KR101635263B1 - 전기 기기용 코팅재, 전기 기기용 코팅재의 제조 방법 및 밀폐형 절연 장치 - Google Patents

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Abstract

실시 형태의 전기 기기용 코팅재는, 에폭시 수지를 포함하는 매트릭스 수지와, 매트릭스 수지에 분산되어 함유되며, 반도전성의 체적 고유 저항을 갖는 위스커를 포함하는 제1 충전제와, 매트릭스 수지에 분산되어 함유되며, 반도전성의 체적 고유 저항을 갖는 입자를 포함하는 제2 충전제와, 매트릭스 수지에 분산되어 함유되며, 절연성을 갖는 평판 형상, 섬유 형상 또는 층 형상의 물질을 포함하는 제3 충전제를 구비한다.

Description

전기 기기용 코팅재, 전기 기기용 코팅재의 제조 방법 및 밀폐형 절연 장치{COATING MATERIAL FOR ELECTRICAL EQUIPMENT, METHOD FOR PRODUCING THE SAME, AND SEALED TYPE ISOLATOR}
본 발명의 실시 형태는, 전기 기기용 코팅재, 전기 기기용 코팅재의 제조 방법 및 밀폐형 절연 장치에 관한 것이다.
절연성 가스가 봉입된 용기 내에, 절연물로 지지된 고전압 도체를 구비하는, 예를 들면 가스 봉입형 개폐기 등의 밀폐형 절연 장치에 있어서는, 비용 저감이나 환경 부하 저감을 위해서, 절연 설계의 합리화나 삼상 일괄화 등에 의한 축소화가 과제로 되고 있다.
밀폐형 절연 장치의 금속 용기의 크기는, 절연 설계나 열적 설계 등에 의해 정해지고 있다. 절연 설계의 포인트의 하나는, 금속 용기의 내측 표면에 이물질이 존재(부착)한 경우에 있어서의 절연 성능에의 영향을 검토하는 것이다.
절연물로 지지된 고전압 도체를 수용하고, 절연 가스가 봉입된 금속 용기의 내부에 이물질이 존재하면, 이물질에 대하여, 금속 용기 등으로부터 공급된 전하와 운전 전압의 상호 작용에 의해 힘이 발생한다. 그 때문에, 이물질이 금속 용기의 내부를 돌아다니는 경우가 있다.
밀폐형 절연 장치를 축소화하면, 금속 용기의 내측 표면의 전계가 높아져, 금속 용기의 내부에 존재하는 이물질의 움직임이 활발해지기 쉽다. 금속 용기의 내부에서 이물질이 과도하게 움직이면, 절연 성능에 영향을 미치는 경우가 있다. 또한, 이물질의 형상이 긴 것일수록, 이물질의 움직임이 커져, 절연 성능에의 영향이 커진다.
그 때문에, 금속 용기의 내부에 긴 이물질이 혼입되지 않도록, 제조 공정에 있어서, 예를 들면 이물질 관리 공정을 설정하여 이물질 제거를 행하여, 이물질의 관리를 강화하고 있다. 또한, 관리하는 것이 어려운 작은 이물질이, 설계상 고려한 높이 이상으로 부상하여 돌아다니는 경우가 없도록, 운전 전압 인가 시의 금속 용기의 내측 표면의 전계 강도를 설계할 필요가 있다. 여기서, 높이란, 금속 용기의 내측 표면과 이물질의 거리이다.
금속 용기의 내측 표면의 전계 강도는, 고전압 도체와 금속 용기의 내측 표면의 거리에 의존하기 때문에, 이물질의 부상 높이를 작게 억제하기 위해서는 금속 용기를 크게 할 필요가 있다. 이것은 밀폐형 절연 장치의 축소화를 방해하는 요인으로 된다.
이 이물질에 의한 영향을 완화시키는 방법으로서, 금속 용기의 내측 표면에 절연 저항재를 코팅하여 이물질의 움직임을 억제하는 방법이 있다. 금속 용기의 내측 표면에 절연 저항재를 코팅함으로써, 금속 용기의 내측 표면으로부터 이물질에의 전하의 공급을 억제하여, 이물질을 움직이기 어렵게 하고 있다. 이 경우, 코팅하는 절연 저항재의 체적 고유 저항을, 이물질의 움직임을 억제할 수 있는 체적 고유 저항으로 제어할 필요가 있다.
일본 특허 제3028975호 공보
그러나, 종래의 절연 저항재를 사용하는 경우, 이물질, 절연 가스 및 절연 저항재를 포함하는 부위에 전계 집중을 발생하기 쉽다. 이 전계 집중이 커지면, 이물질의 주변에서 부분 방전이 발생하여, 이물질에 전하를 공급한다.
부분 방전이 발생하면, 이물질은, 갑자기 광범위하게 돌아다녀, 절연 성능에 영향을 준다. 또한, 뇌(雷)서지 등의 과전압이 침입하여 금속 용기의 내측 표면의 전계가 커지면, 전계 집중부의 전계가 더욱 커지는 경우가 있어, 이물질이 갑자기 크게 돌아다니는 경우가 있다.
이와 같이, 이물질이 갑자기, 또한 광범위에 걸쳐 돌아다니는 것을 억제하기 위해서는, 절연 저항재와 이물질 사이의 전계 집중을 완화하여, 부분 방전이나 전계 방사의 발생을 억제할 필요가 있다. 또한, 뇌임펄스와 같은 보다 높은 전압에 의해 부분 방전이 발생하여, 이물질이 움직이기 시작하는 경우도 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전기 기기 내에 있어서의 이물질의 부상이나 돌아다님을 억제할 수 있는 전기 기기용 코팅재, 전기 기기용 코팅재의 제조 방법 및 밀폐형 절연 장치를 제공하는 것이다.
