JP2007185060A

JP2007185060A - ガス絶縁開閉装置

Info

Publication number: JP2007185060A
Application number: JP2006002242A
Authority: JP
Inventors: Shoji Omori; 荘司大森; Hirohiko Hachitsuka; 裕彦八塚
Original assignee: Japan AE Power Systems Corp
Current assignee: Japan AE Power Systems Corp
Priority date: 2006-01-10
Filing date: 2006-01-10
Publication date: 2007-07-19
Anticipated expiration: 2026-01-10
Also published as: CN101001006A; JP4724003B2

Abstract

【課題】地球温暖化への寄与が小さな絶縁性ガスを使用しながら小型に構成することができるガス絶縁開閉装置を提供する。
【解決手段】遮光形の真空遮断器２を配置した第一の密閉容器１内に、ＣＦ３Ｉを容積比で４０%以上とし、そのガス圧力を０．１〜０．３ＭＰａ・ａｂｓとした混合ガスを充填し、混合ガスを使用しない場合に比べてガス圧力を下げながら、アーク光による分解のない安定した絶縁性能を有するガス絶縁開閉装置とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＳＦ６ガスの代替ガスを使用した環境調和形のガス絶縁開閉装置に関する。

現在、ガス絶縁開閉装置において広く使用されているＳＦ６ガスは、他の絶縁性ガスと比較して絶縁性能および消弧性能が非常に優れている一方で、地球温暖化防止の観点から排出規制ガスとして指定されており、代替ガスの研究が行われている。従来の代替ガスを使用したガス絶縁開閉装置として、その構成機器としての遮断器に真空遮断器を使用し、絶縁性ガスとして乾燥空気、Ｎ２、ＣＯ２などを主成分とする混合ガスを使用したものが知られている（例えば、特許文献１を参照）。また従来の代替ガスとしてＣＦ３Ｉを用いることが提案されている（例えば、特許文献２、特許文献３および特許文献４を参照）。
特開２００４−２３６４５５号公報特開２０００−１６６０３３号公報特開２０００−１５２４４７号公報特開２０００−１６４０４０号公報

従来の代替ガスとしてＣＦ３Ｉを用いたガス絶縁開閉装置では、ガス圧力０．１ＭＰａ・ａｂｓにおける絶縁耐力がＳＦ６ガスと比較して約１．１〜１．３倍あり、このガスは光で容易に分解しやすく寿命が大気中で１日以下といわれているため、２０年間の地球温暖化係数は、ＣＯ２の５倍以下で、また、オゾン層破壊ポテンシャルは０．００８以下となるため、環境面で望ましい代替ガスとなる。しかしながら、このガスをガス絶縁開閉装置のガス遮断器における絶縁消弧媒体として使用する場合、ＪＥＣ規格により一般屋外仕様での周囲温度が−２０℃、一般屋内仕様での周囲温度が−５℃と定められているため、この温度で液化しないようにしなければならないが、上述したＣＦ３Ｉは、沸点（液化温度）が−２２．５℃と低い。現状のＳＦ６ガスを使用したガス遮断器のガス圧力は、０．４〜０．７ＭＰａ・ａｂｓであり、この圧力でＣＦ３Ｉの沸点は２０℃以上となってしまう。このためＣＦ３ＩはＳＦ６ガスを使用したガス絶縁開閉装置の代替ガスとはなりえなかった。また、ＳＦ６ガスの代替ガスとして乾燥空気を採用した絶縁開閉装置は、定格電圧が３６ｋＶ以下クラスおよび７２ｋＶクラスにおいてガス遮断器に替えて真空遮断器を採用することにより製品化されているが、乾燥空気の絶縁耐力は、ＳＦ６ガスと比較して約１／３であり、ＳＦ６ガスを用いたガス絶縁開閉装置と同等の大きさで製品化するためには、ガス圧力を０．２〜０．５ＭＰａ・ａｂｓ程度に高くする必要があった。このため、真空遮断器には従来よりも高い真空気密性および機械的強度が要求されることになり、コストアップすると共に従来よりもコンパクトなガス絶縁開閉装置を実現することが困難であった。

