JP2581606B2

JP2581606B2 - Ｓｆ▲下６▼ガスしゃ断器

Info

Publication number: JP2581606B2
Application number: JP2139511A
Authority: JP
Inventors: 元男山口; 建蔵門谷; 曽根　　勇; 邦夫平沢; 正男細川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-05-29
Filing date: 1990-05-29
Publication date: 1997-02-12
Anticipated expiration: 2012-02-12
Also published as: JPH0329229A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕近年、電力系統の拡大及び電源立地条件の制約に伴
い、高い信頼性をもつ小形、軽量の高電圧・大容量のガ
スしゃ断器が望まれている。具体的には300kV,40kA程度
の高電圧・大容量のガスしゃ断器が望まれている。

本発明は、このような高電圧・大容量対応のSF₆ガス
しゃ断器に関する。

〔従来の技術〕

この種のガスしゃ断器に関する従来技術として、昭和
45年７月出願に係る特公昭53−28639号公報（以下、公
知文献１と言う）、および昭和46年12月出願に係る特開
昭48−58373号公報（以下、公知文献２と言う）が挙げ
られる。

公知文献１には、その発明として、主構成材料である
弗素化樹脂にブロンズ等の金属、酸化ケイ素や酸化アル
ミ等の金属酸化物、グラスファイバー等の無機充填材を
容積比で10〜80％混入させた構成の消孤ノズルが開示さ
れている。このしゃ断器は、しゃ断時にプラズマ状のア
ークから発生するエネルギー線が、ノズル表面に留まら
ず内部にまで侵入し、その内部において黒化現象を起こ
したり、母材の弗素化樹脂を熱分解してガスを発生さ
せ、この発生ガスは必然的に外部放出用の経路を索し、
機械的に脆弱な部分がこの経路となって前記ガスが放出
されることによって表面がめくれ落ちるという問題があ
るが、消孤ノズルを前記構成としたことにより、それに
混入された無機充填材が前記エネルギー線を遮蔽する働
きをして、消孤ノズル表面のめくれ落ちという問題を解
決できると言うことが記載されている。

公知文献２には、その従来技術として、弗素−炭素系
樹脂中に石英粉、アルミナ、金属酸化物等の無機材を充
填した絶縁ノズルを挙げ、その従来の絶縁ノズルは繰返
し電孤に曝されても前記無機材の充填によりその表面に
多数のクレーターが生成せず、これによって消孤性ガス
の流れに悪影響を及ぼすことはなくなったが、前記無機
材の充填量を増加すればする程（上記クレーター防止効
果は得られるが）、絶縁耐力や機械的強度が低下する等
といった別の問題点があるとして、絶縁ノズルの全体に
無機材を充填するのではなく、電孤熱を受けやすいノズ
ル先端側（第１図のａ領域）にだけ無機材を充填した構
成の絶縁ノズルが開示されている。すなわち、絶縁ノズ
ルの基端部側（同ｂ領域）は、先端側（ａ領域）に比べ
て電孤熱を受けにくいので無機材を充填する必要性が少
ないと共に、シリンダ等に固定されていることによっ
て、しゃ断及び投入動作に伴う機械的衝撃がこの部分に
集中するとして、その基端部側（ｂ領域）には無機材は
充填しない方が機械的強度の低下を防止できるという技
術的思想に基づく絶縁ノズルが開示されている。

該絶縁ノズル先端側（ａ領域）に充填される無機材の
具体例として、前記石英粉、アルミナ等の他に、ガラス
粉、ガラス繊維、二硫化モリブデン、銅粉、弗化カルシ
ウム、室化硼素等が同列に挙げられている。そして、そ
の無機材の重量含有率については、クレーター防止の観
点からは多ければ多いほど良いが、電気的、機械的強度
が低下するため50％以上では脆くなり、成型上また実用
上好ましくない結果が得られている、としている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、前記いずれの公知文献に記載されたガスしゃ
断器も、近年望まれている高電圧・大容量のものではな
い。公知文献1,2とも昭和45,46年当時のものであり、本
発明より10年も前の小容量のガスしゃ断器である。実
際、公知文献１のガスしゃ断器はその明細書に記載の通
り6kV、20kA程度の小容量のものである。また公知文献
２に記載のガスしゃ断器は、その容量について明細書に
明記されていないが、その出願がされた昭和46年当時は
大きくても170kV、30kAであり、まだまだ小容量のもの
である。

