JP2023028398A - ガス絶縁開閉装置 - Google Patents

Abstract

【課題】真空遮断器のアークシールド電位を上昇させることで、電圧印加部である側の接点電極とアークシールド間に掛かる電圧が高くなるのを抑制することができるガス絶縁開閉装置を提供する。【解決手段】真空遮断器を接地容器内に絶縁した状態で支持して構成されたガス絶縁開閉装置において、一端が真空遮断器の電源側となる高電圧導体に電気的に接続され、他端が所定の空間距離を介して真空遮断器近傍に位置するように配置された、導電性材料からなるアークシールド電圧調整導体を設けた。【選択図】図１

Description

本発明は、変電所や開閉所等に適用されるガス絶縁開閉装置に係り、特に真空遮断器を使用したガス絶縁開閉装置に関するものである。

ガス絶縁開閉装置は、電力系統において、落雷時の短絡故障等からの系統保護や、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。真空遮断器、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。そして、３相分が並列に配置されて１回路分となり主母線により接続されている。

各機器の接地容器の内部には、絶縁性能の優れた、例えばＳＦ６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等で支持または固定されている。この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、信頼性の高い開閉機器として広く適用されている。従来のガス絶縁開閉装置の例としては、特開２０１４－９９３８１号公報（特許文献１）に記載のガス絶縁開閉装置が知られている。

この特許文献１にある発明は、高さを低減して小型化が可能なガス絶縁開閉装置を提供することを目的としている。そして、ケーブルヘッドから引き込まれる受電ケーブルは受電側断路器、受電側接地開閉器及びアレスタに電気的に接続されている。

遮断器は受電側の領域において、受電側断路器を経て受電ケーブルに接続され、かつ、絶縁スペーサを介して下側配置の接地開閉器付き断路器に接続され、下側配置の接地開閉器付き断路器はガス絶縁容器の背面側に接地極を有している。

更に、遮断器との電気的接続部よりも接地極側に母線側電極を有し、母線側電極は上側配置の接地開閉器付き断路器の主回路側電極を介して一方の母線に接続されている。上側配置の接地開閉器付き断路器は、ガス絶縁容器の前面側に接地極を有し、上側配置の接地開閉器付き断路器の主回路電極及び接地極の間に他方の母線が接続されている。

特開２０１４－９９３８１号公報

特許文献１には、絶縁性ガスを封入した接地電位の密閉容器内に遮断器や断路器等を設置し、電力系統から受電する受電ユニットから、遮断器や断路器等を介して、電力を負荷側に供給する供給ユニットを有するガス絶縁開閉装置が記載されている。

そして、近年のガス絶縁開閉装置に適用している遮断器は、耐久性の観点から真空遮断器が適用され、ガス絶縁容器内に接点電極を収納した真空遮断器が配置されている。この真空遮断器内に配置した接点電極の周囲には、接点電極が電流を遮断する際に発生するアーク（金属蒸気）から真空容器を形成する絶縁ケースを保護するためにアークシールドが、接点電極の周囲に浮遊電位の状態で配置されている。

ここで、浮遊電位で運用している真空遮断器のアークシールドの電位は、周囲の高電圧部材、接地電位部材、絶縁部材との空間静電容量で決定されるが、接地電位である密閉容器近傍に真空遮断器が配置されているため、真空遮断器のアークシールドの電位は、電源側の印加電圧の半分以下に低下する。

このような場合、電圧印加部である側の接点電極とアークシールド間に掛かる電圧（電位差）が高くなるため、絶縁距離を長くする必要があり、真空遮断器のサイズ（体格）を小さくすることができないという課題があった。

本発明の目的は、真空遮断器のアークシールドの電位を上昇させることで、電圧印加部である側の接点電極とアークシールドの間に掛かる電圧（電位差）が高くなるのを抑制することができるガス絶縁開閉装置を提供することにある。

