WO2019123889A1 - 開閉装置 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a switchgear.
- a power switching device in which a plurality of switching devices such as circuit breakers and disconnectors are combined for the purpose of protection and control of the power system. It is desirable to use a gas-insulated switchgear as the power switchgear. Gas-insulated switchgears can be significantly reduced in installation area and improved in insulation reliability compared to air-insulated substations, and are currently applied to many transmission substations in transmission and distribution systems. .
- the gas-insulated switchgear is a circuit breaker, a grounding disconnector, a grounding switch, an AC meter for measuring instruments, a transformer for measuring instruments, etc. in a metal container in which an insulating gas such as SF 6 (sulfur hexafluoride) or dry air is enclosed.
- SF 6 sulfur hexafluoride
- SF 6 gas mainly used as an insulating gas is chemically very stable.
- the infrared absorption amount is large and the GWP (Global Warming Potential), which is an indicator of the environmental aspect, is extremely large at 23,900, it is designated as a greenhouse gas.
- GWP Global Warming Potential
- SF 6 gas contains sulfur S and fluorine F, if it is decomposed in the atmosphere, there is a concern about environmental impact.
- complete gas recovery has been considered.
- the magnitude of the effect on global warming is given by the product of GWP and atmospheric concentration, and the atmospheric concentration of SF 6 gas is extremely low at present, and the effect of SF 6 gas is extremely high compared to carbon dioxide It can be said that it is small.
- Patent Document 1 discloses a coating material in which an insulator has appropriate resistance on at least one surface of a conductor and a ground portion of a gas-insulated device.
- Patent Document 2 two coating layers having different properties are provided in close contact with the inner surface of a metal casing of a gas-insulated container, and the coating layer on the gas phase side is a dielectric or low dielectric constant of a high resistance material. An arrangement provided with material is disclosed.
- Patent Document 3 describes a sealed type in which a non-linear resistive film is formed on the inner surface of a metal container, and the non-linear resistive film is filled with a non-linear resistive powder material such as ZnO and particulate members having different dielectric constants.
- a non-linear resistive powder material such as ZnO and particulate members having different dielectric constants.
- the size of the metal container constituting the gas-insulated switchgear is determined by the insulation and thermal design. What is important in insulation design is the insulation performance in the case where foreign matter is present in the metal container. When foreign matter is mixed in the metal container, the metal foreign matter is subjected to static electricity and moves to repeatedly rise and fall. The electrostatic force is generated by the charge of the foreign matter and the electric field of the inner surface of the metal container.
- the inner surface of the metal container has a high electric field. Therefore, the foreign matter inside the metal container is likely to move actively. When the movement of the foreign matter becomes large, the foreign matter adheres to the high voltage conductor and the insulator, and the possibility of dielectric breakdown due to electric field concentration increases.
- the electric field strength of the inner surface of the metal container depends on the distance to the high voltage conductor. In order to reduce the electric field strength on the inner surface of the metal container, it is necessary to make the metal container larger, and the gas insulated switchgear becomes larger. This is contrary to the miniaturization of the gas insulated switchgear for the purpose of reducing the environmental load.
- patent documents 1 and 2 it is controlling that electric charges are supplied to a foreign substance from the inner surface of a metal container, and it is controlling that a foreign substance moves with static electricity.
- electric field concentration occurs at the electric triple point formed between the resin applied to the inner surface of the metal container, foreign matter and insulating gas, and the insulating performance There is a possibility of lowering
- Patent Document 3 a non-linear resistance film is provided on the inner surface of a metal container, the resistance value of which decreases when an electric field is concentrated.
- the electric field is concentrated in the vicinity of the surface on the gas phase side of the non-linear resistance film, and thus the resistance is considered to be small.
- the resistance is considered to be large because the electric field strength is low at. Therefore, it is unlikely that the current from the surface on the gas phase side to the metal container will actually increase.
- An object of the present invention is to reduce the concentration of electric field around foreign substances mixed in the inside of a metal container constituting an opening and closing device, and to suppress the cracking of the resin layer provided on the inner wall surface of the metal container and the roughening of the surface state. It is in.
- the switchgear of the present invention has a high voltage conductor, a metal container having the high voltage conductor inside, and an insulating spacer for supporting the high voltage conductor inside the metal container, and the inner wall surface of the metal container is A resin layer is provided, the resin layer includes a non-linear resistance material, a reformed layer is provided on the surface of the non-linear resistance material, and the non-linear resistance material is the gas phase side of the resin layer in the entire resin layer. The density is high on the surface.
- the present invention it is possible to relieve the concentration of the electric field around foreign substances mixed in the inside of the metal container constituting the switchgear, and to crack or roughen the surface condition of the resin layer provided on the inner wall surface of the metal container. It can be suppressed. Thereby, the insulation reliability of the switchgear can be improved.
- FIG. 2 is a cross-sectional view showing the closed metal container for connection of Example 1; 5 is a graph showing the electrical characteristics of the non-linear resistive material of Example 1; FIG. 7 is a schematic enlarged view showing the periphery of the foreign matter mixed in the connection sealed metal container of the first embodiment. It is a model enlarged view which shows the periphery of the foreign material mixed in the closed metal container for connection of Example 2.
- FIG. It is a model enlarged view which shows the periphery of the foreign material mixed in the closed metal container for connection of Example 3.
