JP7021255B2 - 絶縁スペーサ - Google Patents
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Description
図1は、実施形態の絶縁スペーサを有するガス絶縁開閉装置におけるガス絶縁母線近傍の断面図である。図1において、図6示したガス絶縁母線と同一の構成については同一符号を附して、説明を省略する。
図1に示すように、ガス絶縁開閉装置を構成する機器の1つであるガス絶縁母線は、高電圧導体部1と、金属容器2と、絶縁スペーサ3と、絶縁ガス4と、電界緩和シールド5と、を有する。
絶縁スペーサ3は、高電圧導体部1と金属容器2間を支持する。
非線形誘電率材料は、マトリックス樹脂と、そのマトリックス樹脂中に充填された第一の充填剤および第二の充填剤と、を含む。
絶縁スペーサ3は、非線形誘電率材料を用いて、金型注型によって製作される。
ここで、第一の充填剤の平均粒径は、例えば、第一の充填剤を分散して含有する所定の樹脂(硬化物)の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察し、個々の第一の充填剤の粒径を測定して、その粒径を算術平均することで得られる。
非線形誘電率材料における第一の充填剤の充填率が上記の範囲内であれば、非線形誘電率材料において、電界領域で顕著な電界非線形性が発生する。なお、電界非線形性とは、電界の上昇に伴って比誘電率が上昇する性質のことである。
第二の充填剤としては、第一の充填剤のチタン酸バリウムと比べて比誘電率が低い材料を用いるため、電界の比誘電率に及ぼす影響が小さい。そのため、第二の充填剤を用いる目的は、絶縁スペーサ3の機械的強度を向上することと、熱線膨張係数を制御することである。
ここで、第二の充填剤の平均粒径は、例えば、第二の充填剤を分散して含有する所定の樹脂(硬化物)の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察し、個々の第二の充填剤の粒径を測定して、その粒径を算術平均することで得られる。
合計充填率が35vol%以上であれば、絶縁スペーサ3に、構造材料として必要な硬化物の弾性率が得られる。また、合計充填率が55vol%以下であれば、非線形誘電率材料の粘度が顕著に上昇することがなく、容易に注型作業を行うことができる。
他の充填剤としては、非線形誘電率材料を用いた絶縁スペーサ3の注型作業に支障がない限り、いかなる種類の充填剤でも用いることができる。他の充填剤としては、粒子状充填剤または繊維状充填剤が用いられる。粒子状充填剤としては、例えば、タルク、炭酸カルシウム、水酸化アルミニウム、カオリン、クレー、ドロマイト、雲母粉、炭化ケイ素、ガラス粉、カーボン、グラファイト、硫酸バリウム、ボロンナイトライド、窒化ケイ素等が挙げられる。繊維状充填剤としては、例えば、ウォーラストナイト、チタン酸カリウムウィスカー、ガラス繊維、アルミナ繊維、炭化ケイ素繊維、ボロン繊維、カーボン繊維、アラミッド繊維、フェノール繊維等が挙げられる。これらの充填剤は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
図2は、エポキシ樹脂に、チタン酸バリウム(BaTiO3)と溶融シリカ(SiO2)を充填した非線形誘電率材料の電界緩和効果および樹脂組成物の粘度を、溶融シリカのみ50vol%充填した材料の特性で規格化した結果を示す図である。図3は、電界緩和効果を検証したガス絶縁母線の絶縁スペーサ3周辺の解析モデル図である。
図3に示す直径100mmの高電圧導体部1と直径300mmの金属容器2の間に、厚さ30mmのディスク型の絶縁スペーサ3が配置されたモデルにおいて、チタン酸バリウムと溶融シリカの充填率を変えて絶縁スペーサ3を製作し、絶縁スペーサ3の表面の電界分布を解析し、その最大電界値で電界緩和効果を評価した。