실시 형태의 전기 기기용 코팅재는, 에폭시 수지를 포함하는 매트릭스 수지와, 상기 매트릭스 수지에 분산되어 함유되며, 반도전성의 체적 고유 저항을 갖는 위스커를 포함하는 제1 충전제를 구비한다. 또한, 전기 기기용 코팅재는, 상기 매트릭스 수지에 분산되어 함유되며, 반도전성의 체적 고유 저항을 갖는 입자를 포함하는 제2 충전제와, 상기 매트릭스 수지에 분산되어 함유되며, 절연성을 갖는 평판 형상, 섬유 형상 또는 층 형상의 물질을 포함하는 제3 충전제를 구비한다.
도 1은 실시 형태의 전기 기기용 코팅재가 함유하는 제1 충전제를 모식적으로 도시한 사시도.
도 2는 제1 충전제와 제2 충전제가 형성하는 도전 패스를 설명하기 위해서, 실시 형태의 전기 기기용 코팅재의 구성을 모식적으로 도시한 도면.
도 3은 실시 형태의 전기 기기용 코팅재를 사용하여 코팅층이 형성된 전기 기기를 일부 단면으로 도시한 도면.
도 4는 이물질 부상 전계의 평가를 행한 시험 장치의 단면을 도시하는 도면.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.
실시 형태의 전기 기기용 코팅재는, 매트릭스 수지에, 제1 충전제, 제2 충전제 및 제3 충전제를 분산하여 함유하고 있다. 매트릭스 수지는, 점성 액상의 상태이며, 경화제를 첨가함으로써 경화한다.
에폭시 수지는, 1분자당 2개 이상의 에폭시기를 갖는 에폭시 화합물을 포함하는 것이다. 이와 같은 에폭시 화합물로서는, 탄소 원자 2개와 산소 원자 1개를 포함하는 3원환을 1분자 중에 2개 이상 갖고, 경화 가능한 화합물이면 적절하게 사용 가능하고, 그 종류는 특별히 한정되는 것은 아니다.
에폭시 수지로서는, 비스페놀 A형 에폭시 수지, 브롬화 비스페놀 A형 에폭시 수지, 수소 첨가 비스페놀 A형 에폭시 수지, 비스페놀 F형 에폭시 수지, 비스페놀 S형 에폭시 수지, 비스페놀 AF형 에폭시 수지, 비페닐형 에폭시 수지, 나프탈렌형 에폭시 수지, 플루오렌형 에폭시 수지, 노볼락형 에폭시 수지, 페놀-노볼락형 에폭시 수지, 오르토크레졸-노볼락형 에폭시 수지, 트리스(히드록시페닐)메탄형 에폭시 수지, 테트라페닐올에탄형 에폭시 수지 등의 글리시딜에테르형 에폭시 수지, 에피클로로히드린과 카르복실산의 축합에 의해 얻어지는 글리시딜에스테르형 에폭시 수지, 트리글리시딜이소시아네이트나 에피클로로히드린과 히단토인류의 반응에 의해 얻어지는 히단토인형 에폭시 수지와 같은 복소환식 에폭시 수지 등을 들 수 있다. 또한, 에폭시 수지로서, 상기한 에폭시 수지 중 어느 1종을 사용해도 되고, 2종 이상 혼합하여 사용해도 된다.
에폭시 수지를 경화시키는 경화제는, 에폭시 수지와 화학 반응하여 에폭시 수지를 경화시키는 것이다. 이 경화제는, 에폭시 수지를 경화시키는 것이면 적절하게 사용 가능하고, 그 종류는 특별히 한정되는 것은 아니다. 이와 같은 경화제로서는, 예를 들면 아민계 경화제, 산무수물계 경화제 등을 사용할 수 있다. 아민계 경화제로서는, 예를 들면 에틸렌디아민, 폴리아미드아민 등을 사용할 수 있다. 산무수물계 경화제로서는, 예를 들면 무수프탈산, 헥사히드로무수프탈산, 4-메틸헥사히드로 무수프탈산, 테트라히드로 무수프탈산, 4-메틸테트라히드로 무수프탈산, 테트라브로모 무수프탈산 등을 사용할 수 있다.
또한, 매트릭스 수지 중에, 기포가 발생하는 것을 방지하기 위해서, 혹은 발생한 기포를 없애기 위해서, 매트릭스 수지에 소포제를 첨가해도 된다. 소포제는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 디메틸실리콘계의 소포제(예를 들면, TSA720(모멘티브 퍼포먼스 머티리얼즈 재팬 고도 가이샤제 상품명) 등)을 사용할 수 있다.
또한, 구조물에 전기 기기용 코팅재를 솔 등에 의해 도포하는 경우나, 에어리스 스프레이 등을 사용하여 도장을 행하는 경우의 작업성을 향상시키기 위해서, 매트릭스 수지에 희석 용제를 첨가해도 된다. 이 희석 용제로서는, 속건성의 시너(예를 들면, 아세트산에틸과 톨루엔을 8 : 2의 질량비로 혼합한 혼합물) 등을 사용할 수 있다. 희석 용제는, 상기한 작업성을 향상시키기 위해서, 에폭시 수지 100질량부에 대하여 1 내지 10질량부 함유되는 것이 바람직하다.
제1 충전제는, 반도전성의 체적 고유 저항을 갖는 ZnO를 포함하는 위스커를 포함한다. 도 1은 실시 형태의 전기 기기용 코팅재가 함유하는 제1 충전제(10)를 모식적으로 도시한 사시도이다.
제1 충전제(10)를 구성하는 위스커는, 도 1에 도시한 바와 같이, 핵부(11) 및 이 핵부(11)로부터 4축 방향으로 신장하는 바늘 형상 결정부(12)를 포함하고, 테트라포드 형상을 갖고 있다. 위스커의 체적 고유 저항은 1 내지 5000Ωㆍ㎝이다. 여기서, 반도전성의 체적 고유 저항이란, 1×10-3 내지 1×105Ωㆍ㎝의 범위를 말한다.