- FIG. FIG. 14 is a cross-sectional view showing the sealed metal container for connection of Example 4; It is a graph which shows the result of having compared the presence or absence of the non-linear resistance material in the resin layer, and the presence or absence of the modified layer of the non-linear resistance material.
- the present invention relates to a non-linear resistive material-added resin applied for the purpose of electric field relaxation on the inner surface (inner wall surface) of a metal container constituting an opening and closing device.
- FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a gas-insulated switchgear.
- the gas-insulated switchgear 100 includes a metal-sealed container for disconnectors 17a (a metal-sealed container for upper disconnectors), a metal-sealed container for disconnectors 17b (first metal-sealed lower container), and a metal for disconnectors.
- a container 17c (second lower disconnecting sealed metal container), a vertical type closed metal container 19 for a circuit breaker, and a sealed metal container 20 for a cable head are provided.
- the closed metal container 19 for a circuit breaker incorporates the shut-off part 12, and comprises the circuit breaker.
- a disconnecting device closed metal container 17a which is divided in a gas manner by the insulating spacer 11a is connected.
- a cable head sealed metal container 20 divided in a gas manner by the insulating spacer 11 b is connected to the disconnecting container sealed metal container 17 a.
- the disconnecting device sealed metal container 17b is connected to the lower part of the closed metal container 19 for circuit breaker in a state of being gasified by the insulating spacer 11c. Then, the connection sealed metal container 21 divided in a gas manner by the insulating spacer 11 d is connected to the disconnecting container sealed metal container 17 b. Further, the disconnecting closed metal container 17c, which is divided in a gas manner by the insulating spacer 11e, is connected to the connection sealed metal container 21.
- the main bus bar closed metal container 18a (first main bus closed metal container), which is divided in a gas-like manner by the insulating spacer 11f, is connected to the lower portion of the disconnecting container sealed metal container 17b.
- the main bus bar closed metal container 18b (second main bus closed metal container) which is divided in a gas manner by the insulating spacer 11g is connected to the lower portion of the disconnecting container sealed metal container 17c.
- the disconnecting portion 10a is configured to be able to be opened and closed by a controller (not shown) whose details are omitted in the sealed metal container 17a for disconnecting device.
- a high voltage conductor 15 electrically connected to the disconnecting portion 10 a to constitute a main circuit is connected to the cable head 13 in the sealed metal container 20 for the cable head.
- the disconnecting portion 10b is configured to be able to be opened and closed by a controller (not shown) whose details are omitted in the sealed metal container 17b for disconnecting device.
- the disconnecting portion 10c is configured to be able to be opened and closed by an operation portion (not shown) whose details are omitted in the sealed metal container 17c for disconnecting device.
- the terminal located below the blocking portion 12 is connected to the bus bar 14a (main bus conductor) in the main bus bar sealed metal container 18a via the disconnecting portion 10b.
- the terminal located below the blocking portion 12 is connected to the bus bar 14b in the main bus bar sealed metal container 18b via the disconnecting portion 10c.
- An insulating gas 16 is sealed in the metal containers 18a and 18b, the closed metal container 19 for circuit breaker, the sealed metal container 20 for cable head, and the closed metal container 21 for connection.
- Examples of the insulating gas 16 include SF 6 , CO 2 , N 2 and dry air. When SF 6 is used, the gas is sealed at an absolute pressure of about 0.5 to 0.7 MPa to secure the insulation performance between the high voltage part and the ground part.
- FIG. 2 shows the closed metal container of FIG. 1 (closed metal container for disconnectors 17a to 17c, main metal closed metal containers 18a and 18b, circuit breaker sealed metal container 19, cable head sealed metal container 20, connection sealed metal container) 21) shows a cross section of the closed metal container 21 for connection.
- the foreign matter 2 when the foreign matter 2 is mixed in the closed metal container 21 for connection, electrostatic force acts on the foreign matter 2. For this reason, the foreign matter 2 moves so as to repeat floating and falling by the operation voltage applied to the high voltage conductor 15. In the figure, the behavior of the foreign matter 2 at this time is schematically shown as a trajectory 7.
- the foreign material 2 may accumulate kinetic energy and approach the high voltage conductor 15 by repetition of floating and falling. If the foreign matter 2 approaches the high voltage conductor 15 and a strong electric field is generated between the high voltage conductor 15 and the foreign matter 2 due to this movement, dielectric breakdown may occur.
- FIG. 3 is an enlarged view of the periphery of the foreign object 2 of FIG.
- FIG. 3 it is shown that the portion where the foreign matter 2 contacts the inner wall surface of the connection sealed metal container 21 is the electric triple point 8.
- the electric field generated around the foreign object 2 is indicated by an equipotential line 6 (dotted line).
- the equipotential line 6 becomes dense at an electric triple point 8 formed at a portion where the three phases of the foreign matter 2, the closed metal container for connection 21 and the insulating gas 16 are in contact. That is, a high electric field portion is formed in the vicinity of the electric triple point 8, which is a weak point in insulation.
- a resin containing a non-linear resistance material is applied to the inner wall surface of the closed metal container 21 for connection and the like.
- the case where the resin is applied will be described with reference to FIGS. 4 to 6.
- FIG. 4 shows a cross section of the closed metal container 21 for connection.
- the foreign matter 2 is shown mixed.
- a high voltage conductor 15 and insulating spacers 11 d and 11 e for supporting the high voltage conductor 15 in the connection sealed metal container 21 are disposed in the connection sealed metal container 21, and an insulating gas 16 is sealed therein.