上記した課題を解決するため、本発明においては、絶縁性ガスが封入された接地電位の密閉容器内に、固定側電極と可動側電極を備え、しかもこれらの電極の周囲にアークシールドを配置した真空遮断器を密閉容器から電気的に絶縁した状態で支持して構成したガス絶縁開閉装置において、一端が真空遮断器の電源側となる高電圧導体に電気的に接続され、他端が所定の空間距離を介して真空遮断器の近傍に位置するように配置された、導電性材料からなるアークシールド電圧調整導体を設けたことを特徴とするものである。

本発明によれば、真空遮断器のアークシールドの電位を上昇させることで、電圧印加部である側の接点電極とアークシールドの間に掛かる電圧（電位差）が高くなるのを抑制することができる。尚、上記した以外の課題、構成及び効果については、以下に説明する実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の第1の実施形態になるガス絶縁開閉装置の断面図である。 図1に示す真空遮断器の構成を説明する断面図である。 本発明の第２の実施形態になるガス絶縁開閉装置の断面図である。 本発明の第３の実施形態になるガス絶縁開閉装置の断面図である。 本発明の第４の実施形態になるガス絶縁開閉装置の断面図である。 本発明の第５の実施形態になるガス絶縁開閉装置の断面図である。 本発明の実施形態に使用されるアークシールド電圧調整導体の第1の変形例の断面図である。 本発明の実施形態に使用されるアークシールド電圧調整導体の第２の変形例の断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されることなく、本発明の技術的な概念の中で種々の変形例や応用例をもその範囲に含むものである。以下、本発明のガス絶縁開閉装置の実施例について、図面を用いて説明する。なお、各実施例において、同一構成部品には同符号を使用する。

図１は、本発明の第１の実施形態になるガス絶縁開閉装置の側断面を示している。一般需要家向けの受電ユニットとして構成したガス絶縁開閉装置は、夫々のガス区分空間毎に絶縁性ガスを充填した密閉容器内に、高電圧機器部品を絶縁支持体によって密閉容器から電気的に絶縁した状態で支持する構成とされている。

例えば、図１に示した第１の密閉容器１０には、真空遮断器（真空バルブ）１１が配置され、この真空遮断器１１の一端部（可動電極側）は、遮断器側高電圧導体１２Ａ、及び断路器１３を介して断路器側高電圧導体１２Ｂと接続され、更に断路器側高電圧導体１２Ｂはケーブルヘッド１４に接続されて第１の密閉容器１０の外に絶縁した状態で導き出され、最終的にケーブル１５に接続されている。そして、ケーブル１５は図示しない種々の負荷装置に接続されることになる。

また、第１の密閉容器１０内には、定期点検等の時に内部の断路器側高電圧導体１２Ｂを接地する接地開閉器１６が配置されている。これらの真空遮断器１１、断路器１３、接地開閉器１６、及びこれらを接続する高電圧導体１２Ａ、１２Ｂ等を収納・配置した第１の密閉容器１０には、所定の絶縁性能を有した絶縁支持部材１７が配置されており、これらの絶縁支持部材１７によって、真空遮断器１１、断路器１３、接地開閉器１６、及びこれらを接続する高電圧導体１２Ａ、１２Ｂ等が、第１の密閉容器１０から電気的に絶縁した状態で支持されている。したがって、第1の密閉容器１０は接地電位となっている。

また、真空遮断器１１の他端部（固定電極側）は遮断器側高電圧導体１２Ｃに接続され、この遮断器側高電圧導体１２Ｃは、第１の密閉容器１０との間に絶縁スペーサ１８を介して、ガス的に区分された第２の密閉容器１９の内部に導き出されて断路器２０の一端に接続されている。

更に、この断路器２０の他端は、高電圧導体１２Ｄを介して絶縁スペーサ２１によって第２の密閉容器１９とガス的に区分された隣接する機器に接続されている。これらの断路器２０、及び高電圧導体１２Ｄ等を収納・配置した第２の密閉容器１９には、所定の絶縁性能を有した絶縁支持部材１７が配置されており、これらの絶縁支持部材１７によって、断路器２０、及び高電圧導体１２Ｄ等が、第２の密閉容器１９から電気的に絶縁した状態で支持されている。したがって、第２の密閉容器１９は接地電位となっている。

