JP2005094903A - ガス絶縁開閉装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 地球温暖化ガスを使用しない環境調和型で、小型・軽量化をはかった絶縁開閉装置を提供する。
【解決手段】 絶縁開閉装置に真空遮断器1を適用し、絶縁性ガスに主成分がN2とO2である混合ガスもしくは乾燥空気を用い、最低保障ガス圧もしくは定格ガス圧を0.2〜0.8MPa・absにする。真空遮断器1の長手方向と操作器3等を除いた絶縁開閉装置の長手方向がほぼ平行になるように配置して小型化する。真空遮断器1のガス区間である円筒圧力容器2と断路器5a,5bのガス区間である円筒圧力容器7a,7bをスペーサ6でガス区分し、円筒圧力容器2のガス圧を断路器5のガス圧より低くしている。
【選択図】 図6

Description

本発明は変電所や開閉所等に適用される環境調和を考えた絶縁開閉装置に関する。
絶縁性ガスとしてSF6を用いたガス絶縁開閉装置は、絶縁信頼性や装置の小型化の点で優れているため、変電所や開閉所等で広く用いられている。このSF6ガスは化学的に極めて安定で大気中寿命が3200年と長いため、環境面から考えると大気中に放出された場合の赤外線吸収量が大きく、GWP(Global Warming Potential)は23900と極めて大きい温暖化ガスに指定されている。加えて、SF6ガスはイオウやフッ素を含んでいることから、万一、大気中で分解した場合には環境への影響が懸念される。これらの問題解決として完全ガス回収等が検討されているが、SF6ガスを完全に封じ込めることは困難であり、一般に年1%のリークが許容されている。
このような状況から環境調和を考え、SF6ガスを含む地球温暖化ガスを使用しない開閉装置が製品化され始めている。例えば、特開2002−199522号公報には真空遮断器とシリコーンオイルを組合せた開閉装置が開示されている。また、富士時報 Vol.75 No.11 2002の「24kV脱SF6形ガス絶縁スイッチギヤ」には、ドライエアーと真空遮断器を組合せたスイッチギヤの製品化の記載がある。
特開2002−199522号公報
富士時報 Vol.75 No.11 2002年「24kV脱SF6形ガス絶縁スイッチギヤ」
上述した特許文献1の技術では次のような問題点があった。シリコーンオイルと真空遮断器を組合せた場合、シリコーンオイルの比重がガスと比較して非常に重いことやコンサベータが必要となるために、小型・軽量化を図ることが困難であった。加えて、開閉器を収納する金属製のタンク内をシリコーンオイル等の難燃もしくは可燃性の液体で充填するため、シリコーンオイルが洩れた場合の防油堤等の大掛かりな対策設備を設置しなければならない等の問題があった。
また、非特許文献1の技術においては、操作器を除いた開閉装置の長手方向と真空遮断器の長手方向がほぼ垂直に配置されている。開閉装置の大きさは据付面線もしくは開閉装置の体積で評価されるのが一般的である。小型・軽量化を図るためには長手方向よりもむしろ、短手方向の短縮化を図らなければならず、引いてはベローズ含めた真空遮断器の長さを極力短くしなければならない構成である。このため、封入ガス圧を高くするとベローズ長が長くなるため、必然的に封入ガス圧を低くしなければならなくなり、開閉器の小型・軽量化を妨げていた。
本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、地球温暖化ガスを使用しない小型・軽量のガス絶縁開閉装置を提供することにある。
上述の目的を達成するために,本発明は真空遮断器と断路器を含み、主成分がN2とO2からなる混合ガスを絶縁ガスとして用いた密閉容器を有するガス絶縁開閉装置において、前記真空遮断器の長手方向と前記絶縁開閉装置の操作器を除く長手方向(真空遮断器を含む密閉容器の長手方向)とを平行に配置し、且つ前記混合ガスまたは乾燥空気の最低保障ガス圧もしくは定格ガス圧を0.2MPa・abs以上0.8MPa・abs以下にすることを特徴とする。前記平行は設計・製作上の誤差を許容することは勿論のこと、明らかに斜めに配置したものではない略平行をも含むものである。