- the resin layer 1 containing a non-linear resistance material is formed on the inner surface of the connection sealed metal container 21 by coating.
- what mixed the alumina particle with the epoxy resin is used for the insulation spacers 11d and 11e.
- FIG. 5 shows an example of the electrical characteristics of the non-linear resistive material used in the present embodiment.
- the horizontal axis is voltage and the vertical axis is current.
- the non-linear resistance material does not have a proportional relationship between the voltage and the current, and has the property that current does not flow until the voltage reaches a specific value. Then, as shown by the curve in the figure, when the voltage exceeds a critical value, the current rises sharply. This corresponds to the decrease in the resistivity of the non-linear resistive material. As indicated by the dotted line in the figure, the region where the voltage is lower than the critical value is called a high resistance region, and the high region is called a low resistance region.
- the non-linear resistance material contained in the resin layer 1 In order to reduce the electric field generated on the inner surface of the closed metal container for connection 21 (FIG. 4) by utilizing the characteristics of the above-mentioned non-linear resistance material, the non-linear resistance material contained in the resin layer 1 (FIG. 4) It is desirable to arrange in the vicinity of the emphasis 8 (FIG. 3). This is because current is generated in the non-linear resistance material located in the high electric field portion, and the charge accumulation is alleviated.
- non-linear resistive material when mixing and coating particulate non-linear resistive material with resin, if the non-linear resistive material has a specific gravity greater than that of resin on the vertically upward application surface, non-linear resistive material settles before resin curing after coating. Resulting in. In this case, a layer consisting only of resin is formed on the surface layer of the resin layer 1 (FIG. 4) containing the nonlinear resistance material, and the nonlinear resistance material is separated from the electric triple point 8 (FIG. 3). The electric field relaxation effect is not sufficiently exhibited.
- FIG. 6 is an enlarged view of the periphery of the foreign object 2 of FIG.
- the foreign material 2 has shown the state which the foreign material 2 adhered to the application surface of the perpendicular
- the electric field generated around the foreign object 2 is indicated by an equipotential line 6 (dotted line) as in FIG.
- the resin layer 1 is obtained by dispersing the particulate non-linear resistance material 4 having the modified layer 3 in the resin 5.
- the modifying layer 3 is formed by modifying the surface of the particulate non-linear resistance material 4 with a surface modifying agent.
- the resin layer 1 has a structure in which the non-linear resistance material 4 is distributed at high density on the gas phase side.
- examples of the non-linear resistance material 4 include zinc oxide, barium oxide, barium titanate, titanium dioxide, silicon carbide and the like.
- a silane coupling agent is mentioned, for example.
- the silane coupling agent desirably contains a hydrophobic functional group such as an alkyl group or a fluoroalkyl group. It is more desirable that the alkyl group, fluoroalkyl group and the like be linear.
- resin 5 an epoxy resin is mentioned.
- the epoxy resin has a hydroxyl group (OH group) and is hydrophilic.
- the modifying layer 3 includes a hydrophobic functional group covering the surface of the non-linear resistance material 4.
- the hydrophobic functional group is preferably chemically bonded to the surface of the nonlinear resistance material 4 so as to be oriented toward the outside at the outermost side of the modified layer 3.
- the particle diameter of the non-linear resistance material 4 is controlled by the surface properties of the particles, the accumulation at the gas-liquid interface due to the affinity with the gas phase, and the diffusion based on the particle concentration gradient by this accumulation rather than the gravity acting on the particles. It is desirable for the range to become clear. Specifically, the particle diameter of the non-linear resistance material 4 is considered to be about 10 nm to 30 ⁇ m.
- FIG. 6 showing the present embodiment with FIG. 3 showing the comparative example, it can be seen that the equipotential lines 6 in the vicinity of the electric triple point 8 are sparse in the present embodiment. This shows that the electric field concentration can be alleviated by providing the resin layer 1 on the connection sealed metal container 21 as in the present embodiment.
- the non-linear resistive material can be accumulated on the surface of the resin layer, the electric field alleviating effect at the electrical triple point can be enhanced more than the configuration in which the non-linear resistive material is dispersed throughout the resin layer. Layers can be thinned. As a result, it is possible to suppress resin cracking and surface roughness of the resin due to the difference in coefficient of linear expansion between the sealed metal container for connection and the resin layer, and it is possible to improve the insulation reliability.
- the other sealed metal container is a sealed metal container 17a for disconnectors.
- the same structure can be applied to the inner surfaces of the main metal closed metal containers 18a and 18b, the closed metal container 19 for a circuit breaker and the sealed metal container 20 for a cable head (FIG. 1).
- the gas-insulated switchgear 100 (FIG. 1) of the second embodiment is also similar in overall configuration to the first embodiment, and has the resin layer 1 shown in FIG.
- FIG. 7 is an enlarged view of the vicinity of the foreign object 2 of FIG.
- the difference between FIG. 7 and Example 1 is that the non-linear resistance material 4 accumulated near the surface of the resin layer 1 includes two types with largely different particle diameters.
- the non-linear resistive material 4 has peaks (maximum values) of a plurality of particle sizes in its particle size distribution. The particle diameter is different, but the point that the non-linear resistance material 4 is covered with the modified layer 3 is the same as the first embodiment.
- the filling factor of the particles of the non-linear resistance material 4 can be improved.
- the gas-insulated switchgear 100 (FIG. 1) of the third embodiment is also similar in overall configuration to the first embodiment, and has the resin layer 1 shown in FIG.
