JP7278997B2

JP7278997B2 - ガス絶縁開閉装置

Info

Publication number: JP7278997B2
Application number: JP2020118901A
Authority: JP
Inventors: 淳額賀; 隆浩西村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2020-07-10
Filing date: 2020-07-10
Publication date: 2023-05-22
Anticipated expiration: 2040-07-10
Also published as: JP2022015800A

Description

本発明は、タンク内にコーティングを施したガス絶縁開閉装置に関する。

ガス絶縁開閉装置において内部に金属異物が混入、あるいは発生した場合、この異物が中心導体に印加される高電圧による静電気力でタンク内表面からタンク内部で浮上する。浮上した異物が絶縁物沿面に付着すると異物近傍に電界集中が生じ、高電界となり、異物から電界放出により電子が発生し、これを初期電子としてコロナ放電からストリーマ放電に至り、絶縁物の沿面絶縁破壊が生じ、機器の絶縁耐力が著しく低下する。また、浮上した異物が内部の高電圧導体に接触すると、異物先端が高電界となり、異物端部から放電を起点としたガス絶縁破壊が生じることで同様に機器の絶縁耐力が低下する課題がある。

これに対し、特許文献１では非線形抵抗材を添加した樹脂をタンク内部にコーティングすることで異物近傍の高電界領域を緩和し、部分放電を抑制しつつ、異物への帯電を抑制することができるガス絶縁開閉装置について記載されている。また、中心導体側の添加率を増加させることで、タンクからの電荷流入による異物の帯電を抑制するとしている。

国際公開第１５／１３６７５３号

しかしながら、非線形抵抗材を樹脂に混合した場合、表面張力からコーティング層の表面近傍は非線形抵抗材の存在しない純粋な樹脂層となる。この純粋な樹脂層は電界緩和効果が期待できない。また、非線形抵抗材を樹脂に混合した場合、非線形抵抗材の分布が均一とならず、場所ごとに異なり、異物の存在する場所による異物浮上抑制効果のばらつきが生じる。

少なくとも一の課題を解決するための本発明の態様は、以下のとおりである。

本発明に係るガス絶縁開閉装置において、前記主回路導体を内部に設置するタンク内面に第一層のコーティング層を備え、さらに、前記第一層の上部に粉体状の非線形抵抗材のコーティング層を備えることを特徴とする。

本発明の一態様により、本発明のガス絶縁開閉装置の内部に異物が発生した場合、異物の浮上を制限することが可能となる。また、異物の存在する場所による異物浮上抑制効果のばらつきを抑制することが可能となる。

ガス絶縁開閉装置の正面断面図。実施例１にかかるガス絶縁開閉装置のタンクを示す図。実施例１にかかるコーティング材の構成を示す断面模式図。酸化亜鉛の電界－導電率特性。炭化ケイ素の電界－導電率特性。混合非線形抵抗材の電界－導電率特性。コーティング作業のフロー。金属異物をタンク内に設置した浮上試験結果。実施例２にかかるコーティング材の構成を示す断面模式図。実施例３にかかるコーティング材の構成を示す断面模式図。実施例４にかかるコーティング材の構成を示す断面模式図。実施例５にかかるコーティング材の構成を示す断面模式図。

以下、本発明を実施するための形態（実施例）について図面を用いて説明する。以下の説明では、同じ機器や、同じ動作処理などには同一符号（番号）を付し、すでに説明した機器や動作は、後に説明する図面の説明では省略する場合がある。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

図１は、一例としてのガス絶縁開閉装置の正面断面図。受電用断路器１、遮断器２、母線用断路器３の主回路機器が、ＳＦ６などの絶縁性ガスを封入した密閉容器内に収容され、この密閉容器に電力ケーブル、母線４が接続され、密閉容器前面側には主回路機器の操作機構が設置され、各機器間は主回路導体により接続される。この受電用ガス絶縁開閉装置においては、電力ケーブルあるいは架空線により電力系統から電力を引き込み、受電用断路器１－遮断器２－母線用断路器３を経由して母線に給電する。

また、給電用のガス絶縁開閉装置の場合は、母線から受電し、母線用断路器３－遮断器２－給電用断路器を経由して負荷に接続した電力ケーブルあるいは架空線に給電する。三相分を一回線とした１ベイを構成するガス絶縁開閉装置と、隣接する１ベイを構成するガス絶縁開閉装置の間は母線により電気的に接続される。このように構成されたガス絶縁開閉装置においては、主回路機器および主回路導体１２、絶縁性ガスを封入した密閉容器内に設置することで小形化、かつ高信頼化できる利点がある。

