JP6453899B2

JP6453899B2 - ガス絶縁開閉装置のための電力ケーブル終端デバイス

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Publication number: JP6453899B2
Application number: JP2016551747A
Authority: JP
Inventors: フレードリクフェルテ，; マルクスサルツァー，; クリスティアンソーンハーグ，; トマスアールバリ，; リーヌスアドルフセン，; アンデシュリンドグレーン，
Original assignee: エヌケーティーエイチブイケーブルズゲーエムべーハー
Priority date: 2014-02-19
Filing date: 2014-02-19
Publication date: 2019-01-16
Anticipated expiration: 2034-02-19
Also published as: EP3108551A1; US20170093143A1; USRE48918E1; WO2015124180A1; CA2940072C; KR101906134B1; CN106030947A; AU2014383641B2; EP3108551B1; JP2017506495A; CN106030947B; KR20160124195A; CA2940072A1; US9912140B2; AU2014383641A1

Description

本明細書で開示される技術は、一般に、電力ケーブル終端の分野に関し、より詳細には、高電圧ガス絶縁開閉装置のケーブル終端に関する。

高電圧直流（ＨＶＤＣ）技術は、将来の配電網において重要な役割を果たすことが予想され得る。ＨＶＤＣ技術が成熟しつつあり、かつ設置されたＤＣリンクの数が増加すると、改良されたＤＣ開閉装置に対する必要性および需要が生ずる可能性が高い。ガス絶縁開閉装置（ＧＩＳ）は、より従来形の屋外開閉装置設備と比較してはるかに低減された物理的な寸法を有し、特にＧＩＳは、従来形の開閉装置設備と比較して高められた安全性も有するので、このような改良されたＤＣ開閉装置に対する潜在的な候補として関心を集める可能性が高い。

ＧＩＳシステムに電力ケーブルを接続するためには、ＧＩＳケーブル終端が必要である。交流（ＡＣ）の場合、このような終端は、広範囲な電圧レベルで利用可能である。それとは対照的に、ＤＣの場合、このような高電圧のＧＩＳケーブル終端で利用できるものはない。ＧＩＳシステムの制約された寸法は、特に、ＤＣに特有な電気的現象を考慮すると、頑強なＧＩＳケーブル終端の実現を困難にする。ＡＣで使用する場合のケーブル終端と比較して、ＤＣで使用する場合のケーブル終端は、より困難な電界に直面し、したがって、これらのケーブル終端は、ＤＣ電界をうまく処理できることを考慮して設計する必要がある。さらに、例えば、より高温を生ずる高電流から生ずる熱的問題を処理できるＤＣソリューションを必要とするなど、ＤＣケーブルシステムに対する送信電力を増加させることは、概して困難である。より高い電圧はまた、ケーブル終端部をより高い電界に曝すことを伴い、それは、材料破壊の危険を劇的に増加させる。

ケーブル終端を設計する場合、絶縁および機械的な性能もまた重要であり、様々な重要な位置で、電界を注意深く制御する必要がある。

現在利用可能なＤＣケーブル終端は、空中に自立しており、低電圧では、固体／ゴム材料を、または増加した電圧では、液で満たされた／磁器の絶縁器を備える。自立しているＤＣ終端は、空気中における長いフラッシュオーバ距離に起因して大きな専有面積を必要とする。

図１は、ＨＶＤＣで利用するためのＧＩＳ終端デバイスを開発する際に含まれる障害をさらに述べるために提供される。図１は、非常に簡単化した図であり、前述の困難な電界を例示するために提供される。通常接地されたハウジングを有するＧＩＳシステムは、従来の開閉装置システムよりもはるかに小さく作ることもできる。図１では、最も左の部分は、ＧＩＳチャンバ内に生成された電界に対する等電位線を示し、また最も右の部分は、従来の終端デバイス内で生成された電界に対する等電位線を示している。まず最も右の部分を見ると、従来の終端デバイスでは、終端デバイスの上側部分（高電圧）と、下側部分（接地されている）との間に電位差があり、したがって、図示された等電位線となる。それとは対照的に、ＧＩＳチャンバのハウジングは接地されている、すなわち、電位差がないので、この場合には図示された等電位線になる（図１の最も左の部分を参照のこと）。前に言及した困難な電界は、したがって、例えば、等電位線がおおよそ平行に、かつ共に接近して保たれているので、等電位線が分離している、すなわち、電界が減少している従来の終端デバイスに対するよりも、電界がはるかに高いという困難さを含む。ＧＩＳに対するケーブル終端デバイスを設計する場合、これは、例えば、破壊を生ずる絶縁媒体（例えば、ガス）における電界の増加を回避することを考慮するなど、処理する必要がある。

したがって、ＨＶＤＣＧＩＳケーブル終端を開発する際には、含まれるいくつかの障害もしくは問題がある。まず、例えば、図１に関して述べた上記の問題など、電気的な障害がある。さらに、電力ケーブルの外側スクリーン（半導体縁部としても示される）の終端部において、通常、高電界が、様々な位置で、例えば、固体材料では、異なる材料および構成要素間の界面に沿った位置で、３つの構成要素もしくは層が互いに界接する位置（このような位置は、三重点としても知られている）で、また電力ケーブルの導体を囲む絶縁材料でなど、様々な位置で見られるが、さらにケーブル終端内の、例えば、油もしくはガスなどの絶縁媒体に増加した電界が存在する。

さらにＤＣ用途では、異なる材料および構成要素間のこれらの界面で生じた電荷が重要な問題であり、電界は、上記で述べた位置など、様々な重要な位置では特に、注意深く制御される必要がある。

第２に、熱的な障害がある。ＧＩＳケーブル終端の制約された幾何形状は、局所的な加熱を高めるおそれがあり、それは次いで、電力ケーブルの熱的破壊を生ずるおそれがある。

第３に、機械的な障害がある。ＧＩＳシステムとＧＩＳケーブル終端の間の機械的な接続は、様々な動作温度で良好な電気的接触を提供できる必要がある。さらに、それは、取り扱いに十分耐え、かつ影響を受けやすい部品に対して機械的な支持を提供するのに十分頑丈である必要がある。さらになお、終端は、様々なコンパートメントの間で、かつ気圧に対しても適切に圧力封止される必要がある。