매트릭스 수지 내에서, 위스커가, 제2 충전제끼리를 연결하여 양호한 도전 패스를 형성하기 위해서, 위스커의 바늘 형상 결정부(12)의 길이 L은 2㎛ 내지 50㎛이고, 또한 바늘 형상 결정부(12)의 최대 직경을 갖는 부분의 평균 직경 D(산술 평균 직경)는 0.2㎛ 내지 3㎛인 것이 바람직하다. ZnO를 포함하는 반도전성의 위스커로서는, 예를 들면 파나테트라(암텍사제)를 사용할 수 있다.
제1 충전제(10)는, 매트릭스 수지 100질량부에 대하여 1 내지 60질량부 함유되는 것이 바람직하다. 제1 충전제(10)를 이 범위로 함유함으로써, 매트릭스 수지 내에서, 제1 충전제(10)가 제2 충전제끼리를 연결하여 양호한 도전 패스를 형성하여, 도장 등의 작업성을 확보할 수 있다.
여기서, 위스커의 표면은, 티타네이트 커플링 처리 또는 실란 커플링 처리가 실시되어도 된다. 이들 처리를 실시함으로써, 매트릭스 수지와의 습윤성을 향상시킬 수 있다. 티타네이트 커플링 처리는, 매트릭스 수지에 희석 용제를 첨가하는지 여부에 상관없이 적합하다. 한편, 실란 커플링 처리는, 매트릭스 수지에 희석 용제를 첨가하지 않는 경우에 적합하다.
티타네이트 커플링 처리에 사용하는 티타네이트 커플링제로서는, 예를 들면 이소프로필트리이소스테아로일티타네이트, 이소프로필트리도데실벤젠술포닐티타네이트, 이소프로필-트리스(디옥틸피로포스페이트)티타네이트, 테트라이소프로필-비스(디옥틸포스파이트)티타네이트, 테트라옥틸-비스(디트리데실포스파이트)티타네이트, 테트라(2,2-디알릴옥시메틸-1-부틸)-비스(디트리데실)포스파이트티타네이트, 비스(디옥틸피로포스페이트)옥시아세테이트티타네이트 등을 사용할 수 있다.
티타네이트 커플링 처리로서, 예를 들면 분체를 혼합할 수 있는 용기를 사용하여 ZnO를 포함하는 위스커(미표면 처리품)를 티타네이트 커플링제와 함께 기계적으로 혼합하는 방법이나, ZnO를 포함하는 위스커(미표면 처리품)를 수지에 배합할 때에 티타네이트 커플링제를 첨가하는 방법(인테그럴 블렌드법) 등을 사용할 수 있다.
실란 커플링 처리에 사용하는 실란 커플링제로서는, 예를 들면 에폭시실란, 아미노실란, 비닐실란, 메타크릴실란, 머캅토실란, 메톡시실란, 에톡시실란 등을 사용할 수 있다.
실란 커플링 처리로서, 예를 들면 분체를 혼합할 수 있는 용기를 사용하여 ZnO를 포함하는 위스커(미표면 처리품)를 실란 커플링제와 함께 기계적으로 혼합하는 방법이나, ZnO를 포함하는 위스커(미표면 처리품)를 수지에 배합할 때에 실란 커플링제를 첨가하는 방법(인테그럴 블렌드법) 등을 사용할 수 있다.
제2 충전제는, 반도전성의 체적 고유 저항을 갖는 입자를 포함한다. 또한, 반도전성의 체적 고유 저항에 대해서는 전술한 바와 같다. 제2 충전제는, 예를 들면 Fe2O3 또는 Fe3O4를 포함하는 입자를 포함한다.
우선, Fe2O3에 대하여 설명한다. Fe2O3(비중 : 약 5.2g/㎤)는 적색의 분체이며, 소위 철단이다. Fe2O3의 체적 고유 저항은 1×103Ωㆍ㎝ 정도이다. Fe2O3의 평균 입경은, 전기 기기용 코팅재에 있어서 절연 저항 특성을 발현시키면서, 도장 등의 작업성을 확보하기 위해서, 0.1㎛ 내지 1㎛인 것이 바람직하다. 또한, 절연 저항 특성이 양호해지기 위해서, Fe2O3의 평균 입경을 0.5㎛ 내지 1㎛로 하는 것이 보다 바람직하다. 여기서, 절연 저항 특성이란, 체적 고유 저항으로서 1×106 내지 1×1018Ωㆍ㎝ 정도의 값을 나타내는 것이다(이하, 동일함).
여기서, 평균 입경은, 예를 들면 제2 충전제를 분산하여 함유한 소정 수지의 단면을 SEM(주사형 전자 현미경)으로 관찰하고, 개개의 제2 충전제의 입경을 측정하여, 산술 평균함으로써 얻어진다.
Fe2O3는 매트릭스 수지 100질량부에 대하여 1 내지 30질량부 함유되는 것이 바람직하다. Fe2O3를 이 범위에서 함유함으로써, 전기 기기용 코팅재에 있어서의 도전 패스의 형성 및 도장 등의 작업성을 확보할 수 있다.
다음에, Fe3O4에 대하여 설명한다. Fe3O4(비중 : 약 5.2g/㎤)는 흑색의 분체이다. Fe3O4의 체적 고유 저항은 4×10-3Ωㆍ㎝ 정도이다. Fe3O4의 평균 입경은 전기 기기용 코팅재에 있어서 절연 저항 특성을 발현시키면서, 도장 등의 작업성을 확보하기 위해서, 0.01㎛ 내지 0.1㎛인 것이 바람직하다. 또한, 절연 저항 특성이 양호해지기 위해서, Fe3O4의 평균 입경을 0.05㎛ 내지 0.08㎛로 하는 것이 보다 바람직하다. 평균 입경은 제2 충전제로서 Fe2O3를 사용하는 경우와 마찬가지의 방법에 의해 얻어진다.
