JP4434651B2 - 固体絶縁物および固体絶縁物の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、請求項１の前文にもとづく固体絶縁物に関する。さらに、方法に関する独立請求項の前文にもとづく固体絶縁物の製造方法に関する。

加圧ガス絶縁開閉装置においては、固体型絶縁部品は、中央の金属挿入部を含む、幾つかの複雑な下部構造の特徴を持つ円盤状の形状をしている。

ドイツ特許公開第３３１１２１８号明細書は、閉鎖型高電圧装置用の円盤状の絶縁物を開示している。この絶縁物は、注型成形された電極を有し、この電極は、セグメント化されているとともに、円盤の端表面に対して周辺部に向かって同心円的に延びている。この注型成形された電極は、接点舌片を用いて接点電極と接続されており、この接点電極は、金属の取付リングを支持している。注型成形後の円盤型絶縁物の収縮時における、円盤型絶縁物、接点舌片、または注型成形された電極に対する損傷、あるいは運用時の熱応力により生じる損傷を回避するために、注型成形された電極は、周辺方向に向かって交互に延びる複数の電極セグメントに分割されている。

ドイツ特許公開第４０１５９２９号明細書は、金属密閉型ガス絶縁高電圧設備用の固体絶縁物を開示している。それは、注型樹脂を含む絶縁物本体、この絶縁物本体によって支持され、高電圧伝送用に設けられた電極、金属容器上に取り付け可能な支持部、および絶縁物本体上に注型成形され、導電性プラスチックから成る電界制御素子を有する。この絶縁物は、絶縁物本体に対する機械的損傷および／または長期間の誘電応力によって生じる復元不可能な損傷を確実に防止することを意図したものである。

このような円盤状の絶縁部品は、経常的な機械的および電気的負荷を支持する、真空鋳造され、鉱物を添加した（すなわち、ＳｉＯ₂ 、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、またはＣａＳｉＯ₃ ）、無水物で硬化させたビスフェノールＡエポキシ樹脂から構成されている。ガス絶縁開閉設備においては、固体型絶縁部品は、高い電界と静圧力および曲げモーメントのような高い機械的負荷の両方を受ける。

ガス絶縁開閉装置の鉱物粒子を添加したエポキシ樹脂絶縁物の主要な欠点は、そのような部品の重量が重いこと（例えば、最大規模の絶縁物を扱うのに二人から三人が必要である、すなわち３０ｋｇ以上ある）、機械的な性能が劣ること、および材料が比較的脆いことであり、破滅的な破壊メカニズムを生じさせるものである。
ドイツ特許公開第３３１１２１８号明細書 ドイツ特許公開第４０１５９２９号明細書

したがって、この発明の目的の一つは、軽量で、高い機械的性能を持つ固体絶縁物を提供することである。

この発明にもとづくと、この目的は、請求項１の特徴により達成される。

この発明の利点は、とりわけ、従来の鉱物粒子を添加したエポキシ樹脂材料と比べて７０％までの重量を節約することができることであり、それは、容易な取扱いと安価な保守を可能とし、必要な人員を少なくすることができるという事実の中に見ることができる。さらに別の利点は、機械的な性能（すなわち、剛性と強度）が非常に改善されていることであり、それはより薄い構造を生み出し、そのことからよりコンパクトなガス絶縁開閉設備の設計を可能とするものである。また、それは、固体絶縁物の設計において、より高い柔軟性を生み出し、平坦な円盤形状のような、より単純な設計寸法を可能とするものであり、その形状は、確かにガス絶縁開閉装置の固体絶縁物に関する可能な最善の誘電設計（dielectric design ）である。さらに、これらの新しい材料は、ずっと高い動作圧力を必要とする、非常に高い破壊圧の固体絶縁物、ならびに潜在ＳＦ₆ のない絶縁技術に関する特別な地域的規則の要求条件を満たすことができるので、応用分野が広がる。破滅的な破壊メカニズムを引き起こさないものであり、そのことは、より高い信頼性と安全性を意味する。この新しい固体絶縁物技術によって可能となる、より薄い絶縁物設計は、ドイツ特許公開第３３１１２１８号明細書およびドイツ特許公開第４０１５９２９号明細書に一般的に記載された、複雑な電界分布を持つ電極の難しく、そのために高価となる組み込みを回避するものである。しかしながら、電界分布を持つ電極が本当に必要な場合には、炭素繊維のような導電性繊維を簡単かつ単純に組み込むことも可能である。