本開示の目的は、上記で述べた問題の少なくとも１つを解決する、または少なくとも軽減することである。

本目的は、第１の態様に従って、高電圧直流ガス絶縁開閉装置のための電力ケーブル終端デバイスにより達成される。電力ケーブル終端デバイスは、導電性材料の外側ハウジングを備える。外側ハウジングは、第１の端部で、高電圧直流ガス絶縁開閉装置に固定接続可能である。電力ケーブル終端デバイスは、電力ケーブルの終端部分であって、電力ケーブルが、電気導体、電気導体を円周方向に囲む電気絶縁層、ならびに絶縁層および電気導体を円周方向に囲む導電性シールドを備え、導電性シールドが、電力ケーブルの第１の部分に沿って剥がされる、電力ケーブルの終端部分と、電界グレーディングシステムであって、電気絶縁層の少なくとも一部に沿って軸方向に延びるように、かつ導電性シールドが終端される導電性シールドの縁部を覆うように、電力ケーブルの周りで円周方向に配置された、導電性シールドと電気的な接触をする抵抗性電界グレーディング材料層を備える電界グレーディングシステムとを備える。電力ケーブル終端デバイスは、ガス絶縁開閉装置に接続可能であり、かつガス絶縁開閉装置に対する機械的支持および電気な接触を提供するように構成された接続デバイスをさらに備える。

提供される電力ケーブル終端は、ＨＶＤＣケーブルをＤＣＧＩＳシステムの内側で直接終端できるようにする。このようなＧＩＳシステムで生ずるＤＣ特有の現象を処理するように適合された電界グレーディングシステムを提供することにより、ＨＶＤＣＧＩＳケーブル終端の提供に関連する電気的な障害は克服される。電力ケーブル終端は、サイズを低減する一般的な希望をなお満たしながら、ＤＣ特有の要件を処理することができる。

実施形態では、電界グレーディングシステムは、抵抗性電界グレーディング材料層を、少なくともその一部に沿って円周方向に囲むように配置された電界制御部材を備え、電界制御部材が、電力ケーブルの長さに沿った電界を制御するように構成される。

上記の実施形態の変形形態では、電界制御部材は、抵抗性電界グレーディング材料を含む。

上記の実施形態の変形形態では、電界制御部材の抵抗性電界グレーディング材料、および抵抗性電界グレーディング材料層の抵抗性電界グレーディング材料は、非線形の抵抗性電界グレーディング材料である。抵抗性電界グレーディング材料層、および電界制御部材は、単一のデバイスとして製作することができ、費用効果の高い解決策を提供し、かつ抵抗性電界グレーディング材料層と電界制御部材との間の電気的な界面を回避する。抵抗性電界グレーディング材料層と電界制御部材の抵抗性電界グレーディング材料は、それぞれ、同じ電気特性を有する、すなわち、同じ電界グレーディング材料を含むように選択され得る。他の実施形態では、抵抗性電界グレーディング材料層と電界制御部材の抵抗性電界グレーディング材料は、それぞれ、異なる電気特性を有するように選択され得る。

実施形態では、電力ケーブル終端デバイスは、電気絶縁材料から作られ、またその第１の端部で、接続デバイスに固定され、かつその第２の端部で、外側ハウジングの電力ケーブル受入部分に固定される内殻を備える。内殻は、取付け中に、また動作中に機械的な支持を提供し、さらに使用される異なる絶縁媒体、すなわち、電力ケーブルに最も近い第１の媒体、および内殻の外側の他の媒体など、異なる絶縁媒体の使用を可能にする。

上記の実施形態の変形形態では、内殻は、その第１の端部で、第１の金属板を介して接続デバイスに固定され、また内殻は、その第２の端部で、第２の金属板を介して外側ハウジングに固定される。このような実施形態は、同じ内殻が、様々な用途で使用され得るという点で、コスト低減を達成する。

上記の実施形態の変形形態では、第１の金属板および第２の金属板は、いくつかの穴を備え、絶縁媒体は、その穴を通過することができる。この実施形態は、絶縁媒体の循環を増加し、電力ケーブルの冷却を向上させることができる。

実施形態では、内殻はいくつかの穴を備える。それにより、絶縁媒体のさらなる循環の向上が可能になる。

実施形態では、抵抗性電界グレーディング材料層は、非線形の抵抗性電界グレーディング材料から作られる。非線形の抵抗性電界グレーディング材料は、ＨＶＤＣＧＩＳで生成される変動するストレスに適応し、かつ電界が高くなる場所で導電率が増加する点で、動的である、すなわち、導電率は電界の関数である。それにより、ＤＣ特有の電気的な障害は処理される。

実施形態では、電界グレーディングシステムは、電力ケーブルを円周方向に囲んで外側ハウジングの第２の端部に固定され、かつ抵抗性電界グレーディング材料層から距離を置いて配置される導電性電極を備える。導電性電極は、幾何的な電界制御を提供し、また導電性シールドが切断される縁部で生成される電界増強が回避される、または少なくとも軽減される。

実施形態では、ハウジングは、使用時に接地される接地手段を備える。これは典型的な使用例である。

本目的は、第２の態様に従って、上記のように、高電圧直流ガス絶縁開閉装置および電力ケーブル終端部を備える高電圧直流ガス絶縁開閉装置システムにより達成される。

本開示のさらなる特徴および利点は、以下の記述および添付の図面を読めば明らかになろう。

本開示の実施形態によるケーブル終端を示す図である。本開示の実施形態によるケーブル終端を示す図である。本開示の実施形態によるケーブル終端を示す図である。本開示の実施形態によるケーブル終端を示す図である。本開示の実施形態によるケーブル終端を示す図である。本開示の実施形態によるケーブル終端を示す図である。電力ケーブル終端部を様々な見方で示す図である。電力ケーブル終端部を様々な見方で示す図である。ストレスコーンを示す図である。