真空遮断器１１の可動電極側（真空遮断器の下側）、断路器１３の可動側（図面の断路器の左側）、また接地開閉器１６の可動側（図面の接地開閉器の左側）、更に断路器２０の可動側（図面の断路器の左側）は、詳細な図示を省略したが、リンク機構を介して夫々に第１の密閉容器１０、及び第２の密閉容器１９の気密を保持しながら導き出されて、操作盤２２内に配置した各操作機器に連結されている。

図２は、図１に示した真空遮断器１１の断面を示している。ただ、この図２においては、本実施形態の特徴であるアークシールド電圧調整導体２３も示しているが、これについては後述する。

図２において、真空遮断器１１は、円筒絶縁ケース３０の一端に接合された固定側端板３１と、固定側端板３１を気密状態で貫通する固定側導体３２と、円筒絶縁ケース３０の他端に接合された可動側端板３３と、可動側端板３３に一端が接続され、可動部の駆動を許容する蛇腹形状のベローズ３４と、ベローズ３４を気密状態で貫通して、真空を維持しながら軸方向に駆動される可動側導体３５とで構成され、内部圧力はおよそ１０^―２Ｐａ以下の真空に保たれている。

そして、円筒絶縁ケース３０の内部には、円筒絶縁ケース３０で支持された浮遊電位のアークシールド３６と、固定側導体３２の端部に固定された固定側電極３７と、可動側導体３５の端部に固定された可動側電極３８が配置されている。可動側導体３５は、図示しない操作用ロッドを介して第１の密閉容器１０の外側に配置した操作機構部に接続されている。この操作機構部の駆動動作に連動して、可動側電極３８が駆動されることで、固定側電極３７と可動側電極３８の接離、即ち、真空遮断器の開状態と閉状態を切り替えることができる。

ここで、浮遊電位で運用している真空遮断器１１のアークシールド３６の電位は、第1の密閉容器１０に配置された高電圧部材、接地電位部材、絶縁部材の周囲の空間静電容量で決定される。このため、接地電位である第1の密閉容器１０の近傍に真空遮断器１１が配置されているため、真空遮断器１１のアークシールド３６の電位は、印加電圧の半分以下に低下することがあり、固定側電極３７とアークシールド３６の間に作用する電圧（電位差）が高くなるため、絶縁距離を長くする必要があり、真空遮断器１１のサイズ（体格）を小さくすることができないという課題があった。

この課題に対応するため、本実施形態では、真空遮断器１１のアークシールド３６電位を上昇させることで、固定側電極３７とアークシールド３６の間に作用する電圧（電位差）が高くなるのを抑制する構成を提案するものである。

図１に戻って、本実施形態では、真空遮断器１１を第1の接地容器１０の内部に絶縁した状態で支持したガス絶縁開閉装置において、第1の密閉容器１０内に配置された遮断器側高電圧導体１２Ｃに、これと電気的に接続されるアークシールド電圧調整導体２３を設けたことを特徴としている。

つまり、アークシールド電圧調整導体２３の一端２３Ｓが、真空遮断器１１の電源側となる第1の密閉容器１０内に配置された遮断器側高電圧導体１２Ｃに電気的に接続され、他端２３Ｅが「所定の空間距離」を介して真空遮断器１１の近傍に位置するように配置されている。

図２に示しているように、アークシールド電圧調整導体２３はアルミニウム、銅等の導電性材料から作られた「棒状」の形態を有しており、断面が円形状とされている。また、先端形状は球面、或いは球面以外の弧状面として形成されている。このような形状としたのは、角部を形成すると電界集中が起こりやすく、放電現象が生じ易くなるのを避けるためである。尚、本実施形態では、球面を含めて弧状面として取り扱っている。

また、アークシールド電圧調整導体２３は、アークシールド３６が存在するＰ点まで延びて配置されている。更にアークシールド電圧調整導体２３が延びる方向（軸線方向）は、アークシールド３６の長手方向と同じ方向に決められている。ここで、図２に示す上述した所定の空間距離（Ｄ）とは、真空遮断器１１とアークシールド電圧調整導体２３の間で放電が生じない程度の所定の絶縁性能を確保できる距離である。尚、この距離は、ガス絶縁開閉装置の仕様によって適切に決められる値である。

