JP2012253095A

JP2012253095A - 高電圧コンデンサ

Info

Publication number: JP2012253095A
Application number: JP2011122762A
Authority: JP
Inventors: Xuegin Zhang; 血琴張; Masayuki Sato; 正幸佐藤; Kenichi Nojima; 健一野嶋; Hideaki Shirai; 英明白井
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2011-05-31
Filing date: 2011-05-31
Publication date: 2012-12-20

Abstract

【課題】電極角部の電界を効率良く緩和して、コンパクト化及び絶縁信頼性の向上に寄与する高電圧コンデンサを提供する。
【解決手段】電極角部５に、非線形抵抗材料を充填したエポキシ樹脂からなる非線形抵抗体４を設けている。非線形抵抗材料は、電界の関数として導電率が非線形で変化する材料であって、非線形抵抗特性を持つ粒子６を含む。非線形抵抗体４では、非線形抵抗材料をエポキシ樹脂に適正な配合で充填することで、非線形抵抗材料に含まれる粒子６を、エポキシ樹脂の中で電気的に直列及び並列に接続する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電界緩和を図った高電圧コンデンサに係るものである。

一般に、高電圧遮断器などのガス絶縁開閉機器には、主にセラミックからなる高電圧コンデンサが設けられている。ここで高電圧コンデンサの従来例について、図７、図８を参照して具体的に説明する。図７は従来の高電圧コンデンサの断面図、図８は従来の高電圧コンデンサにおける等電位線図である。

図７に示すように、高電圧コンデンサは、平行平板のコンデンサ構造を備えている。平行平板のコンデンサ構造とは、円柱型のセラミック材料からなる誘電体２の両端平面部に、金属電極１を設けた構造である。また、高電圧コンデンサでは、コンデンサ構造を絶縁保護するために、誘電体２側面の回りにエポキシ樹脂等からなる絶縁体３を注型し、絶縁体３によって誘電体２を被覆している。

このような高電圧コンデンサにおいて、金属電極１は塗布や蒸着といった方法で作成されるので、薄い金属板である。そのため、金属電極１の端部は角部（以下、電極角部）５となっている。したがって、図８のように、電極角部５の等電位線８は密に分布している。

つまり、電極角部５近傍では電界が集中して高電界になる。電極角部５の電界が高いと、部分放電が発生する可能性がある。さらに、電極角部５の電界が絶縁体３の破壊電界より高くなれば、電極間絶縁界面に添って絶縁破壊が起きるといった不具合が生じる。

ただし、高電圧コンデンサを通常の状態で使用している限りは、電極角部５の電界は許容電界の範囲内に収まり、部分放電が発生したり、絶縁破壊が起きたりする心配はない。通常の使用状態とは、高電圧コンデンサ近傍に高電圧導体が構成されず、且つ定格電圧の範囲内での使用される状態のことを指す。

なお、電界が集中する電極角部５としては、高電圧コンデンサの金属電極の端部の他にも、発電機、電動機または変圧器の内部に構成される巻線における電極角部などが知られている。これら巻線の電極角部における電界強度を低減する従来技術としては、電極角部に非線形誘電体層を設けたものが提案されている（例えば特許文献１、２）。

特開２００９−１１８７１９号公報特開２００８−１５３６６５号公報

最近のガス絶縁開閉機器では、海外での競争力を強化する観点から、機器のコンパクト化が要請されており、機器内部の構成要素間の絶縁距離が短縮化される傾向にある。構成要素間の絶縁距離が短くなれば、高電圧コンデンサに近接して高電圧導体が構成されることもあり得る。この場合、たとえ高電圧コンデンサに印加する電圧が定格電圧の範囲内に収まっていたとしても、電極角部の電界は許容電界の範囲を超えて、放電が発生するおそれがある。

また、ガス絶縁開閉機器のコンパクト化に伴って、将来的には高電圧コンデンサ自体を小さくすることも望まれている。縮小化した高電圧コンデンサにおいて、電極角度の電界は現行よりも高くなるので、部分放電が発生する可能性は増大する。そこで、高電圧コンデンサの分野では、ガス絶縁開閉機器や高電圧コンデンサのコンパクト化に進んだとしても電極角部の電界を確実に緩和することができ、絶縁性能を高めることが求められている。

本発明の実施形態は、上記の課題を解決するために提案されたものであり、電極角部の電界を効率良く緩和することにより、コンパクト化及び絶縁性能の向上に寄与する高電圧コンデンサを提供することを目的としたものである。

