JP6089573B2

JP6089573B2 - 真空コンデンサ形計器用変圧器

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Publication number: JP6089573B2
Application number: JP2012230475A
Authority: JP
Inventors: 大造高橋; 利眞深井; 正彦家田; 谷水　徹; 徹谷水
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2012-10-18
Filing date: 2012-10-18
Publication date: 2017-03-08
Anticipated expiration: 2032-10-18
Also published as: JP2014082395A

Description

本発明は、コンデンサ形計器用変圧器に関し、特に、１次側端子と分圧点との間に設けられる主コンデンサに真空コンデンサを用いた真空コンデンサ形計器用変圧器に関する。

計器用変圧器（ＶＴ：Voltage Transformers）は分圧回路によって高電圧を安全な電圧に変換させ、電圧計などの計測器や保護継電器などに入力するために使用する機器である。計器用変圧器には、巻線形、コンデンサ形、抵抗形といくつかの方式がある。

計器用変圧器として、真空コンデンサ（ＶＣ：Vacuum Capacitor）を用いた真空コンデンサ形計器用変圧器がある（例えば、特許文献１）。以下、真空コンデンサ形計器用変圧器を真空ＶＴと称する。真空ＶＴは、真空コンデンサの構成上、高い絶縁耐力を有し、また、経年劣化による焼損事故は発生せず信頼性の高い計器用変圧器である。

特開２０１１−５４７９６号公報特開２００４−３１９１５１号公報特開昭６３−１０８６３０号公報

真空ＶＴは、静電容量の小さい１次側コンデンサと、静電容量の大きい２次側コンデンサを直列に接続した回路構成を基本構成としている。１次側コンデンサには高電圧の測定対象機器が接続されるので、１次側コンデンサには高電圧がかかることとなる。真空ＶＴの安全性の観点から、真空ＶＴの耐電圧（特に、１次側コンデンサ近傍での耐電圧）を向上させることが求められる。

耐電圧を低下させる要因の一つとして、電界集中による耐電圧の低下がある。例えば、特許文献２に記載の真空バルブでは、シールド先端部分を曲面状に形成することで、シールド先端部分における電界集中を抑制し、真空バルブの耐電圧を向上させている。また、特許文献３に記載の真空バルブでは、真空バルブを覆う絶縁筒中央部分に形成される電界強度を低下させることで、真空バルブの絶縁筒表面の結露による表面抵抗の低下を抑制している。

上記事情に鑑み、本発明は、真空ＶＴの耐電圧の向上に貢献する技術を提供することを目的としている。

上記目的を達成する本発明の真空コンデンサ形計器用変圧器の一態様は、絶縁筒と導体筒を接合して形成される筒状の外筐と、前記絶縁筒の開放端を閉塞して設けられる１次側端板と、前記１次側端板面から前記外筐内に立設される内部１次電極と、前記１次側端板の内部１次電極が設けられる面と対向して前記外筐内に設けられる２次側端板と、前記２次側端板面から前記１次側端板方向に立設される内部２次電極と、を有し、前記内部１次電極と前記内部２次電極を対向配置して主コンデンサを形成し、当該主コンデンサが形成される空間を真空とした真空コンデンサ形計器用変圧器であって、前記内部１次電極及び前記内部２次電極の少なくとも一方の端部を曲面状に形成することを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の真空コンデンサ形計器用変圧器の他の態様は、上記真空コンデンサ形計器用変圧器において、前記内部１次電極と対向して設けられる１対の内部２次電極の電極間距離を、前記内部１次電極端部付近で広くすることを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の真空コンデンサ形計器用変圧器の他の態様は、上記真空コンデンサ形計器用変圧器において、前記内部２次電極と対向して設けられる１対の内部１次電極の電極間距離を、前記内部２次電極端部付近で広くすることを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の真空コンデンサ形計器用変圧器の他の態様は、上記真空コンデンサ形計器用変圧器において、前記外筐に最も近接して設けられる内部２次電極を、前記外筐に最も近接して設けられる内部１次電極よりも前記外筐に近接して設け、前記絶縁筒を、前記外筐に最も近接して設けられる内部１次電極の側面と前記外筐に最も近接して設けられる内部２次電極の側面と各々対向するように設け、前記絶縁筒と対向する内部１次電極の電極面に溝部を形成することを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の真空コンデンサ形計器用変圧器の他の態様は、上記真空コンデンサ形計器用変圧器において、前記内部２次電極と対向する前記内部１次電極の端部に括れ部を形成すること特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の真空コンデンサ形計器用変圧器の他の態様は、上記真空コンデンサ形計器用変圧器において、前記内部１次電極と対向する前記内部２次電極の端部に括れ部を形成することを特徴としている。