このように構成される本実施例のガス絶縁開閉装置においては、アークシールド電圧調整導体２３を、真空遮断器１１の近傍（所定の空間距離を介して）に配置することで、円筒絶縁ケース３０の内部に配置された浮遊電位のアークシールド３６とアークシールド電圧調整導体２３の間に静電容量が発生するため、浮遊電位のアークシールド３６の電位が上昇する。

ここで、アークシールド電圧調整導体２３を配置しない場合、浮遊電位のアークシールド３６の電位は、真空遮断器１１の周囲の高電圧導体１２Ａ～１２Ｃと接地電位の第1の密閉容器１０の間の距離と対向面積で決まる静電容量の分圧で電位が決まる。

接地電位の第1の密閉容器１０と浮遊電位のアークシールド３６の静電容量が、高電圧導体１２Ａ～１２Ｃとアークシールド３６の静電容量より大きいため、接地電位の第1の密閉容器１０と浮遊電位のアークシールド３６のインピーダンスが、高電圧導体１２Ａ～１２Ｃとアークシールド３６の静電容量より小さくなり、アークシールド３６の電位が接地電位寄り（接地電位に近づく）となる。

つまり、第1の密閉容器１０とアークシールド３６の電位差より、高電圧導体１２Ａ～１２Ｃとアークシールド３６の間の電位差の方が大きくなる。このような場合、電位差が大きい高電圧導体１２Ａ～１２Ｃとアークシールド３６の間が必然的に高電界となるため、絶縁距離を長くする必要があり、結果的に真空遮断器１１のサイズ、ひいてはガス絶縁開閉装置のサイズが大きくなる。

本実施形態で示したように、真空遮断器１１の近傍にアークシールド電圧調整導体２３を配置してアークシールド３６の電位を上昇させて、密閉容器１０とアークシールド３６の間の電位差と、高電圧導体１２Ａ～１２Ｃとアークシールド３６の間の電位差をおよそ同等にすることで、真空遮断器１１のアークシールド３６の電位を上昇させ、電圧印加部である固定側電極３７とアークシールド３６の間に掛かる電圧が高くなるのを抑制することができる。この結果、固定側電極３７とアークシールド３６の間の距離を短くできるので真空遮断器の小形化を実現できる。

また、アークシールド電圧調整導体２３が遮断器側高電圧導体１２Ｃに接続されているため、遮断器側高電圧導体１２Ｃに流れる電流により発生するジュール熱に対し、アークシールド電圧調整導体２３が放熱フィンの役割を担うことができるため、遮断器側高電圧導体１２Ｃの縮径化を図ることができ、ひいてはガス絶縁開閉装置の小形化、軽量化に貢献することが可能になる。

次に本発明の第２の実施形態について説明する。第１の実施形態では第２の密閉容器１９の側を電源側としたので、遮断器側高電圧導体１２Ｃにアークシールド電圧調整導体２３を接続している。これに対して、第２の実施形態では、第1の密閉容器１０の遮断器側高電圧導体１２Ａを電源側としたものである。尚、第1の実施形態と同様な部品については説明を省略する。

図３において、本実施形態では、真空遮断器１１を第1の接地容器１０の内部に絶縁した状態で支持したガス絶縁開閉装置において、第1の密閉容器１０内に配置された遮断器側高電圧導体１２Ａに、これと電気的に接続されるアークシールド電圧調整導体２４を設けたことを特徴としている。

つまり、アークシールド電圧調整導体２４の一端２４Ｓが、真空遮断器１１の電源側となる第1の密閉容器１０内に配置された遮断器側高電圧導体１２Ａに電気的に接続され、他端２４Ｅが所定の空間距離を介して真空遮断器１１の近傍に位置するように配置されている。尚、アークシールド電圧調整導体２４と真空遮断器11の配置構成は第1の実施形態と同様である。

