JP7228714B2 - ガス絶縁機器 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、ガス絶縁機器に関する。

電力系統において送配電を行うガス絶縁機器には、従来、絶縁ガスとして六フッ化硫黄（以降ＳＦ_６と記載）が用いられている。

ＳＦ_６は、ＧＷＰ（地球温暖化係数）が２３，５００（ＡＲ５；ＩＰＣＣ第５次評価報告書による最新値）であり、漏洩時の環境に対する影響が大きいことから、より環境負荷の低い二酸化炭素（以降ＣＯ_２と記載）を絶縁ガスとして用いた代替のガス絶縁機器が注目されている。ＣＯ_２を絶縁ガスとして使用するに当たっては、酸素（以降Ｏ_２と記載）を混合することにより、遮断性能／絶縁耐力の向上といった効果が得られることが知られている。

ガス絶縁機器内に封入された絶縁ガスが開閉動作時のアークに晒されることで分解生成物が発生する。この分解生成物には、機器の性能に悪影響を与える不要物質が含まれており、吸着剤による吸着などによって絶縁ガス中から取り除く対策が必要となる。また、メンテナンス時には分解生成物の人体に対する安全性の確保も必要である。分解生成物として例えば、ＣＯ、ＨＦ、Ｏ_３には、各々ＬＣ５０等の値が設定されており、一定値以上の濃度において人体に対して有害となるため、これらを低減する必要がある。

ガス絶縁機器に吸着剤を設置した場合の吸着剤の使用環境は、主として常温、静置状態であり、絶縁ガスが対流することによって吸着剤に接触して吸着が起きる。このため、積極的な対象ガスの流入は期待できない。そのような吸着剤としては特殊な使用環境においても必要十分に分解生成物を吸着することが求められる。

従来のＳＦ_６ガスを用いた絶縁機器における分解生成物のうち、特に問題になるのは、ＳＯＦ_２、ＨＦ、ＳＯ_２などの不要物質とされていた。ＳＯＦ_２はＳＦ_６とガス中に微量に含まれるＨ_２Ｏに由来し、ＨＦはＳＯＦ_２および機器構成部品のＰＴＦＥとガス中に微量に含まれるＨ_２Ｏに由来し、ＳＯ_２はＳＯＦ_２とガス中に微量に含まれるＨ_２Ｏに由来する。

上記の不要物質は、絶縁ガスであるＳＦ_６と比較して分子径が小さいため、ＳＦ６＞吸着剤細孔径＞不要物質となるように吸着剤を選定することで、分子篩作用を利用した物理吸着により不要物質を優先して吸着することができた。

一方、ＣＯ_２ガスを用いたガス絶縁機器における主な不要物質は、ＨＦ、ＣＯ及びＯ_３である。ＨＦはガス中に微量に含まれるＨ_２Ｏと機器構成部品のＰＴＦＥに由来する。特に、絶縁ガスとしてＣＯ_２にＯ_２を混合した場合は、ＣＯの発生が吸着可能な程度に抑制される一方で、Ｏ_３の発生が増加する傾向がある。ＣＯ_２分子は分子径が０．３３ｎｍ程度であって、０．５５０ｎｍのＳＦ_６と比べて小さく、不要物質（ＨＦ、ＣＯ、Ｏ_３）と同程度の分子径のため、吸着剤細孔径による分子篩作用を利用した物理吸着では、絶縁ガスであるＣＯ_２を吸着してしまい、上記の不要物質を十分に吸着することができない。

なお、ＨＦはガス中に微量に含まれるＨ_２Ｏと結合し、金属材料（Ｆｅ，Ａｌ）に反応して腐食を起こすと共に、大気解放時の人体への有毒性がある。また、ＣＯは、大気解放時の人体への有毒性がある。また、ＣＯが多量に生成すると（ｖｏｌ％オーダー）、絶縁耐力が低下するおそれがある。更に、Ｏ_３は、オゾンクラックにより潤滑剤、シール材（樹脂）の寿命を著しく損なうおそれがあり、また、大気解放時の人体への有毒性がある。

特許第４６６０４０７号公報 特許第５２３８６２２号公報

本発明が解決しようとする課題は、絶縁ガス中のＨＦ、ＣＯ及びＯ_３の濃度を減少させるガス絶縁機器を提供することである。

実施形態のガス絶縁機器は、密閉容器と、絶縁ガスと、高電圧部と、除去材と、を持つ。
絶縁ガスは、密閉容器に充填されてＣＯ２及びＯ_２を主成分とする。
高電圧部は、前記密閉容器に収納される。
除去材は、絶縁ガス中のＨＦ、ＣＯ及びＯ_３の濃度を減少させる。

