JP2005251413A - 固体絶縁スイッチギヤ - Google Patents

Abstract

【課題】 固体絶縁スイッチギヤの重量を低減する。
【解決手段】 絶縁材料でモールドして多層の絶縁層１７、１８を形成した電気機器１４を組合せ、電源系統を構成する固体絶縁スイッチギヤであって、前記電気機器１４の周りには、外周方向に向かう程、誘電率が小さくなるように主回路導体端部を露出させて前記多層の絶縁層１７、１８を形成し、前記電気機器の電極端部、および前記多層の絶縁層１７、１８のそれぞれの境界面部の電界強度が等しくなるようにしたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電源系統を構成する真空バルブや接続導体のような電気機器をエポキシ樹脂のような絶縁材料でモールドした固体絶縁スイッチギヤに関する。

従来、スイッチギヤの主回路を構成する真空バルブや接続導体のような電気機器においては、これらの電気機器が汚損湿潤の影響を受けて絶縁耐力が低下するのを防ぐため、エポキシ樹脂のような絶縁材料によりモールドして絶縁外皮を形成し、その絶縁外皮の外装に接地層を設けた固体絶縁式のものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

このモールドした電気機器においては、スイッチギヤの定格電圧が６ｋＶ以上の高電圧になると、電界強度が高くなるので比較的に絶縁厚さが厚くなり、更には、エポキシ樹脂に数種類の充填剤を混合し、優れた電気的特性と機械的特性が得られるようにしているので、比重が２程度となり重量物になってしまう。

これを解決するため、絶縁層内の電界分布を制御して絶縁厚さを薄くできるように、誘電率の異なる絶縁層を多層に形成したものが知られている（例えば、特許文献２参照。）。これは、図５に示すように、高電圧電極１と接地電極２間において、絶縁層３を高電圧側絶縁層４と接地側絶縁層５とに分け、高電圧側絶縁層４よりも接地側絶縁層５の誘電率を小さくしている。

これにより、高電圧側絶縁層４の最大電界強度がＥａ、また接地側絶縁層５の最大電界強度がＥｂとなり、単一の誘電率からなる絶縁層３を設けた場合の最大電界強度Ｅｃと比べて、電界強度を抑制することができる。即ち、異なる誘電率を設けた場合のそれぞれの最大電界強度Ｅａ、最大電界強度Ｅｂ＜単一の誘電率を設けた場合の最大電界強度Ｅｃの関係が得られるようになる。

そして、最大電界強度が抑制された割合によって、高電圧側絶縁層４および接地側絶縁層５のそれぞれの絶縁厚さを薄くすることができる。
特開２００１−２８６０１８号公報 （第４ページ、図４） 特開平１１−２６２１２０号公報 （第５ページ、図１）

上記の従来の固体絶縁スイッチギヤにおいては、次のような問題がある。
異なる誘電率からなる高電圧側絶縁層４および接地側絶縁層５により最大電界強度を抑制できるものの、それぞれの最大電界強度に差異を生じ、大幅に絶縁厚さを薄くすることができなかった。即ち、これらの最大電界強度は、誘電率の大きさおよび絶縁厚さによって変化し、高い方の最大電界強度によって絶縁厚さが決定されることになる。

このため、高電圧側絶縁層４および接地側絶縁層５のそれぞれの最大電界強度を同様にし、それぞれの絶縁層４および５において絶縁厚さを薄くできることが望まれていた。これにより、モールドされた電気機器を組合せて構成した固体絶縁スイッチギヤの重量を抑制することができる。

本発明は上記問題を解決するためになされたもので、異なる誘電率からなる多層の絶縁層をモールドした電気機器を組合せてなる固体絶縁スイッチギヤの重量低減を可能とし得ることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の固体絶縁スイッチギヤは、絶縁材料でモールドして多層の絶縁層を形成した電気機器を組合せ、電源系統を構成する固体絶縁スイッチギヤであって、前記電気機器の周りには、外周方向に向かう程、誘電率が小さくなるように主回路導体端部を露出させて前記多層の絶縁層を形成し、前記電気機器の電極端部、および前記多層の絶縁層のそれぞれの境界面部の電界強度が等しくなるようにしたことを特徴とする。

