JP2013172561A - ガス絶縁開閉装置、及びガス絶縁母線 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁性能及び絶縁信頼性を高めたガス絶縁開閉装置、及びそのガス絶縁母線を提供する。
【解決手段】ガス絶縁開閉装置は、絶縁ガス４が封入された密閉容器２内に支持体３で高電圧導体１を支持する。支持体３と高電圧導体１との間には、絶縁体の電解緩和シールド５を介在させる。電解緩和シールド５の高電圧導体１との対向面には、高電圧導体１と電気的に接続された導電層１０が形成される。または、高電圧導体１の電路端部と密閉容器２との間に絶縁体のエンドシールド６を介在させる。エンドシールド６の電路端部との対向面には、高電圧導体１と電気的に接続された導電層１０が形成される。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、発電所や変電所等において使用されるガス絶縁開閉装置、及びこれが備えるガス絶縁母線に関する。

現在、高発電所や変電所等の電圧大容量の電力系統においては、開閉装置が広く使用されている。図４に示すように、この開閉装置は、遮断器２１、母線２２、断路器２３、設置開閉器２４、電圧変成器２５、及びケーブルヘッド２６を有し、制御盤２７により制御されている。遮断器２１には、その一方の口出し部に母線２２が接続され、他方の口出し部には、断路器２３、接地開閉器２４、及び電圧変成器２５等を介してケーブル線路側のケーブルヘッド２６が接続されている。これら各機器は、高電圧導体によって互いに電気的に接続されている。

近年、この開閉装置には、都市部の地下変電所への適用や、経済性の向上が求められており、開閉装置のコンパクト化を図ることが急務となっている。特に、開閉装置の絶縁性能を向上させることは、開閉装置のコンパクト化を進展させる上で、極めて重要な役割を担っている。

そこで、近年では、絶縁性能を向上させたガス絶縁開閉装置（ＧＩＳ）が主流となっている。このガス絶縁開閉装置は、遮断器２１、母線２２、断路器２３、接地開閉器２４、電圧変成器２５、及びこれらを接続する高電圧導体を、絶縁や消弧のための絶縁ガスを充填した密閉容器内に電気的に絶縁されて収納している。絶縁ガスは、例えば、ＳＦ_６である。

例えば、母線２２を例に説明する。図５に示すように、母線２２では、通電用の高電圧導体１が密閉容器２に挿通している。高電圧導体１は、密閉容器２内において、絶縁物である支持体３によって支持されており、密閉容器２とは非接触となっている。この密閉容器２内に絶縁ガスが封入されている。尚、高電圧導体を収容し、各機器を接続する接続機器についても概略同一構成である。

このように、ガス絶縁開閉装置は、絶縁性能及び安全性に優れ、また、設置スペースの縮小化が可能である。但し、母線２２や高電圧導体を収容した接続機器においては、絶縁物である支持体３や母線端部の周辺では、高電界が発生しやすいという問題がある。そのため、ガス絶縁開閉装置の更なる絶縁性向上のためには、この高電界による絶縁破壊を防止する措置を講じる必要がある。

支持体３や母線端部の周辺付近で生じる高電界による絶縁破壊を防止する措置としては、高電界が生じる電極部分を絶縁物で被覆した絶縁コーティング構造があげられる（例えば、特許文献１参照。）。また、高電界が生じる電極部分を絶縁物でモールドした絶縁物モールド構造があげられる（例えば、特許文献２参照。）。さらには、高電界が生じる部分と接地金属容器の間にバリア絶縁物を配置し、このバリア絶縁物が放電バリアとして機能することで、高電界部から発生した放電の進展を防止する放電バリア構造があげられる（例えば、特許文献３参照）。

特許３０２８９７５号公報 特開２００７−２７４８２２号公報 特許４１７７６２８号公報

ここで、特許文献１や２に挙げられている絶縁コーティング構造や絶縁物モールド構造による絶縁破壊防止措置においては、次のような問題が指摘されている。すなわち、これら絶縁破壊防止措置では、電極を絶縁物でコーティング若しくはモールドすることが必要不可欠となるため、コーティング若しくはモールド内部のボイドや剥離、ピンホールが生じやすく、このことが絶縁性能に強く影響を及ぼすことが指摘されている。

