CN104937796A - 气体绝缘开关装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种气体绝缘开关装置，包括：接地且内部封入有绝缘气体的金属制的箱体(1)；延伸设置在箱体(1)内并施加有交流电压的中心导体(2)；涂布在箱体(1)的内表面上的绝缘性的涂布膜(101)；以及涂布在涂布膜(101)上、且由含有绝缘性涂料成分以及非线性电阻材料的涂料涂布而成的涂布膜(3)。利用该结构，能在从电场较小的区域到较高的区域的大范围内抑制金属异物的运动。

Description

气体绝缘开关装置
技术领域
本发明涉及能对混入箱体内的金属异物的运动进行抑制的气体绝缘开关装置。
背景技术
在气体绝缘开关装置中，通过在处于接地电位的金属制的箱体与配置在其内部的施加高电压的中心导体之间的空间内封入绝缘气体来确保绝缘性能。
然而，若在箱体内部混入微小的金属异物，则在由高电压的中心导体产生的电场的影响下，金属异物会带电从而沿径向在箱体内进行往复运动，可能会引起耐压下降。因此，需要对箱体内金属异物的运动进行抑制。
在以往的气体绝缘开关装置中，采用如下设计：通过在箱体内表面涂布绝缘性的涂料来消除电荷从箱体内表面向金属异物的移动，从而防止在金属异物上积累极性与中心导体相反的电荷，能抑制电吸引力大于金属异物本身的重力而使得金属异物上浮的情况，并能防止金属异物附着于高压导体而发生飞弧。
此外，专利文献1记载了在箱体内表面上涂布了含有具有非线性电阻特性的氧化锌(ZnO)的涂料的气体绝缘开关装置。
此外，作为气体绝缘开关装置中的涂覆技术，专利文献2记载了一种对阻挡绝缘物实施非线性电阻涂覆的技术。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2010－207047号公报
专利文献2：日本专利特许第4177628号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
在上述箱体内表面涂布绝缘性涂料的结构中，在电压较低的情况下，能有效抑制金属异物的运动，但在电压较高的情况下，存在于涂布膜上的金属异物的极化(极性与中心导体相反的电荷向中心导体侧集中)会使得电吸引力变得比金属异物本身的重力大，从而使金属异物上浮。此外，在电场超过绝缘气体的电离极限时，会因局部放电的产生而对金属异物提供并积累电荷，电吸引力变得比金属异物本身的重力大，从而使金属异物上浮。如上述那样在箱体内表面涂布绝缘性涂料的结构中，在电压较低的情况下，能有效抑制金属异物的运动，但在电压较高的情况下，则难以抑制金属异物的运动。
另一方面，如专利文献1那样在箱体内表面涂布含有氧化锌(ZnO)的涂料的结构中，含有氧化锌(ZnO)的涂料在电压较低的区域中的绝缘性较高，从箱体内表面向金属异物的电荷移动基本上被切断，因此能起到与将上述绝缘性涂料涂布到箱体内表面时同样的效果，而在电压较高的区域中，电阻会因非线性电阻特性而变小，使得箱体内表面与金属异物间的电荷移动成为可能，因此存在于涂布膜上的金属异物的极化以及局部放电引起的带电得以抑制。然而，在电压较高的区域中，难以抑制电荷(极性与中心导体相反的电荷)从箱体内表面向金属异物移动引起的带电，其结果是，难以充分抑制金属异物的运动。
此外，专利文献2所记载的技术的目的在于抑制放电扩展，可靠地将放电封闭在阻挡绝缘物内侧的气体空间内，与抑制存在于箱体内表面的金属异物的运动这一目的是不同的。
