JP2010515209A - 電場を整形するスクリーンを備えた絶縁構造 - Google Patents

Abstract

本発明の主題は、電場を整形するスクリーンを備えた絶縁構造であって、この絶縁構造は、高電圧ブッシング、高電圧ケーブル、ケーブル付属品、及び計器類、特に計器用トランスで用いられる。本発明に基づく構造は、電気的に絶縁性の材料のレイヤを有し、それらのレイヤの間に導電性のシートが挿入され、これらのシートは、高電圧の電力装置の中の電場を整形するスクリーンである。この構造の特徴は、前記導電性のシートが、多孔質の構造を備え、含浸可能であり、且つシート面に平行な方向に沿って圧縮可能な絶縁性の基板レイヤで作られていること、及び、この基板レイヤの少なくとも一つの表面が、強く展開される表面を有し、且つ金属レイヤで被覆されていることにある。
【選択図】図２

Description

本発明の主題は、電場を整形するスクリーンを備えた絶縁構造であり、この絶縁構造は、高電圧ブッシング、高電圧ケーブル、ケーブル付属品、及び計器類、特に計器用トランスの中で、用いられる。

高電圧の電気的な装置及びそのコンポーネントにおいて、電気的な絶縁システムがしばしば用いられ、その中に、導電性の要素が配置され、これらの要素は、その装置またはそのコンポーネントの、電流が流れている要素により作り出される電場を整形するために使用される。電場を整形するために使用される上記要素は、絶縁性の材料の中に配置され、典型的に、電場の適切な分布を決定するスクリーンの形状を有している。電場の適切な分布は、電流、電圧などの測定装置または結合された計器用トランスの中の、高電圧ブッシング、高電圧ケーブル、ケーブルの付属品、及び接続導電体の製作及び運転において、特に重要である。

電場を整形するためのスクリーンは、通常、絶縁性の材料のレイヤの間に配置された導電性のシートの形態を有している。これらのシートは、非常にしばしば、アルミニウム・フォイルで作られている。ときおり、導電性の紙、または電流を通す布地で作られた導電性のスクリーンもまた、使用される。絶縁材料は、非常にしばしば、絶縁紙のシートで作られ、導電性のスクリーンとともに、導電体の周りに巻かれ、次いで、トランス用油または硬化可能な樹脂の形態の絶縁材料で含浸される。通常、含浸前に、絶縁性の材料は、乾燥プロセスを通る。

絶縁構造の断面の中に電場の均一な分布を得るために、全ての導電性のスクリーンの中に適切な電圧分布を確保する条件、及び、各個別のスクリーンの全表面に亘る一定の電位の維持が、満足されなければならない。これらの条件は、スクリーンの間の電気的なキャパタシタンス、個々のスクリーンの寸法、それらの電気的なインピーダンス、特に電気抵抗、及び電場の適切な整形が要求される最大周波数、に依存する。

英国特許出願公開明細書 No. GB 991 546 から、絶縁性の高電圧の装置のために意図された高電圧の絶縁構造が知られている。この構造は、絶縁性のシートのレイヤからなる絶縁スケルトンを含み、それらのシートの形状は、レイヤの全体の厚さが、基礎をなすシート材料の厚さよりも遥かに厚く、且つシート材料が、スケルトンの内側の全体のボリュームの一部を占めるのみであるように、構成されている。絶縁性のシートと導電性のシートの間の空間は、誘電体的な材料で満たされている。絶縁性のシートは、紙のような、吸収性の材料で作られ、その材料は油または他の流体で容易に含浸されることが可能であり、あるいは、ポリマー材料のような、非吸収性の材料で作られている。絶縁性のレイヤの間には、導電性のシートが配置され、それは、例えば、絶縁スケルトンを形成する波型の絶縁性のシートのコルゲーションの山の上に支持された導電性のフォイルの形態である。

