JP2017016852A - コンデンサブッシング及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電気絶縁性能を向上させることによって絶縁寸法を縮小し、小形で信頼性の高いコンデンサブッシングを提供する。【解決手段】実施形態によれば、コンデンサブッシングは、碍管と、碍管内に設置された中心導体１と、碍管内で中心導体１の外周に複数の電極３と絶縁層１４が同心状に配置されたコンデンサコア１５と、を備えたコンデンサブッシングにおいて、コンデンサコア１５内の絶縁層１４の少なくとも一部が、電界に対して誘電率が上昇する非線形誘電率特性を有する材料により形成されている。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電気機器の口出し端子として用いられるコンデンサブッシング及びその製造方法に関する。

電力用の変圧器及びガス絶縁開閉装置（ＧＩＳ）等の高電圧電気機器の口出し端子には、中心導体の周囲にコンデンサコアを形成したコンデンサブッシングが用いられる場合がある。このコンデンサコアは、絶縁物と多数枚のイコライザ電極箔を中心導体の周囲に同心円状に配置することにより、中心導体とブッシング接地金具との間の電界分布を制御して絶縁性能を高めている。コンデンサブッシングは、上記のコンデンサコアを形成しない場合に比べて、一般的にブッシング径を細くすることができるという利点がある。コンデンサコアの絶縁物には、油浸紙又は樹脂含浸紙等が用いられている。

従来のコンデンサブッシングの具体的な構造を図６に示す。

図６に示すように、従来のコンデンサブッシングは、中心導体１の周囲に絶縁紙、化学繊維又はプラスチッックフィルム等のシート状の薄い絶縁物を巻回して絶縁層２を形成している。この絶縁層２内には、アルミニウム箔等の薄い複数の金属箔からなるイコライザ電極３を同時に同心円状に巻き込んで多層化し、これらを絶縁油及びエポキシ樹脂で含浸させてコンデンサコア４を構成する。

このコンデンサコア４の軸方向下部には、外周に張り出すフランジ５ａを備えた接地支持金具５が嵌め込まれている。この接地支持金具５の上方には、中心導体１及びコンデンサコア４を覆うように上部碍管６が固定されている。この上部碍管６の上端部には、蓋板７が固定されている。

同様に、接地支持金具５の下端部にも、中心導体１及びコンデンサコア４を覆うように下部碍管８が固定されている。下部碍管８の下端部には、下部クランプ９が取り付けられ、この下部クランプ９に中心導体１の一端が固定される。この中心導体１の他端は、ガスケット（図示せず）を介して蓋板７を貫通し大気側に引き出されている。これら接地支持金具５、上部碍管６、及び下部碍管８の各構成部品は、互いの間にガスケット（図示せず）を介して軸方向に接合することで、密閉容器１１を構成している。この密閉容器１１内には、絶縁油やＳＦ_６ガス等の絶縁媒体１０が充填される。

特開平７−２６２８４７号公報

しかしながら、従来のコンデンサブッシングの絶縁構成には、以下に述べるような問題点がある。

コンデンサコア４内の絶縁層２の絶縁物は、シート状のものを中心導体１の周囲に巻き付けるため、その中に巻き込まれるイコライザ電極３は、中心導体１に対して平行に配置することしかできない。

この場合、コンデンサコア４の端部の等電位線の分布は図７及び図８に示すようになる。図７に示すように、イコライザ電極３の中央部の絶縁層２内では、等電位線１２は均一かつ平行に配置されている。しかし、イコライザ電極３の端部における等電位線１２は、外部の大気１３側に向かって折れ曲がっており、その間隔が図８に示すように狭くなっている。

イコライザ電極３の厚さは、一般的に数μｍ〜数百μｍであり、その端部は鋭い角部を形成している。その角部で等電位線１２の分布が乱れると、高い電界が発生し、絶縁上の弱点となる。

このイコライザ電極３の端部における高電界の発生を抑制するには、イコライザ電極３の設置数を増やして各イコライザ電極３間で分担する電圧を減らすことが考えられる。しかし、この技術では、ブッシングコア径が増加するとともに、製作工数の増大を招き、高価で大型なブッシングとなる問題がある。

その他の技術としては、各イコライザ電極３の端部における軸方向の電界を等しくなるように、その電極長さを調整する技術がある（例えば、特許文献１参照）。しかし、この技術においてもイコライザ電極３は、中心導体１に対して平行にしか配置することができない。そのため、等電位線１２の分布が乱れ、イコライザ電極３の端部に鋭い角部が存在し、高電界が発生することは避けられないという問題があった。