第１実施形態に係るガス絶縁遮断器の断面を示す模式図。 除去材１のＨＦ、ＣＯ及びＯ_３の除去性能を示すグラフ。 除去材２のＨＦ、ＣＯ及びＯ_３の除去性能を示すグラフ。 除去材３のＨＦ、ＣＯ及びＯ_３の除去性能を示すグラフ。 除去材４のＨＦ、ＣＯ及びＯ_３の除去性能を示すグラフ。

以下、実施形態のガス絶縁機器を、図面を参照して説明する。

上記の課題を解決するため、種々の検討および試験を行ったところ、極性による選択吸着作用、および触媒作用を具備した吸着剤あるいは触媒からなる除去材を用いることで、絶縁ガス中のＨＦ、ＣＯまたはＯ_３の濃度を十分に減少させ、ＣＯ_２及びＯ_２を主成分とする絶縁ガスを用いたガス絶縁機器の長期運用における寿命、信頼性を確保できることを確認した。本発明はこの知見によるものである。

（第１実施形態）
第１の実施形態について、図１を用いて説明する。本実施形態に係るガス絶縁機器は、パッファ形ガス絶縁遮断器である。図１は、本実施形態に係るガス絶縁機器（ガス絶縁遮断器）の一部概略断面図である。

図１に示すように、接地された金属あるいは碍管等からなる密閉容器１内には、絶縁ガス２が充填されている。密閉容器１内には固定接触部３１および可動接触部４１が対向して配置されており、固定接触部３１および可動接触部４１にはそれぞれ固定アーク接触子３２および可動アーク接触子４２が設けられている。固定接触部３１および可動接触部４１によって高電圧部が構成されている。密閉容器１のシール箇所にはオーリング等が配置されており、気密構造となっている。

アーク接触子３２、４２は通常運転時では接触導通状態にあり、遮断動作時は相対移動により開離すると共に両接触子３２、４２間の空間にアーク７を発生させるようになっている。さらに、可動接触部４１側にはアーク７に対し絶縁ガス２を消弧性ガスとして吹付けるガス流発生手段が設置されている。

ガス流発生手段としては、ここではピストン４３、シリンダ４４、絶縁ノズル４５が設けられている。また、固定接触部３１側には熱ガス流８が通過可能な金属製の排気筒３３が取付けられている。可動接触部４１側には熱ガス流８が通過可能な排気ロッド４６が可動アーク接触子４２に連なって設けられている。ピストン４３、シリンダ４４の摺動部には、摩擦低減のためのグリスが塗布される。

密閉容器１内に充填されて消弧性ガスとしても機能する絶縁ガスとして、ＣＯ_２及びＯ_２を主成分とするガスを使用する。ＣＯ_２は体積％で５０％以上含み、Ｏ_２を体積％で５０％を超えない範囲で含む。具体的には、ＣＯ_２(７０％)＋Ｏ_２(３０％)の混合ガスを例示できる。

また、絶縁耐力の向上を目的に、分子径がＣＯ_２と比較して大きいガスが絶縁ガスに混合される場合においても、本実施形態の効果を得ることができる。混合されるガスの例としては、ハイドロフルオロモノエーテル、パーフルオロケトン、ハイドロフルオロオレフィン、パーフルオロニトリル、トリフルオロヨードメタンといったフッ素およびヨウ素を含む化合物が挙げられる。

密閉容器１内には、絶縁ガス中におけるＨＦ、ＣＯ及びＯ_３の濃度を減少させる機能を持った除去材６を設置する。除去材６はケース５により密閉容器１内に保持されている。除去材６の配置については、排気筒３３の出側の消弧ガスの流路上とすることでより積極的にＨＦ、ＣＯ及びＯ_３の濃度を減少させる効果を得ることができる。

除去材６は、ＨＦ、ＣＯ及びＯ_３を、吸着、酸化または還元することにより、これらの物質の絶縁ガス中における濃度を減少させる。除去材６は、例えば、シリカ／アルミナのモル比が５以上の合成ゼオライト（以下、ハイシリカ合成ゼオライトと言う場合がある）、陽イオンとしてプロトン（Ｈ）を持つ合成ゼオライト（以下、プロトン交換合成ゼオライトと言う場合がある）、金属酸化物を例示できる。また、除去材６は、ハイシリカ合成ゼオライト、プロトン交換合成ゼオライト、金属酸化物のうち、２種以上を組み合わせたものでもよい。