以下の説明では、限定ではなく説明のために十分な理解が得られるように、特定の材料、インターフェース、技法などの特有の細部が述べられる。その一方で、周知のデバイス、回路、方法については、不必要な細部で本記述が曖昧にならないように、詳細は除外される。本記述の全体を通して、同じ参照数字は、同様の要素を指す。

簡潔にいうと、本開示は、ＧＩＳに対するＨＶＤＣケーブル終端を様々な態様で提供するものである。

図２は、本開示の実施形態によるケーブル終端を示す。電力ケーブル１０は、ガス絶縁開閉装置１に接続される。電力ケーブル１０は、図８Ａおよび図８Ｂを参照して述べられる電力ケーブルなどのケーブルとすることができる。図２では、このようなガス絶縁開閉装置（ＧＩＳ）１の一部が示されている。ＧＩＳ１は、例えば、スイッチ、バスバー、変圧器など（図示せず）を備える従来の開閉装置設備とすることができる。

ＧＩＳ終端チャンバ３（ここでは、電力ケーブル終端デバイス３としても示される）は、ＧＩＳ１に接続可能である。ＧＩＳ終端チャンバ３は、ＧＩＳ１に固定されるハウジングを備え、以下では外殻４と呼ぶ。外殻４は、電界グレーディングシステム１１を機械的に支持するとともに、外殻４の外側の大気から分離させる。外殻４は、例えば、導電性ある材料から作られた、導電性ハウジングを備える。外殻４は、典型的な用途例では、使用時に接地される手段を備えることができる。

ＧＩＳシステム２は、本開示において、ＧＩＳ１およびＧＩＳ終端チャンバ３を含むものとする。

ＧＩＳ終端チャンバ３は、外殻４の内部に、電界グレーディングシステム１１と、電界グレーディングシステム１１をＧＩＳ１に接続するための接続デバイス５と、電力ケーブル１０の終端部分とを備える。接続デバイス５は、電気的な接触および機械的な支持を提供する電気的にシールドされた機械的な接続とすることができる。接続デバイス５は、図１に関して述べたように、電界を処理できることを考慮して設計すべきである。接続デバイス５は、例えば、このような電界を処理できるように設計された電界制御デバイスを備えることができる。

接続デバイス５は、電界グレーディングシステム１１が、他の場所で組み立てられ、その後にＧＩＳ終端チャンバ３の中に取り付けられる場合は特に、取付けを容易にすることを考慮して設計され得る。このような設計態様の例は、接続デバイス５が、例えば、ＧＩＳ２に配置された対応する雄コネクタに取り付けられる雌コネクタである、またはその反対に、すなわち、接続デバイスが雄コネクタであり、対応する雌コネクタがＧＩＳ１に配置されることを含む。ガイドピンもしくは同様のものを使用すると、取付けをさらに容易に行うことができる。このような雄コネクタと雌コネクタとの間で電気的な接続を行うために、接続デバイス５に接触ばねを設けることは、ばねの可撓性により確実な電気的接触を可能にし、可撓性は、温度変化により生ずる構成要素の容積の差を補償する。

接続デバイス５は、様々な動作温度で良好な電気的接触を提供することにより、前に述べた機械的な障害の少なくともいくつかを克服する。実施形態では、接続デバイス５の少なくとも第１の（上側）部分は、多少大きな表面積を備えた、例えば、金属などの高い電気伝導率および熱伝導率を有する材料から作られる。金属から作られ、かつ例えば、ガスなどの周囲を囲む冷却媒体に対して大きな表面積を有する第１の部分は、このような冷却を可能にする。

接続デバイス５は、例えば、フィッティングスリーブ、封止スリーブなど、さらなる構成要素を含み得ることに留意されたい。

図８Ａおよび図８Ｂを簡単に参照すると、電力ケーブルの、特にその終端部を示しており、以下に述べる。図８Ａは、電力ケーブル１０を示しており、図８Ｂは、図８Ａの線Ａ−Ａに沿った横断面図であるが、様々な層の相対的な厚さは、実際の電力ケーブルとは異なっている可能性のあることに留意されたい。図８Ｂで示すように、電力ケーブル１０は、少なくとも、例えば、銅から作られる、例えば、いくつかの撚り合わされた導体を含む内側の電気導体１０１と、電気導体１０１を円周方向に囲む電気絶縁層１０３と、電気絶縁層１０３および電気導体１０１を円周方向に囲む導電性シールド１０４（外側半導体）とを含む。導電性シールド１０４は、アースに接続することができ、かつ絶縁層１０３上の誘電ストレスを均一化するように構成され得る。電力ケーブル１０はまた、電気絶縁外被１０５を備える。図８Ｂで示すように、さらなる層も同様に存在し得る。例えば、通常、電気導体１０１と、電気絶縁層１０３との間に内側スクリーン１０２が存在する、すなわち、このような内側スクリーン１０２（内側半導体）は、電気導体１０１を円周方向に囲み、かつ電気絶縁層１０３により円周方向に囲まれる。絶縁層材料の特定の例として、架橋ポリエチレン（ＸＬＰＥ）を挙げることができる。例えば、金属外装の層など、さらに他の層が存在することもあり得る。