本発明によれば、環境調和と小型化・軽量化を両立した絶縁型開閉装置を提供できる。
まず、本実施形態の前提となる原理的な説明を行う。N2は環境負荷への影響が極めて小さいガスとして知られている。また、N2は電気的負性ガスではなく、典型的な電子減速ガス(electron retarting gases)であり良好な絶縁性ガスとして知られている。電子減速ガスとは高速電子を減速させて電子エネルギーを下げるガスである。しかしながら、一般に用いられている電気的負性ガスであるSF6と比べるとN2の絶縁耐力は約1/3であり、絶縁耐力の改善が必須である。
また、一般にN2の絶縁耐力を1とすると条件により異なるものの概略、N2Oが1.1、CH4が1.0、CO2が0.9、O2ガスが1.0として知られている。これらの中で、環境負荷への影響がより小さく、且つ絶縁性能が高く、取扱いが容易な条件を兼ね備えているのがN2である。
2の絶縁破壊メカニズムは次の通りである。電界により電子減速効果を超える加速が電子に加わると電子数が急激に増える電子なだれが発生し絶縁破壊に至る。一般的に、電子減速ガスに負性ガスを混合すると絶縁耐力が改善され破壊電圧が上昇することが知られているが、絶縁耐力を大幅に向上させる負極性ガスは地球温暖化ガスに指定されていたり、GWPが1よりも大きいガスであるため地球環境への影響が懸念される。
一方、地球温暖化係数が1以下で、塩素やフッ素やイオウ等の原子を含まない負性ガスとしてCO2とO2があり、特にO2は地球温暖化ガスでなく、N2と混合することにより絶縁耐力を向上させることが可能である。
図1に純N2とN2/O2混合ガス(乾燥空気)の絶縁破壊電圧のガス圧特性を示す。電気学会技術報告 第841号「SF6の地球環境負荷とSF6混合・代替ガス絶縁」に記載されているように、乾燥空気時の準平等電界時の破壊電圧のガス圧特性を点線で、N2時の準平等電界時の破壊電圧のガス圧特性を一点鎖線で示す。N2は0.8ないし1MPa・abs以上の高ガス圧領域で絶縁耐力が飽和する。これはN2が0.5MPa・abs程度を境として、それよりも低い場合には臨海電界付近の電離係数の変化が穏やかであるため局所電界依存性が小さくガス圧効果が絶縁耐力を支配する。反対に、0.5MPa・abs以上では電子ながれが短い距離で電離増倍することと絶縁破壊電界が高いため、絶縁耐力が弱点破壊に強く影響される。
一方、空気の絶縁耐力が飽和するガス圧はN2よりも高く、3MPa・abs程度である。これはO2を混合することにより局所電界依存性を低くしているためである。ところが、空気の場合においても電界が平等ではなく、高電圧電極の一部に電界が集中するような電極を用いた場合の破壊電圧のガス圧特性は良く知られていない。
図中の実線は電界集中が存在する場合の破壊電圧のガス圧特性である。電界集中部が存在する場合、ガス圧が0.5MPa・abs程度でも局所電界が非常に高くなることから、絶縁耐力が弱点破壊に強く影響され、絶縁耐力の飽和傾向が0.5MPa・abs程度から見られる。開閉装置においては全ての高電圧部分を準平等電界となるように設計することは困難であり、電界集中を考慮したガス圧特性で機器を設計しなければならない。
乾燥空気の場合、負性ガスであるO2の効果により破壊電圧はN2時よりも高くなるが、ガス圧特性はガス全体の80%近くを占めるN2の特性に依存し、ガス圧が0.8ないし1MPa・absで飽和する傾向を示す。このため、高ガス圧化による小型化を図る場合、上限のガス圧は1MPa・abs程度となる。
