JPWO2007032344A1 - ガス絶縁開閉装置及びガス遮断器 - Google Patents

Abstract

【課題】 絶縁ガスにＳＦ６代替ガスを用い、環境負荷が少なく、絶縁耐力が高く、さらに遮断性能が優れるガス絶縁開閉装置を提供することである。【解決手段】 絶縁ガスが充填された容器内に開閉器が収納されたガス絶縁開閉装置であって、この絶縁ガスはＣＦ３Ｉ及びＣＯ２を含み、ＣＦ３Ｉの圧力比が１５％以上である。【選択図】 図８

Description

本発明は、絶縁ガスに六フッ化硫黄（ＳＦ_６）代替ガス、詳しくはヨウ化トリフルオロメタン（ＣＦ_３Ｉ）ガスを用いたガス絶縁開閉装置及びガス遮断器に関する。

一般にガス絶縁開閉装置、特にガス遮断器の絶縁ガスとしてＳＦ_６ガスが広く用いられている。ＳＦ_６ガスは優れた絶縁性能に加えて、無毒無害、不活性といった工業的に優れた特性を持っている。しかし、地球温暖化係数が１００年換算でＣＯ_２の２３，９００倍と非常に高いため、１９９７年に開催された地球温暖化防止京都会議（ＣＯＰ３）において地球温暖化ガスに指定され、その排出量の削減に対する取り組みが検討されるようになった。そこで、環境保護の観点からＳＦ_６代替ガスが探されている。

ＳＦ_６代替ガスとして、ＣＦ_３Ｉは地球温暖化係数が５以下と非常に小さく、オゾン破壊係数も非常に小さく、環境負荷を低減することができる。ＣＦ_３Ｉは液化温度が高いため実用化しにくいという問題があるが、液化対策として他のガスと混合し分圧すれば、液化温度を下げることができる。

特許文献１では、ガス絶縁電気機器の開閉器と通電路に異なる電気絶縁性ガスを封入しており、通電路にＣＦ_３Ｉを含む混合ガスを封入している。
特開２０００−１６４０４０号公報

しかしながら、絶縁ガスとしては、絶縁耐力とともに遮断性能が重要であるが、従来、ＳＦ_６代替ガスとして遮断性能について検討されたものはなかった。特許文献１では、ガス絶縁開閉装置として絶縁耐力について検討されているが、特に遮断器について遮断性能の検討はされていない。

ＳＦ_６ガスは優れた絶縁耐力を持ち、またアーク導電性の低下が速やかであるため、遮断性能が極めて高い。したがって、ＳＦ_６代替ガスの探索においてもこれらの特性を調査する必要がある。

そこで、本発明の目的としては、絶縁ガスにＳＦ_６代替ガスを用い、環境負荷が少なく、絶縁耐力が高く、さらに遮断性能が優れるガス絶縁開閉装置及びガス遮断器を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明者らは、ＣＯ_２やＨ_２をはじめ様々なガスについて遮断性能に着目し、環境負荷が少なく、高い絶縁耐力を持つＣＦ_３Ｉガスが遮断性能に優れることを見出し、さらにＣＦ_３ＩとＣＯ_２の組合せが液化温度を適正にし、遮断性能に優れることを見出し、ガス絶縁開閉装置及びガス遮断器へ適用するに至った。

すなわち、本発明は以下の内容を要旨とする。
（１） 絶縁ガスが充填された容器内に開閉器が収納されたガス絶縁開閉装置において、この絶縁ガスはＣＦ_３Ｉ及びＣＯ_２を含み、ＣＦ_３Ｉの圧力比が１５％以上であることを特徴とするガス絶縁開閉装置。
（２） ＣＦ_３Ｉの圧力比が４０％以上であることを特徴とする（１）に記載されたガス
絶縁開閉装置。
（３） ＣＦ_３Ｉの分圧が０．２ＭＰａ以下であることを特徴とする（１）又は（２）に記載されたガス絶縁開閉装置。
（４） 絶縁ガスを用いて電路を遮断するガス遮断器であって、前記絶縁ガスはＣＦ_３Ｉ及びＣＯ_２を含み、ＣＦ_３Ｉの圧力比が１５％以上であることを特徴とするガス遮断器。（５） ＣＦ_３Ｉの圧力比が４０％以上であることを特徴とする（４）に記載されたガス遮断器。
（６） ＣＦ_３Ｉの分圧が０．２ＭＰａ以下であることを特徴とする（４）又は（５）に記載されたガス遮断器。