Fe3O4는 매트릭스 수지 100질량부에 대하여 1 내지 30질량부 함유되는 것이 바람직하다. Fe3O4를 이 범위에서 함유함으로써, 전기 기기용 코팅재에 있어서의 도전 패스의 형성 및 도장 등의 작업성을 확보할 수 있다.
제3 충전제는, 절연성을 갖는 평판 형상, 섬유 형상 또는 층 형상의 물질을 포함한다. 여기서, 절연성이란, 체적 고유 저항이 1×106 내지 1×1018Ωㆍ㎝ 정도인 것을 말한다.
우선, 평판 형상의 물질에 대하여 설명한다. 평판 형상의 제3 충전제는, 예를 들면 탈크 또는 질화붕소(BN)를 포함한다.
탈크는, 주성분이 MgOㆍSiO2ㆍH2O를 포함하고, 평판 형상의 화합물이다. 탈크의 체적 고유 저항은 1×1014 내지 1×1015Ωㆍ㎝ 정도이다. 질화붕소(BN)는, 비늘 조각 형상 구조를 한 입자이다. 질화붕소는, 결정 구조의 차이에 의해, 육방정형 질화붕소, 능면체정형 질화붕소, 입방정형 질화붕소, 난층 구조형 질화붕소 및 울츠광형 질화붕소로 분류할 수 있다. 이 중에서도, 억셉트비가 크고, 절연 저항이 높고, 또한 재료의 절연 파괴 전계를 높일 수 있다는 이유로부터, 일반적인 질화붕소인 육방정형 질화붕소를 사용하는 것이 바람직하다.
여기서, 평판 형상의 제3 충전제로서 질화붕소를 사용한 경우, 질화붕소 자체가 높은 열전도성을 갖기 때문에, 예를 들면 전기 기기용 코팅재를 포함하는 코팅층에 있어서, 방열 특성을 향상시킬 수 있다.
평판 형상의 물질의 평균 직경은 1㎛ 내지 50㎛인 것이 바람직하다. 또한, 평판 형상의 물질의 평균 직경은 10㎛ 내지 30㎛인 것이 보다 바람직하다. 또한, 평판 형상의 물질이 원형을 구성하지 않는 경우에는, 평판 형상의 물질의 표면에 걸쳐 그을 수 있는 최장의 직선의 평균 길이(이하, 평균 직선 길이라 함)가 상기 범위 내로 되면 된다. 평판 형상의 물질의 평균 직경을 이 범위로 함으로써, 제1 충전제와 제2 충전제 사이에, 평판 형상의 제3 충전제가 인입되어, 제1 충전제 및 제2 충전제를 매트릭스 수지 내에 균일 분산할 수 있다.
여기서, 평균 직경은, SEM(주사형 전자 현미경)에 의한 수지 경화물의 관찰을 행함으로써 얻어진다. 평균 직선 길이는, 마찬가지로 SEM(주사형 전자 현미경)에 의한 수지 경화물의 관찰을 행함으로써 얻어진다.
평판 형상의 제3 충전제는, 매트릭스 수지 100질량부에 대하여 1 내지 30질량부 함유되는 것이 바람직하다. 평판 형상의 제3 충전제를 이 범위로 함유함으로써, 전기 기기용 코팅재의 점도를 최적으로 유지할 수 있다. 또한, 평판 형상의 제3 충전제는, 매트릭스 수지 100질량부에 대하여 1 내지 15질량부 함유되는 것이 보다 바람직하다.
다음에, 섬유 형상의 물질에 대하여 설명한다. 섬유 형상의 제3 충전제는, 예를 들면 티타늄산칼륨 위스커 또는 글래스 밀드 파이버를 포함한다.
티타늄산칼륨 위스커 및 글래스 밀드 파이버의 평균 섬유 길이는 1㎛ 내지 50㎛인 것이 바람직하고, 10㎛ 내지 20㎛인 것이 보다 바람직하다. 섬유 형상의 물질의 평균 섬유 길이를 이 범위로 함으로써, 제1 충전제와 제2 충전제 사이에, 섬유 형상의 제3 충전제가 인입되어, 제1 충전제 및 제2 충전제를 매트릭스 수지 내에 균일 분산할 수 있다.
또한, 평균 섬유 길이는, 각 섬유의 길이 방향의 길이를 산술 평균하여 얻어진 것이다. 여기서, 평균 섬유 길이는 SEM(주사형 전자 현미경)에 의한 수지 경화물의 관찰을 행함으로써 얻어진다.
섬유 형상의 제3 충전제는, 매트릭스 수지 100질량부에 대하여 1 내지 60질량부 함유되는 것이 바람직하다. 섬유 형상의 제3 충전제를 이 범위로 함유함으로써, 전기 기기용 코팅재의 점도를 최적으로 유지할 수 있다. 또한, 섬유 형상의 제3 충전제는, 매트릭스 수지 100질량부에 대하여 1 내지 30질량부 함유되는 것이 보다 바람직하다.
다음에, 층 형상의 물질에 대하여 설명한다. 층 형상의 제3 충전제는 예를 들면 운모 또는 스멕타이트를 포함한다.
운모는 층 형상 규산염 광물의 일종이며, 주성분이 SiO2, Al2O3, K2O, 결정수를 포함하는, 층 형상의 화합물이다. 운모로서, 경질 운모와 연질 운모의 2종류가 있다. 경질 운모의 체적 고유 저항은 1×1012 내지 1×1015Ωㆍ㎝ 정도이고, 연질 운모의 체적 고유 저항은 1×1010 내지 1×1013Ωㆍ㎝ 정도이다. 이들 운모는, 실시 형태의 전기 기기용 코팅재에 있어서, 마찬가지의 성질을 나타내기 때문에, 이하에서는 구별하지 않고 설명한다.
운모 및 스멕타이트의 평균 직경 또는 평균 직선 길이는 0.1㎛ 내지 2㎛인 것이 바람직하고, 0.5㎛ 내지 1㎛인 것이 보다 바람직하다. 층 형상의 물질의 평균 직경 또는 평균 직선 길이를 이 범위로 함으로써, 제1 충전제와 제2 충전제 사이에 층 형상의 제3 충전제가 인입되어, 제1 충전제 및 제2 충전제를 매트릭스 수지 내에 균일 분산할 수 있다.
