JP4283962B2

JP4283962B2 - スイッチギヤ

Info

Publication number: JP4283962B2
Application number: JP2000028830A
Authority: JP
Inventors: 哲雄吉田; 純一佐藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-02-07
Filing date: 2000-02-07
Publication date: 2009-06-24
Anticipated expiration: 2020-02-07
Also published as: JP2001218310A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、遮断器や断路器などの各種の開閉機器を収納して電源系統を構成するスイッチギヤに関する。
【０００２】
【従来の技術】
代表的なスイッチギヤの構成例を図８に示す。図８において、外周を軟鋼鉄で囲まれた容器1を隔壁2で前後に仕切り、前方の遮断器室1ａには図示しない真空バルブが装着された遮断器３を収納し、また後方の母線室１ｂには遮断器３側の上下の主回路に合わせてそれぞれ同形の断路器４Ａ、４Ｂを上下に設けている。断路器４Ａ側には、支持硝子６に固定された母線５に接続され、隣接された盤への接続が行われる。また、断路器４Ｂ側には、電力ケーブル７ａから受電されたケーブルヘッド７に接続されている。そして、これらの機器は、接続導体８で相互が接続されている。また、電源側と負荷側とを仕切っている隔壁２の貫通穴に主回路導体を絶縁層でモールドした絶縁スペーサ９を設け、相互の室１ａ、１ｂの仕切りと、主回路の接続が行われている。これらの室１ａ、１ｂには、絶縁媒体として例えばＳＦ_６ガスのような絶縁ガスが封入されている。
ＳＦ_６ガスは、無色、無害、不活性などの特徴があり、大気圧のガス圧力で空気に比べて２〜３倍の絶縁耐力を有している。このように管理された絶縁ガスを封入したスイッチギヤにより、電力の安定した供給が行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような構成において、ＳＦ₆ガスは高い絶縁耐力を有しているので、例えば特開昭６０−２１０１０７号に開示されているように、スイッチギヤの縮小化が達成されている。しかしながら、ＳＦ₆ガスは、地球温暖化防止京都会議（１９９７年１２月）で温暖化に寄与するガスとされ、温暖化の効果が炭酸ガスの２３０００倍であり、大気に漏らしたり放出させることが規制された。
このためには、角型の容器1を接合させている鉄板相互の気密溶接部や、ケーブルヘッド７のガス／気中部分に用いられているＯリングのガス漏れ検証などが重要となってくる。また、容器１の内部点検などのガス開放時には、開放する前に封入されているガスをガス回収機で回収する必要がある。これらは、従来方法の機器においても当然行われていたことであるが、さらに重要性が高まり万全の対応が必要となってくる。
これらのことから、ＳＦ₆ガスを使用しなければ前途の対応は不必要となるが、ＳＦ₆ガスに優る絶縁媒体がないのが現状である。例えば、空気を絶縁媒体にすれば絶縁耐力が劣るので、劣った割合で絶縁距離などを広げなければならず全体形状が大型化してしまう。また、一般の気中絶縁では、塵埃や湿潤の影響を受けるので、これらの汚損特性を考慮して沿面距離などを大きくしなければならなかった。これは、最近の趨勢である縮小化に逆行するものである。