電力ケーブル１０を開閉装置に、または一般的に、他の電気的な機器に電気的に接続する場合、電力ケーブル１０は切り離され（終端される）、切り離された端部から、第１の長さにわたり導体１０１を露出するために、すべての層は剥がされる。この第１の長さにわたり、電力ケーブル１０の終端端部は、露出された導体１０１だけとなる。したがって、導体１０１は、電気的な機器に接続することができ、その機器は、本開示では、ガス絶縁開閉装置１の受入端部を備えることができる。さらに電力ケーブル１０は、第１の長さの露出された導体１０１に後続して、第２の長さにわたり、電気絶縁層１０３まで部分的に剥がされる。第２の長さにわたったこの部分的な剥離は、電力ケーブル１０の幾何形状の乱れ（ｄｉｓｒｕｐｔｉｏｎ）、すなわち、第２の長さにわたる露出された電気絶縁層１０３の端部と、導電性シールド１０４（外側半導体）との間の箇所で幾何形状が変化する。この幾何形状の乱れ部では、すなわち（外側）半導体縁部では、十分注意が払われなければ、特に高電界および電界ストレスなどの大幅なストレス集中が生じやすい。導電性シールド１０４（外側半導体）の終端部で、すなわち、導電性シールド１０４が終了し、円周方向縁部（半導体縁部）が形成される部分で、特に高電界および電気的ストレスが存在する。このような電界および電界ストレスを軽減するために、電界グレーディング材料（ＦＧＭ）層７が、電力ケーブル１０の半導体縁部を円周方向に囲むように、すなわち、導電性シールド１０４の縁部を囲むように配置される。これは、効率よく電界分布を制御し、電界ストレスを低減する。図８Ａでは、ＦＧＭ層７は、導電性シールド１０４が剥がされている電力ケーブル１０の部分と、まだシールドされている、すなわち、導電性シールドが存在する電力ケーブル１０の部分との間で縁部（半導体縁部）を覆うものとして示されている。乱れた導電性シールド１０４（半導体縁部）に近接して終了するように示されているが、ＦＧＭ層７は、通常、電気絶縁層１０３を、その軸方向長さ全体に沿って覆うように構成することができる。

図２に戻ると、この実施形態では、電界グレーディングシステム１１が、内殻６の内部に取り付けられる。電界グレーディングシステム１１は、ＨＶＤＣＧＩＳケーブル終端に生ずる電気的な障害を処理するように構成されるものであって、電界グレーディング材料（ＦＧＭ）層７である、少なくとも抵抗性電界グレーディング層を備える（図８Ａと比較のこと）。ＦＧＭは、電界に応じて抵抗を変化させる非線形の抵抗性ＦＧＭであることが好ましい。かくして、本開示は、ＨＶＤＣＧＩＳに対してケーブル終端を実施する際に生ずる電気的な障害を処理するための解決策を提供する。非線形の抵抗性ＦＧＭは、ＤＣ用途（特にＨＶＤＣＧＩＳ用途）で生成された変動するストレスに適合する、動的な電気的ストレスグレーディングシステムと考えることができる。また抵抗性の非線形電界グレーディング材料は、受けた電界ストレスに対して導電率を非線形的に適合させることにより、電圧インパルス形状に対して動的に応ずることができる。後で詳述するが、電界制御部材８は、この種のインパルス（すなわち、ＦＧＭ応答が不十分になる高速インパルス）を処理することができる。一方、ＦＧＭ層７は、低速のインパルス電圧を処理するのに設けられる。非線形の抵抗性材料は、導電率が電界の高くなる場所では増加し、導電率が電界に依存する点で動的である。

前に述べたように、ＦＧＭ層７は、半導体縁部を覆うように構成される（図８Ａの導電性シールド１０４の縁部を覆うＦＧＭ層７と比較のこと）。すなわち、ＦＧＭ層７は、電力ケーブル１０の導電性シールド（図８Ｂの参照数字１０４と比較のこと）の周囲に、かつ導電性シールド１０４と電気的な接触をするように配置される。ＦＧＭ層７は、それにより、上部接続部に対する高電圧をアースに接続し、導電性シールド１０４は接地される。いくつかの実施形態では、ＦＧＭ層７は、その一定の軸方向長さに沿って導電性シールドの周りに配置されるが、上部接続部までのすべてにわたるものではではないことに留意されたい。ＦＧＭ層７は、その長さに沿ってその厚さを変化させることにより、かつ／または特定の用途の予想される電界ストレスを満たすために、ＦＧＭが望ましい電気伝導率を有するように適合させることにより、間近の特定の用途を考慮するように適合され得る。ＦＧＭは、様々な方法で特徴付けることができる。非線形ＦＧＭの導電率は、電界に依存し、かつ大きく変化する、特に他の材料よりもはるかに大きく変化する。ＦＧＭは、低い導電率値から高い導電率値まで強力に増加することができる、すなわち、高い絶縁性（高抵抗）のある状態から、高い伝導性（低抵抗）のある状態まで変化する、電界に依存する導電率を有する。特定の非限定的な例として、ＦＧＭは、低い電界に曝された場合、メートル当たり１０^−１６または１０^−１４ジーメンス（Ｓ／ｍ）の範囲の導電率を有することができ、高電界に曝された場合には、１０^−３Ｓ／ｍまたは０．１Ｓ／ｍの範囲の導電率を有するように変化することができる。ＦＧＭは、例えば、ＳｉＣおよび／またはＺｎＯおよび／またはカーボンブラックが充填されたポリマーを含むことができ、またＦＧＭの特性は、一定の導電率を含むように設計することができる。ＦＧＭはまた、例えば、充填材を選択することにより、およびそれに応じて選択された充填剤の濃度を選択することにより、何らかの容量性電界グレーディングを取得することを考慮して設定された誘電率（誘電定数としても示される）を有するように設計することができる。

電界グレーディングシステム１１は、ストレスコーンとも呼ばれる電界制御部材８をさらに備えることができる。ストレスコーン８は、例えば、図２で概略的に示されるように、ＦＧＭ層７を囲むように配置される。ストレスコーン８は、ストレスコーン８を、部分的に断面を含む側面図で示した図９でより詳細に示される。ストレスコーン８は、幾何学的な、抵抗性の、および／または容量性の電界制御を提供するように構成され、例えば、導電性の、または半導電性のゴムと組み合わされた絶縁性もしくはストレスグレーディングゴムを備える。参照数字８ｂで示した、ストレスコーンの導電性または半導電性のゴム部分は、その第１の端部に円筒の形状を有し、この端部に沿って電力ケーブル１０の周りに、特にＦＧＭ層７を囲んで配置することができる。半導電性のゴム部分８ｂは、その第２の端部で、円筒の形から逸脱し、それに代えて、絶縁ゴム部分の表面に従うことができる。参照数字８ａで示されるストレスコーン８の絶縁ゴム部分８ａは、間近の用途に対して適合された、例えば、基本的に円錐形状の形態を有することができる。