층 형상의 제3 충전제는, 매트릭스 수지 100질량부에 대하여 1 내지 30질량부 함유되는 것이 바람직하다. 층 형상의 제3 충전제를 이 범위로 함유함으로써, 전기 기기용 코팅재의 점도를 최적으로 유지할 수 있다. 또한, 층 형상의 제3 충전제는, 매트릭스 수지 100질량부에 대하여 1 내지 15질량부 함유되는 것이 보다 바람직하다.
여기서, 도 2는 제1 충전제(10)와 제2 충전제(30)가 형성하는 도전 패스(60)를 설명하기 위해서, 실시 형태의 전기 기기용 코팅재(20)의 구성을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 제3 충전제(40)는 제1 충전제(10)와 제2 충전제(30)의 중간에 인입되어, 제1 충전제(10) 및 제2 충전제(30)를 매트릭스 수지(50) 중에 균일하게 분산시킨다. 이에 의해, 제1 충전제(10)가 발현하는 절연 저항 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 제2 충전제(30)의 입자는 제1 충전제(10)와 접촉하여, 삼차원적인 도전 패스(60)를 형성한다.
또한, 제1 충전제(10) 및 제2 충전제(30)가 매트릭스 수지(50) 중에 균일하게 분산됨으로써, 제1 충전제(10)와 제2 충전제(30)가, 예를 들면 전기 기기용 코팅재를 포함하는 코팅층 중에 균일하게 배열된다. 그 때문에, 제1 충전제(10)와 제2 충전제(30)에 의해 형성되는 도전 패스(60)를 길게 할 수 있다. 이에 의해, 예를 들면 코팅층이 두꺼운 경우나, 코팅층에 요철이 있는 경우라도, 안정되고, 또한 긴 도전 패스(60)를 형성할 수 있다. 그 때문에, 코팅층과 이물질간에 집중되는 전계를 완화할 수 있다.
이와 같이, 매트릭스 수지(50) 중에 제1 충전제(10), 제2 충전제(30) 및 제3 충전제(40)를 균일하게 분산시킴으로써, 양호한 도전 패스를 확보할 수 있어, 높은 이물질 부상 전계를 얻을 수 있다. 이물질 부상 전계란, 이물질이 부상하기 시작하는 전계이며, 이 값이 높을수록, 전기 기기 내에 있어서의 이물질의 부상이나 돌아다님을 억제할 수 있다.
여기서, 높은 이물질 부상 전계가 얻어지는 이유 중 하나로서, 제1 충전제(10)와 제2 충전제(30)가 전기적으로 접속됨으로써 발생하는 도전 패스(60)를 들 수 있다.
제1 충전제(10)의 첨가만으로 도전 패스(60)를 형성하는 경우, 제1 충전제(10)의 단부끼리를 근접시킬 필요가 있다. 그러나, 이것은, 코팅층의 두께와 제1 충전제(10)의 크기를 생각해도 곤란하다. 따라서, 제2 충전제(30)를 첨가함으로써, 도전 패스(60)를 확실하게 형성할 수 있다.
다음에, 제2 충전제(30)만을 첨가한 경우, 제2 충전제(30)가 입자 형상이며, 또한 입경이 작기 때문에, 제2 충전제(30)가 균일하게 분산되었다고 해도 도전 패스(60)를 형성하는 것은 곤란해진다. 제2 충전제(30)의 함유량을 증대시킨 경우에는, 점도가 증대되어, 작업성이 저하된다. 희석 용제를 첨가한 경우에 있어서도, 제2 충전제(30)의 함유량을 증대시킨 경우에는, 마찬가지로 점도가 증대된다. 또한, 제2 충전제(30)의 입경을 크게 한 경우에는, 제2 충전제(30)를 균일하게 분산시킬 수 없어, 도전 패스(60)를 형성하는 것이 곤란해진다.
이러한 점에서, 제1 충전제(10)와 제2 충전제(30)가 동시에, 또한 적절한 함유량으로 첨가될 필요가 있다.
또한, 상이한 형상의 제1 충전제(10)와 제2 충전제(30)를 함유함으로써, 서로 밀한 패킹 구조를 형성한다. 이에 의해, 도전 패스(60)를 형성할 수 있다. 여기서, 제1 충전제(10)와 제2 충전제(30)의 체적 고유 저항은, 근사하고, 또한 반도전성일 필요가 있다. 그것은, 양자의 체적 고유 저항이 크게 상이하면, 양자의 근접하는 단부에서 절연 파괴가 발생하는 경우가 있기 때문이다. 여기에서는, 반도전 영역의 체적 고유 저항이 대전 방지 영역이기 때문에, 이물질의 대전 방지에도 적합하다.
다음에, 제3 충전제(40)를 함유하는 것도 필요한 것을 설명한다. 전기 기기용 코팅재(20)의 제조 시, 교반 공정에서 제1 충전제(10)의, 예를 들면 바늘 형상 결정부(12) 등이 꺾이는 경우도 있다. 이와 같은 경우라도, 절연성을 갖는 제3 충전제(40)를 함유함으로써, 제3 충전제(40)가 꺾인 부분을 지지한다. 이에 의해, 도전 패스(60)를 형성하는 것이 가능하게 된다. 한편, 제1 충전제(10)가 꺾여 있지 않은 경우라도, 제1 충전제(10)가 제3 충전제(40)에 의해 지지됨으로써, 도전 패스를 확실하게 형성할 수 있다.
다음에, 실시 형태의 전기 기기용 코팅재(20)의 제조 방법에 대하여 설명한다.
우선, 배합하는 에폭시 수지의 일부(예를 들면, 에폭시 수지의 전체 배합량의 10 내지 50질량％ 정도) 및 소정량의 제1 충전제(10)를 자전 공전 믹서 등에 의해 교반하여 마스터 배치를 제작한다.