ガスしゃ断器は、この10年間で容量は極めて大きくな
り、今や300kV、40kAの高電圧・大容量のガスしゃ断器
が望まれている。

実際に従来使われていたガスしゃ断器のノズル材料を
用いて大容量条件にして絶縁特性等のしゃ断性能を確認
してみた。つまり、前記公知文献１に記載された技術的
考え方に沿って、アークから発生するエネルギー線を遮
蔽するためにグラスファイバー、A1₂O₃等の無機充填材
を弗素化樹脂に混入させた構成の消孤ノズルのサンプル
を用いてしゃ断及び投入を繰り返したところ、グラスフ
ァイバーについては直ぐに初期のしゃ断性能が得られな
くなってしまい、またA1₂O₃については後述する表１の
比較例２、３にそのしゃ断性能の結果が示されているよ
うに、その充填量が５％、20％のいずれの場合も内部劣
化により初期のしゃ断性能が直ぐに得られなくなってし
まった。すなわち、絶縁ノズルの内部劣化（ボイドやカ
ーボン発生）に起因して、高電圧に対する絶縁耐力が低
下し、しゃ断時に発生したアークにSF₆ガス流を吹き付
けて一旦は消孤しても完全にしゃ断動作が終了する前に
再びアークが発生したり、また絶縁ノズルの表面形状が
変化したことに因ると思われるが、SF₆ガス流でアーク
自体を吹き消すことの確実性が乏しくなった。大容量し
ゃ断器なのでアークから発生するエネルギー線も高エネ
ルギー化していることに起因して絶縁ノズルの内部劣化
が起こりやすくなったり、あるいはノズル表面形状が変
化しやすくなったのだろうと推定して、エネルギー線を
遮蔽するために含有させる無機材A1₂O₃の充填量を表１
の比較例４の如く60％に増加してみた。しかし、その結
果は表１に示した如く前記と同様であった。それは恐ら
くエネルギー線を遮蔽することによって所望の効果を得
るという従来の解決原理が、大容量しゃ断においてはほ
とんど成り立たなくなったことに因るものと思われる。

また、公知文献２に記載されているように、絶縁ノズ
ルの基端部側（ｂ領域）には無機材は充填せず、先端側
（ａ領域）にだけ無機材を充填したノズルを用いて、し
ゃ断及び投入を行うガスしゃ断器では、公知文献２の出
願当時の定格容量である170kV、30kA程度で用いる場合
と比べて、本発明が対象にする300kV、40kAという高電
圧大電流しゃ断を行うしゃ断器に使おうとすると装置が
大型化してしまう問題が生ずる。その理由は、大容量に
なるとしゃ断又は投入時に発生するアークが広範囲に広
がるため、従来と同じ大きさの絶縁ノズルを使うとその
基端部側（ｂ領域）にもアーク熱を多く受けてしまい、
公知文献２の技術的考え方を適用することができなくな
ってしまうので、絶縁ノズルの全長を長くして前記ｂ領
域にアーク熱を受けなうようにすることが必要だからで
ある。

上記したように現在のところ、１台で前記大容量を満
足するガスしゃ断器は開発されていない。便法として、
小容量のしゃ断器を複数台合わせて２点切り又は３点切
り等の接続構造にして、１台当りに掛かる負荷は小容量
で、全体としては大容量となるようにしているのが実状
である。このような多点切りしゃ断器はどうしても大型
化するため、１台の一点切りで大容量に対応できるガス
しゃ断器が望まれている。