- FIG. 8 is an enlarged view of the vicinity of the foreign object 2 of FIG.
- Example 1 A different point from Example 1 (FIG. 6) in FIG. 8 is that the non-linear resistance material accumulated near the surface of the resin layer 1 includes two types having different dielectric constants.
- a low dielectric constant non-linear resistance material 9 b is distributed on the gas phase side in the connection sealed metal container 21, and a high dielectric constant non-linear resistance material 9 a is distributed on the inner wall side of the connection sealed metal container 21.
- the non-linear resistance material 9 a and the non-linear resistance material 9 b have different dielectric constants, but their surfaces are covered with the modified layer 3.
- the dielectric constant is preferably lower on the gas phase side in the closed metal container 21 for connection.
- the non-linear resistance material 9a has a larger particle size than the non-linear resistance material 9b.
- the particle diameter is not limited to the example of this figure, and the particle diameter of the non-linear resistance material 9b may be larger than that of the non-linear resistance material 9a.
- the electric field relaxation is realized by giving a distribution to the dielectric constant, but the electric field relaxation can also be realized by giving a distribution to the resistivity.
- electric field relaxation can be realized by using plural types of non-linear resistive materials having different non-linear resistance characteristics (electrical characteristics as shown in FIG. 5) and appropriately selecting their particle diameters.
- FIG. 9 shows the configuration of the fourth embodiment, and is a cross-sectional view similar to FIG.
- the configuration of the resin layer 1 may be any of those of Examples 1 to 3.
- FIG. 10 is a graph showing the results of comparison of the presence or absence of the non-linear resistance material in the resin layer and the presence or absence of the modified layer of the non-linear resistance material.
- the horizontal axis represents three types of resin layers compared, and the vertical axis represents an electric field at which foreign matter starts to float, that is, a floating start electric field.
- no coat indicates a resin layer not containing a nonlinear resistance material
- nonlinear resistance material indicates a resin layer to which a nonlinear resistance material not provided with a modifying layer is added.
- Processing indicates a resin layer to which a non-linear resistance material provided with a modified layer is added. The addition amount of the non-linear resistance material is the same mass with respect to the resin. That is, they are mixed such that the mass ratio of the resin to the non-linear resistance material is 1: 1.
