JP4244081B2 - ガス絶縁電気機器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気絶縁性ガスで絶縁したガス絶縁電気機器に係り、特に、地球温暖化への影響を考慮したガス絶縁電気機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の変電所の開閉器や母線は、密閉金属容器に封入されＳＦ6ガスで絶縁された，所謂、ガス絶縁開閉装置で構成されている。ＳＦ6ガスは、化学的に安定であり、毒性が極めて低く、しかも、電気絶縁性能とアーク消弧性能に優れたガスである。従って、ＳＦ6ガスの年間の使用量は、全世界で８千トン近くになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、最近の研究によりＳＦ6ガスは、地球温暖化係数が極めて大きなガスであるという問題があることが明らかにされてきた。従って、ＳＦ6ガスの使用量の削減が、世界的規模で必要になってきている。
【０００４】
本発明の目的は、現状よりも地球温暖化への寄与の小さなガス絶縁電気機器を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、電路を開閉する開閉器と、開閉箇所を有しない通電路とを有し、絶縁ガスにより電気絶縁したガス絶縁電気機器において、上記通電路には、少なくともＣＦ 3 Ｉを含む２種類以上の電気絶縁性ガスを混合した混合ガスを封入し、上記開閉器には、通電路とは異なる電気絶縁性ガスを封入するようにしたものである。
かかる構成により、地球温暖化への寄与を小さくし得るものとなる。
【０００７】
（２）上記（１）において、好ましくは、上記混合ガスは、ＣＦ3ＩとＮ2の混合ガスとしたものである。
【０００８】
（３）上記（１）において、好ましくは、上記混合ガスは、ＣＦ3ＩとＳＦ6の混合ガスとしたものである。
【０００９】
（４）上記（１）において、好ましくは、上記混合ガスは、全圧が０．２ＭＰａ以上であり、ＣＦ3Ｉ分圧が０．１０９ＭＰａ以下としたものである。
【００１０】
（５）上記（４）において、好ましくは、上記混合ガスを充填した通電路の最大電界を雷インパルス試験電圧に対し１６ＭＶ／ｍ（波高値）以上にしたものである。
【００１１】
（６）上記（１）において、好ましくは、上記混合ガスは、ガス絶縁電気機器が使用される最低温度でＣＦ3Ｉが液化しないような分圧に混合したものである。
【００１２】
（７）上記目的を達成するために、本発明は、電路を開閉する開閉器と、開閉箇所を有しない通電路とを有し、絶縁ガスにより電気絶縁したガス絶縁電気機器において、上記通電路には、少なくともＣＦ 3 Ｉを含む２種類以上の電気絶縁性ガスを混合した混合ガスを封入し、上記開閉器には、ＳＦ6を封入したものである。
かかる構成により、地球温暖化への寄与を小さくし得るものとなる。
【００１３】
（８）上記目的を達成するために、本発明は、電路を開閉する開閉器と、開閉箇所を有しない通電路とを有し、絶縁ガスにより電気絶縁したガス絶縁電気機器において、上記通電路若しくは、上記開閉器の一部には、ＳＦ6よりも大気空気中で分解しやすく、かつ、地球温暖化係数がＳＦ6よりも小さい電気絶縁性ガスを封入したものである。
かかる構成により、地球温暖化への寄与を小さくし得るものとなる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図４を用いて、本発明の一実施形態によるガス絶縁電気機器について説明する。
【００１５】
従来からガス絶縁電気機器の絶縁ガスとして用いられているＳＦ6ガスは、上述したように、化学的に安定であり、毒性が極めて低く、しかも、電気絶縁性能とアーク消弧性能に優れたガスである。しかしながら、地球温暖化係数が大きいものである。
【００１６】
ＳＦ6ガスの地球温暖化効果を低減するためには、ＳＦ6ガスよりも地球温暖化係数の小さいガスを使用し、ＳＦ6の使用量を最小限にする必要がある。ガス絶縁電気機器に使用可能な電気絶縁性ガスについては、例えば、R.Wootton著，”Gases Superior to SF6 for Insulation and Interrution” EPRI Rep. EL-2620 （１９８２）や、高木著，”電気電子絶縁材料”電気新聞社，p.65-78（昭和５３年４月発行）に記載されている。しかしながら、電気絶縁性にすぐれたガスは、フッ素や塩素がふくまれており、オゾン層破壊や毒性などの別の環境問題を持つことが知られている。