図２は一例としてのガス絶縁開閉装置のタンクを示す図である。主回路導体１２とタンク１１との間に介在した絶縁物１４で前記主回路導体１２を絶縁ガス中で支持することにより、主回路導体１２と接地電位であるタンク１１との間で絶縁を保持している。図３は実施例１にかかるコーティング材（ここで表記するコーティング材はタンク１１内面の上に配置するすべてのコーティング層を含めたものを指す）の構成を示す断面模式図である。タンク１１内面には第一層として樹脂１５がコーティングされている。この樹脂は絶縁層として機能し、タンクから金属異物への電荷流入を防止する。そのため、樹脂層の膜厚は十分な絶縁効果を示す厚さであり、かつコーティングの作業効率も両立するために、厚さ２０μｍ以上、５００μｍ以下とすることが望ましい。樹脂は、主に炭素（Ｃ）、水素（Ｈ）、酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）、ハロゲンなどの元素で構成され、共有結合が多く、高いエネルギーを持つ紫外線でその結合を切ると、表層の水素原子は軽いので容易に引抜かる。その周辺に酸素が存在すると酸化反応が起こり、Ｈ原子が抜けた後に酸素原子が付加される。周辺大気中の酸素に１８５ｎｍ波長の紫外線を照射してオゾンを発生させると、より強力に酸化反応が発生する。その結果、高分子材の表面に酸素リッチの官能基（例えば、ＣＯＯＨ、ＣＨＯ、ＯＨ）が多く形成され、粉体との結合力が上がる。プラズマでも同様に酸素リッチの官能基が形成できる。前記紫外線処理またはプラズマ処理で樹脂層の表面を化学的に活性化した状態とした上で、粉末状の非線形抵抗材１６をコーティングする。粉体状とは，平均粒径が数μｍから数十μｍの微小粒体の集合である。非線形抵抗材１６には酸化亜鉛（ＺｎＯ）や炭化ケイ素（ＳｉＣ）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、ダイヤモンドなどの非線形抵抗材から少なくとも１種類以上の非線形抵抗材が用いられる。非線形抵抗材１６は、抵抗の非線形特性を調整するために二種類以上の非線形抵抗材を混合することも可能である。図３に第一の非線形抵抗材（１６－１）と第二の非線形抵抗材（１６－２）を混合させたものを示す。一例として酸化亜鉛と炭化ケイ素を混合させた場合、電界－導電率特性における非線形特性の発生する電界（以下、動作電界）が高く、非線形特性の傾きが急峻な酸化亜鉛と、動作電界が低く、非線形特性の傾きが緩やかな炭化ケイ素との混合材を用いることにより、混合材の電界－導電率特性は酸化亜鉛の特性（図４）と炭化ケイ素の特性（図５）とが混合した特性となる（図６）。これにより、印加電圧が低い状態から異物周辺の電界が緩和され、さらに高電圧において充分な電界緩和効果となる。動作電界が低くなることで電界緩和のばらつきが小さくなり、低電圧での異物浮上を防止できる。また、非線形特性の傾きが大きくなることで高電圧での電界緩和効果が大きくなり、部分放電を防止でき、異物の浮上電界を向上することが可能となる。また、動作電界の低い非線形抵抗材と動作電界の高い非線形抵抗材の混合率は、１：４から４：１の間とすることで所望する非線形特性となり、異物周囲における電界緩和効果が生じ、好適である。図２に示すように、タンク１１内面へのコーティング範囲は、タンクが水平に配置された場合、少なくともタンク内面の下半分以上を覆うように塗布される。タンク内部に金属異物が発生した場合、金属異物近傍は電界集中し、高電界となる。金属異物は非線形抵抗材３に直接接触しており、この範囲にある非線形抵抗材３への電界が上昇することにより導電率が大きくなり、電気的に異物先端の大きさが拡がることと等価となり異物近傍の電界集中が緩和される。この緩和により、金属異物付着時の部分放電開始電圧が向上する。

樹脂１５は、タンク１１内面にスプレーコーティング、もしくは刷毛塗りにより塗布がなされる。粉体状の非線形抵抗材１６をコーティングするにはスプレーでの吹付が作業効率および品質管理上の面からもより好適である。異物周囲の電界集中を緩和するためには十分な厚さの非線形抵抗材３の層が必要であり、かつコーティングの作業性も考慮すると５μｍ以上、５００μｍ以下とすることが望ましい。また、ほぼ均一に塗布することがより望ましい。コーティング作業のフローを図７に示す。