繊維強化エポキシ樹脂材料を用いることで、より高い信頼性と関連して、より高い機械的性能を達成することにより、ガス絶縁開閉装置の固体絶縁物における全体的な費用削減を生み出すものである。

この発明の別の有利な実施形態は、従属請求項により明らかにされるものである。

この発明のより完全な理解とそれに付随する利点の多くは、容易に得られ、添付図面と関連して考え、以下の詳細な記述を参照することにより、より良く理解されるものである。

図面には、この発明の理解に必須な要素だけを表している。

繊維強化ポリマーは、有機繊維または無機繊維で強化したポリマー母材から成る特異な部類の材料である。強化繊維は、主要な負荷支持体であり、母材部品は、繊維を通じて負荷を伝達する。この発明の記述においては、ポリマー母材は、電気絶縁に一般的に用いられる典型的な無水物で硬化したエポキシ樹脂から成る一方、強化繊維の特性は、それが良好な電気絶縁特性を持つ限りにおいて、様々なタイプのものが可能である。Ｅ−ＣＲガラス繊維タイプが好ましいが、一般的なガラス繊維が、確かにこの発明における固体型電気絶縁物に適用するのに最適な繊維である。しかし、玄武岩や石英繊維のような、その他の無機繊維、および液晶ポリマー、芳香族ポリアミドや高分子（ｐ−フェニレン−２、６−ベンゾビソキサゾール）の繊維のような有機繊維もまた用いることができる。さらに、ポリマー母材の強化は、多様な方法で実現される。この繊維は、織り込んだまたは編み込んだ織物であるか、あるいは３次元の予備成形品の形で連続しているか、それともマットの形で不連続となっている。繊維強化エポキシ樹脂材料は、従来の真空鋳造され、鉱物粒子を添加したエポキシ樹脂材料に対して、幾つかの重要な利点を示す。重量当りの強度と重量当りの剛性の比率は、繊維強化ポリマーを用いる主要な理由である。さらに、ガラス繊維強化エポキシ樹脂材料の破壊靭性は、鉱物粒子を添加したエポキシ樹脂材料よりも非常に良い。したがって、ガラス繊維強化エポキシ樹脂材料は、鉱物粒子を添加したエポキシ樹脂材料に伴う破滅的な破壊メカニズムを大きく変化させるものである。層間の破壊または繊維とエポキシ樹脂母材間の剥離だけが発生する可能性がある。さらには、繊維強化ポリマー材料の破壊靭性は、適切な繊維方向によって最大化することができる。

ＳＦ₆ ガス加圧絶縁開閉設備における固体型絶縁部品は、基本的には二つの加圧室間における円形の隔壁である。そのような加圧絶縁開閉設備は、ドイツ特許公開第３３１１２１８号明細書とドイツ特許公開第４０１５９２９号明細書に記載されている。これらの固体絶縁物の使用目的とする主要な負荷は、典型的には等方静圧負荷型のものである。基本的に、面内における優先的な負荷方向はない。そのため、そのような負荷の場合には、疑似等方性、すなわち面内における全方向に均等な性質が必要となる。薄板の疑似等方性は、主に三つの異なる繊維織物構造、すなわち放射状および環状の繊維方向、層間において回転移動を持たせた２軸の繊維方向、ならびに層間において回転移動を持たせた単一方向（ＵＤ）の繊維方向を用いて実現することができる。これらの異なった繊維織物構造を混在させることもできる。