そこで、本願発明者は、大容量のガスしゃ断器におい
ては、従来の小容量のガスしゃ断器とは質の異なる技術
的課題が存在しており、新たな解決原理が必要であると
の考えに立って、小容量のガスしゃ断器とは質の異なる
大容量しゃ断特有の技術的課題の本質的な手かがりを得
るために、ノズル材料である弗素樹脂中への無機材の充
填を公知文献1,2に記載の考え方に捕らわれずに、多く
の無機材について充填量や粒径等その他の特性について
種々条件を変えてしゃ断性能を確認した。その結果、無
機材を酸化チタン（TiO₂）や窒化硼素（BN）とした場
合、他のグラスファイバー等と異なり、300kV、40kAと
いう大容量に対して初期のしゃ断性能を長く維持できる
ものと維持できないものがあると言う新たな特質を発見
した。例えばBNの場合、同じ１容量％の充填量であって
も初期のしゃ断性能を長く維持できるものと維持できな
いものがあった。

この原因を種々調べた結果、絶縁ノズルの光反射率と
大容量しゃ断に対するしゃ断性能維持との間に相関があ
ることを見出した。すなわち絶縁ノズルの光反射率をあ
る値以上にすると初期のしゃ断性能を長く維持でき、そ
れ以下では維持できないことがわかった。本発明はこの
相関を見出して為されたものである。

すなわち本発明の目的は、300kV、40kAという大容量
しゃ断に特有の技術的課題を解決し、一点切り構造でも
初期のしゃ断性能を長く維持できる（10回しゃ断が可能
である）高電圧・大容量対応のSF₆ガスしゃ断器を提供
することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため本発明は、固定電極とその固
定電極に接離する可動電極とそれらの電極間に設けられ
た弗素樹脂絶縁物からなるノルズとを備え、300kV,400k
Aという高電圧大電流しゃ断時に前記電極間に発生する
アークに前記ノズルからSF₆ガスを吹き付けて消孤する
しゃ断器であって、前記ノルズは、前記弗素樹脂絶縁物
として四弗化エチレン樹脂で形成されており、これに窒
化ほう素粉末が１〜10容量％充填材として含有され、且
つ前記絶縁物の前記樹脂の融点における光反射率が60％
以上に形成されたことを特徴とするSF₆ガスしゃ断器で
ある。

〔作用〕

300kV、40kAという大容量しゃ断では、従来の小容量
しゃ断と同じ技術的考え方で弗素樹脂に無機材を充填し
ても、初期のしゃ断性能を長く維持できないという大容
量ガスしゃ断器に特有の技術的課題を有しているが、本
発明によれば、弗素樹脂絶縁物の前記樹脂の融点におけ
る光反射率が60％以上になるように窒化硼素が充填され
ているので、前記大容量のアークから発生する高エネル
ギー線はほとんど反射されてしまい、絶縁ノズル内部に
留まらないようにすることができる。これにより絶縁ノ
ズルの内部劣化は防止され、絶縁耐力の低下を防止で
き、初期のしゃ断性能を長く維持できる。

また大容量しゃ断では、当然に大容量アークから発生
する高エネルギー線に絶縁ノズル表面が晒される。前記
の如く光反射率を規定することにより絶縁ノズル内部に
電孤熱は留まらないので、該ノズル内部は材質的にほと
んど変化しない。よって従来のように内部劣化に基づい
てノズル表面がめくれ落ちるという問題は生じない。し
かし、絶縁ノズル表面が高エネルギー線に晒されるの
で、低エネルギー線とは異なりノズル表面が直接消耗す
る。BNの充填量を光反射率だけを考慮して定めるとこの
表面消耗が多くなる問題が出て来る。そもそもガスしゃ
断器ではそのしゃ断性能を発揮するために、最適なノズ
ルの形状が決定されており、前記消耗により寸法が変化
すると初期のしゃ断性能を発揮できない。本発明ではBM
粉末の充填量を１〜10容量％に限定することにより、前
記表面消耗の問題を生じなくしている。更に充填材がTi
O₂である場合、前記の如く内部劣化の問題はないが表面
消耗の点で好ましくない。そこでBNだけに限定されてい
る。窒化硼素は他の無機充填材に比べて広い波長範囲で
光反射率が高いという特徴を有しているためと思われ
る。

ところで、前記弗素樹脂の融点の温度における光反射
率を測定するのは、樹脂自体の反射率が加味されないよ
うに該樹脂自体をゲル状態（透明もしくは半透明状態）
にして該樹脂中に分散された充填材の光反射率を測定す
るためである。