金属異物をタンク内に設置した浮上試験結果を図８に示す。タンク１１内面を金属面とした場合の異物の浮上電圧の値を１．０とした場合、樹脂による絶縁膜で被覆した場合、浮上電圧は平均値が１．３程度となり、ばらつきは２０％程度となる。これに対し、酸化亜鉛を樹脂内に添加したコーティング材を塗布した場合、平均値は１．６程度と上昇するが、ばらつきは２０％程度と樹脂単体と同程度となる。本実施例である、樹脂１５の上部に粉体状の非線形抵抗材１６をコーティングした場合、浮上電圧の平均値が１．６以上となり、かつばらつきが５％程度と小さくなる。これにより、装置タンク１１内部に金属異物の浮上を制限し、かつ異物が存在する場所により異物浮上抑制効果のばらつきを抑制することが可能とり、高い絶縁耐力を保持することが可能となる。

図９は実施例２にかかるコーティング材の構成を示す断面模式図である。タンク１１の内面にコーティングする第一層として無機材１７を添加した樹脂１８を用いる。前記の無機材１７とは、非線形抵抗材よりも抵抗率が高く、樹脂よりも線膨張率の小さく、抵抗率が電界に対して非線形性を持たないセラミクスを指す。例えば、アルミナが用いられる。無機材の添加によりコーティング層の線膨張係数を金属タンクと同等に調整可能となり、タンクの熱伸び、および熱収縮によるコーティング層の割れを防止することが可能となる。

図１０は実施例３にかかるコーティング材の構成を示す断面模式図である。タンク１１内面にコーティングする第一層として，粉体塗装する非線形抵抗材１６の非線形特性よりも非線形特性に移行する電圧が高くなるように非線形抵抗材１９を樹脂に添加したコーティング材（非線形抵抗材を添加した樹脂２０）を用いる。樹脂に添加する非線形抵抗材１９の種類や添加量の制御で、粉体塗装する非線形抵抗材３より非線形特性に移行する電圧が高い、非線形抵抗材８を樹脂に添加したコーティング材が得られる。また、非線形抵抗材２０は、二種類以上の非線形抵抗材を混合させたものも使用できる。混合させた２種類以上の非線形抵抗材の種類、各種類の添加量、各種類の添加割合などの制御することで、粉体塗装する非線形抵抗材１６より非線形特性に移行する電圧が高い、非線形抵抗材１９を樹脂に添加したコーティング材も得られる。これによりコーティング厚さを薄くした場合においても電界緩和効果を得ることが可能となる。第一層に用いる非線形抵抗材の非線形特性への移行電圧は第二層の粉体コーティング材の２倍以上とすることが望しまい。

図１１は実施例４にかかるコーティング材の構成を示す断面模式図である。タンク１１内面にコーティングする第一層としては、粉体塗装する無機材２１を用いる。粉体塗装の方法として、タンク１を接地電位とし，静電力で無機材粉体を付着させるように無機材粉体を帯電して吹き付ける。粉体塗装したのちに、第一層表面を活性化し、粉体状の非線形抵抗材１６をコーティングする。これにより、コーティング作業において樹脂混錬工程を無くすことが可能となる。

図１２は実施例５にかかるコーティング材の構成を示す断面模式図である。タンク１１内面にコーティングする第一層として、第二層に用いる非線形抵抗材１６よりも非線形特性に移行する電圧が高い、粉体塗装の非線形抵抗材２２を用いる。第一層表面を活性化し、第二層の粉体状の非線形抵抗材１６をコーティングする。これにより、コーティング作業において樹脂混錬工程を無くすことが可能となり、さらにコーティング厚さを薄くした場合においても電界緩和効果を得ることが可能となる。第一層に用いる非線形抵抗材の非線形特性への移行電圧は第二層の非線形抵抗材の移行電圧の２倍以上とすることが望ましい。

１受電用断路器、２遮断器、３母線用断路器、４母線、５操作盤、６操作器、７変流器、８接地開閉器、９ケーブルヘッド、１０変成器、１１タンク、１２主回路導体、１３コーティング材、１４絶縁物、１５樹脂、１６非線形抵抗材、１６－１第一の非線形抵抗材、１６－２第二の非線形抵抗材、１７無機材、１８無機材を充填した樹脂、１９樹脂に添加する非線形抵抗材、２０非線形抵抗材を添加した樹脂、２１粉体塗装する無機材、２２第一層の粉体塗装に用いる非線形抵抗材

