JP2004522259A - 電気絶縁体、電気応用制御材料、電気装置、設備 - Google Patents

Abstract

延長高電圧絶縁体（２）が、縦方向に距離を置いて配置された１対の電極（６）を備えた、絶縁材料のロッドもしくはチューブ（４）から形づくられている。絶縁材料（４）の外部表面の少なくとも一部、好ましくは、全体は各電極（６）と電気的に繋がったスイッチング電気応力制御特性を有するマトリクス内に、バリスタパウダーの微粒子フィラーを含む材料（８）の層で覆われている。絶縁コア（４）は磁器で作成されていてもよく、応力制御材料（８）は酸化亜鉛を含んでいてもよい。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば延長高電圧絶縁体などの、電気絶縁体、材料、および設備に関連している。
【背景技術】
【０００２】
絶縁体は、通常、稼働中には、一方がアースであるような、かなり異なる電位に維持された２つの電極間に延びる絶縁コアを含んでいる。絶縁コアは、例えばセラミック材料、もしくはグラス・ファイバー強化プラスチック材料で製造可能なチューブもしくはロッドを含んでいてもよい。通常、電気配電系統では、絶縁体の一方の終端はアース電位に維持され、他方の終端は、例えば、英国の３７５ＫＶ電気配電系統などの、１０ＫＶ以上の系統の電位である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
高電圧では、絶縁体はシステムをアースから隔離するのに役立ち、システムの動作電圧が高ければ高いほど、絶縁体は、分離を維持するためにより長くなる必要がある。絶縁体電極間の電圧は、高電圧からアースへ向けて、絶縁材料の表面にわたって流れる漏洩電流を引き起こし、結果的に、オペレーティングシステムからの一定の電力損失を生じさせることになる。
【０００４】
本発明の目的は、改良された絶縁体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の１つの態様に従い、縦方向に距離を置いて配置された１対の電極を有する、電気的絶縁材料の延長チューブもしくはロッドを含む高電圧自立形絶縁体、および、スイッチング電気応力制御特性を有するマトリクス内に、バリスタパウダーの微粒子フィラーを含む材料層が設けられ、そこでは、応力制御材料は、絶縁材料の外側表面の一部分、もしくは実質的に全体上に広がり、各電極と電気的に接触している。
【０００６】
「自立形」という用語は、絶縁体が、本来の絶縁体、すなわち、全体に渡って広がる電導体がないものを形成したり、もしくは、その周辺に、すなわち本来の位置に形成されるのではなく、それ自体が電導体を含む電気部品を支えるよう配置されるものを意味している。
【０００７】
好都合にも、バリスタ材料は、例えばセラミック、もしくは金属酸化物、好ましくは酸化亜鉛を含む無機物である。
【０００８】
応力制御材料は、直接絶縁材料に接触してもよいが、例えば、他の材料の層などにより、離されていてもよい。他の、中間的な材料層は、例えば、直線特性（ｃ＝１、以下参照）などの、酸化亜鉛バリスタ材料とは異なる電圧／電流特性を有する応力制御材料であってもよい。
【０００９】
このようにして、従来の電気的絶縁チューブ、もしくはロッドに加え、本発明の絶縁体は、応力制御材料の外部層が設けられ、好ましくは、マトリクス内の微粒子酸化亜鉛バリスタパウダーの形を成しており、この材料はスイッチング電気応力制御特性を有している。この材料は、高電圧で作動する場合、絶縁体の外部表面に沿って電気応力を分配する。例えば、落雷に起因し、一方の電極に過度に高い電圧が印加されると、材料は、即座に実質的に伝導モードに切り替わり、それにより、電力はアースに安全に散逸される。材料は、その後すぐに絶縁モードに復帰する。
【００１０】
