JP6067150B2 - ガス絶縁電気機器 - Google Patents

Description

本発明は、例えば密閉容器に高電圧導体、開閉装置、変流器などの電気機器を収容して、密閉容器内に絶縁ガスを充填して、構成機器及び高電圧導体と密閉容器とを絶縁するガス絶縁電気機器に関するものである。

ガス絶縁電気機器は、円筒形状の接地タンクの内部に同軸上に電流が流れる円筒形状の高電圧導体が配設され、主絶縁媒体として六フッ化硫黄ガス、乾燥空気、窒素、炭酸ガス、CF₄、CHI₃、C₂F₆、C₃F₈等、あるいはそれらのガスを組み合わせた混合ガス等に代表される絶縁性ガスを密閉封入し、高電圧機器として使用するのが主流である。特に六フッ化硫黄ガスは空気の約３倍の絶縁耐力があることから高圧部と接地電極間の距離を縮め、機器を縮小化することを可能としている。

ガス絶縁機器では絶縁性能、遮断性能を高めるため通常、絶縁媒体であるガスを大気圧以上に加圧して使用している。そのためガスを密閉し、かつ絶縁距離を均等に保つために上記に記述した密閉容器となる円筒形状のタンクと同軸上にある同じく円筒形状した高電圧導体とした構造を採用している。

六フッ化硫黄ガスは絶縁耐力がとても高い反面、不平等な電界下では絶縁性能が低下することに留意する必要がある。開閉機器の場合、金属同士を接合させる摺動部や、遮断機、断路器などの導体同士の接触部から、ミリメートルレベルの金属異物が発生することがある。発生した金属異物は当初密閉容器のタンク内部底面に留まる。ただ静電誘導等の作用で金属異物は帯電するため、機器運転中にはタンクと高電圧導体間の電位勾配に従って運動を始める。運動初期は平伏した金属異物が起立する。特に直流機器の場合、その後金属異物は浮上を始め、高電圧導体付近まで接近、あるいは高電圧導体に接触するような運動をするようになる。特に高電圧導体が負極性課電の場合、導体近傍で挙動しながら滞留する。同軸円筒形状では高電圧導体近傍は最も高電界となるため、金属異物が非常に不平等となり、金属異物近傍で高電界となり、この状態で雷サージなどの過電圧が進入すると地絡にいたる危険性がある。

金属異物混在の耐圧低下に対する対策には、混入した金属異物をタンク底面にできるだけ留めさせ、浮上を抑制するタンク内面構造が効果的である。具体的にはタンク壁の内面に厚さ0.2ｍｍ以上の絶縁材を設けることにより、対異物に対する耐電圧性能を向上させる方法がある（例えば、特許文献１参照）。
また、非線形抵抗膜をタンク内側表面に形成して、異物の帯電量を抑え、浮上を抑制する方法がある（例えば、特許文献２参照）。

特開平０８−１４９６６７公報 特開２００９−２８４６５１号公報

上述した従来の特許文献１に記載のガス絶縁電気機器では、対異物構造として金属製のタンク内面に絶縁材が設けられる。この絶縁材を設けることで、絶縁被覆構造がないものと比して、直接電荷供給を避けられるため、帯電を抑制して平伏した異物に対して浮上電界を上げられる。しかし、異物と絶縁材の接触部にできる微小なギャップが非常に高電界となり、部分放電発生が発生して、放電による帯電によって金属異物にクーロン力が作用して浮上を開始してしまうものであった。

また上述した特許文献２に記載のガス絶縁電気機器における対異物構造では、電界に依存して抵抗率が変化する非線形抵抗膜をタンク表面に形成している。非線形抵抗膜での対異物に対する特徴は、上記した絶縁被覆膜に比べ高電界となる微小ギャップの電界を緩和できる構造であり、異物への帯電を抑制し、絶縁被覆よりも浮上電界を上げられる。非線形抵抗の特性は電界に対して依存し、異物の無い状態での通常運転時の電界以上に電界で抵抗率を減少させるような抵抗分布に適切な分布特性を持つことで効果が発揮できる。
しかし、ガス絶縁電気機器のタンク底面に作用する電界は、ガス絶縁電気機器内の部位によって異なる。一意的な抵抗分布で形成すると、ある部位では非線形抵抗膜の電界緩和効果が発揮できても、異なる電界が作用する部位や、異なる電圧階級の機器に適用した場合、電界緩和効果が発揮されない場合があった。
なお、タンク内に形成される特許文献１の絶縁材、特許文献２の非線形抵抗膜は、金属よりも負に帯電しやすい材質のものが用いられていた。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、ガス絶縁電気機器が直流機器であり、導体が負極性課電される場合に、密閉容器内の金属異物の浮上を抑制し、導体への金属異物の接近を抑制することが可能なガス絶縁電気機器を提供することを目的とするものである。