電界グレーディングシステム１１は、ＦＧＭ層７から一定の距離だけ離れて配置された金属製の、または導電性の電極９をさらに備えることができる。導電性電極９は、外側ハウジングに、特に電力ケーブル受入端部（図では、下側端部として示される）に固定することができる。導電性電極９は電力ケーブルを円周方向に囲むように配置され、かつ抵抗性電界グレーディング材料層７から距離を置いて配置され得る。導電性電極は、例えば、電力ケーブルに、または外側ハウジングの（垂直な）壁に固定されるなど、外側ハウジング内のいずれかに固定できることに留意されたい。ストレスコーン８と導電性電極９を共に備える実施形態では、これらのデバイスの間にも同様に距離が存在する、すなわち、導電性電極９はまた、ストレスコーン８からある距離だけ離れて配置される。

電極９は、シールド電極とも呼ばれ、幾何的な電界制御を提供し、さらにシールド電極９を、ＦＧＭ層７からある距離（例えば、数センチ、特定の例として、約５〜１０ｃｍを挙げることができる）だけ離して配置することにより、三重点における電界増強が回避される。最も危険な三重点は半導体縁部で生成される、すなわち、ＦＧＭ層７／導電性シールドを有する電力ケーブルの部分／導電性シールドのない電力ケーブルの部分（すなわち、ケーブル絶縁層）、およびＦＧＭ層７／ストレスコーン８の半導電性ゴム／ストレスコーン８の絶縁性材料である。さらなる三重点も同様に存在することに留意されたい。ＦＧＭ層７とシールド電極との間の間隙が、図２で参照数字１２により示される。

上記で述べたＦＧＭ層７、ならびに任意選択でストレスコーン８および／または導電性電極９を備える電界グレーディングシステム１１は、ＨＶＤＣＧＩＳケーブル終端を開発する際に含まれる前に示された電気的な障害の１つまたは複数のものを克服するように設計される。高い電界は、間近の用途を考慮し適合され得るＦＧＭ層７により、例えば、その厚さを適合させることにより、大きく低減される。ＦＧＭ層７は、電界の抵抗性電界グレーディングを提供し、またＦＧＭの電気特性は、電界が材料内で分散され、かつ大きな領域にわたって広がり、それにより、電気的ストレスが大幅に低減されるように選択することができる。非線形ＦＧＭは、増加する電界と共に減少する非線形の電気抵抗を示す。通常、半導体縁部に近づくほど、電界はＦＧＭ層７で高くなる。非線形のＦＧＭ層７を使用することにより、ＦＧＭ層７に沿った電圧低下は、ＦＧＭ層７における電気抵抗が、増加する電界と共に減少することになるので、軸方向に、一様に分散されることになる。３つの構成要素もしくは層が互いに界接する場所（このような場所は、三重点としても知られている）で、かつ電力ケーブルの導体を囲む絶縁材料で、異なる材料および構成要素の間の界面に沿った、固体材料で見られる半導体縁部の高い電界は、それにより処理される。

図２をさらに参照すると、ＧＩＳ終端チャンバ３は、様々な実施形態で、前に述べた内殻６をさらに備える。内殻６は、取り付けられ、使用されるとき、高電圧およびアースをと直接接触しており、したがって、例えば、複合絶縁体（ｉｓｏｌａｎｔ）などの電気絶縁材料から作られる。内殻６は、その低重量による複合絶縁物であることが好ましいが、例えば、磁器などの、他の材料を使用できることに留意されたい。内殻６は、取付けおよび動作中に、機械的な支持を提供するように構成される。特に、電界グレーディングシステム１１は、前に述べたように、他の場所で組み立てられ、その後にＧＩＳ終端チャンバ３に取り付けることができ、また内殻６は、このような取付け中に機械的な支持を提供し、それによりさらに取付けが容易になる。

内殻６は、電界グレーディングシステム１１と、外殻４の間の圧力障壁としてさらに働く。内殻６は、それにより、内殻６の内部、および内殻６の外側と外殻４の内側の間の容積内で異なる絶縁媒体を、さらに異なる圧力で使用できるようにする。内殻６は、例えば、内殻６の厚さをこのような圧力差を処理するように適合させることにより、このような圧力差を処理することを考慮して設計することができる。

外殻４および内殻６により生成された各容積（またはチャンバ）は互いに、また同様にＧＩＳ１からも気密封止することができ、内殻６内の絶縁媒体、および上記で述べた容積中の絶縁媒体は、したがって、独立して選択することができる。実用的には、外殻４は、ＧＩＳ１と同じ絶縁媒体で満たすことができ、ＳＦ_６（六フッ化硫黄）ガスが、その高い絶縁強度、低重量、および処理が容易であることにより使用されることが好ましい。間近の用途に依存するが、内殻６の（すなわち、上記で述べた容積内の）絶縁媒体は、内殻６の外側の絶縁媒体とは異なることができる。本開示の様々な実施形態によるＧＩＳ終端チャンバは、したがって、油もしくはガスと共に使用するように容易に適合できる点で有利である。内殻６の絶縁媒体は、例えば、ＳＦ_６または油とすることができる。油は、良好な温度特性を有し、かつＳＦ_６よりも高度に熱を伝えることができる。