以上の発明によれば、真空ＶＴの耐電圧の向上に貢献することができる。

本発明の実施形態に係る真空コンデンサ形計器用変圧器の断面図である。真空コンデンサ形計器用変圧器に設けられる真空コンデンサの電極形状の違いによる電界分布の違いを説明する説明図であって、（ａ）従来技術に係る真空コンデンサの拡大断面図、（ｂ）電極の端部を曲面状とした真空コンデンサの拡大断面図、（ｃ）内部２次電極を太くし、内部２次電極端部の曲率半径を大きくした真空コンデンサの拡大断面図、（ｄ）電極の先端部分が設けられる空間を広くした真空コンデンサの拡大断面図、（ｅ）電極の先端部に括れ部を形成した真空コンデンサの拡大断面図である。真空コンデンサ形計器用変圧器に設けられる真空コンデンサの電極形状の違いによる１次側絶縁筒を通過する電界分布の違いを説明する説明図であって、（ａ）従来技術に係る真空コンデンサの拡大断面図、（ｂ）内部２次電極の先端を金属被覆部よりも1次側端板方向に伸ばした真空コンデンサの拡大断面図、（ｃ）１次側絶縁筒と対向する内部１次電極の側面に溝部を形成した真空コンデンサの拡大断面図、（ｄ）内部２次電極の先端部に括れ部を形成した真空コンデンサの拡大断面図である。１次側コンデンサを形成する電極の数を増やした場合の真空コンデンサ形計器用変圧器の部分断面図である。

本発明の実施形態に係る真空コンデンサ形計器用変圧器（真空ＶＴ）について、図を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る真空ＶＴ１の要部断面図である。図１に示すように、実施形態に係る真空ＶＴ１は、１次側絶縁筒２、円筒部３及び接地円筒部４により形成される外筐５と、外筐５内に設けられる１次側コンデンサ６とを有する。なお、外筐５内に形成される２次側ケース７内には、保護継電器や計測器への出力電圧を分担する２次側コンデンサ（図示せず）が設けられる。

１次側絶縁筒２は、例えば、セラミック材などの無機絶縁材料を円筒状に形成した部材である。１次側絶縁筒２の一方の開放端には円筒状の導電部材である円筒部３が設けられ、１次側絶縁筒２の他方の開放端には円筒状の導電部材である接地円筒部４が設けられる。なお、１次側絶縁筒２の両端面（つまり、円筒部３が接合される１次側絶縁筒２の端面及び接地円筒部４が接合される１次側絶縁筒２の端面）には、薄膜状の金属被覆（メタライズ）部２ａ，２ｂが設けられる。

円筒部３の開放端には導電部材である１次側端板８が設けられる。一方、接地円筒部４の開放端には、導電部材である接地側端板９が設けられる。接地側端板９には、外筐５の軸を中心とした円形の孔が形成されており、この孔の外周部からから１次側端板８方向に立設して無機絶縁材料を円筒状に形成した２次側絶縁筒１０が設けられる。そして、２次側絶縁筒１０の１次側端板８側の開放端は導電部材である２次側端板１１により密閉される。このように、円筒部３の開放端を１次側端板８で密閉し、接地円筒部４の開放端を接地側端板９、２次側絶縁筒１０及び２次側端板１１で密閉することで外筐５内部を真空状態にした真空部１２が形成される。なお、１次側絶縁筒２に直接１次側端板８を設けて１次側絶縁筒２の開放端を密閉してもよい。また、２次側絶縁筒１０と接地側端板９は、直接または導電部材である円筒部１３ａを介して接続される。同様に、２次側絶縁筒１０と２次側端板１１は、直接または導電部材である円筒部１３ｂを介して接続される。