本発明の実施形態が解決しようとする課題は、電気絶縁性能を向上させることによって絶縁寸法を縮小し、小形で信頼性の高いコンデンサブッシング及びその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の実施形態に係るコンデンサブッシングは、碍管と、前記碍管内に設置された中心導体と、前記碍管内で前記中心導体の外周に複数の電極と絶縁物が同心状に配置されたコンデンサコアと、を備えたコンデンサブッシングにおいて、前記コンデンサコア内の前記絶縁物の少なくとも一部を、電界に対して誘電率が上昇する非線形誘電率特性を有する材料により形成したことを特徴とする。

本発明の実施形態に係るコンデンサブッシングは、碍管と、前記碍管内に設置された中心導体と、前記碍管内で前記中心導体の外周に複数の電極と絶縁物が同心状に配置されたコンデンサコアと、を備えたコンデンサブッシングにおいて、前記コンデンサコア内の前記電極の少なくとも端部を、電界に対して誘電率が上昇する非線形誘電率特性を有するシート状の絶縁物でラミネートしたことを特徴とする。

本発明の実施形態に係るコンデンサブッシングの製造方法は、碍管と、前記碍管内に設置された中心導体と、前記碍管内で前記中心導体の外周に複数の電極と絶縁物が同心状に配置されたコンデンサコアと、を備えたコンデンサブッシングの製造方法において、前記コンデンサコア内の前記絶縁物の少なくとも一部を、電界に対して誘電率が上昇する非線形誘電率特性を有する材料により作製したことを特徴とする。

本発明に係るコンデンサブッシングの第１実施形態のコンデンサコアを示す右半立断面図である。 第１実施形態で用いられる非線形誘電材料の電界−比誘電率特性を示す図である。 本発明に係るコンデンサブッシングの第１実施形態におけるコンデンサコアの端部の等電位線を示す拡大図である。 本発明に係るコンデンサブッシングの第２実施形態におけるイコライザ電極を示す断面構成図である。 第２実施形態の変形例におけるイコライザ電極を示す断面構成図である。 従来のコンデンサブッシングを示す部分断面立面図である。 従来のコンデンサコアの端部の等電位線を示す右半分布図である。 図７の等電位線を示す拡大図である。

以下に、本発明に係るコンデンサブッシング及びその製造方法の実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は本発明に係るコンデンサブッシングの第１実施形態のコンデンサコアを示す右半立断面図である。図２は第１実施形態で用いられる非線形誘電材料の電界−比誘電率特性を示す図である。図３は本発明に係るコンデンサブッシングの第１実施形態におけるコンデンサコアの端部の等電位線を示す拡大図である。

なお、本実施形態のコンデンサブッシングの全体構成は、図６に示すコンデンサブッシングと同様であるため、図示及び説明を省略する。また、本実施形態では、図１及び図３において、図６と同一の部分には同一の符号を付して説明する。

図１に示すように、中心導体１の外周には、コンデンサコア１５が設けられている。これら中心導体１及びコンデンサコア１５は、図３に示す上部碍管６内に設置されている。

本実施形態では、従来構成におけるコンデンサコア４の絶縁層２に代えて、図１に示すようにコンデンサコア１５の絶縁層１４を、電界に応じてその比誘電率が変化する絶縁材料により形成している。具体的には、この絶縁層１４は、内部の電界がある所定の値を超えると比誘電率が増加する特性を有している。その電界値の設定範囲は、従来構成におけるイコライザ電極３の平面部の電界より大きく、かつコンデンサコア１５内のイコライザ電極３の端部で発生する最大電界以下の範囲に設定されている。このように絶縁層１４は、電界がある所定の値を超えると、比誘電率が増加する非線形誘電率特性を有する。

非線形誘電率特性を有する絶縁層１４は、非線形誘電率特性を有するフィラーを充填したエポキシ樹脂を絶縁紙に含浸させることで作製することができる。その場合、従来の樹脂含浸紙ブッシングの製造設備をそのまま流用することができる。但し、上記フィラーは、絶縁紙内に均一に分散させる必要があることから、フィラーの大きさとしては、絶縁紙の繊維隙間よりも小さいことが必要であり、その大きさは１μｍ以下のサイズであることが望ましい。

非線形誘電率特性を有するフィラーをエポキシ樹脂に充填させた非線形誘電材料の電界−比誘電率特性の代表例を図２に示す。なお、本実施形態では、非線形誘電率特性を有するフィラーとしてチタン酸バリウムを用いている。