上記の目的を達成するために、実施形態の高電圧コンデンサは、円柱型の誘電体の両端平面部に金属電極を設けて平行平板のコンデンサ構造とし、前記誘電体の周りに絶縁体を形成した高電圧コンデンサにおいて、少なくとも前記金属電極の端部に、非線形抵抗特性を有する非線形抵抗体を配置し、前記非線形抵抗体は、絶縁材料に非線形抵抗材料を充填して構成し、前記非線形抵抗材料は非線形抵抗特性を持つ粒子を含み、前記粒子を互いに電気的に直列及び並列に接続したことを特徴とするものである。

第１の実施形態である高電圧コンデンサの断面図。非線形抵抗体の粒子の分布模擬図。非線形抵抗体の等価回路図。非線形抵抗体の導電率と電界関係を示すグラフ。非線形抵抗体を設けた場合の電極角部の等電位線図。第２の実施形態である高電圧コンデンサの断面図。従来の高電圧コンデンサの断面図。従来の高電圧コンデンサにおける電極角部の等電位線図。

以下、実施形態である高電圧コンデンサについて、図１〜図６を参照して具体的に説明する。なお、図７、図８に示した従来例と同一の部材に関しては同一符号を付して説明は省略する。

（１）第１の実施形態
［構成］
図１は、第１の実施形態に係る高電圧コンデンサの断面図である。図１に示すように、第１の実施形態の構成上の特徴は、電極角部５に非線形抵抗体４が配置された点にある。

非線形抵抗体４は、エポキシ樹脂に非線形抵抗材料を充填することで構成されている。非線形抵抗材料とは、電界の関数として導電率が非線形で変化する材料であって、非線形抵抗特性を持つ粒子６（図２に図示）を含むものである。非線形抵抗材料の代表例としては、酸化亜鉛、ＳｉＯ２など酸化物が挙げられる。

このような非線形抵抗材料をエポキシ樹脂に適正な配合で充填することで、非線形抵抗材料に含まれる粒子６は、図２に示すように、エポキシ樹脂の中で電気的に直列及び並列に接続される。この時、非線形抵抗体４の等価回路は、図３に示す通り、可変抵抗７が直列および並列に繋がって、非線形抵抗特性を示すことになる。

非線形抵抗体４は、電界が印加されていない状態では絶縁性であるが、印加される電界を徐々に上げて所定値を超えると、導電性となる。非線形抵抗体４が導電性となるときの電界を動作電界Ｅ１（図４参照）と呼んでいる。図４に示すように、高電圧コンデンサに対する印加電界が動作電界Ｅ１より低い場合は、非線形抵抗体４の導電率は１Ｅ−１３程度であって、非線形抵抗体４は絶縁性を示している。ところが、高電圧コンデンサに対する印加電界が動作電界Ｅ１以上になった場合は、非線形抵抗体４は導電率が急激に上昇する。このため、非線形抵抗体４は導電性となって電位が導体とほぼ同じになる。

［作用効果］
すなわち、第１の実施形態では、電極角部５の電界が非線形抵抗体４の動作電界Ｅ１以上になれば、非線形抵抗体４は導電性となり、金属電極１とほぼ同じ電位になる。したがって、図５に示すように、電極角部５付近の等電位線８は疎に分布することになって、電極角部５の電界を緩和することができる。なお、図５では等電位線８を把握し易くするために、非線形抵抗体４の図示は省略している。

以上述べたように、第１の実施形態においては、電極角部５に非線形抵抗体４を配置することで電極角部５の電界緩和を図ることができる。したがって、機器のコンパクト化に伴って構成要素間の絶縁距離が短縮化されたり、あるいは高電圧コンデンサが縮小化されたとしても、電極角部５の電界が許容電界の範囲を超えることがない。

その結果、部分放電や絶縁破壊の発生を抑えることが可能であり、高電圧コンデンサの絶縁性能が大幅に向上する。さらに、絶縁性能に優れた高電圧コンデンサをガス絶縁開閉機器に組み込むことで、ガス絶縁開閉機器の絶縁信頼性及びコンパクト性も向上し、国際的な競争力の強化に寄与することができる。

ところで、非線形誘電体を用いて電極角部５の電界緩和を図る技術が提案されている。非線形誘電体は、電圧の関数として誘電率が非線形で変化する絶縁材料からなるが、絶縁材料の物質特性を鑑みると、電圧による誘電率を調節できる範囲には限界がある。したがって、極端に電界が集中する場所の電界緩和には、絶縁材料である非線形誘電体材料は不向きであると言える。