この発明に係わるガス絶縁電気機器は、高電圧が印加される導体、上記導体を内蔵し、内部に絶縁性ガスが充填される金属製の密閉容器、上記密閉容器の内面を被覆する被覆膜を備え、上記被覆膜は、帯電列で金属よりも正極に帯電する材料で形成され、上記被覆膜は、上記密閉容器内の金属異物に接触することで正極帯電し、上記金属異物は、上記被覆膜に接触することで負極帯電することを特徴とするものである。

この発明のガス絶縁電気機器によれば、密閉容器の内面に金属と接触したときに正極性帯電となる材料で被覆膜を形成したことにより、機器内に発生した金属異物が密閉容器底面に接触したときに、被覆膜側に正極性帯電、逆に金属異物に負極性帯電を引き起こし、負極性の直流が高電圧導体に印加されている際に、金属異物の浮上を抑制することができ、金属異物が高電圧導体へ接近することも抑制することができ、ガス絶縁電気機器の絶縁信頼性を向上させることが可能となる。
この発明の上記以外の目的、特徴、観点及び効果は、図面を参照する以下のこの発明の詳細な説明から、さらに明らかになるであろう。

この発明の実施の形態１に係わるガス絶縁電気機器を示す側断面図である。 この発明の実施の形態１に係わるガス絶縁電気機器の接地タンク底面にとどまっている金属異物の様子を示す断面図、および金属異物の拡大断面図である。 この発明の実施の形態１の説明に必要な様々な材料の帯電列を示す図である。 この発明の実施の形態１に係わるガス絶縁電気機器の接地タンク底面に接触した金属異物が電荷の授受を受ける様子を示す断面図である。 この発明の実施の形態１に係わるガス絶縁電気機器における接地タンク底面に接触した金属異物が負帯電し、高電圧導体が負極性課電された様子を示す断面図である。 この発明の実施の形態１に係わるガス絶縁電気機器の接地タンク底面に被覆膜を形成しない場合、負帯電するエポキシ樹脂で被覆膜を形成した場合、正帯電する材料であるポリメタクリル酸メチル樹脂で被覆膜を形成した場合の浮上電圧を示す図である。 この発明の実施の形態１に係わる接地タンク内面に形成した被覆膜の膜厚に対する異物の浮上に必要な電界を示す図である。 この発明の実施の形態５に係わるガス絶縁電気機器を示す側断面図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１におけるガス絶縁電気機器について図１から図７を参照して説明する。各図において、同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。その中で、図１はこの発明の実施の形態１に係わるガス絶縁電気機器１を示す軸方向に沿った側断面図である。図２（ａ）は、ガス絶縁電気機器１の軸方向に垂直な断面図を示しており、図２（ｂ）は、図２（ａ）の接地タンク２底面の金属異物６の拡大断面図である。また、図３は、様々な材料の帯電しやすさを示した帯電列を示した図である。
本発明の実施の形態１によるガス絶縁電気機器１は、絶縁性ガスを封入した密閉容器であり圧力容器である円筒形状の金属製の接地タンク２と、この接地タンク（密閉容器）２の中心軸線上に配置され、遮断器（図示せず）、断路器等の構成機器と電気的に接続された高電圧導体（導体）３と、この高電圧導体３を支持する固体絶縁物である絶縁スペーサ４を備えている。接地タンク２の内側面上には金属よりも正極に帯電しやすい絶縁性の被覆膜５が形成されている。高電圧導体３と被覆膜５の間に絶縁性ガス層が存在する。

