JP2021027764A - 絶縁スペーサと、絶縁開閉装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で耐電圧性能が向上した絶縁スペーサと、この絶縁スペーサを備えた絶縁開閉装置を提供する。【解決手段】本発明による絶縁スペーサ３０は、第１の電極１と、第１の電極１を支持する絶縁物３と、絶縁物３に支持され、絶縁物３を挟んで第１の電極１と対向する第２の電極２とを備える。第１の電極１と第２の電極２の少なくとも一方は、対向する他の電極１、２に向かって突出する突起部１ａ、２ａを備える。【選択図】図３

Description

本発明は、絶縁スペーサと、絶縁スペーサを備える絶縁開閉装置に関する。

絶縁開閉装置、例えばガス絶縁開閉装置は、電力系統において、落雷時の短絡故障などからの系統保護や、系統運用のための切替え制御などの、重要な役割を担う装置である。ガス遮断器、断路器、接地開閉器、高速接地開閉器、主母線、計器用変流器、計器用変圧器、及びケーブル接続部などの機器により、１相分が構成される。３相分が並列に配置されて１回路分となり、１個のサイトにおいて１０〜２０Ｂａｙのガス絶縁開閉装置が奥行き方向に主母線により接続される。各機器の接地タンクの内部には、絶縁性能の優れたＳＦ_６ガスが封入されており、高電圧導体が絶縁スペーサや絶縁筒などで支持または固定されている。ＳＦ_６ガスの絶縁性能は、大気圧（０．１ＭＰａ・ａｂｓ）の場合に、空気の約３倍である。ガス絶縁開閉装置では、ガス圧を０．６〜０．７ＭＰａ・ａｂｓまで高くしているので、電気絶縁に必要な絶縁距離が大気の１０分の１以下であり、気中絶縁式の開閉設備と比較して大幅にコンパクト化されている。また、ガス絶縁開閉装置は、密封構造であり外部環境の影響を受けないため、信頼性の高い機器として広く適用されている。

従来の絶縁スペーサとガス絶縁開閉装置の例は、特許文献１に記載されている。特許文献１に記載のガス絶縁開閉装置は、絶縁ガスが充填された接地タンクと、接地タンクの内部に設けられた高電圧導体と、接地タンクの内部で高電圧導体を支持及び固定する絶縁スペーサを備える。絶縁スペーサは、高電圧導体に接続される導体と、導体を接地タンクの内部で支持及び固定する絶縁構造体と、絶縁構造体の沿面に設けられた非線形抵抗層を有する。非線形抵抗層は、絶縁構造体の沿面において高電界となる部分に設けられている。

特開２０１８−１９６２８０号公報

特許文献１に記載の絶縁スペーサは、絶縁構造体の沿面に設けられた非線形抵抗層によって、絶縁耐力を高くする。このような構成の絶縁スペーサでは、絶縁構造体の沿面に非線形抵抗層をコーティングする必要があるので、製造時の工数が増えるとともに、非線形抵抗層の厚さなどを管理する必要もある。このように、従来の絶縁スペーサでは、非線形抵抗層を備えて耐電圧性能を向上させると、製造時間と製造コストが増大するという課題があり、簡易な構成の絶縁スペーサが望まれている。

本発明は、簡易な構成で耐電圧性能が向上した絶縁スペーサと、この絶縁スペーサを備えた絶縁開閉装置を提供することを目的とする。

本発明による絶縁スペーサは、第１の電極と、前記第１の電極を支持する絶縁物と、前記絶縁物に支持され、前記絶縁物を挟んで前記第１の電極と対向する第２の電極とを備える。前記第１の電極と前記第２の電極の少なくとも一方は、対向する他の前記電極に向かって突出する突起部を備える。

本発明による絶縁開閉装置は、接地タンクと、前記接地タンクの内部に設けられた高電圧導体と、前記接地タンクの内部で前記高電圧導体を支持する絶縁スペーサを備える。前記絶縁スペーサは、本発明による絶縁スペーサである。前記絶縁スペーサの前記第１の電極は、前記高電圧導体または前記高電圧導体に接続された導体である。前記絶縁スペーサの前記第２の電極は、前記接地タンクに設置された電極または前記接地タンクの壁面である。