１次側コンデンサ６は、１次側端板８と２次側端板１１との間に形成される。１次側端板８の主面であって外筐５内周側の面には、内部１次電極８ａが設けられる。内部１次電極８ａは、例えば、円筒状の電極であり、２次側端板１１方向に延設される。内部１次電極８ａを複数設ける場合は、直径が順次小さくなる内部１次電極８ａが同心円状に複数配置される。一方、２次側端板１１の１次側端板８と対向する面には、内部２次電極１１ａ，１１ｂが設けられる。内部２次電極１１ａ，１１ｂは、例えば、内部１次電極８ａと直径の異なる円筒状の電極であり、１次側端板８方向に延設される。内部１次電極８ａと内部２次電極１１ａ，１１ｂは、その側面が非接触で対向するように交互に配置され１次側コンデンサ６が形成される。

内部２次電極１１ａ，１１ｂのうち、最も大きい直径を有する内部２次電極１１ａの直径は、最も大きい直径を有する内部１次側電極８ａの直径よりも大きい。つまり、内部２次電極１１ａの側面は外筐５の内周面に対向して設けられる。また、内部２次電極１１ａは、その側面が１次側絶縁筒２と接地円筒部４との接続部（金属被覆部２ａ）と対向するように設けられる。このように内部２次電極１１ａを設けることで、比較的電位の低い内部２次電極１１ａにより、金属被覆部２ａの端部（つまり、１次側絶縁筒２の内周面近傍の金属被覆部２ａ部分）が保護されるようになる。なお、内部２次電極１１ａを金属被覆部２ａよりも１ｍｍ以上１次側端板８方向に延設させることで、内部２次電極１１ａによる金属被覆部２ａの保護効果を得ることができる。

１次側端板８の内部１次電極８ａが設けられる面の反対側の面には、測定対象（高電圧側）と接続される接続導体８ｂが設けられる。この接続導体８ｂ（及び１次側端板８）と１次側絶縁筒２が絶縁モールドで被覆されモールド部１４が形成される。さらに、モールド部１４の外周は金属皮膜１５で覆われる。

２次側コンデンサは、２次側絶縁筒１０の内周面と２次側端板１１とで形成される２次側ケース７内に設けられ、２次側端板１１及び接地側端板９と電気的に接続される。２次側コンデンサの分担電圧は、保護継電器（リレー）や計測器などに出力される。２次側コンデンサは、適宜周知のコンデンサを用いればよく、例えば、フィルムコンデンサが用いられる。なお、２次側ケース７内を真空にして、１次側コンデンサ６及び２次側コンデンサの両方のコンデンサを真空コンデンサとしてもよい。

図２，３を参照して、真空ＶＴ１の内部１次電極８ａまたは内部２次電極１１ａ，１１ｂの形状について詳細に説明する。

まず、図２（ａ）〜（ｅ）を参照して、内部1次電極８ａ及びこの内部1次電極８ａの端部近傍の内部２次電極１１ａ，１１ｂ（内部１次電極１６及びこの内部1次電極１６の端部近傍の内部２次電極１７ａ，１７ｂなど）について説明する。なお、内部１次電極８ａの端部近傍の各電極形状を、内部２次電極１１ａ，１１ｂの端部近傍の各電極形状に適用しても同様の効果を得ることができるので、内部２次電極１１ａ，１１ｂの端部近傍部分についてはその詳細な説明を省略する。