絶縁ガスにＳＦ_６代替ガスを用い、環境負荷が少なく、絶縁耐力が高く、さらに遮断性能が優れるガス絶縁開閉装置及びガス遮断器を提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態におけるガス絶縁開閉装置の模式図である。 図２は、本発明の実施の形態における０．２ＭＰａ条件での各種ガスのｄｉ／ｄｔ−ｄｖ／ｄｔ特性を示すグラフである。 図３は、本発明の実施の形態における実験装置の模式図である。 図４は、本発明の実施の形態における実験回路の模式図である。 図５は、本発明の実施の形態における電流零点近傍における電流（Ｃｕｒｒｅｎｔ）及び電圧（Ｖｏｌｔａｇｅ）の波形を示すグラフである。 図６は、本発明の実施の形態における０．２ＭＰａ条件でのＣＦ_３Ｉガスのｄｉ／ｄｔ−ｄｖ／ｄｔ特性を示すグラフである。 図７は、本発明の実施の形態における０．２ＭＰａ条件でのＣＦ_３Ｉ−ＣＯ_２混合ガスのｄｉ／ｄｔ−ｄｖ／ｄｔ特性を示すグラフである。 図８は、本発明の実施の形態における０．２ＭＰａ条件でのＣＦ_３Ｉ−ＣＯ_２混合ガスのＣＦ_３Ｉの圧力比に対するＳＬＦ遮断性能の推移を示すグラフである。

符号の説明

１ 上流容器
２ 固定接触子
３ 可動接触子
４ バネ
５ ノズル
６ バキュームタンク
７ バキュームポンプ
８ リザーブタンク
１０ 実験装置
１１ ガス遮断器
１２ 線路側断路器
１３ 母線断路器
１４ 線路側接地装置
１５ 接地装置
１６ 計器用変圧器
１７ 変流器
１８ ケーブル接続部
１９ 母線
２０ ガス絶縁開閉装置

以下、本発明の実施の形態について説明する。本実施の形態における例示が本発明を限定することはない。

本発明を適用することができるガス絶縁開閉装置としては、絶縁ガスが充填された容器内に開閉器が収容されたものであれば限定されないが、一例を図１に示す。図１に示すガス絶縁開閉装置２０において、遮断器１１は電力系統などに生じた地絡・短絡箇所を速やかに系統から切り離し、直列に接続された機器の破壊や損傷を防ぐために用いられ、線路側断路器１２及び母線断路器１３は電路の開閉を行い、線路側接地装置１４及び接地装置１５は点検修理時などに無電圧状態の導体を接地し安全を確保する機器であり、計器用変圧器１６及び変流器１７は電圧と電流の測定機器で電圧や電流の検出を行い、ケーブル接続部１８はケーブル接続部分であり、母線１９は電線路の接続と切換や系統の切換を行う設備である。これらの開閉器を一体的に構成して容器内に収容し、容器を密閉して内部に絶縁ガスを充填し、機器の遮断及び絶縁を図ることができる。また、本発明を適用することができるガス遮断器としては、絶縁ガスを用いて電路を遮蔽するものであれば限定されない。例えば、図１に示す遮断器１１を単独のガス遮断器として用いることが可能であり、この場合では特に絶縁ガスの遮断性能が求められるが、本発明の絶縁ガスを用いれば遮断性能を高めることができる。

本発明の絶縁ガスとしては、ＣＦ_３Ｉ及びＣＯ_２を含み、ＣＦ_３Ｉの圧力比が１５％以上のものである。

絶縁ガスには、高い絶縁耐力とともに優れた遮断性能が必要である。遮断性能としては、端子短絡故障（Ｂｒｅａｋｅｒ Ｔｅｒｍｉｎａｌ Ｆａｕｌｔ：ＢＴＦ）遮断における絶縁回復特性と近距離線路故障（Ｓｈｏｒｔ Ｌｉｎｅ Ｆａｕｌｔ：ＳＬＦ）遮断における熱的破壊の起こりにくさが挙げられる。ＢＴＦは電流遮断後の過渡回復電圧上昇率は低いが、過渡回復電圧は高くなり、絶縁的再発弧を引き起こす。この場合、絶縁ガスの絶縁耐力が高いことが重要である。一方、ＳＬＦは再起電圧に高周波振動が重畳し、その結果、電流零点直後の過渡回復電圧上昇率は非常に高くなり、熱的再発弧を引き起こす。電流零点付記におけるアークの導電性の低下が速やかである必要がある。

