JP4291013B2

JP4291013B2 - 真空バルブ

Info

Publication number: JP4291013B2
Application number: JP2003056488A
Authority: JP
Inventors: 仁斉藤; 仁大久保; 裕己市川
Original assignee: Japan AE Power Systems Corp
Current assignee: Japan AE Power Systems Corp
Priority date: 2003-03-04
Filing date: 2003-03-04
Publication date: 2009-07-08
Anticipated expiration: 2023-03-04
Also published as: JP2004265801A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、真空バルブに関するものである。更に詳述すると、電機機器に使用される真空バルブにおいて、絶縁筒の内表面（内周面）または外表面（外周面）または内外表面（内周面及び外周面）に、半導電性釉薬による半導電層を形成することにより、真空中及びガス中の沿面絶縁性能を向上させた真空バルブに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
真空遮断器は、その優れた電流遮断性能により中電圧以下の開閉装置に広く適用されている。近年、１４５ｋＶ級の真空遮断器の開発も報告されており、より一層の高電圧化が進んでいる。
【０００３】
高電圧化にともない、真空遮断器において最も重要な構成機器である真空バルブの絶縁設計が重要になる。真空バルブの極間（可動電極と固定電極との間）の絶縁を保持する絶縁筒にはセラミック絶縁筒が多用されている。ところが、雷インパルス電圧などの定格電圧以上の過電圧が真空バルブの両端に印可された場合には、セラミック絶縁筒の内表面（内周面）及び外表面（外周面）において、微小な放電などにより帯電が形成される場合がある。このようにして生じた絶縁筒表面の帯電は、局所的な電界集中をもたらし絶縁性能劣化の一因となると考えられている。
【０００４】
そこで、真空バルブの絶縁筒ならびに真空容器内における絶縁性構成部材の帯電防止方法として、絶縁筒の内表面や外表面、さらには真空容器内の絶縁性構成部材の表面に、半導電層を形成する方法（第１の従来技術）が提案されている。
【０００５】
第１の従来技術を示す特開昭５５−１４１０２３号公報では、低原子、高融点、高沸点でかつ比較的硬度が高いベリリウム（Ｂｅ）、ホウ素（Ｂ）、グラファイト（Ｃ）などの薄層（厚さ約数オングストローム〜数百オングストローム）からなる半導電層を、絶縁性構成部材（絶縁筒を含む）の表面に形成している。半導電層は帯電されないので、半導電層と金属部材の間の放電が生じ難くなり絶縁性構成部材の絶縁耐力が向上するとしている。
【０００６】
一方、絶縁性構成物（具体的には磁器碍子）の表面に半導電層を設ける方法（第２の従来技術）として、半導電性の釉薬層をセラミック表面に形成する方法が提案されている。
【０００７】
第２の従来技術は、ＮＧＫレビュー第５８号に記載された記事「全面導電釉がいしの適用設計とフィールド実績」に開示されている。この第２の従来技術では、ベースとなる酸化錫、酸化アンチモンに第３成分として酸化ニオブを添加した半導電性釉薬を磁器碍子の表面に適用することにより、長期的に安定した釉薬を得ることができ、局部電界集中の緩和ができる。また、釉薬層の厚さをコントロールすることにより分担電圧を均一化することができる。これらの効果により、優れた汚損耐電圧特性及び耐コロナ防止特性を有することが報告されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開昭５５−１４１０２３号公報
【非特許文献１】
ＮＧＫレビュー、第５８号、平成１１年１２月、Ｐ．１５〜Ｐ．２８、「全面導電釉がいしの適用設計とフィールド実績」、日本ガイシ株式会社発行
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、第１の従来技術では、絶縁筒に半導電層の金属の薄層を形成するために、真空中で蒸着をする必要があり、前処理、真空引き、蒸着などの製造工程が増えるという問題点があった。また、厚さ分布のコントロールが難しい、長期的な安定性について不明な点がある、という課題があった。