【００１７】
そこで、本発明者らは、ＳＦ6ガスの地球温暖化効果を低減するための電気絶縁性ガスについて種々検討を行った結果、地球温暖化係数を小さくするためには、分子が大気中で分解しやすくなればよく、例えば、分子中にヨウ素を導入することにより大気中で光や水分で分解しやすなるという点に着目した。
【００１８】
分子中にヨウ素を含む代表的なガスであるＣＦ3Ｉは、沸点が−２２．５℃と低く室温で気体であり、分子量が１９５．９、ガス圧力０．１ＭＰａにおける電気絶縁耐力が約７Ｖｒｍｓ／ｍと高く、ＳＦ6の約１．１倍である。このガスは光で容易に分解しやすく、S.Solomon et al., "Ozone Depletion and Global Warming Potentials of CF3I" J.Geophys. Res., vol.99, p.20929-20935,(1994)によれば、寿命は大気中で１日以下といわれている。このため、２０年間の地球温暖化係数は、ＣＯ2の５倍以下で、また、オゾン層破壊ポテンシャルは０．００８以下である。
【００１９】
したがって、ＣＦ3Ｉを用いることにより、電気絶縁性に優れ、かつ、地球温暖化への寄与の極めて小さいガス絶縁電気機器を提供することができる。即ち、電気絶縁性に優れ、かつ，地球温暖化係数が小さいＣＦ3Ｉに代表される分子中にヨウ素を含む化合物を用いることにより、高性能で、地球温暖化への寄与の極めて小さいガス絶縁電気機器を提供することができる。そこで、本発明者らは、ＣＦ3Ｉの破壊電界について測定を行った。
【００２０】
ここで、図１を用いて、ＣＦ3Ｉの破壊電界の測定結果について説明する。
図１は、ＣＦ3Ｉの破壊電界の測定結果の説明図である。
【００２１】
ＣＦ3Ｉの破壊電界の測定は、直径１２．５ｍｍの球ギャップ（電極間隔１ｍｍ）を用いて、ＣＦ3Ｉのガス圧力（ＭＰａ）を変えて行われた。図中、白丸がＳＦ6の破壊電界（ＭＶｒｍｓ／ｍ）（実効値）を示し、黒丸がＣＦ3Ｉの破壊電界（ＭＶｒｍｓ／ｍ）（実効値）を示している。
ＣＦ3Ｉは、室温では、約０．４ＭＰａまで気体であり、図示から明かなように、ＣＦ3Ｉの破壊電界は、ＳＦ6より高いという特徴がある。
【００２２】
しかしながら、分子中にヨウ素を含む化合物の代表であるＣＦ3Ｉは、液化温度が比較的高いものである。ＣＦ3Ｉは、沸点が−２２．５℃であり、本実施形態のようなガス絶縁電気機器の最低使用温度−２０℃では、蒸気圧が０．１０９ＭＰａになる。ここで、ＣＦ3Ｉの蒸気圧と温度の関係について、表１に示す。
【００２３】
【表１】
【００２４】
従って、高気圧で絶縁するガス絶縁機器においては、ＣＦ3Ｉよりも液化温度の低いガス，例えば、窒素ガスＮ2との混合ガスを用いることが必要になる。
そこで、本発明者らは、ＣＦ3ＩとＮ2との混合ガスの混合量を変えて、破壊電界を測定した。
【００２５】
ここで、図２を用いて、ＣＦ3ＩとＮ2との混合ガスの混合量を変えた場合の破壊電界の測定結果について説明する。
図２は、ＣＦ3ＩとＮ2との混合ガスの混合量を変えた場合の破壊電界の測定結果の説明図である。
【００２６】
ＣＦ3ＩとＮ2との混合ガスの破壊電界の測定は、直径１２．５ｍｍの球ギャップ（電極間隔１ｍｍ）を用いて、ＣＦ3Ｉのガス圧力を一定としたとき、Ｎ2のガス圧力（ＭＰａ）を変えて行われた。図中、白四角がＳＦ6単体の破壊電界（ＭＶｒｍｓ／ｍ）（実効値）を示している。白丸は、ＣＦ3ＩとＮ2との混合ガスのＣＦ3Ｉのガス圧力を０．１ＭＰａとした場合の破壊電界を示しており、黒丸は、ＣＦ3ＩとＮ2との混合ガスのＣＦ3Ｉのガス圧力を０．２ＭＰａとした場合の破壊電界を示している。
【００２７】
一般に、混合ガスの破壊電界は、以下の（１）式によって求めることができる。この（１）式は、宅間，”気体絶縁への混合ガスの応用”，電気学会技術報告II部第２４８号，ｐ．１６（昭和６２年５月）に記載されている。
Ｅm＝Ｅ2＋（Ｅ1−Ｅ2）／｛１＋Ｃ（１/ｋ−１）｝……（１）
ここで、Ｅmは混合ガスの破壊電界であり、Ｅ1，Ｅ2は、それぞれ、ガス１と２の破壊電界であり、Ｅ1＞Ｅ2とする。また、ｋはガス１の混合比であり、Ｃはガスに固有な定数である。
【００２８】
上式（１）において、ガス１をＣＦ3Ｉとし、ガス２をＮ2として、定数Ｃを求める必要がある。ＣＦ3Ｉの破壊電界Ｅ1は、図１の測定結果より求めることができる。Ｎ2の破壊電界Ｅ2は、大気圧で約２ＭＶ／ｍ（実効値）である。また、混合ガスの破壊電界Ｅmは、図２の測定結果より求めることができる。従って、以上の条件に基づいて求められたガス定数Ｃは、ＣＦ3ＩとＮ2の混合ガスではＣ≒０．６８になる。