本発明では、電流遮断性能として、ＣＦ_３ＩガスがＳＦ_６ガスに近いＳＬＦ遮断性能を持つことを見出した。一方、０．１ＭＰａ（絶対圧、以下同じ）ではＣＦ_３Ｉガスの絶縁耐力はＳＦ_６ガスよりも高く、ＳＦ_６ガスの１．２倍以上である。また、ＣＦ_３Ｉは、無色無臭、不活性であり、地球温暖化係数（ＧＷＰ）は５以下、またオゾン破壊係数（ＯＤＰ）は０．０００１と非常に小さく、環境負荷が極めて小さいガスである。したがって、遮断性能に優れ、絶縁耐力が高く、環境負荷が低いＣＦ_３ＩガスはＳＦ_６ガスの代替ガスとして適したものであるといえる。

しかし、ＣＦ_３Ｉは液化温度が高く、大気圧（約０．１ＭＰａ）で−２２．５℃である。従来、絶縁開閉装置ではＳＦ_６ガスをほぼ０．５ＭＰａに充填し運転されるが、０．５ＭＰａではＣＦ_３Ｉガスの液化温度は２０℃以上となり、ガス絶縁開閉装置及びガス遮蔽器として使用することが難しくなる。この液化対策の一つとして、ＣＦ_３Ｉと他のガスとを混合して分圧することで、ＣＦ_３Ｉの液化温度を下げることができる。

そこで、本発明では、ＣＦ_３Ｉガスと各種ガスとの混合ガスについて遮断性能を検討し、ＣＦ_３Ｉ−ＣＯ_２混合ガスの遮断性能が優れることを見出し、さらにＣＦ_３Ｉの混合比の適正な範囲を見出すことに成功した。

ＣＯ_２は、ＳＦ_６代替ガスの中でも優れた遮断性能を持つ。遮断性能を評価した結果で
は、図２に示すように、Ｎ_２、空気（Ａｉｒ）、Ｈ_２よりもＣＯ_２の遮断性能が優れる。Ｎ_２や空気なども混合するガスとして考えられるが、その遮断性能はＣＯ_２に比べて劣る。したがって、Ｎ_２や空気よりもＣＯ_２を混合した方が混合ガスとしては優れた遮断性能が得られる。また、ＣＯ_２は自然系ガスであり、十分な量が存在している。このように、ＣＦ_３Ｉに混合するガスとして、ＣＯ_２は、遮断性能の観点からも工業的な観点からも優れている。

本発明の絶縁ガスにおいて、ＣＦ_３Ｉの圧力比は好ましくは１５％以上、より好ましくは２０％以上である。この範囲で遮断性能が高まる。

本発明の絶縁ガスにおいて、より好適には、ＣＦ_３Ｉの圧力比は４０％以上である。この範囲で絶縁耐力が高まる。絶縁ガスにはＢＴＦ遮断のような高い過渡回復電圧にも絶える絶縁耐力も必要である。ＳＦ_６ガスと比較すると、ＣＦ_３Ｉ：Ａｉｒ＝６：４の混合ガスがほぼ同等のＶ−ｔ特性である（豊田裕之、松岡成居、日高邦彦、「急峻方形波高電圧を用いたＣＦ_３Ｉ−Ｎ_２、ＣＦ_３Ｉ−Ａｉｒ混合ガス中Ｖ−ｔ特性の測定」、電学論Ａ、Ｖｏｌ．１２５、Ｎｏ．５、ｐ４０９−４１４（２００５））。ＣＯ_２の絶縁耐力は空気と同等若しくはそれ以上であるため、ＣＦ_３Ｉ−ＣＯ_２混合ガスではＣＦ_３Ｉ混合率が４０〜６０％程度の場合ＳＦ_６ガスと同等の絶縁耐力になると考えられる。したがって、ＣＦ_３Ｉの圧力比を４０％以上の範囲とすると絶縁耐力を高めることができる。

本発明の絶縁ガスにおいて、より好適には、ＣＦ_３Ｉの分圧は好ましくは０．２ＭＰａ以下、より好ましくは０．１ＭＰａ以下である。ＣＦ_３Ｉの液化温度は、０．２ＭＰａで−４℃、０．１ＭＰａで−２２．５℃であり、この分圧の範囲とすることでそれぞれの温度まで液化を防止することができる。ガス絶縁開閉装置及びガス遮蔽器の全圧が一般的な０．５ＭＰａの場合、ＣＦ_３Ｉの圧力比が４０％では分圧が０．２ＭＰａになり液化温度が−４℃となり、ＣＦ_３Ｉの圧力比が２０％では分圧が０．１ＭＰａになり液化温度が−２２．５℃となる。