これに対して、第１の実施形態では、電極角部５の電界緩和を図るべく、非線形誘電体ではなく非線形抵抗体４を用いている。先に述べたように、非線形抵抗体４を構成する非線形抵抗材料は電界の関数として導電率が非線形で変化する材料なので、導電率の調節可能範囲は自由度が高い。このため、非線形抵抗体４によれば、電界集中が極端な場所、例えば針の先端のような場所であっても効率的な電界緩和を実現することができる。つまり、第１の実施形態は、電界集中が厳しい電極角部５に対する電界緩和対策として極めて有効である。

（２）第２の実施形態
［構成］
続いて、図６を参照して第２の実施形態について説明する。図６は、第２の実施形態に係る高電圧コンデンサの断面図である。図６に示すように、第２の実施形態の高電圧コンデンサでは、金属電極１の平面部分の全てを覆うようして非線形抵抗体４１が配置されたことに特徴がある。非線形抵抗体４１は非線形抵抗体４と同様、エポキシ樹脂に非線形抵抗材料を充填して構成されるが、非線形抵抗材料を含んだエポキシ樹脂は注型によって構成されている。

［作用効果］
以上の構成を有する第２の実施形態では、非線形抵抗体４１を金属電極１の平面部分に設ける際、エポキシ樹脂の注型という方法を採用している。注型は真空注型が一般的であるため、非線形抵抗体４１内部にボイドが発生することがない。すなわち、塗布といった方法を採用した場合と比べて、内部にボイドが混入したままエポキシ樹脂が構成される心配がない。したがって、非線形抵抗体４１にはボイドを起因とした部分放電が発生することがなく、高電圧コンデンサの絶縁性能をいっそう向上させることが可能である。

しかも、第２の実施形態においては、非線形抵抗体４１が電極角部５だけではなく、金属電極１の平面部分全てを覆うので、安定した電解緩和効果を発揮することができる。さらに、非線形抵抗体４１は金属電極１の平面部分全体にわたるので、厚さ寸法を十分に確保することができる。このため、非線形抵抗体４１を構成する際の真空注型を、容易に実施することが可能であり、非線形抵抗体４１内部のボイド抑止を確実に実現することができる。

（３）他の実施形態
なお、本明細書においては、本発明に係る複数の実施形態を説明したが、上記の実施形態は例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図していない。すなわち、上記の実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

例えば、非線形抵抗体４の動作電界Ｅ１を、誘電体２側面の周りに注型した絶縁体３の破壊電界よりも低く設定するようにしてもよい。このような実施形態によれば、電極角部５の電界が絶縁体３の破壊電界に達する前に、非線形抵抗体４は導電性を示すことになり、電極間絶縁界面に添って絶縁破壊が発生するおそれがない。したがって、高電圧コンデンサは絶縁性能のさらなる向上を図ることができる。

また、非線形抵抗体４の形状や成分等も適宜選択可能である。具体的には、非線形抵抗体４の形状を曲面形状としても良い。仮に、非線形抵抗体４が先端部に突起を有する形状であれば、非線形抵抗体４と絶縁体３との誘電率の違いを起因とする電界集中が発生する。そこで、非線形抵抗体４を曲面形状とすることで、このような電界集中を避けることができ、高電圧コンデンサの絶縁性能をいっそう高めることが可能である。

１…金属電極
２…誘電体
３…絶縁体
４、４１…非線形抵抗体
５…電極角部
６…非線形抵抗体の粒子
７…可変抵抗
８…等電位線

Claims

円柱型の誘電体の両端平面部に金属電極を設けて平行平板のコンデンサ構造とし、前記誘電体の周りに絶縁体を形成した高電圧コンデンサにおいて、
少なくとも前記金属電極の端部に、非線形抵抗特性を有する非線形抵抗体を配置し、
前記非線形抵抗体は、絶縁材料に非線形抵抗材料を充填して構成し、前記非線形抵抗材料は非線形抵抗特性を持つ粒子を含み、前記粒子を互いに電気的に直列及び並列に接続したことを特徴とする高電圧コンデンサ。
前記非線形抵抗体が導電性を示す動作電界を、前記誘電体の周りに設けた前記絶縁体の破壊電界よりも低く設定したことを特徴とする請求項１に記載の高電圧コンデンサ。
前記非線形抵抗体の形状を曲面としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の高電圧コンデンサ。
前記金属電極の平面部分全体に前記非線形抵抗体を配置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の高電圧コンデンサ。
前記非線形抵抗体を真空注型にて構成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の高電圧コンデンサ。