本実施形態においても、真空遮断器１１の近傍にアークシールド電圧調整導体２４を配置してアークシールド３６の電位を上昇させて、密閉容器１０とアークシールド３６の間の電位差と、高電圧導体１２Ａ～１２Ｃとアークシールド３６の間の電位差をおよそ同等にすることで、真空遮断器１１のアークシールド３６の電位を上昇させ、電圧印加部である固定側電極３７とアークシールド３６の間に掛かる電圧が高くなるのを抑制することができる。この結果、固定側電極３７とアークシールド３６の間の距離を短くできるので真空遮断器の小形化を実現できる。

次に本発明の第３の実施形態について説明する。第１の実施形態では、アークシールド電圧調整導体２３は、表面が導電性材料を露出した状態とされている。これに対して、第３の実施形態では、アークシールド電圧調整導体２３の表面に絶縁塗料を塗布したものである。尚、第1の実施形態と同様な部品については説明を省略する。

図４において、本実施形態のガス絶縁開閉装置のアークシールド電圧調整導体２５は、表面に絶縁塗料による絶縁コーティング層２５Ｃが形成されている。絶縁コーティング層２５Ｃは、アークシールド電圧調整導体２５の表面の全てに形成しても良く、また、必要な部分にだけ形成しても良い。

このように構成されるガス絶縁開閉装置は、遮断器側高電圧導体１２Ｃに接続したアークシールド電圧調整導体２５の表面の電界を抑制できるため、絶縁性能を向上することができる。この結果、アークシールド電圧調整導体２５とその周囲の構成部材の絶縁距離を短くすることができるため、ガス絶縁開閉装置を更に小形化することができる。

次に本発明の第４の実施形態について説明する。第２の実施形態では、アークシールド電圧調整導体２４は、表面が導電性材料を露出した状態とされている。これに対して、第４の実施形態では、アークシールド電圧調整導体２４の表面に絶縁塗料を塗布したものである。尚、第２の実施形態と同様な部品については説明を省略する。

図５において、本実施形態のガス絶縁開閉装置のアークシールド電圧調整導体２６は、表面に絶縁塗料による絶縁コーティング層２６Ｃが形成されている。絶縁コーティング層２６Ｃは、アークシールド電圧調整導体２６の表面の全てに形成しても良く、また、必要な部分にだけ形成しても良い。

このように構成されるガス絶縁開閉装置は、遮断器側高電圧導体１２Ａに接続したアークシールド電圧調整導体２６の表面の電界を抑制できるため、絶縁性能を向上することができる。この結果、アークシールド電圧調整導体２６とその周囲の構成部材の絶縁距離を短くすることができるため、ガス絶縁開閉装置を更に小形化することができる。

次に本発明の第５の実施形態について説明する。第１の実施形態～第４の実施形態では、真空遮断器１１に接続された遮断器側高電圧導体１２Ｃ、１２Ａにアークシールド電圧調整導体２３～２６を接続している。これに対して、第５の実施形態では、第1の密閉容器１０の断路器側高電圧導体１２Ｂを電源側とし、これにアークシールド電圧調整導体２7を接続したものである。尚、第1の実施形態と同様な部品については説明を省略する。

図６において、第1の密閉容器１０内に配置され、断路器１３に接続された断路器側高電圧導体１２Ｂに、これと電気的に接続されるアークシールド電圧調整導体２７を設けたことを特徴としている。

つまり、アークシールド電圧調整導体２７の一端２７Ｓが、真空遮断器１１の電源側となる第1の密閉容器１０内に配置された断路器側高電圧導体１２Ｂに電気的に接続され、他端２７Ｅが「所定の空間距離」を介して真空遮断器１１の近傍に位置するように配置されている。尚、アークシールド電圧調整導体２７と真空遮断器１１の配置構成は、先の実施形態と異なり、アークシールド３６の長手方向に直交する方向に配置されている。

本実施形態においても、真空遮断器１１の近傍にアークシールド電圧調整導体２７を配置してアークシールド３６の電位を上昇させて、密閉容器１０とアークシールド３６の間の電位差と、高電圧導体１２Ａ～１２Ｃとアークシールド３６の間の電位差をおよそ同等にすることで、真空遮断器１１のアークシールド３６の電位を上昇させ、電圧印加部である可動側電極３８とアークシールド３６の間に掛かる電圧が高くなるのを抑制することができる。この結果、可動側電極３８とアークシールド３６の間の距離を短くできるので真空遮断器の小形化を実現できる。