本発明によると、簡易な構成で耐電圧性能が向上した絶縁スペーサと、この絶縁スペーサを備えた絶縁開閉装置を提供することができる。

本発明の実施例１による絶縁開閉装置を示す模式図である。 実施例１による絶縁スペーサの構成を示す図である。 実施例１による絶縁スペーサの構成を模式的に示す正面断面図である。 従来の絶縁スペーサの構成を模式的に示す正面断面図である。 絶縁物の表面の電界値を示す図である。 実施例１による絶縁スペーサの別の構成を示す正面断面図である。 本発明の実施例２による絶縁スペーサの構成を模式的に示す正面断面図である。 実施例２による絶縁スペーサの、別の構成を示す正面断面図である。 実施例２による絶縁スペーサの、さらに別の構成を示す正面断面図である。

本発明による絶縁スペーサは、絶縁物を挟んで互いに対向する高電圧部の電極と接地部の電極を備え、高電圧部の電極が接地部の電極に向かって突出する突起部を備える構成と、接地部の電極が高電圧部の電極に向かって突出する突起部を備える構成のうち、少なくとも一方の構成を備える。高電圧部の電極と接地部の電極の一方または両方が、対向する他の電極に向かって突出する突起部を備えることで、絶縁物の沿面の電界の、沿面に垂直な方向の成分を大きくして、電極間の放電をギャップ放電と沿面放電からなる放電とすることができる。ギャップ放電が起こると耐電圧性能が向上するので、本発明による絶縁スペーサでは、絶縁物が非線形抵抗層を備えなくても、簡易な構成で耐電圧性能が向上する。

また、本発明による絶縁開閉装置は、簡易な構成で耐電圧性能が向上した絶縁スペーサを備えるので、高電圧部と接地部の距離を従来よりも短くでき、小型化できる。

以下、本発明の実施例による絶縁スペーサと絶縁開閉装置について、図面を用いて説明する。なお、以下に示す実施例は、あくまでも本発明の実施形態の例に過ぎず、本発明の内容は、以下の態様に限定されるものではない。

以下の実施例では、絶縁開閉装置の例として、ガス絶縁開閉装置について説明する。本発明による絶縁開閉装置の絶縁媒体は、絶縁ガスに限らず、例えば、真空、空気、乾燥空気、及び油を用いることができる。すなわち、本発明による絶縁開閉装置は、ガス絶縁開閉装置、真空絶縁開閉装置、空気絶縁開閉装置、及び油絶縁開閉装置などを含む。

また、以下の実施例では絶縁開閉装置の絶縁スペーサについて説明するが、本実施例で説明する絶縁スペーサの構成は、絶縁スペーサに限らず、高電圧部と接地部を支持する絶縁物を備える部材の構成に適用することができる。すなわち、本発明による絶縁スペーサは、絶縁開閉装置だけでなく、変圧器、真空遮断器、スイッチギア、モータ、顕微鏡、及び医療機器などにも適用可能である。

図１は、本発明の実施例１による絶縁開閉装置１００を示す模式図である。本実施例による絶縁開閉装置１００は、一例としてガス絶縁開閉装置であり、絶縁ガス（ＳＦ_６ガスなど）が充填された接地タンク１２と、接地タンク１２の内部に設けられた高電圧導体１１と、接地タンク１２の内部で高電圧導体１１を支持及び固定する絶縁スペーサ３０を備える。絶縁開閉装置１００は、その他の構成機器として、遮断器２０、断路器２１、接地開閉器２２、変流器２３、変圧器２４、及び母線２５、２６などを備える。

高電圧導体１１は、円筒形状の金属（例えば、アルミニウムや銅など）の導体である。接地タンク１２は、円筒形状の金属容器である。高電圧導体１１は、接地タンク１２の内部で絶縁スペーサ３０によって支持及び固定され、接地タンク１２と絶縁されている。絶縁スペーサ３０は、接地タンク１２の中心軸に直交する向きで、接地タンク１２内に取り付けられている。