図2にO2の混合割合と破壊電圧の関係を示す。縦軸は純N2ガスの破壊電圧に対する相対比である。混合比は一定のガス圧に対する破壊電圧の平均である。総じてO2をN2に混合することにより絶縁破壊電圧の上昇がみられたのは、O2の混合割合を示す分圧比が5〜60%の範囲である。最適なO2の混合割合はガス圧に依存する。図3に示すように、ガス圧が0.2〜0.4MPa・absの場合の最適混合割合はO2の分圧比が50%前後であり、ガス圧が0.4MPa・abs以上の場合の最適混合割合はO2の分圧比が20%前後である。従って、乾燥空気も電子減速ガスであるN2とO2の混合ガスとみなすことができ、乾燥空気を用いた場合の最適ガス圧は0.4MPa・abs以上である。
一方、真空遮断器を収納する容器のガス圧を高くするとベローズ長が長くなり、機器の小型・軽量化の妨げとなる。ベローズの開閉動作による繰返し寿命はベローズの1山当たりに加わる応力で評価でき、その応力は圧力による応力と変位による応力の和として求められる。つまり、ガス圧の上昇に伴い圧力による応力は増加するが、ベローズの山の数を増やすことで1山当たりに加わる応力を許容レベル以下にすることが可能である。
このため、ガス圧が低い場合のベローズの長さは変位による応力が支配的となり、ガス圧の上昇に伴うベローズ長の伸長割合は小さいが、ガス圧が高くなるとベローズの長さは圧力による応力が支配的となり、ほぼガス圧に比例して長くなる。一般的にはガス圧が0.2MPa・abs以下であれば、変位による応力が支配的であり、0.5MPa・abs以上では圧力による応力が支配的となる。
このため、機器を小型にするためには真空遮断器のベローズを含めた長手方向に設計自由度を大きくとる必要があり、真空遮断器を収納する容器の長手方向と真空遮断器の長手方向をそろえることで達成できる。加えて、開閉器器の体積増大を極力小さくするためには同じ長さの増大であれば、短手方向よりも長手方向に伸ばした方が効果的あることからも、真空遮断器の長手方向と前記容器の長手方向をほぼ平行に配置し、高ガス圧化に伴うベローズの伸長を開閉装置の長手方向で吸収した方がより小型に設計可能である。
また、断路器においても小電流遮断性能が必要である。N2/O2混合ガスの遮断能力は熱破壊に加え、続流電流の問題もあることから、ガス圧を高くしても必ずしも極間は短くならない。従って、ガス圧を高くすると相対的に極間方向が長くなる問題があり、機器を小型・軽量化するためには真空遮断器と同様に収納タンクの長手方向と可動子動作方向をほぼ平行に配置する必要がある。
高気圧のガスを密封する容器の肉厚t1は円筒容器の場合、(1)式で示すようにガス圧に比例して厚くなる。
t1=P×D/(2σ) (1)
ここで、σ:周方向の許容応力、P:ガス圧、D:内径、t1:円筒の肉厚である。一方、フランジの板厚t2のように円筒ではない場合、(2)式で示すように板厚はガス圧の平方根に比例して厚くなる。
t2=2d×(Z×C×P/σ)0.5 (2)
ここで、d:取付ボルトピッチサークル、Z:平板の形状によって決まる定数、C:平板の取付方法によって決まる定数、P:ガス圧、σ:許容応力である。(1)及び(2)式から、ガス圧を高くした場合の板厚が厚くなることによる機器の重量増大は明らかである。つまり、使用ガス圧を高くすると内径を一定とした場合には容器の重量増加を引き起こす。加えて、使用するガス圧を高くすると操作器の操作力の増大のため、機器の小型化の妨げとなる。一方、図1に示すガス圧と絶縁破壊電圧の関係から、ガス圧を高くすると絶縁耐力が向上し、機器の小型化が可能となり機器の小型・軽量化を図ることができる。このため、小型・軽量化を両立するための最適ガス圧が存在する。
円筒部とフランジの重量比率により最適ガス圧は異なるが小型化及び低コスト化を図るためには、フランジの使用枚数は最小限にするのが一般的であり、ほぼ一定値となる。また、円筒部の長さについて絶縁耐力の上昇により短くできるが機構部等の影響が大きく、その割合は内径の変化に比べると小さく1/3程度に見積ることが可能である。