Claims

主回路導体と、前記主回路導体を収納するタンクと、
前記タンクと前記主回路導体との間に介在して前記主回路導体を支持する絶縁物とを有するガス絶縁開閉装置において、
前記タンクの内面に第一層としてのコーティング層を備え、
さらに、前記第一層の表面に粉体状の非線形抵抗材コーティング層を備える
ことを特徴とするガス絶縁開閉装置。
請求項１に記載のガス絶縁開閉装置において、前記第一層としてのコーティング層は樹脂層であることを特徴とするガス絶縁開閉装置。
請求項２に記載のガス絶縁開閉装置において、前記第一層としてのコーティング層は無機材を添加した樹脂層であることを特徴とするガス絶縁開閉装置。
請求項２に記載のガス絶縁開閉装置において、前記前記第一層としてのコーティング層は前記粉体状の非線形抵抗材コーティング層の非線形特性よりも非線形特性に移行する電圧が高くなるように非線形抵抗材を添加した樹脂層であることを特徴とするガス絶縁開閉装置。
請求項１に記載のガス絶縁開閉装置において、前記第一層としてのコーティング層は、塗装する無機材であることを特徴とするガス絶縁開閉装置。
請求項１に記載のガス絶縁開閉装置において、前記第一層としてのコーティング層は、前記粉体状の非線形抵抗材コーティング層の非線形特性よりも非線形特性に移行する電圧が高い粉体塗装の非線形抵抗材であることを特徴とするガス絶縁開閉装置。
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のガス絶縁開閉装置において、
前記粉体状の非線形抵抗材コーティング層は非線形特性の発生する電界が高く、非線形特性の傾きが急峻な抵抗材と、
非線形特性の発生する電界が低く、非線形特性の傾きが緩やかな抵抗材の少なくとも２種類以上混合したものである
ことを特徴とするガス絶縁開閉装置。
請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のガス絶縁開閉装置において、
前記第一層としてのコーティング層と前記非線形抵抗材コーティング層の間に化学結合を有することを特徴とするガス絶縁開閉装置。
主回路導体と、前記主回路導体を収納するタンクと、
前記タンクと前記主回路導体との間に介在して前記主回路導体を支持する絶縁物とを有するガス絶縁開閉装置において、
前記タンクの内面に第一層としてのコーティング層を配置し、
さらに、前記第一層の表面に粉体状の非線形抵抗材コーティング層を配置することを特徴とするガス絶縁開閉装置の製造方法。
請求項９に記載のガス絶縁開閉装置の製造方法において、
前記第一層の表面を活性化したのちに粉体状の非線形抵抗材をコーティングすることを特徴とするガス絶縁開閉装置の製造方法。
請求項１０記載のガス絶縁開閉装置の製造方法において、前記活性化は紫外線処理であることを特徴とするガス絶縁開閉装置の製造方法。
請求項１０に記載のガス絶縁開閉装置の製造方法において、前記活性化はプラズマ処理であることを特徴とするガス絶縁開閉装置の製造方法。
請求項９から請求項１２のいずれか一項に記載のガス絶縁開閉装置の製造方法において、前記第一層としてのコーティング層は樹脂層であることを特徴とするガス絶縁開閉装置の製造方法。
請求項９から請求項１２のいずれか一項に記載のガス絶縁開閉装置の製造方法において、前記第一層としてのコーティング層は無機材を添加した樹脂層であることを特徴とするガス絶縁開閉装置の製造方法。
請求項９から請求項１２のいずれか一項に記載のガス絶縁開閉装置の製造方法において、前記第一層としてのコーティング層は前記粉体状の非線形抵抗材コーティング層の非線形特性よりも非線形特性に移行する電圧が高くなるように非線形抵抗材を添加した樹脂層であることを特徴とするガス絶縁開閉装置の製造方法。
請求項９から請求項１２のいずれか一項に記載のガス絶縁開閉装置の製造方法において、前記第一層としてのコーティング層は、塗装する無機材であることを特徴とするガス絶縁開閉装置の製造方法。
請求項９から請求項１２のいずれか一項に記載のガス絶縁開閉装置の製造方法において、前記第一層としてのコーティング層は、前記粉体状の非線形抵抗材コーティング層の非線形特性よりも非線形特性に移行する電圧が高い、塗装する非線形抵抗材であることを特徴とするガス絶縁開閉装置の製造方法。