なお、図１には、一例として、コーン型の絶縁スペーサ３０を示している。以下の図では、より見やすくするために、ディスク状の絶縁スペーサ３０を示す。

図２は、本発明の実施例１による絶縁スペーサ３０の構成を示す図である。絶縁スペーサ３０は、高電圧導体１１に接続された導体（埋込導体）１４と、接地電極２と、導体１４を支持して接地電極２に固定する絶縁物３を備える。接地電極２は、接地タンク１２に設置された電極である。接地タンク１２の壁面を接地電極２にしてもよい。

図２において、絶縁物３の表面に垂直な方向（垂直方向）をｘ方向とし、絶縁物３の表面に沿う方向（沿面方向）をｙ方向とする。

以下では、高電圧導体１１と導体１４を総称して、高電圧電極１と呼ぶ。

後述するように、高電圧電極１は、突起部１ａを備え、接地電極２は、突起部２ａを備える。

図３は、本実施例による絶縁スペーサ３０の構成を模式的に示す正面断面図である。図３は、図２の向きを９０度回転させて、絶縁スペーサ３０の一部を模式的に示している。

絶縁スペーサ３０は、高電圧電極１と接地電極２と絶縁物３を備える。高電圧電極１と接地電極２は、絶縁物３を挟んで互いに対向する。高電圧電極１は、接地電極２に向かって突出する部分である突起部１ａを備える。接地電極２は、高電圧電極１に向かって突出する部分である突起部２ａを備える。絶縁スペーサ３０は、高電圧電極１の突起部１ａと接地電極２の突起部２ａのうち、少なくとも一方を備える。図３には、一例として、絶縁スペーサ３０が高電圧電極１の突起部１ａと接地電極２の突起部２ａの両方を備える構成を示す。突起部１ａと突起部２ａは、絶縁物３に接触しない。

図３において、図２と同様に、絶縁物３の表面に垂直な方向（垂直方向）をｘ方向とし、絶縁物３の表面に沿う方向（沿面方向）をｙ方向とする。

図３には、高電圧電極１から接地電極２への放電４を示している。放電４は、高電圧電極１と絶縁物３との隙間の放電と絶縁物３と接地電極２との隙間の放電であるギャップ放電４ａと、絶縁物３の表面に沿う放電である沿面放電４ｂからなる。一般に、ギャップ放電４ａは、絶縁物３の表面に沿わない。

本実施例のように、絶縁スペーサ３０が高電圧電極１の突起部１ａと接地電極２の突起部２ａを備えると、放電４は、高電圧電極１の突起部１ａから絶縁物３へのギャップ放電４ａと、絶縁物３の表面に沿う沿面放電４ｂと、絶縁物３から接地電極２の突起部２ａへのギャップ放電４ａからなる。ギャップ放電４ａが起こることにより、絶縁スペーサ３０は、耐電圧性能が向上する。

図４は、従来の絶縁スペーサ４０の構成を模式的に示す正面断面図である。従来の絶縁スペーサ４０は、高電圧電極１が突起部１ａを備えず、接地電極２が突起部２ａを備えない。図４には、高電圧電極１から接地電極２への放電４も示している。従来の絶縁スペーサ４０では、突起部１ａ、２ａが存在しないので、放電４は、絶縁物３の表面に沿う沿面放電４ｂのみである。従って、従来の絶縁スペーサ４０は、本実施例の絶縁スペーサ３０と比べて、耐電圧性能が低い。

図３に示した本実施例のように、絶縁スペーサ３０が、高電圧電極１の突起部１ａと接地電極２の突起部２ａを備えることにより、高電圧電極１から接地電極２への放電４は、ギャップ放電４ａと沿面放電４ｂからなる放電４になる。

図５は、絶縁物３の表面の電界値を示す図であり、実験結果を基に作成した図である。図５の横軸は、絶縁物３の沿面方向（ｙ方向）の位置を示し、縦軸は、電界値を示す。絶縁物３の表面の電界値の、垂直方向成分（ｘ方向成分）をＥｘと表し、沿面方向成分（ｙ方向成分）をＥｙと表す。