内殻６はまた、電力ケーブル１０を中心化し、かつ延びた状態に保つように構成される。

内殻６は、接続デバイス５に固定される、すなわち、機械的に接続される第１の端部（図２では、その最上端）で第１の直径を有し、また例えば、電力ケーブル１０に対する入り口部分で外殻４に接続される内殻６の第２の端部（図２では、その下端）で第２の直径を有する特に切断された円錐形状を有する、円錐形の形態を有することができる。第１の直径は、したがって、第２の直径より小さくすることができる。内殻６は、その第１の端部（図２では、その上端）で接続デバイス５に固定され、かつ反対の端部、すなわち、その第２の端部（図２では、その下端）で、外殻４に、特に電力ケーブル受入部分に、すなわち、電力ケーブルが外殻４に入る部分に固定することができる。しかし他の実施形態では、内殻６は、金属板上に配置される、特にその第１の端部では、参照数字１３で示される第１の金属板（図では、上端）に固定され、その第２の端部では、参照数字１４で示される第２の金属板（図では、下端）に固定される。第１の（上側の）金属板１３は、次いで接続デバイス５に固定され、また第２の（下側の）金属板１４は、電力ケーブル１０が外殻４に入る外殻４の部分に固定される。このような実施形態は、以下で述べる異なる実施形態に対して、同じ内殻６の使用を可能にし、金属板１３、１４を、異なる実施形態に適合させる必要があるだけである。内殻６が、円錐形をした形態を有するものとして述べられ、かつ示されているが、例えば、円筒形状をした内殻など、他の形態も可能である。内殻６は、切断された円錐の形状を有する場合、上記で述べたものとは反対に配置され得ることにも留意されたい。すなわち、第２の直径を、第１の直径よりも小さくすることもできる。

さらなる態様では、内殻６は、それに応じて内殻を設計することにより、熱的問題ならびに電気的問題を処理するように適合することができる。特に、円錐もしくは切断された円錐の形状を有する場合、内殻の角度は、「ホットスポット」（すなわち、増加した温度内の容積／領域）を回避するために変えることができる、ここで角度は、内殻の壁と垂直線との間の角度を指す。したがって、内殻の上側の第１の部分と下側の第２の部分の半径（／直径）は、電力ケーブル１０の端部が、大きく冷却されて、「ホットスポット」が回避されるように、熱対流を改善させることを考慮して、増加させる、または減少させることができる。直径のこの選択は、電力ケーブル１０と内殻６の間の角度を増加させる、または減少させことに対応しており、鋭角は、通常、ホットスポットが生成される危険を増加させる。

他の態様では、内殻６の設計は、電気破壊を考慮して適合され得る。特に内殻６は、異なる媒体が接する２つの界面を提供する、すなわちガスと、内殻６の外側との間の界面、および内殻６の内側とガスの間の界面である。これらの両方の界面で界面破壊の危険があり、その破壊の危険は、この種の破壊を生ずる電界の部分を最小化するために、内殻の前述の角度および／または形状を適合させることにより低減することができる。

図３は本開示の実施形態を示す。この実施形態では、内殻６は気密封止され、油で満たされる。油は、電力ケーブル１０をＳＦ_６よりも効率的に冷却し、また電力ケーブル１０は、高電流を供給するとき実質的に加熱され得るので、この実施形態は、温度制御が重要である用途で有利である。

図４は本開示の実施形態を示す。この実施形態では、内殻６は、ＳＦ_６で、または他のガスで満たされる。ガスは、内殻６内の空間と、内殻６外の空間（すなわち、内殻６と外殻４の間）との間で循環することができる。このようなガス循環は、穴を備えた内殻６を設計することにより達成することができる。他の実施形態では、内殻６は穴を有しておらず、ガスはそれに代えて、穴を備えた、前述の上側金属板１３および下側金属板１４により、内殻６および外殻４を互いに接続することによって循環される。その場合、ガスは、下側金属板１４の穴を通って内殻６内の空間に流入し、かつ上側金属板１３の穴を通って同じ空間から出る。図４の矢印は、後者の実施形態によるガスの流れを示している。電力ケーブル１０に最も近い内殻６内のガスは、内殻６の外側の空間内のガスよりも（高電流で増加した電力ケーブル１０の温度により）大きく加熱される。したがって、ガスの循環は、内殻６内の暖かいガスを内殻の外の大きな空間へと循環させることにより、電力ケーブル１０の良好な冷却を提供するが、内殻の外の空間はまた、低温を有するガスを有し、その低温ガスが内殻６内へと循環する。

ＨＶＤＣＧＩＳケーブル終端を開発する際に含まれる前に示した熱的な障害の１つまたは複数のものは、上記の実施形態により克服される。特に、電力ケーブルの熱的破壊を次に生ずるおそれのある増加した局所的な加熱を回避することができる。

図５は、本開示の実施形態を示す。この実施形態では、ストレスコーン８は、ストレスグレーディング材料から、特にストレスコーン８ａの絶縁性ゴム部分（ストレスコーン８の前の説明および図９を参照のこと）から作られる。ストレスグレーディング材料は、例えば、非線形の抵抗性ＦＧＭとすることができる。ＦＧＭ層７およびストレスコーン８は、したがって、共に非線形の抵抗性ＦＧＭを含むことができる。各ＦＧＭは、同じまたは異なる電気特性を有する、例えば、同じまたは異なる誘電定数を有することができる。ストレスコーン８よりも電力ケーブル１０に近接して配置されるＦＧＭ層７に対しては、ストレスコーン８のＦＧＭよりも高い電気伝導率（低い抵抗率）を有する材料を選択することができる。ＦＧＭ層７およびストレスコーン８は、ＦＧＭから作られた一体化された本体として製作することができる。それにより、１つの電気的界面を除去することができる、すなわち、このようなストレスコーン８は、電界グレーディングシステム１１の電気的に影響を受けやすい部分に形成される三重点を回避する。したがって、ＨＶＤＣＧＩＳケーブル終端を開発する際に含まれる前に示した電気的な障害の１つまたは複数のものはこのような実施形態によっても克服される。特に、ストレスコーン８およびＦＧＭ層７に対して同じ材料を使用することにより、電荷が構成されることに関する障害が回避される。すなわち、同じ材料を使用することは、実際に、従来、異なる材料のものであり、したがって、異なる材料特性を有する構成要素間の１つの電気的な界面、すなわち、ストレスコーン８とＦＧＭ層７の間の界面をなくして、対応する高電界を回避する。

