JP4864626B2

JP4864626B2 - ガス絶縁開閉器

Info

Publication number: JP4864626B2
Application number: JP2006265440A
Authority: JP
Inventors: 敏之内井; 均溝口
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-09-28
Filing date: 2006-09-28
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2026-09-28
Also published as: JP2008084768A

Description

本発明は、ガス絶縁開閉器に係り、特に、ガス絶縁開閉器の密閉容器内に封入する絶縁性ガスに改良を加えたものである。

電力用開閉器には、その使用目的、必要とされる機能に応じて、負荷開閉器、断路器、遮断器など、さまざまなものが存在する。その多くはガス中に１対の接点を配置し、通電時には両者を接触状態に保つことで通電を行い、電流遮断時には接点を解離させて前記ガス中に発生するアークを消弧することで電流を遮断する方式のものである。ここでは、７２ｋＶ以上の高電圧送電系統の保護用開閉器として広く使用されているパッファ形ＳＦ₆ガス遮断器を例にとり、従来技術を説明する。

図３はこのようなガス遮断器の構造を示す模式図である。なお、図中の各部品は基本的に同軸円筒形状で構成される。同図においては、中心線より上半分は遮断器投入状態、すなわち通電状態を示しており、中心線より下半分は遮断動作中の状態を示している。

接地された金属からなる密閉容器１内には、電気絶縁媒体およびアーク消弧媒体としてＳＦ₆ガスＡが充填されている。ＳＦ₆ガスは絶縁性能およびアーク消弧性能が空気など他のガスと比べて非常に優れており、すなわち電流遮断性能が高く、開閉器の寸法を小型にできるため、特に高電圧用の開閉器に広く使用されている。

密閉容器１内には、固定通電接触子２ａ、固定アーク接触子２ｂ等で構成される固定接触子部２が絶縁固定される。また、可動通電接触子３ａ、可動アーク接触子３ｂ、絶縁ノズル３ｃ、パッファシリンダー３ｄが、駆動ロッド３ｅに取付けられて構成される可動接触子部３が、密閉容器１内に移動可能に、かつ容器から絶縁支持されて、固定接触子部２に対向して設置される。

電流は導体４ａ，４ｂと図示しないブッシングを介して外部に引き出される。可動接触子部３の可動性は、駆動ロッド３ｅが、図示しない絶縁操作棒を介して、駆動装置５内の可動部に連結されることにより達成される。

固定アーク接触子２ｂおよび可動アーク接触子３ｂは遮断器投入時では接触導通状態にあり、遮断動作時においては相対移動により開離すると共に、両接触子２ｂ、３ｂ間にアーク６が発生する。

さらに、この動作とともに、固定されているピストン７がパッファシリンダー３ｄの内部空間を圧縮して同部の圧力を上昇させる。そして、パッファシリンダー３ｄ内に存在するＳＦ₆ガスＡが高圧力のガス流８となり、ノズル３ｃによって整流されアーク接触子２ｂ，３ｂ間に発生したアーク６に対して強力に吹付けられる。これにより、アーク接触子２ｂ，３ｂ間に発生した導電性のアーク６は消滅し電流は遮断される。以上が高電圧用の開閉器として広く普及しているパッファ形ＳＦ₆ガス遮断器の電流遮断動作である。

ところで、前述の通り、ＳＦ₆ガスは開閉器における絶縁およびアーク消弧媒体として非常に適したガスといえるが、近年、高い地球温暖化作用を有することが明らかとなってきた。地球温暖化作用の大きさは一般に地球温暖化係数、すなわちＣＯ₂ガスを１とした場合の相対値により表され、ＳＦ₆ガスの地球温暖化係数は２３，９００に及ぶことが知られている。このため、ＳＦ₆ガスの使用量を削減することが望まれている。

