JPWO2016080018A1 - ガス絶縁開閉装置 - Google Patents
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Abstract
接地タンクが振動した際に金属異物が位置ずれを起こしても、金属異物と非線形抵抗膜との接触部で部分放電が発生するのを抑制できるガス絶縁開閉装置を提供すること。絶縁ガスが充填された接地タンク（２）と、接地タンクの内部に配置され、電圧が印加される中心導体（３）と、中心導体を絶縁支持する絶縁支持部材（４）と、接地タンクの少なくとも鉛直下側の内表面に配置され、絶縁材料（５１）に非線形抵抗材料（５２）が含有されてなる非線形抵抗部（５）とを備え、非線形抵抗部（５）にかかる電界が、運転時における非線形抵抗部と接地タンク内に混入した金属異物（６）との接触点近傍の電界値より高いとき、非線形抵抗部（５）の中心導体側の表面における抵抗率は、放電遅れ時間と電界緩和時定数が等しくなる抵抗率より小さくする。
Description
この発明は、高電圧が印加される中心導体を接地タンク内部に収容し、接地タンク内部に充填した絶縁ガスで中心導体と接地タンクとを絶縁したガス絶縁開閉装置に関するものである。
ガス絶縁開閉装置は、高電圧が印加される中心導体を金属製の接地タンクに収納し、接地タンクと中心導体の間の空間に絶縁ガスを封入することで絶縁性能を確保している。ただし、製作時や現地での据付作業時に異物（ちり・繊維・導電性または半導電性の固体等）が接地タンク内に混入し、絶縁性能が低下する恐れがある。混入した異物は通電時に発生する電界によって帯電し、接地タンクの内表面から浮上する方向に静電気力を受ける。静電気力が異物に働く重力より大きくなると異物は浮上し、中心導体に向かって移動する。異物周囲で電界は集中するため、異物が中心導体に接近したり付着したりすると局所的に高電界となり、装置の耐電圧性能が低下する恐れがある。特に異物が金属製でかつ線状の場合は異物先端で強く電界集中するため、絶縁性能の低下が大きい。
この金属異物の問題に対し、例えば特許文献１に示される従来のガス絶縁開閉装置では、タンク内表面に非直線抵抗特性を有する非線形抵抗膜を設けることで、金属異物周囲の部分放電を抑制して金属異物の帯電を防止し、金属異物の浮上を抑制している。
しかし、特許文献１に示された従来の技術では、遮断器の投入や地震等で接地タンクが振動した際に金属異物が位置ずれを起こした場合、金属異物と非線形抵抗膜の接触部近傍で部分放電が発生し、金属異物が帯電する恐れがある。これにより、金属異物の電荷に作用する静電力が金属異物に働く重力を上回ると金属異物が浮上を開始し、ガス絶縁開閉装置の絶縁性能を大きく低下させることになる。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、接地タンクが振動した場合でも金属異物周辺の部分放電を抑制しつつ、接地タンクから金属異物への電荷流入も抑制できるガス絶縁開閉装置を提供することを目的とする。
この発明に係るガス絶縁開閉装置は、絶縁ガスが充填された接地タンクと、接地タンクの内部に配置され、電圧が印加される中心導体と、接地タンクに取付けられ、中心導体を絶縁支持する絶縁支持部材と、接地タンクの少なくとも鉛直下側の内表面に配置され、絶縁材料に非線形抵抗材料が含有されてなる非線形抵抗部とを備え、非線形抵抗部にかかる電界が、運転電圧印加時において電界緩和が発生する前の非線形抵抗部と接地タンク内に混入した金属異物との接触点近傍の電界値より高いとき、非線形抵抗部の抵抗率は、放電遅れ時間と電界緩和時定数が等しくなる抵抗率より小さくしたものである。
この発明の構成とすることにより、接地タンクの振動により金属異物の位置ずれが発生しても、金属異物と接地タンクの接触部近傍で部分放電が発生する前に接触部近傍における電界を緩和でき、金属異物の帯電を抑制できる、という効果を奏する。
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１に係るガス絶縁開閉装置を図１から図５に基づいて詳細に説明する。