放射状および環状の繊維方向：
図１に示す放射状および環状の繊維方向は、定義において既に、この繊維方向型で疑似等方性の要求条件を達成しているので、最良の繊維方向の選択肢である。そして、図２に示すように、そのような繊維織物の別々の層を単純に積み重ねて、絶縁物の繊維の骨格部を形成することができる。

層間において回転移動を持たせた２軸の繊維方向：
各積み重ねた繊維層を、図４に示すとおりにその前のものと比較して所定の角度（この角度が少さくなるほど、疑似等方性がより大きくなる）だけ回転させるとの条件のもとで、図３に示す、２次元に織り込んだ繊維のような、２軸方向の繊維織物型を用いて、薄板の疑似等方性を実現することもできる。理想的には、積層配列により、全回転角を３６０°とすることができる。

層間において回転移動を持たせた単一方向（ＵＤ）の繊維方向：
代わって、図５に示す、単一方向（ＵＤ）の繊維織物では、層間において回転移動を持たせた２軸の繊維織物と同様の方法を用いることができる。また、薄板の疑似等方性は、図６に示すとおりに、別々のＵＤ織物層を回転移動させることによって実現される。同じく、回転移動する角度が小さくなるほど、疑似等方性がより大きくなる。理想的には、積層配列により、全回転角を３６０°とすることができる。

繊維強化された骨格部の予備成形：
上記の２次元またはＵＤ繊維構造は、予備成形品に組み立てられる。予備成形品は、製造しようとする部品の形状に事前に合致させた単体構成の補強材である。この明細書においては、円盤形状の予備成形品を用いている。２軸に織り込まれた、または単一方向の織物を切り出している。放射状および環状方向の織物においては、既に円盤形状に織り込まれているので、この作業は不要である。そして、最終的な形状とするために、各層を物理的に結合させる、すなわち縫い合わせるか、または化学的に結合させる、すなわち樹脂粉を利用して化学的に結合させる。繊維の予備成形品を利用することは、細かい積層作業を回避できるので、大幅な製造時間の低減と品質の改善を生み出す。予備成形品として、図７に示す３次元に織り込んだ繊維構造を利用することもできる。縫い合わせ、または結合作業の代わりに、第３の織り込み次元を追加することもある。その結果、この３次元の繊維構造は、繊維強化ポリマー材料において最も重大な破壊メカニズムを示す、積層間の破壊を劇的に緩和するという利点をさらに持つこととなる。また、放射状および環状の繊維方向の場合、図８に示す連続的な螺旋状の予備成形品は、２次元に織り込んだ織物を縫い合わせるか、または結合させた予備成形品に代わる手法ともなる。

製造工程：
ガス絶縁開閉装置の繊維強化エポキシ樹脂の絶縁物は、樹脂移送成形（ＲＴＭ）処理法を用いて製造される。図９と１０に示す、ＲＴＭ型の注入処理は、多段の工程であり、その工程には、繊維予備成形品１の整合する成形型２への配置、および型の閉鎖とそれに続く低圧、典型的には１〜４バール下における閉鎖された成形型の窪みへの十分な量のエポキシ組織の注入があり、このようにして予備成形品１の繊維束を充填させるものである。図９に示すように、容器３に貯蔵されたエポキシ樹脂と容器４に貯蔵された無水物をベースとする硬化剤または触媒は、定量ポンプ５によって混合器６に運ばれ、その中で樹脂と硬化剤は混合され、出来上がったエポキシ組織が成形型に注入される。エポキシ組織が硬化すれば、成形型２を開け、部品を取り出す。ＲＴＭ型の注入処理は、優れた表面仕上げ、細かい仕上げを必要とするニアネットシェイプ部分、および真空バッグ成形された、またはオートクレイブ成形された、すなわち、気泡含有量の非常に低い複合材にしばしば匹敵するような複合材特性を提供する能力を持つものとして最も良く知られている。ＲＴＭ法においては、電気的な利用において非常に重要となる、最終部品の表面状態の品質をさらに改善するために、追加的にポリマーのゲルコートを利用することができる。さらに、活性ガス環境下における、絶縁物表面の粒子に対する感度を低減するために、低い誘電率のゲルコートを適合させて配置することもできる。このＲＴＭ型の処理は、外部の圧力で窪みに樹脂を押し込むことに関係する部類（ＲＴＭ型）と真空処理により樹脂を引き込む部類（ＶＡＲＴＭ型）に分けられる。固体絶縁物型に応じて、外部の圧力の代わりに、または外部の圧力と組み合わせて、真空を利用して、高電圧での絶縁応用における絶対的な必須条件である、部品内での気泡含有量を非常に低く／ゼロ近くにすることができる。