図２（ａ）は、従来技術に係る内部１次電極１６及び内部２次電極１７ａ，１７ｂの拡大断面図である。図２（ａ）に示すように、内部１次電極１６の端部の形状を直線上（断面矩形状）に形成すると、電界が内部１次電極１６の先端部（角部）に集中することとなる。つまり、内部１次電極１６の角部近傍に形成される電界の間隔が一番狭くなっている。その結果、内部１次電極１６の先端部から内部２次電極１７ａ，１７ｂや２次側端板１１へ閃絡が発生しやすくなり、真空ＶＴの耐電圧が低下する。

図２（ｂ）は、本発明の実施形態に係る真空ＶＴ１の内部１次電極の一例（内部１次電極８ｃ）を示す図である。図２（ｂ）に示すように、内部１次電極８ｃの端部の形状は、曲面状（断面円弧状）に形成される。このように、内部１次電極８ｃの端部を曲率を有するように形成することで、内部１次電極８ｃの先端部分での電界集中が緩和される。つまり、内部１次電極８ｃの先端部分において、電界の間隔が図２（ａ）で示した内部１次電極１６の場合より広くなっている。その結果、内部１次電極８ｃから内部２次電極１７ａ，１７ｂや２次側端板１１への閃絡を抑制することができる。

図２（ｃ）は、本発明の実施形態に係る真空ＶＴ１の内部１次電極の一例（内部１次電極８ｄ）を示す図である。図２（ｃ）に示すように、内部１次電極８ｄは、太く形成される（例えば、最外周に設けられる内部２次電極よりも太く形成される）。このように、内部１次電極８ｄを太くすることで、電極の形状を電界集中が緩和される形状に加工することが容易となる。また、内部１次電極８ｄの先端部の曲率半径を内部１次電極８ｃよりも大きくとることが可能となり、内部１次電極８ｄの先端部分での電界集中をさらに緩和することができる。その結果、内部１次電極８ｄから内部２次電極１７ａ，１７ｂや２次側端板１１への閃絡を抑制することができる。

図２（ｄ）は、本発明の実施形態に係る真空ＶＴ１の内部１次電極及び内部２次電極の一例（内部１次電極８ｄ及び内部２次電極１１ａ，１１ｂ）を示す図である。図２（ｄ）に示すように、内部１次電極８ｄに対向して設けられる１対の内部２次電極１１ａ，１１ｂは、その電極間距離が内部１次電極８ｄの端部付近で広くなるように形成される。このように、内部２次電極１１ａ，１１ｂの形状を、内部１次電極８ｄの端部が設けられる空間が広くなるように形成することで、内部１次電極８ｄの先端部分での電界集中が緩和される。その結果、内部１次電極８ｄから内部２次電極１１ａ，１１ｂや２次側端板１１への閃絡を抑制することができる。

図２（ｅ）は、本発明の実施形態に係る真空ＶＴ１の内部１次電極８ａ及び内部２次電極１１ａ，１１ｂの拡大断面図である。図２（ｅ）に示すように、内部１次電極８ａの端部は曲率を有するように形成され、さらに内部１次電極８ａの端部に括れ部８ｅが形成される。このように内部１次電極８ａの端部に括れ部８ｅを形成することで、内部１次電極８ａの先端部分での電界集中をさらに緩和することができる。この括れ部８ｅの形状は特に限定されるものではなく、図２（ｅ）のように、断面略矩形の括れ部８ｅを形成する形態や、括れ部８ｅが内部１次電極８ａの端部の曲率の延長線上に形成される形態であってもよい。なお、括れ部８ｅは、内部１次電極８ａの端部近傍であって、内部２次電極１１ａ，１１ｂのいずれかと対向する面または内部２次電極１１ａ，１１ｂと対向する面の両側に形成することで、内部１次電極８ａの端部における電界集中を緩和することができる。

次に、図３（ａ）〜（ｄ）を参照して、１次側絶縁筒２近傍に設けられる内部１次電極８ａ（または内部１次電極１６）及び内部２次電極１１ａ（または内部２次電極１７ａ，１１ｃ）の形状について詳細に説明する。