本发明鉴于上述情况而完成，其目的在于提供一种气体绝缘开关装置，其在箱体内表面设置涂布膜的结构中，能在从电场较小的区域到较高的区域的大范围内抑制金属异物的运动。
解决技术问题所采用的技术方案
为解决上述问题，实现目的，本发明的气体绝缘开关装置的特征在于包括：接地且内部封入了绝缘气体的金属制的箱体；在该箱体内延伸设置、且施加有交流电压的导体；涂布在所述箱体的内表面的绝缘性的第一涂布膜；以及涂布在该第一涂布膜上、且由含有绝缘性涂布成分以及非线性电阻材料的涂料涂布而成的第二涂布膜。
发明效果
根据本发明，由于在箱体的内表面设置绝缘性的第一涂布膜，并在该第一涂布膜上设置由含有非线性电阻材料的涂料涂布而成的第二涂布膜，因此无论电场的大小如何，电荷从箱体内表面向金属异物的移动都会被第一涂布膜切断，并且在电场较大的情况下，第二涂布膜因非线性电阻材料的非线性电阻特性而表现出导电性，因此因金属异物的极化以及局部放电引起的带电被第二涂布膜抑制，起到能在从电场较小到较大的区域的范围内抑制金属异物的运动的效果。
附图说明
图1是表示实施方式所涉及的气体开关装置的结构的纵向剖视图。
图2是表示以往的气体绝缘开关装置的结构的纵向剖视图。
图3是表示氧化锌(ZnO)的典型的电流-电压特性的曲线图。
图4是对氧化锌(ZnO)与碳化硅(SiC)的可变电阻特性进行比较的曲线图。
具体实施方式
下面，基于附图详细说明本发明实施方式的气体绝缘开关装置。此外，本发明并不由该实施方式所限定。
实施方式
图1是表示实施方式所涉及的气体绝缘开关装置的结构的纵向剖视图。如图1所述，该气体绝缘开关装置包括箱体1、延伸设置在箱体1内的中心导体2、涂布在箱体1的内表面上的涂布膜101、以及涂布在涂布膜101上的涂布膜3。另外，图1表示气体绝缘开关装置的一部分，除了上述构成要素以外，例如还具备切断器、断路器、仪用变流器等设备。
箱体1由金属制成，例如大致为圆筒状。箱体1通过利用凸缘部1a将在轴向端部设置有凸缘部1a的容器进行连结，从而在轴向上延伸设置。箱体1接地。箱体1内封入有例如SF6气体等绝缘气体。
中心导体2是施加有交流电压的导体，供交流电流流过。中心导体2沿着箱体1的轴向延伸，由未图示的绝缘间隔物支承。
涂布膜101通过涂布例如以树脂为主要成分的绝缘性涂料而成。
涂布膜3由含有非线性电阻材料的涂料构成，例如由含有碳化硅(SiC)的涂料构成。例如在以树脂为主要成分的绝缘性涂料中混入具有非线性电阻特性的碳化硅(SiC)后，通过在涂布膜101上涂布含有该碳化硅(SiC)的涂料来形成涂布膜3。能在涂料中混入例如碳化硅(SiC)的粉末。此外，由于涂布膜3通过绝缘性的涂布膜101与接地的箱体1隔开，因此处于悬浮电位。
已知碳化硅(SiC)在不进行烧成的情况下就表现出非线性电阻特性。即，碳化硅(SiC)在低电压或低电流区域中表现出近似绝缘性，但在高电压或高电流区域中其电阻变小。如下文所述，碳化硅(SiC)与氧化锌(ZnO)等非线性电阻材料相比，能连续产生绝缘性与导电性之间的转变。另外，碳化硅(SiC)是带隙比硅大的宽带隙半导体。宽带隙半导体除了碳化硅(SiC)以外，例如还有氮化镓，金刚石。
碳化硅(SiC)在涂布膜3中的填充率可采用在体积分数下例如30～80％的范围内。这是因为，为了使涂布膜3表现出非线性电阻特性，需要能使涂装膜3内的碳化硅(SiC)彼此充分接触的填充量。这里，填充量下限值规定为碳化硅(SiC)彼此通过渗透而接触的最低填充量。此外，填充量上限值规定为碳化硅(SiC)粉末的临界填充量，若填充量超过临界填充量，则涂布膜会变脆。
另外，涂布膜3所含有的非线性电阻材料也可以是碳化硅(SiC)以外的成分(例如氧化锌(ZnO))。