このような背景で、開閉器における絶縁ガス、アーク消弧ガスとしてＣＯ₂ガスを適用することが提案されている（非特許文献１参照）。ＣＯ₂ガスは地球温暖化作用がＳＦ₆ガスに比べて２３，９００分の１と非常に小さいため、ＣＯ₂ガスをＳＦ₆ガスの代わりに開閉器に適用することで、地球温暖化への影響を大幅に抑制することが可能である。

また、ＣＯ₂ガスのアーク消弧性能および絶縁性能はＳＦ₆ガスに比べると劣るものの、ＳＦ₆ガスが普及する前に開閉器の絶縁および消弧媒体として使用されていた空気に比べるとアーク消弧性能に優れ、また絶縁性能も同等かそれ以上であることが知られている。

そこで、ＣＯ₂ガスをＳＦ₆ガスの代わりに適用することで、空気を使用した開閉器よりは良好な性能を有し、かつ地球温暖化への影響を抑制した環境に優しい開閉器を提供することが可能である。
内井、河野、中本、溝口、「消弧媒体としてのＣＯ2 ガスの基礎特性と実規模モデル遮断器による熱的遮断性能の検証」、電気学会論文Ｂ、１２４巻、３号、ｐｐ. ４６９〜４７５、２００４年

しかしながら、ＣＯ₂ガスの絶縁およびアーク消弧性能は、ＳＦ₆ガスが普及する以前に使用されていた空気よりは優れるものの、現在使用されているＳＦ₆ガスと比較すると劣るため、ＣＯ₂を使用したガス絶縁開閉器はＳＦ₆ガスを使用したガス絶縁開閉器に比べると必然的に電流遮断性能が劣り、また機器が大型化するという課題があった。

本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、ＣＯ₂ガスを利用した開閉器の性能向上に寄与するものであり、地球温暖化への影響が小さく、かつ優れた電流遮断性能を有するガス絶縁開閉器を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明のガス絶縁開閉器は、絶縁性ガスを封入した密閉容器内に１対の接点を配置し、通電時には両者を接触状態にして通電し、回路遮断時には接点を解離させて遮断するガス絶縁開閉器において、前記絶縁性ガスは、ＣＯ_２ガスと付加ガスとを、ＣＯ_２ガスに対し付加ガスを圧力比で５０％未満で混合した混合ガスからなり、前記付加ガスは、ＣＦ_３ＣＨＦ_２，ＣＦ_３ＣＨ_３，ＣＦ_３Ｃ_４Ｈ_２Ｆ_７のうちいずれか一つ又は複数の混合からなることを特徴とする。また、本発明において、前記付加ガスとして、ＣＨ_３＋Ｘという分子構造、但しＸはＨ以外のガスであり、Ｃｌ（塩素），Ｉ（ヨウ素），Ｂｒ（臭素）を含まず、かつ、地球温暖化係数がＳＦ_６よりも低いガスを使用することも可能である。

以上のような本発明によれば、ＣＯ_２ガスに、ＣＦ_３ＣＨＦ_２，ＣＦ_３ＣＨ_３，ＣＦ_３Ｃ_４Ｈ_２Ｆ_７のうちいずれか一つ又は複数の混合ガスを混ぜるか、あるいは、ＣＨ_３＋Ｘという分子構造、但しＸはＨ以外のガスであり、Ｃｌ（塩素），Ｉ（ヨウ素），Ｂｒ（臭素）を含まず、かつ、地球温暖化係数がＳＦ_６よりも低いガスを混合することで、電子付着性の高いＦ原子を大きな流速で流すことができ、開閉器の遮断性能を高めることが可能である。また、Ｉ（ヨウ素）、Ｂｒ（臭素）を含むガスはアーク遮断時の再結合過程において、それぞれ単独で析出する可能性がある。常温においてＩは固体、Ｂｒは液体であるため、配管などを詰まらせたり、絶縁物等の表面に付着し、同部を腐食、劣化させる懸念があるが、ＣＦ_３を分子構造に含む付加ガスとしてＣｌ，Ｉ，Ｂｒを除外することで、安全面、品質面、環境面での不具合を避けることができる。