絶縁性の材料のレイヤの間に配置され、金属フォイルの形態の導電性のシートが、電気的な絶縁構造において広く用いられている。高電圧ブッシングの様々なデザインにおける、そのような絶縁構造の使用の例が、以下の特許明細書の中に示されている：US 3 875 327、US 4 362 897、US 4 338 487、US 4 387 266、US 4 500 745、及び GB 1 125 964。

日本の特許出願公開明細書 JP 01 283 716 から、鋳造ブッシングが知られている。その中において、導電性のシートが、例えば導電性の塗料の形態で、その表面上に導電性のレイヤを有する布地または不織布で作られている。

高電圧の絶縁の他のタイプが、国際公開 WO 2006/001 724 から知られている。示されたソリューションにおいて、高電圧ブッシングは、円筒形のコアの周りに電気絶縁材料のレイヤを巻くことにより作られている。導電性の材料のシートが、ブッシングの中の電場を整形するために使用され、これらのシートは、上記のレイヤの間に配置されている。導電性の材料の少なくとも一枚のシートは、紙、布地または不織布のベースの上に作られた構造であって、その中にサスペンドされた導電性の粒子を含んでいて、且つシートの平面の中に導電性で、浸透性のネットワークを形成する。上記の導電性の粒子は、引き伸ばされた形状を基本的に有していて、横断方向の最大寸法に対するそれらの長さの比率が、１０よりも大きいような寸法を有している。

金属シートが、エポキシ樹脂が絶縁性の材料として使用される高電圧コンポーネントの中の電場を整形するためのスクリーンとして使用される。そのような金属シートは、金属フォイルとエポキシ樹脂の熱膨率の間の相違のために、樹脂の硬化のプロセスの間に生ずる機械的な応力を引き起こす。これらの応力は、製造プロセスの終了の後にも残され、特に、そのようなコンポーネントが非常に低い温度において運転されたときに、はっきり現れる。

金属フォイルで作られた導電性のシートは、典型的に非常に高い電気的なコンダクタンスにより特徴付けられる。この性質は、絶縁システムの全体の中でのシートの幾何学的な配置と結びついて、そのシステムの中に、高い周波数且つ非常に大きなクオリティ・ファクターの電磁的共鳴振動の生成をもたらす可能性がある。そのようなシステムの中で励起される共鳴振動は、絶縁の損傷に至る局地的な過電圧を引き起こす可能性がある。そのような振動を誘発する励起の源は、高い周波数を発生させる半導体コンバータを有するシステムの中で出現する可能性がある。それは、例えば、ＤＣ電圧伝送において、風力電力プラントにおいて、または、産業用電力システムにおいて使用されるようなシステムである。

他方、典型的にはカーボン材料に基づく塗料の乏しい導電性は、高電圧装置の中でのそのような塗料の形態による、導電性のシートの使用に、制約をもたらし、特に、雷インパルスまたは裁断波のような、比較的高速の過渡現象に対して電場の整形が要求される場合に、制約をもたらす。

導電性の粒子を含む材料で作られた導電性のシートの使用は、適切な形のシートに切断するプロセスの間に、そのような粒子が解放されるリスクを招く。絶縁性の材料の中へのそのような粒子の侵入は、絶縁構造の誘電体的な性質を弱める可能性がある。

英国特許出願公開第 GB 991 546 号明細書 米国特許第 US 3 875 327 号明細書 米国特許第 US 4 362 897 号明細書 米国特許第 US 4 338 487 号明細書 米国特許第 US 4 387 266 号明細書 米国特許第 US 4 500 745 号明細書 英国特許出願公開第 GB 1 125 964 号明細書 特開２００１−２８３７１６号公報 国際公開第 WO 2006/001 724 号パンフレット