上記した絶縁性の被覆膜５は、金属材料に対して接触した場合、正極帯電を引き起こす正極帯電樹脂で形成された誘電体被膜である。例えば、被覆膜５の材料としては、レーヨン、ナイロン、ポリメタクリル酸メチルが使われる。図３に示す帯電列において、レーヨンおよびポリメタクリル酸メチルは、毛皮に相当する位置にあり、正に帯電しやすい材料である。
この正極帯電樹脂による被覆膜５の形成には幾つか方法がある。例えば、合成樹脂によって被覆膜５を得る場合、合成樹脂から薄膜状のシートを形成後、接地タンク２内面に沿って貼り付けて被覆膜５を形成する方法がある。
また、繊維状の合成樹脂を織り込んで織物としたものを、接地タンク２の内面に沿って貼り付けて被覆膜５を形成する方法などがある。

また被覆膜５を構成する樹脂が熱可塑性樹脂である場合、ある一定温度以上の熱を与え、ゲル状になった樹脂を用いて接地タンク２内面の形状に合わせて被覆膜５を成型する方法もある。金属製である接地タンク２に被覆膜５を形成する場合は、樹脂である絶縁スペーサ４上に被覆膜を形成する場合よりも許容される温度が高いため、熱可塑性樹脂を用いての被覆膜５の形成が可能である。
また、被覆膜５の別の形成方法として、数μｍ〜数１０μｍの粒径を持った粉体粒子を液状バインダ樹脂と混ぜあわせ、吹き付け塗装、はけ塗り、焼付け塗装、浸漬塗装などで薄膜を形成後硬化させる方法がある。ただし、この場合は、被覆膜５の構成材として正極帯電樹脂と異なる材料を混合させるため、体積割合で正極帯電樹脂が他の混合物よりも多くの割合とする必要がある。
またガス絶縁電気機器１に適用できる正に帯電しやすい材料は、絶縁物であること、分解ガスを生成しないこと、運転時間中に性能に対する経年劣化が小さいこと、１００度前後の熱環境下で性能が落ちないことが条件として挙げられる。

次に、本発明の実施の形態１のガス絶縁電気機器１において生じる物理現象について説明する。ガス絶縁電気機器１を構成するほとんどのパーツは、工場内のクリーンルームで組み立てられて現地へ輸送されるが、輸送限界等により一部は現地で組み立てられる。そのため、現地組立時にガス絶縁電気機器１の中に金属異物６が紛れ込む可能性がある。これら金属異物６の大部分は検査工程で取り除かれるが、長さが３ｍｍ程度以下で太さが０．２ｍｍ程度以下の金属異物６は発見が困難であり、検査で見落とされ、接地タンク２内に残される場合がある。

金属異物６は、発生した直後は重力によって接地タンク２内の底面に落下して平伏した状態となる。ここで、高電圧導体３に電圧が印加されている運転状態では、極性に関係なく、接地タンク２内面に被覆膜５が無く、直接、接地タンク２を構成する金属が金属異物６に接触する場合、静電誘導の現象が金属異物６に作用して接地タンク２から金属異物６に電荷が供給されて、金属異物６は帯電する。一方、絶縁性の被覆膜５が接地タンク２の内面に形成されている場合、図２に示すように、金属異物６と被覆膜５の接触部近傍の微小ギャップによる放電で生成したイオンが金属異物６を帯電させる。帯電した金属異物６は、課電されている接地タンク２内では高電圧導体３と接地タンク２の間で電界が発生しているため、帯電量に応じたクーロン力の作用を受けて、平伏した状態から起立、高電圧導体３に向けて浮上する。その後、高電圧導体３に接近して接触する。
なお、金属異物６が浮上をはじめ、高電圧導体３まで到達する現象は、接地タンク２底面の電界が浮上電界を超えた場合に生じ、高電圧導体３の課電が正である場合は、金属異物６が負帯電、高電圧導体３の課電が負である場合は、金属異物６が正帯電したときに起こる現象である。