以上のような本発明によれば、ＣＯ₂ガスを利用した開閉器の性能向上に寄与し、地球温暖化への影響が小さく、かつ優れた電流遮断性能を有するガス絶縁開閉器を提供することができる。

以下、本発明に係る代表的な実施形態について、図１及び２を参照して具体的に説明する。

［１．第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係るガス絶縁開閉器の基本的な構造は、図３で示した従来のパッファ形ガス遮断器と同様であるが、本実施形態においては、密閉容器１内に充填されるガスＢに、ＳＦ₆ガスを用いるのではなく、前記絶縁性ガスは、ＣＯ₂ガスと付加ガスとを、ＣＯ₂ガスに対し付加ガスを圧力比で５０％未満で混合した混合ガスを用いる。この付加ガスとしては、分子構造にＣＦ₃を含み、Ｃｌ（塩素）、Ｉ（ヨウ素）、Ｂｒ（臭素）を含まず、かつ、地球温暖化係数がＳＦ₆よりも低いガスとする。

付加ガスとして、具体的には、ＣＦ₃Ｈ、ＣＦ₃ＣＨＦ₂、ＣＦ₃ＣＨ₂Ｆ、ＣＦ₃ＣＨ₃、ＣＦ₃Ｃ₄Ｈ₂Ｆ₇などが挙げられる。

ここで、ＣとＦから構成される気体分子は、Ｃ原子が１つの場合はＣＦ₄の形で安定するため、ＣＦ₃＋Ｘ（ＸはＦ以外）という分子構造のガスは一般に結合力が弱く、比較的低い温度で解離、および再結合が起こる。これは、これらをＣＯ₂ガスと混合させた場合においても同様である。

一般に、高温のアークにガスを吹付けた場合、アークの熱によりガスは一旦解離し交流の零点近傍に近づき電流が小さくなるにしたがいアークの温度が低下するため、今度は再結合が起こる。この再結合の過程では熱が発生する。ところが、電流遮断は、アーク中に存在する電離電子の密度をいかに低下させるかが重要であり、そのために、電子再結合温度以下にまで極力速やかにアークの温度を低下させる必要がある。

そのため、分子が再結合し熱が発生する温度が電子再結合温度よりも高い場合は、電子再結合温度以下にまでアーク温度が低下するのが遅れ、すなわち電子密度の低下が遅くなり、一般的に電流遮断性能は悪い。逆に、分子の再結合温度が電子再結合温度よりも低い場合は、アークは速やかに電子再結合温度以下にまで低下するため、一般的に電流遮断性能は良い。

前述の通り、ＣＦ₃＋Ｘ（ＸはＦ以外）の分子構造を持つガスは一般的に再結合温度が低いため消弧性能が高く、さらに電子付着性の高いＦ原子が少なくとも３個以上加わる効果も加わり、効果的に電子密度が低下し、ＣＯ₂ガスに混合させることでＣＯ₂ガス単独の場合に比べて電流性能を向上させることができる。

このように、ＣＯ₂ガスに、ＣＦ₃＋Ｘ（ＸはＦ以外）の分子構造を持つガス（以下、単に「ＣＦ₃＋Ｘガス」と記述する）を混ぜることで遮断性能を高めることが可能である。ただし、ＣＦ₃＋Ｘガスを単独で、あるいは混合ガスの主体として用いるには以下の２点で課題が残る。

一つは、ＣＦ₃を含むガスは、ＳＦ₆よりは程度が低いものの、図２に示すとおり、一般にＣＯ₂ガスより地球温暖化係数が高い。そのため、ＣＦ₃＋Ｘガスを主体としてしまうと、地球温暖化の抑制効果が低くなってしまう。