こうした非線形材料は、一般化された形のオームの法則：Ｉ＝ｋＶ^ｃ、に従う。ここで、ｃは、１より大きい定数であり、その値は考慮している材料に依存する。
【００１１】
こうした応力制御特性は、その交流電気インピーダンスの遷移の点で非線形であるだけなく、スイッチング動作も示している。材料へ加えられる電圧に対する、そこに流れる電流のグラフでは、突然の遷移を示しており、それにより、特定の材料、応力制御材料によっては、所定の電気応力未満では、実質的にいかなる電流の流れも妨げる絶縁動作を示すが、過度な電気応力がかかると、一方のターミナル上のトリガーとなる高電圧が、他方のターミナルに伝導され、通常アース電位となるよう、非常に短時間で材料のインピーダンスが実質的にゼロに落ちる。
【００１２】
本発明の絶縁体は、それがテンション、サスペンション、カンチレバー、圧縮、もしくはねじれの電気絶縁体であれ、特に絶縁体自体を形成するのに適当である。しかし、チューブ形内に電気的絶縁材料を伴う絶縁体はまた、例えば、高圧ケーブル、ブッシング、スイッチ、もしくは、断路器の末端など、電気装置の周りに配置されるのに適している。こうした電気装置は、外部表面での汚染の結果、特に、結果として起こるフラッシュオーバを伴うドライバンドの形成を導くことができる湿気、極端な場合に絶縁材料を破壊して絶縁機能の不良を引き起こす、トラッキングおよび浸食と組み合わさると、フラッシュオーバに影響されることになる。また、スパークは、電磁波障害を引き起こす。さらに、フラッシュオーバは、ドライバンドにわたる電圧応力と組み合わせた終端内の、電気応力から起こる、ケーブル終端の外部絶縁表面に沿った、高フィールド応力の組み合わせから生じることが可能である。慣習上、こうしたフラッシュオーバは、絶縁体の長さ、および／または、絶縁材料の厚さを増加させることによって最小化されるが、これは、組成の総合的な物理的サイズを増加させるという、好ましくない効果がある。しかし、本発明によると、絶縁体の外側に印加された応力制御材料は、そうでなければ、表面が絶縁材料と空気との間の遷移となり得る、絶縁表面上の電界強度を制限する。
【００１３】
高圧ケーブル終端への印加では、絶縁体は、高応力領域である、ケーブルの伝導スクリーンのカットバック周辺に配列されてもよい。スイッチングバリスタ材料の印加により、絶縁体の軸方向に所望される絶縁耐力を維持する一方で、より小さな直径構造の達成が可能になる。
【００１４】
バリスタ、電気応力グレージング材料は、基礎をなす絶縁材料の全長にわたり、もしくは、代替的に一部分上のみに配置されてもよい。後者の場合、応力制御材料は、電極近傍の、断熱材に沿ってそこから遠くへと広がる、比較的高い電界強度領域内に位置してもよい。
【００１５】
さらには、容量性応力グレージング効果は、絶縁材料の露出された基礎をなすバンドを伴う、応力制御材料のバンド交替により達成されてもよい。
【００１６】
本発明に従う絶縁体は、電気的活性、コロナ放電、アーク放電、および材料劣化を被ることが少なく、さらに、特に、高湿度および／または汚染の周囲条件において、従来の絶縁体よりも良好なフラッシュオーバ抵抗を示すと予想される。
【００１７】
本発明で用いられる応力制御層は、絶縁体の最外層を含んでいてもよい。代替的に、応力制御材料は、それ自体、絶縁体に対して電気的および／または環境的な保護を提供する外部層内に封入されてもよい。
【００１８】
絶縁性の基板材料が十分低い熱容量と十分高い熱伝導率を有する場合、熱は比較的素早くバリスタ材料から放出され、そのため外部保護被覆は必要とはならない。例えば磁器などのセラミック基板は、この点で適当だろう。しかし、基礎をなす絶縁材料が、例えば、シリコンポリマー材料であり、その後例えば、濡れた状態のように環境条件と反対である場合、漏洩電流の量は、バリスタ層を劣化させる程大きくなるかも知れず、保護的外部被膜が絶縁体に印加される必要がある。
【００１９】