さらに高電圧導体３に負極性が課電されている負極課電の場合は、高電圧導体３の近傍に金属異物６が滞留する状態が保たれる。
金属異物６の形状は様々であるが、もっとも絶縁上危険な針状異物の場合は、針状異物の長尺向きが電界の向きに沿う径方向に向いて滞留するため、金属異物６の先端では高電界となって部分放電を発生する。このような状態で雷サージなどの過電圧が侵入すると地絡に至る場合がある。
一方、高電圧導体３に正極性が課電されている正極課電の場合は、負極性課電のように金属異物６が高電圧導体３にとどまることはなく、接地タンク２の容器内で運動したり、高電圧導体３と接地タンク２間で浮遊したりするため、負極性課電に比べて絶縁地絡に至る危険は小さい。

以上、金属異物６が接地タンク２内で平伏した状態から起立、浮上する現象について説明したが、以下に、この発明の実施の形態１の金属異物６が浮上しにくいガス絶縁電気機器１について詳細に説明する。
図４は、実施の形態１のガス絶縁電気機器１の接地タンク２底面に接触した金属異物６が電荷の授受を受ける様子を示した断面図である。本実施の形態１では、接地タンク２の容器底面に落ちて平伏状態となっている金属異物６は、ガス絶縁電気機器１の構成部材の金属材料で構成される。そのため、図３の帯電列で示す、金属よりも正帯電しやすい正極帯電樹脂によって、被覆膜５を接地タンク２内面に形成すると、図４のように金属異物６は被覆膜５に接触することで負の電荷を授受し、負極帯電の状態となる。同時に、被覆膜５は金属異物６に接触することで正の電荷を授受し、正極帯電の状態となる。

また、図５は、ガス絶縁電気機器１の内部の要部断面を示した図であり、接地タンク２底面に接触した金属異物６が負帯電し、高電圧導体３が負極性課電された状態を模式的に示す断面図である。
図５に示すように負極性が高電圧導体３に課電される場合、負帯電している金属異物６には高電圧導体３から遠ざかる方向のクーロン力が働き、接地タンク２底面から浮上しない状態となる。また仮に金属異物６と被覆膜５が接触している近傍で部分放電が起こったとしても、もともと金属異物６が負極性に帯電しているために、金属異物６が正極に帯電する可能性や帯電量は従来の構造に比べて小さくなる。そのため、金属異物６を浮上させるとすれば、その条件としては、課電によって形成される電界を大きくする必要がある。

図６は上記の現象を実験的に検証した例であり、負極帯電するエポキシ樹脂と正極帯電するポリメタクリル酸メチル樹脂でそれぞれ被覆膜５を形成し、高電圧導体３に負極を印加して浮上電界を取得した結果を示している。図６において、縦軸は浮上電界を示し、被覆膜５を形成していない場合を１として規格化している。
ここで、比較対象となっているエポキシ樹脂は、図３の帯電列においては、天然ゴムに近く、ポリメタクリル酸メチル樹脂は、上述したように同帯電列において、毛皮に相当している。エポキシ樹脂よりもポリメタクリチル酸メチル樹脂の方が正に帯電しやすい物質である。図６により、正極帯電樹脂で被覆膜５を形成すると明らかに浮上電界が向上することが分かる。

図７は、金属異物６の浮上に必要な電界（浮上電界）の、被覆膜５の膜厚依存性を示した図である。被覆膜５の膜厚が６００μｍの場合の浮上電界を１として規格化している。図７より、被覆膜５の膜厚が大きくなると異物の浮上に必要な電界が小さくなることが分かる。これは以下のような現象で説明できる。金属異物６を高電圧導体３に向かわせる力は課電によって発生する電界によるクーロン力であるが、接地タンク２に対して金属異物６は影像力によって浮上する方向と逆向きである接地タンク２へ引き寄せられる力も作用する。影像力は金属異物６と接地電極（接地タンク２）までの距離の２乗に反比例するため、被覆膜５の膜厚が大きくなると金属異物６に作用する影像力が小さくなる。そのため、放電による帯電量が一定とすれば課電によって発生した電界が小さくても金属異物６が浮上することになる。図７に示したように、２００μｍ以下の膜厚で浮上に必要な電界が著しく大きくなることから、被覆膜５の膜厚は２００μｍ以下が望ましいことが分かる。