本発明の重要なポイントは、以下の通りである：
即ち、電場を整形するスクリーンを備えた絶縁構造であって、電気的に絶縁性の材料のレイヤを有し、それらのレイヤの間に導電性のシートが配置され、これらのシートが、高電圧の電力装置の中に電場を整形するスクリーンの機能を有する、絶縁構造において、
前記導電性のシートは、多孔質の構造を備えた電気的に絶縁性の基板レイヤを有し、この基板レイヤは、含浸可能であり、且つシート面に平行な方向に沿って圧縮可能であり；この基板レイヤの少なくとも一つの表面は、強く展開される表面を有し、且つ金属レイヤで被覆されている。
好ましくは、金属レイヤの厚さは、多孔質の構造の細孔のサイズ及び展開される表面構造のサイズと比べて、遥かに小さい。

好ましくは、前記電気的に絶縁性の基板レイヤは、電気グレードのセルロース絶縁紙の形態を有している。
好ましくは、セルロース絶縁紙で作られた前記基板レイヤは、当該絶縁紙を通る空気の透過率が０．５μｍ／（Ｐａ・ｓ）よりも大きくなるような細孔率により特徴付けられる。

好ましくは、前記電気的に絶縁性の基板レイヤは、ポリマー繊維で作られた不織布の形態を有している。
好ましくは、前記電気的に絶縁性の基板レイヤは、開放型の細孔を備えたポリマー・フォームレイヤの形態を有している。

好ましくは、前記金属レイヤは、アルミニウム、銀、銅、亜鉛、ニッケル、スズ、チタン、またはこれらの金属からなる合金で、実質的に作られている。

好ましくは、前記電気的に絶縁性の材料のレイヤは、電気グレードの絶縁紙で作られている。
好ましくは、前記電気的に絶縁性の材料のレイヤは、ポリマー布地で、好ましくはポリエステル布地で作られている。

好ましくは、前記電場を整形するスクリーンを備えた絶縁構造は、電気的に絶縁性の油で含浸されている。
好ましくは、前記電場を整形するスクリーンを備えた絶縁構造は、硬化可能な樹脂で含浸されている。

好ましくは、前記金属レイヤの厚さは、５ｎｍから２００ｎｍまでの範囲にある。

好ましくは、前記電気的に絶縁性の材料のレイヤは、導電性の要素の周りに巻かれた少なくとも一つのバンドで作られている。

好ましくは、前記電場を整形するスクリーンを備えた絶縁構造は、高電圧ブッシングの絶縁である。
好ましくは、前記電場を整形するスクリーンを備えた絶縁構造は、高電圧の計器用トランスの接続導電体の絶縁である。

本発明に基づく構造の優位性は、それが被覆される基板レイヤの表面の平面に平行な方向での、金属レイヤの伸縮性にある。これは、金属レイヤの表面の展開される性質、及び基板レイヤの圧縮性が、機械的な応力を解放することなく、構造全体の、制限されない熱膨張及び収縮を、可能にすることによりもたらされる。

特定の厚さ及び展開される表面を備えた金属レイヤの形態の、導電性のシートの有効導電率は、同じ厚さのフラットな表面のそれと比べて小さい。更にまた、展開される表面を備えた絶縁性の基板レイヤに堆積されたコーティングの形態の金属のレイヤに対して、当該金属レイヤの厚さは、金属フォイルの場合よりも、遥かに小さいことが可能である。これは、電気的な導電性を、装置の与えられたコンポーネントの中で生ずる共鳴系のクオリティ・ファクターを制限する値まで、減少させることを可能にする。これは、次に、非常に高い周波数の発生源により作り出される過電圧の発生を防止する。

同時に、金属レイヤの使用は、カーボン材料に基づく塗料の場合よりも遥かに大きく、且つ、雷インパルスまたは要求される形状の裁断波の間に、適切な電場の整形のために十分な、導電性の値を得ることを可能にする。

連続する金属レイヤの形態の導電性のレイヤを備えた導電性のシートを、適切な形状に切断することは、切断のエッジでの、導電性の粒子の解放をもたらすことがなく、かくして、絶縁性の材料の中へのそのような粒子の侵入の危険性、及び絶縁構造の誘電体的な性質弱める危険性を、大きく減少させる。