【０００４】
従来の空気を絶縁媒体とするスイッチギヤでは、ＳＦ₆ガスに比べ絶縁耐力が劣るため縮小化することができない。本発明は、ＳＦ₆ガスを使用しないで、ＳＦ₆ガスと同程度の絶縁耐力を確保して全体形状を縮小化することができるスイッチギヤを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、遮断器や断路器などの各種の開閉装置を収納して電源系統を構成するスイッチギヤにおいて、空気を絶縁媒体とする不平等電界の気中ギャップを形成する導体と、前記導体が最短ギャップとなるこの導体部のそれぞれに設けられる絶縁層と、前記最短ギャップ間に直交して配置される絶縁バリアとを備え、前記絶縁層の厚さと前記絶縁バリアの厚さとの総和を前記最短ギャップ長の３０〜５０％とし、１気圧のＳＦ _６ガス絶縁と同等以上の絶縁特性を得ることを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
本発明のスイッチギヤの構成は、図８に示す従来のスイッチギヤの構成とほぼ同じである。外周を軟鋼鉄で囲まれた容器1を隔壁2で前後に仕切り、前方の遮断器室1ａには図示しない真空バルブが装着された遮断器３を収納し、また後方の母線室１ｂには遮断器３側の上下の主回路に合わせてそれぞれ同形の断路器４Ａ、４Ｂを上下に設けている。断路器４Ａ側には、支持硝子６に固定された母線５に接続され、隣接された盤への接続が行われる。また、断路器４Ｂ側には、電力ケーブル７ａから受電されたケーブルヘッド７に接続されている。そして、これらの機器は、接続導体８で相互が接続されている。また、電源側と負荷側とを仕切っている隔壁２の貫通穴に主回路導体を絶縁層でモールドした絶縁スペーサ９を設け、相互の室１ａ、１ｂの仕切りと、主回路の接続が行われている。これらの室１ａ、１ｂには、絶縁媒体として空気が封入されている。図示していないが、少なくとも最短ギャップの導体部のそれぞれに絶縁層を設け、適用電圧が上昇すれば絶縁バリアを追加して配置して絶縁特性の大幅な上昇を図る絶縁構造である。
【０００７】
図１及び図３は、上記の絶縁構造を適用した導体の配置例であり、気中複合絶縁の代表的な絶縁構造例である。三相分の主回路導体間、またはこの主回路導体と容器との間における、少なくとも最短のギャップＬを構成する導体１０ａ、１０ｂ間で、このそれぞれの導体の先端部に絶縁層１１ａ、１１ｂを設けている。図１ではさらに、定格電圧クラスによっては導体間１０ａ、１０ｂのほぼ中央位置に直交する絶縁バリア１２を配置する。
ここで、導体１０ａ、１０ｂの先端部に設ける絶縁層１１ａ、１１ｂの絶縁厚さは、スイッチギヤの定格電圧によって定まっている雷インパルスフラッシュオーバー電圧に容易に絶縁破壊しない絶縁の厚さとし、さらに気中との分担電圧の均一化を図り、絶縁層１１ａ、１１ｂ先端の電界強度が最低になるようなギャップ長と絶縁厚さにしている。
例えば、定格電圧２２ｋＶクラスでは、雷インパルスフラッシュオーバー電圧が１２５ｋＶであることから、絶縁厚さｔ＝２ｍｍ以上としている。これは、エポキシ樹脂の絶縁層の耐電圧が約３０ｋＶ／ｍｍであることから、それぞれの導体間の絶縁厚さの和が４ｍｍで、ほぼ雷インパルス耐電圧の値と同様になる。また、さらに耐電圧を上昇させる絶縁バリア１２を配置した場合も同様であるが、自立させるためトータルの絶縁厚さは絶縁層の耐電圧から求めた値よりも大きくなることがある。
【０００８】
以下に、本発明の実施例について図面を用いて具体的に説明する。