【００１０】
また、第２の従来技術では、湿潤汚損条件下、海塩汚損条件下などにおける表面漏れ電流の制御による汚損耐電圧特性及び耐コロナ防止特性の向上を目的としている。そのため、通常では清浄なタンク内に設置される真空バルブの絶縁筒沿面における帯電の抑制については全く想定されていない。
【００１１】
本発明の目的は、製造工程を大幅に増やすことなく、長期的に安定し、かつ表面抵抗分布のコントロールの可能な半導電層を、半導電性釉薬を用いることにより真空バルブの絶縁筒の内表面，または外表面、または内外表面に形成し、絶縁筒表面の帯電を抑制または電界分布の改善をすることで、耐電圧性能に優れ信頼性の高い真空バルブを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成する本発明の構成は、金属リングとこの金属リングの両端に接合した絶縁筒を含む筒材と、
この筒材の両端を閉止する金属製のフランジと、
前記筒材と前記フランジにより形成される真空容器内にて接離する固定電極及び可動電極と、
前記真空容器内において、前記金属リングの内周側に配置された中間シールドと、前記フランジの一方に取り付けられた第１のフランジ側シールドと、前記フランジの他方に取り付けられた第２のフランジ側シールドと、
を備えた真空バルブにおいて、
前記絶縁筒の少なくとも内表面に、半導電性釉薬を塗布することにより半導電層を形成し、しかも、この半導電層を前記フランジ及び前記金属リングに電気的に接続させ、
更に、前記絶縁筒の沿面上の電界分担を平均化するため、前記半導電層の厚さは、軸方向に関して前記中間シールドの両側の先端部分、第１のフランジ側シールドのうち前記中間シールド側に位置する先端部分、第２のフランジ側シールドのうち前記中間シールド側に位置する先端部分に対応する箇所の厚さを厚くし、他の箇所を薄くしていることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１７】
＜第１の実施の形態＞
図１は本発明の第１の実施の形態にかかる真空バルブ１を示す。この真空バルブ1の真空容器２は、筒材３の固定側を金属製の固定側フランジ４で閉止し、筒材３の可動側を金属製の可動側フランジ５で閉止して形成されている。
【００１８】
この実施例では、筒材３は、中央の中間リング（金属リング）６の両端に、円筒状のセラミックでなる絶縁筒７，８を接合し、絶縁筒７の端部に接続リング（金属リング）９を接合し、絶縁筒８の端部に接続リング（金属リング）１０を接合して構成されている。そして、接続リング９と固定側フランジ４とが接続され、接続リング１０と可動側フランジ５とが接続されている。
【００１９】
固定リード１１は、固定側フランジ４を気密に貫通しつつ固定側フランジ４により固定支持されている。この固定リード１１の先端（真空容器２内に位置する先端）には、固定電極１２が取り付けられている。
【００２０】
可動リード１３は、遊嵌状態で可動側フランジ５を貫通しており、その先端（真空容器２内に位置する先端）には、可動電極１４が取り付けられている。可動リード１３は、図示しない外部操作機器によって軸方向に移動されるようになっており、可動リード１３の軸方向移動によって固定電極１２と可動電極１４とが接離して電流の投入・遮断が行われる。
【００２１】
可動側フランジ５と可動リード１３との間にはベローズ１５を介在させており、ベローズ１５の一端は可動側フランジ５に気密に接続され、他端は可動リード１３に気密に接続されている。このため、真空容器２の内部の真空状態を維持しつつ、可動リード１３の軸方向移動を可能にすることができる。
【００２２】
中間リング６の内表面には中間シールド１６が取り付けられており、固定側フランジ４の内表面にはフランジ側シールド１７が取り付けられており、可動側フランジ５の内表面にはフランジ側シールド１８が取り付けられている。
【００２３】
絶縁筒７の内表面（内周面）及び外表面（外周面）には、半導電性層２１が形成されており、絶縁筒８の内表面（内周面）及び外表面（外周面）には、半導電層２２が形成されている。半導電層２１，２２は、半導電性釉薬を絶縁筒７，８の表面に塗布することにより形成されている。
【００２４】
しかも、半導電層２１は、中間リング６及び接続リング９に電気的に接続されている。また、半導電層２２は、中間リング６及び接続リング１０に電気的に接続されている。したがって、固定側フランジ４，接続リング９，半導電層２１，中間リング６，半導電層８，接続リング１０及び可動側リング５が電気的に接続されている。