以上より、式（１）のＥ1、Ｅ2及びＣが分かったため任意の混合量ｋと任意の全ガス圧力に対して、破壊電界を求めることができる。
【００２９】
ここで、図３を用いて、各全ガス圧力における破壊電界とＣＦ3Ｉ混合量の関係について説明する。
図３は、各全ガス圧力における破壊電界とＣＦ3Ｉ混合量の関係の説明図である。
【００３０】
図３の実線は、ＣＦ3ＩとＮ2の混合ガスの全ガス圧力が、０．１ＭＰａ〜１．０ＭＰａまでの、０．１ＭＰａ毎の全ガス圧力のそれぞれについて、ＣＦ3Ｉ混合量を０％〜１００％まで変えた時の破壊電界（ＭＶ／ｍ）（実効値）を示している。混合ガスの破壊電界は、ＣＦ3Ｉ混合量２０％で純ＣＦ3Ｉの破壊電界の約６０％になる。
【００３１】
一方、ＣＦ3Ｉの飽和蒸気圧は表１に示した通りであり、混合ガス中のＣＦ3Ｉ分圧が表１の値になると液化する。この関係は、図３の破線で表され、使用温度により異なる曲線群になる。
【００３２】
最低周囲温度が−２０℃で使用されるガス絶縁機器の場合、液化防止のためには、図中に破線で示すＣＦ3Ｉの液化圧力特性の曲線以下の範囲で使用することが必要である。
ガス絶縁開閉装置は、通常、最低使用温度が−２０℃であるため、当該曲線よりも下側の領域で使用することが必要である。また、ガス絶縁開閉装置は、ガス圧力が０．３ＭＰａ以上で使用される。
【００３３】
従来のＳＦ6を絶縁ガスとして使用したガス絶縁開閉装置の０．３ＭＰａの時の確率５０％の破壊電界は１９．５ＭＶ／ｍ（波高値）であり、１４ＭＶ／ｍ（実効値）である。
【００３４】
そこで、従来のＳＦ6を絶縁ガスとして使用したガス絶縁開閉装置と、同一使用温度でかつ同等以上の破壊電界を達成するためのＣＦ3Ｉ混合量を求めると以下のようになる。
【００３５】
即ち、全圧力０．３ＭＰａの場合には、破壊電界（実効値）が１４ＭＶ／ｍ以上で、ＣＦ3Ｉの液化圧力特性の−２０℃の曲線以下の条件を満たすＣＦ3Ｉ混合量を求めると、約３７％となる。
【００３６】
また、全圧力０．４ＭＰａの場合には、破壊電界（実効値）が１４ＭＶ／ｍ以上で、ＣＦ3Ｉの液化圧力特性の−２０℃の曲線以下の条件を満たすＣＦ3Ｉ混合量を求めると、約２０〜２７％となる。
【００３７】
同様にして、全圧力０．５ＭＰａでは、ＣＦ3Ｉ混合量約１０〜２２％となり、全圧力０．６ＭＰａでは、ＣＦ3Ｉ混合量約５〜１８％となり、全圧力０．７ＭＰａでは、ＣＦ3Ｉ混合量約１〜１５％となり、全圧力０．８ＭＰａ以上ではＣＦ3Ｉ混合量は１３％以下となる。
【００３８】
また、全圧力を０．２ＭＰａとして、最低使用温度を−２０℃とすると、図中のＣＦ3Ｉの液化圧力特性の−２０℃の曲線と全圧力０．２ＭＰａの曲線の交点におけるＣＦ3Ｉ混合量は、５４．５％であるため、混合ガスの全圧力を０．２ＭＰａ以上で、ＣＦ3Ｉが０．１０９ＭＰａ以下とすることができる。
【００３９】
また、全圧力を０．２ＭＰａとして、最低使用温度を−２０℃とすると、図中のＣＦ3Ｉの液化圧力特性の−２０℃の曲線と全圧力０．２ＭＰａの曲線の交点における破壊電界は、１１．５ＭＶ／ｍ（実効値）であるため、波高値で１６ＭＶ／ｍとなり、混合ガスを充填した通電路の最大電界を雷インパルス試験電圧に対して、１６ＭＶ／ｍ（波高値）以上とできる。
【００４０】
次に、図４を用いて、本実施形態によるガス絶縁電気機器の一例であるガス絶縁開閉装置の構成について説明する。
図４は、本発明の一実施形態によるガス絶縁電気機器の一例であるガス絶縁開閉装置の構成を示す部分断面図である。
【００４１】
ガス絶縁開閉装置は、電流を遮断する遮断器１と、高電圧の加わっている高電圧導体２ａ，…，２ｃを電気的に切り離す断路器３ａ，…，３ｃと、送電線からの高電圧を導入するガスで絶縁されたブッシング４と、サージ電圧を抑制するための避雷器５と、これらを連結する母線６ａ，…，６ｆとから構成されている。なお、それぞれの部分は、絶縁物でできたスペーサ７ａ，…，７ｌによって気密に仕切られている。
【００４２】
図示したガス絶縁開閉装置の構成において、遮断器１はアークを遮断し、また、断路器３ａ，…，３ｃは再点弧を繰り返すため、強い光を発生する。一方、上述したＣＦ3ＩとＮ2の混合ガスの中で、ＣＦ3Ｉは、光で分解する性質を有している。従って、遮断器１や断路器３ａ，…，３ｃのような開閉箇所を有しており、強い光を発生する箇所には、耐光性のある絶縁ガスである純ＳＦ6を充填している。純ＳＦ6の充填圧力は、通常０．３ＭＰａ以上としている。
【００４３】