更に、除去材６は、ハイシリカ合成ゼオライト、プロトン交換合成ゼオライト、金属酸化物以外の材料の組み合わせからなるものであってもよい。例えば、ＨＦに対して除去性能を有する材料、ＣＯに対して除去性能を有する材料及びＯ_３に対して除去性能を有する材料の混合物を、本実施形態に係る除去材６として用いてもよい。

ハイシリカ合成ゼオライトとしては、例えば、細孔径４．９Å、陽イオンがプロトンであるハイシリカゼオライトを例示できる。また、プロトン交換合成ゼオライトとしては、例えば、細孔径４．９Åのゼオライトを例示できる。更に、金属酸化物としてはＣｕＯ、Ｃｏ_３Ｏ_４、ＭｎＯ_２を例示できる。

ゼオライトについて一般に、シリカ（ＳｉＯ_２）とアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）のｍｏｌ比が高いほど、固体酸としての強度／反応活性が高くなることが知られている。除去材６としてシリカアルミナ比が５以上のハイシリカゼオライトを用いることにより、除去材６は固体酸としてＣＯをＣＯ_２に酸化する触媒作用を持つ。また、Ｏ_３が自己反応によりＯ_２へと変化する速度を加速させる。ＨＦはゼオライトの極性によって生じる分子間力（ファンデルワールス力）により細孔内に物理吸着される。これにより、ハイシリカ合成ゼオライトによって、ＨＦ、ＣＯ、Ｏ_３の三種の不要物質を効果的に吸着、酸化、還元することができる。

また、合成ゼオライトの陽イオンをプロトン（Ｈ^＋）とすることにより、固体酸として用いることができ、ＣＯをＣＯ_２に酸化する触媒作用を持つ。また、Ｏ_３が自己反応によりＯ_２へと変化する速度を加速させる。ＨＦはゼオライトの極性によって生じる分子間力（ファンデルワールス力）により細孔内に物理吸着される。これにより、プロトン交換合成ゼオライトによって、ＨＦ、ＣＯ、Ｏ_３の三種の不要物質を効果的に吸着、酸化、還元することができる。

更に、ＣｕＯ、Ｃｏ_３Ｏ_４、ＭｎＯ_２等の金属酸化物は、少なくとも－３０℃～５０℃の温度範囲において触媒機能を有する。これら金属酸化物は酸化触媒であるため、ＣＯをＣＯ_２に酸化する触媒作用を持つ。また、Ｏ_３が自己反応によりＯ_２へと変化する速度を加速させる。ＨＦは極性によって生じる分子間力（ファンデルワールス力）により触媒表面に物理吸着される。これにより、金属酸化物によって、ＨＦ、ＣＯ、Ｏ_３の三種の不要物質を効果的に吸着、酸化、還元することができる。

なお、金属酸化物は、塗料に添加して密閉容器１の内面に塗装することで、触媒機能を密閉容器１の内面に持たせることも可能である。

以上の構成を有するガス絶縁遮断器の遮断過程において、可動接触部４１が図１の左方向に動作すると、固定されているピストン４３がシリンダ４４の内部空間であるパッファ室４７を圧縮して同部の圧力を上昇させる。そして、パッファ室４７内に存在する絶縁ガス２が高圧力のガス流となって絶縁ノズル４５に導かれ、アーク接触子３２、４２間に発生したアーク７に対して強力に吹付けられる。これにより、アーク接触子３２、４２間に発生した導電性のアーク７は消滅し電流は遮断される。

ＣＯ_２を含むガスに、Ｏ_２を混合してアークを点弧させると、ＨＦ、ＣＯおよびＯ_３が生成される可能性がある。ＨＦは特に金属に対して腐食性を有するガスであり、人体に有害である。ＣＯは中毒性を有するガスであり、また、絶縁ガスの絶縁耐力を低下させる。Ｏ_３も反応性が高く人体に有毒なガスである。また、Ｏ_３は密閉容器１が気密構造を保つために使用されるオーリングや、ピストン４３及びシリンダ４４の摺動部に塗布されるグリスを劣化させる。密閉容器１内に、絶縁ガス中のＨＦ、ＣＯおよびＯ_３の濃度を減少させる機能を持った除去材６を設置しておくことで、これらの有毒なガスを吸着、酸化または還元し、安全性を高め、機器の寿命を延ばすことができる。