一般にフッ素樹脂の融点は、第一次転移点もしくはゲ
ル化点とも呼ばれ、結晶性を失いゲル化する温度であ
る。四フッ化エチレン樹脂の場合、その融点は327℃と
されているが、工業的に成型されたものについてはJIS
規格により327±10℃と規定されている。成型された樹
脂は融点以上になっても数十℃の範囲では加熱により膨
張するもののその形状はほぼ維持される。

本発明において『融点』とは、工業的なばらつきも考
慮して規定された上限値以上で、その形状・寸法に大幅
な変化のない範囲の前記上限値に近い温度と定義する。

この状態でフッ素樹脂の光反射率はなお数％の値を有
するが、樹脂中に分散された充填材の光反射率への影響
は少ない。後述する比較例及び実施例においては、四フ
ッ化エチレン樹脂については前記のJIS規定の値を考慮
し340℃において測定した。

光反射率の測定は、充填材を含有する樹脂をフィルム
状にし、このフィルムを高熱チャンバー内に高屈折率透
明板を介して所定の間隔をもって平行に並設し、一定の
光源から所定波長（250nm〜800nm）の光を照射し、フィ
ルム（試料）間を複数回（ｎ回）全反射させて反射光を
求めて入射光と反射光との比から反射率を求めた。

I₁＝（I₀−I₂）η^ｎ即ち反射率 η＝（I₁/I₀−I₂）^1/n ここで、I₀、I₁、I₂、I₀−I₂は以下の通りである。

I₀:光源の光 I₁:反射光 I₂:試料を除き前記高屈折率透明板のみで同じ光路で全
反射させた時の透過光 I₀−I₂:入射光この方法（多重全反射法）によれば、フィルムの厚さ
を光波長λに対して大きくしておくことにより、厚さの
反射率に及ぼす影響を十分小さくできる。

このようにして求めた光反射率ηは波長λの関数であ
り、分光反射率といいη（λ）と表す。一般に光源も分
光組成を有するので、その入射光も同様に、I₀（λ）−
I₂（λ）と表記する。本発明で単に反射率と言う場合は
上記の分光反射率から次式により求めた平均値のことで
ある。

本発明では、分光反射率を測定し、かつ上式の積分平
均する範囲は250nm−800nmの範囲とし、遮断器において
発生するアークのエネルギー線のスペクトルに対応した
ものであることを必要としない。この範囲であれば市販
の分光光度計を用いることができる。

本発明において、絶縁物の光反射率を60％以上とする
ために樹脂中に分散されるBNの添加量を１〜10容量％の
範囲で適宜選定することができるが、BN粉末に加えて他
の充填材例えば弁柄の粉末を分散することもできる。

本発明において充填材の添加量は容量％であらわす。
しかし実際の調合にあたっては樹脂及び充填材は粉末状
であるから、重量を測定して添加割合をきめている。こ
の割合は重量％となるが、本発明では光エネルギー線の
反射効果を対象にしているので容量％が意味を持つ。重
量％と容量％とは樹脂及び充填材の比重によって換算さ
れる。この比重は素材の品質などにより幾分ばらつきが
あるのが普通であり、ここでは一般に認められる下限値
から上限値までの範囲が考慮されなければならない。

〔実施例〕

四弗化エチレン樹脂に第１表に示す各種充填材を添加
した絶縁ノズルを用いて内部劣化を測定した。第１表に
おいて340℃における光反射率とは前述の方法で測定し
たものであり、実際のガスしゃ断器で電流を遮断した時
の値をいうものではない。

第１表に示した測定結果によれば、消孤ガスであるSF
₆ガスを吹き付けて300kV、40kAで10回しゃ断後の絶縁ノ
ズル内部劣化（耐アーク性）は、絶縁ノズルの光反射率
が60％以上の場合、TiO₂およびBNが優れていることが分
かる。無機材がA1₂O₃では、比較例２、３及び４の如
く、充填量が５％、20％及び６％のいずれにおいても光
反射率が60％以下であり、内部劣化していることがわか
る。また、実施例１と同じに、BNを１容量％充填した場
合でも、成形条件（温度、圧力）や、充填材の品質（粒
度、不純物）などの条件の違いにより、比較例11に示し
た如く光反射率が60％以下になると、アーク光を反射す
る能力が低くなり、内部劣化が発生することがわかる。
同様に、実施例3,4に示した如く、BNの充填量が同じ場
合でも成形条件やBN粉末の品質により光反射率が異なる
ことがわかる。