本発明の目的は、地球温暖化への寄与が小さな絶縁性ガスを使用しながら小型に構成することができるガス絶縁開閉装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、絶縁性ガスを封入した密閉容器内に、遮断器や断路器を上記密閉容器から電気的に絶縁した状態で支持して構成したガス絶縁開閉装置において、上記遮断器として電流遮断時のアーク光を真空容器外に漏らさない遮光形の真空遮断器を使用し、この遮光形の真空遮断器を配置した上記密閉容器内に、ＣＦ３Ｉを容積比で４０％以上とすると共に、このＣＦ３Ｉよりも液化温度が低く地球温暖化係数がＳＦ６よりも小さな絶縁性ガスを混入した混合ガスを封入し、この混合ガスのガス圧力を０．１〜０．３ＭＰａ・ａｂｓとしたことを特徴とする。

請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載のガス絶縁開閉装置において、上記混合ガスは、上記ＣＦ３Ｉを容積比で４０〜６０％混入したことを特徴とする。

また請求項３に記載の本発明は、請求項１に記載のガス絶縁開閉装置において、上記断路器として電流遮断時のアーク光を真空容器外に漏らさない遮光形の真空断路器を使用したことを特徴とする。

本発明のガス絶縁開閉装置によれば、電流遮断時のアーク光を真空容器外に漏らさない遮光形の真空遮断器を使用することによって、絶縁性ガスが光によって分解するのを防止することができ、また遮光形の真空遮断器を配置した密閉容器内に封入する絶縁性ガスとして、ＣＦ３Ｉを容積比で４０％以上とすると共に、このＣＦ３Ｉよりも液化温度が低く地球温暖化係数がＳＦ６ガスよりも小さな絶縁性ガスを混入した混合ガスを使用したため、ＳＦ６ガスを絶縁性ガスとして使用した場合と比較して同等の絶縁性能を維持しながら液化温度を下げてＪＥＣ規格に適合したものとすることができ、しかも、従来の混合ガスを使用しない場合に比べてガス圧力を差ほど上げることなく、地球温暖化への寄与が小さな絶縁性ガスを使用しながら小型に構成することができる。

また請求項２に記載の本発明のガス絶縁開閉装置によれば、混合ガスのガス圧力を０．１〜０．３ＭＰａ・ａｂｓとし、ＣＦ３Ｉを容積比で４０〜６０％混入したため、望ましい使用形態では、ＳＦ６ガスを絶縁性ガスとして使用した従来の一般的なガス絶縁開閉装置の構成で、絶縁性ガスを入れ替えるだけで、つまり、従来とほぼ同等の大きさで、地球温暖化への寄与が小さな絶縁性ガスを使用しながら小型に構成することができる。

さらに請求項３に記載の本発明のガス絶縁開閉装置によれば、断路器として電流遮断時のアーク光を真空容器外に漏らさない遮光形の真空断路器を使用したため、断路器で比較的大きなループ電流を遮断する場合でも、遮断時のアーク光によって混合ガスが分解することがなく、安定した絶縁性能を保持することができ、遮断器は勿論のこと断路器においても優れた性能を有する小型なガス絶縁開閉装置を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施の形態によるガス絶縁開閉装置を示す部分断面図である。
一般需要家向けの受電ユニットとして構成したガス絶縁開閉装置は、各ガス区分毎に絶縁性ガスを充填した密閉容器内に高電圧導体を絶縁支持物によって密閉容器から電気的に絶縁した状態で支持して構成しており、例えば、第一の密閉容器１内には、真空遮断器２を配置し、この真空遮断器２の一端部に断路器３を介して接続した高電圧導体４をケーブルヘッド５によって第一の密閉容器１外に絶縁導出してケーブル５に接続している。また第一の密閉容器１内には、点検時にその内部の高電圧導体を接地する接地開閉器７も構成している。これらの真空遮断器２、断路器３および接地開閉器７などを構成する第一の密閉容器１内の高電圧導体は、適当な位置を絶縁支持物８によって第一の密閉容器１から電気的に絶縁した状態で支持している。