高電圧電極１が突起部１ａを備え、接地電極２が突起部２ａを備えることにより、絶縁物３では、突起部１ａと突起部２ａにｘ方向で対向する位置の周辺において、表面の電界値の垂直方向成分Ｅｘが、他の位置におけるＥｘよりも大きい。すなわち、突起部１ａと突起部２ａが存在することにより、突起部１ａ、２ａの周辺で、絶縁物３の表面の電界値の垂直方向成分Ｅｘが大きくなる。このため、高電圧電極１の突起部１ａから絶縁物３へのギャップ放電４ａと、絶縁物３から接地電極２の突起部２ａへのギャップ放電４ａが起こる。このギャップ放電４ａが起こることにより、絶縁スペーサ３０は、耐電圧性能が向上する。

ギャップ放電４ａが起こると、絶縁スペーサ３０の耐電圧性能が向上する理由を説明する。

図４を用いて説明したように、従来の絶縁スペーサ４０では、放電４は、絶縁物３の表面に沿って進展する沿面放電４ｂのみである。沿面放電４ｂでは、絶縁物３の表面に電子がぶつかり、二次電子が放出される。１個の電子に対して複数の二次電子が放出されるため、沿面放電４ｂは、電子数が増加しながら進展する（二次電子なだれ）。

本実施例による絶縁スペーサ３０では、高電圧電極１が突起部１ａを備え、接地電極２が突起部２ａを備えるため、絶縁物３は、突起部１ａと突起部２ａにｘ方向で対向する位置の周辺において、表面の電界値の垂直方向成分Ｅｘが、他の位置におけるＥｘよりも大きい。このため、放電４の進展は、電界値の垂直方向成分Ｅｘが大きい領域では、沿面放電４ｂではなく、ギャップ放電４ａが起こる。ギャップ放電４ａでは、電子がぶつかるのは絶縁媒体（例えば、絶縁ガスや空気）であるので、絶縁物３の表面に電子がぶつかる場合と比べてなだれ現象が起こりづらく、放電４が進展しにくい。従って、放電４は、沿面放電４ｂのみからなる場合よりも、ギャップ放電４ａと沿面放電４ｂからなる場合の方が進展しにくいと考えられる。

このため、本実施例による絶縁スペーサ３０では、従来の絶縁スペーサ４０よりも、簡易な構成で耐電圧性能を向上できる。

高電圧電極１の突起部１ａと接地電極２の突起部２ａは、それぞれ高電圧電極１と接地電極２を絶縁物３に近づけ、絶縁物３の表面の電界値の垂直方向成分Ｅｘを大きくし、ギャップ放電４ａを起こして、絶縁スペーサ３０の耐電圧性能を向上させる。絶縁物３の表面の電界値の垂直方向成分Ｅｘが沿面方向成分Ｅｙと比べて小さすぎると、ギャップ放電４ａが起こらず、放電４が沿面放電４ｂのみとなるので、絶縁スペーサ３０の耐電圧性能が向上しない。

図３に示した絶縁スペーサ３０では、高電圧電極１の突起部１ａと接地電極２の突起部２ａは、絶縁物３の沿面に対してほぼ平行に突出する。高電圧電極１の突起部１ａと接地電極２の突起部２ａは、絶縁物３の沿面に対して斜めに突出してもよい。

図６は、本実施例による絶縁スペーサ３０の別の構成を示す正面断面図である。図６に示す絶縁スペーサ３０では、高電圧電極１の突起部１ａは、絶縁物３の表面と接地電極２に向かって突出し、接地電極２の突起部２ａは、絶縁物３の表面と高電圧電極１に向かって突出する。すなわち、高電圧電極１の突起部１ａと接地電極２の突起部２ａは、絶縁物３の沿面に対して斜めに、絶縁物３に向かって突出する。高電圧電極１の突起部１ａと接地電極２の突起部２ａが、絶縁物３の沿面に向かって斜めに突出する構成は、ギャップ放電４ａが起こりやすく、絶縁スペーサ３０の耐電圧性能が向上するので好ましい。

