JP7109911B2

JP7109911B2 - 真空バルブ

Info

Publication number: JP7109911B2
Application number: JP2017241702A
Authority: JP
Inventors: 亙坂口; 直紀浅利; 昂大坊; 芳充丹羽; 淳一近藤
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Priority date: 2017-12-18
Filing date: 2017-12-18
Publication date: 2022-08-01
Anticipated expiration: 2037-12-18
Also published as: JP2019110010A

Description

本発明の実施形態は、真空バルブに関する。

真空遮断器の電流遮断部分である真空バルブのセラミック製の真空絶縁容器（絶縁物容器）の内面は、非通電時には高電界が印加される。真空絶縁容器の沿面が高電界に耐えられない時に、真空絶縁容器の沿面で絶縁破壊が発生する。真空絶縁容器の沿面は真空自体より絶縁耐力が小さいため、真空絶縁容器の沿面の耐電圧を向上することが求められている。

特に、真空バルブをエポキシ樹脂で覆い、その外周を接地電位とした固体絶縁スイッチギヤは、気中絶縁スイッチギヤと比較して接地電位が真空バルブ付近に存在する。このため、真空バルブの真空絶縁容器の沿面には高い電界が印加されるので、その耐電圧を向上する必要性がさらに高くなる。このため、従来から各種の対策が提案されている。

特開２０１４－１７２２０号公報

上記のように、真空バルブにおいては、従来から真空絶縁容器の沿面耐電圧を高くすることが要求されていた。

本発明が解決しようとする課題は、真空絶縁容器の沿面耐電圧の高い真空バルブを提供することにある。

実施形態の真空バルブは、セラミックからなり両端に開口部を有する筒状の真空絶縁容器と、前記真空絶縁容器内に収容され、離接可能な一対の電極と、前記真空絶縁容器の両端の前記開口部をそれぞれ閉塞する蓋体と、前記真空絶縁容器の両端の内壁面と対向するように配設された電界緩和シールドと、前記真空絶縁容器の両端の端面に形成され、前記蓋体と接続するためのメタライズ層と、前記真空絶縁容器の両端の内壁面に夫々形成され、前記セラミックより二次電子放出係数が低い材料からなる低二次電子放出係数層と、を具備し、前記低二次電子放出係数層は、前記真空絶縁容器の内壁面のうち、前記メタライズ層を含む両側端部から前記電界緩和シールドと対向する部位、及びさらにその内側に延在するように、かつ、夫々の前記低二次電子放出係数層は、前記真空絶縁容器の軸方向に沿った長さが、前記真空絶縁容器の全長に対して１０％以内の範囲のみに形成されており、前記セラミックより二次電子放出係数が低い材料は、Ｖ、ＳｉＣ、Ｃｒ _２Ｏ _３のいずれかである。

第１実施形態に係る真空バルブの縦断面構成を模式的に示す図。図１の真空バルブの電界緩和シールドの先端周辺の状態を模式的に示す図。低二次電子放出係数層の形成パターンの例を模式的に示す図。低二次電子放出係数層の形成パターンの他の例を模式的に示す図。第２実施形態に係る真空バルブの縦断面構成を模式的に示す図。絶縁破壊電圧の測定方法を説明するための図。絶縁破壊電圧の測定結果を示すグラフ。低二次電子放出係数層が無い場合の電界緩和シールドの先端周辺の状態を模式的に示す図。

以下、実施形態の真空バルブを、図面を参照して説明する。

図１は、第１実施形態に係る真空バルブ１００の縦断面構成を模式的に示す図である。図１に示すように、真空バルブ１００は、セラミックからなり、両端に開口部を有する筒状の真空絶縁容器１０１を具備している。真空絶縁容器１０１の内部には、固定側電極１０２と、可動側電極１０３とからなる一対の電極が離接可能に配設されている。固定側電極１０２には、固定側通電軸１０４が接続されている。また、可動側電極１０３には、可動側通電軸１０５が接続されている。

固定側電極１０２と可動側電極１０３の周囲には、これらを囲むようにアークシールド１０６が配設されている。また、真空絶縁容器１０１の頂部と底部には、真空絶縁容器１０１の開口部を覆う蓋体として、それぞれ板状のフランジ１０７，１０８が配設されている。

固定側通電軸１０４は、フランジ１０７を貫通して真空絶縁容器１０１の外部まで延在している。また、可動側通電軸１０５は、フランジ１０８を貫通して真空絶縁容器１０１の外部まで延在しており、可動側通電軸１０５とフランジ１０８との間には、これらの間を気密に封止するとともに、可動側通電軸１０５をその軸方向に沿って移動可能とするベローズ１０９が配設されている。

フランジ１０７，１０８の周縁部には、真空絶縁容器１０１の内部に向けて突出し、先端側が真空絶縁容器１０１の側壁側に向けて折り曲げられた形状の電界緩和シールド１１０，１１１が配設されている。また、真空バルブ１００の要部を拡大して示した図２に示すように、真空絶縁容器１０１の端面には、フランジ１０７，１０８と接合するためのメタライズ層１１２が形成されている。