絶縁体の最外組成ファクターは、好ましくは、１つ以上のシェッド、すなわち、実質的にディスク状の組成物で、一方の電極から他方の電極への連続した流れを中断するよう、湿気、水、および他の汚染材料を絶縁体表面から追い出し、その結果、短絡を防止する。
【００２０】
続いて、応力制御材料層のフィラー粒子は、８００℃から１，４００℃の間の温度で焼成され、実質的に全ての粒子が、それらの原型、好ましくは実質的に球形状を保有するよう分解されることが好ましい。
【００２１】
焼成処理は、有効に個々の粒子に「バリスタ効果」を示させると信じられている。すなわち、微粒子材料は、その交流電気インピーダンス特性の遷移に関して非線形であるだけではなく（材料に印加される交流電圧とそれを流れる結果としての電流との関係）、さらにまた、スイッチング動作をも示しており、電圧対電流のグラフが突然の遷移を示している。これは、電場が５ｋＶ／ｃｍ未満ずつ増加する場合に、材料の特定インピーダンスが、少なくとも１０のファクトにより減少したという報告により定量化され（電場範囲が５ｋＶ／ｃｍから５０ｋＶ／ｃｍ内のある範囲、さらに好ましくは、５ｋＶ／ｃｍから２５ｋＶ／ｃｍの間が電力ケーブルの終端で使用される場合の材料の典型的な動作領域）、好ましくは、１０〜２０ｋＶ／ｃｍの範囲内で、電場が２ｋＶ／ｃｍ未満づつ増加する場合、指定された減少が生じるよう遷移する。非線形性は、材料のインピーダンスおよびその体積抵抗率の両方で起こる。フィラー粒子の非線形性は、スイッチングポイントの各々側で異なる可能性がある。また、スイッチングポイントでは、材料は単にその非線形性をかなり遷移させ、電気応力が増加しても、電気ブレークダウンもしくはフラッシュオーバが生じさせないことも重要である。所与の任意の組成のための粒子サイズが小さければ小さいほど、スイッチングポイントを超えたところで起こるブレークダウンの公算は小さくなる。
【００２２】
フィラーの重量の、少なくとも６５％は酸化亜鉛を含んでいることが好ましい。
【００２３】
材料が、電場が５ｋＶ／ｃｍから５０ｋＶ／ｃｍの電界範囲内の領域で、５ｋＶ／ｃｍ未満ずつ増加する場合、その特定インピーダンスが、少なくとも１０のファクターで減少する、非線形電気動作を示すよう、フィラー粒子の重さの５０％以上は、最大５〜１００マイクロメーターの大きさがあるのが好ましい。
【００２４】
フィラーは、応力制御材料層の体積の５％から６０％の間であるのが好ましく、１０％から４０％の間が有利であり、最も好ましくは、体積の３０％から３３％の間である。
【００２５】
実際には、微粒子のフィラーは、酸化亜鉛の重量の、少なくとも６５％、および好ましくは、７０〜７５％である。残りの材料、ドーパントは、例えば、ドープ酸化亜鉛バリスタ材料の当業者に知られているもののように、以下のうちのいくつか、もしくはすべてを含んでいてもよい。Ｂｉ_２Ｏ_３、Ｃｒ_２Ｏ_３、Ｓｂ_２Ｏ_３、Ｃｏ_２Ｏ_３、ＭｎＯ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＣｏＯ、Ｃｏ_３Ｏ_４、ＭｎＯ、ＭｎＯ_２、ＳｉＯ_２、および微量の鉛、鉄、ホウ素、およびアルミニウム。
【００２６】
ポリマーのマトリクスは、例えば、シリコンまたはＥＰＤＭなどのエラストマーの材料を含んでいてもよい；例えば、ポリエチレンまたはポリプロピレンなどの熱可塑性ポリマー、；例えば、エチレン酢酸ビニルに基づく接着剤；熱可塑性エラストマー；チキソトロピー塗料；ゲル、例えば、エポキシもしくはポリウレタンの樹脂などの熱硬化性材料；または、例えばポリイソブチレンおよびアモルファスポリプロピレンの組み合わせなど、コポリマーの体を含むこうした材料の組み合わせ。
【００２７】
応力制御材料は、例えば、セラミック絶縁体もしくは他の絶縁基板に印加され得る、上薬もしくは塗料の形で提供されてもよい。こうした応力制御上薬もしくは塗料、および、こうした上薬もしくは塗料を印加される、あらゆる種類の（自立形か否かを問わない）電気装置もしくは設備は、本発明の他の態様である。