このような構成によれば、電気機器側を最も大きい誘電率の絶縁層とし、外周方向に向かう程、誘電率が小さくなるような多層の絶縁層とし、電気機器の電極端部および多層の絶縁層のそれぞれの境界面部の電界強度が同様になるようにしているので、それぞれの絶縁層の絶縁厚さを薄くすることができ、これに伴って、これらの電気機器を組合せて電源系統を構成した固体絶縁スイッチギヤの重量を低減することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

以下、本発明の実施例に係る固体絶縁スイッチギヤを図１乃至図４を参照して説明する。図１は、本発明の実施例に係る固体絶縁スイッチギヤの構成を一部断面して示す側面図、図２は、本発明の実施例に係る遮断部を示す断面図、図３は、本発明の実施例に係る電界強度と誘電率との関係を示す特性図、図４は、本発明の実施例に係る電界強度と絶縁厚さとの関係を示す特性図である。

図１に示すように、固体絶縁スイッチギヤは、背面側のケーブル部１０ａ、中央の開閉部１０ｂ、正面側の母線部１０ｃで電源系統が構成されている。

ケーブル部１０ａには、ケーブルヘッド１１が設けられ、このケーブルヘッド１１に変流器１２を貫通した電力用ケーブル１３が接続されている。

開閉部１０ｂには、遮断部１４が設けられ、遮断部１４の一方の主回路端がコ字状の接続導体１５でケーブルヘッド１１の主回路端に接続されている。この遮断部１４には、接離自在の一対の接点を有する真空バルブ１６が設けられている。また、真空バルブ１６には、主回路導体端部を露出させて、この真空バルブ１６の周りにエポキシ樹脂のような絶縁材料をモールドして第１の絶縁層１７、および第１の絶縁層１７の周りに第２の絶縁層１８が設けられている。更に、第２の絶縁層１８の周りには、接地層１９が設けられている。

遮断部１４の他方の主回路端には、軸方向に絶縁操作ロッド２０を介して、真空バルブ１６内の一対の接点を開閉する操作機構２１が設けられている。また、軸方向と直交する方向には、真空バルブ１６の外部電極が連絡導体２２と摺動接触されている。

母線部１０ｃには、断路部２３が設けられ、一方の主回路端が連絡導体２２に摺動接触し、他方の主回路端が母線２４に接続されている。この断路部２３には、遮断部１４と同様な真空バルブ２５が設けられ、真空バルブ２５の軸方向に絶縁操作ロッド２６を介して、真空バルブ２５内の一対の接点を開閉する操作機構２７が設けられている。

なお、遮断部１４、断路部２３、接続導体１５および母線２４などのモールドされた電気機器の主回路端は、いずれもテーパ状に形成された界面接続部となっており、図示しない可撓性絶縁体を介して互いの主回路端が接続されている。

これらモールドされた電気機器のうち、遮断部１４を例にとり、図２を用いてその詳細を説明する。図２に示すように、遮断部１４は、真空バルブ１６両端の主回路導体端部を露出させて、先ず第１の絶縁層１７をエポキシ樹脂のような絶縁材料をモールドして設け、次いで、第１の絶縁層１７表面に例えばサンドブラスト処理をして接着性を向上させた後、第２の絶縁層１８をエポキシ樹脂のような絶縁材料をモールドして設けている。第２の絶縁層１８の外装には、例えばカーボン塗料のような導電性塗料をスプレー塗装した接地層１９が設けられている。

ここで、第１の絶縁層１７および第２の絶縁層１８の誘電率は、第１の絶縁層１７よりも第２の絶縁層１８の方を小さくしている。これは、図３に示すように、真空バルブ１６端部の電界強度特性をＥ１、第１の絶縁層１７と第２の絶縁層１８との境界面部の電界強度特性をＥ２、および第１の絶縁層１７の誘電率をε１、第２の絶縁層１８の誘電率をε２とすると、誘電率の比がε１／ε２＝３のとき、互いの電界強度特性Ｅ１およびＥ２が交差するためである。