真空絶縁容器１０１の内壁面のうち、メタライズ層１１２を含む両側端部から電界緩和シールド１１０，１１１と対向する部位、及びさらにその内側に延在するように、二次電子放出係数が低い材料からなる低二次電子放出係数層１１３が形成されている。この低二次電子放出係数層１１３は、真空絶縁容器１０１の内壁面のうち、特に電界強度が高くなる部位に配設することが好ましい。なお、低二次電子放出係数層１１３は、真空絶縁容器１０１に凸部等を設けることなくその内壁面に形成されており、容易に形成することができる。

例えば、真空絶縁容器１０１においては、フランジ１０７，１０８と接合された軸方向における両側端部の電界強度が高くなる傾向にある。このため、真空絶縁容器１０１の軸方向における両側端部には、電界緩和シールド１１０，１１１が配設されている。このように電界緩和シールド１１０，１１１を有する構成の場合、これらの電界緩和シールド１１０，１１１の先端部と対向する真空絶縁容器１０１の内壁面部分の電界強度が高くなる傾向となる。

したがって、低二次電子放出係数層１１３は、メタライズ層１１２を含む真空絶縁容器１０１の端部から、電界緩和シールド１１０，１１１の対向する真空絶縁容器１０１の内壁面部分を含み、電界緩和シールド１１０，１１１の先端部と対向する部位からさらに内側方向に例えば数ｃｍ程度（例えば、１－３ｃｍ程度）延在するように形成することが好ましい。なお、後述するように、低二次電子放出係数層１１３は、真空絶縁容器１０１の内壁面全面に形成するのではなく、少なくともその軸方向において不連続となるように形成する。

低二次電子放出係数層１１３を構成するための、二次電子放出係数が低い材料としては、例えば、Ｖ、Ｃｒ、Ｃ、Ｆｅ、ＳｉＣ、Ｃｕ、Ｍｏ、ＴｉＮ、Ｃｒ_２Ｏ_３等を用いることができる。この材料としては、二次電子放出係数が低ければよく、その抵抗値については、特に限定されない。

上記のように、低二次電子放出係数層１１３が形成されていると、図２に示すように、真空バルブ１００の真空絶縁容器１０１の内壁面（低二次電子放出係数層１１３）に一次電子３０１が衝突した際に、二次電子３０２の放出を抑制することができる。

なお、図８に示すように、真空絶縁容器１０１の内壁面に低二次電子放出係数層１１３が形成されておらず、真空絶縁容器１０１のセラミックの内壁面に直接一次電子３０１が衝突した場合、Ａｌ_２Ｏ_３等のセラミックは、二次電子放出係数が高いため、多くの二次電子３０２が放出される。そして、一次電子３０１が衝突した際に多くの二次電子３０２が放出されると、真空絶縁容器１０１の内壁面が帯電して沿面耐電圧が低下する。これに対して、本実施形態の真空バルブ１００では、二次電子３０２の放出が抑制されることによって、帯電が抑制され、沿面耐電圧を向上させることができる。

しかし、一般に二次電子放出係数が低い材料は、導体であることが多い。このため、真空絶縁容器１０１の内壁全面に一様に成膜を行うと、二次電子放出係数を下げると共に、抵抗値が大きく低下してしまい絶縁物としての役割を果たせなくなる。そこで、本実施形態では、フランジ１０７，１０８の周辺及び電界緩和シールド１１０，１１１周辺等の電界が高い個所にのみ、低二次電子放出係数層１１３が形成されている。これにより、電界が高い個所で発生する二次電子放出を抑制するが、真空絶縁容器１０１全体としての抵抗値を大きく低下させることがない。

なお、真空絶縁容器１０１全体としての抵抗値を大きく低下させないためには、夫々の低二次電子放出係数層１１３は、真空絶縁容器１０１の軸方向に沿った長さが、真空絶縁容器１０１の全長に対して１０％以内程度の範囲に形成することが好ましく、５％以内とすることがさらに好ましい。例えば、真空絶縁容器１０１の全長が１００ｃｍ程度の場合、１つの低二次電子放出係数層１１３の軸方向に沿った長さが１０ｃｍ以内とすることが好ましく、５ｃｍ以内とすることがさらに好ましい。

低二次電子放出係数層１１３は、真空絶縁容器１０１の内壁面に沿って帯状に形成する他、例えば、図３に示すように、間隔をあけて斑状に形成してもよく、また、図４に示すように、間隔をあけて縞状に形成してもよい。このように、低二次電子放出係数層１１３を、真空絶縁容器１０１の軸方向に間隔をあけて形成することによって、真空絶縁容器１０１の抵抗値の低下を抑制することができ、また、局所的に二次電子放出係数を低下させることができる。なお、図３、図４において、低二次電子放出係数層１１３の形成部位には、ハッチングを付してその他の部位と区別して示してある。