図２に示すチタン酸バリウム充填エポキシ樹脂は、フィラーとしてチタン酸バリウムが充填されている。図２に示すように、一般のエポキシ樹脂は、電界が所定の大きさになっても比誘電率がほとんど変化しないが、チタン酸バリウム充填エポキシ樹脂は、電界が所定の大きさになったとき、すなわち電界閾値（約１．０×１０^７［Ｖ／ｍ］）を超えたときに比誘電率が変化することが分かる。この非線形誘電率特性は、フィラーの材質、大きさ、充填率により変化し、これらを調整することで、所望の誘電率特性を実現することが可能である。したがって、上記電界閾値は、フィラーの材質、大きさ、充填率により変化する。

その他の非線形誘電材料のフィラーとしては、例えばチタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウム、又はこれらの混合材が考えられる。しかし、これらの材料であることに制限されるものではなく、それ以外の非線形誘電率特性を有する材料であれば、フィラー材として適用可能である。

次に、本実施形態の作用を説明する。

本実施形態では、イコライザ電極３の端部の局所領域で高電界が発生しようとすると、絶縁層１４の比誘電率の電界非線形特性により、その領域の比誘電率が増加する。一方、イコライザ電極３の端部の局所領域の周囲は、比誘電率が低い状態のままである。

このように誘電率の異なる絶縁材料が共存する場合、各材料の電界比は交流又はインパルス電圧に対して誘電率の逆数比に応じた電界比となる。すなわち、上記局所領域の電界は、高誘電率化により電界を低下させる作用が発生し、従来構成に比べてイコライザ電極３の端部の電界を低減させることができ、絶縁性能が向上する。

図３はコンデンサコア１５の最外層に位置するイコライザ電極３の端部の等電位線分布を示している。図８に示す従来構成のイコライザ電極３の端部における等電位線１２の分布と比較して、本実施形態では、図３に示すようにイコライザ電極３の端部の等電位線１２の間隔が広くなっており、電界が低減されていることが分かる。

一方、イコライザ電極３の端部以外では、絶縁層１４の誘電率は低電界であるため変化せず、従来構成と同様にコンデンサコア１５としてのマクロ的なブッシングの電界分担の制御機能に影響を及ぼすことはない。

ところで、コンデンサブッシングの場合、中心導体１に印加される運転電圧（交流電圧）を測定するためにコンデンサコア１５の最外層におけるイコライザ電極３の電位を、検電端子を介して外部に引出し、容量分圧器とする機能が求められる場合がある。この場合、イコライザ電極３の端部の局所領域であっても、誘電率が電界によって変化すると、その分圧比に影響を及ぼすことが懸念される。

このような場合には、絶縁層１４の誘電率非線形が発現する電界領域を、当該ブッシングの交流試験電圧印加時には誘電率の非線形性が発現しないように、絶縁層１４の誘電率の電界非線形特性を設定すればよい。この場合、雷サージ等の短時間であるが、交流電圧よりも高い耐電圧値が要求される衝撃電圧に対しての絶縁性能を向上させることを想定し、絶縁層１４の非線形性発現電界を設定すればよい。

このように本実施形態によれば、コンデンサコア１５の絶縁層１４を電界に応じてその比誘電率が非線形に増加する絶縁材料により形成したことにより、コンデンサコア１５の電気絶縁性能を向上させることができる。その結果、絶縁寸法を縮小し、小形で信頼性の高いコンデンサブッシングを提供することが可能となる。

なお、本実施形態において、コンデンサコア１５の絶縁層１４の全体を電界に応じて比誘電率が非線形に変化する絶縁材料としたが、これに限らず、絶縁層１４の一部を電界に応じて比誘電率が非線形に変化する絶縁材料としてもよい。

（第２実施形態）
図４は本発明に係るコンデンサブッシングの第２実施形態におけるイコライザ電極を示す断面構成図である。図５は第２実施形態の変形例におけるイコライザ電極を示す断面構成図である。なお、前記第１実施形態と同一又は対応する部分には、同一の符号を用いて説明する。

図４に示すように、本実施形態では、前記第１実施形態のイコライザ電極３をイコライザ電極１６ａに代えたものである。変形例では、前記第１実施形態のイコライザ電極３をイコライザ電極１６ｂに代えたものである。その他の構成は前記第１実施形態と同様である。

図４に示すように、本実施形態のイコライザ電極１６ａは、電極箔１７の全体を、非線形誘電率特性を有するシート状の絶縁物としてのシート材１８でラミネートしたものである。また、変形例のイコライザ電極１６ｂは、電極箔１７の端部のみを非線形誘電率特性を有するシート状の絶縁物としてのシート材１９でラミネートしたものである。これら非線形誘電率特性を有するシート材１８，１９は、前記第１実施形態と同様に、例えば非線形誘電率特性を有するチタン酸バリウムのフィラーをエポキシ樹脂に充填させた非線形誘電材料により形成されている。