- the floating start electric field of the foreign matter is about 1.7 times compared to the case of the resin layer not containing the non-linear resistance material.
- the floating electric field is about twice as compared with the case of the resin layer not containing the non-linear resistance material.
- the electric field relaxation effect of the non-linear resistive material is further improved by adding the non-linear resistive material having the modified layer after the surface modification treatment.
- the present invention is also applicable to a vacuum switch.
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Abstract
開閉装置を構成する金属容器の内部に混入した異物の周辺における電界集中を緩和し、かつ、金属容器の内壁面に設ける樹脂層の割れや表面状態の荒れを抑制する。 高電圧導体と、高電圧導体を内部に有する金属容器と、金属容器の内部で高電圧導体を支持する絶縁スペーサと、を有する開閉装置であって、金属容器の内壁面には、樹脂層が設けられ、樹脂層は、非線形抵抗材を含み、非線形抵抗材の表面には、改質層が設けられ、非線形抵抗材は、樹脂層の全体のうち、樹脂層の気相側の表面で密度が高い。
Description
本発明は、開閉装置に関する。
一般に、電力系統を構成する変電所には、電力系統の保護・制御を目的として、遮断器や断路器などの開閉機器を複数組み合わせた電力用開閉装置が設けられる。電力用開閉装置としては、ガス絶縁開閉装置を用いることが望ましい。ガス絶縁開閉装置は、気中絶縁変電所と比較して、据付面積を大幅に縮小でき、かつ、絶縁信頼性を向上できることから、現在では、多くの送配電系統の変電所に適用されている。
ガス絶縁開閉装置は、SF6(六フッ化硫黄)や乾燥空気などの絶縁ガスが封入された金属容器内に遮断器、接地断路器、接地開閉器、計器用交流計、計器用変圧器などの各種機器が格納されている。
絶縁ガスとして主に用いられるSF6ガスは、化学的に極めて安定である。また、赤外線吸収量が大きく、環境面の指標であるGWP(Global Warming Potential)が23900と極めて大きいため、温暖化ガスに指定されている。さらに、SF6ガスは、硫黄S及びフッ素Fを含んでいるため、大気中で分解された場合には環境への影響が懸念される。これらの問題の解決策としては、完全ガス回収などが検討されている。しかしながら、SF6ガスを完全に封じ込めることは困難であるため、一般に、使用量に対して、年0.1%のリークが許容されている。ただし、地球温暖化への影響の大きさは、GWPと大気中濃度の積で与えられ、現時点ではSF6ガスの大気中濃度が極めて低く、SF6ガスの影響は、二酸化炭素に比べると極めて小さいと言える。
ただし、SF6ガス使用量が増加すると、機器の解体点検時のガス抜き時やガス漏れ発生時に、大量のSF6ガスが大気中に放出されることになり、地球温暖化に大きな影響を与える可能性がある。
このようなことから、SF6ガスの使用量を削減することは必須であり、ガス絶縁開閉装置においては、絶縁信頼性を確保しつつ、より一層の小形化が要求される。
特許文献1には、ガス絶縁機器の導体及び接地部の少なくとも一方の表面に、絶縁物に適度の抵抗を持たせた被覆材料が開示されている。
特許文献2には、ガス絶縁容器の金属筐体の内面に、性質が異なる二層のコーティング層を密着して設け、気相側のコーティング層には、高抵抗材料の誘電体又は低誘電率材料を設けた構成が開示されている。
特許文献3には、金属容器の内側表面に非線形抵抗膜を形成し、非線形抵抗膜には、ZnO等の非線形抵抗粉末材と、誘電率の異なる粒子状部材と、が充填されている密閉型絶縁装置が開示されている。
ガス絶縁開閉装置を小形化するためには、絶縁ガスを封入した金属容器を小形化する必要がある。ガス絶縁開閉装置を構成する金属容器の大きさは、絶縁および熱設計などによって決定される。絶縁設計で重要となるのは、金属容器内に異物が存在する場合の絶縁性能である。金属容器内に異物が混入した場合、金属異物は、静電気を受けて、浮上と落下を繰り返す運動をする。この静電気力は、異物が有する電荷と金属容器の内側表面の電界とによって生じる。
ガス絶縁開閉装置を小形化すると、金属容器の内側表面が高電界となる。したがって、金属容器内部の異物が活発に運動しやすくなる。異物の運動が大きくなった場合、高電圧導体や絶縁物に付着し、電界集中により絶縁破壊する可能性が高くなる。
また、異物形状が長尺となるほど、異物の運動が大きくなり、絶縁性能に影響を及ぼす。製造工程の異物管理工程において、長尺異物の管理を徹底している。しかし、管理しきれない大きさの異物に対しては、運転電圧の印加の際に金属容器内で異物が設計における想定以上に高圧導体方向に浮上しないように、金属容器の内側表面の電界設計を検討する必要がある。
金属容器の内側表面の電界強度は、高圧導体との距離に依存する。金属容器の内側表面における電界強度を下げるためには、金属容器を大きくする必要があり、ガス絶縁開閉装置は大型化する。これは、環境負荷低減を目的としたガス絶縁開閉装置の小形化と相反する。