図６は、本開示の実施形態を示す。この実施形態では、シールド電極９（例えば、図２を参照のこと）が除外されている。ＧＩＳ終端チャンバ３の要件、およびＦＧＭ層７の材料特性に応じて、シールド電極９は、前述の実施形態の任意のものから除外することができる。

これまで述べられた実施形態は、内殻６を備え、内殻６は電界グレーディングシステムを備えるものとして示されてきた。内殻６内に電界グレーディングシステム１１を取り付けることは、内殻６が電界グレーディングシステム１１の機械的支持および保護を提供するなどの利点を有する。

図７は、本開示の実施形態を示す。この実施形態では、内殻６は除去されている。この実施形態で使用される電気的ストレスグレーディングシステム１１は、前述の実施形態のいずれかに従って、すなわち、少なくともＦＧＭ層７、および任意選択でさらに、ストレスコーン８、および導電性電極９の一方または両方を備える実施形態に従って設計することができる。このような実施形態は、なお、改善された熱的性能を提供することができる。通常、付属品（電界グレーディングシステムなど）を含むケーブルシステムは、任意の利用可能な冷却の限度近くで動作するように設計される。加熱されたガスまたは油により生じた局所的なホットスポットは、したがって、電気的破壊をトリガする可能性がある。理想的には、電力ケーブル１０は、ほとんどの場合、その熱的限度の近くで動作するように設計されるので、最適な電力送信を得るために、付属品は、電力ケーブル１０よりも保守的に設計されるべきである。内殻６を除去することにより、内殻６の内側の小さいガス容積が除かれて、電力ケーブル１０のさらに改良された対流冷却が、この実施形態により可能になる。この実施形態では、ケーブル終端部分は、より大きな容積内に位置し、それにより、より大きなガス容積がさらに自由に循環できるようになり、電力ケーブル１０の対流冷却がさらに向上する。

さらに図７の実施形態はまた、２つの界面を、特にガスと内殻６の外側の間の界面、および内殻６の内側とガスの間の界面をなくす。これらの界面では共に界面破壊の危険が存在するが、その危険は、したがって、本実施形態により除かれる。この実施形態は、費用効果の高い解決策を提供する、すなわち、例えば、複合絶縁体から作られる内殻６のコストが回避され、また低減された複雑さは、より容易な取付け、さらに重量低減も可能にすることにより、さらなるコストの節約を提供する。

例えば、分極現象、ケーブル終端部の電気的界面で構成される電荷、ＤＣ電界内で移動する電荷、移動するガス、したがって電荷の移動など、いくつかのＤＣ特有の独特の現象がある。様々な実施形態は、ＨＶＤＣＧＩＳケーブル終端を開発する際に含まれるＤＣ特有の現象に関するこのような障害、すなわち、電気的、熱的障害、ならびに機械的な障害を克服する。

前述の実施形態の様々な特徴は、異なる方法で、さらに本明細書で明示的に述べられていない方法で組み合わせることができる。したがって、高電圧直流ガス絶縁開閉装置１に対する電力ケーブル終端デバイス３が提供される。電力ケーブル終端デバイス３は、導電性材料の外側ハウジング４を備える。外側ハウジング４は、その第１の端部で、高電圧直流ガス絶縁開閉装置１のガス絶縁開閉装置システム２に固定接続可能である。

電力ケーブル終端デバイス３は、電力ケーブル１０の終端部分を備える。電力ケーブル１０は、電気導体１０１、電気導体１０１を円周方向に囲む電気絶縁層１０３、ならびに絶縁層１０３および電気導体１０１を円周方向に囲む導電性シールド１０４を備え、導電性シールド１０４は、電力ケーブル１０の第１の部分に沿って剥がされる。

電力ケーブル終端デバイス３は、電気絶縁層１０３の少なくとも一部に沿って軸方向に延びるように、ならびに電力ケーブル１０の第１の部分の少なくとも一部を覆うように、かつ導電性シールド１０４が終端される導電性シールド１０４の縁部を覆うように電力ケーブル１０の周りで円周方向に配置された、導電性シールド１０４と電気接触する抵抗性電界グレーディング材料層７を備える電界グレーディングシステム１１を備える。

電力ケーブル終端デバイス３は、ガス絶縁開閉装置システム２に接続可能であり、かつガス絶縁開閉装置システム２に対する機械的支持および電気的な接触を提供するように構成された接続デバイス５を備える。

本開示はまた、様々な実施形態で述べられたように、高電圧直流ガス絶縁開閉装置１および電力ケーブル終端デバイス３を備える高電圧直流ガス絶縁開閉装置システム２を包含する。

以上、様々な実施形態を参照して本発明を説明してきた。しかし、当業者であれば理解されるように、添付の特許請求の範囲に定めた発明の範囲内で、開示した以外の実施形態も同様に可能である。