계속해서, 마스터 배치에, 에폭시 수지의 잔량부, 소정량의 제2 충전제(30) 및 소정량의 제3 충전제(40)를 첨가하고, 자전 공전 믹서 등에 의해 교반한다.
이와 같은 공정을 거쳐, 전기 기기용 코팅재(20)가 제조된다.
여기서, 소포제를 첨가하는 경우에는, 소포제는, 마스터 배치를 제작할 때에 첨가된다. 희석 용제나 경화제를 첨가하는 경우에는, 희석 용제나 경화제는, 마스터 배치에, 에폭시 수지의 잔량부, 제2 충전제(30) 및 제3 충전제(40)를 첨가할 때에 첨가된다.
이와 같이, 우선, 제1 충전제(10)를 함유하는 마스터 배치를 제작하고, 이 마스터 배치에, 나머지의 구성물을 혼합함으로써, 매트릭스 수지(50) 중에, 제1 충전제(10), 제2 충전제(30) 및 제3 충전제(40)를 균일하게 분산할 수 있다. 이에 의해, 양호한 도전 패스(60)를 형성할 수 있다.
또한, 실시 형태의 전기 기기용 코팅재(20)를 다음과 같이 제조해도 된다.
우선, 배합하는 에폭시 수지의 일부, 소정량의 제1 충전제(10), 소정량의 제2 충전제(30) 및 소정량의 제3 충전제(40)를, 이들 충전재의 크기보다도 큰 크기(입경)의 교반 입자와 함께 자전 공전 믹서 등에 의해 교반하여, 제1 혼합물을 형성한다. 여기서, 교반 입자는 예를 들면 유리 입자 등을 포함한다.
계속해서, 제1 혼합물에, 에폭시 수지의 잔량부를 첨가하여 교반하여, 제2 혼합물을 형성한다. 여기에서는, 예를 들면 교반 날개 등을 사용하여, 제1 혼합물과 에폭시 수지의 잔량부를 교반한다.
계속해서, 제2 혼합물을 여과하여, 교반 입자를 분리한다. 또한, 이때, 교반 입자 이외는, 예를 들면 여과하는 필터를 통과한다.
이와 같은 공정을 거쳐, 전기 기기용 코팅재(20)가 제조된다.
여기서, 소포제를 첨가하는 경우에는, 소포제는, 제1 혼합물을 형성할 때에 첨가된다. 희석 용제나 경화제를 첨가하는 경우에는, 희석 용제나 경화제는, 제2 혼합물의 여과 후에 첨가되어, 교반된다.
이와 같이, 교반 입자와 함께 교반함으로써, 높은 전단을 가하여 교반할 수 있다. 이에 의해, 예를 들면 응집하기 쉬운 충전제도, 풀면서 분산시킬 수 있다. 그 때문에, 매트릭스 수지(50) 중에, 제1 충전제(10), 제2 충전제(30) 및 제3 충전제(40)를 균일하게 분산할 수 있다. 이에 의해, 양호한 도전 패스(60)를 형성할 수 있다.
상기와 같이 제작된 전기 기기용 코팅재(20)를, 예를 들면 금형에 주입하여 성형하고, 소정 시간 방치하여 경화시킴으로써, 주조 경화물을 제조할 수 있다. 또한, 전기 기기용 코팅재(20)를 솔 등으로 구조물에 도포하고, 소정 시간 방치하여 경화시킴으로써, 코팅층(막)을 형성할 수 있다.
또한, 전기 기기용 코팅재(20)에 희석 용제가 첨가되어 있는 경우에는, 점성이 작아지기 때문에, 예를 들면 에어리스 스프레이 등을 사용하여 구조물에 전기 기기용 코팅재(20)를 분사하고, 소정 시간 방치하여 경화시킴으로써, 코팅층을 형성할 수 있다.
또한, 코팅층을 형성할 때, 절연 저항 특성의 발현이라는 관점에서 말하면, 코팅층은 두꺼울수록 바람직하다. 코팅층을 형성할 때의 작업성상의 관점에서, 코팅층의 두께는 500㎛ 정도가 상한값으로 된다.
도 3은 실시 형태의 전기 기기용 코팅재(20)를 사용하여 코팅층(74)이 형성된 전기 기기를 일부 단면으로 도시한 도면이다. 또한, 도 3에는 전기 기기의 일례로서, 밀폐형 절연 장치(70)를 도시하고 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 밀폐형 절연 장치(70)는, 축방향으로 복수로 분할 가능한 원통 형상의 금속 용기(71)와, 중앙에 축방향으로 연장 설치된 고전압 도체(72)와, 금속 용기(71) 사이에 설치된 스페이서(73)를 구비하고 있다.
금속 용기(71)는, 고전압 도체(72)와 소정의 공극을 두고 고전압 도체(72)의 주위를 덮도록 구성되어 있다. 스페이서(73)는, 금속 용기(71)의 내부의 공간을 축방향으로 분할하도록 배치되어 있다. 스페이서(73)의 중앙에는, 관통 구멍이 형성되고, 그 관통 구멍에 고전압 도체(72)가 관통하고 있다. 이와 같이, 고전압 도체(72)는 스페이서(73)에 의해 지지되어 있다.
금속 용기(71)의 내벽면에는, 본 실시 형태의 전기 기기용 코팅재(20)를 포함하는 코팅층(74)이 형성되어 있다. 금속 용기(71) 내에는, 예를 들면 SF6 가스 등의 절연 가스(75)가 봉입되어 있다.
이와 같이, 금속 용기(71)의 내벽면에, 양호한 절연 저항 특성이 얻어지는 전기 기기용 코팅재(20)를 포함하는 코팅층(74)을 구비함으로써, 코팅층(74)의 표면에 존재하는 이물질의 움직임을 억제할 수 있다. 그 때문에, 종래의 밀폐형 절연 장치보다도, 금속 용기의 설계 전계를 크게 하는 것이 가능하게 되어, 금속 용기(71)의 컴팩트화를 도모할 수 있다.