図2に示す結果から、非線形誘電率材料におけるチタン酸バリウムの充填率が20vol%~40vol%の場合に、顕著な比誘電率の電界非線形性が発生することが分かった。また、図2に示す結果から、非線形誘電率材料におけるチタン酸バリウムの充填率が40vol%を超えると、非線形誘電率材料の粘度が顕著に上昇することが分かった。
ビスフェノールA型エポキシ樹脂であるJER828(商品名:三菱化学社製、エポキシ当量190)を70質量部、脂環式エポキシ樹脂であるセロキサイド2021P(商品名:ダイセル社製)を30質量部、酸無水物硬化剤としてメチルヘキサヒドロ無水フタル酸であるHN5500(商品名:日立化成社製)を90質量部、硬化促進剤として四級アンモニウム塩であるニッサンカチオンM2-100(商品名:日本油脂社製)を0.5質量部含む樹脂組成物を調製した。
この樹脂組成物に対して、平均粒径5μmのチタン酸バリウム(共立マテリアル社製)を25vol%と平均粒径19μmの溶融シリカFB24(商品名:デンカ社製)25vol%を配合し、非線形誘電率材料組成物(A)を調製した。
次に、非線形誘電率材料組成物(A)を100℃で予熱した電界・誘電率特性評価用の電極モデル金型内に真空注型し、一次硬化条件は100℃で3時間、二次硬化条件は150℃で10時間として、電気試験用注型品(A)を製作した。
二次硬化後の非線形誘電率材料組成物(A)のガラス転移温度(Tg)を示差走査熱量計(DSC)法で測定した結果、Tg=150℃であった。
ビスフェノールA型エポキシ樹脂であるJER828(商品名:三菱化学社製、エポキシ当量190)を70質量部、脂環式エポキシ樹脂であるセロキサイド2021P(商品名:ダイセル社製)を30質量部、酸無水物硬化剤としてメチルヘキサヒドロ無水フタル酸であるHN5500(商品名:日立化成社製)を90質量部、硬化促進剤として四級アンモニウム塩であるニッサンカチオンM2-100(商品名:日本油脂社製)を0.5質量部含む樹脂組成物を調製した。
この樹脂組成物に対して、平均粒径2μmのチタン酸バリウム(共立マテリアル社製)を20vol%と平均粒径19μmの溶融シリカFB24(商品名:デンカ社製)30vol%を配合し、非線形誘電率材料組成物(B)を調製した。
次に、非線形誘電率材料組成物(B)を100℃で予熱した電界・誘電率特性評価用の電極モデル金型内に真空注型し、一次硬化条件は100℃で3時間、二次硬化条件は150℃で10時間として、電気試験用注型品(B)を製作した。
二次硬化後の非線形誘電率材料組成物(B)のガラス転移温度(Tg)を示差走査熱量計(DSC)法で測定した結果、Tg=150℃であった。
ビスフェノールA型エポキシ樹脂であるJER828(商品名:三菱化学社製、エポキシ当量190)を70質量部、脂環式エポキシ樹脂であるセロキサイド2021P(商品名:ダイセル社製)を30質量部、酸無水物硬化剤としてメチルヘキサヒドロ無水フタル酸であるMH700(商品名:新日本理化社製)を90質量部、硬化促進剤として四級アンモニウム塩であるニッサンカチオンM2-100(商品名:日本油脂社製)を0.5質量部含む樹脂組成物を調製した。
この樹脂組成物に対して、平均粒径1.2μmのチタン酸ストロンチウム(共立マテリアル社製)を25vol%と平均粒径19μmの溶融シリカFB24(商品名:デンカ社製)25vol%を配合し、非線形誘電率材料組成物(C)を調製した。
次に、非線形誘電率材料組成物(C)を100℃で予熱した電界・誘電率特性評価用の電極モデル金型内に真空注型し、一次硬化条件は100℃で3時間、二次硬化条件は150℃で10時間として、電気試験用注型品(C)を製作した。
二次硬化後の非線形誘電率材料組成物(C)のガラス転移温度(Tg)を示差走査熱量計(DSC)法で測定した結果、Tg=155℃であった。
ビスフェノールA型エポキシ樹脂であるJER828(商品名:三菱化学社製、エポキシ当量190)を70質量部、脂環式エポキシ樹脂であるセロキサイド2021P(商品名:ダイセル社製)を30質量部、酸無水物硬化剤としてメチルヘキサヒドロ無水フタル酸であるHN5500(商品名:日立化成社製)を90質量部、硬化促進剤として四級アンモニウム塩であるニッサンカチオンM2-100(商品名:日本油脂社製)を0.5質量部含む樹脂組成物を調製した。
