JP5710080B2 - ガス絶縁開閉装置 - Google Patents

Description

本発明は、タンク内に混入した金属異物の挙動を抑制可能なガス絶縁開閉装置に関する。

ガス絶縁開閉装置では、接地電位にある金属製のタンクとその内部に配置された高電圧が印加される中心導体との間の空間に絶縁ガスを封入することで絶縁性能を確保している。

しかし、タンク内部に微小な金属異物が混入すると、高電圧の中心導体から発生した電界の影響で、金属異物が帯電してタンク内を径方向に往復動作し、耐電圧低下を引き起こす要因となり得る。そのため、タンク内での金属異物の挙動を抑える必要がある。

従来のガス絶縁開閉装置では、タンク内面に絶縁性の塗料を塗布し、タンク内面から金属異物への電荷の移動をなくすことで、金属異物に中心導体と逆極性の電荷が蓄えられることを防ぎ、電気的吸引力が金属異物の自重より大きくなって金属異物が浮上することを抑制し、金属異物が高圧導体へ付着して閃絡することを防ぐ設計としている。

また、特許文献１では、タンク内面に非直線抵抗特性を有する酸化亜鉛（ＺｎＯ）含有の塗料を塗布したガス絶縁開閉装置が記載されている。

また、特許文献２では、ガス絶縁開閉装置におけるコーティング技術として、バリア絶縁物に非直線抵抗コーティングを施す技術が記載されている。

特開２０１０−２０７０４７号公報 特許第４１７７６２８号公報

上記タンク内面に絶縁性の塗料を塗布する構成では、電圧が低い場合は、金属異物の挙動の抑制に効果的であるが、電圧が高い場合は、塗装膜上に存在する金属異物の分極（中心導体側へ中心導体と逆極性の電荷が集まること）により、電気的吸引力が金属異物の自重より大きくなって金属異物が浮上することとなる。また、電界が絶縁ガスの電離限界を超えたときは、部分放電の発生により金属異物に電荷が供給蓄積され、電気的吸引力が金属異物の自重より大きくなって金属異物が浮上することとなる。このように、タンク内面に絶縁性の塗料を塗布する構成では、電圧が低い場合は、金属異物の挙動の抑制に効果的であるが、電圧が高い場合は、金属異物の挙動を抑制することが困難となる。

一方、特許文献１のようにタンク内面に酸化亜鉛（ＺｎＯ）含有の塗料を塗布する構成では、酸化亜鉛（ＺｎＯ）含有の塗料は、電圧が低い領域では、絶縁性が高く、タンク内面から金属異物への電荷の移動をほぼ遮断するため、上述の絶縁性の塗料をタンク内面に塗布した場合と同様の効果を奏し、電圧が高い領域では、非直線抵抗特性により抵抗が小さくなり、タンク内面と金属異物との間での電荷の移動を許容するので、塗装膜上に存在する金属異物の分極および部分放電による帯電が抑制される。しかしながら、電圧が高い領域では、タンク内面から金属異物への電荷（中心導体と逆極性の電荷）の移動による帯電を抑制することが困難であり、その結果、金属異物の挙動を十分に抑制することが困難となる。

また、特許文献２に記載のコーティング技術は、放電伸展を抑制し、確実に放電をバリア絶縁物内側のガス空間内に閉じこめることを目的としたものであり、タンク内面に存在する金属異物の挙動を抑制することを目的としたものとは異なる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、タンク内面に塗装膜を設ける構成において、電界の小さい領域から高い領域に至るまで広範囲で金属異物の挙動を抑制することが可能なガス絶縁開閉装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るガス絶縁開閉装置は、接地され内部に絶縁ガスが封入された金属製のタンクと、前記タンク内に延設され、電圧が印加される導体と、前記タンクの内面上に形成された絶縁性の第１の塗装膜と、前記第１の塗装膜上に形成され、絶縁材料および非直線抵抗材料を含有して成る第２の塗装膜と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、タンクの内面に絶縁性の第１の塗装膜を設け、さらに、この第１の塗装膜上に非直線抵抗材料を含有する塗料が塗装されて成る第２の塗装膜を設けるようにしたので、電界の大きさにかかわらず、第１の塗装膜によりタンク内面から金属異物への電荷の移動が遮断される一方で、電界が大きい場合は、非直線抵抗材料の非直線抵抗特性により第２の塗装膜が導電性を示すので、金属異物の分極および部分放電に起因する帯電が第２の塗装膜により抑制され、電界の小さい領域から大きい領域に至るまで金属異物の挙動を抑制することが可能になる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態に係るガス絶縁開閉装置の構成を示す縦断面図である。 図２は、従来のガス絶縁開閉装置の構成を示す縦断面図である。 図３は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）の典型的な電流−電圧特性を示したグラフである。 図４は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）と炭化珪素（ＳｉＣ）のバリスタ特性を比較したグラフである。

