JP4468768B2

JP4468768B2 - 密閉形電力開閉装置

Info

Publication number: JP4468768B2
Application number: JP2004248340A
Authority: JP
Inventors: 伸治佐藤; 正博有岡
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-08-27
Filing date: 2004-08-27
Publication date: 2010-05-26
Anticipated expiration: 2024-08-27
Also published as: JP2006067721A

Description

この発明は、電力の送配電系統中に配置され、電力の遮断、電路の切り離し、電力設備の安全な点検等を行う密閉形電力開閉装置に関するものである。

電力開閉装置はその内部に３相分の電路を配しており、その相間、および電路と接地導体の間にあたる対地間には電気的な絶縁が不可欠である。そのために内部構造を密閉形にして、ＳＦ_６ガスを絶縁媒体として充填する場合がある。

図６は従来の密閉形電力開閉装置を示す構成断面図である。これは、非特許文献１の「ＶＣＢ搭載７２／８４ｋＶＣ−ＧＩＳの製品化」に記載されている。題名中のＣ−ＧＩＳとはキュービクル形ガス絶縁開閉装置（Cubicle-type Gas Insulated Switchgear）のことであり、密閉形電力開閉装置の一形態である。図６により、単相分の電路構造が把握できる。

以下、図６の電路構造を説明する。図中右下からケーブル８１が図示しない地下から立ち上がり、計器用変流器（ＣＴ）８２中心を通ってＴ形ケーブルヘッド（Ｔ形ＣＨ）８３に接続されている。Ｔ形ケーブルヘッド８３以降、電路は一度下方へ向かい、ケーブルと真空バルブ８４（遮断部のことで、非特許文献１のタイトル中にＶＣＢと記載されているのは、遮断部に真空バルブを使用した遮断器のことを真空遮断器（Vacuum Circuit Breaker: ＶＣＢ）と呼ぶためである。）を切り離すための線路断路器（線路ＤＳ）８５を介し、真空バルブ８４へと繋がっている。

この間、電路電圧を計測する分圧器（ＶＤ）８６、過電圧を吸収する避雷器（ＬＡ）８７、線路断路器８５開極後にケーブルに残留した電荷を除去するための接地開閉器（線路ＥＳ）８８、が電路と並列に設置されている。さらに真空バルブ８４以降の電路は、母線８９（通常、図６の電力開閉装置や変圧器等を紙面奥行き方向に列盤してひとつの電気室としての機能が発揮されるが、その盤間を接続する電路を母線という）と真空バルブ８４を切り離すための母線断路器９０を介して母線へと繋がっている。なお９１は真空バルブ８４の開閉を操作するＶＣＢ操作器、９２は線路断路器８５の開閉を操作するＤＳ操作器、９３は接地開閉器８８の開閉を操作するＥＳ操作器、９４は母線断路器９０の開閉を操作するＤＳ操作器である。

以上で単相分の電路が構成され、これを紙面奥行き方向に三列配置して三相構造としている。図中の点線で囲まれた部分は接地された密閉容器９５であり、三相分がひとつの密閉容器９５内に収納されている。密閉容器９５内には絶縁性能の良好なＳＦ_６（六フッ化硫黄）を充填し、耐電圧性能を向上させ、密閉容器寸法を縮小している。

"ＶＣＢ搭載７２／８４ｋＶＣ−ＧＩＳの製品化"、電気設備学会誌、平成１３年１０月号、第７９５〜７９９頁

ＳＦ_６には非常に強い地球温暖化能力があり（二酸化炭素の２３９００倍）、近年の地球環境保護意識の高まりを背景に、ＳＦ_６を使用しない電力開閉装置が求められている。これを受けて、電力開閉装置の分野では、ＳＦ_６の替わりに地球温暖化能力のない空気，窒素，酸素，および地球温暖化能力の小さい二酸化炭素，並びにそれらのうちの２〜４種を適当な比率で混合した絶縁気体（絶縁ガス）を用いる方法がある。ただし、それらの耐電圧性能（ある一定距離の電極間に電圧を印加した場合の放電電圧）はＳＦ_６の１／２〜１／３程度と低い。ＳＦ_６と同じ耐電圧性能を得るには、充填ガス圧を２〜３倍（つまり前記１／２〜１／３という比率の概略逆数分）にまで高めればよい。しかし、この場合には次の問題点が発生する。