１気圧のＳＦ₆ガス絶縁の絶縁特性と比較検討するために、スイッチギヤにおける気中複合絶縁の絶縁特性の実験を図１に示す導体構成を用いて行った。その実験結果の一例を図2に示す。
図1において、導体１０ａ、１０ｂは直径φ＝１０ｍｍの半球棒であり、先端に絶縁厚さｔ＝１０ｍｍのエポキシ樹脂の絶縁層１１ａ、１１ｂをモールドした。この導体１０ａ、１０ｂ間のほぼ中央には絶縁バリア１２を直交させて配置させた。この絶縁バリア１２は、高さｈ＝６０ｍｍと一定である。
ここで、絶縁層１１ａ、１１ｂの絶縁厚さｔは、エポキシ樹脂の絶縁耐力が約３０ｋＶ／ｍｍであることから、例えばＩＥＣ規格の定格電圧５２ｋＶの雷インパルスフラッシュオーバー電圧２５０ｋＶに耐えるものとして、裕度を考慮してｔ＝１０ｍｍとした。また、絶縁バリア１２の絶縁厚さについても、同様の考え方であると共に機械的に自立する厚さとして１０ｍｍ程度とした。なお、これらの絶縁厚さは、後述する電界強度の特性からも求められている。
また、ギャップ長Ｌは、金属間の距離をあらわし、複合絶縁を構成する絶縁層間の距離ではない。これは、ＳＦ₆ガス絶縁では、金属間ギャップで絶縁特性を求めることから、比較調査が直接できるようにするためである。以下の導体構成においても同様である。
【０００９】
図2において、（ａ）は絶縁層１１ａ、１１ｂと絶縁バリア１２を用いた複合絶縁の特性曲線、（ｂ）は固体絶縁なしで導体１０ａ、１０ｂを単独で用いたＳＦ₆ガス絶縁の特性曲線、（ｃ）は固体絶縁なしで気中絶縁の特性曲線である。
同図から、特性曲線（ａ）は、ギャップ長Ｌ＝８０ｍｍ以下の領域で、特性曲線（ｂ）より高い絶縁特性が得られる。これは、気中複合絶縁がＳＦ₆ガス絶縁と同等以上の絶縁特性を有する条件である。このように、気中絶縁において、導体１０ａ、１０ｂに絶縁層１１ａ、１２ｂを設けて導体からの電子放出を抑制し、絶縁バリア１２で電子をトラップさせれば高い絶縁特性が得られ、ＳＦ₆ガス絶縁と同様の絶縁設計ができることになる。したがって、雷インパルスフラッシュオーバー電圧２５０ｋＶ以下の範囲で、絶縁層１１ａ、１１ｂと絶縁バリア１２とギャップのそれぞれの電位分担が均一化され、ＳＦ₆ガス絶縁と同等以上の絶縁特性が得られると言える。
雷インパルスフラッシュオーバー電圧２５０ｋＶは、ＩＥＣ規格で定格電圧５２ｋＶの耐電圧であるため、この電圧クラス以下において、絶縁層１１ａ、１１ｂと絶縁バリア１２を用いた複合絶縁が適用できる。
【００１０】
なお、気中絶縁の特性曲線（ｃ）は、ＳＦ₆ガス絶縁の１／３程度の低いレベルであることがわかる。
これらの空気と固体絶縁の組み合わせによる複合絶縁構成によって、ほぼ１気圧のＳＦ₆ガスと同等以上の絶縁耐力を確保することができるため、空気を絶縁媒体にしたスイッチギヤよりも全体形状が小さいスイッチギヤを得ることができる。
次に、図３に示す導体構成を用いてスイッチギヤにおける気中複合絶縁の絶縁特性の実験を行い、その実験結果の一例を図４に示す。
図３において、導体１３ａ、１３ｂは直径１２．５ｍｍの半球棒であり、先端に絶縁厚さｔ＝２ｍｍのエポキシ樹脂の絶縁層１４ａ、１４ｂをフローコートした。
ここで、絶縁層１４ａ、１４ｂの絶縁厚さｔは、エポキシ樹脂の絶縁耐力が約３０ｋＶ／ｍｍであることから、例えばＪＥＣ規格の定格電圧２２ｋＶの雷インパルス耐電圧１２５ｋＶを耐えるものとしてｔ＝４ｍｍとした。
図４において、（ａ）は絶縁層１４ａ、１４ｂを用いた複合絶縁の特性曲線、（ｂ）は固体絶縁なしで導体１３ａ、１３ｂを単独で用いたＳＦ₆ガス絶縁の特性曲線、（ｃ）は固体絶縁なしで気中絶縁の特性曲線である。