従って、接地タンク２内面に正極帯電樹脂よりなる被覆膜５が形成されていると、正極帯電樹脂に接触した金属異物６は負帯電を発生して、負極である高電圧導体３から遠ざけられる方向にクーロン力が働くため、接地タンク２底面からの金属異物６の浮上が抑制され、浮上電界が向上され、金属異物６が高電圧導体３へ接近することも抑制でき、信頼性の高いガス絶縁電気機器１を得ることができる。

実施の形態２．
ガス絶縁電気機器１の構造の中に、高電圧導体３の遮断部、断路部のような金属同士が接触する機構を備えている。それらの金属同士の物理的な接触により発生した微粒子が金属異物６となる。また絶対量は少ないが、銅、銀などが高電圧導体３の接触部に使用されるため、金属異物６には、銅、銀などの材質が含まれる。また、接地タンク２では、接地タンク２同士をボルトで締結しており、ボルト表面とボルトの通し穴に残っていたバリなどの金属片が金属異物６となると考えられる。接地タンク２を締結するボルトから生じた金属異物６は、鉄が主の材質となる。

図３の帯電列表に示したように、金属でも材料が異なると正帯電、負帯電しやすさが異なることが分かる。従って物理的に金属異物６が発生する区間（図１で示すと絶縁スペーサ４で囲まれる構造物）で使用する金属材料よりも正帯電する材料で被覆膜５を形成している。これにより、必然的に発生する金属異物６は、被覆膜５と接触すれば負帯電となり、負極である高電圧導体３から遠ざけられる方向にクーロン力が働くため、接地タンク２底面からの金属異物６の浮上が抑制される。そのため、金属異物６の浮上電圧が向上し、信頼性の高いガス絶縁電気機器１を得ることができる。

実施の形態３．
上述の実施の形態２では、二つの絶縁スペーサ４で区切られた密閉空間に生じる金属異物６が、銅、銀、鉄などの金属材料である場合について説明した。この実施の形態３では、実施の形態２で示した金属材料よりもさらに帯電列で正帯電しやすく、比重の軽いアルミニウムが金属異物６となる場合について説明する。上述したように、金属異物６は発生する箇所によって、その材質が異なったものとなるが、高電圧導体３から発生した金属異物６の場合は、その材質はアルミニウムが主となる。
図３の帯電列表に示したように、他の金属である銅、銀、鉄よりもアルミニウムの方が負に帯電しやすい。そのため、金属異物６がアルミニウムである場合は、その金属異物６は被覆膜５と接触すれば必ず負帯電となり、負極である高電圧導体３から遠ざけられる方向にクーロン力が働く。よって、接地タンク２の底面からの金属異物６の浮上が抑制される。従って、金属異物６がアルミニウムよりなる場合、浮上電圧が向上し、信頼性の高いガス絶縁電気機器１を得ることができる。

実施の形態４．
実施の形態１で記述したように被覆膜５を備えない場合、接地タンク２底面からの静電誘導によって、接地タンク２内への電荷授受が起こる。直流課電の場合、高電圧導体３と逆の電荷が授受されるため、高電圧導体３が負極性の場合は、金属異物６に正電荷が授受される。そして、被覆膜５を備えていても、その絶縁材料の体積抵抗率が適正でない場合は、静電誘導を抑制できず、金属異物６への帯電が起こり、金属異物６は浮上する。
本発明では、上述の実施の形態１から３において、接地タンク２内に被覆膜５を形成することを示したが、被覆膜５を介しての漏れ電流抑制については言及していなかった。そこで、この実施の形態４では、その被覆膜５の絶縁特性を示す体積抵抗率に着目し、被覆膜５を構成する絶縁材料の体積抵抗率を、接地タンク２の底面からの漏れ電流を小さく抑制できる値とした。被覆膜５の体積抵抗率を、被覆膜５を介して流れる漏れ電流を小さく抑制できるように適正化することによって、接地タンク２内の金属異物６に生じる電荷授受を抑制し、金属異物６への帯電を抑制することが可能となる。