問題点１：
例えば、従来のＳＦ_６機種の充填ガス圧力は、おおむね０．１〜０．２ＭＰａ．ａｂｓ．で、その２〜３倍のガス圧力となると、最大０．６ＭＰａ．ａｂｓ．に達する。これだけのガス圧力に耐えるためには、非常に堅牢で限定的なガスタンク構造が要求される。すなわち圧力に耐えるため、タンクの断面形状は円形か楕円形が合理的であるが、これらの形状は内部に機器を搭載する上では必ずしも合理的ではない。この意味では平面が複数組み合わされた形状のタンクの方が合理的である。しかしこの場合、差圧による壁面での応力が不均等になり、歪みが発生し易くなってガス充填後の寸法精度が得にくくなる。またタンク板厚を増大させれば内圧力に耐えることができるが、材料コストが高くなるばかりか重量も増大する。このように高ガス圧に充填し必要耐電圧を確保する場合、タンク構造は円形または楕円形に限定されやすくなり、面で構成されるタンク構造、例えば、矩形タンク構造を採用しようとすると、コストと重量で問題点が生じる。

問題点２：
空気や窒素など耐電圧性能が低い気体を使用すると、上記問題が生じるので、耐電圧性能に優れた固体絶縁物で電路全体を被覆するという考え方もある。しかし、この場合にも次の課題がある。電力開閉装置では電力の遮断を行う部分に真空バルブという、セラミック製真空容器中に遮断接点を配した部材を用いる場合がある。このセラミックを固体絶縁物で被覆するための注型時の硬化過程において、双方の線膨張係数の違いから界面での密着性が低下し剥離が生じる場合もある。剥離が生じると剥離空間で部分放電が発生し易くなる。部分放電は固体絶縁物の劣化を進行させるので、最悪の場合、電力開閉装置に要求される絶縁の長期信頼性が保てなくなる。この点は、寸法の小さい真空バルブであって、電路電圧あるいは部分放電試験電圧が低ければ顕在化しない。しかし、定格電圧の高い機種に適用する際、あるいは定格電圧は低くても寸法の大きな真空バルブを使用する際には顕在化し、避けて通れない問題である。

このように空気や窒素などを使用すると、充填ガス圧上昇によってタンク構造は円形または楕円形に限定されやすくなり、設計自由度低下、高コスト、重量増大という問題点が発生する。そして、固体絶縁物で電路全体を被覆する場合には注型時の界面剥離により部分放電が発生する場合があるという問題点がある。

この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、設計自由度を損なわず、低コスト化が可能な密閉形電力開閉装置を得ることを目的とする。

この発明に係わる密閉形電力開閉装置は、内部に絶縁ガスが充填され、絶縁を必要とする真空バルブである第一機器をその内部に配置する絶縁物製第一圧力容器、内部に絶縁ガスが充填され、上記絶縁物製第一圧力容器と共に絶縁を必要とする第二機器をその内部に配置する金属製第二圧力容器を備え、上記絶縁物製第一圧力容器には、絶縁ガスによって、上記第二機器より高い耐電圧を必要とする上記真空バルブである第一機器を含有させ、上記絶縁物製第一圧力容器の圧力を、上記金属製第二圧力容器の圧力より高くしたものである。

この発明の密閉形電力開閉装置によれば、金属製第二圧力容器には、上記第二機器より高い耐電圧を必要とする真空バルブを含有させた絶縁物製第一圧力容器及び第二機器をそれぞれその内部に配置し、絶縁物製第一圧力容器の圧力を、金属製第二圧力容器の圧力より高くしたものである。そのため、真空バルブである第一機器の耐電圧は、ガス圧の高い絶縁物製第一圧力容器内に配置される分だけ高くすることができる。従来の密閉形電力開閉装置のように単一圧力容器構造の場合、真空バルブである第一機器の耐電圧を上記と同等分向上させようとすると、圧力を高めるために、圧力容器構造には高い機械強度が要求され、形状の設計自由度が低下し、高コスト化、重量増大を招きやすい。この発明は、金属製第二圧力容器のガス圧を低く抑えることができので、設計自由度を損なわず、低コスト化が可能となる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１である密閉形電力開閉装置を示す構成断面図である。この密閉形電力開閉装置において、電力（電流）の遮断を行う部分は真空バルブ１である。この図では真空バルブ１の詳細は略しているが、真空度を１０^−３〜１０^―５Paに維持した容器内部に、可動側と固定側から成る一対の接点が配設されており、その開閉によって電流の遮断と投入を行う。