図１は実施の形態１に係るガス絶縁開閉装置の軸方向断面図、図２は図１内に示したＡ部の拡大図、図３は実施の形態１における非線形抵抗膜において、電界に対する抵抗特性を示す図、図４は放電の時間遅れと放電発生の累積確率を示す図、図５は一般的な絶縁膜と実施の形態１における非線形抵抗膜において、金属異物と膜の接触点近傍の電界を示す図である。
以下、この発明の実施の形態１に係るガス絶縁開閉装置を図１から図５に基づいて詳細に説明する。
図１は実施の形態１に係るガス絶縁開閉装置の軸方向断面図、図２は図１内に示したＡ部の拡大図、図３は実施の形態１における非線形抵抗膜において、電界に対する抵抗特性を示す図、図４は放電の時間遅れと放電発生の累積確率を示す図、図５は一般的な絶縁膜と実施の形態１における非線形抵抗膜において、金属異物と膜の接触点近傍の電界を示す図である。
図１および図２において、ガス絶縁開閉装置１は、圧力容器である金属製で円筒状の接地タンク２と、接地タンク２の内部に配置され、高電圧が印加される中心導体３と、接地タンク２に取付けられ、中心導体３を絶縁支持する絶縁支持部材４とを備えている。中心導体３は固体絶縁物からなる絶縁支持部材４で接地タンク２と同軸中心の位置に固定されている。なお、図１は、ガス絶縁開閉装置１の一部を示したものであり、ガス絶縁開閉装置１は以上述べた構成要素の他、遮断器、断路器、計器用変流器等の装置を備えている。
接地タンク２と中心導体３との間には、両者を絶縁するための絶縁ガス（図示せず）が充填されている。絶縁ガスとして、例えばＳＦ6・乾燥空気・Ｎ2・ＣＯ2・Ｏ2・ＣＦ3Ｉなどの単体ガスが挙げられる。また、上記ガスを２種類もしくはそれ以上の種類で混合させたものを用いても良い。
接地タンク２の内表面には非線形抵抗膜５（非線形抵抗部）が配置されている。非線形抵抗膜５は、例えば接地タンク２の少なくとも鉛直下側の内表面に配置されている。非線形抵抗膜５は樹脂を主成分とする絶縁材料５１の中に非線形抵抗材料５２（例えば炭化ケイ素）を含有している。非線形抵抗材料５２は、低電界領域での抵抗値は大きいが、高電界領域では抵抗値が小さくなる特性を有する。
非線形抵抗特性を示す材料５２としては、炭化ケイ素以外に、例えば酸化亜鉛・窒化ガリウム・ダイヤモンドが挙げられる。これら非線形特性材料は１種類のみ使用してもよいし、複数種類の材料を混合して使用してもよい。特に、複数種類の材料を混合する場合は、低電界領域での抵抗値・高電界領域での抵抗値・低電界領域から高電界領域に遷移する電界値を自由に調整することができる。また、絶縁材料５１としては熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂が考えられ、熱可塑性樹脂であれば塩化ビニル系・ポリエステル系・ナイロン系等の樹脂が、熱硬化性樹脂であればエポキシ系・ウレタン系・アクリル系等の樹脂が使用される。また、非線形抵抗膜５の形成方法としては、はけ塗り・スプレー塗装・静電塗装（静電気を粉体に与えて目標物に付着させる）等が挙げられる。
非線形抵抗特性を示す材料５２としては、炭化ケイ素以外に、例えば酸化亜鉛・窒化ガリウム・ダイヤモンドが挙げられる。これら非線形特性材料は１種類のみ使用してもよいし、複数種類の材料を混合して使用してもよい。特に、複数種類の材料を混合する場合は、低電界領域での抵抗値・高電界領域での抵抗値・低電界領域から高電界領域に遷移する電界値を自由に調整することができる。また、絶縁材料５１としては熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂が考えられ、熱可塑性樹脂であれば塩化ビニル系・ポリエステル系・ナイロン系等の樹脂が、熱硬化性樹脂であればエポキシ系・ウレタン系・アクリル系等の樹脂が使用される。また、非線形抵抗膜５の形成方法としては、はけ塗り・スプレー塗装・静電塗装（静電気を粉体に与えて目標物に付着させる）等が挙げられる。