ここで、被覆膜５を構成する絶縁材料として、絶縁物の定義である体積抵抗率が１０⁸Ωｍ以上の材料を選定すればよいが、さらに１０¹⁰Ωｍ以上の体積抵抗率となる材料を選定することがのぞましい。上記のような材料で被覆膜５を形成することによって、接地タンク２底面からの電荷授受を避けることができる。加えて、金属異物６は被覆膜５と接触すれば負帯電となり、負極である高電圧導体３から遠ざけられる方向にクーロン力が働く。これらの効果によって、金属異物６の接地タンク２底面からの浮上が抑制され、浮上電界が向上し、信頼性の高いガス絶縁電気機器１を得ることができる。

実施の形態５.
実施の形態１から４までは接地タンク２内面に対しての塗装について述べてきたが、実施の形態１で述べた構成物において高電圧導体３に対して適用した場合の効果を以下に述べる。直流課電の場合、接地タンク２側の構造によって浮上抑制効果が発揮されていても、機械的振動により金属異物６が接地タンク２底面から浮きあがり、高電圧導体３に向かって浮上する可能性はある。高電圧導体３に向かった金属異物６は、高電圧導体３に何も処置をしていなければ上述したように高電圧導体３の近傍で、金属異物６の長手が高電圧導体３に垂直な向きで運動しながら滞留するような振る舞いをして、金属異物６の先端が非常に高電界となり、金属異物６が無い場合と比較して絶縁上性能が低下する危険性がある。

そのような状況下に対して、図８に実施の形態５に係わるガス絶縁電気機器１の側断面図を示すように、高電圧導体３に金属に対して接触帯電を起こしやすい絶縁性の被覆層７を形成した場合、高電圧導体３に接触した金属異物６は被覆層７との間に電荷の授受が行われ、金属異物６に対して高電圧導体３側に引き寄せられる影像力が作用して、金属異物６は被覆層７上に吸着して平伏する。金属異物６が被覆層７上で平伏するとした場合、高電圧導体３に何も形成しない場合の高電圧導体３近傍で運動している状態に比べ、金属異物６の先端電界は下がるため耐電圧性能は向上する。

高電圧導体３に形成する被覆層７は、金属異物６と接触によって帯電を引き起こせる材料、つまり帯電列で考えると金属異物６よりも、負側、正側であればどちらでもよい。ただし高電圧導体３が負極課電されている場合、被覆層７が負側であれば、金属異物６は正極帯電し、高電圧導体３との間に影像力に加え静電気力が発生するため、より吸着力が増し、平伏しやすくなる。また被覆層７が正側であれば発生する静電気力は反発力となるため金属異物６は被覆層７に吸着されずに、高電圧導体３から落下する。

このように、高電圧導体３に被覆層７を形成した場合、金属異物６が高電圧導体３に向かって浮上した場合でも、被覆層７に接触させ、帯電させることで、絶縁性能を向上させることができる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

Claims (6)

1. 高電圧が印加される導体、上記導体を内蔵し、内部に絶縁性ガスが充填される金属製の密閉容器、上記密閉容器の内面を被覆する被覆膜、上記導体と上記被覆膜との間に配置された上記絶縁性ガスよりなる絶縁性ガス層を備え、上記被覆膜は、帯電列で金属よりも正極に帯電する材料で形成され、
   上記被覆膜は、上記密閉容器内の金属異物に接触することで正極帯電し、上記金属異物は、上記被覆膜に接触することで負極帯電することを特徴とするガス絶縁電気機器。
2. 上記導体が負極課電である場合に、上記被覆膜に接触した上記密閉容器内の金属異物に、上記導体から遠ざかる方向にクーロン力が働くことを特徴とする請求項１記載のガス絶縁電気機器。
3. 上記被覆膜は、上記金属のうち、上記密閉容器を構成する金属よりも帯電列で正極に帯電する材料で形成されたことを特徴とする請求項１または請求項２記載のガス絶縁電気機器。
4. 上記被覆膜は、アルミニウムよりも帯電列で正極に帯電する材料で形成されたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載のガス絶縁電気機器。
5. 上記被覆膜を構成する絶縁材料は、上記密閉容器の底面からの漏れ電流によって上記密閉容器内の金属異物に生じる電荷授受を抑制する体積抵抗率を持つことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載のガス絶縁電気機器。
6. 上記導体を被覆する絶縁性の被覆層を備え、上記密閉容器内の金属異物が上記被覆層に接触することで接触帯電を起こすことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載のガス絶縁電気機器。

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