この真空バルブ１は、第一圧力容器２の内部に、絶縁ロッド３（遮断器操作機構部４からの操作力を真空バルブ１の可動側接点に伝達しつつ、電路と遮断器操作機構部４を絶縁する部材）とスライドコンタクト５（可動部側電路の変位にあわせてスライドしつつ、電気的接触を維持する接触子）と共に配置されている。第一圧力容器２の外側にはケーブル側断路器６（スリーポジション形と呼ばれ、ブレード導体の位置によって図面の上から投入、断路、接地の３位置をとれる構造のもの。ただし、３位置がとれるブレード形以外の構造でも良い）が配置され、投入位置の先にはアレスタ７（過電圧を吸収し内部の各部材を保護する機器）が、さらにケーブル８の心線を接地するためのケーブル用接地開閉器９が配置されている。そしてケーブルヘッド１０を介してケーブル８へと接続されている。

一方、真空バルブ１の固定側には、バリヤ付きブッシング１１が設けられている。そして、上記の各部材のうちケーブル８とケーブルヘッド１０を除くものは、接地されている第二圧力容器１２の内部に配置されている。さらにバリヤ付きブッシング１１を貫く導体は母線側断路器１３が内部に配置された母線側断路器圧力容器（第二圧力容器）１４に入り、さらにバリヤ付きブッシング１５を介し、母線１６が内部に配置された母線圧力容器１７へと入る。なお、１８はケーブル側断路器・接地開閉器操作機構部、１９はケーブル接地開閉器操作機構部、２０は母線側断路器操作機構部である。

次に、図１中の第一圧力容器２の材質、内容積、充填ガス種、充填ガス圧等を説明する。材質には、エポキシ樹脂やガラスエポキシ複合材のような、機械強度のある絶縁物材質を用いる。絶縁物を用いる理由は、仮に容器に金属を使用すると、その容器にはブッシングを配設しなければならなくなり、構造の複雑化と寸法増大とコストアップが予想されるためである。図１では第一圧力容器２は上下二分割の構造であるが、分割なしあるいは３分割以上でも良い。分割の方向は図１のように真空バルブの中心軸に対して垂直な方がよい。充填ガス種は、空気，窒素，二酸化炭素，酸素のいずれか、またはこれらを２種類以上混合した気体である。充填ガス圧については、後述の第二圧力容器１２の充填ガス圧より高い。

一方、第二圧力容器１２の材質には従来どおりの金属でよい。充填ガス種は、空気，窒素，二酸化炭素，酸素のいずれか、またはこれらを２種類以上混合した気体で、第一圧力容器２のガス種と異なっていても良い。第二圧力容器１２の内圧は、矩形ガスタンク構造としてもタンク板厚やタンク重量が過剰に増大しない程度の比較的低い値とする。一例を挙げると、０．１〜０．３ＭＰａ．ａｂｓ．程度である。一方、第一圧力容器２の内圧の一例は０．４〜０．５ＭＰａ．ａｂｓ．程度である。

このような構成の電力開閉装置の作用効果を説明する。密閉形電力開閉装置はその定格電圧に応じた雷インパルス耐電圧と交流耐電圧が要求され、これらの耐電圧試験時および運転時に電圧が印加される部位には、所望の耐電圧を得る手段が必要である。この手段としては、(1)当該部位の絶縁距離を長くする、(2)密閉形電力開閉装置内部の充填ガス圧を上昇させる、(3)絶縁バリヤまたは絶縁被覆、の３つがある。この３つの手段のどの方法も適用可能な部位もあれば、種々の理由から手段が限られる部位もある。真空バルブ外側のセラミック表面は後者に分けられる。

真空バルブ外側は極間耐電圧確保のため容易に閃絡しない対策が必要であるが、有効な手段は(2)に限定されてしまう。すなわち(1)は真空バルブ寸法を大きくしてしまう。(3)のうちの絶縁被覆は真空バルブの寸法が小さい場合は有効であるが、大きくなるとセラミックと樹脂の界面で剥離がどうしても生じやすくなり、部分放電発生による樹脂の劣化の可能性が高くなる。こういった問題を回避する意味から、(2)のガス圧上昇が最も確実な耐電圧上昇法である。