図4に、円筒とフランジの重量比が4:1の例を示す。機器の重量をミニマムにするガス圧は0.4MPa・abs程度であり、ミニマム値から20%程度の範囲で設計するためにはガス圧を0.2〜0.8MPa・absの範囲で設計しなければならない。また、N2/O2混合ガス圧が0.2MPa・abs以下になると急激に重量が増加する傾向がある。開閉装置の小型・軽量化を図るための最適範囲となる乾燥空気のガス圧は0.2〜0.8MPa・absの範囲である。
つまり、主成分がN2、O2である混合ガス(O2の分圧比が5〜60%)もしくは乾燥空気を絶縁ガスとして適用したガス絶縁開閉装置において、小型・軽量化を達成するためには最低保障ガス圧もしくは定格ガス圧を0.2〜0.8MPa・absの範囲にすることが必須条件となる。
図5にN2/O2混合ガス中の電極処理条件の違いによる破壊電圧を示す。電極裸時の最低と最大破壊電圧をバーで示し、平均破壊電圧を○で示している。電極を被覆することにより、初回破壊電圧を裸時の平均以上にすることができる。更に、電極を絶縁物でモールドした場合にはより破壊電圧の向上効果があり、同じガス圧でも裸時の平均破壊電圧に対して初回破壊電圧を1.5倍以上にすることも可能であり、混合ガスと組合せることで大幅な小型化を図ることも可能である。また、絶縁被覆時のガス圧特性は裸時のガス圧特性で得られた破壊電圧を比例倍すればよく、絶縁被覆もしくは絶縁モールドを併用することで最適ガス圧条件を変えることなく小型・軽量化が可能である。
絶縁被覆として例えば、エポキシ系樹脂、ポリエチレン系樹脂等がある。また、モールドには例えば、アルミナもしくはシリカもしくは酸化チタン等を充填したエポキシ系絶縁物を用いると比誘電率をある程度任意に設定できるため、モールドの厚さと組合せることで機器の最適化をより図ることができる。以下、本発明による複数の実施例を説明する。
〔実施例1〕
図6は本発明によるタンク型GISの一実施例を示す。図中の円筒圧力容器2、7a、7bにはN2/O2混合ガスもしくは乾燥空気を0.2〜0.8MPa・abs封入している。円筒圧力容器2内に真空遮断器1を収納すると共に,円筒圧力容器2の長手方向が重力に対してほぼ平行に設置され、真空遮断器1の長手方向も円筒圧力容器2の長手方向とほぼ平行に配置されている。真空遮断器1はその下側の開閉用操作ロッドを介して操作器3と接続されている。また、真空遮断器1の下側にはアレスタ4を配置して機器の縮小化を図っている。
真空遮断器1の長手方向を重力と平行に配置すると、次のような効果がある。ガス圧の増大に伴いベローズが長くなると開閉動作時にベローズがくの字に屈曲してしまう問題が発生する。このため、ベローズが長くなると前記屈曲を防止するためのリングをベローズ間に配置しなければならくなり、よりベローズ長の伸長を引き起こす。この屈曲はベローズを重力に対して直角方向に配置した場合に最も起こしやすくなるが、重力と平行に配置することでベローズ屈曲防止用のリング本数を減らすことができ、ベローズの短縮化を図り、引いては機器の小型化を図ることができる。
母線断路器5aと、ライン断路器5bはガス区画用のスペーサ6を介して接続される。断路器5の収納ガス区画は真空遮断器1の収納ガス区画とガス区分し、万一の真空遮断器1の故障もしくは点検時においても、断路器5a、5bを開極することでその他の回線に及ぼす影響を最小限に抑えることが可能な構成としている。また、断路器5の可動子は接地開閉器の可動子10a、10bと一体にすることで断路器5と接地開閉器を複合化し、断路器及び接地開閉器部分の縮小化を図っている。更に、断路器を収納する円筒圧力容器7a、7bの長手方向と断路器5の可動子の開極方向がほぼ平行になるように配置している。且つ断路器5を収納する円筒圧力容器7a、7bの長手方向と、真空遮断器1を収納する円筒圧力容器2の長手方向がほぼ平行になるように配置して、開閉装置全体の小型・軽量化を図っている。加えて、母線8及びライン回線にケーブルヘッド9等の固体絶縁を適用し、機器の縮小化とレイアウトの自由度を確保している。