【００１１】
同図から、特性曲線（ａ）は、ギャップ長Ｌ＝２０ｍｍ以下の領域で、特性曲線（ｂ）と同等の絶縁特性が得られる。これは、ギャップ長Ｌの狭い領域で気中複合絶縁がＳＦ₆ガス絶縁と同程度の絶縁特性を有する条件である。これは、前述の絶縁特性向上の効果で導体１３ａ、１３ｂに設けた絶縁層１４ａ、１４ｂの電子放出の抑制効果によるものと考えられる。これにより、気中複合絶縁の絶縁構成の最適化を図ればＳＦ₆ガスと同様の絶縁設計ができ、スイッチギヤの縮小化を図ることができることになる。なお、ギャップ長Ｌが広くなるにつれて、導体１３ａ、１３ｂや絶縁層１４ａ、１４ｂの電界強度が大きくなり、ＳＦ₆ガス絶縁の絶縁特性との差が広がっている。つまり、ギャップ長Ｌが広くなると、絶縁層を設けない導体に比べて絶縁特性は上昇するものの、単なる絶縁層を設けた効果が生じるのみとなることがわかる。したがって、ギャップ長Ｌと絶縁厚さｔの分担電圧の均一化によって、雷インパルスフラッシュオーバー電圧１７０ｋＶ以下の範囲ではＳＦ₆ガスの絶縁特性と同程度になると言える。雷インパルスフラッシュオーバー電圧１７０ｋＶは、ＪＥＣ規格から見れば定格電圧３３ｋＶの耐電圧となるため、この電圧クラス以下において、絶縁層１４ａ、１４ｂを用いた複合絶縁が適用できる。つまり、気中複合絶縁でＳＦ₆ガス絶縁と同程度の絶縁設計をすることができる。
【００１２】
なお、気中絶縁の特性曲線（ｃ）は、図２と同様にＳＦ₆ガス絶縁の１／３程度の低いレベルであることがわかる。
これらの空気と固体絶縁の組み合わせによる複合絶縁構成によって、ほぼ１気圧のＳＦ₆ガスと同等以上の絶縁耐力を確保することができるため、空気を絶縁媒体にしたスイッチギヤよりも全体形状が小さいスイッチギヤを得ることができる。
これら絶縁層１１ａ、１１ｂ、１４ａ、１４ｂの絶縁厚さｔと気中ギャップの電位分担から求まる電界強度の影響を求めたものを図５に示す。導体配置などは図３と同様であり、ギャップ長Ｌ＝２０ｍｍとした。図５から、電界強度Ｅは、絶縁厚さｔが約４ｍｍのとき最も低くなるＶ字型の特性を示すことがわかる。これは、絶縁層１１ａ、１１ｂ、１４ａ、１４ｂの絶縁厚さｔが増加すれば電界強度は低下していくが、ある一定の絶縁厚さから気中ギャップＬが狭くなりすぎて、逆に電界強度が上昇することがわかる。
これらのことから、最も電界強度が低くなるのは、ｔ０／Ｌ＝３０％〜５０％の範囲である。ここでｔ０は絶縁厚さの総和であり、図１では対向する導体１０ａ、１０ｂのそれぞれの絶縁層１１ａ、１１ｂの厚さと絶縁バリア１２の厚さを加算した大きさとなる。図３では、対向する導体１３ａ、１３ｂそれぞれの絶縁層１４ａ、１４ｂの厚さを加算した大きさとなる。またＬはギャップ長である。
【００１３】
この関係を図２及び図４の特性曲線から求めると、図２では絶縁層１１ａ、１１ｂと絶縁バリア１２の絶縁厚さｔがそれぞれ１０ｍｍであるので、ｔ_０＝３０ｍｍとなり、電界強度が最も低下するギャップ長Ｌは６０〜１００ｍｍとなる。図４では、絶縁層１４ａ、１４ｂの絶縁厚さｔがそれぞれ２ｍｍであるので、ｔ_０＝４ｍｍとなり、電界強度が最も低下するギャップ長Ｌは８〜１４ｍｍとなる。これらのギャップ長においては、雷インパルスフラッシュオーバー電圧が大きく上昇し、ＳＦ₆ガスの絶縁特性と同等以上となる。