図１１は、処理後における、ガス絶縁開閉装置の平坦な円盤形の幾何形状を持つ放射状および環状の繊維方向を持つ繊維強化エポキシ樹脂の固体絶縁物を表している。図１と２に示す、放射状および環状の繊維方向を持つ、積み重ねた別々の層から成る予備成形品が用いられている。

図１２は、様々な材料の重量当りの強度と重量当りの剛性の比率を表している。これら二つの比率は、鉱物粒子を添加したエポキシ樹脂に関するものよりも、ガラス繊維で強化したエポキシ樹脂に関するものの方が非常に良好であることが明らかである。

この発明は、もちろん、ここで示し、記載した実施例に限定されるものではない。明らかに、上記に示したことを考慮して、この発明の多数の修正ならびに変化形態が可能である。そのため、この発明は、付属する請求項の範囲内において、特に記述した以外の形態においても実施できるものであることを理解すべきである。

放射状および環状方向の繊維織物型を表す図 図１の放射状および環状方向の繊維織物型を用いた、典型的な薄板の積層配 列を表す図 ２軸方向の繊維織物型を表す図 図３の２軸方向の繊維織物型を用いた、典型的な薄板の積層配列を表す図 単一方向の繊維織物型を表す図 図５の単一方向の繊維織物型を用いた、典型的な薄板の積層配列を表す図 ３次元直交繊維織り込み構造を表す図 連続的な螺旋形状の放射状および環状の繊維方向を持つ予備成形品を表す図 樹脂移送成形（ＲＴＭ）技術用の装置を表す図 樹脂移送成形（ＲＴＭ）技術工程を表す図 放射状および環状の繊維方向を持つ、ガス絶縁開閉装置の繊維強化エポキ シ樹脂固体絶縁物の平坦な円盤形状を表す図 アルミニウムＡＬ、鋼鉄ＳＴ、純性エポキシ樹脂ＮＥ、および鉱物粒子を 添加したエポキシ樹脂材料ＥＭと比較した、ガラス繊維強化エポキシ樹脂 ＥＦの重量当りの剛性ｒ_SNと重量当りの強度ｒ_STを表す図

符号の説明

１ 予備成形品
２ 成形型
３，４ 容器
５ 定量ポンプ
６ 混合器

Claims (11)