【００２８】
本発明のさらなる態様では、本願明細書において開示される微粒子材料、好ましくは、酸化亜鉛は、焼成、もしくは好ましくは非焼成で混合され、スラリーの状態にされ、その後、上薬形成のために焼成される。
【００２９】
スラリーは、例えば、焼成時に磁器を生成する粘土、もしくは他のセラミックを含んでいてもよい。代わりに、粒子が堆積するマトリクスは、例えば、ポリマー、接着剤、マスチック、もしくはゲルなどの、無機物であってもよい。
【００３０】
本発明のこれらの形では、これまでにその特性が、微粒子材料上に課されたことがなく、あるいは十分には課されていない場合は、応力制御材料の要求されるバリスタスイッチング特性を生成する、スラリー、上薬、もしくは塗料の焼成ステップであってもよいことが理解されるだろう。
【００３１】
また、応力制御材料の総組成は、例えば特定用途へのそれらの加工性、および／または、適合性を改善するために、それらの材料に対する、他の周知の添加物を含んでいてもよい。後者の点において、例えば、電源ケーブル付属品としての用いる材料は、野外の環境条件に耐える必要があるだろう。その結果、適当な添加物は、処理薬剤、安定剤、酸化防止剤、および、例えば油などの可塑剤を含んでいてもよい。
【００３２】
本発明の絶縁体における絶縁材料の外部表面のバリスタ材料の存在は、ドライバンドが形成されるとき、表面に沿うよりも、むしろ材料の大半を通して流れる、漏洩電流をもたらす傾向があり、その結果、トラッキング問題を回避することになる。さらには、従来の絶縁体と比較すると、こうした応力グレージング材は、その良好な電気性能のために、より少ない肉厚、およびより小さな直径の絶縁体を製造することも可能である。従って、本発明の絶縁体を用いると、漏洩電流は、比較的低電圧では、バリスタ材料の比較的低いインピーダンスに起因して、その外部表面に沿い、比較的無害に流れることになる。電圧が、ある値を越えて増加すると、バリスタ材料は、その後、そのハイ・インピーダンス状態へ切り換わり、その後、漏洩電流は、その外部表面上の、炭素トラックの破損を形成することなく、材料のボディーを通り抜けることになる。
【００３３】
応力制御材料は、押出し成形、成形、もしくは別の構成要素の形によって、絶縁材料に印加されてもよい。絶縁体の最後に言及した構造では、応力制御材料は、好ましくはチューブの形で、マトリクスがポリマーを含む場合は、有利に回復可能であり、その位置に、熱回復可能であることが好ましい。絶縁体の外部表面がシェド組成のものである場合は、シェドは、一体成形されたものであっても、または、別々に印加されるものであってもよい。
【００３４】
国際特許出願公開第ＷＯ９７／２６６９３号は、電気応力制御層としての使用のための組成開示しており、その組成は、本発明の絶縁体の応力制御層に適したものである。この公開された特許出願の全内容は、参照により本願明細書に含まれている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
ここで、それぞれが本発明に従う、絶縁体の２つの実施例を、添付図面を参照して例によって説明する。
【００３６】
図１を参照すると、絶縁体２は、その各終端に取り付けられた真鍮電極６を有する、セラミック材料の筒状のチューブ状コア４を含んでいる。ドープされた酸化亜鉛バリスタ材料の層８は、電極６間の絶縁コア４の外部表面全体に成形されている。オプションの外部保護層１０は、応力制御層８の外部表面全体を覆うよう印加される。保護層１０は、絶縁体２から放射状に突出する、複数の、概して円形をしたシェド１２で設けられる。代替的に、コア４は固体ボディーであってもよい。
【００３７】