また、電極表面に絶縁物や樹脂によるコーティングやモールドを施す際には、接着性を向上させるために電極表面に前処理を実施しなければならない。また、コーティングやモールドが行われる電極表面の表面粗さが粗い場合には、その箇所で局所的な電界強調が生じてしまい、絶縁性能の大幅な向上は見込めない。そのため、電極表面を滑らかに仕上げることが重要視され、表面粗さを厳重に管理する必要がある。加えて、電極そのものの加工形状（R部）の管理も要求される。このように、これら絶縁破壊防止措置を適用とすると、ガス絶縁開閉装置の製作工程が複雑となってしまう点が指摘されている。また、電極にコーティングやモールドを施すため、重量はその分増大し、組立作業性を低下させている。

特許文献３に挙げられている放電バリア構造による絶縁破壊防止措置においても、次のような問題が指摘されている。すなわち、高電圧導体と接地金属容器間にバリア絶縁物を配置すると、バリア絶縁物を配置しない場合に比べて、高電圧導体部の電界は上昇し、放電開始電界が低下してしまう。そのため、この放電バリア構造においても、絶縁信頼性において問題が指摘されている。さらに、バリア絶縁物を配置するためには、それを支持する支持体の形状は複雑なものとなり、重量はその分増大し、組立作業性を低下させている。

本発明の実施形態は、上記の課題を解消するために提案されたものであり、絶縁性能及び絶縁信頼性を高めたガス絶縁開閉装置、及びそのガス絶縁母線を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために、実施形態のガス絶縁開閉装置は、絶縁ガスが封入された密閉容器内に絶縁された支持体で支持された高電圧導体が挿通される。このガス絶縁開閉装置は、支持体と高電圧導体との間に介在する絶縁体を有する。さらに、この絶縁体の高電圧導体との対向面には、高電圧導体と電気的に接続された導電層が形成される。

また、他の実施形態に係るガス絶縁開閉装置は、絶縁ガスが封入された密閉容器内に高電圧導体が挿通されたガス絶縁開閉装置である。このガス絶縁開閉装置は、高電圧導体の電路端部と密閉容器との間に絶縁体を介在させる。さらに、この絶縁体の母線端部との対向面には、高電圧導体と電気的に接続された導電層が形成される。

また、実施形態に係るガス絶縁母線は、絶縁ガスが封入された密閉容器と、密閉容器内に挿通された高電圧導体を備えている。そして、このガス絶縁母線は、高電圧導体の母線端部と密閉容器との間に絶縁体を介在させる。さらに、この絶縁体の母線端部との対向面には、高電圧導体と電気的に接続された導電層が形成される。

また、他の実施形態に係るガス絶縁母線は、絶縁ガスが封入された密閉容器と、密閉容器内に挿通された高電圧導体と、高電圧導体を金属容器内に支持する絶縁された支持体とを備えている。さらに、この支持体と高電圧導体との間には、絶縁体を介在させ、絶縁体の高電圧導体側との対向面には、高電圧導体と電気的に接続された導電層が形成される。

第１の実施形態に係るガス絶縁開閉装置の高電圧導体部分を示す模式図である。 第２の実施形態に係るガス絶縁開閉装置の高電圧導体部分を示す模式図である。 第３の実施形態に係るガス絶縁開閉装置の高電圧導体部分を示す模式図である。 ガス絶縁開閉装置の全体構成を示す模式図である。 従来のガス絶縁開閉装置の高電圧導体部分の構成を示す模式図である。

以下、ガス絶縁開閉装置の各実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。

（第１の実施形態）
（構成）
まず、第１の実施形態に係るガス絶縁開閉装置及びガス絶縁母線について説明する。図１に第１の実施形態に係るガス絶縁開閉装置の母線２２又は高電圧導体１を収容する接続機器を示す。図１に示すように、高電圧導体１は、支持体３に支持されることにより、密閉容器２内に挿通されている。高電圧導体１と支持体３との間には、電界緩和シールド５が介在している。

密閉容器２は、金属製の容器である。この密閉容器２には絶縁ガス４が封入されている。絶縁ガス４としては、ＳＦ_６ガスが挙げられる。近年、ＳＦ_６ガスは地球温暖化係数の高いガスであるため、排出規制対象に指定されている。そのため、環境低負荷化の観点から、封入する絶縁ガス４として、自然由来ガスである空気、二酸化炭素、酸素、窒素、またはそれらの混合ガスを用いるようにしてもよい。

支持体３は、絶縁物であり、コーン形状を有している。支持体３の裾野には、フランジが形成されている。支持体３は、密閉容器２間の継ぎ目にフランジが挟み込まれることで、コーンの頂点部分が密閉容器２の軸線と一致された状態で密閉容器２内に取り付けられている。

支持体３のコーン頂点部分は、平面領域となっている。支持体３の平面領域には、平面領域よりも一回り小さい開口が設けられている。この支持体３の開口には、接触子７が挿入されている。接触子７は、支持体３のコーン頂点部分の厚みよりも長い円柱体であり、支持体３の両側から突出している。