即ち、第２の絶縁層１８の誘電率ε２に対して第１の絶縁層１７の誘電率ε１を３倍にすることにより、これらの電界強度は同値となりそれぞれが最低値となる。ここで、第１の絶縁層１７の絶縁厚さをｔ１、第２の絶縁層１８の絶縁厚さをｔ２とすると、その比はｔ１／ｔ２＝０．５のときである。この絶縁厚さの比は、ｔ１／ｔ２＝０．２５〜０．８の範囲において、互いの電界強度特性Ｅ１およびＥ２は交差する同様の傾向にあった。

なお、誘電率の調整は、エポキシ樹脂に充填する例えばシリカ粉末の充填量を変えることにより行うことができる。

次に、第１の絶縁層１７および第２の絶縁層１８の絶縁厚さは、第１の絶縁層１７の絶縁厚さｔ１よりも第２の絶縁層１８の絶縁厚さｔ２の方を大きくしている。これは、図４に示すように、真空バルブ１６端部の電界強度特性をＥ３、第１の絶縁層１７と第２の絶縁層１８との境界面部の電界強度特性をＥ４とすると、それぞれの電界強度特性Ｅ３およびＥ４はいずれもＶ字状の曲線となり、絶縁厚さの比がｔ１／ｔ２＝０．５〜０．６のとき、電界強度特性Ｅ３およびＥ４が最も低くなるためである。

即ち、第１の絶縁層１７の絶縁厚さｔ１に対し、第２の絶縁層１８の絶縁厚さｔ２を２倍にすることにより、電界強度を最も抑制することができる。ここで、第１の絶縁層１７の誘電率ε１および第２の絶縁層１８の誘電率ε２の比は、ε１／ε２＝３のときである。この誘電率の比は、ε１／ε２＝１．５〜４．５の範囲において、電界強度特性Ｅ３およびＥ４はＶ字状の曲線となる同様の傾向にあった。

一方、遮断部１４においては、図２に示すように、真空バルブ１６のＡ部、即ち電極端部において、最大電界強度が位置する。これは、真空バルブ１６内を真空封着する部位であり、溶接などでシャープエッジになるためである。このようなシャープエッジを有する破壊電圧特性は、局所的な部位での電界強度のため、第１の絶縁層１７が破壊する臨界に達しても、直ちに絶縁破壊を起こさない。絶縁破壊が起きるためには、更に電界強度が上昇して第１の絶縁層１７内が高電界となり分極し、そしてその状態での電界強度が臨界に達しなければならない。

この絶縁破壊に到る電界強度は、シャープエッジを有するような遮断部１４では、分極を起こす前の電界強度の１．１倍となる。即ち、図３に示すように、互いの電界強度特性Ｅ１およびＥ２が交差して同値となる最低の電界強度Ｅｗに対し、１．１倍に上昇した電界強度Ｅｘが実際の絶縁破壊に寄与するものとなる。これにより、実際の絶縁破壊に寄与する電界強度Ｅｘを用いることが実用的なものとなり、この電界強度Ｅｘを下回る誘電率の比を求めると、その比はε１／ε２＝１．５〜４．５の範囲となる。誘電率の比がε１／ε２＝１．５以下、またはε１／ε２＝４．５以上では、電界強度Ｅｘを超えるので、絶縁破壊を起こすことになる。

また、上記と同様に、図４に示すように、電界強度特性Ｅ３およびＥ４においては、Ｖ字状の曲線の最低の電界強度Ｅｙに対し、１．１倍に上昇した電界強度Ｅｚが実際の絶縁破壊に寄与するものとなる。これにより、実際の絶縁破壊に寄与する電界強度Ｅｚを用いることが実用的なものとなり、この電界強度Ｅｚを下回る絶縁厚さの比を求めると、その比はｔ１／ｔ２＝０．２５〜０．８の範囲となる。絶縁厚さの比がｔ１／ｔ２＝０．２５以下、またはｔ１／ｔ２＝０．８以上では、電界強度Ｅｚを超えるので、絶縁破壊を起こすことになる。

なお、第１の絶縁層１７が電界強度Ｅｘもしくは電界強度Ｅｚを超えて絶縁破壊を起こすと、なだれ的に第２の絶縁層１８も絶縁破壊を起こし、ついには第１の絶縁層１７および第２の絶縁層１８が全路絶縁破壊に到る。