以下に、本発明の実施の形態に係るガス絶縁開閉装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、本実施の形態に係るガス絶縁開閉装置の構成を示す縦断面図である。図１に示すように、このガス絶縁開閉装置は、タンク１と、タンク１内に延設された中心導体２と、タンク１の内面に塗装された塗装膜１０１と、塗装膜１０１上に上塗りされた塗装膜３とを備えている。なお、図１は、ガス絶縁開閉装置の一部を示したものであり、これらの構成要素の他、例えば、遮断器、断路器、計器用変流器等の機器を備えている。

タンク１は、金属製の例えば略円筒状である。タンク１は、軸方向の端部にフランジ部１ａが設けられた容器をフランジ部１ａで連結することにより軸方向に延設されている。タンク１は、接地されている。タンク１内には、例えばＳＦ₆ガス等の絶縁ガスが封入されている。

中心導体２は、交流電圧が印加される導体であり、交流電流が通流する。中心導体２は、タンク１の軸方向に沿って伸びており、図示しない絶縁スペーサで支持されている。

塗装膜１０１は、例えば樹脂を主成分とする絶縁性の塗料が塗装されて成る。

塗装膜３は、非直線抵抗材料を含有する塗料から成り、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）を含有する塗料から成る。例えば、樹脂を主成分とする絶縁性の塗料に、非直線抵抗特性を有する炭化珪素（ＳｉＣ）を混入した後、この炭化珪素（ＳｉＣ）を含有する塗料を塗装膜１０１に上塗りすることにより塗装膜３が形成される。塗料には、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）の粉末を混入することができる。また、塗装膜３は接地されたタンク１からは絶縁性の塗装膜１０１により隔絶されているので、電気的には浮遊している。

炭化珪素（ＳｉＣ）は、焼成をすることなく、非直線抵抗特性を示すことが知られている。すなわち、炭化珪素（ＳｉＣ）は、低電圧または低電流領域では略絶縁性を示すが、高電圧または高電流領域では抵抗が小さくなる。後述するように、炭化珪素（ＳｉＣ）は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の非直線抵抗材料と比べて、絶縁性と導電性間の移行が連続的に生ずる。なお、炭化珪素（ＳｉＣ）は、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体である。ワイドバンドギャップ半導体としては、炭化珪素（ＳｉＣ）以外に、例えば、窒化ガリウム、ダイヤモンドがある。

塗装膜３における炭化珪素（ＳｉＣ）の充填率は、体積分率で例えば３０〜８０％の範囲内とすることができる。これは、塗装膜３が非直線抵抗特性を示すためには、塗装膜３内で炭化珪素（ＳｉＣ）同士が十分に接触可能な充填量が必要とされるためである。ここで、充填量下限値は、パーコレーションによって炭化珪素（ＳｉＣ）同士が接触する最低充填量として規定される。また、充填量上限値は、炭化珪素（ＳｉＣ）粉体の臨界充填量として規定され、臨界充填量を超える量を充填すると塗装が脆くなる。

なお、塗装膜３に含まれる非直線抵抗材料は炭化珪素（ＳｉＣ）以外のもの（例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ））であってもよい。

図１では、タンク１内には微小な金属異物４が混入し、図示例では塗装膜３上に存在している。

次に、本実施の形態の動作について説明する。中心導体２に印加される電圧が低い場合、または中心導体２から発生する電界が小さい場合は、塗装膜３中の炭化珪素（ＳｉＣ）は実質絶縁物として機能する。また、塗装膜３とタンク１内面との間には絶縁性の塗装膜１０１が存在している。そのため、タンク１内面から金属異物４への電荷の移動が遮断され、金属異物４に中心導体２と逆極性の電荷が蓄えられることがなく、中心導体２から発生した電界による電気的吸引力が金属異物４の自重より大きくなって金属異物４が浮上することがない。