高電圧導体１は、例えば、アルミニウムや銅など単一材料で形成された円柱体である。この高電圧導体１は、支持体３のコーン頂点部分の表面及び裏面にそれぞれ対向配置されており、密閉容器２の軸線と概略一致する。高電圧導体１の少なくとも両端は、中空部となっている。高電圧導体１は、支持体３を貫通した接触子７が中空部に挿入されることにより、接触子７を介して支持体３に支持される。

また、高電圧導体１の両端内部には、導電性のコンタクト８が設けられている。コンタクト８は、接触子７の先端周囲と高電圧導体１の内面とに接触している。すなわち、高電圧導体１は、接触子７とコンタクト８とを介して隣の高電圧導体１と電気的に接続されている。母線２２又は接続機器の中端部分においては、この電気的接続態様により、複数の高電圧導体１が継ぎ合わせられて、全体として一本の電路を形成する。

電界緩和シールド５は、熱可塑性のプラスチックを金型により成形したコップ形状の絶縁体である。この電界緩和シールド５は、コップ内面及び外面の表面粗さＲｚが５μｍ以下になるように成形される。成形後に研磨材により表面粗さを調整するようにしてもよい。

この電界緩和シールド５は、底面に接触子７が挿通する開口を有し、支持体３のコーン頂点に設けられた平面領域と高電圧導体１の周縁との間に、底面の縁領域を介在し、支持体３のコーン頂点に設けられた平面領域に金属製のボルト９で固定されている。電界緩和シールド５は、金属製ボルト９で締結されることで接触子７及び高電圧導体１と電気的に接続されている。

電界緩和シールド５の側壁は、取り付けられた状態において、コンタクト８を覆う程度の長さを有する。この電界緩和シールド５は、支持体３の両側にそれぞれ固定され、支持体３の両側に存在する高電圧導体１の端部をそれぞれ覆っている。但し、電界緩和シールド５と高電圧導体１とは、所定距離離間して配置される。すなわち、電界緩和シールド５の内径は、高電圧導体１の外径よりも大きく、電界緩和シールド５の底面は、高電圧導体１と支持体３との距離よりも薄い。

更に、この電界緩和シールド５の内面、すなわち高電圧導体１との対向面には、底面から側壁内面に亘って導電層１０が形成されている。この導電層１０は、具体的には、高導電層、半導電層、又は非線形導電層（言い換えれば非線形抵抗層）である。例えば、この導電層１０は、塗布や蒸着の方法により形成される。

（作用・効果）
このようなガス絶縁開閉装置の作用効果について説明する。まず、電界緩和シールド５は、絶縁物でありながら、その内面に導電層１０が形成されているため、あたかも金属シールドに絶縁被覆を施したものと同等の特性を有する。すなわち、電界緩和シールド５を金属で構成した場合に生じる放電形成に影響を及ぼす金属表面（陰極）からの電界電子放出は大幅に抑制され、耐電圧性能を向上させることが可能となる。一方で、電界緩和シールド５を絶縁物で構成した場合に生じる高電圧導体１の電界上昇、及びそれに伴う放電開始電界の低下を防止することができる。このように、電界緩和シールド５を金属又は絶縁物の何れかで構成した場合の両問題点の解決を図ることができ、絶縁性能は飛躍的に向上する。

さらに、金属製の電界緩和シールドに絶縁コーティングを施したり、金属製の電界緩和シールドを樹脂でモールドしたりするときに発生していた被覆内部のボイドや剥離、ピンホールを回避することが可能となり、絶縁信頼性を高めることができる。

また、電界緩和シールド５の成形時に内面および外面の表面粗さを滑らかに製作することで、表面粗さによる局所的な電界強調の低減効果も期待できる。特に、プラスチック内面には導電層１０を形成しているため、導電率のコントロールが自在となり、高電界部の電界低減が容易となる。

また、電界緩和シールド５をプラスチックで成形することによって、軽量であり組立作業性も向上する。

（第２の実施形態）
（構成）
次に、第２の実施形態に係るガス絶縁開閉装置及びガス絶縁母線を説明する。図２に第２の実施形態に係るガス絶縁開閉装置の母線２２又は高電圧導体１を収容する接続機器を示す。図２に示すように、第２の実施形態に係るガス絶縁開閉装置では、高電圧導体１で形成される電路の端部にエンドシールド６を備えている。

エンドシールド６は、一領域が開口した中空の球体壺形状を有し、熱可塑性のプラスチックを金型成形した絶縁体である。このエンドシールド６も、球体内面及び外面の表面粗さＲｚが５μｍ以下になるように成形又は研磨される。