各種充填材入りの弗素樹脂の光反射率は、第１図の通
りであり（第１図の反射率0.8が約60％の光反射率に相
当する）、BN充填弗素樹脂は広範囲の波長域に対して分
光反射率が60％以上であることが分かる。ここで特に注
目すべきことは、BNを添加した絶縁ノズルは広い波長範
囲で比較的平坦かつ高い分光反射率を有していることで
ある。これはBNを添加した弗素樹脂組成物が他の場合に
比べ優れた内部耐アーク性を有することを意味する。

第２表は各種充填材入り弗素樹脂組成物で作った絶縁
ノズルを空気中でアークに曝した場合のノズル消耗量
と、そのノズルを実機SF₆ガス遮断器に組込んで、アー
ク劣化実験を行なった後、その表面消耗量を求めたもの
である。

第２表の結果に、充填材がBN以外のTiO₂等ではSF₆ガ
ス中での表面消耗量が大きいことが示されていることが
わかる。すなわち、このような表面消耗量の大きい絶縁
ノズルを用いると、予め設計されたノズル表面の最適形
状を長く保てなくなるので、SF₆ガスの吹き付けによる
消孤能力が当然に低下し、初期のしゃ断性能を長く維持
できなくなることが確認できる。よってBN以外の無機材
を充填するのは、初期のしゃ断性能を長く維持するため
には適当でない。

また、第２表はアーク電流値とアーク継続時間の積に
対する表面消耗量を比較したものである。第２表におい
て空気中消耗量及びSF₆ガス中消耗量は相対量である。
この結果によれば、種々の充填材を添加した絶縁ノズル
のうち、BNを添加した絶縁ノズルはSF₆ガス中での消耗
量が著しく少ないことが分かる。他の充填材の場合は空
気中での消耗量より、環境が厳しいSF₆ガス中での消耗
量が大きいが、本発明によるノズル材の場合はSF₆ガス
中での消耗量が空気中での消耗量より少ないという特異
な効果を有する。

〔発明の効果〕本発明によれば、絶縁ノズルは光反射率が60％以上に
なるように窒化硼素が充填されているので、300kV、40k
Aという高電圧大電量しゃ断時のアークから発生する高
エネルギー線は窒化硼素によりほとんど反射され、絶縁
ノズル内部に留まらないようにすることができる。これ
により、大電流アークに晒されても絶縁ノズルの内部劣
化を防止できるので、絶縁耐力の低下を防止できる。更
に、充填材はBNに限定し、その充填量も１〜10容量％に
限定したので、大容量アークによる直接的な表面消耗は
少なくなり、これにより最適なノズルの形状を長く維持
できる。以上のように、本発明によれば、300kV,40kAと
いう大容量のガスしゃ断器における特有の技術的課題を
解決し、その初期のしゃ断性能を長期間維持することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は各種充填材を添加した四弗化エチレン樹脂絶縁
物の成形品の光反射率を示すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者平沢邦夫茨城県日立市幸町３丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者細川正男茨城県日立市国分町１丁目１番１号株式会社日立製作所国分工場内 (56)参考文献特開昭48−58373（ＪＰ，Ａ) 特公昭48−38216（ＪＰ，Ｂ１)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】固定電極とその固定電極に接離する可動電
極とそれらの電極間に設けられた弗素樹脂絶縁物からな
るノズルとを備え、300kV,400kAという高電圧大電流し
ゃ断時に前記電極間に発生するアークに前記ノズルから
SF₆ガスを吹き付けて消孤するしゃ断器であって、前記ノズルは、前記弗素樹脂絶縁物として四弗化エチレ
ン樹脂で形成されており、これに窒化ほう素粉末が１〜10容量％充填材として含有
され、且つ前記絶縁物の前記樹脂の融点における光反射率が60
％以上に形成されたことを特徴とするSF₆ガスしゃ断
器。