特に、ＳＦ_６代替ガスとして注目される、空気，窒素，二酸化炭素，酸素のいずれか、またはこれらを２種類以上混合した気体は、ＳＦ_６の絶縁性能の約１／３〜１／２程度しかなく、この意味からもガス圧上昇による真空バルブ外沿面の耐電圧向上は重要になる。しかし、雷インパルス耐電圧が３００ｋＶを越える高定格電圧機種で上記ガスを使用する場合、その耐電圧を満足するに必要なガス圧は非常に高くなることが想定される。この場合、そのガス圧に耐える非常に堅牢で限定的なガスタンク構造が要求される。すなわちタンクの断面形状は円形か楕円形が合理的であるが、これらの形状は内部に真空バルブ、断路器、アレスタなどの各種機器を搭載する上では必ずしも合理的ではない。

この意味では平面が複数組み合わされた形状の矩形タンクの方が合理的であるが、この場合差圧によって壁面に加わる応力が不均等になり、歪みが発生し易くなって、ガス充填後の寸法精度が得にくくなる。ガス充填後の寸法精度は、内部搭載機器の位置あわせといった組み立て調整の容易さの面で重要である。またタンク板厚を増大させなければ内圧力に耐えることができなくなり、材料コストが高くなるばかりか重量も増大する。

実施の形態１では、真空バルブのように、その機器の雰囲気圧力を上昇しなければ沿面耐電圧が得られない機器を、小容量・高気圧の絶縁物製圧力容器内に配置し、そのガス圧を高く保っている。一方、それ以外の機器は上記圧力容器を含め金属製の大形圧力容器の内部に配置し、その内圧力は比較的低くしている。その結果、金属製の大形圧力容器はガス圧が低い分だけ設計の自由度が向上し、低コスト化・軽量化が図りやすくなるという効果がある。

上記の構成により、第二圧力容器の内圧を大きく上昇させなくても、内部配置機器に必要とされる相間・対地間・極間耐電圧を得ることができる。また必要耐電圧を得る従来手段の一つに機器全体を固体絶縁物で被覆する方法があるが、この場合に比べ容易に必要耐電圧を得ることができる。

実施の形態２．
また、図２はこの発明の実施の形態２である密閉形電力開閉装置を示す構成断面図である。図２のように、真空バルブ１を横配置にしてもよい。すなわち真空バルブ１の縦横配置に応じて第一圧力容器２の配置方向も変えてやればよい。その結果、容器の板厚や締結部材数・種類といった点への設計自由度が制限されることがなく、密閉形電力開閉装置の使用者が望む構造を提供しやすくなる。

実施の形態３．
さらに、図３はこの発明の実施の形態３である密閉形電力開閉装置を示す構成断面図である。図３は図１の構造の一部を変えたものであるが、真空バルブ１への開閉操作力を、リンク棒４０を用いて伝達しており、遮断器操作機構部４の配置位置が図面左側に移動している。この場合も上記同様の効果が得られる。

実施の形態４．
図４はこの発明の実施の形態４である密閉形電力開閉装置を示す構成断面図である。図５は図４の要部にあたる点線枠のうち、ケーブル側断路器６についての拡大断面図を示す。実施の形態４では、真空バルブ１，ケーブル側断路器６，ケーブル用接地開閉器９および母線側断路器１３がそれぞれ各第一圧力容器に配置し、各第一圧力容器と共に他の絶縁を必要とする機器を第二圧力容器１２，１４に配置している。

この密閉形電力開閉装置では、断路部２１と接地開閉器２２が一体になった往復動式の断路・接地一体断路器が適用されている。この断路器では、絶縁ロッド２３により外部より印加された操作力で可動子２４を図面左右方向に移動させ、投入・断路・接地の３状態を実現できる構造になっている。すなわち、可動子２４が断路側接点２５との間に配置された場合（図４，５の状態）は投入、可動子２４が中間導体２６の内部に位置する場合は断路、可動子２４が接地側接点２７との間に配置された場合は接地となる。断路側接点２５には導体２８が接続されている。

そして、これらの部材２３〜２７は絶縁物製の第一圧力容器２９の内部に配置されている。この第一圧力容器２９の図面右側には絶縁バリヤ３０が設けられており、導体２８の全周またはその一部を囲む構造となっている。また導体２８の表面には絶縁被覆３１が設けられている。上記の断路・接地一体断路器はこの密閉形電力開閉装置では単相あたり３つ必要になるので、同一構造のものが３相合計９カ所で用いられている。第一圧力容器２９の材質、分割構造の有無、充填ガス種と圧力については実施の形態１と同じである。