真空遮断器２の他端部は、第一の密閉容器１との間に絶縁スペーサ１０を設けてガス的に区分した第二の密閉容器９内に導入されて母線側断路器１１の一端に接続しており、母線側断路器１１の他端は導体１２を介して絶縁スペーサ１３によって第二の密閉容器９とガス的に区分した主母線側に接続している。母線側断路器１１においても第二の密閉容器９内の高電圧導体は、適当な位置を絶縁支持物１４によって第二の密閉容器９から電気的に絶縁した状態で支持している。真空遮断器２の可動電極側、断路器３の可動接触子側、また接地開閉器７の可動接地接触子側、さらに母線側断路器１１の可動接触子側は、詳細な図示を省略したリンク機構を介してそれぞれ第一の密閉容器１および第二の密閉容器９の気密を保持しながら導出して、操作盤１５内に配置した各操作器に連結している。

第一の密閉容器１内に配置した真空遮断器２としては、不透明セラミックスで真空容器を作成し、その内部に固定電極と可動電極を配置し、可動電極の開閉動作時に真空容器内の真空度を保持して可動電極の動作を許すベローズを有して構成したり、透明セラミックスやガラスで真空容器を製作したとしてもアークが真空容器外に漏れないように遮蔽したり被覆したりして構成した遮光形の真空遮断器２を使用している。

上述したガス絶縁開閉装置は、三相分を一括して配置した三相一括形であり、例えば他の二相分の真空遮断器は真空遮断器２の背面側に配置し、同様に他の二相分の母線側断路器も母線側断路器１１の背面側に配置している。

第一の密閉容器１および第二の密閉容器９内には、それぞれ絶縁性ガスを充填しており、各ガス区画における絶縁性ガスはすべて容積比で６５%のＣＦ３Ｉと、ＳＦ６よりも地球温暖化係数が小さくＣＦ３Ｉよりも液化温度が低い３５％の窒素ガスとを混合した混合ガスであり、ガス圧力は０．１７ＭＰａ・ａｂｓとしている。

先に述べたようにＣＦ３ＩはＳＦ６ガスと比較してガス圧力０．１ＭＰａ・ａｂｓにおける絶縁耐力がＳＦ６ガスの約１．１〜１．３倍程度である。ＳＦ６ガスを用いたガス絶縁開閉装置の現状の定格ガス圧力は、一般的に約０．２ＭＰａ・ａｂｓ以上となっており、例えば０．１７ＭＰａ・ａｂｓのＳＦ６ガスを絶縁媒体として用いたガス絶縁開閉装置に対して、ＣＦ３Ｉを用いて同等の絶縁耐力とするためには、ＣＳ３Ｉの絶縁耐力をＳＦ６ガスの約１．１倍であると仮定すると、定格ガス圧力を０．１５ＭＰａ・ａｂｓ以上とする必要がある。

ただし、０．１５ＭＰａ・ａｂｓの圧力下においては、ＣＳ３Ｉの液化温度が、約−１０℃前後となることから、ガス絶縁開閉装置の一般的な周囲温度の仕様−２０℃では使用できず適用範囲が限られてしまう。そこで、−２０℃の仕様を解決するためには、ＳＦ６よりも地球温暖化係数が小さくＣＦ３Ｉよりも液化温度が低い絶縁性ガスを混合して使用することにより対応可能である。例えば、現状のＳＦ６ガス圧力と同程度の定格ガス圧力０．１７ＭＰａ・ａｂｓにおいて周囲温度−２０℃で液化しない混合比を検討すると、ＣＦ３Ｉと窒素ガスとの混合ガスの場合には、ＣＦ３Ｉを容積比で６５%、窒素ガスを３５％の混合比とすれば、液化温度が約−２０℃となり、ＳＦ６ガス使用の現状製品と比較して絶縁耐力が数％程度向上することになる。

また定格ガス圧力を０．１７ＭＰａ・ａｂｓとしてＳＦ６ガスと同等のガス圧力とし、同等の絶縁性能を得るには、例えばＣＦ３Ｉを容積比で５０%、窒素ガスを５０％程度混合した混合ガスでも良い。さらに、液化温度を−３０℃対応の寒冷地特殊仕様とする場合は、例えばＣＦ３Ｉを容積比で４０%、窒素ガスを６０％程度の混合ガスで対応できる。従って、少なくともＣＦ３Ｉを容積比で４０%以上とし、これにＳＦ６よりも地球温暖化係数が小さくＣＦ３Ｉよりも液化温度が低い絶縁性ガスを混合した混合ガスを使用すれば、ガス絶縁開閉装置の現状仕様を十分に満足できる。