次に、アークシールド電圧調整導体２３～２６の形状の変形例を説明する。上述したアークシールド電圧調整導体２３～２６は、断面が円形状の中実の導電性材料で作られた棒状であった。これに対して、以下のような形状とすることもできる。尚、以下では、アークシールド電圧調整導体２３～２６は、理解を助けるために誇張して描いている。

図７Ａにおいては、アークシールド電圧調整導体２３～２６は、断面が楕円状の中実の導電性材料で作られた棒状とされている。このような形状によっても真空遮断器１１のアークシールド３６の電位を上昇させることができる。また、角部がないので電界集中も抑制することができる。

また、図７Ｂにおいては、アークシールド電圧調整導体２３～２６は、断面が弧状、或いは円弧状の中実の導電性材料で作られた棒状とされている。このような形状によっても真空遮断器１１のアークシールド３６の電位を上昇させることができる。また、角部がないので電界集中も抑制することができる。尚、本実施形態では、円弧状を含めて弧状として取り扱っている。

以上述べた通り、本発明においては、絶縁性ガスが封入された接地電位の密閉容器内に、固定側電極と可動側電極を備え、しかもこれらの電極の周囲にアークシールドを配置した真空遮断器を密閉容器から電気的に絶縁した状態で支持して構成したガス絶縁開閉装置において、一端が真空遮断器の電源側となる高電圧導体に電気的に接続され、他端が所定の空間距離を介して真空遮断器の近傍に位置するように配置された、導電性材料からなるアークシールド電圧調整導体を設けたことを特徴とするものである。

これによれば、真空遮断器のアークシールド電位を上昇させることで、電圧印加部である側の接点電極とアークシールド間に掛かる電圧が高くなるのを抑制することができる。

尚、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために、具体的に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を有するもの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、他の実施例の構成の一部に置換することもできる。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を追加することもできる。また、各実施例の構成の一部について、それを削除し、他の構成の一部を追加し、他の構成の一部と置換することもできる。

１０…第１の密閉容器、１１…真空遮断器（真空バルブ）、１２Ａ…遮断器側高電圧導体、１２Ｂ…断路器側高電圧導体、１２Ｃ…遮断器側高電圧導体、１２Ｄ…高電圧導体、１３…断路器、１４…ケーブルヘッド、１５…ケーブル、１６…接地開閉器、１７…絶縁支持部材、１８…絶縁スペーサ、１９…第２の密閉容器、２０…断路器、２２…操作盤、２３…アークシールド電圧調整導体、２５Ｃ、２６Ｃ…絶縁コーティング層、３０…円筒絶縁ケース、３１…固定側端板、３２…固定側導体、３３…可動側端板、３４…ベローズ、３５…可動側導体、３６…アークシールド、３７…固定側電極、３８…可動側電極。

Claims (4)

1. 絶縁性ガスが封入された接地電位の密閉容器内に、固定側電極と可動側電極を備え、しかもこれらの電極の周囲にアークシールドを配置した真空遮断器を、前記密閉容器から電気的に絶縁した状態で支持して構成したガス絶縁開閉装置において、
   一端が前記真空遮断器の電源側となる高電圧導体に電気的に接続され、他端が所定の空間距離を介して前記真空遮断器の近傍に位置するように配置された、導電性材料からなるアークシールド電圧調整導体を設けた
   ことを特徴とするガス絶縁開閉装置。
2. 請求項１に記載するガス絶縁開閉装置において、
   前記高電圧導体は、前記真空遮断器に接続されている遮断器側高電圧導体である
   ことを特徴とするガス絶縁開閉装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載のガス絶縁開閉装置において、
   前記アークシールド電圧調整導体は、前記アークシールドの長手方向に沿って延びており、その断面は、円形状、楕円状、或いは弧状のいずれかである
   ことを特徴とするガス絶縁開閉装置。
4. 請求項１乃至請求項3のいずれか1項に記載するガス絶縁開閉装置において、
   前記アークシールド電圧調整導体の表面には絶縁コーティング層が形成されている
   ことを特徴とするガス絶縁開閉装置。

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