ＳＬＦ遮断性能、ＢＴＦ遮断性能、及び液化温度の観点からＣＦ_３ＩガスのＳＦ_６代替ガスとしてガス絶縁開閉装置及びガス遮蔽器への適用を検討する場合では、その適用へはＣＦ_３Ｉガスを４０％程度混合したＣＦ_３Ｉ−ＣＯ_２混合ガスを利用することが特に好ましい。

以下、ＣＦ_３Ｉ−ＣＯ_２混合ガスの遮断性能の評価結果について説明する。

（実験装置）
図３に実験装置１０を示す。この装置１０はガス遮蔽器の消弧室のモデルである。上流容器１中で固定接触子２と可動接触子３が接触し、可動接触子３がバネに接続される。固定接触子２と可動接触子３の接触部分はノズル５で仕切られた上流側に位置する。上流容器１を下流側でバキュームタンク６とバキュームポンプ７で真空引き後、上流側のリザーブタンク８から上流容器１に供試ガスを供給し、可動接触子３をバネ４により下流側に駆動する。可動接触子３がノズル５の外部に出るとノズル５中にガスが流れる。なお、前述の上流容器１の圧力はガス流速が音速となる値に保っている。可動接触子３のストローク長は２０ｍｍであり、開極動作完了時に可動接触子３の先端がノズル５の外面から１０ｍｍ離れるように設定している。ノズル５材料はＰＴＦＥ（ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ）であり、スロート径は５ｍｍ、全長は１０ｍｍである。固定接触子２及び可動接触子３の材料はＣｕ２０％−Ｗ８０％の合金であり、それらの長さはそれぞれ４ｍｍ、７ｍｍである。

（供試ガス）
供試ガスとしてはＣＦ_３Ｉガス、及びＣＦ_３ＩとＣＯ_２との混合ガスを使用した。

（実験回路）
実験装置１０を組み込んだ実験回路を図４に示す。本実験ではＳＬＦ模擬線路のＬ_Ａ〜Ｌ_ＤとＣ_Ａ〜Ｃ_Ｄの値を調整し、サージインピーダンスＺを３００Ωおよび４５０Ωに設定した。図４の電流重畳試験回路においてＣ_１の充電電圧と、Ｃ_３の充電電圧を変化させて遮断成功、失敗の限界となる点を求めた。ガスの吹き付け圧力はそれぞれ０．２ＭＰａとした。Ｃ_１、Ｌ_１により生じる放電電流の電流波高値付近で可動接触子を開極させる。そして、電流の零点付近でギャップを導通させ、Ｃ_３およびＬ_２によって生ずる高周波電流が放電電流に重畳し、図５のような波形となる。この状態を遮断成功とし、電流が零点で遮断されず負の電流が引き続き流れる状態を遮断不成功とした。この波形より電流零点近傍の電流変化率（ｄｉ／ｄｔ）および電圧変化率（ｄｖ／ｄｔ）、すなわち電流零点近傍の電流および電圧の傾きを求めた。実験では電流の周波数や波高値を調整し、電流変化率および電圧変化率を変化させて遮断成功もしくは遮断不成功となる境界を求め、遮断性能を評価した。

（結果）
（ＣＦ_３ＩガスのＳＬＦ遮断特性）
吹き付け圧力０．２ＭＰａにおけるＣＦ_３Ｉガスのｄｉ／ｄｔ−ｄｖ／ｄｔ特性を図６に示す。図中の曲線（図中実線で示す）は遮断成功・不成功の境界を示しており、曲線の左下側の領域では遮断成功、右上側の領域では遮断不成功となるということを表す。

０．２ＭＰａにおいてＳＦ_６ガスのｄｉ／ｄｔ−ｄｖ／ｄｔ特性と比較すると、ＣＦ_３Ｉガスの境界線はＳＦ_６ガスよりも左下側にある。つまり、ＣＦ_３ＩガスはＳＦ_６ガスよりも遮断性能が劣るということがわかる。しかし、同じサージインピーダンスにおいて性能比をみると、ＣＦ_３ＩガスはＳＦ_６ガスの約０．９倍であり、ＳＦ_６ガスには及ばないものの優れた遮断性能を有するといえる。これまで様々なガスについて調査してきたが、これほどＳＦ_６ガスに近い遮断性能を示すガスは存在しなかった。