図３（ａ）は、従来技術に係る内部１次電極１６及び内部２次電極１７ａの拡大断面図である。図３（ａ）に示すように、金属被覆部２ａの端部と内部１次電極１６の側面とが対向して設けられる場合、内部１次電極１６と対向する金属被覆部２ａ部分が尖鋭であるため、金属被覆部２ａと内部１次電極１６との間で閃絡が発生するおそれがある。

そこで、図３（ｂ）のように、内部１次電極１６と比較して金属被覆部２ａとの電位差が非常に低い内部２次電極１１ｃを、内部１次電極１６と金属被覆部２ａとの間に介在させる。このように内部１次電極１６と金属被覆部２ａとの間に内部２次電極１１ｃを設けることで、金属被覆部２ａが内部２次電極１１ｃで保護され、金属被覆部２ａへの閃絡が防止される。しかし、この場合においても、内部２次電極１１ｃと内部１次電極１６間の電界により生じ、１次側絶縁筒２を通過する電界は、内部２次電極１１ｃ端部付近に集中してしまうおそれがある。

電界分布が１次側絶縁筒２を均等に通過するようになっていない場合、１次側絶縁筒２付近の内部２次電極１１ｃ先端部や金属被覆部２ｂ（１次側絶縁筒２の１次側端板８側の端部）などに電界集中が起こるおそれがある。

図３（ｃ）は、本発明の実施形態に係る真空ＶＴ１の内部１次電極及び内部２次電極の一例（内部１次電極８ａ及び内部２次電極１１ｃ）を示す図である。図３（ｃ）に示すように、１次側絶縁筒２と対向する内部１次電極８ａの電極面に、内部２次電極１１ｃの端部と対向する部分付近から１次側端板８側にかけて溝部８ｆを形成する。このように、内部１次電極８ａの側面であって、１次側絶縁筒２と対向する面に溝部８ｆを形成することで、内部２次電極１１ｃと内部１次電極８ａ間の電界により生じ、１次側絶縁筒２を通過する電界の分布をより均等にすることができる。なお、溝部８ｆの２次側端板１１側の壁面を、内部２次電極１１ｃと対向する面から１次側端板８側にかけて、内部１次電極８の側面と１次側絶縁筒２の内周面との距離が徐々に遠くなるように曲面状に形成することで１次側絶縁筒２を通過する電界の分布をより均等にすることができる。

図３（ｄ）は、本発明の実施形態に係る内部１次電極８ａと内部２次電極１１ａの拡大断面図である。図３（ｄ）に示すように、内部２次電極１１ａの端部であって、内部１次電極８ａと対向する面に括れ部１１ｄが形成される。このように、内部２次電極１１ａの端部に括れ部１１ｄを形成することで、内部２次電極１１ａ先端の電界集中を緩和させることができ、内部２次電極１１ａと内部１次電極８ａ間の電界により生じ、１次側絶縁筒２を通過する電界の分布をより均等にすることができる。

以上のように、本発明の真空ＶＴによれば、１次側コンデンサを形成する電極端部における電界集中を緩和することができる。また、本発明の真空ＶＴによれば、１次側絶縁筒を通過する電界分布を均等化することができる。その結果、真空ＶＴの耐電圧を向上させることができる。

なお、本発明の真空ＶＴについて具体的な実施形態を示して詳細に説明したが、本発明の真空ＶＴは、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を損なわない範囲で適宜設計変更が可能であり、そのように変更された形態も本発明の技術範囲に属する。

例えば、本発明の真空ＶＴは、１次側コンデンサを形成する電極の形状に係る発明であるので、真空ＶＴの構成は、実施形態に限定されるものではなく、引用文献１の真空ＶＴの１次側コンデンサに適用しても同様の効果を得ることができる。

また、図２（ｂ）〜（ｅ）、図３（ｂ）〜（ｄ）を参照して説明した内部１次電極または内部２次電極の形状は、個々の形状がそれぞれ電界集中を緩和する効果を有するので、それぞれの電極形状を個々に用いて真空ＶＴを構成しても、各電極の形状を組み合わせて真空ＶＴを構成しても電界集中を緩和することができ、真空ＶＴの耐電圧を向上させることができる。