これより、スイッチギヤなどに用いられる代表的な直径φ＝１０ｍｍ程度の導体間では絶縁体の挿入によりギャップ部の電界強度がＶ字の特性となることが見出され、ＳＦ₆ガスと同程度の絶縁設計を適用できることがわかった。なお、並行平板導体のような平等電界では、ギャップ間に絶縁体を設けると、ギャップ部の電界強度が絶縁厚さに比例して単一的に上昇するだけであって、上述のような特性は得られない。
次に、導体を設ける絶縁層の具体的な適用例を図６に示す。丸縁の導体１５ａ、１５ｂ間の接続部では、ボルト１６とナット１７で締め付け固定されている。丸縁の導体１５ａ、１５ｂは比較的平等電界なので、突出したボルト先端１６ａが絶縁的に弱点部となる。このため、ボルト先端１６ａに合わせた絶縁キャップ１８をネジに沿って取り付ければ、絶縁特性をＳＦ₆ガス絶縁と同程度以上に大きく上昇させることができる。絶縁キャップ１８のトップの絶縁厚さは、図示していない対向する電極とのギャップ長の３０％〜５０％を占める適切な厚さに選ぶものとする。
【００１４】
また、図７のような角縁の導体１９ａ、１９ｂの場合には、まず導体１９ａ、１９ｂに絶縁層２０ａ、２０ｂをエポキシ樹脂のフローコート絶縁により設け、ボルト１６とナット１７を一体で、例えば熱収縮チューブ２１で覆えば同様の効果がある。熱収縮チューブ２１の絶縁厚さは、図示していない対向する導体とのギャップ長の３０％〜５０％を占める適切な厚さに選ぶものとする。
これらのことから、気中ギャップにおいて、少なくとも最短ギャップを形成する導体表面に絶縁層を設け、またギャップが広い場合には絶縁バリアを追加した配置とした複合絶縁構成として、ＳＦ₆ガス絶縁と同程度まで絶縁特性を上昇させることにより、ＳＦ₆ガス絶縁に準じた絶縁設計を適用して大幅な縮小化を図ることができる。
他の実施例として、スイッチギヤの容器を密閉して、窒素ガスを封入しても空気と同様の複合絶縁構成の効果が得られる。
【００１５】
【発明の効果】
本発明によれば、ＳＦ₆ガスを用いなくても気中複合絶縁で同程度の絶縁設計ができるので、温暖化ガスを用いない環境に適合した縮小形のスイッチギヤを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における絶縁構造の導体の部分配置図。
【図２】［図1］の導体配置における絶縁特性図。
【図３】本発明の実施の形態における絶縁構造の導体の部分配置図。
【図４】［図３］の導体配置における絶縁特性図。
【図５】本発明の実施の形態における電界強度特性図。
【図６】本発明の実施の形態における導体接続部の部分断面図。
【図７】本発明の実施の形態における導体接続部の部分断面図。
【図８】スイッチギヤの構成を示す側面図。
【符号の説明】
１・・・容器
２・・・隔壁
３・・・遮断器
４Ａ、４Ｂ・・・断路器
５・・・母線
６・・・支持硝子
７・・・ケーブルヘッド
７ａ・・・電力ケーブル
８・・・接続導体
９・・・絶縁スペーサ
１０ａ、１０ｂ、１３ａ、１３ｂ、１５ａ、１５ｂ、１９ａ、１９ｂ・・・導体
１１ａ、１１ｂ、１４ａ、１４ｂ・・・絶縁層
１２・・・絶縁バリア
１８・・・絶縁キャップ
２１・・・熱収縮チューブ

Claims

遮断器や断路器などの各種の開閉装置を収納して電源系統を構成するスイッチギヤにおいて、
空気を絶縁媒体とする不平等電界の気中ギャップを形成する導体と、
前記導体が最短ギャップとなるこの導体部のそれぞれに設けられる絶縁層と、
前記最短ギャップ間に直交して配置される絶縁バリアとを備え、
前記絶縁層の厚さと前記絶縁バリアの厚さとの総和を前記最短ギャップ長の３０〜５０％とし、
１気圧のＳＦ _６ガス絶縁と同等以上の絶縁特性を得ることを特徴とするスイッチギヤ。