또한, 여기에서는, 전기 기기의 일례로서, 밀폐형 절연 장치를 나타내어 설명하였지만, 실시 형태의 전기 기기용 코팅재(20)는, 예를 들면 다양한 전기 기기, 전자 기기, 산업 기기, 중전 기기 등에 적용할 수 있다. 그리고, 이들에 적용한 경우에 있어서도, 상기한 마찬가지의 작용 효과를 얻을 수 있다.
상기한 바와 같이, 실시 형태의 전기 기기용 코팅재(20)에 의하면, 매트릭스 수지(50) 중에, 제1 충전제(10), 제2 충전제(30) 및 제3 충전제(40)를 균일하게 분산함으로써, 양호한 도전 패스(60)를 형성할 수 있다. 또한, 전기 기기용 코팅재(20)에 의하면, 높은 이물질 부상 전계를 얻을 수 있어, 예를 들면 전기 기기 내에 있어서의 이물질의 부상이나 돌아다님을 억제할 수 있다.
(이물질 부상 전계의 평가)
다음에, 실시 형태의 전기 기기용 코팅재가, 전기 기기 내에 있어서의 이물질의 부상이나 돌아다님을 억제하는 효과를 갖는 것에 대하여 설명한다.
이물질 부상 전계를 평가하기 위해서, 다음과 같이 전기 기기용 코팅재(20)를 제작하였다.
우선, 배합하는 에폭시 수지의 일부(에폭시 수지의 전체 배합량의 50질량％) 및 에폭시 수지(에폭시 수지의 전체 배합량) 100질량부에 대하여 소정의 질량부의 제1 충전제(10)를 자전 공전 믹서에 의해 교반하여 마스터 배치를 제작하였다. 여기에서는, 에폭시 수지로서, 비스페놀 A형 에폭시 수지(제품명 : 에포픽스)를 사용하였다.
또한, 이때, 디메틸실리콘계(제품명 : TSA720)의 소포제를 적당량 첨가하였다. 또한, 제1 충전제(10)인 위스커로서, 바늘 형상 결정부(12)의 길이 L이 2㎛ 내지 50㎛이고, 또한 바늘 형상 결정부(12)의 최대 직경을 갖는 부분의 평균 직경 D가 3㎛인 것을 사용하였다.
계속해서, 마스터 배치에, 에폭시 수지의 잔량부, 소정량의 제2 충전제(30) 및 제3 충전제(40)를 첨가하고, 자전 공전 믹서에 의해 교반하였다. 이때, 에폭시 수지를 경화시키는 소정량의 경화제(비스페놀 A형 에폭시 수지용 경화제(제품명 : 에포픽스용 경화제))를 첨가하였다.
이와 같이 하여, 복수의 전기 기기용 코팅재(20)(시료 1 내지 시료 36)를 제작하였다. 표 1에는, 에폭시 수지(에폭시 수지의 전체 배합량) 100질량부에 대하여 첨가된 각 충전제의 재료 및 질량부를 나타내고 있다.
Figure 112014029332985-pat00001
여기에서는, 제2 충전제(30)의 Fe2O3로서 평균 입경이 0.8㎛인 것을 사용하였다. 제2 충전제(30)의 Fe3O4로서 평균 입경이 0.06㎛인 것을 사용하였다. 제3 충전제(40)의 탈크로서 평균 직선 길이가 10㎛인 것을 사용하였다. 제3 충전제(40)의 질화붕소로서 평균 직선 길이가 10㎛인 것을 사용하였다. 제3 충전제(40)의 티타늄산칼륨 위스커로서 평균 섬유 길이가 10㎛인 것을 사용하였다. 제3 충전제(40)의 글래스 밀드 파이버로서 평균 섬유 길이가 15㎛인 것을 사용하였다. 제3 충전제(40)의 운모로서 평균 직선 길이가 1㎛인 것을 사용하였다. 제3 충전제(40)의 스멕타이트로서 평균 직선 길이가 1㎛인 것을 사용하였다.
다음에, 상기한 각 시료를 사용하여, 이물질 부상 전계의 평가를 행한 시험 장치에 대하여 설명한다.
도 4는 이물질 부상 전계의 평가를 행한 시험 장치(80)의 단면을 도시하는 도면이다. 도 4에 도시한 바와 같이, 시험 장치(80)는 내경이 254㎜인 알루미늄제의 금속 용기(81)와, 이 금속 용기(81)의 중앙에 직경이 154㎜인 고전압 도체(82)를 구비하고 있다. 또한, 금속 용기(81) 및 고전압 도체(82)의 각각의 중심축이 동축상으로 되도록, 고전압 도체(82)를 설치하였다.
금속 용기(81)의 하반부의 내벽면에, 전기 기기용 코팅재(20)(시료 1 내지 시료 36)를 도포하였다. 그리고, 건조로에서 강제 건조(80℃, 30분간)하여, 코팅층(83)을 형성하였다. 즉, 시료 1 내지 시료 36의 각각이 도포되어 코팅층(83)이 형성된 36종의 금속 용기(81)를 준비하였다. 어느 코팅층(83)의 두께도 100㎛로 하였다.
코팅층(83) 상에는, 알루미늄제의 금속 이물질(84)(직경이 0.25㎜, 길이가 3㎜)을 6개 두었다. 그리고, 금속 용기(81) 내에 SF6 가스(0.4㎫)를 충전하였다.
이물질 부상 전계의 평가 시험에서는, 고전압 도체(82)에 전계를 인가하였다. 인가하는 전계는, 교류(AC)로 0.6㎸rms/㎜ 내지 4.0㎸rms/㎜로 하였다. 인가 전계는 1분마다 0.2㎸rms/㎜씩 상승시켰다. 그리고, 최초로 어느 하나의 금속 이물질(84)이 부상한 전계를 이물질 부상 전계로 하였다. 측정은 각 시료에 대하여 5회 행해졌다.