一方、開閉箇所を有さず、アークを発生しないブッシング４と、避雷器５と、母線６ａ，…，６ｆとには、アークを発生する部分がないため光による分解の恐れはなく、純粋に電気絶縁耐力を満足すればよいため、上述したＣＦ3ＩとＮ2の混合ガスを充填している。用いる混合ガスとしては、ガス絶縁開閉装置の最低使用温度を−２０℃とし、全ガス圧を０．５ＭＰａとし、所用破壊電界を１４ＭＶ／ｍ（実効値）とすると、上述したように、ＣＦ3Ｉの混合量を１５％とすることにより、破壊電界を１７ＭＶ／ｍ（実効値）とすることができる。なお、ＣＦ3Ｉの混合量は、最低使用温度，全ガス圧，所用破壊電界に基づいて、図３に示した関係から求めることができる。
【００４４】
従来のガス絶縁開閉装置における遮断器１，断路器３ａ，…，３ｃ，ブッシング４，避雷器５及び母線６ａ，…，６ｆにおける絶縁ガスの使用量を、「１００」とすると、大規模なＧＩＳ（例えば、３０〜５０万Ｖの規模）においては、ブッシング４，避雷器５及び母線６ａ，…，６ｆにおける絶縁ガスの使用量は「４０〜５０」であるので、ブッシング４，避雷器５及び母線６ａ，…，６ｆの絶縁ガスとしてＣＦ3ＩとＮ2の混合ガスを用いることにより、ＳＦ6の使用量を４０〜５０％低減することができる。また、小規模なＧＩＳ（例えば、７万Ｖの規模）においては、ブッシング４，避雷器５及び母線６ａ，…，６ｆにおける絶縁ガスの使用量は「４０〜６０」であるので、ブッシング４，避雷器５及び母線６ａ，…，６ｆの絶縁ガスとしてＣＦ3ＩとＮ2の混合ガスを用いることにより、ＳＦ6の使用量を４０〜６０％低減することができる。
【００４５】
なお、以上の説明では、ＣＦ3Ｉを含む混合ガスとして、ＣＦ3ＩとＮ2の混合ガスについて説明しているが、ＣＦ3ＩとＣＦ3Ｉよりも液化温度の低いガスの混合ガスを用いることができる。具体的には、ＣＦ3ＩとＣＯ2の混合ガスや、ＣＦ3Ｉと空気の混合ガスや、ＣＦ3ＩとＣＦ4の混合ガス等も用いることができる。また、混合ガスとしては、ＣＦ3ＩとＳＦ6の混合ガスを用いることもできる。ＣＦ3Ｉの混合量を２０％とすると、従来の１００％ＳＦ6に対して、ＳＦ6の使用量を２０％低減することができる。
【００４６】
以上説明したように、本実施形態によれば、ＳＦ6の使用量を大幅に削減できるため、地球温暖化作用を極小化できるものである。
また、混合ガスは、アークの発生しない個所に使用するためアーク光によるガスの劣化がないものである。
また、従来の純ＳＦ6で絶縁した場合と同等の大きさのガス絶縁電気機器を構成することができる。
さらに、最低周囲温度−２０℃まで液化することなく運転できる。
また、さらに、Ｎ2は大気中に放出しても無害なため、回収装置はＣＦ3Ｉ用だけでよく、小形にできる。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によれば、ガス絶縁電気機器における地球温暖化への寄与を減少することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態によるＣＦ3Ｉの破壊電界の測定結果の説明図である。
【図２】本発明の一実施形態によるＣＦ3ＩとＮ2との混合ガスの混合量を変えた場合の破壊電界の測定結果の説明図である。
【図３】本発明の一実施形態による各全ガス圧力における破壊電界とＣＦ3Ｉ混合量の関係の説明図である。
【図４】本発明の一実施形態によるガス絶縁電気機器の一例であるガス絶縁開閉装置の構成を示す部分断面図である。
【符号の説明】
１…遮断器
２…高圧導体
３…断路器
４…ブッシング
５…避雷器
６…母線
７…スペーサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気絶縁性ガスで絶縁したガス絶縁電気機器に係り、特に、地球温暖化への影響を考慮したガス絶縁電気機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の変電所の開閉器や母線は、密閉金属容器に封入されＳＦ6ガスで絶縁された，所謂、ガス絶縁開閉装置で構成されている。ＳＦ6ガスは、化学的に安定であり、毒性が極めて低く、しかも、電気絶縁性能とアーク消弧性能に優れたガスである。従って、ＳＦ6ガスの年間の使用量は、全世界で８千トン近くになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、最近の研究によりＳＦ6ガスは、地球温暖化係数が極めて大きなガスであるという問題があることが明らかにされてきた。従って、ＳＦ6ガスの使用量の削減が、世界的規模で必要になってきている。