1. 少なくとも一つの導体が、高電圧を伝送するために配備され、かつ外部容器内に配置されており、この導体を支持する絶縁物本体を備えた、ガス絶縁され、密封された高電圧設備用の固体絶縁物において、
   この絶縁物本体が、繊維強化ポリマーを有し、円盤形状であり、その円盤形状によって一つの面を規定しており、
   繊維強化ポリマーの繊維が、円盤形状によって規定される面内に絶縁物本体の疑似等方性の機械的特性を実現するように、その面内に延びており、絶縁物本体における繊維の方向が、放射状および環状方向であり、この繊維の織物が、別々の層として形成されているか、絶縁物本体における繊維の方向が、２軸方向であり、この繊維の織物が、別々の層として形成され、これらを積み重ねた層が、所定の角度だけ回転移動されているか、絶縁物本体における繊維の方向が、単一方向であり、この繊維の織物が、別々の層として形成され、これらを積み重ねた層が、所定の角度だけ回転移動されているかのいずれかである、
   ことを特徴とする固体絶縁物。
2. 前記の絶縁物本体が、繊維強化エポキシ樹脂材料を有することを特徴とする、請求項１に記載の固体絶縁物。
3. 前記の絶縁物本体が、非導電性の有機繊維および／または非導電性の無機繊維を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の固体絶縁物。
4. 前記の絶縁物本体が、電界を分布させることを目的として導電性の繊維を有することを特徴とする、請求項１、２または３に記載の固体絶縁物。
5. 前記の回転移動して積み重ねた層の回転移動角度が全体として３６０°となることを特徴とする、請求項１に記載の固体絶縁物。
6. 前記の絶縁物本体における繊維の骨格部が、放射状および環状方向の繊維、２軸方向の繊維、または単一方向の繊維を積み重ねた層を持つ予備成形品を有し、その際これらの層が、物理的または化学的に結合されていることを特徴とする、請求項１〜５までのいずれか一つに記載の固体絶縁物。
7. 前記の絶縁物本体における繊維の骨格部が、連続した螺旋状の放射状および環状方向の繊維層を持つ予備成形品を有することを特徴とする、請求項１〜５までのいずれか一つに記載の固体絶縁物。
8. 前記の絶縁物本体における繊維の骨格部が、３次元に織り込まれた繊維構造を持つ予備成形品を有することを特徴とする、請求項１〜５までのいずれか一つに記載の固体絶縁物。
9. 少なくとも一つの中心導体が、高電圧を伝送するために配備され、かつ外部容器内に配置されており、この導体を支持する絶縁物本体を備えた、ガス絶縁され、密封された高電圧設備用の円盤形状の固体絶縁物の製造方法において、
   繊維強化ポリマーの繊維が、円盤形状によって規定される面内に絶縁物本体の疑似等方性の機械的特性を実現するように、その面内に延びており、絶縁物本体における繊維の方向が、放射状および環状方向であり、この繊維の織物が、別々の層として形成されているか、絶縁物本体における繊維の方向が、２軸方向であり、この繊維の織物が、別々の層として形成され、これらを積み重ねた層が、所定の角度だけ回転移動されているか、絶縁物本体における繊維の方向が、単一方向であり、この繊維の織物が、別々の層として形成され、これらを積み重ねた層が、所定の角度だけ回転移動されているかのいずれかの形で、繊維強化ポリマーの繊維を成形型に配置すること、
   この成形型を閉鎖し、そして低圧および／または真空を用いて、この成形型にポリマー母材を注入すること、
   この成形型内でポリマー母材を硬化させること、
   この成形型から前記の絶縁物本体を取り出すこと、
   の措置を有することを特徴とする固体絶縁物の製造方法。
10. 前記の繊維が、予備成形品として前記の成形型に投入されることを特徴とする、請求項９に記載の固体絶縁物の製造方法。
11. 少なくとも一つの中心導体が、高電圧を伝送するために配備され、かつ外部容器内に配置されており、この導体を支持する絶縁物本体を備えた、ガス絶縁され、密封された高電圧設備用の請求項１〜８までのいずれか一つに記載の円盤形状の固体絶縁物の製造方法において、
    繊維強化ポリマーの繊維が、円盤形状によって規定される面内に絶縁物本体の疑似等方性の機械的特性を実現するように、その面内に延びており、絶縁物本体における繊維の方向が、放射状および環状方向であり、この繊維の織物が、別々の層として形成されているか、絶縁物本体における繊維の方向が、２軸方向であり、この繊維の織物が、別々の層として形成され、これらを積み重ねた層が、所定の角度だけ回転移動されているか、絶縁物本体における繊維の方向が、単一方向であり、この繊維の織物が、別々の層として形成され、これらを積み重ねた層が、所定の角度だけ回転移動されているかのいずれかの形で、繊維強化ポリマーの繊維を成形型に配置すること、
    この成形型を閉鎖し、そして低圧および／または真空を用いて、この成形型にポリマー母材を注入すること、
    この成形型内でポリマー母材を硬化させること、
    この成形型から前記の絶縁物本体を取り出すこと、
    の措置を有することを特徴とする固体絶縁物の製造方法。

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