このように真空遮断器２を配置した密閉容器１内に封入する絶縁性ガスとして、ＣＦ３Ｉを容積比で４０％以上とすると共に、このＣＦ３Ｉよりも液化温度が低く地球温暖化係数がＳＦ６ガスよりも小さな絶縁性ガスとして例えば窒素ガスを混入した混合ガスを使用しているため、ＳＦ６ガスを絶縁性ガスとして使用した場合と比較して同等以上の絶縁性能を維持しながら液化温度を下げてＪＥＣ規格に適合したものとすることができ、しかも、従来の混合ガスを使用しない場合に比べてガス圧力を差ほど上げることなく、地球温暖化への寄与が小さな絶縁性ガスを使用しながら小型に構成することができるガス絶縁開閉装置を得ることができる。

このようにして遮断器を配置した密閉容器１内のガス圧力を差ほど上げないで所定の性能を満足することができるので、例えば定格ガス圧力を現状製品とほぼ同一とすれば、真空遮断器２の真空気密性、機械的強度も従来設計品と同等で良いため、既納入品のガス絶縁開閉装置において、絶縁性ガスのＳＦ６ガスに替えてガス圧力を０．１７ＭＰａ・ａｂｓとすると共に、ＣＦ３Ｉと窒素ガスとの混合ガスを使用すれば、容易に地球温暖化への寄与の小さなガス絶縁開閉装置を実現することができる。

一方、ＣＦ３Ｉと窒素ガスとの混合ガスの絶縁耐力は従来製品よりも数％上がっているため、新たなガス絶縁開閉装置として製作する場合、従来と比較してコンパクトな製品を実現でき、かつ絶縁性ガスの液化温度は約−２０℃であり、ガス絶縁開閉装置の一般的仕様を満足することができる。

上述したようにＣＦ３Ｉは、光で容易に分解しやすく、寿命は大気中で１日以下と言われており、万一、第一の密閉容器１または第二の密閉容器９から外部に漏れたとしても、自然環境に悪影響を及ぼすことは殆どない。しかも、ガス絶縁開閉装置では、絶縁性ガスを充填した金属製の密閉容器内に高電圧導体を配置して構成するため、定常時において密閉容器内のＣＦ３Ｉが日光を受けて分解することはなく、安定した絶縁性能を保持することができる。しかしながら、ガス絶縁開閉装置への使用について検討すると、真空遮断器２では数十ｋＡの事故電流を遮断するため、この電流遮断時のアークの光によってＣＦ３Ｉが分解することが考えられる。そこで、第一の密閉容器１内に配置した真空遮断器２としては、不透明セラミックスで真空容器を作成し、その内部に固定電極と可動電極を配置し、可動電極の開閉動作時に真空容器内の真空度を保持して可動電極の動作を許すベローズを有して構成したり、透明セラミックスやガラスで真空容器を製作したとしてもアークが真空容器外に漏れないように遮蔽したり被覆したりして構成した遮光形の真空遮断器を使用する。このように遮光形の真空遮断器を使用してガス絶縁開閉装置を構成すれば、電流遮断時に遮光形の真空遮断器２の真空容器内ではアークが発生するが、このアークが第一の密閉容器１内のＣＦ３Ｉを分解することはなく、安定した絶縁性能を有するガス絶縁開閉装置とすることができる。

民需用のガス絶縁開閉装置の場合、母線側断路器１１では０．２Ａ程度の残留電荷による電流遮断を行うのみであり、アークによるＣＦ３Ｉの分解について殆ど考慮する必要がない。しかしながら、さらに高電圧大容量の電力用ガス絶縁開閉装置において、例えば、母線側断路器１１で１２００Ａのループ電流を遮断する場合は、このループ電流遮断時のアークによるＣＦ３Ｉの分解について考慮する必要がある。