【０００４】
本発明の目的は、現状よりも地球温暖化への寄与の小さなガス絶縁電気機器を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、電路を開閉する開閉器と、開閉箇所を有しない通電路とを有し、絶縁ガスにより電気絶縁したガス絶縁電気機器において、上記通電路には、少なくともＣＦ 3 Ｉを含む２種類以上の電気絶縁性ガスを混合した混合ガスを封入し、上記開閉器には、通電路とは異なる電気絶縁性ガスを封入するようにしたものである。
かかる構成により、地球温暖化への寄与を小さくし得るものとなる。
【０００７】
（２）上記（１）において、好ましくは、上記混合ガスは、ＣＦ3ＩとＮ2の混合ガスとしたものである。
【０００８】
（３）上記（１）において、好ましくは、上記混合ガスは、ＣＦ3ＩとＳＦ6の混合ガスとしたものである。
【０００９】
（４）上記（１）において、好ましくは、上記混合ガスは、全圧が０．２ＭＰａ以上であり、ＣＦ3Ｉ分圧が０．１０９ＭＰａ以下としたものである。
【００１０】
（５）上記（４）において、好ましくは、上記混合ガスを充填した通電路の最大電界を雷インパルス試験電圧に対し１６ＭＶ／ｍ（波高値）以上にしたものである。
【００１１】
（６）上記（１）において、好ましくは、上記混合ガスは、ガス絶縁電気機器が使用される最低温度でＣＦ3Ｉが液化しないような分圧に混合したものである。
【００１２】
（７）上記目的を達成するために、本発明は、電路を開閉する開閉器と、開閉箇所を有しない通電路とを有し、絶縁ガスにより電気絶縁したガス絶縁電気機器において、上記通電路には、少なくともＣＦ 3 Ｉを含む２種類以上の電気絶縁性ガスを混合した混合ガスを封入し、上記開閉器には、ＳＦ6を封入したものである。
かかる構成により、地球温暖化への寄与を小さくし得るものとなる。
【００１３】
（８）上記目的を達成するために、本発明は、電路を開閉する開閉器と、開閉箇所を有しない通電路とを有し、絶縁ガスにより電気絶縁したガス絶縁電気機器において、上記通電路若しくは、上記開閉器の一部には、ＳＦ6よりも大気空気中で分解しやすく、かつ、地球温暖化係数がＳＦ6よりも小さい電気絶縁性ガスを封入したものである。
かかる構成により、地球温暖化への寄与を小さくし得るものとなる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図４を用いて、本発明の一実施形態によるガス絶縁電気機器について説明する。
【００１５】
従来からガス絶縁電気機器の絶縁ガスとして用いられているＳＦ6ガスは、上述したように、化学的に安定であり、毒性が極めて低く、しかも、電気絶縁性能とアーク消弧性能に優れたガスである。しかしながら、地球温暖化係数が大きいものである。
【００１６】
ＳＦ6ガスの地球温暖化効果を低減するためには、ＳＦ6ガスよりも地球温暖化係数の小さいガスを使用し、ＳＦ6の使用量を最小限にする必要がある。ガス絶縁電気機器に使用可能な電気絶縁性ガスについては、例えば、R.Wootton著，”Gases Superior to SF6 for Insulation and Interrution” EPRI Rep. EL-2620 （１９８２）や、高木著，”電気電子絶縁材料”電気新聞社，p.65-78（昭和５３年４月発行）に記載されている。しかしながら、電気絶縁性にすぐれたガスは、フッ素や塩素がふくまれており、オゾン層破壊や毒性などの別の環境問題を持つことが知られている。
【００１７】
そこで、本発明者らは、ＳＦ6ガスの地球温暖化効果を低減するための電気絶縁性ガスについて種々検討を行った結果、地球温暖化係数を小さくするためには、分子が大気中で分解しやすくなればよく、例えば、分子中にヨウ素を導入することにより大気中で光や水分で分解しやすなるという点に着目した。
【００１８】
分子中にヨウ素を含む代表的なガスであるＣＦ3Ｉは、沸点が−２２．５℃と低く室温で気体であり、分子量が１９５．９、ガス圧力０．１ＭＰａにおける電気絶縁耐力が約７Ｖｒｍｓ／ｍと高く、ＳＦ6の約１．１倍である。このガスは光で容易に分解しやすく、S.Solomon et al., "Ozone Depletion and Global Warming Potentials of CF3I" J.Geophys. Res., vol.99, p.20929-20935,(1994)によれば、寿命は大気中で１日以下といわれている。このため、２０年間の地球温暖化係数は、ＣＯ2の５倍以下で、また、オゾン層破壊ポテンシャルは０．００８以下である。