图1中，在箱体1内混入了微小的金属异物4，在图示例中存在于涂布膜3上。
接下来，对本实施方式的动作进行说明。在施加于中心导体2的电压较低的情况下，或者在从中心导体2产生的电场较小的情况下，涂布膜3中的碳化硅(SiC)实质上起到绝缘物的作用。此外，在涂布膜3与箱体1内表面之间存在绝缘性的涂布膜101。因此，电荷从箱体1内表面向金属异物4的电荷移动被切断，不会在金属异物4上积累极性与中心导体2相反的电荷，不会发生由中心导体2产生的电场的电吸引力变得比金属异物4自身的重力大而导致金属异物4上浮的情况。
此外，在施加于中心导体2的电压较高的情况下，或者在由中心导体2产生的电场较大的情况下，涂布膜3中的碳化硅(SiC)的电阻变小，涂布膜3表现出导电性，而涂布膜3下的涂布膜101则无论电场大小如何，都表现出绝缘性。因此，存在于与涂布膜3上的金属异物4的极化以及因绝缘气体的电离引起的局部放电而导致的金属异物4的带电会因涂布膜3成为电荷的逃逸场所而受到抑制，而电荷(极性与中心导体相反的电荷)从箱体1内表面向金属异物4的移动引起的带电被涂布膜101切断，因此不会发生由中心导体2产生的电场所产生的电吸引力变得比金属异物4本身的重力大而导致金属异物4上浮的情况。
如上所述，根据本实施方式，在箱体1内表面设置绝缘性的涂布膜101(第一涂布膜)，并进一步在该涂布膜101上涂布涂布膜3(第二涂布膜)，该涂布膜3通过涂布含有绝缘性的涂料成分以及非线性电阻材料(例如碳化硅(SiC))的涂料而成，因此能在从电场较小的区域到较高的区域的大范围内抑制金属异物4的运动。
这里，对本实施方式与以往的气体绝缘开关装置的结构进行对比，来进一步说明本实施方式的效果。图2是表示以往的气体绝缘开关装置的结构的纵向剖视图。另外，图2中，对与图1相同的结构要素附加相同的标号。图3是表示氧化锌(ZnO)的典型的电流-电压特性的曲线图。图4是对氧化锌(ZnO)与碳化硅(SiC)的可变电阻特性进行比较的曲线图。
如图2所示，在以往的气体绝缘开关装置中，在箱体1的内表面涂布有涂布膜100。涂布膜100由含有氧化锌(ZnO)的涂料构成(参照专利文献1)。在图2所示的以往的结构中，采用仅涂布一层涂布膜100的结构。
在这种结构中，氧化锌(ZnO)在电压较低的区域中，绝缘性较高，电荷从箱体1的内表面向金属异物4的移动基本上被切断，而在电压较高的区域中，电阻变小，电荷在箱体1的内表面与金属异物4之间的移动成为可能，对存在于涂布膜100上的金属异物4的极化以及局部放电引起的带电进行抑制。然而，另一方面，在电压较高的区域中，难以抑制电荷从箱体1的内表面向金属异物4移动引起的金属异物4带电，其结果是，难以充分抑制金属异物4的运动。
接着，将使用碳化硅(SiC)作为非线性电阻材料的优点与氧化锌(ZnO)进行比较来说明。氧化锌(ZnO)与碳化硅(SiC)同样地表现出非线性电阻特性，但如下文所述，两者在非线性的程度上有较大差异。
图3中，横轴设为电压(V)，纵轴设为电流(I)，对于不同温度(9℃、25℃)表现出氧化锌(ZnO)的可变电阻特性。氧化锌(ZnO)在低电压下电阻较大，变现出绝缘性，但若电压超过临界击穿电压VB，则电阻值会急剧减小。
如图4所示，氧化锌(ZnO)会在绝缘性和导电性之间产生急剧的转变，若超过10000(V)，则会表现出电阻急剧消失等极端的非线性电阻特性，与此不同的是，碳化硅(SiC)在绝缘性和导电性之间的转变则较为连续且平缓。