次に、本実施形態の作用を説明する。

コンデンサコア１５のイコライザ電極１６ａにおける端部の耐電圧性能を高める場合、イコライザ電極１６ａの端部の局所的な高電界部において絶縁材の非線形誘電率特性が得られればよい。したがって、コンデンサコア１５の絶縁層全てを非線形誘電率材で構成させる必要はない。但し、非線形誘電率特性を有するシート材１８，１９の低電界領域の比誘電率としては、周囲の絶縁層と同じか、あるいは同等として誘電率の整合をとることが望ましい。

また、非線形誘電率特性を有するフィラーは、一般に高価であるため、その使用量を最小限に抑えることが経済的である。さらに、本実施形態では、非線形誘電率特性を有するシート材を追加する以外の材料構成は変更する必要がないため、従来の製造設備をそのまま利用することができる利点があり、樹脂含浸紙以外に油浸紙絶縁のコンデンサブッシングに適用することも可能である。

このように本実施形態によれば、イコライザ電極１６ａは、電極箔１７の全体が非線形誘電率特性を有するシート材１８で覆われているため、前記第１実施形態と同等のコンデンサコア１５の絶縁性能を得ることができるとともに、非線形誘電率材料の使用量を削減することができ、小形で絶縁信頼性が高く、かつ経済性的なコンデンサブッシングを実現させることができる。

また、変形例によれば、イコライザ電極１６ｂは、電極箔１７の端部が非線形誘電率特性を有するシート材１９で覆われているため、前記第１実施形態と同等のコンデンサコア１５の絶縁性能を得ることができるとともに、非線形誘電率材料の使用量を一段と削減することができ、小形で絶縁信頼性が高く、かつ経済性的なコンデンサブッシングを実現させることができる。

（その他の実施形態）
本発明のいくつか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り、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら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。

なお、前記第１実施形態と第２実施形態を互いに組み合わせるように構成してもよい。

１…中心導体、２…絶縁層、３…イコライザ電極（電極）、４…コンデンサコア、５…接地支持金具、５ａ…フランジ、６…上部碍管（碍管）、７…蓋板、８…下部碍管（碍管）、９…下部クランプ、１０…絶縁媒体、１１…密閉容器、１２…等電位線、１３…大気、１４…絶縁層（絶縁物）、１５…コンデンサコア、１６ａ，１６ｂ…イコライザ電極、１７…電極箔、１８…シート材（シート状の絶縁物）、１９…シート材（シート状の絶縁物）

Claims (6)

1. 碍管と、
   前記碍管内に設置された中心導体と、
   前記碍管内で前記中心導体の外周に複数の電極と絶縁物が同心状に配置されたコンデンサコアと、を備えたコンデンサブッシングにおいて、
   前記コンデンサコア内の前記絶縁物の少なくとも一部を、電界に対して誘電率が上昇する非線形誘電率特性を有する材料により形成したことを特徴とするコンデンサブッシング。
2. 碍管と、
   前記碍管内に設置された中心導体と、
   前記碍管内で前記中心導体の外周に複数の電極と絶縁物が同心状に配置されたコンデンサコアと、を備えたコンデンサブッシングにおいて、
   前記コンデンサコア内の前記電極の少なくとも端部を、電界に対して誘電率が上昇する非線形誘電率特性を有するシート状の絶縁物でラミネートしたことを特徴とするコンデンサブッシング。
3. 前記絶縁物は、非線形誘電率特性を有するフィラーを充填したエポキシ樹脂が含浸された樹脂含浸紙により構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載のコンデンサブッシング。
4. 前記誘電率が上昇する電界閾値は、前記電極の端部のみで非線形誘電率特性が得られるように設定したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載のコンデンサブッシング。
5. 前記電界閾値は、交流運転電圧を超過する異常電圧印加時に、誘電率の非線形特性が得られるように設定したことを特徴とする請求項４に記載のコンデンサブッシング。
6. 碍管と、
   前記碍管内に設置された中心導体と、
   前記碍管内で前記中心導体の外周に複数の電極と絶縁物が同心状に配置されたコンデンサコアと、を備えたコンデンサブッシングの製造方法において、
   前記コンデンサコア内の前記絶縁物の少なくとも一部を、電界に対して誘電率が上昇する非線形誘電率特性を有する材料により作製したことを特徴とするコンデンサブッシングの製造方法。

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