【００１９】
したがって、ＣＦ3Ｉを用いることにより、電気絶縁性に優れ、かつ、地球温暖化への寄与の極めて小さいガス絶縁電気機器を提供することができる。即ち、電気絶縁性に優れ、かつ，地球温暖化係数が小さいＣＦ3Ｉに代表される分子中にヨウ素を含む化合物を用いることにより、高性能で、地球温暖化への寄与の極めて小さいガス絶縁電気機器を提供することができる。そこで、本発明者らは、ＣＦ3Ｉの破壊電界について測定を行った。
【００２０】
ここで、図１を用いて、ＣＦ3Ｉの破壊電界の測定結果について説明する。
図１は、ＣＦ3Ｉの破壊電界の測定結果の説明図である。
【００２１】
ＣＦ3Ｉの破壊電界の測定は、直径１２．５ｍｍの球ギャップ（電極間隔１ｍｍ）を用いて、ＣＦ3Ｉのガス圧力（ＭＰａ）を変えて行われた。図中、白丸がＳＦ6の破壊電界（ＭＶｒｍｓ／ｍ）（実効値）を示し、黒丸がＣＦ3Ｉの破壊電界（ＭＶｒｍｓ／ｍ）（実効値）を示している。
ＣＦ3Ｉは、室温では、約０．４ＭＰａまで気体であり、図示から明かなように、ＣＦ3Ｉの破壊電界は、ＳＦ6より高いという特徴がある。
【００２２】
しかしながら、分子中にヨウ素を含む化合物の代表であるＣＦ3Ｉは、液化温度が比較的高いものである。ＣＦ3Ｉは、沸点が−２２．５℃であり、本実施形態のようなガス絶縁電気機器の最低使用温度−２０℃では、蒸気圧が０．１０９ＭＰａになる。ここで、ＣＦ3Ｉの蒸気圧と温度の関係について、表１に示す。
【００２３】
【表１】
従って、高気圧で絶縁するガス絶縁機器においては、ＣＦ3Ｉよりも液化温度の低いガス，例えば、窒素ガスＮ2との混合ガスを用いることが必要になる。
そこで、本発明者らは、ＣＦ3ＩとＮ2との混合ガスの混合量を変えて、破壊電界を測定した。
【００２５】
ここで、図２を用いて、ＣＦ3ＩとＮ2との混合ガスの混合量を変えた場合の破壊電界の測定結果について説明する。
図２は、ＣＦ3ＩとＮ2との混合ガスの混合量を変えた場合の破壊電界の測定結果の説明図である。
【００２６】
ＣＦ3ＩとＮ2との混合ガスの破壊電界の測定は、直径１２．５ｍｍの球ギャップ（電極間隔１ｍｍ）を用いて、ＣＦ3Ｉのガス圧力を一定としたとき、Ｎ2のガス圧力（ＭＰａ）を変えて行われた。図中、白四角がＳＦ6単体の破壊電界（ＭＶｒｍｓ／ｍ）（実効値）を示している。白丸は、ＣＦ3ＩとＮ2との混合ガスのＣＦ3Ｉのガス圧力を０．１ＭＰａとした場合の破壊電界を示しており、黒丸は、ＣＦ3ＩとＮ2との混合ガスのＣＦ3Ｉのガス圧力を０．２ＭＰａとした場合の破壊電界を示している。
【００２７】
一般に、混合ガスの破壊電界は、以下の（１）式によって求めることができる。この（１）式は、宅間，”気体絶縁への混合ガスの応用”，電気学会技術報告II部第２４８号，ｐ．１６（昭和６２年５月）に記載されている。
Ｅm＝Ｅ2＋（Ｅ1−Ｅ2）／｛１＋Ｃ（１/ｋ−１）｝……（１）
ここで、Ｅmは混合ガスの破壊電界であり、Ｅ1，Ｅ2は、それぞれ、ガス１と２の破壊電界であり、Ｅ1＞Ｅ2とする。また、ｋはガス１の混合比であり、Ｃはガスに固有な定数である。
【００２８】
上式（１）において、ガス１をＣＦ3Ｉとし、ガス２をＮ2として、定数Ｃを求める必要がある。ＣＦ3Ｉの破壊電界Ｅ1は、図１の測定結果より求めることができる。Ｎ2の破壊電界Ｅ2は、大気圧で約２ＭＶ／ｍ（実効値）である。また、混合ガスの破壊電界Ｅmは、図２の測定結果より求めることができる。従って、以上の条件に基づいて求められたガス定数Ｃは、ＣＦ3ＩとＮ2の混合ガスではＣ≒０．６８になる。
以上より、式（１）のＥ1、Ｅ2及びＣが分かったため任意の混合量ｋと任意の全ガス圧力に対して、破壊電界を求めることができる。
【００２９】
ここで、図３を用いて、各全ガス圧力における破壊電界とＣＦ3Ｉ混合量の関係について説明する。
図３は、各全ガス圧力における破壊電界とＣＦ3Ｉ混合量の関係の説明図である。
【００３０】
図３の実線は、ＣＦ3ＩとＮ2の混合ガスの全ガス圧力が、０．１ＭＰａ〜１．０ＭＰａまでの、０．１ＭＰａ毎の全ガス圧力のそれぞれについて、ＣＦ3Ｉ混合量を０％〜１００％まで変えた時の破壊電界（ＭＶ／ｍ）（実効値）を示している。混合ガスの破壊電界は、ＣＦ3Ｉ混合量２０％で純ＣＦ3Ｉの破壊電界の約６０％になる。
【００３１】
一方、ＣＦ3Ｉの飽和蒸気圧は表１に示した通りであり、混合ガス中のＣＦ3Ｉ分圧が表１の値になると液化する。この関係は、図３の破線で表され、使用温度により異なる曲線群になる。
【００３２】