【００２５】
なお半導電層２１，２２を形成する半導電性釉薬としては、例えば酸化錫−酸化アンチモン系釉薬などを使用することができる。
この場合、半導電層２１，２２の表面抵抗が、数ＭΩ〜数百ＭΩ程度となるようにしている。
また、半導電層２１，２２の厚さを、０．１〜１．０ｍｍ程度となるようにしている。
【００２６】
なお、半導電層２１，２２は、１回の塗布で形成したり、塗布を２回繰り返して形成したり、塗布した後に表面を削って厚さ調整をしたりする。
【００２７】
上記構成となっている真空バルブ１では、設置現場の状況により、固定側フランジ４（固定電極１２）側がアース電位となり可動側フランジ５（可動電極１４側）が高電位となったり、逆に、固定側フランジ４（固定電極１２）側が高電位となり可動側フランジ５（可動電極１４側）がアース電位となったりする。
【００２８】
第１の実施の形態に係る真空バルブ１では、半導電層２１，２２の表面は帯電されないので（または帯電が抑制されるので）、金属製のシールド１６，１７，１８と半導電層２１，２２との間で放電が生じ難くなり、真空バルブ１の絶縁性能が向上する。
【００２９】
更に詳述すると、微小な放電などにより帯電を形成しようとする電荷が発生し、この電荷が絶縁筒７，８の表面に接すると、半導電層２１，２２が無い場合には電荷が蓄積する。しかし、本実施の形態のように半導電層２１，２２がある場合には、微小放電などに起因して発生した電荷は、漏れ電流として半導電層内２１，２２を流れ、中間リング６や接続リング９，１０を通ってフランジ４，５に伝わる。このとき、フランジ４，５の一方がアース電位となっているので、電荷（漏れ電流）はアース電位に流れてしまい電荷の蓄積が抑制される。これにより、帯電による電荷の変歪や、電界が強調されることにより生じる絶縁性能の低下または不安定化を抑制することができ、絶縁性能の高い真空バルブ１とすることができる。
【００３０】
また、第１の実施の形態に係る真空バルブ１では、半導電層２１，２２は半導電性釉薬を塗布して形成している。このため、金属の薄層を形成する場合に必要であった、蒸着のための前処理、真空引き、蒸着などの製造工程を必要としない。
【００３１】
また、従来のセラミック絶縁筒の表面には、通常では汚損防止のために絶縁性釉薬が塗布されており、本実施の形態のように半導電性釉薬を採用した場合も製造工程が大幅に増えることはないので安価である。さらに、半導電性釉薬は屋外懸垂碍子に適用され、その長期劣化特性が明らかにされているため、長期的な絶縁信頼性が高い真空バルブ１とすることができる。
【００３２】
＜第２の実施の形態＞
図１に示す第１の実施の形態では、半導電層２１，２２の厚さを均一にすることを前提としている。しかし、図２（ａ）に一部のみを示す第２の実施の形態に係る真空バルブ１Ａでは、半導電層２１，２２の厚さを任意に分布させたことを特徴とする。例えば、半導電層がない場合に絶縁筒７，８の沿面上の電界が集中する箇所において半導電層２１，２２の厚さを厚くして抵抗値を下げ、同時に、半導電層がない場合に絶縁筒７，８の沿面上の電界が集中していない箇所において半導電層２１，２２の厚みを薄くして抵抗値を上げるようにしている。このようにすることにより、絶縁筒７，８の沿面上の電位分担が平均化され電界集中部の電界が緩和されることにより、真空バルブ１Ａの耐電圧性能が向上する。
【００３３】
なお、絶縁筒７，８の沿面上の電界が集中する箇所は、軸方向に関して、シールド１６，１７，１８の先端部分に対応する箇所である。また、シールドを備えていない場合には、軸方向に関して、絶縁筒の両端部に対応する箇所である。
【００３４】
他の部分の構成は、図１に示す第１の実施の形態と同様である。したがって、第２の実施の形態に係る真空バルブ１Ａは、第１の実施の形態に係る真空バルブ１と同様に、帯電抑制の効果を有している。
【００３５】
第２の実施の形態では、帯電抑制の効果に加え、電界分布のコントロールができる。以下に具体例を用いてその効果を示す。
【００３６】
図２（ａ）は、第２の実施の形態に係る真空バルブ１Ａの一部を示す断面図である。
【００３７】
図２（ｂ）は、半導電層がない場合及び半導電層の厚みが均一である場合における、筒材３の沿面電界強度を示す。図２（ｂ）から、中間シールド１６及びフランジ側シールド１７，１８の先端に近い箇所で電界が集中していることがわかる。
【００３８】