このエンドシールド６は、密閉容器２内において、高電圧導体１の電路端部に開口を向けて、この電路端部と密閉容器２との間に介在する。具体的には、高電圧導体１の電路末端は、支持体３の片側にのみ高電圧導体１が支持され、支持体３の他方側には、接触子７が露出しており、エンドシールド６は、この接触子７の露出端に開口を近接させて配置される。

接触子７の露出端には、金属製スタッド１１が設けられている。この金属製スタッド１１の長さ方向は、接触子７の長さ方向と一致する。一方、エンドシールド６の壺底部には、プラスチック製ボルト１２と金属製スタッド１１の座面が形成されている。エンドシールド６は、この金属製スタッド１１をエンドシールド６の開口へ挿通し、エンドシールド６の壺底部と金属製スタッド１１の先端とを突き合わせ、プラスチック製ボルト１２で固定することにより、高電圧導体１の電路端部と密閉容器２との間に介在して配置される。この金属製スタッド１１に接続されることで、エンドシールド６は、接触子７及び高電圧導体１と電気的に接続されている。尚、プラスチック製ボルト１２は、エンドシールド６と同一素材で形成されている。

金属製スタッド１１は、エンドシールド６の壺底部から開口までの長さと略同一か若干長い。すなわち、エンドシールド６の開口は、接触子７の先端近傍に至る。また、エンドシールド６の開口径は、接触子７の径よりも大きく、接触子７で発生する電界は、エンドシールド６の内部を通る。エンドシールド６の内部、すなわち高電圧導体１の電路端部との対向面には、電解緩和シールド５と同じく、導電層１０が形成されている。

尚、この高電圧導体１の電路端部においても、高電圧導体１と支持体３との間、また露出した接触子７と支持体３との間に電界緩和シールド５を設けるようにしてもよい。

（作用効果）
このようなガス絶縁開閉装置の作用効果について説明する。このガス絶縁開閉装置においては、高電圧導体１の電路端部で発生する電界による絶縁破壊を電界緩和シールド５と同様の機能によって防止することができる。すなわち、エンドシールド６は、絶縁物でありながら、その内面に導電層１０が形成されているため、あたかも金属シールドに絶縁被覆を施したものと同等の特性を有する。

つまり、エンドシールドを金属で構成した場合に生じる放電形成に影響を及ぼす金属表面（陰極）からの電界電子放出は大幅に抑制され、耐電圧性能を向上させることが可能となる。一方で、エンドシールドを絶縁物で構成した場合に生じる高電圧導体１の電界上昇、及びそれに伴う放電開始電界の低下を防止することができる。このように、エンドシールドを金属又は絶縁物の何れかで構成した場合の両問題点の解決を図ることができ、絶縁性能は飛躍的に向上する。

さらに、金属製のエンドシールドに絶縁コーティングを施したり、金属製のエンドシールドを樹脂でモールドしたりするときに発生していた被覆内部のボイドや剥離、ピンホールを回避することが可能となり、絶縁信頼性を高めることができる。

また、エンドシールド６の成形時に内面および外面の表面粗さを滑らかに製作することで、表面粗さによる局所的な電界強調の低減効果も期待できる。特に、プラスチック内面には導電層１０を形成しているため、導電率のコントロールが自在となり、高電界部の電界低減が容易となる。

また、エンドシールド６をプラスチックで成形することによって、軽量であり組立作業性も向上する。

（第３の実施形態）
（構成）
次に、第３の実施形態に係るガス絶縁開閉装置及びガス絶縁母線について図３に基づき説明する。第１又は第２の実施形態と同一構成については同一符号を付して詳細な説明を省略する。

この第３の実施形態では、電界緩和シールド５をプラスチック製ボルト１２で支持体３に締結し、エンドシールド６をプラスチック製スタッド１３に接続している。電界緩和シールド５とエンドシールド６は、プラスチック製ボルト１２及びプラスチック製スタッド１３が絶縁体であるため、高電圧導体１及び接触子７と電気的に接続されておらず、また外部的にバイアスされておらず、接地もされていない。そのため、電解緩和シールド５及びエンドシールド６の高電圧導体１との対向面、すなわち導電層１０は、フローティング電位を有する。フローティング電位は、高電圧導体１から発生する電界中にさらされたときに電子やイオンのチャージアップにより発生する電位であり、当該電界に依存する。