真空バルブ１の構造およびそれを納める第一圧力容器２の構造は、実施の形態１と同じである。また第二圧力容器１２の詳細も実施の形態１と同様である。一方、真空バルブ１やケーブル側断路器６といった各機器を接続している導体３２〜３５には、絶縁被覆３１が設けられている。また母線１６には固体絶縁母線が適用されている。このように必要に応じて被覆絶縁を組み合わせ、密閉形電力開閉装置を構成しても良い。

このように実施の形態４では、真空バルブ１，ケーブル側断路器６，ケーブル用接地開閉器９および母線側断路器１３がそれぞれ各第一圧力容器に配置し、各第一圧力容器と共に他の絶縁を必要とする機器を第二圧力容器１２，１４に配置している。そのため、圧力を高くして真空バルブ１，ケーブル側断路器６，ケーブル用接地開閉器９および母線側断路器１３の必要耐電圧を確保する一方、そられの第一圧力容器とその他機器は金属製の大形圧力容器の内部に配置し、その内圧力を比較的低くしている。その結果、金属製の大形圧力容器はガス圧が低い分だけ設計の自由度が向上し、低コスト化・軽量化が図りやすくなる。

また図４では示していないが、真空バルブ１全体は絶縁物で被覆し、第一圧力容器は上記の断路・接地一体断路器又は接地開閉器にのみ適用しても良い。断路器や接地開閉器の極間耐電圧は、ガス圧の高い第一圧力容器内に配置される分だけ高くすることができる。従来の密閉形電力開閉装置のように単一圧力容器構造の場合、断路器や接地開閉器の極間耐電圧を上記と同等分向上させようとすると、圧力を高めるために、圧力容器構造には高い機械強度が要求され、形状の設計自由度が低下し、高コスト化、重量増大を招きやすい。この発明では、第二圧力容器のガス圧を低く抑えることができ、設計自由度を損なわず、低コスト化が可能となる。

この発明の実施の形態１である密閉形電力開閉装置を示す構成断面図である。実施の形態２である密閉形電力開閉装置を示す構成断面図である。実施の形態３である密閉形電力開閉装置を示す構成断面図である。実施の形態４である密閉形電力開閉装置を示す構成断面図である。図４の要部にあたる点線枠のうち、ケーブル側断路器についての拡大断面図である。従来の密閉形電力開閉装置を示す構成断面図である。

符号の説明

１真空バルブ２第一圧力容器
３絶縁ロッド４遮断器操作機構部
５スライドコンタクト６ケーブル側断路器
７アレスタ８ケーブル
９ケーブル用接地開閉器１０ケーブルヘッド
１１バリヤ付きブッシング１２第二圧力容器
１３母線側断路器
１４母線側断路器圧力容器（第二圧力容器）
１５バリヤ付きブッシング１６母線
１７母線圧力容器
１８ケーブル側断路器・接地開閉器操作機構部
１９ケーブル接地開閉器操作機構部２０母線側断路器操作機構部
２１断路部２２接地開閉器
２３絶縁ロッド２４可動子
２５断路側接点２６中間導体
２７接地側接点２８導体
２９第一圧力容器３０絶縁バリヤ
３１絶縁被覆３２〜３５導体
４０リンク棒８１ケーブル
８２計器用変流器（ＣＴ）８３Ｔ形ケーブルヘッド
８４真空バルブ８５線路断路器
８６分圧器（ＶＤ）８７避雷器
８８接地開閉器８９母線
９０母線断路器９１ＶＣＢ操作器
９２ＤＳ操作器９３ＥＳ操作器
９４ＤＳ操作器。

Claims

内部に絶縁ガスが充填され、絶縁を必要とする真空バルブである第一機器をその内部に配置する絶縁物製第一圧力容器、
内部に絶縁ガスが充填され、上記絶縁物製第一圧力容器と共に絶縁を必要とする第二機器をその内部に配置する金属製第二圧力容器を備え、
上記絶縁物製第一圧力容器には、絶縁ガスによって、上記第二機器より高い耐電圧を必要とする上記真空バルブである第一機器を含有させ、上記絶縁物製第一圧力容器の圧力を、上記金属製第二圧力容器の圧力より高くした密閉形電力開閉装置。
上記絶縁物製第一圧力容器および金属製第二圧力容器に充填される絶縁ガスは、酸素，窒素，二酸化炭素，および空気のいずれか一種類のガス、又はこれらの二種類以上の混合ガスである請求項１記載の密閉形電力開閉装置。