特許文献1及び2においては、金属容器の内側表面から異物に電荷が供給されるのを抑制し、静電気力で異物が運動することを抑制している。しかし、特許文献1及び2で示されているような構成では、金属容器の内側表面に塗布された樹脂、異物及び絶縁ガスとの間で形成される電気三重点で電界集中が生じ、絶縁性能を低下させる可能性がある。
特許文献3においては、電界集中すると抵抗値が低下する非線形抵抗膜を金属容器の内側表面に設けている。しかし、特許文献3で示されているような構成では、非線形抵抗膜の気相側の表面付近においては電界が集中するため、抵抗が小さくなると考えられるが、気相側の表面から離れた部位においては電界強度が低くなるため、抵抗は大きいと考えられる。このため、実際に気相側の表面から金属容器への電流が大きくなるとは考えにくい。
本発明の目的は、開閉装置を構成する金属容器の内部に混入した異物の周辺における電界集中を緩和し、かつ、金属容器の内壁面に設ける樹脂層の割れや表面状態の荒れを抑制することにある。
本発明の開閉装置は、高電圧導体と、高電圧導体を内部に有する金属容器と、金属容器の内部で高電圧導体を支持する絶縁スペーサと、を有し、金属容器の内壁面には、樹脂層が設けられ、樹脂層は、非線形抵抗材を含み、非線形抵抗材の表面には、改質層が設けられ、非線形抵抗材は、樹脂層の全体のうち、樹脂層の気相側の表面で密度が高い。
本発明によれば、開閉装置を構成する金属容器の内部に混入した異物の周辺における電界集中を緩和することができ、かつ、金属容器の内壁面に設ける樹脂層の割れや表面状態の荒れを抑制することができる。これにより、開閉装置の絶縁信頼性を向上することができる。
本発明は、開閉装置を構成する金属容器の内側表面(内壁面)に電界緩和を目的として塗布する非線形抵抗材添加樹脂に関する。
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。なお、実施例においては、ガス絶縁開閉装置について説明するが、本発明は、これに限定されるものではなく、他の形式の開閉装置を含むものである。
まず、図1を用いてガス絶縁開閉装置の概略構成を説明する。
図1は、ガス絶縁開閉装置の概略断面図である。
本図において、ガス絶縁開閉装置100は、断路器用密閉金属容器17a(上部断路器用密閉金属容器)と、断路器用密閉金属容器17b(第一の下部断路器用密閉金属容器)と、断路器用密閉金属容器17c(第二の下部断路器用密閉金属容器)と、縦型の遮断器用密閉金属容器19と、ケーブルヘッド用密閉金属容器20と、を備えている。
遮断器用密閉金属容器19は、遮断部12を内蔵し、遮断器を構成している。遮断器用密閉金属容器19の上部には、絶縁スペーサ11aによってガス的に区分した断路器用密閉金属容器17aを接続されている。断路器用密閉金属容器17aには、絶縁スペーサ11bによってガス的に区分したケーブルヘッド用密閉金属容器20が接続されている。
また、遮断器用密閉金属容器19の下部には、絶縁スペーサ11cによってガス的に区分した状態で、断路器用密閉金属容器17bが接続されている。そして、断路器用密閉金属容器17bには、絶縁スペーサ11dによってガス的に区分した接続用密閉金属容器21が接続されている。さらに、接続用密閉金属容器21には、絶縁スペーサ11eによってガス的に区分した断路器用密閉金属容器17cが接続されている。
断路器用密閉金属容器17bの下部には、絶縁スペーサ11fによってガス的に区分した主母線用密閉金属容器18a(第一の主母線用密閉金属容器)が接続されている。一方、断路器用密閉金属容器17cの下部には、絶縁スペーサ11gによってガス的に区分した主母線用密閉金属容器18b(第二の主母線用密閉金属容器)が接続されている。
断路器用密閉金属容器17a内には、断路部10aが詳細を省略した操作器(図示せず)によって開閉可能に構成されている。断路部10aと電気的に接続して主回路を構成する高電圧導体15は、ケーブルヘッド用密閉金属容器20内のケーブルヘッド13に接続されている。
断路器用密閉金属容器17b内には、断路部10bが詳細を省略した操作器(図示せず)によって開閉可能に構成されている。同様に、断路器用密閉金属容器17c内には、断路部10cが詳細を省略した操作部(図示せず)によって開閉可能に構成されている。遮断部12の下方に位置する端子は、断路部10bを介して、主母線用密閉金属容器18a内の母線14a(主母線導体)に接続されている。遮断部12の下方に位置する端子は、断路部10cを介して、主母線用密閉金属容器18b内の母線14bに接続されている。
断路部10a~10c、絶縁スペーサ11a~11e、遮断部12、ケーブルヘッド13、母線14a、14b、高電圧導体15が格納された密閉金属容器(断路器用密閉金属容器17a~17c、主母線用密閉金属容器18a、18b、遮断器用密閉金属容器19、ケーブルヘッド用密閉金属容器20、接続用密閉金属容器21)内には、絶縁ガス16が封入されている。絶縁ガス16としては、例えば、SF6、CO2、N2や乾燥空気などが挙げられる。SF6を用いる場合、0.5~0.7MPa程度の絶対圧力でガスを封入し、高電圧部と接地部の絶縁性能を確保している。
図2は、図1の密閉金属容器(断路器用密閉金属容器17a~17c、主母線用密閉金属容器18a、18b、遮断器用密閉金属容器19、ケーブルヘッド用密閉金属容器20、接続用密閉金属容器21)のうち、接続用密閉金属容器21の断面を示したものである。
図2を用いて、接続用密閉金属容器21内に混入した異物の挙動について説明する。
本図に示すように、異物2が接続用密閉金属容器21内に混入した場合、異物2には、静電気力が作用する。このため、異物2は、高電圧導体15に印加される運転電圧によって、浮上と落下とを繰り返すように運動する。本図においては、このときの異物2の挙動を軌跡7として模式的に示している。異物2は、浮上及び落下の繰り返しにより、運動エネルギーを蓄積し、高電圧導体15に接近する場合がある。この運動により、異物2が高電圧導体15に接近し、高電圧導体15と異物2との間に強い電界が生じた場合、絶縁破壊を生じる可能性がある。
図3は、図2の異物2の周辺を拡大して示したものである。