図１は、絶縁性のレイヤ及び導電性のシートの表面に対して垂直な平面内の、構造の断面を示す。 図２は、導電性のシート及び電気的に絶縁性の材料のレイヤの断面の拡大図を示す。

本発明の実施形態の例が、図面の中に示されている。

実施形態において、電気的に絶縁性の材料のレイヤのそれぞれは、０．３ｍｍから０．５ｍｍの全体厚さのクレープ紙の形に作られた、１００μｍの厚さの電気グレードのセルロース絶縁紙１で作られている。紙のクレープ構造は、この図面の中には示されていない。導電性のシート２は、厚さ３０μｍから７０μｍ及び多孔質の構造の電気グレードの絶縁紙３の形態の電気的に絶縁性の基板レイヤからなり、当該紙を透過する空気の透過率が、０．５μｍ／（Ｐａ・ｓ）以上となるように作られている。それに代わって、厚さが７０μｍから１５０μｍ、空気透過率が少なくとも１０μｍ／（Ｐａ・ｓ）の紙が、使用されることが可能である。

先に挙げたタイプの紙のそれぞれは、セルロース繊維のメッシュにより作られた強く展開される表面構造により特徴付けられ、そのような紙の中の細孔の大半の平均サイズは、５μｍから５０μｍの範囲内である。そのようなグレードのセルロース紙の多孔質の構造は、紙シートの平面に平行な方向に沿う圧縮性を与える。基板レイヤを構成する、電気グレードの絶縁紙の一つの表面は、１０ｎｍから３０ｎｍの厚さのアルミニウム・レイヤ４により被覆され、この場合得られた導電性のレイヤの表面抵抗は、スクエア当り１Ωから１０Ωまでの範囲の中にある。

実施形態において、絶縁構造は、導電性のコアの周りに巻線（図中に示されていない）を形状し、クレープ紙は一つのバンドとして巻かれ、導電性のシートは、クレープ紙のレイヤの間に配置される。その結果得られた絶縁構造は、エポキシ樹脂で含浸され、次いで硬化される。硬化の後に、その絶縁構造は、高電圧ブッシングの絶縁性のコアとして使用される。

他の実施形態において、絶縁構造の電気的に絶縁性の材料のレイヤは、４０μｍから１００μｍの厚さの、滑らかな巻線タイプの電気グレードの絶縁紙で作られる。導電性のシートは、先の例と同じやり方で作られる。絶縁構造は、高電圧の計器用トランスの構造の中で、導電体接続の内の一つの周りに、巻線（図中に示されていない）の形態で作られる。このように作られた絶縁構造は、計器用トランスで使用されるものであって、次いで、電気的に絶縁性の油で含浸される。

他の実施形態において、電気的に絶縁性の材料のレイヤが、５０μｍから５０μｍの間の厚さの、電気グレードのポリマー布地、例えばポリエステルで作られる。導電性のシートは、先の例と同じやり方で作られる。絶縁構造は、導電性のコアの周りに巻線（図中に示されていない）を形状する、ポリマー布地は一つのバンドとして巻かれ、導電性のシートは、絶縁性のポリマー布地のレイヤの間に配置される。その結果得られた絶縁構造は、エポキシ樹脂で含浸され、次いで硬化される。硬化の後で、この絶縁構造は、高電圧ブッシングの絶縁性のコアとして使用される。

他の実施形態において、導電性のシートは、１０μｍから１００μｍの厚さのポリエステル繊維で作られた不織布地で作られ、平均の細孔寸法は、５０μｍから２０００μｍの範囲内にある。不織布地の少なくとも一つのサイドは、５ｎｍから５０ｎｍの厚さの金属のレイヤで、好ましくはアルミニウム・レイヤで、被覆され、この場合電気的に絶縁性の材料のレイヤは、先の例の内の一つの場合と同様に、作られ且つ巻かれる。