（ＣＦ_３Ｉ−ＣＯ_２混合ガスのＳＬＦ遮断特性）
ＣＦ_３Ｉの圧力比が２０％であるＣＦ_３Ｉ−ＣＯ_２混合ガスのｄｉ／ｄｔ−ｄｖ／ｄｔ特性を図７に示す。同図にはＣＯ_２およびＣＦ_３Ｉのｄｉ／ｄｔ−ｄｖ／ｄｔ特性も比較のため表示している。ＣＦ_３Ｉ−ＣＯ_２混合ガスは純粋なＣＦ_３Ｉに近いＳＬＦ遮断性能であった。ＣＦ_３ＩガスとＣＯ_２の混合割合が２：８であるが、ほぼＣＦ_３Ｉに近い遮断性能を示したことから、この混合ガスの遮断性能は非線形に変化すると考えられる。

次に、ＣＦ_３Ｉの混合率を変化させてＳＬＦ遮断性能を調査した。サージインピーダンス３００ΩにおいてＣＦ_３Ｉ−ＣＯ_２混合ガスにおけるＣＦ_３Ｉ混合率の変化に対するＳＬＦ遮断性能の推移を図８に示す。図８は純粋なＣＦ_３ＩガスのＳＬＦ遮断性能を１とし、純粋なＣＦ_３ＩガスとＣＦ_３Ｉガスの混合割合を変化させたときのＣＦ_３Ｉ−ＣＯ_２混合ガスの遮断性能との比を表したものである。吹き付け圧力はいずれも０．２ＭＰａである。

ＣＦ_３Ｉガスの割合が圧力比で０〜１５％程度の範囲ではＣＦ_３Ｉの割合が増加するに従いＳＬＦ遮断性能はほぼ線形的に変化している。しかし、ＣＦ_３Ｉガスの混合割合が圧力比で１５〜２０％付近になるとＳＬＦ遮断性能は著しく上昇した。したがって、この割合でのＣＦ_３Ｉ−ＣＯ_２混合ガスは純粋なＣＦ_３ＩガスのＳＬＦ遮断性能とほぼ同等の性能を得られることがわかった。

以上の実験は、０．２ＭＰａ条件下で行った結果であるが、圧力の条件が変わってもこの傾向は同様であると考えられる。通常、ガス絶縁開閉装置及びガス遮蔽器で運転されているＳＦ_６ガスの圧力は０．５ＭＰａである。そこで、０．５ＭＰａを想定して遮断性能を単純に換算すると、圧力比ＣＦ_３Ｉ：ＣＯ_２＝２：８ではＣＦ_３Ｉガスを０．１ＭＰａ、ＣＯ_２を０．４ＭＰａ充填するということになる。この場合、ＣＦ_３Ｉガスの液化温度は０．１ＭＰａで−２２．５℃であり、ガス絶縁開閉装置及びガス遮蔽器へ適用することが可能である。

上記した実験の結果、次のことが明らかになった。
（１）ＣＦ_３ＩガスのＳＬＦ遮断性能はＳＦ_６ガスの約０．９倍であり、ＳＦ_６ガスとほぼ同等である。
（２）ＣＦ_３Ｉの混合率が１５％以上でのＣＦ_３Ｉ−ＣＯ_２混合ガスのＳＬＦ遮断性能は純粋なＣＦ_３Ｉガスとほぼ同等である。

このように、ＣＦ_３Ｉガスは遮断性能に優れ、ＣＯ_２と混合することで低い充填圧力で使用することにより液化温度を下げることができ、さらに優れた遮断性能を得ることができる。したがって、上記に示した混合比でＣＦ_３Ｉガスを利用することでＳＦ_６代替ガスとしてガス絶縁開閉装置、同様にガス遮断器に利用することが可能であり、高い絶縁耐力及び優れた遮断性能で、環境負荷が極めて改善される。

Claims (6)

1. 絶縁ガスが充填された容器内に開閉器が収納されるガス絶縁開閉装置であって、
   前記絶縁ガスはＣＦ_３Ｉ及びＣＯ_２を含み、ＣＦ_３Ｉの圧力比が１５％以上であることを特徴とするガス絶縁開閉装置。
2. ＣＦ_３Ｉの圧力比が４０％以上であることを特徴とする請求項１に記載されたガス絶縁開閉装置。
3. ＣＦ_３Ｉの分圧が０．２ＭＰａ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載されたガス絶縁開閉装置。
4. 絶縁ガスを用いて電路を遮断するガス遮断器であって、
   前記絶縁ガスはＣＦ_３Ｉ及びＣＯ_２を含み、ＣＦ_３Ｉの圧力比が１５％以上であることを特徴とするガス遮断器。
5. ＣＦ_３Ｉの圧力比が４０％以上であることを特徴とする請求項４に記載されたガス遮断器。
6. ＣＦ_３Ｉの分圧が０．２ＭＰａ以下であることを特徴とする請求項４又は５に記載されたガス遮断器。

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