本実施例では、高電圧電極１が突起部１ａを備えるとともに接地電極２が突起部２ａを備える構成について説明した。本実施例による絶縁スペーサ３０は、高電圧電極１が突起部１ａを備え接地電極２が突起部２ａを備えない構成や、高電圧電極１が突起部１ａを備えず接地電極２が突起部２ａを備える構成でも、耐電圧性能が向上する効果を得ることができる。

本発明の実施例２による絶縁スペーサを説明する。以下では、本実施例による絶縁スペーサについて、実施例１による絶縁スペーサ３０と異なる点について主に説明する。

図７は、本発明の実施例２による絶縁スペーサ３１の構成を模式的に示す正面断面図である。図７において、図３と同一の符号は、実施例１と同一のまたは共通する要素を示し、これらの要素については説明を省略する。

絶縁スペーサ３１は、ｘ方向において、高電圧電極１の突起部１ａと絶縁物３との間に高電圧側絶縁バリア５を備えるとともに、接地電極２の突起部２ａと絶縁物３との間に接地側絶縁バリア６を備える。高電圧側絶縁バリア５は、高電圧電極１に設置される。接地側絶縁バリア６は、接地電極２に設置される。高電圧側絶縁バリア５と接地側絶縁バリア６は、絶縁バリアの役割を果たし、高電圧電極１と絶縁物３の間の放電と、絶縁物３と接地電極２の間の放電を阻害して、放電４（特に、ギャップ放電４ａ）の進展を阻害する。絶縁スペーサ３１は、高電圧側絶縁バリア５と接地側絶縁バリア６によって放電４の進展が阻害され、沿面距離が延びることにより、耐電圧性能が向上する。

高電圧側絶縁バリア５と接地側絶縁バリア６は、任意の絶縁材料で構成することができ、例えば絶縁物３と同種の絶縁材料で構成することができる。高電圧側絶縁バリア５は、絶縁物３との間に隙間を設けて、接地電極２に向かって突出するように、高電圧電極１に設置されるのが好ましい。接地側絶縁バリア６は、絶縁物３との間に隙間を設けて、高電圧電極１に向かって突出するように、接地電極２に設置されるのが好ましい。

高電圧側絶縁バリア５は、ｙ方向において、接地電極２に面する端部の位置が、高電圧電極１の接地電極２に面する端部（突起部１ａの接地電極２に面する端部）の位置よりも、接地電極２に近いのが好ましい。接地側絶縁バリア６は、ｙ方向において、高電圧電極１に面する端部の位置が、接地電極２の高電圧電極１に面する端部（突起部２ａの高電圧電極１に面する端部）の位置よりも、高電圧電極１に近いのが好ましい。

なお、絶縁スペーサ３１は、高電圧側絶縁バリア５と接地側絶縁バリア６の一方だけを備えてもよい。絶縁スペーサ３１は、高電圧側絶縁バリア５と接地側絶縁バリア６の一方だけを備えても、耐電圧性能が向上する。

図８は、本発明の実施例２による絶縁スペーサ３１の、別の構成を示す正面断面図である。図８に示す絶縁スペーサ３１では、高電圧側絶縁バリア５は、絶縁物３の表面から離れるように接地電極２に向かって突出し、接地側絶縁バリア６は、絶縁物３の表面から離れるように高電圧電極１に向かって突出する。すなわち、高電圧側絶縁バリア５と接地側絶縁バリア６は、絶縁物３の沿面に対して斜めに、絶縁物３から離れるように突出する。

高電圧側絶縁バリア５と接地側絶縁バリア６が、絶縁物３から離れるように斜めに突出する構成は、絶縁物３の表面の電界値の沿面方向成分Ｅｙが小さくなり、沿面放電４ｂが起こりにくくなるため、ギャップ放電４ａが起こりやすく、絶縁スペーサ３０の耐電圧性能が向上するので好ましい。

図９は、本発明の実施例２による絶縁スペーサ３１の、さらに別の構成を示す正面断面図である。図９に示す絶縁スペーサ３１は、高電圧側絶縁バリア５と絶縁物３の間と、接地側絶縁バリア６と絶縁物３の間に、絶縁部材７を備える。高電圧側絶縁バリア５と接地側絶縁バリア６は、絶縁部材７によって絶縁物３と接続している。但し、高電圧側絶縁バリア５は、絶縁物３との間に隙間を備え、接地側絶縁バリア６は、絶縁物３との間に隙間を備える。