この場合、図２に示した実施の形態のガス絶縁開閉装置のように構成すると良い。先の実施の形態の場合との同等物には同一符号を付けて詳細な説明を省略するが、断路器３として真空断路器３ａを使用し、母線側断路器１１として真空断路器１１ａを使用し、必要に応じては接地開閉器７として真空接地開閉器７ａを使用する。これらの各真空開閉器としては、不透明セラミックスで真空容器を作成し、その内部に固定電極と可動電極を配置し、可動電極の開閉動作時に真空容器内の真空度を保持して可動電極の動作を許すベローズを有して構成したり、透明セラミックスやガラスで真空容器を製作したとしてもアークが真空容器外に漏れないように遮蔽したり被覆して構成した遮光形の真空開閉器を使用する。これら真空断路器または真空接地開閉器としては、真空遮断器または真空開閉器として知られるものの中から、使用電圧や遮断電流に対応するものを選択使用することができる。

このような構成のガス絶縁開閉装置によれば、電流遮断時に遮光形の真空遮断器２の真空容器内で、また他の断路器３，１１の真空容器内でアークが発生したとしても、それぞれ遮光形としてアークの光を第一の密閉容器１内に漏らすことがないので、第一の密閉容器１内のＣＦ３Ｉを分解することはなく、一層安定した絶縁性能を有するガス絶縁開閉装置とすることができる。

図３は、本発明の他の実施の形態によるガス絶縁開閉装置を示す部分断面図である。
先の実施の形態の民需用ガス絶縁開閉装置に対して電圧階級の高い電力用ガス絶縁開閉装置を示しており、第一の密閉容器１内には真空遮断器２を配置し、この真空遮断器２は適当な絶縁支持物８ａによって第一の密閉容器１から電気的に絶縁した状態で支持している。第一の密閉容器１には上下一対の開口部を形成し、その上部の開口部には絶縁スペーサ２１ａを介して第二の密閉容器１７を連結している。この第二の密閉容器１７内には真空遮断器２の上方端子側に電気的に接続した母線側断路器１１を構成している。さらに第二の密閉容器１７には、絶縁スペーサ１３を介して第三の密閉容器１８を連結し、この第三の密閉容器１８内に主母線導体１９を配置している。

第一の密閉容器１の下部の開口部には絶縁スペーサ２１ｂを介して第四の密閉容器２０を連結しており、この第四の密閉容器２０内には真空遮断器２の下方端子側に電気的に接続した断路器３と、主回路を形成する高電圧導体を接地する接地開閉器７とを構成しており、ケーブルヘッド５によって第四の密閉容器２０外に絶縁導出してケーブル５に接続している。真空遮断器２の可動電極側、断路器３の可動接触子側、また接地開閉器７の可動接地接触子側、さらに母線側断路器１１の可動接触子側は、詳細な図示を省略したリンク機構を介してそれぞれ第一の密閉容器１、第二の密閉容器１７および第四の密閉容器２０の気密を保持しながら導出して、操作盤１５内に配置した各操作器に連結している。

第一の密閉容器１内に配置した真空遮断器２としては、先の実施の形態の場合と同様に不透明セラミックスで真空容器を作成し、その内部に固定電極と可動電極を配置し、可動電極の開閉動作時に真空容器内の真空度を保持して可動電極の動作を許すベローズを有して構成したり、透明セラミックスやガラスで真空容器を製作したとしてもアークが真空容器外に漏れないように遮蔽したり被覆したりして構成した遮光形の真空遮断器２を使用する。このような構成によれば、電流遮断時に遮光形の真空遮断器２の真空容器内ではアークが発生するが、このアークが第一の密閉容器１内のＣＦ３Ｉを分解することはなく、安定した絶縁性能を有するガス絶縁開閉装置とすることができる。

また第一の密閉容器１内には、真空遮断器２を配置しているために他の密閉容器に比べて高電圧導体部の外形が大きくなる。また、断路器３を有する第四の密閉容器２０および母線側断路器１１を有する第二の密閉容器１７も、開極時に必要な絶縁耐力、電流開閉能力等の責務によって各断路器の主母線導体１９のみを配置した第三の密閉容器１８と比較すると高電圧導体の外形が大きくなる。従って、ガス絶縁開閉装置としての大きさは、第一の密閉容器１の大きさにより決まるため、電界的に裕度のある第二、第三および第四の密閉容器１７，１８，２０内の絶縁性ガスの絶縁耐力は第一の密閉容器１と比較すると小さくすることができる。