図3においては、異物2が接続用密閉金属容器21の内壁面に接触した部位が電気三重点8となっていることを示している。異物2の周辺に生じる電界は、等電位線6(点線)により示している。等電位線6は、異物2、接続用密閉金属容器21及び絶縁ガス16の3つの相が接する部位に形成される電気三重点8で密となる。すなわち、電気三重点8近傍で高電界部が形成され、これが絶縁上の弱点となる。
そこで、本実施例では、接続用密閉金属容器21等の内壁面に非線形抵抗材を含有する樹脂を塗布する。以下では、図4~6を用いて、当該樹脂を塗布した場合について説明する。
図4は、接続用密閉金属容器21の断面を示したものである。
本図においては、異物2が混入した状態を示している。接続用密閉金属容器21内には、高電圧導体15と、それを接続用密閉金属容器21内で支持する絶縁スペーサ11d、11eが配置され、絶縁ガス16が封入されている。また、接続用密閉金属容器21の内側表面には、非線形抵抗材を含有する樹脂層1が塗布により形成されている。なお、絶縁スペーサ11d、11eは、エポキシ樹脂にアルミナ粒子を混合したものを用いている。
図5は、本実施例に用いる非線形抵抗材の電気特性の一例を示したものである。横軸に電圧を、縦軸に電流をとっている。
本図に示すように、非線形抵抗材は、電圧と電流との関係が比例関係を有するものではなく、電圧が特有の値となるまで電流が流れない性質を有している。そして、本図に示す曲線のように、電圧が臨界値を超えると、電流が急峻に立ち上がるようになっている。これは、非線形抵抗材の抵抗率の減少に対応している。図中の点線で示すとおり、電圧が臨界値よりも低い領域を高抵抗領域と呼び、高い領域を低抵抗領域と呼ぶ。
上記の非線形抵抗材の特性を利用して接続用密閉金属容器21(図4)の内側表面に生じる電界を緩和するためには、樹脂層1(図4)に含まれる非線形抵抗材を電気三重点8(図3)の近傍に配置することが望ましい。高電界部に位置する非線形抵抗材に電流が生じ、電荷の蓄積が緩和されるからである。
しかし、樹脂に粒子状の非線形抵抗材を混合し、塗布する場合、鉛直上向きの塗布面においては、非線形抵抗材が樹脂よりも比重が大きければ、塗布後樹脂硬化の前に非線形抵抗材が沈降してしまう。この場合、非線形抵抗材を含有の樹脂層1(図4)の表層には、樹脂のみの層ができ、非線形抵抗材が電気三重点8(図3)から離れてしまうため、非線形抵抗材による電界緩和効果が十分には発揮されなくなってしまう。
一方、鉛直下向き面に塗布した場合は、粒子の沈降により、樹脂層1(図4)の表層(下向き面)に非線形抵抗材の粒子が集積しやすい。よって、鉛直上向きの塗布面ほど問題が大きくはないと考えられるが、粒子の表面が親水性の場合、気相よりも親水性の樹脂との親和性が高くなり、気相に露出しにくい傾向がある。
図6は、図4の異物2の周辺を拡大して示したものである。
図6においては、図4に示すとおり、接続用密閉金属容器21の鉛直上向きの塗布面に異物2が付着した状態を示している。異物2の周辺に生じる電界は、図3と同様に、等電位線6(点線)により示している。
図6において、樹脂層1は、改質層3を有する粒子状の非線形抵抗材4を樹脂5に分散したものである。改質層3は、粒子状の非線形抵抗材4の表面を表面改質剤により改質することにより形成されている。樹脂層1は、気相側に非線形抵抗材4が高密度で分布した構造を有している。樹脂層1の接続用密閉金属容器21側には、非線形抵抗材4の比率が低く樹脂5の比率が高い領域が形成されている。言い換えると、非線形抵抗材4は、樹脂層1の全体のうち、樹脂層1の気相側の表面で密度が高くなっている。
ここで、非線形抵抗材4としては、例えば、酸化亜鉛、酸化バリウム、チタン酸バリウム、二酸化チタン、炭化ケイ素などが挙げられる。また、非線形抵抗材4の表面改質に用いる表面改質剤としては、例えば、シランカップリング剤が挙げられる。シランカップリング剤は、疎水性の官能基であるアルキル基、フルオロアルキル基等を含むことが望ましい。アルキル基、フルオロアルキル基等は、直鎖であることが更に望ましい。樹脂5としては、エポキシ樹脂が挙げられる。エポキシ樹脂は、水酸基(OH基)を有し、親水性である。
上記の材料を用いた場合、改質層3は、非線形抵抗材4の表面を覆う疎水性の官能基を含む。そして、当該疎水性の官能基は、改質層3の最も外側において外部に向かって配向するように非線形抵抗材4の表面に化学結合していることが望ましい。なお、非線形抵抗材4の粒子径は、粒子に働く重力よりも、粒子の表面の性状、気相との親和性による気液界面への集積、この集積による粒子濃度勾配に基づく拡散などが支配的になるような範囲とすることが望ましい。具体的には、非線形抵抗材4の粒子径は10nm~30μm程度が考えられる。
本実施例を示す図6と比較例を示す図3とを比較すると、本実施例の方が電気三重点8付近における等電位線6が疎となっていることがわかる。これは、本実施例のように接続用密閉金属容器21に樹脂層1を設けることにより、電界集中を緩和することができることを示している。
本実施例においては、電気三重点8付近に集中する電界により非線形抵抗材4の粒子の内部に生じる電位差(電圧)が臨界値を超えると、粒子の内部に電流が流れ、その部分において発熱する。電気三重点8から離れた領域に存在する非線形抵抗材4の粒子においては、強い電界が生じないため、電圧が臨界値を超えることないため、電流が流れない。
本実施例によれば、非線形抵抗材を樹脂層の表面に集積できるため、非線形抵抗材が樹脂層全体に分散されている構成よりも、電気三重点における電界緩和効果を高めることができ、樹脂層を薄くすることができる。これにより、接続用密閉金属容器と樹脂層との線膨張率の違いによる樹脂割れや樹脂表面の荒れを抑制することができ、絶縁信頼性を向上させることができる。
なお、本実施例においては、接続用密閉金属容器21の内側表面に非線形抵抗材4を含有する樹脂層1を形成した場合について説明したが、その他の密閉金属容器である断路器用密閉金属容器17a~17c、主母線用密閉金属容器18a、18b、遮断器用密閉金属容器19及びケーブルヘッド用密閉金属容器20(図1)の内側表面にも、同様の構造が適用できる。
実施例2は、実施例1と同一の部分については、詳細な説明を省略する。
実施例2のガス絶縁開閉装置100(図1)も、全体的な構成としては実施例1と同様であり、図4に示す樹脂層1を有する。
図7は、図4の異物2付近を拡大して示したものである。