ここで、図２（ｃ）に示すように、半導電層２１，２２の厚みを、電界強度分布に比例するように分布させると、絶縁筒７，８に形成した半導電層２１，２２の表面抵抗値は図２（ｄ）のようになる。
【００３９】
ここで電位は相対的な抵抗値が高いほど電圧を多く分担することを利用して、電圧分担すなわち電界分布を平均化させることができ、図２（ｅ）に示す電界分布図のように電界分布を平坦にすることができる。
これにより、全体の筒材３の電界強度が低減され絶縁性能が向上する。
【００４０】
また、従来の方法で、第２の実施の形態と同様に電界分布を改善しようとすると、真空バルブ内・外部にシールド電極などを設ける必要があり部品点数が増え装置が大型化するという問題があった。
しかし、第２の実施の形態では、絶縁筒７，８の表面に半導電層２１，２２を形成し、その厚さを調整するだけなので、装置の大型化や部品点数を増加させることなく電界分布を改善することができる。
【００４１】
なお、上記実施の形態では、絶縁筒７，８の内表面及び外表面に半導電層２１，２２を形成したが、絶縁筒７，８の内表面及び外表面の少なくとも一方の面に半導電層２１，２２を形成するようにしても良い。
また、筒材の全体がセラミック製絶縁筒だけで構成されている真空バルブにも、本発明を適用することができることは言うまでもない。
【００４２】
【発明の効果】
以上、実施の形態と共に具体的に説明したように本発明によれば、少なくとも絶縁筒を有する筒材または絶縁筒と金属リングとを接合してなる筒材と、この筒材の両端を閉止するフランジと、筒材とフランジにより形成される真空容器内にて接離する固定電極及び可動電極を備えた真空バルブにおいて、
絶縁筒の内表面及び外表面の少なくとも一方の面に、半導電性釉薬による半導電層を形成し、しかも、この半導電層をフランジに電気的に接続させていること、または、この半導電層をフランジ及び金属リングに電気的に接続させている構成にした。
このため、微小放電などにより発生した電荷は、絶縁筒に帯電することなくアース電位部位にまで流れる。よって絶縁筒表面での帯電を抑制して電界分布の改善をすることができ、耐電圧性に優れた信頼性の高い真空バルブを提供することができる。
【００４３】
また本発明では、半導電層の厚さは、半導電層が無い場合に絶縁筒沿面上の電界が集中する箇所において厚く、半導電層が無い場合に絶縁筒沿面上の電界が集中していない箇所において薄くしている構成とした。
このため、絶縁筒沿面上の電位分担が平均化され電界集中部の電界が緩和されることにより、真空バルブの耐電圧性能が向上する。
【００４４】
また本発明では、半導電層は、半導電性釉薬を塗布することにより形成しているため、製造コストや製造手順を増やすことなく半導電層を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る真空バルブを示す断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る真空バルブを示す一部断面図及び特性説明図である。
【符号の説明】
１，１Ａ真空バルブ
２真空容器
３筒材
４固定側フランジ
５可動側フランジ
６中間リング
７絶縁筒
８絶縁筒
９接続リング
１０接続リング
１１固定リード
１２固定電極
１３可動リード
１４可動電極
１５ベローズ
１６中間シールド
１７フランジ側シールド
１８フランジ側シールド
２１半導電層
２２半導電層

Claims

金属リングとこの金属リングの両端に接合した絶縁筒を含む筒材と、
この筒材の両端を閉止する金属製のフランジと、
前記筒材と前記フランジにより形成される真空容器内にて接離する固定電極及び可動電極と、
前記真空容器内において、前記金属リングの内周側に配置された中間シールドと、前記フランジの一方に取り付けられた第１のフランジ側シールドと、前記フランジの他方に取り付けられた第２のフランジ側シールドと、
を備えた真空バルブにおいて、
前記絶縁筒の少なくとも内表面に、半導電性釉薬を塗布することにより半導電層を形成し、しかも、この半導電層を前記フランジ及び前記金属リングに電気的に接続させ、
更に、前記絶縁筒の沿面上の電界分担を平均化するため、前記半導電層の厚さは、軸方向に関して前記中間シールドの両側の先端部分、第１のフランジ側シールドのうち前記中間シールド側に位置する先端部分、第２のフランジ側シールドのうち前記中間シールド側に位置する先端部分に対応する箇所の厚さを厚くし、他の箇所を薄くしていることを特徴とする真空バルブ。