図２を参照すると、絶縁体２２は、１対の端末電極２６間に延びる、繊維で補強されたエポキシ樹脂の内部筒状コア２４を含んでいる。しかし、この実施例では、単一の、シェドを備えた外部ファクター２８が、コア２４上に成形されている。ファクター２８は、そこでの外部環境保護を提供するのみならず、絶縁体２４の外部表面の応力を制御する機能を実行する材料で形成されている。代替的に、固体コア２４が空洞のチューブ状組成であってもよい。
【００３８】
第１の実施例（図１）において層８を形成し、さらに、第２の実施例（図２）の層２８に含まれる、ドープされた酸化亜鉛応力制御材料は、シリコン・エラストマーのマトリクス、およびドープされた酸化亜鉛の微粒子フィラーである。ドープされた酸化亜鉛は、重量で、およそ７０〜７５％の酸化亜鉛と、およそ１０％のＢｉ_２Ｏ_３＋Ｃｒ_２Ｏ_３＋Ｓｂ_２Ｏ_３＋Ｃｏ_２Ｏ_３＋ＭｎＯ_３を含む。
【００３９】
パウダーは、ポリマーマトリクスのペレットと混ぜられ、最終的に所望される形を形成するよう、押出機に供給される前に、窯でおよそ１１００℃の温度で焼成される。焼成されたフィラーは、フィラーおよびポリマーのマトリクスを含む総組成の体積の、およそ３０％である。
【００４０】
適当なパウダーの、焼成され、ドープされた酸化亜鉛粒子の相対数の典型的な粒子サイズ分布は、１２５マイクロメータ篩を通り抜けた後に、およそ４０マイクロメータの粒子サイズに鋭いピークがあり、大多数の粒子が２０〜６マイクロメータの間であるのが図３に示されている。
【００４１】
焼成され、ドープされた酸化亜鉛粒子のスイッチング動作は、（５０Ｈｚでの）電界強度の関数として、非線形の特定インピーダンスにおける突然の変化を示し、３つの範囲の粒子サイズのために図４で示される。曲線Ｉは、２５マイクロメータ未満の粒子サイズに関し、曲線ＩＩは、２５マイクロメータから３２マイクロメータの粒子サイズに関し、曲線ＩＩＩは、７５マイクロメータから１２５マイクロメータの粒子サイズに関する。粒子サイズが減少するのに従い、スイッチングポイントが、より高い電界強度で起こるのが分かる。
【００４２】
いずれかのコア４、２４に対応する内部絶縁ファクターは、その外部表面に沿ったフラッシュオーバに、対抗する保護を提供するよう、絶縁体２、２２を、例えば、高圧ケーブルの終端に取り付け可能とするように、チューブ状であってもよいと考えられる。この実施例では、ケーブル自体の終端は、特にケーブル・スクリーンのカット・バックでは、慣習上なされているように、応力制御されている。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】空洞チューブ状絶縁体の応力制御層が外部の保護層内に封入された、第１の実施例の縦断面を示す。
【図２】応力制御材料が堅いコア絶縁体の外部保護層と一体的に成形される、第２の実施例を示す。
【図３】焼成され、ドープされた酸化亜鉛フィラーの典型的な粒子サイズ分布のグラフである。
【図４】様々な粒子サイズに対するフィラーパウダーのインピーダンスのグラフである。
【符号の説明】
【００４４】
２ 絶縁体、 ４ チューブ状コア、 ６ 電極、 ８ 応力制御層、 １０ 外部保護層、 １２ シェド、 ２２ 絶縁体、 ２４ 内部筒状コア、 ２６ 末端電極、 ２８ 外部ファクター。

Claims (25)

1. 縦方向に距離を置いて配置された１対の電極を有する、電気的絶縁材料の延長チューブもしくはロッド、および、スイッチング電気応力制御特性を有するマトリクス内に、バリスタパウダーの微粒子フィラーを含む材料の層を含み、そこで、応力制御材料は、絶縁材料の外側表面の一部分、もしくは実質的に全体上に広がり、少なくとも応力制御材料のいくらかが、各電極と電気的に接触している自立形高電圧絶縁体。
2. 応力制御材料が、各電極の近くで、各電極と電気的に接触し、２つの別々の領域に存在している、請求項１に記載の絶縁体。
3. 応力制御材料が、無機材料、好ましくは酸化亜鉛を含む、請求項１または請求項２に記載の絶縁体。
4. 応力制御材料の層が、その電気的および／または環境保護を提供する外部層内に封入されている、請求項１〜３の何れか１つに記載の絶縁体。