また、１次側コンデンサを形成する内部１次電極や内部２次電極の数は、真空ＶＴを構成するために必要な静電容量を得ることができるように適宜必要な数を設ければよい。例えば、図４に示すように、２つの内部１次電極８ａ，８ｇ、３つの内部２次電極１１ａ，１１ｂ，１１ｅを設けて真空ＶＴ１８を構成することもできる。この場合、内部１次電極８ａの端部（または、内部１次電極８ｇの端部）が設けられる空間が広くなるように、内部２次電極１１ａ，１１ｅの２次側端板１１との接続部近傍の電極間距離（または、内部２次電極１１ｅ，１１ｂの２次側端板１１との接続部近傍の電極間距離）が広く形成される。同様に、内部２次電極１１ｅの端部が設けられる空間が広くなるように、内部１次電極８ａ，８ｇの１次側端板８との接続部近傍の電極間距離が広く形成される。したがって、内部１次電極８ｇの電極の厚さは、１次側端板８との接続部近傍で薄くなる。同様に、内部２次電極１１ｅの電極の厚さは、２次側端板１１との接続部近傍で薄くなる。なお、真空ＶＴ１８の最外周に設けられる内部２次電極１１ａの形状と、最内周に設けられる内部２次電極１１ｂの形状は、実施形態に係る真空ＶＴ１と同じ形状である。

１，１８…真空コンデンサ形計器用変圧器（真空ＶＴ）
２…１次側絶縁筒（絶縁筒）
２ａ，２ｂ…金属被覆部
３，１３ａ，１３ｂ…円筒部
４…接地円筒部（導体筒）
５…外筐
６…１次側コンデンサ（主コンデンサ）
７…２次側ケース
８…１次側端板
８ａ，８ｃ，８ｄ，８ｇ…内部１次電極、８ｂ…接続導体、８ｅ…括れ部、８ｆ…溝部
９…接地側端板
１０…２次側絶縁筒
１１…２次側端板
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ…内部２次電極、１１ｄ…括れ部
１２…真空部
１４…モールド部
１５…金属皮膜
１６…内部１次電極
１７ａ，１７ｂ…内部２次電極

Claims

絶縁筒と導体筒を接合して形成される筒状の外筐と、
前記絶縁筒の開放端を閉塞して設けられる１次側端板と、
前記１次側端板面から前記外筐内に立設される内部１次電極と、
前記１次側端板の内部１次電極が設けられる面と対向して前記外筐内に設けられる２次側端板と、
前記２次側端板面から前記１次側端板方向に立設される内部２次電極と、
を有し、前記内部１次電極と前記内部２次電極を対向配置して主コンデンサを形成し、当該主コンデンサが形成される空間を真空とした真空コンデンサ形計器用変圧器であって、
前記外筐に最も近接して設けられる内部２次電極を、前記外筐に最も近接して設けられる内部１次電極よりも前記外筐に近接して設け、
前記絶縁筒を、前記外筐に最も近接して設けられる内部１次電極の側面と前記外筐に最も近接して設けられる内部２次電極の側面と各々対向するように設け、
前記絶縁筒と対向する内部１次電極の電極面に溝部を形成し、
前記内部１次電極及び前記内部２次電極の少なくとも一方の端部を曲面状に形成する
ことを特徴とする真空コンデンサ形計器用変圧器。
前記内部１次電極と対向して設けられる１対の内部２次電極の電極間距離を、前記内部１次電極端部付近で広くする
ことを特徴とする請求項１に記載の真空コンデンサ形計器用変圧器。
前記内部２次電極と対向して設けられる１対の内部１次電極の電極間距離を、前記内部２次電極端部付近で広くする
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の真空コンデンサ形計器用変圧器。
前記内部２次電極と対向する前記内部１次電極の端部に括れ部を形成する
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の真空コンデンサ形計器用変圧器。
前記内部１次電極と対向する前記内部２次電極の端部に括れ部を形成する
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の真空コンデンサ形計器用変圧器。