표 1에는 각 시료에 있어서의 이물질 부상 전계의 측정 결과가 나타내어져 있다. 또한, 표 1에 나타낸 결과는 5회의 측정 결과를 산술 평균한 것이다.
표 1에 나타내는 바와 같이, 제1 충전제(10), 제2 충전제(30) 및 제3 충전제(40)를 본 실시 형태의 범위에서 소정량 함유하는 시료(시료 2, 시료 3, 시료 5, 시료 6, 시료 8, 시료 9, 시료 14, 시료 15, 시료 17, 시료 18, 시료 20, 시료 21, 시료 26, 시료 27, 시료 29, 시료 30, 시료 32, 시료 33)에 있어서는, 높은 이물 부상 전계가 얻어졌다.
이상 설명한 실시 형태에 의하면, 전기 기기 내에 있어서의 이물의 부상이나 돌아다님을 억제하는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 몇 가지의 실시 형태를 설명하였지만, 이들 실시 형태는 예로서 제시한 것이며, 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하고 있지 않다. 이들 신규의 실시 형태는, 그 밖의 다양한 형태로 실시되는 것이 가능하고, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 다양한 생략, 치환, 변경을 행할 수 있다. 이들 실시 형태나 그 변형은 발명의 범위나 요지에 포함됨과 함께, 특허 청구 범위에 기재된 발명과 그 균등의 범위에 포함된다.
10 : 제1 충전제
11 : 핵부
12 : 바늘 형상 결정부
20 : 전기 기기용 코팅재
30 : 제2 충전제
40 : 제3 충전제
50 : 매트릭스 수지
60 : 도전 패스
70 : 밀폐형 절연 장치
71, 81 : 금속 용기
72, 82 : 고전압 도체
73 : 스페이서
74, 83 : 코팅층
75 : 절연 가스
80 : 시험 장치
84 : 금속 이물질

Claims (15)

  1. 에폭시 수지를 포함하는 매트릭스 수지와,
    상기 매트릭스 수지에 분산되어 함유되며, 반도전성의 체적 고유 저항을 갖는 위스커를 포함하는 제1 충전제와,
    상기 매트릭스 수지에 분산되어 함유되며, 반도전성의 체적 고유 저항을 갖는 Fe2O3 또는 Fe3O4의 입자를 포함하는 제2 충전제와,
    상기 매트릭스 수지에 분산되어 함유되며, 절연성을 갖는 평판 형상, 섬유 형상 또는 층 형상의 물질을 포함하는 제3 충전제를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 기기용 코팅재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 위스커가 ZnO를 포함하고, 핵부 및 상기 핵부로부터 4축 방향으로 연장되는 바늘 형상 결정부를 구비하는 테트라포트 형상인 것을 특징으로 하는 전기 기기용 코팅재.
  3. 삭제
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    평판 형상의 상기 제3 충전제가, 탈크 또는 질화붕소를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 기기용 코팅재.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    섬유 형상의 상기 제3 충전제가, 티탄산칼륨 위스커 또는 글래스 밀드 파이버를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 기기용 코팅재.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    층 형상의 상기 제3 충전제가, 운모 또는 스멕타이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 기기용 코팅재.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 충전제를 구성하는 위스커의 표면은, 티타네이트 커플링 처리가 실시되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 기기용 코팅재.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 충전제가, 상기 매트릭스 수지 100질량부에 대하여 1 내지 60질량부 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 기기용 코팅재.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 매트릭스 수지를 경화시키는 경화제가 첨가된 것을 특징으로 하는 전기 기기용 코팅재.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 매트릭스 수지가, 희석 용제를 더 함유하는 것을 특징으로 하는 전기 기기용 코팅재.
  11. 배합하는 에폭시 수지의 일부 및 ZnO를 포함하고, 반도전성의 체적 고유 저항을 갖는 위스커를 포함하는 제1 충전제를 교반하여 마스터 배치를 제작하는 공정과,
    상기 마스터 배치에, 상기 에폭시 수지의 잔량부, 반도전성의 체적 고유 저항을 갖는 Fe2O3 또는 Fe3O4의 입자를 포함하는 제2 충전제 및 절연성을 갖는 평판 형상, 섬유 형상 또는 층 형상의 물질을 포함하는 제3 충전제를 첨가하여 교반하여, 혼합물을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 기기용 코팅재의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 혼합물에, 상기 에폭시 수지를 경화시키는 경화제를 첨가하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 기기용 코팅재의 제조 방법.
  13. 배합하는 에폭시 수지의 일부, 반도전성의 체적 고유 저항을 갖는 위스커를 포함하는 제1 충전제, 반도전성의 체적 고유 저항을 갖는 Fe2O3 또는 Fe3O4의 입자를 포함하는 제2 충전제 및 절연성을 갖는 평판 형상, 섬유 형상 또는 층 형상의 물질을 포함하는 제3 충전제를, 이들의 충전재보다도 입경이 큰 교반 입자와 함께 교반하여, 제1 혼합물을 형성하는 공정과,
    상기 제1 혼합물에, 상기 에폭시 수지의 잔량부를 첨가하여 교반하여, 제2 혼합물을 형성하는 공정과,
    상기 제2 혼합물을 여과하여, 상기 교반 입자를 분리하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 기기용 코팅재의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 교반 입자를 분리한 상기 제2 혼합물에, 상기 에폭시 수지를 경화시키는 경화제를 첨가하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 기기용 코팅재의 제조 방법.
  15. 일방향으로 연장된 도체와,
    상기 도체와 소정의 공극을 두고 상기 도체의 주위를 덮는, 절연 가스가 충전된 금속 용기와,
    상기 금속 용기의 내벽면에 형성된, 제1항 또는 제2항에 기재된 전기 기기용 코팅재를 포함하는 코팅층을 구비하는 것을 특징으로 하는 밀폐형 절연 장치.
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