次に、図５を参照して、第２実施形態の真空バルブ２００の構成について説明する。図５は、第２実施形態に係る真空バルブ２００の縦断面構成を模式的に示す図である。この第２実施形態に係る真空バルブ２００では、セラミックス製の真空絶縁容器１０１の外側が、エポキシ樹脂等の固体絶縁物層２０１で覆われ、固体絶縁物層２０１の周囲には接地電位に接続される接地電位層２０２が設けられている。なお、他の構成については、第１実施形態の真空バルブ１００と同様であるので、対応する部分には、同一の符号を付して重複した説明は省略する。

上記構成の真空バルブ２００では、接地電位層２０２による接地電位が、真空絶縁容器１０１の近傍に存在するため、真空絶縁容器１０１の沿面に印加される電界が上昇する。したがって、真空バルブ１００の場合と比べて、より沿面で絶縁破壊が発生しやすい構造となっている。このため、低二次電子放出係数層１１３を設けることによって、沿面耐電圧を向上させることがより重要となる。

次に、二次電子放出係数が低い材料の膜を形成した場合の効果について、絶縁破壊電圧を測定することによって実施した実験の結果について説明する。絶縁破壊電圧の測定は、図６に示すように、電極間の距離（Ｌ）を１５ｍｍとした高圧電極２２０の間に、表面に各種の膜を形成した直径（Ｄ）が２０ｍｍのセラミック（Ａｌ_２Ｏ_３）製の円柱部材２３０を配設し、絶縁破壊の起きる電圧を測定することによって行った。

形成した膜の材質は、Ｖ（二次電子放出係数：１．３）、Ｃ（二次電子放出係数：０．８）、ＳｉＣ（二次電子放出係数：２）、Ｃｒ_２Ｏ_３（二次電子放出係数：１．４）とした。成膜は、イオンプレーティングにより行った。また、膜厚は数ナノメートル程度であった。比較のために、表面に膜を形成しないＡｌ_２Ｏ_３（二次電子放出係数：７）製の円柱部材についても測定を行った。

上記の絶縁破壊電圧の測定結果を図７のグラフに示す。なお、縦軸は、平均絶縁破壊電圧を示しており、表面に膜を形成しないＡｌ_２Ｏ_３製の円柱部材の場合を１．０として、相対値によって示してある。図７に示すように、Ａｌ_２Ｏ_３製の円柱部材の表面に、Ａｌ_２Ｏ_３より二次電子放出係数が低い材料の膜を形成することによって、絶縁破壊電圧が高くなることが分かる。また、この場合、二次電子放出係数が低い材料の膜として、ＳｉＣ、Ｖ、Ｃｒ_２Ｏ_３を用いると、膜を形成しない場合に比べて絶縁破壊電圧を１．５倍以上に向上させることができた。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１００，２００……真空バルブ、１０１……真空絶縁容器、１０２……固定側電極、１０３……可動側電極、１０４……固定側通電軸、１０５……可動側通電軸、１０６……アークシールド、１０７，１０８……フランジ、１０９……ベローズ、１１０，１１１……電界緩和シールド、１１２……メタライズ層、１１３……低二次電子放出係数層、２０１……固体絶縁物層、２０２……接地電位層、３０１……一次電子、３０２……二次電子。

Claims

セラミックからなり両端に開口部を有する筒状の真空絶縁容器と、
前記真空絶縁容器内に収容され、離接可能な一対の電極と、
前記真空絶縁容器の両端の前記開口部をそれぞれ閉塞する蓋体と、
前記真空絶縁容器の両端の内壁面と対向するように配設された電界緩和シールドと、
前記真空絶縁容器の両端の端面に形成され、前記蓋体と接続するためのメタライズ層と、
前記真空絶縁容器の両端の内壁面に夫々形成され、前記セラミックより二次電子放出係数が低い材料からなる低二次電子放出係数層と、
を具備し、
前記低二次電子放出係数層は、前記真空絶縁容器の内壁面のうち、前記メタライズ層を含む両側端部から前記電界緩和シールドと対向する部位、及びさらにその内側に延在するように、
かつ、夫々の前記低二次電子放出係数層は、前記真空絶縁容器の軸方向に沿った長さが、前記真空絶縁容器の全長に対して１０％以内の範囲のみに形成されており、
前記セラミックより二次電子放出係数が低い材料は、Ｖ、ＳｉＣ、Ｃｒ _２Ｏ _３のいずれかである
ことを特徴とする真空バルブ。
前記低二次電子放出係数層は、前記真空絶縁容器の軸方向に間隔をあけて非連続に前記真空絶縁容器の内壁面に斑状又は縞状に形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の真空バルブ。
前記真空絶縁容器の周囲を覆う固体絶縁物層と、
前記固体絶縁物層の周囲に配設され、接地電位に接続される接地電位層と、
を具備したことを特徴とする請求項１又は２に記載の真空バルブ。