図7において実施例1(図6)と異なる点は、樹脂層1の表面付近に集積している非線形抵抗材4について、粒子径が大きく異なる2種類を含む点である。言い換えると、非線形抵抗材4は、その粒子径分布において複数の粒子径のピーク(極大値)を有する。粒子径は異なっているものの、非線形抵抗材4が改質層3で覆われている点は、実施例1と同様である。
本実施例によれば、非線形抵抗材4の粒子の充填率を向上させることができる。
実施例3も、実施例1と同一の部分については、詳細な説明を省略する。
実施例3のガス絶縁開閉装置100(図1)も、全体的な構成としては実施例1と同様であり、図4に示す樹脂層1を有する。
図8は、図4の異物2付近を拡大して示したものである。
図8において実施例1(図6)と異なる点は、樹脂層1の表面付近に集積している非線形抵抗材について、誘電率が異なる2種類を含む点である。低誘電率の非線形抵抗材9bが接続用密閉金属容器21内の気相側、高誘電率の非線形抵抗材9aが接続用密閉金属容器21の内壁側に分布している。非線形抵抗材9aと非線形抵抗材9bとは、誘電率は異なっているが、それらの表面はいずれも、改質層3で覆われている。なお、誘電率は、接続用密閉金属容器21内の気相側が低い方が望ましい。
図8においては、非線形抵抗材9aの方が非線形抵抗材9bよりも粒子径が大きい。ただし、粒子径については、本図の例に限定されるものではなく、非線形抵抗材9bが非線形抵抗材9aよりも粒子径が大きくてもよい。
なお、本実施例においては、誘電率に分布を持たせることで電界緩和を実現しているが、抵抗率に分布を持たせることにより電界緩和を実現することもできる。この場合には、接続用密閉金属容器21の内径側の抵抗率が小さくなるように、非線形抵抗材の抵抗率および粒子径を選定することが好ましい。言い換えると、非線形抵抗特性(図5に示すような電気特性)が異なる複数種類の非線形抵抗材を用い、それらの粒子径も適宜選定することにより、電界緩和を実現することができる。
図9は、実施例4の構成を示したものであり、図4と同様の断面図である。
図9において図4と異なる点は、高電圧導体15を接続用密閉金属容器21内で支持する絶縁スペーサ11eの表面の一部に非線形抵抗材を含有する樹脂層1が形成されている点である。樹脂層1の構成は、実施例1~3のいずれのものであってもよい。
図9に示すように、高電圧導体15と絶縁スペーサ11eと絶縁ガス16とで形成される電気三重点108や、絶縁スペーサ11eと接続用密閉金属容器21の内壁との接続部に樹脂層1が形成されている。これにより、電界集中を緩和することができる。
以下、本発明の効果について、比較実験の結果に基づいて説明する。
図10は、樹脂層における非線形抵抗材の有無及び非線形抵抗材の改質層の有無について比較した結果を示すグラフである。横軸には比較した3種類の樹脂層を、縦軸には異物が浮上を開始する電界すなわち浮上開始電界をとっている。
横軸において、「コートなし」は、非線形抵抗材を含まない樹脂層を、「非線形抵抗材」は、改質層を設けていない非線形抵抗材を添加した樹脂層を、「非線形抵抗材+表面処理」は、改質層を設けた非線形抵抗材を添加した樹脂層を示している。なお、非線形抵抗材の添加量は、樹脂に対して同じ質量としている。すなわち、樹脂と非線形抵抗材との質量比が1:1となるように混合している。
縦軸においては、「コートなし」の場合を基準として規格化した値を表示している。
本図から、改質層を設けていない非線形抵抗材を添加した樹脂層の場合、非線形抵抗材を含まない樹脂層の場合と比べ、異物の浮上開始電界が約1.7倍であり、改質層を設けた非線形抵抗材を添加した樹脂層の場合、非線形抵抗材を含まない樹脂層の場合と比べ、浮上電界が約2倍であることがわかる。
したがって、表面改質処理を施して改質層を設けた非線形抵抗材を添加することにより、非線形抵抗材の電界緩和効果が更に向上することがわかった。
なお、本発明は、真空開閉装置にも適用可能である。
1:樹脂層、2:異物、3:改質層、4:非線形抵抗材、5:樹脂、6:等電位線、7:軌跡、8、108:電気三重点、9a、9b:非線形抵抗材、10a~10c:断路部、11a~11g:絶縁スペーサ、12:遮断部、13:ケーブルヘッド、14a、14b:母線、15:高電圧導体、16:絶縁ガス、17a~17c:断路器用密閉金属容器、18a、18b:主母線用密閉金属容器、19:遮断器用密閉金属容器、20:ケーブルヘッド用密閉金属容器、21:接続用密閉金属容器。
Claims (11)
- 高電圧導体と、
前記高電圧導体を内部に有する金属容器と、
前記金属容器の内部で前記高電圧導体を支持する絶縁スペーサと、を有し、
前記金属容器の内壁面には、樹脂層が設けられ、
前記樹脂層は、非線形抵抗材を含み、
前記非線形抵抗材の表面には、改質層が設けられ、
前記非線形抵抗材は、前記樹脂層の全体のうち、前記樹脂層の気相側の表面で密度が高い、開閉装置。 - 前記非線形抵抗材は、粒子状である、請求項1記載の開閉装置。
- 前記非線形抵抗材は、複数の粒子径のピークを有する、請求項2記載の開閉装置。
- 前記非線形抵抗材は、2種類以上で構成され、それぞれが異なる非線形抵抗特性を有する、請求項2記載の開閉装置。
- 前記非線形抵抗材は、2種類以上で構成され、それぞれが異なる誘電率を有する、請求項2記載の開閉装置。
- 前記絶縁スペーサの少なくとも一部には、樹脂層が設けられ、
前記樹脂層は、非線形抵抗材を含み、
前記非線形抵抗材の表面には、改質層が設けられ、
前記非線形抵抗材は、前記樹脂層の全体のうち、前記樹脂層の気相側の表面で密度が高い、請求項1記載の開閉装置。 - 前記金属容器には、絶縁ガスが充填されている、請求項1記載の開閉装置。
- 前記樹脂層は、エポキシ樹脂を含む、請求項1記載の開閉装置。
- 前記非線形抵抗材は、酸化亜鉛、酸化バリウム、チタン酸バリウム、二酸化チタン又は炭化ケイ素で形成されている、請求項1記載の開閉装置。
- 前記改質層は、疎水性の官能基を含む、請求項1記載の開閉装置。
- 前記官能基は、アルキル基又はフルオロアルキル基である、請求項10記載の開閉装置。
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