この樹脂組成物に対して、平均粒径19μmの溶融シリカFB24(商品名:デンカ社製)50vol%を配合し、従来の材料であるシリカ充填エポキシ材料を調製した。
次に、シリカ充填エポキシ材料を100℃で予熱した電界・誘電率特性評価用の電極モデル金型内に真空注型し、一次硬化条件は100℃で3時間、二次硬化条件は150℃で10時間として、電気試験用注型品(D)を製作した。
二次硬化後のシリカ充填エポキシ材料のガラス転移温度(Tg)を示差走査熱量計(DSC)法で測定した結果、Tg=152℃であった。
電気試験用注型品(A)~(D)について、電界-誘電率特性を実測した。
図4は、電気試験用注型品(A)~(D)の電界-誘電率特性の実測データを示す図である。
図4に示す結果から、第一の充填剤としてチタン酸バリウムを充填した電気試験用注型品(A)、(B)は5kV/mm~20kV/mmの間の電界領域で顕著な電界非線形性が発生することが分かった。一方で第一の充填剤にペロブスカイト構造を有するチタン酸ストロンチウムを充填した電気試験用注型品(C)では顕著な電界非線形性は発現しないことが分かった。
図5は、電気試験用注型品(A)、(D)について、高電圧導体部1から金属容器2間の電界分布を解析した結果を示す図である。
図2に示した非線形誘電率材料の電界緩和効果に関する結果は、図5に示す高電圧導体部1の表面の最大電界値をまとめた結果であり、非線形誘電率材料による最大電界値の低減効果、すなわち、絶縁性能向上効果を示している。
機器のサイズを10%小型化することが可能な電界緩和効果を得るためには、具体的には、図5より、チタン酸バリウムと溶融シリカの合計充填率を50vol%としたときは、チタン酸バリウムの充填率は15vol%以上であることが好ましく、溶融シリカの充填率はそれに対応した35vol%以下であることが好ましい。また、図5より、絶縁スペーサ3は金型注型で製作するため、非線形誘電率材料の粘度が高過ぎると金型注型による製作が不可能となる。このような注型作業性の制約から、金型注型で絶縁スペーサ3を製作することが可能なチタン酸バリウムの充填率は40vol%以下である。
一方、同じ内径のガス絶縁母線内に従来のスペーサと本願のスペーサを配置した場合を比較すると、従来のスペーサは図6に記載したように絶縁距離を伸ばすために母線の長手方向に長さをもったコーン形状にすることが一般的であった。本実施形態に記載したスペーサを用いた場合、図1に記載したような、より母線の長手方向の長さが短い製造性が良好で、かつコンパクトな形状のスペーサとすることができる。
Claims (5)
- ガス絶縁開閉装置の高電圧導体部と金属容器間を支持する絶縁スペーサであって、
前記絶縁スペーサは、電界の上昇に伴って誘電率が上昇する非線形誘電率材料からなり、
前記非線形誘電率材料は、マトリックス樹脂と、前記マトリックス樹脂中に充填された第一の充填剤および第二の充填剤と、を含み、
前記マトリックス樹脂は、少なくとも1分子中に2つ以上のエポキシを有するエポキシ化合物であり、
前記第一の充填剤は、チタン酸バリウムであり、
前記第二の充填剤は、シリカまたはアルミナであり、
前記非線形誘電率材料における前記第一の充填剤の充填率が10vol%~40vol%であり、
前記第二の充填剤が、前記非線形誘電率材料における前記第一の充填剤と前記第二の充填剤の合計充填率が35vol%~55vol%となるように充填された絶縁スペーサ。 - 前記第一の充填剤の平均粒径が0.1μm~15μmである請求項1に記載の絶縁スペーサ。
- 前記第一の充填剤は、凝集体である請求項1または2に記載の絶縁スペーサ。
- 前記第一の充填剤の表面は、チタネートカップリング処理またはシランカップリング処理が施されている請求項1~3のいずれか1項に記載の絶縁スペーサ。
- 前記第二の充填剤は、平均粒径が1μm~30μmの溶融シリカである請求項1~4のいずれか1項に記載の絶縁スペーサ。
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