地球温暖化係数がＳＦ₆ガスに比べて十分に低いＣＯ₂ガスを主体とし、ＣＦ₃＋Ｘガスを付加的に、すなわち圧力比で５０％未満の範囲で加えることで、ＳＦ₆ガス遮断器に比べて地球温暖化への影響を大幅に削減でき、なおかつＣＯ₂ガス単独の場合に比べて優れた電流遮断性能を得ることができる。

二つは、同じく図２に示す通り、ＣＦ₃を含むガスは液化温度が高いものが多い。従来、ガス遮断器では電気絶縁性を高めるために密閉容器内に４気圧から７気圧程度のガスを封入している。このため、ＳＦ₆ガスよりも液化温度が高いガスを使用すると、寒冷地ではガスが液化してしまう恐れがある。ＳＦ₆ガスよりも液化温度の低いＣＯ₂ガスを主体とすることで、液化温度の高いＣＦ₃＋Ｘガスの分圧を減らすことができ、寒冷地においてもガスの液化を防止することができる。

また、性能面でも、ＣＦ₃＋Ｘガスを単独で使用するのではなく、ＣＯ₂ガスと混合させることで有効な面もある。ＣＦ₃＋Ｘガスの音速は分子構造にも依るが一般に１００ｍ/ｓ程度と比較的遅いのに対し、ＣＯ₂ガスの音速は約２６０ｍ／ｓ程度と速い。

そこで、ＣＦ₃＋ＸガスをＣＯ₂と混合することにより電子付着性の高いＦ原子を大きな流速で流すことができる。すなわち、ＣＯ₂に対してＣＦ₃＋Ｘガスを補助的に加えることにより、遮断性能を効率的に高めることができる。

なお、ＣＦ₃＋Ｘ（ＸはＦ以外）の分子構造を持つガスとしては、ＣＦ₃Ｃｌ、ＣＦ₃Ｉ、ＣＦ₃Ｂｒなども存在するが、Ｃｌ（塩素）を含むガスはオゾン層破壊作用があり、環境保全の面から適さない。また、Ｉ（ヨウ素）、Ｂｒ（臭素）を含むガスはアーク遮断時の再結合仮定において、それぞれ単独で析出する可能性がある。常温においてＩは固体、Ｂｒは液体であるため、配管などを詰まらせたり、絶縁物等の表面に付着し、同部を腐食、劣化させる懸念がある。そこで、本実施形態では、ＣＦ₃を分子構造に含む付加ガスとして、Ｃｌ，Ｉ，Ｂｒを除外することで、安全面、品質面、環境面での不具合を避けることができる。

以上のような本実施形態によれば、地球温暖化への影響が小さく、かつ優れた電流遮断性能を有するガス絶縁開閉器を提供することができる。なお、本実施形態においては、一例としてパッファ形ガス遮断器を取り上げて説明したが、ガス中にアークを点弧し、そのアークを消滅させることにより電流遮断を行う他の機器、例えば、断路器や負荷開閉器などについても同様の効果が得られる。

［２．第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態におけるガス絶縁開閉器は、上記第１の実施形態と同様の構成において、密閉容器１内に充填されるガスが、ＣＯ₂ガスと付加ガスとを、ＣＯ₂ガスに対し付加ガスを圧力比で５０％未満混合した混合ガスであり、前記付加ガスは分子構造にＣＨ₃を含み、Ｃｌ（塩素），Ｉ（ヨウ素），Ｂｒ（臭素）を含まず、かつ、地球温暖化係数がＳＦ₆よりも低いガスとする。この付加ガスとして、具体的には、ＣＨ₃ＣＨＦ₂などが挙げられる。

ＣとＨから構成される気体分子は、Ｃ原子が１つの場合はＣＨ₄の形で安定するため、ＣＨ₃＋Ｘ（ＸはＨ以外）という分子構造のガス（以下、単に「ＣＨ₃＋Ｘ」ガスと記述する）は一般に結合力が弱く、比較的低い温度で解離、および再結合が起こる。これはＣＯ₂ガスと混合させた場合においても同様である。