（作用効果）
電界緩和シールド５及びエンドシールド６の内面電位をフローティング電位とすることにより、シールド内面の電位は高電圧導体１及び接触子７よりも幾分低下する。これにより、電界緩和シールド５及びエンドシールド６の外面に生じる電界値は低減され、絶縁性能をさらに向上させることができる。

（他の実施形態）
以上、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、これら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。各実施形態の全て又はいずれかを組み合わせたものも発明の範囲に包含される。また、各実施形態は、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、電界緩和シールド５及びエンドシールド６は、プラスチックを成型して製作される例を説明したが、他の絶縁材料で置き換えた構成も可能である。

１ 高電圧導体
２ 密閉容器
３ 支持体
４ 絶縁ガス
５ 電解緩和シールド
６ エンドシールド
７ 接触子
８ コンタクト
９ 金属製ボルト
１０ 導電層
１１ 金属製スタッド
１２ プラスチック製ボルト
１３ プラスチック製スタッド
２１ 遮断器
２２ 母線
２３ 断路器
２４ 接地開閉器
２５ 電圧変成器

Claims (16)

1. 絶縁ガスが封入された密閉容器内に絶縁された支持体で支持された高電圧導体が挿通されたガス絶縁開閉装置であって、
   前記支持体と前記高電圧導体との間に介在する絶縁体と、
   前記絶縁体の前記高電圧導体との対向面に形成されるとともに、前記高電圧導体と電気的に接続された導電層と、
   を備えること、
   を特徴とするガス絶縁開閉装置。
2. 絶縁ガスが封入された密閉容器内に電路を形成する高電圧導体が挿通されたガス絶縁開閉装置であって、
   前記高電圧導体の電路端部と前記密閉容器との間に介在する絶縁体と、
   前記絶縁体の前記電路端部との対向面に形成されるとともに、前記高電圧導体と電気的に接続された導電層と、
   を備えること、
   を特徴とするガス絶縁開閉装置。
3. 前記絶縁体の前記対向面の電位はフローティング電位であること、
   を特徴とする請求項１又は２記載のガス絶縁開閉装置。
4. 前記導電層は、高導電性、半導電性、又は非線形導電性であること、
   を特徴とする請求項１又は２記載のガス絶縁開閉装置。
5. 前記絶縁体は、金型成形された熱可塑性プラスチックであること、
   を特徴とする請求項１又は２記載のガス絶縁開閉装置。
6. 前記絶縁体は、前記絶縁体と同一材料で形成されたボルトにより固定されていること、
   を特徴とする請求項１又は２記載のガス絶縁開閉装置。
7. 前記絶縁体は、前記対向面とは逆の面の表面粗さが５μｍ以下であること、
   を特徴とする請求項１又は２記載のガス絶縁開閉装置。
8. 前記絶縁体は、前記対向面の表面粗さが５μｍ以下であること、
   を特徴とする請求項１又は２記載のガス絶縁開閉装置。
9. 絶縁ガスが封入された密閉容器と、
   前記密閉容器内に挿通された高電圧導体と、
   前記高電圧導体を前記密閉容器内に支持する絶縁された支持体と、
   前記支持体と前記高電圧導体との間に介在する絶縁体と、
   前記絶縁体の前記高電圧導体側との対向面に形成されるとともに、前記高電圧導体と電気的に接続された導電層と、
   を備えること、
   を特徴とするガス絶縁母線。
10. 絶縁ガスが封入された密閉容器と、
    前記金属容器内に挿通された高電圧導体と、
    前記高電圧導体の電路端部と前記密閉容器との間に介在する絶縁体と、
    前記絶縁体の前記端部側との対向面に形成されるとともに、前記高電圧導体と電気的に接続された導電層と、
    を備えること、
    を特徴とするガス絶縁母線。
11. 前記絶縁体の前記対向面の電位はフローティング電位であること、
    を特徴とする請求項９又は１０記載のガス絶縁母線。
12. 前記導電層は、高導電性、半導電性、又は非線形導電性であること、
    を特徴とする請求項９又は１０記載のガス絶縁母線。
13. 前記絶縁体は、金型成形された熱可塑性プラスチックであること、
    を特徴とする請求項９又は１０記載のガス絶縁母線。
14. 前記絶縁体は、前記絶縁体と同一材料で形成されたボルトにより固定されていること、
    を特徴とする請求項９又は１０記載のガス絶縁母線。
15. 前記絶縁体は、前記対向面とは逆の面の表面粗さが５μｍ以下であること、
    を特徴とする請求項９又は１０記載のガス絶縁母線。
16. 前記絶縁体は、前記対向面の表面粗さが５μｍ以下であること、
    を特徴とする請求項９又は１０記載のガス絶縁母線。

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