最低周囲温度が−２０℃で使用されるガス絶縁機器の場合、液化防止のためには、図中に破線で示すＣＦ3Ｉの液化圧力特性の曲線以下の範囲で使用することが必要である。
ガス絶縁開閉装置は、通常、最低使用温度が−２０℃であるため、当該曲線よりも下側の領域で使用することが必要である。また、ガス絶縁開閉装置は、ガス圧力が０．３ＭＰａ以上で使用される。
【００３３】
従来のＳＦ6を絶縁ガスとして使用したガス絶縁開閉装置の０．３ＭＰａの時の確率５０％の破壊電界は１９．５ＭＶ／ｍ（波高値）であり、１４ＭＶ／ｍ（実効値）である。
【００３４】
そこで、従来のＳＦ6を絶縁ガスとして使用したガス絶縁開閉装置と、同一使用温度でかつ同等以上の破壊電界を達成するためのＣＦ3Ｉ混合量を求めると以下のようになる。
【００３５】
即ち、全圧力０．３ＭＰａの場合には、破壊電界（実効値）が１４ＭＶ／ｍ以上で、ＣＦ3Ｉの液化圧力特性の−２０℃の曲線以下の条件を満たすＣＦ3Ｉ混合量を求めると、約３７％となる。
【００３６】
また、全圧力０．４ＭＰａの場合には、破壊電界（実効値）が１４ＭＶ／ｍ以上で、ＣＦ3Ｉの液化圧力特性の−２０℃の曲線以下の条件を満たすＣＦ3Ｉ混合量を求めると、約２０〜２７％となる。
【００３７】
同様にして、全圧力０．５ＭＰａでは、ＣＦ3Ｉ混合量約１０〜２２％となり、全圧力０．６ＭＰａでは、ＣＦ3Ｉ混合量約５〜１８％となり、全圧力０．７ＭＰａでは、ＣＦ3Ｉ混合量約１〜１５％となり、全圧力０．８ＭＰａ以上ではＣＦ3Ｉ混合量は１３％以下となる。
【００３８】
また、全圧力を０．２ＭＰａとして、最低使用温度を−２０℃とすると、図中のＣＦ3Ｉの液化圧力特性の−２０℃の曲線と全圧力０．２ＭＰａの曲線の交点におけるＣＦ3Ｉ混合量は、５４．５％であるため、混合ガスの全圧力を０．２ＭＰａ以上で、ＣＦ3Ｉが０．１０９ＭＰａ以下とすることができる。
【００３９】
また、全圧力を０．２ＭＰａとして、最低使用温度を−２０℃とすると、図中のＣＦ3Ｉの液化圧力特性の−２０℃の曲線と全圧力０．２ＭＰａの曲線の交点における破壊電界は、１１．５ＭＶ／ｍ（実効値）であるため、波高値で１６ＭＶ／ｍとなり、混合ガスを充填した通電路の最大電界を雷インパルス試験電圧に対して、１６ＭＶ／ｍ（波高値）以上とできる。
【００４０】
次に、図４を用いて、本実施形態によるガス絶縁電気機器の一例であるガス絶縁開閉装置の構成について説明する。
図４は、本発明の一実施形態によるガス絶縁電気機器の一例であるガス絶縁開閉装置の構成を示す部分断面図である。
【００４１】
ガス絶縁開閉装置は、電流を遮断する遮断器１と、高電圧の加わっている高電圧導体２ａ，…，２ｃを電気的に切り離す断路器３ａ，…，３ｃと、送電線からの高電圧を導入するガスで絶縁されたブッシング４と、サージ電圧を抑制するための避雷器５と、これらを連結する母線６ａ，…，６ｆとから構成されている。なお、それぞれの部分は、絶縁物でできたスペーサ７ａ，…，７ｌによって気密に仕切られている。
【００４２】
図示したガス絶縁開閉装置の構成において、遮断器１はアークを遮断し、また、断路器３ａ，…，３ｃは再点弧を繰り返すため、強い光を発生する。一方、上述したＣＦ3ＩとＮ2の混合ガスの中で、ＣＦ3Ｉは、光で分解する性質を有している。従って、遮断器１や断路器３ａ，…，３ｃのような開閉箇所を有しており、強い光を発生する箇所には、耐光性のある絶縁ガスである純ＳＦ6を充填している。純ＳＦ6の充填圧力は、通常０．３ＭＰａ以上としている。
【００４３】
一方、開閉箇所を有さず、アークを発生しないブッシング４と、避雷器５と、母線６ａ，…，６ｆとには、アークを発生する部分がないため光による分解の恐れはなく、純粋に電気絶縁耐力を満足すればよいため、上述したＣＦ3ＩとＮ2の混合ガスを充填している。用いる混合ガスとしては、ガス絶縁開閉装置の最低使用温度を−２０℃とし、全ガス圧を０．５ＭＰａとし、所用破壊電界を１４ＭＶ／ｍ（実効値）とすると、上述したように、ＣＦ3Ｉの混合量を１５％とすることにより、破壊電界を１７ＭＶ／ｍ（実効値）とすることができる。なお、ＣＦ3Ｉの混合量は、最低使用温度，全ガス圧，所用破壊電界に基づいて、図３に示した関係から求めることができる。
【００４４】