因此，在图2所示的现有结构中，需要对涂布膜100的膜厚进行适当设定，以使得将膜厚方向的施加电压和氧化锌(ZnO)的非线性电阻特性考虑在内，能实现抑制金属异物4的运动这一目的。换言之，在图2所示的以往的结构中，在涂布膜100的膜厚存在偏差的情况下，在同一高电场下，可能在涂布膜100上混合存在导电性区域和绝缘性区域，对金属异物4的极化以及局部放电引起的带电的抑制效果很有可能会降低。
与此不同的是，在本实施方式中，由于涂布膜3含有表现出图4那样平缓的非线性电阻特性的碳化硅(SiC)，因此绝缘性与导电性之间的转变是连续的，即使涂布膜3的膜厚存在稍许偏差，导电性的程度也只会有稍许不同，涂布膜3整体表现出相同的电学特性。也就是说，在本实施方式中，在使用碳化硅(SiC)作为非线性电阻材料的情况下，涂布膜3的膜厚偏差与图2所示的现有结构相比，对金属异物4的带电抑制效果造成的影响较小，因此膜厚的偏差得到允许，提高了涂布膜3的涂布工序的操作性。
此外，施加在中心导体2上的电压为交流电压，该电压以三角函数的方式连续地随着时间而发生变动。在图2所示的现有结构中，由于氧化锌(ZnO)的极端非线性电阻特性，交流电场的大小超过某一值之前，涂布膜100不表现出导电性，因而难以在将要表现出导电性之前对金属异物4的极化以及局部放电引起的带电进行抑制。
与此不同的是，本实施方式中，在使用碳化硅(SiC)作为非线性电阻材料的情况下，由于碳化硅(SiC)的非线性电阻特性，涂布膜3的导电性会跟随交流电场的变化而连续地变化，因此能根据电场的大小来抑制金属异物4的极化以及因局部放电引起的带电。
此外，氧化锌(ZnO)在烧成后会发挥出非线性电阻特性。即，在图2所示的现有结构中，需要将烧成后的氧化锌(ZnO)的粉末与涂料混合后涂布于箱体1内表面，或者，将含有氧化锌(ZnO)的涂料涂布于箱体1内表面后对涂布膜100进行烧成，无论是哪一种情况，都需要在涂布前或涂布后进行烧成工序，因而制造工序数会增加。
与此不同的是，碳化硅(SiC)在不进行烧成的情况下就表现出非线性电阻特性。因此，在使用碳化硅(SiC)作为非线性电阻材料的情况下，无需对碳化硅(SiC)进行烧成，因此与图2所示的现有结构相比，具有制造工序数减少的优点。
此外，本实施方式的涂布膜3设置在涂布膜101上，因此能利用在箱体1内表面涂布了绝缘涂料的既有的箱体1。
另外，在对涂布膜3进行涂布时，也可以不在含有非线性电阻材料的涂料中加入填充剂。氧化铝或二氧化硅等作为绝缘材料的填充剂的目的在于确保强度，从抑制金属异物4的运动的观点来看不会造成影响，因此涂布膜3能仅采用例如作为涂料成分的树脂和非线性电阻材料。
工业上的实用性
如上所述，本发明适用于能对存在于箱体内的金属异物的运动进行抑制的气体绝缘开关装置。
标号说明
1箱体、1a凸缘部、2中心导体、3、100、101涂布膜、4金属异物。

Claims (4)

1.一种气体绝缘开关装置，其特征在于，包括：
接地且内部封入了绝缘气体的金属制的箱体；
在该箱体内延伸设置、且施加有交流电压的导体；
涂布在所述箱体的内表面的绝缘性的第一涂布膜；以及
涂布在该第一涂布膜上、且由含有绝缘性涂布成分以及非线性电阻材料的涂料涂布而成的第二涂布膜。
2.如权利要求1所述的气体绝缘开关装置，其特征在于，
所述非线性电阻材料为碳化硅。
3.如权利要求1所述的气体绝缘开关装置，其特征在于，
所述非线性电阻材料为氧化锌。
4.如权利要求2所述的气体绝缘开关装置，其特征在于，
所述第二涂布膜中的所述碳化硅的填充率用体积分数来表示在30～80％的范围内。
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