また、中心導体２に印加される電圧が高い場合、または中心導体２から発生する電界が大きい場合は、塗装膜３中の炭化珪素（ＳｉＣ）の抵抗は小さくなり、塗装膜３は導電性を示すようになる一方で、塗装膜３下の塗装膜１０１は電界の大きさによらず絶縁性である。そのため、塗装膜３上に存在する金属異物４の分極および絶縁ガスの電離に起因する部分放電による金属異物４の帯電は、塗装膜３が電荷の逃げ場となって抑制される一方で、タンク１内面から金属異物４への電荷（中心導体と逆極性の電荷）の移動による帯電は塗装膜１０１により遮断されるので、中心導体２から発生した電界による電気的吸引力が金属異物４の自重より大きくなって金属異物４が浮上することがない。

以上説明したように、本実施の形態によれば、タンク１内面に絶縁性の塗装膜１０１（第１の塗装膜）を設け、さらにこの塗装膜１０１に絶縁性の塗料成分および非直線抵抗材料（例えば、炭化珪素（ＳｉＣ））を含有する塗料が塗装されて成る塗装膜３（第２の塗装膜）を上塗りするようにしたので、電界の小さい領域から高い領域に至るまで広範囲で金属異物４の挙動を抑制することが可能になる。

ここで、本実施の形態と従来のガス絶縁開閉装置の構成との対比を行い、本実施の形態のさらなる効果を説明する。図２は、従来のガス絶縁開閉装置の構成を示す縦断面図である。なお、図２では、図１と同一の構成要素には同一の符号を付している。図３は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）の典型的な電流−電圧特性を示したグラフである。図４は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）と炭化珪素（ＳｉＣ）のバリスタ特性を比較したグラフである。

図２に示すように、従来のガス絶縁開閉装置では、タンク１の内面に塗装膜１００が塗布されている。塗装膜１００は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を含有する塗料から成る（特許文献１参照）。図２に示す従来の構成では、塗装膜１００のみが１層塗布された構成である。

このような構成では、酸化亜鉛（ＺｎＯ）は、電圧が低い領域では、絶縁性が高く、タンク１の内面から金属異物４への電荷の移動をほぼ遮断する一方で、電圧が高い領域では、抵抗が小さくなり、タンク１の内面と金属異物４との間での電荷の移動を許容し、塗装膜１００上に存在する金属異物４の分極および部分放電による帯電を抑制する。しかしながら、その一方で、電圧が高い領域では、タンク１の内面から金属異物４への電荷の移動による金属異物４の帯電を抑制することが困難であり、その結果、金属異物４の挙動を十分に抑制することが困難となる。

次に、非直線抵抗材料として炭化珪素（ＳｉＣ）を用いることの利点を酸化亜鉛（ＺｎＯ）と比較しつつ説明する。酸化亜鉛（ＺｎＯ）は、炭化珪素（ＳｉＣ）と同様に非直線抵抗特性を示すが、以下に説明するように、非直線性の程度は両者で大きく異なる。

図３では、横軸を電圧（Ｖ）、縦軸を電流（Ｉ）とし、異なる温度（９℃、２５℃）に対して、酸化亜鉛（ＺｎＯ）のバリスタ特性を示している。酸化亜鉛（ＺｎＯ）は低電圧では抵抗が大きく絶縁性を示すが、電圧が臨界降伏電圧Ｖ_Ｂを超えると、抵抗値が急激に減少する。

図４に示すように、酸化亜鉛（ＺｎＯ）は、絶縁性と導電性間の移行が急激であり、１００００（Ｖ）を超えると抵抗は急激に消失するなど極端な非直線抵抗特性を示すのに対し、炭化珪素（ＳｉＣ）は、絶縁性と導電性間の移行が連続的で緩やかである。