上記実施例の固体絶縁スイッチギヤによれば、真空バルブ１６側に誘電率の大きい第１の絶縁層１７を設け、この第１の絶縁層１７の周りに第１の絶縁層１７よりも誘電率の小さい第２の絶縁層１８を設けて、その外装を接地層１９とし、そして真空バルブ１６の電極端部、および第１の絶縁層１７と第２の絶縁層１８との境界面部の電界強度がほぼ同様の値となるようにしているので、互いの絶縁層１７および１８の絶縁厚さをそれぞれ薄くすることができる。また、この電気機器を組合せてなる固体絶縁スイッチギヤの重量を低減することができる。

なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。上記実施例では、異なる誘電率からなる絶縁層を２層で説明したが、３層以上の多層とし、電気機器側の絶縁層の誘電率を最も大きくし、また接地側の絶縁層の誘電率を最も小さくし、電気機器の電極端部および各絶縁層の境界面部での電界強度がほぼ同様になるようにしてもよい。

また、モールドした電気機器を遮断部１４で説明したが、断路部２３や接続導体１５などにも用いることができる。

更に、第２の絶縁層１８の外周に接地層１９を設けて説明したが、各相を所定の定格電圧に耐え得る気中ギャップを介して独立固定させれば、接地層１８を設けてなくてもよい。この場合、気中ギャップも絶縁媒体であるので、電気機器の電極端部、第１と第２の絶縁層１７、１８の境界面部、および第２の絶縁層１８と絶縁媒体との境界面部、即ち第２の絶縁層１８沿面の電界強度が同様になるようにすればよい。

本発明の実施例に係る固体絶縁スイッチギヤの構成を一部断面して示す側面図。 本発明の実施例に係る遮断部を示す断面図。 本発明の実施例に係る電界強度と誘電率との関係を示す特性図。 本発明の実施例に係る電界強度と絶縁厚さとの関係を示す特性図。 異なる誘電率からなる多層絶縁層の電界強度を説明する説明図。

符号の説明

１ 高電圧電極
２ 接地電極
３ 絶縁層
４ 高電圧側絶縁層
５ 接地側絶縁層
１０ａ ケーブル部
１０ｂ 開閉部
１０ｃ 母線部
１１ ケーブルヘッド
１２ 変流器
１３ 電力用ケーブル
１４ 遮断部
１５ 接続導体
１６、２５ 真空バルブ
１７ 第１の絶縁層
１８ 第２の絶縁層
１９ 接地層
２０、２６ 絶縁操作ロッド
２１、２７ 操作機構
２２ 連絡導体
２３ 断路部
２４ 母線

Claims (4)

1. 絶縁材料でモールドして多層の絶縁層を形成した電気機器を組合せ、電源系統を構成する固体絶縁スイッチギヤであって、
   前記電気機器の周りには、外周方向に向かう程、誘電率が小さくなるように主回路導体端部を露出させて前記多層の絶縁層を形成し、
   前記電気機器の電極端部、および前記多層の絶縁層のそれぞれの境界面部の電界強度が等しくなるようにしたことを特徴とする固体絶縁スイッチギヤ。
2. 絶縁材料でモールドして２層の絶縁層を形成した電気機器を組合せ、電源系統を構成する固体絶縁スイッチギヤであって、
   前記電気機器の周りには、主回路導体端部を露出させて第１の絶縁層を形成し、
   前記第１の絶縁層の周りには、前記主回路導体端部を露出させて第２の絶縁層を形成し、
   前記第１の絶縁層の誘電率をε１、また絶縁厚さをｔ１、および前記第２の絶縁層の誘電率をε２、また絶縁厚さをｔ２とすると、
   誘電率の比をε１／ε２＝１．５〜４．５、絶縁厚さの比をｔ１／ｔ２＝０．２５〜０．８としたことを特徴とする固体絶縁スイッチギヤ。
3. 前記電気機器に設けられた前記絶縁層の最外周の絶縁層表面に、接地層を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体絶縁スイッチギヤ。
4. 前記電気機器は、少なくとも接離自在の真空バルブを用いていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の固体絶縁スイッチギヤ。

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