図９に示した絶縁スペーサ３１は、高電圧電極１の突起部１ａから高電圧側絶縁バリア５へのギャップ放電４ａと、接地側絶縁バリア６から接地電極２の突起部２ａへのギャップ放電４ａが起こりやすくなり、耐電圧性能がさらに向上する。

絶縁部材７は、任意の絶縁材料で構成することができ、例えば絶縁物３と同種の絶縁材料で構成することができる。また、高電圧側絶縁バリア５と接地側絶縁バリア６と絶縁部材７は、絶縁物３と一体に構成されてもよい。なお、絶縁部材７は、高電圧側絶縁バリア５と絶縁物３の間と接地側絶縁バリア６と絶縁物３の間の、一方だけに設置してもよい。

なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記の実施例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、本発明は、必ずしも説明した全ての構成を備える態様に限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能である。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、削除したり、他の構成を追加・置換したりすることが可能である。

１…高電圧電極、１ａ…突起部、２…接地電極、２ａ…突起部、３…絶縁物、４…放電、４ａ…ギャップ放電、４ｂ…沿面放電、５…高電圧側絶縁バリア、６…接地側絶縁バリア、７…絶縁部材、１１…高電圧導体、１２…接地タンク、１３…絶縁構造体、１４…導体、２０…遮断器、２１…断路器、２２…接地開閉器、２３…変流器、２４…変圧器、２５、２６…母線、３０、３１…絶縁スペーサ、４０…従来の絶縁スペーサ、１００…絶縁開閉装置。

Claims (10)

1. 第１の電極と、
   前記第１の電極を支持する絶縁物と、
   前記絶縁物に支持され、前記絶縁物を挟んで前記第１の電極と対向する第２の電極と、
   を備え、
   前記第１の電極と前記第２の電極の少なくとも一方は、対向する他の前記電極に向かって突出する突起部を備える、
   ことを特徴とする絶縁スペーサ。
2. 前記突起部は、前記絶縁物の沿面に対して斜めに突出する、
   請求項１に記載の絶縁スペーサ。
3. 前記突起部と前記絶縁物との間に、絶縁材料で構成された絶縁バリアを備える、
   請求項１に記載の絶縁スペーサ。
4. 前記絶縁バリアと前記絶縁物との間には、隙間がある、
   請求項３に記載の絶縁スペーサ。
5. 前記第１の電極は、前記突起部を備え、
   前記絶縁バリアは、前記第２の電極に向かって突出するように前記第１の電極に設置されている、
   請求項３に記載の絶縁スペーサ。
6. 前記第２の電極は、前記突起部を備え、
   前記絶縁バリアは、前記第１の電極に向かって突出するように前記第２の電極に設置されている、
   請求項３に記載の絶縁スペーサ。
7. 前記絶縁バリアと前記絶縁物とを接続する絶縁部材を備える、
   請求項３に記載の絶縁スペーサ。
8. 前記絶縁バリアは、前記絶縁物の沿面方向において、前記第２の電極に面する端部の位置が、前記突起部の前記第２の電極に面する端部の位置よりも、前記第２の電極に近い、
   請求項５に記載の絶縁スペーサ。
9. 前記絶縁バリアは、前記絶縁物の沿面方向において、前記第１の電極に面する端部の位置が、前記突起部の前記第１の電極に面する端部の位置よりも、前記第１の電極に近い、
   請求項６に記載の絶縁スペーサ。
10. 接地タンクと、
    前記接地タンクの内部に設けられた高電圧導体と、
    前記接地タンクの内部で前記高電圧導体を支持する絶縁スペーサを備え、
    前記絶縁スペーサは、請求項１から９のいずれか１項に記載の絶縁スペーサであり、
    前記絶縁スペーサの前記第１の電極は、前記高電圧導体または前記高電圧導体に接続された導体であり、
    前記絶縁スペーサの前記第２の電極は、前記接地タンクに設置された電極または前記接地タンクの壁面である、
    ことを特徴とする絶縁開閉装置。

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