そのため、図２に示す従来の構成では、塗装膜１００の膜厚は、膜厚方向の印加電圧と酸化亜鉛（ＺｎＯ）の非直線抵抗特性を考慮し、金属異物４の挙動を抑制するという目的を達することができるように、適切に設定する必要がある。換言すれば、図２に示す従来の構成では、塗装膜１００の膜厚にばらつきが存在した場合には、同一の高電界に対して、塗装膜１００上に導電性領域と絶縁性領域とが混在する可能性があり、金属異物４の分極および部分放電に起因する帯電に対する抑制効果が低減される可能性が高い。

これに対し、本実施の形態では、塗装膜３は、図４のような緩やかな非直線抵抗特性を示す炭化珪素（ＳｉＣ）を含有しているので、絶縁性と導電性間の移行が連続的であり、塗装膜３の膜厚に多少のばらつきがあったとしても、導電性の程度が幾分異なるだけで、塗装膜３は全体として同じような電気特性を示す。つまり、本実施の形態では、非直線抵抗材料として炭化珪素（ＳｉＣ）を用いた場合には、塗装膜３の膜厚のばらつきは、図２に示す従来の構成と比較して、金属異物４の帯電抑制効果に及ぼす影響が小さいので、膜厚のばらつきは許容され、塗装膜３の塗装工程における作業性が向上する。

また、中心導体２に印加される電圧は交流電圧であり、その電圧は三角関数的に連続的に時間変動している。図２に示す従来の構成では、酸化亜鉛（ＺｎＯ）の極端な非直線抵抗特性により、交流電界の大きさがある値を超えるまでは、塗装膜１００は導電性を示さず、導電性を示す直前では金属異物４の分極および部分放電に起因する帯電を抑制することが困難である。

これに対し、本実施の形態では、非直線抵抗材料として炭化珪素（ＳｉＣ）を用いた場合には、炭化珪素（ＳｉＣ）の非直線抵抗特性により、交流電界の変化に追随して塗装膜３の導電性が連続的に変化するので、金属異物４の分極および部分放電に起因する帯電を電界の大きさに応じて抑制することができる。

また、酸化亜鉛（ＺｎＯ）は、焼成をすることで非直線抵抗特性が発揮される。すなわち、図２に示す従来の構成では、焼成した酸化亜鉛（ＺｎＯ）の粉末を塗料に混ぜたものをタンク１内面に塗布し、あるいは、酸化亜鉛（ＺｎＯ）含有の塗料をタンク１内面に塗布した後に塗装膜１００を焼成する必要があり、いずれにしても、塗装前または塗装後に焼成工程が必要になり、製造工程数が増加する。

これに対し、炭化珪素（ＳｉＣ）は焼成を行うことなく非直線抵抗特性を示す。そのため、非直線抵抗材料として炭化珪素（ＳｉＣ）を用いた場合には、炭化珪素（ＳｉＣ）について焼成を行う必要がないので、図２に示す従来の構成に比べて、製造工程数が少なくなるという利点がある。

また、本実施の形態は、塗装膜３は塗装膜１０１上に設けられるので、タンク１内面に絶縁塗料が塗布された既設のタンク１を利用することができる。

なお、塗装膜３を塗装する際に、非直線抵抗材料含有の塗料に充填剤は入れなくともよい。アルミナまたはシリカなどの絶縁材料としての充填剤は強度確保を目的としており、金属異物４の挙動抑制という観点からは影響を与えないので、塗装膜３は、例えば塗料成分である樹脂と非直線抵抗材料のみとすることができる。

以上のように、本発明は、タンク内に存在する金属異物の挙動を抑制可能なガス絶縁開閉装置として有用である。

１ タンク、１ａ フランジ部、２ 中心導体、３，１００，１０１ 塗装膜、４ 金属異物。

Claims (4)

1. 接地され内部に絶縁ガスが封入された金属製のタンクと、
   前記タンク内に延設され、電圧が印加される導体と、
   前記タンクの内面上に形成された絶縁性の第１の塗装膜と、
   前記第１の塗装膜上に形成され、絶縁材料および非直線抵抗材料を含有して成る第２の塗装膜と、
   を備えることを特徴とするガス絶縁開閉装置。
2. 前記非直線抵抗材料は炭化珪素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装置。
3. 前記第２の塗装膜における前記炭化珪素の充填率は、体積分率で３０〜８０％の範囲内であることを特徴とする請求項２に記載のガス絶縁開閉装置。
4. 前記非直線抵抗材料は酸化亜鉛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装置。

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