5. 応力制御材料の層、もしくは外部保護層が、シェドされた（Ｓｈｅｄｄｅｄ）外部組成を有する、請求項１〜４の何れか１つに記載の絶縁体。
6. （ｉ） 応力制御材料層のフィラーの粒子は、８００℃から１，４００℃の間の温度で焼成され、その後、実質的に全ての粒子が、すべてそれらの原形、形を保有するよう分解され、
   （ii） フィラーの重さの、少なくとも６５％は、酸化亜鉛を含んでおり、
   （iii） ５ｋＶ／ｃｍから５０ｋＶ／ｃｍの電界範囲内の領域で、５ｋＶ／ｃｍ未満ずつ電界が増加する場合、その特定インピーダンスが、少なくとも１０のファクターで減少する、非線形電気動作を示すよう、フィラー粒子の重さの５０％以上は、最大５〜１００マイクロメーターの大きさであり、さらに、
   （iv） フィラーは、応力制御材料層の体積の５％から６０％の間である請求項１〜５の何れか１つに記載の絶縁体。
7. フィラーの全粒子が、１２５マイクロメータ未満、好ましくは１００マイクロメータ未満の最大寸法を有する、請求項６に記載の絶縁体。
8. 重さの１５％を越えないフィラー粒子が、１５マイクロメータ未満の最大寸法を有する、請求項６または請求項７に記載の絶縁体。
9. フィラー粒子が９５０℃から１２５０℃の間、好ましくはおよそ１１００℃の温度で焼成される、請求項６〜８の何れか１つに記載の絶縁体。
10. 少なくともフィラーの重さの７０％が、酸化亜鉛を含んでいる、請求項６〜９の何れか１つに記載の絶縁体。
11. 重さの５０％以上のフィラー粒子が、２５〜７５マイクロメータの最大寸法を有する、請求項６〜１０の何れか１つに記載の絶縁体。
12. フィラーが、応力制御材料層の体積の１０％と４０％の間、好ましくは３０％から３３％の間である、請求項１〜１１の何れか１つに記載の絶縁体。
13. 応力制御層のマトリクスが、ポリマー材料、樹脂、チキソトロピー塗料、もしくはゲルを含む、請求項１〜１２の何れか１つに記載の絶縁体。
14. ポリマー材料が、ポリエチレン、シリコン、またはＥＰＤＭを含む、請求項１３に記載の絶縁体。
15. 応力制御材料の層が、絶縁材料の層に、好ましくは押出し成形、成形、もしくはリカバリにより、直接印加される、請求項１〜１４の何れか１つに記載の絶縁体。
16. 請求項１〜１５の何れか１つに記載の絶縁体を含む、高電圧ブッシング、スイッチ、もしくは、断路器。
17. その一方の末端に、請求項１〜１５の何れか１つに記載の絶縁体内に封入された、応力制御終端を有する高電圧電気ケーブル。
18. 応力グレージング特性を提供可能な粒子が分散される、スラリー、上薬、もしくは塗料を含む、電気応力制御材料。
19. 電気応力制御スイッチング特性を有する材料の生成のために、スラリー、上薬、もしくは塗料が、焼成されている、請求項１８に記載の電気応力制御材料。
20. スラリー、上薬、もしくは塗料に導入される前には、粒子が焼成されない、請求項１８または請求項１９に記載の電気応力制御材料。
21. 微粒子材料が、請求項６において定義された酸化亜鉛フィラー粒子を含む、請求項１８または請求項２０に記載の電気応力制御材料。
22. スラリーがセラミック材料、好ましくは磁器を形成する、請求項１８〜２１の何れか１つに記載の電気応力制御材料。
23. スラリーが無機物のマトリクスを含む、請求項１８〜２１の何れか１つに記載の電気応力制御材料。
24. 請求項１８〜２３の何れか１つに記載の電気応力制御材料が印加された、電気絶縁体、もしくは他の電気装置もしくは設備。
25. スラリー、上薬、もしくは塗料の層を除くポリマー、もしくは、請求項６において定義された酸化亜鉛の粒子で満たされた組成のケーシングを有する、電気絶縁体、シェド、もしくは、他の電気装置または設備。

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