従来のガス絶縁開閉装置における遮断器１，断路器３ａ，…，３ｃ，ブッシング４，避雷器５及び母線６ａ，…，６ｆにおける絶縁ガスの使用量を、「１００」とすると、大規模なＧＩＳ（例えば、３０〜５０万Ｖの規模）においては、ブッシング４，避雷器５及び母線６ａ，…，６ｆにおける絶縁ガスの使用量は「４０〜５０」であるので、ブッシング４，避雷器５及び母線６ａ，…，６ｆの絶縁ガスとしてＣＦ3ＩとＮ2の混合ガスを用いることにより、ＳＦ6の使用量を４０〜５０％低減することができる。また、小規模なＧＩＳ（例えば、７万Ｖの規模）においては、ブッシング４，避雷器５及び母線６ａ，…，６ｆにおける絶縁ガスの使用量は「４０〜６０」であるので、ブッシング４，避雷器５及び母線６ａ，…，６ｆの絶縁ガスとしてＣＦ3ＩとＮ2の混合ガスを用いることにより、ＳＦ6の使用量を４０〜６０％低減することができる。
【００４５】
なお、以上の説明では、ＣＦ3Ｉを含む混合ガスとして、ＣＦ3ＩとＮ2の混合ガスについて説明しているが、ＣＦ3ＩとＣＦ3Ｉよりも液化温度の低いガスの混合ガスを用いることができる。具体的には、ＣＦ3ＩとＣＯ2の混合ガスや、ＣＦ3Ｉと空気の混合ガスや、ＣＦ3ＩとＣＦ4の混合ガス等も用いることができる。また、混合ガスとしては、ＣＦ3ＩとＳＦ6の混合ガスを用いることもできる。ＣＦ3Ｉの混合量を２０％とすると、従来の１００％ＳＦ6に対して、ＳＦ6の使用量を２０％低減することができる。
【００４６】
以上説明したように、本実施形態によれば、ＳＦ6の使用量を大幅に削減できるため、地球温暖化作用を極小化できるものである。
また、混合ガスは、アークの発生しない個所に使用するためアーク光によるガスの劣化がないものである。
また、従来の純ＳＦ6で絶縁した場合と同等の大きさのガス絶縁電気機器を構成することができる。
さらに、最低周囲温度−２０℃まで液化することなく運転できる。
また、さらに、Ｎ2は大気中に放出しても無害なため、回収装置はＣＦ3Ｉ用だけでよく、小形にできる。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によれば、ガス絶縁電気機器における地球温暖化への寄与を減少することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態によるＣＦ3Ｉの破壊電界の測定結果の説明図である。
【図２】本発明の一実施形態によるＣＦ3ＩとＮ2との混合ガスの混合量を変えた場合の破壊電界の測定結果の説明図である。
【図３】本発明の一実施形態による各全ガス圧力における破壊電界とＣＦ3Ｉ混合量の関係の説明図である。
【図４】本発明の一実施形態によるガス絶縁電気機器の一例であるガス絶縁開閉装置の構成を示す部分断面図である。
【符号の説明】
１…遮断器
２…高圧導体
３…断路器
４…ブッシング
５…避雷器
６…母線
７…スペーサ
Claims (8)
- 電路を開閉する開閉器と、開閉箇所を有しない通電路とを有し、絶縁ガスにより電気絶縁したガス絶縁電気機器において、
上記通電路には、少なくともＣＦ 3 Ｉを含む２種類以上の電気絶縁性ガスを混合した混合ガスを封入し、上記開閉器には、通電路とは異なる電気絶縁性ガスを封入したことを特徴とするガス絶縁電気機器。 - 請求項１記載のガス絶縁電気機器において、
上記混合ガスは、ＣＦ3ＩとＮ2の混合ガスであるを特徴とするガス絶縁電気機器。 - 請求項１記載のガス絶縁電気機器において、
上記混合ガスは、ＣＦ3ＩとＳＦ6の混合ガスであるを特徴とするガス絶縁電気機器。 - 請求項１記載のガス絶縁電気機器において、
上記混合ガスは、全圧が０．２ＭＰａ以上であり、ＣＦ3Ｉ分圧が０．１０９ＭＰａ以下であることを特徴とするガス絶縁電気機器。 - 請求項４記載のガス絶縁電気機器において、
上記混合ガスを充填した通電路の最大電界を雷インパルス試験電圧に対し１６ＭＶ／ｍ（波高値）以上にしたことを特徴とするガス絶縁電気機器。 - 請求項１記載のガス絶縁電気機器において、
上記混合ガスは、ガス絶縁電気機器が使用される最低温度でＣＦ3Ｉが液化しないような分圧に混合したことを特徴とするガス絶縁電気機器。 - 電路を開閉する開閉器と、開閉箇所を有しない通電路とを有し、絶縁ガスにより電気絶縁したガス絶縁電気機器において、
上記通電路には、少なくともＣＦ 3 Ｉを含む２種類以上の電気絶縁性ガスを混合した混合ガスを封入し、上記開閉器には、ＳＦ6を封入したことを特徴とするガス絶縁電気機器。 - 電路を開閉する開閉器と、開閉箇所を有しない通電路とを有し、絶縁ガスにより電気絶縁したガス絶縁電気機器において、
上記通電路若しくは、上記開閉器の一部には、ＳＦ6よりも大気空気中で分解しやすく、かつ、地球温暖化係数がＳＦ6よりも小さい電気絶縁性ガスを封入したことを特徴とするガス絶縁電気機器。
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