施の形態では、特大襞部４５を４枚設けた場合について説明したが、特大襞部４５の数はこれに限定されず、例えば、ポリマー套管１に要求される表面漏洩距離に応じて設定されればよい。ただし、特大襞部４５の数を増やし過ぎると、長手方向における特大襞部４５同士の間隔が近くなり、閃絡しやすくなる。具体的には、特大襞部４５同士の間隔が近くなった場合には、特大襞部４５の先端同士の距離が近くなり、雨水が先端を伝いやすくなるため、閃絡が起こりやすくなる。このため、実施の形態のように、長手方向にわたって、小襞部４３と大襞部４４が交互に形成されるポリマー套管１において、長手方向における特定部位において大襞部４４に代えて特大襞部４５を形成する方が望ましい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１、３ ポリマー套管
１０ 内部導体
２０ 絶縁筒
２１ 小径部
２２ テーパー部
２３ 大径部
３０ 遮へい金具
３１ 円筒部
３２ フランジ部
４０ ポリマー被覆体
４１ 胴部
４２ 襞部
４３ 小襞部
４４ 大襞部
４５ 特大襞部
４５１ 第１特大襞部
４５２ 第２特大襞部
４５３ 第３特大襞部
５０ 電界緩和層
６１ 電力ケーブル
６２ ストレスコーン
６３ 圧縮装置
Ｃ ケース
Ｈ ヘッド部
Ｐ０ ポリマー套管の電界緩和層の先端部に対応する位置
Ｐ１ ポリマー套管の１枚目の襞部の位置
Ｐ２ ポリマー套管の２枚目の襞部の位置
Ｓ１ ポリマー套管の先端側
Ｓ２ ポリマー套管の後端側

Claims (5)

1. 中心に配置される棒状の内部導体と、
   前記内部導体の外周に一体的に形成される硬質の絶縁筒と、
   前記内部導体と同心状に前記絶縁筒に埋設される遮へい金具と、
   前記絶縁筒の外周を覆う胴部と、前記胴部の外周に長手方向に離間して形成される複数の傘状の襞部と、を有するポリマー被覆体と、
   酸化亜鉛層又は高誘電率層で構成され、前記絶縁筒と前記ポリマー被覆体との界面に沿って配置され、後端部が前記遮へい金具に接続される電界緩和層と、を備え、
   複数の前記襞部は、複数の小襞部と、複数の前記小襞部と長手方向にわたって交互に配置され前記小襞部よりも前記胴部から径方向への突出長が大きい複数の大襞部と、複数の前記大襞部のうちの一部に代えて隣り合う前記小襞部の間に配置され前記大襞部よりも前記胴部から径方向への突出長が大きい特大襞部と、を有し、
   前記特大襞部は、前記ポリマー被覆体において前記電界緩和層の先端部に対応する位置を基準として、先端側に向かって１枚目から３枚目のいずれかの位置に配置される第１特大襞部を含み、
   前記第１特大襞部は、前記基準よりも先端側に位置する、
   ポリマー套管。
2. 前記第１特大襞部は、前記電界緩和層の前記先端部に対応する位置を基準として、先端側に向かって１枚目又は２枚目のいずれかの位置に配置される、
   請求項１に記載のポリマー套管。
3. 前記特大襞部は、さらに、前記遮へい金具の先端部より後端側に配置される第２特大襞部を含む、
   請求項１又は２に記載のポリマー套管。
4. 前記特大襞部は、さらに、前記第１特大襞部及び前記第２特大襞部とは異なる位置に配置される第３特大襞部を含む、
   請求項３に記載のポリマー套管。
5. 前記絶縁筒は、直胴状に形成された小径部と、前記小径部から後端側に向けて緩やかに拡径するテーパー部と、前記テーパー部の後端側に直胴状に形成された大径部と、を有し、
   前記電界緩和層の前記先端部は、前記大径部に位置し、
   前記第１特大襞部及び前記第２特大襞部は前記大径部に配置され、前記第３特大襞部は前記小径部に配置される、
   請求項４に記載のポリマー套管。

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