更に、真空遮断器1を収納する円筒圧力容器2のガス圧を断路器2の円筒容器7のガス圧よりも低くすることで、断路器5の最適小型化と遮断器1の最適小型化の両方を満足させることができ、更に開閉装置全体の小型化が可能になる。加えて、断路器5の高電圧シールドや真空遮断器1の上下の電極等は電界が集中することから、この部分にエポキシ樹脂系の絶縁被覆もしくは充填剤を入れたポリエチレン樹脂等で絶縁モールドすることによりガス圧を変えることなく、大幅な小型化が可能である。
加えて、封入する混合ガスもしくは乾燥空気に硫黄系付臭剤を用いて前記ガスに臭いを付け、機器に封入することで、万一のガス洩れに対しても臭いにより検出可能とすることで、早期発見が可能になる。硫黄系付臭剤には例えば、二硫化ジエチルもしくはターシャリーブもしくはジメチルサルファイドがある。
〔実施例2〕
図7に本発明のタンク型GISの他の実施例を示す。遮断器には真空遮断器VCBを縦型に配置し、ガス区画を分けて断路器DSユニットが接続されている。ライン側はケーブルヘッドCHを介して電力ケーブルに接続され、流れる電流は計器用変流器CTにより計測されるシステム構成である。
VCBの操作器は図中右側のボックス内に配置され、断路器DS、接地開閉器ESの操作器はVCB用操作器の下側に配置されている。VCB、DS、ES及び母線を収納する各金属容器(図示のハッチング部)はほぼ円筒形状とし、内圧設計に適した形状としている。この金属容器内に例えば、乾燥空気を封入すると共に、最低保障ガス圧を0.5MPa・absとし、地球温暖化ガスを使用しない小型・軽量のGISとしている。
本実施例では、VCBとライン断路器DSは同一ガス区画内とし、母線断路器DSは絶縁ガスが区画されている。このような構成における一回線は大きく2〜4のガス区画で構成されている。断路器DSにはブレード式を適用し、可動子の支点は遮断器側の導体に配置することで接地開閉器ESを兼ねた構成としている。
また、乾燥空気を絶縁ガスとして使用した場合、万一、機器から漏れた場合、環境への影響はないが、機器の故障箇所を発見することは困難であり、最悪の場合、ガス漏れのするガス区画全てを交換しなければならない。そこで、乾燥空気に分圧比で5%以下のヘリウムもしくはCF3CH2Fを予め混合して機器に充填しておくことで、ガス検知器を用いてガスリーク箇所を容易に調べることができ、復旧の効率化を図ることができる。
〔実施例3〕
図8に本発明による箱型C−GISの一実施例を示す。箱型の容器を用いた場合、円筒よりもガス圧が高くなった場合の重量増加が顕著であり、同様に求めた最適ガス圧は円筒の場合よりも低めとなり、小型・軽量化を図るための最適な最低保障ガス圧もしくは定格ガス圧の範囲は0.2〜0.7MPa・absとなる。容器を箱型とした場合、使用ガス量の低減効果は円筒時よりも低くなるが、開閉器器としての設置スペース効率を向上させることができる。
本実施例では、VCBとライン断路器DSは同一ガス区画内とし、母線断路器DSは絶縁ガスが区画されている。このような構成における一回線は大きく2〜4のガス区画で構成されている。断路器DSにはリニア式を適用すると共に、遮断器側の断路器DS及び接地開閉器ESを共にほぼ重力に対して垂直に配置することで、開閉装置の高さ方向の縮小化を図っている。また、地中電力ケーブルとはケーブルヘッドCHを介して接続されている。母線は横一列の三相一括であり、ガス絶縁母線を適用し、遮断器区画、母線断路器区画に混合ガス(乾燥空気を含む)を適用すると共に、最低保障ガス圧を0.2MPa・abs以上0.7MPa・abs以下とすることで環境調和と絶縁耐力のバランスを図っている。