更に他の実施形態において、導電性のシートは、開放型の細孔を備えたポリエステル・フォームのシートで作られ、このシートは、少なくとも片方のサイドで、アルミニウム・レイヤで被覆される。

Claims (14)

1. 電場を整形するスクリーンを備えた絶縁構造であって、
   電気的に絶縁性の材料（１）のレイヤを有し、それらのレイヤの間に導電性のシート（２）が配置され、これらのシートが、高電圧の電力装置の中の電場を整形するスクリーンを有する、絶縁構造において、
   前記導電性のシート（２）は、多孔質の構造を備えた電気的に絶縁性の基板レイヤ（３）を有し、この基板レイヤは、含浸可能であり、且つシート面に平行な方向に沿って圧縮可能であり、
   この基板レイヤ（３）の少なくとも一つの表面は、その投影表面積よりも広い展開される表面積を有し、且つ金属レイヤ（４）で被覆され、
   この金属レイヤ（４）の厚さは、多孔質の構造の細孔のサイズ及び展開される表面構造（３）のサイズと比べて、遥かに小さいこと、
   を特徴とする絶縁構造。
2. 下記特徴を有する請求項１に記載の絶縁構造：
   前記電気的に絶縁性の基板レイヤ（３）は、電気グレードのセルロース絶縁紙の形態を有している。
3. 下記特徴を有する請求項２に記載の絶縁構造：
   セルロース絶縁紙で作られた前記基板レイヤ（３）は、当該絶縁紙を透過する空気の透過率が０．５μｍ／（Ｐａ・ｓ）よりも大きくなるような細孔率により特徴付けられる。
4. 下記特徴を有する請求項１に記載の絶縁構造：
   前記電気的に絶縁性の基板レイヤ（３）は、ポリマー繊維で作られた不織布の形態を有している。
5. 下記特徴を有する請求項１に記載の絶縁構造：
   前記電気的に絶縁性の基板レイヤ（３）は、開放型の細孔を備えたポリマー・フォームのレイヤの形態を有している。
6. 下記特徴を有する請求項１から５のいずれか１項に記載の絶縁構造：
   前記金属レイヤ（４）は、アルミニウム、銀、銅、亜鉛、ニッケル、スズ、チタン、またはこれらの金属からなる合金で、実質的に作られている。
7. 下記特徴を有する請求項１から６のいずれか１項に記載の絶縁構造：
   前記電気的に絶縁性の材料のレイヤ（１）は、電気グレードの絶縁紙で作られている。
8. 下記特徴を有する請求項１から７のいずれか１項に記載の絶縁構造：
   前記電気的に絶縁性の材料のレイヤ（１）は、ポリマー布地で、好ましくはポリエステル布地で、作られている。
9. 下記特徴を有する請求項１から７のいずれか１項に記載の絶縁構造：
   前記電場を整形するスクリーンを備えた絶縁構造は、電気的に絶縁性の油で含浸されている。
10. 下記特徴を有する請求項１から８のいずれか１項に記載の絶縁構造：
    前記電場を整形するスクリーンを備えた絶縁構造は、硬化可能な樹脂で含浸されている。
11. 下記特徴を有する請求項１から１０のいずれか１項に記載の絶縁構造：
    前記金属レイヤ（４）の厚さは、５ｎｍから２００ｎｍまでの範囲にある。
12. 下記特徴を有する請求項１から１１のいずれか１項に記載の絶縁構造：
    前記電気的に絶縁性の材料のレイヤ（１）は、導電性の要素の周りに巻かれた少なくとも一つのバンドで作られている。
13. 下記特徴を有する請求項１２に記載の絶縁構造：
    前記電場を整形するスクリーンを備えた絶縁構造は、高電圧ブッシングの絶縁である。
14. 下記特徴を有する請求項１２に記載の絶縁構造：
    前記電場を整形するスクリーンを備えた絶縁構造は、高電圧の計器用トランスの接続導電体の絶縁である。

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