そこで、本実施の形態のガス絶縁開閉装置では、液化温度−２０℃を保ちながら各密閉容器内の絶縁性能を保てるように、その絶縁性ガスを工夫している。つまり、真空遮断器２を有する第一の密閉容器１内は、ＣＦ３Ｉを容積比で６５%、地球温暖化係数がＳＦ６ガスよりも小さく液化温度がＣＦ３Ｉよりも低い窒素ガスを３５％とした混合ガスで、そのガス圧力を０．１７ＭＰａ・ａｂｓとし、また断路器を有する第二、第四の密閉容器１７，２０内は、ＣＦ３Ｉを容積比で６５%、窒素ガスを３５％とした混合ガスで、そのガス圧力を０．１５ＭＰａ・ａｂｓとし、さらに、第四の密閉容器１８内は、ＣＦ３Ｉを容積比で７０%、窒素ガスを３０％の混合ガスとし、そのガス圧力を０．１５ＭＰａ・ａｂｓとしている。

このように各開閉機器を収納する密閉容器毎に、混合ガス比およびガス圧力を変えることにより、液化温度の仕様−２０℃を保ちながら、それぞれの消弧および絶縁性能を満足することができ、各密閉容器のタンク強度を最適に設計することが可能となる。

上述した各実施の形態では、遮光形の真空遮断器２を配置した第一の密閉容器内に充填する絶縁性ガスとして、ＣＦ３Ｉを容積比で６５%、窒素ガスを３５％とした混合ガスで、そのガス圧力を０．１７ＭＰａ・ａｂｓとしたが、ＣＦ３Ｉに混合するガスは窒素ガスに限らず、同等の絶縁性能を有して地球温暖化係数がＳＦ６ガスよりも小さく液化温度がＣＦ３Ｉよりも低いＣＯ２などの他の絶縁性ガスを使用したり、または窒素ガスとそれらの混合ガスとすることもできるので、ＣＦ３Ｉを容積比で４０%以上とした混合ガスで、そのガス圧力を０．１〜０．３ＭＰａ・ａｂｓとすれば、混合ガスを使用しない場合に比べてガス圧力を差ほど上げることなく、ほぼ同様の効果を達成することができる。

しかも、定格ガス圧力が０．２ＭＰａ・ａｂｓ程度の比較的低い定格ガス圧力の既納品のガス絶縁開閉装置に対して、ＣＦ３Ｉを容積比で４０〜６５%とした混合ガスで、そのガス圧力を０．１〜０．３ＭＰａ・ａｂｓとすれば、絶縁性ガスを入れ替えるだけでほぼ同等の性能を有するガス絶縁開閉装置とすることができ、容易に地球温暖化への寄与の小さなガス絶縁開閉装置を得ることができる。

本発明によるガス絶縁開閉装置は、図１〜図３に示した構成に限らず、その他の構成のガス絶縁開閉装置にも適用することができる。

本発明の一実施の形態によるガス絶縁開閉装置の部分断面図である。本発明の他の実施の形態によるガス絶縁開閉装置の部分断面図である。本発明のさらに他の実施の形態によるガス絶縁開閉装置の部分断面図である。

符号の説明

１第一の密閉容器
２真空遮断器
３断路器
７接地開閉器
９第二の密閉容器
１１母線側断路器

Claims

絶縁性ガスを封入した密閉容器内に、遮断器や断路器を上記密閉容器から電気的に絶縁した状態で支持して構成したガス絶縁開閉装置において、上記遮断器として電流遮断時のアーク光を真空容器外に漏らさない遮光形の真空遮断器を使用し、この遮光形の真空遮断器を配置した上記密閉容器内に、ＣＦ３Ｉを容積比で４０％以上とすると共に、このＣＦ３Ｉよりも液化温度が低く地球温暖化係数がＳＦ６よりも小さな絶縁性ガスを混入した混合ガスを封入し、この混合ガスのガス圧力を０．１〜０．３ＭＰａ・ａｂｓとしたことを特徴とするガス絶縁開閉装置。
請求項１に記載のガス絶縁開閉装置において、上記混合ガスは、上記ＣＦ３Ｉを容積比で４０〜６０％混入したことを特徴とするガス絶縁開閉装置。
請求項１に記載のガス絶縁開閉装置において、上記断路器として電流遮断時のアーク光を真空容器外に漏らさない遮光形の真空断路器を使用したことを特徴とするガス絶縁開閉装置。