C−GISの場合、箱型であるため定格ガス圧を高くすると容器が大きく且つコストが高くなるため、極力小さなガス圧が好ましい。そのため、例えば、封入するガスに乾燥空気を適用した場合、最低保障ガス圧もしくは定格ガス圧を0.3〜0.5MPa・absにし、且つ絶縁被覆もしくはモールドを適用する。これによれば、SF6ガスの最低保障ガス圧(0.17MPa・abs)時の機器と比べ同程度もしくは小型化することも可能である。
〔実施例4〕ガス
図9に本発明による三相一括GISの一実施例を示す。真空遮断器1は縦型配置され、それぞれ母線断路器5a、ライン断路器5bに接続されている。そしてケーブルヘッド9を通して電力ケーブルと接続され、遮断器1は金属容器2に、断路器5aと母線は金属容器7aに、断路器5bは金属容器7bにそれぞれ収納され、小型化が図られている。N2/O2の混合ガスもしくは乾燥空気を適用し、定格ガス圧を0.2MPa・abs以上0.8MPa・abs以下として、環境調和と小型・軽量化を図ったGISである。なお、19は吸着剤容器、20は架台である。
真空遮断器1は重力に対して平行に配置されると共に三角形配置とすることで、真空遮断器1を収納する円筒圧力容器2の内径の縮小化を図っている。真空遮断器1は下側の操作ロッドを介して操作器3に接続され、操作器3の左右方向の運動を上下方向に変換することで開閉動作を行っている。また、ケーブルヘッド9に接続されるライン断路器5bの下側にアレスタ4を配置すると共にアレスタ切り離し装置18を設けることで、小型化を図りながら据付時の課電試験の効率を大幅に向上させている。
純N2と乾燥空気の絶縁破壊電圧のガス圧特性を示すグラフ。 2の混合割合と破壊電圧の関係を示すグラフ。 ガス圧とN2・O2混合比による破壊電圧の関係を示すグラフ。 ガス圧と機器の重量との関係を示すグラフ。 電極条件と破壊電圧との関係を示すグラフ。 本発明の一実施例によるタンク型GISの構成図。 本発明の他の実施例によるタンク型GISの構成図。 本発明の一実施例による箱型C−GISの構成図。 本発明の一実施例による三相一括GISの構成図。
符号の説明
1…真空遮断器、2…金属容器、3…真空遮断器用操作器、4…アレスタ、5…断路器、6…ガス区画用絶縁スペーサ、7…金属容器、8…母線、9…ケーブルヘッド、10…接地開閉器の可動子、17…CT、18…切り離し装置、19…吸着剤容器、20…架台、VCB…真空遮断器、DS…ライン断路器、DSv母線断路器、ES…接地開閉器、CH…ケーブルヘッド。

Claims (8)

  1. 真空遮断器と断路器を含み、主成分がN2とO2からなる混合ガスを絶縁ガスとして用いた密閉容器を有するガス絶縁開閉装置において、
    前記真空遮断器の長手方向と前記ガス絶縁開閉装置の操作器を除く長手方向とを平行に配置すると共に、前記密閉容器内における混合ガスの定格ガス圧または最低保障ガス圧を0.2〜0.8MPa・absとしたことを特徴とするガス絶縁開閉装置。
  2. 前記断路器の可動子が動作する方向と前記ガス絶縁開閉装置の長手方向とを平行に配置したことを特徴とする請求項1記載のガス絶縁開閉装置。
  3. 前記平行の向きは重力の方向となる請求項1または2記載のガス絶縁開閉装置。
  4. 前記密閉容器は円筒型または箱型となる請求項1、2または3記載のガス絶縁開閉装置。
  5. 前記混合ガスのO2の分圧比が5〜60%となることを特徴とする請求項1−4のいずれか1項に記載のガス絶縁開閉装置。
  6. 前記混合ガスは乾燥空気であることを特徴とする請求項1−5のいずれか1項に記載のガス絶縁開閉装置。
  7. 前記密閉容器内は複数に区画され、前記真空遮断器を有する区画のガス圧は他の区画のガス圧よりも低くなることを特徴とする請求項1−6のいずれか1項に記載のガス絶縁開閉装置。
  8. 前記混合ガスは、臭いガスにより臭いを付けたことを特徴とする請求項1−7のいずれか1項に記載のガス絶縁開閉装置。
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