表１には、各種の除去材の性能を示す。除去材１は、シリカ／アルミナのモル比が５で細孔径４．９Åのプロトン交換合成ゼオライト、除去材２はシリカ／アルミナのモル比が５未満で細孔径３Åのカリウム交換合成ゼオライト、除去材３はシリカ／アルミナのモル比が５未満で細孔径９Åのナトリウム交換合成ゼオライト、除去材４はシリカ／アルミナのモル比が５未満で細孔径９Åのリチウム交換合成ゼオライトである。表１中の○印は、図１に示すガス絶縁遮断器に使用した場合に、十分な性能を発揮できることを示し、×印は、十分な性能を発揮できないことを示す。また、図２～図５に、除去材１～４の除去性能をグラフで示す。図２～図５の横軸は時間であり、縦軸は図１に示すＨＦ、ＣＯ及びＯ_３の濃度であって、ガス絶縁遮断器における遮断電流エネルギー１ＭＪ当たりの発生濃度（体積ｐｐｍ）である。表１及び図２～図５に示すように、除去材１は、ＨＦ、ＣＯ及びＯ_３の全部に対して十分な濃度低減効果を奏することができることがわかる。

本実施形態のガス絶縁機器には、ガス絶縁開閉装置が含まれる。ガス絶縁開閉装置には、遮断器、断路器、接地開閉器、避雷器が含まれる。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、除去材を用いることにより、絶縁ガス中のＨＦ、ＣＯ及びＯ_３の濃度を減少させるガス絶縁機器を提供できる。これにより、ＣＯ_２及びＯ_２を主成分とする絶縁ガスを用いたガス絶縁機器の長期運用における寿命、信頼性を確保でき、また、メンテナンス時の安全性も確保できる。

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同様に、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ものである。

１…密閉容器、２…絶縁ガス、６…除去材、３１…固定接触部（高電圧部）、４１…可動接触部（高電圧部）。

Claims (9)

1. 密閉容器と、
   前記密閉容器に充填されたＣＯ_２及びＯ_２を主成分とする絶縁ガスと、
   前記密閉容器に収納された高電圧部と、
   前記絶縁ガス中のＨＦ、ＣＯ及びＯ_３の濃度を減少させる除去材と、が備えられ、
   前記除去材が、シリカ／アルミナのモル比が５以上の合成ゼオライトである、ガス絶縁機器。
2. 密閉容器と、
   前記密閉容器に充填されたＣＯ_２及びＯ_２を主成分とする絶縁ガスと、
   前記密閉容器に収納された高電圧部と、
   前記絶縁ガス中のＨＦ、ＣＯ及びＯ_３の濃度を減少させる除去材と、が備えられ、
   前記除去材が、陽イオンとしてプロトン（Ｈ）を持つ合成ゼオライトである、ガス絶縁機器。
3. 密閉容器と、
   前記密閉容器に充填されたＣＯ_２及びＯ_２を主成分とする絶縁ガスと、
   前記密閉容器に収納された高電圧部と、
   前記絶縁ガス中のＨＦ、ＣＯ及びＯ_３の濃度を減少させる除去材と、が備えられ、
   前記絶縁ガスに、分子径がＣＯ_２より大きいガス成分が含まれる、ガス絶縁機器。
4. 前記除去材が、シリカ／アルミナのモル比が５以上の合成ゼオライトと金属酸化物との組合せ、又は、陽イオンとしてプロトン（Ｈ）を持つ合成ゼオライトと金属酸化物との組合せである、請求項１または請求項２に記載のガス絶縁機器。
5. 前記除去材が、シリカ／アルミナのモル比が５以上の合成ゼオライト、陽イオンとしてプロトン（Ｈ）を持つ合成ゼオライト、金属酸化物のうちの２種以上の材料の組み合わせからなる請求項１、請求項２または請求項４の何れか一項に記載のガス絶縁機器。
6. 前記絶縁ガスに、分子径がＣＯ_２より大きいガス成分が含まれる、請求項１、請求項２、請求項４または請求項５の何れか一項に記載のガス絶縁機器。
7. 前記ガス絶縁機器は、開閉装置であって、
   前記高電圧部は、
   固定接触子と、
   前記固定接触子に対して接離可能であって、前記固定接触子と同軸上に向かい合って配置され、開離時には前記固定接触子との間にアーク放電が発生しうるように構成された可動接触子と、
   前記アーク放電に前記絶縁ガスを吹き付けるために、前記アーク放電を囲むように配置された絶縁ノズルと、
   を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載のガス絶縁機器。
8. 前記絶縁ノズルは、フッ素系樹脂を含むことを特徴とする請求項７に記載のガス絶縁機器。
9. 前記除去材は、前記絶縁ガスが前記アーク放電に吹き付けられた後に流れうる位置に配置されたことを特徴とする請求項７または請求項８に記載のガス絶縁機器。

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