このため、第１の実施形態で記載した理由と同様に、ＣＨ₃＋Ｘガスは一般的に消弧性能が高く、さらに熱拡散性が高くそれ自体アーク冷却性の高いＨ原子が少なくとも３個以上加わる効果も加わり、ＣＨ₃＋ＸガスをＣＯ₂ガスに付加的に混合させることでＣＯ₂ガス単独の場合に比べて電流性能を向上させることができる。

ＣＨ₃＋Ｘガスを付加的に、すなわち圧力比で５０％未満の範囲でＣＯ₂ガスに加える必要性や、分子構造にＣｌ（塩素），Ｉ（ヨウ素），Ｂｒ（臭素）を含まないガスを選択する理由については、第１の実施形態で記載したＣＦ₃＋Ｘガスの場合と全く同様である。

これにより、地球温暖化への影響が小さく、かつ優れた電流遮断性能を有するガス絶縁開閉器を提供することができる。なお、第１の実施形態と同様に、本発明の実施の形態はパッファ形ガス遮断器に限らず、ガス中にアークを点弧し、そのアークを消滅させることにより電流遮断を行う他の機器、例えば、断路器や負荷開閉器などについても同様の効果が得られる。

本発明の第１の実施形態におけるガス絶縁開閉器の構成を示す模式図。本発明の第１の実施形態におけるガス絶縁開閉器に用いるＣＦ₃を構成要素に含むガスの地球温暖化係数並びに大気圧における液化温度を示した図表。従来のガス絶縁開閉器の構成を示す模式図。

符号の説明

１…密閉容器
２…固定接触子部
２ａ…固定通電接触子
２ｂ…固定アーク接触子
３…可動接触子部
３ａ…可動通電接触子
３ｂ…可動アーク接触子
３ｃ…ノズル
３ｄ…パッファシリンダー
３ｅ…駆動ロッド
４…密閉容器内に
４ａ，４ｂ…導体
５…駆動装置
６…アーク
７…ピストン
８…ガス流
Ａ，Ｂ…ガス

Claims

絶縁性ガスを封入した密閉容器内に１対の接点を配置し、通電時には両者を接触状態にして通電し、回路遮断時には接点を解離させて遮断するガス絶縁開閉器において、前記絶縁性ガスは、ＣＯ_２ガスと付加ガスとを、ＣＯ_２ガスに対し付加ガスを圧力比で５０％未満で混合した混合ガスからなり、前記付加ガスは、ＣＦ_３ＣＨＦ_２，ＣＦ_３ＣＨ_３，ＣＦ_３Ｃ_４Ｈ_２Ｆ_７のうちいずれか一つ又は複数の混合からなることを特徴とするガス絶縁開閉器。
前記付加ガスが、ＣＦ_３Ｃ_４Ｈ_２Ｆ_７であることを特徴とする請求項１に記載のガス絶縁開閉器。
絶縁性ガスを封入した密閉容器内に１対の接点を配置し、通電時には両者を接触状態にして通電し、回路遮断時には接点を解離させて遮断するガス絶縁開閉器において、前記絶縁性ガスは、ＣＯ_２ガスと付加ガスとを、ＣＯ_２ガスに対し付加ガスを圧力比で５０％未満で混合した混合ガスからなり、前記付加ガスは、ＣＨ_３＋Ｘという分子構造、但しＸはＨ以外のガスであり、Ｃｌ（塩素），Ｉ（ヨウ素），Ｂｒ（臭素）を含まず、かつ、地球温暖化係数がＳＦ_６よりも低いガスであることを特徴とするガス絶縁開閉器。
前記付加ガスが、ＣＨ_３ＣＨＦ_２であることを特徴とする請求項３に記載のガス絶縁開閉器。