Claims

高電圧直流ガス絶縁開閉装置（１）のための電力ケーブル終端デバイス（３）であって、
第１の端部で、高電圧直流ガス絶縁開閉装置（１）に固定接続可能な、導電性材料の外側ハウジング（４）と、
電気導体（１０１）、これを円周方向に囲む電気絶縁層（１０３）、および前記絶縁層（１０３）と前記電気導体（１０１）を円周方向に囲む導電性シールド（１０４）を備えた電力ケーブル（１０）の終端部分であって、前記電力ケーブル（１０）の第１の部分に沿って前記導電性シールド（１０４）が剥がされる、電力ケーブル（１０）の終端部分と、
抵抗性電界グレーディング材料層（７）を備える電界グレーディングシステム（１１）であって、前記抵抗性電界グレーディング材料層（７）が、非線形の抵抗性電界グレーディング材料の層であって、前記電力ケーブル（１０）の周りで円周方向に配置されて、前記電気絶縁層（１０３）の少なくとも一部に沿って軸方向に延び、終端側の前記導電性シールド（１０４）の縁部を覆って、前記導電性シールド（１０４）と電気的に接触する、電界グレーディングシステム（１１）と、
前記ガス絶縁開閉装置（１）に接続可能であって、前記ガス絶縁開閉装置（１）を機械的に支持し、電気的に接触するように構成された接続デバイス（５）と
を備え、
前記外側ハウジング（４）が、使用時に接地される接地手段を備える、電力ケーブル終端デバイス（３）。
高電圧直流ガス絶縁開閉装置（１）のための電力ケーブル終端デバイス（３）であって、
第１の端部で、高電圧直流ガス絶縁開閉装置（１）に固定接続可能な、導電性材料の外側ハウジング（４）と、
電気導体（１０１）、これを円周方向に囲む電気絶縁層（１０３）、および前記絶縁層（１０３）と前記電気導体（１０１）を円周方向に囲む導電性シールド（１０４）を備えた電力ケーブル（１０）の終端部分であって、前記電力ケーブル（１０）の第１の部分に沿って前記導電性シールド（１０４）が剥がされる、電力ケーブル（１０）の終端部分と、
抵抗性電界グレーディング材料層（７）を備える電界グレーディングシステム（１１）であって、前記抵抗性電界グレーディング材料層（７）が、非線形の抵抗性電界グレーディング材料の層であって、前記電力ケーブル（１０）の周りで円周方向に配置されて、前記電気絶縁層（１０３）の少なくとも一部に沿って軸方向に延び、終端側の前記導電性シールド（１０４）の縁部を覆って、前記導電性シールド（１０４）と電気的に接触する、電界グレーディングシステム（１１）と、
前記ガス絶縁開閉装置（１）に接続可能であって、前記ガス絶縁開閉装置（１）を機械的に支持し、電気的に接触するように構成された接続デバイス（５）と、
電気絶縁材料から作られ、第１の端部で、前記接続デバイス（５）に固定され、第２の端部で、前記外側ハウジング（４）の電力ケーブル（１０）受入部分に固定される内殻（６）と
を備え、
前記内殻（６）は、いくつかの穴を備える、電力ケーブル終端デバイス（３）。
高電圧直流ガス絶縁開閉装置（１）のための電力ケーブル終端デバイス（３）であって、
第１の端部で、高電圧直流ガス絶縁開閉装置（１）に固定接続可能な、導電性材料の外側ハウジング（４）と、
電気導体（１０１）、これを円周方向に囲む電気絶縁層（１０３）、および前記絶縁層（１０３）と前記電気導体（１０１）を円周方向に囲む導電性シールド（１０４）を備えた電力ケーブル（１０）の終端部分であって、前記電力ケーブル（１０）の第１の部分に沿って前記導電性シールド（１０４）が剥がされる、電力ケーブル（１０）の終端部分と、
抵抗性電界グレーディング材料層（７）を備える電界グレーディングシステム（１１）であって、前記抵抗性電界グレーディング材料層（７）が、非線形の抵抗性電界グレーディング材料の層であって、前記電力ケーブル（１０）の周りで円周方向に配置されて、前記電気絶縁層（１０３）の少なくとも一部に沿って軸方向に延び、終端側の前記導電性シールド（１０４）の縁部を覆って、前記導電性シールド（１０４）と電気的に接触する、電界グレーディングシステム（１１）と、
前記ガス絶縁開閉装置（１）に接続可能であって、前記ガス絶縁開閉装置（１）を機械的に支持し、電気的に接触するように構成された接続デバイス（５）と、
電気絶縁材料から作られ、第１の端部で、前記接続デバイス（５）に固定され、第２の端部で、前記外側ハウジング（４）の電力ケーブル（１０）受入部分に固定される内殻（６）と
を備え、
前記内殻（６）は、当該内殻（６）の第１の端部で、第１の金属板（１３）を介して前記接続デバイス（５）に固定され、当該内殻（６）の第２の端部で、第２の金属板（１４）を介して前記外側ハウジング（４）に固定され、
前記第１の金属板（１３）および前記第２の金属板（１４）は、絶縁媒体が通過できるいくつかの穴を備える、電力ケーブル終端デバイス（３）。
前記電界グレーディングシステム（１１）は、前記抵抗性電界グレーディング材料層（７）を、少なくともその一部に沿って円周方向に囲むように配置された電界制御部材（８）を備え、前記電界制御部材（８）が、電界を制御するように構成される、請求項１から３のいずれか一項に記載の電力ケーブル終端デバイス（３）。
前記電界制御部材（８）は、抵抗性電界グレーディング材料を含む、請求項４に記載の電力ケーブル終端デバイス（３）。
前記電界制御部材（８）の抵抗性電界グレーディング材料は、非線形の抵抗性電界グレーディング材料である、請求項５に記載の電力ケーブル終端デバイス（３）。
電気絶縁材料から作られ、またその第１の端部で、前記接続デバイス（５）に固定され、かつその第２の端部で、前記外側ハウジング（４）の電力ケーブル（１０）受入部分に固定される内殻（６）を備える、請求項１に記載の電力ケーブル終端デバイス（３）。
前記内殻（６）は、当該内殻（６）の第１の端部で、第１の金属板（１３）を介して前記接続デバイス（５）に固定され、当該内殻（６）の前記第２の端部で、第２の金属板（１４）を介して前記外側ハウジング（４）に固定される、請求項７に記載の電力ケーブル終端デバイス（３）。
前記電界グレーディングシステム（１１）は、前記電力ケーブル（１０）を円周方向に囲んで前記外側ハウジング（４）の第２の端部に固定され、かつ前記抵抗性電界グレーディング材料層（７）から距離（１２）を置いて配置される導電性電極（９）を備える、請求項１から８のいずれか一項に記載の電力ケーブル終端デバイス（３）。
前記外側ハウジング（４）が、使用時に接地される接地手段を備える、請求項２または３に記載の電力ケーブル終端デバイス（３）。
高電圧直流ガス絶縁開閉装置（１）、および請求項１から１０のいずれか一項に記載の電力ケーブル終端デバイス（３）を備える高電圧直流ガス絶縁開閉装置システム（２）。