非線形抵抗膜５が非線形抵抗特性を示し、かつ実用上問題とならないためには、非線形抵抗材料５２の含有率が規定値の範囲内にある必要がある。例えば非線形抵抗材料５２として炭化ケイ素を用いた場合、非線形抵抗材料５２の充填率は体積分率で例えば３０〜８０％の範囲にある必要がある。このうち、下限値は炭化ケイ素同士の接触に必要な分量から規定され、上限値は非線形抵抗膜５が脆くならない条件から規定される。すなわち、この規定値の範囲は、非線形抵抗膜５が非線形抵抗特性を示しかつ非線形抵抗膜５の強度を確保するための条件から決めることができる。
図３は実施の形態１における非線形抵抗膜５の電界に対する抵抗特性を示したグラフである。図３に示す通り、高電界領域における中心導体３側の非線形抵抗膜５の抵抗率は、電界緩和時定数と放電の時間遅れとが等しくなる抵抗率ρ１より小さいものとする。ここで、電界緩和時定数Ｔは以下の式（１）で表される。
Ｔ＝εｒεｏρ （１）
ここで、εｒは非線形抵抗膜５の比誘電率、
εｏは真空の誘電率８．８５×１０−１２ｍ−３ｋｇ−１ｓ４Ａ２、
ρは非線形抵抗膜５の抵抗率である。
Ｔ＝εｒεｏρ （１）
ここで、εｒは非線形抵抗膜５の比誘電率、
εｏは真空の誘電率８．８５×１０−１２ｍ−３ｋｇ−１ｓ４Ａ２、
ρは非線形抵抗膜５の抵抗率である。
また、放電の時間遅れは、電圧が印加されてから放電のタネとなる初期電子が発生するまでの統計遅れ時間と、初期電子が発生してから放電に成長するまでの形成遅れ時間の和である。図４は横軸を放電遅れ時間、縦軸を放電発生の累積確率とした図であり、文献（電力中央研究所 研究報告：T99036 「方形波インパルスによるＳＦ６中準平等電界ギャップの短時間Ｖ−ｔ特性の解明」）中に示されている図を引用したものである。ＲＩによる照射で初期電子を供給し、統計遅れ時間が無視できる条件で球−平板電極系で放電遅れ時間を測定した場合、放電遅れ時間が短くなる正極性印加の場合でも、９９％以上の確率で放電遅れ時間は５０ｎｓより大きくなることがわかる。そこで、放電の時間遅れ＝電界緩和時定数を５０ｎｓ、非線形抵抗膜５の比誘電率を１０として（１）式に代入すると、非線形抵抗膜５の抵抗率は１．１×１０3Ωｍとなる。なお、非線形抵抗膜５の比誘電率が１０と異なる場合は、（１）式に照らし合わせて「真空の誘電率×非線形抵抗膜５の比誘電率×非線形抵抗膜５の抵抗率」が５０ｎｓより小さくなるよう非線形抵抗膜５の抵抗率を調整する。
一方、低電界領域における非線形抵抗膜５の抵抗率は、絶縁物として機能するぐらいに高い抵抗率を保つようになっている。図３において、領域Ｒ１は高電界時の目標抵抗率領域を示し、領域Ｒ２は低電界時の目標抵抗率領域を示している。また、Ｅ１は耐電圧試験時の金属異物６周囲の電界値を、Ｅ２は運転電圧印加時において電界緩和が発生する前の非線形抵抗膜５と接地タンク２内に混入した金属異物６との接触点近傍の電界値を示している。
次に、実施の形態１における非線形抵抗膜５の作用について説明する。ここで、図１では接地タンク２内に微小な金属異物６が混入し、非線形抵抗膜５上に存在するものとする。
中心導体３に印加される電圧が低い場合、または中心導体３から発生する電界が低い場合、非線形抵抗膜５内の非線形抵抗材料５２は絶縁物として機能する。このため、接地タンク２から金属異物６への電荷の流入が遮断され、金属異物６はほとんど帯電しない。従って、中心導体３から発生した電界による電気的吸引力が金属異物６の自重より大きくなって金属異物６が浮上することはない。
中心導体３に印加される電圧が低い場合、または中心導体３から発生する電界が低い場合、非線形抵抗膜５内の非線形抵抗材料５２は絶縁物として機能する。このため、接地タンク２から金属異物６への電荷の流入が遮断され、金属異物６はほとんど帯電しない。従って、中心導体３から発生した電界による電気的吸引力が金属異物６の自重より大きくなって金属異物６が浮上することはない。
一方、中心導体３に印加される電圧が高い場合、または中心導体３から発生する電界が高い場合、非線形抵抗膜５内の非線形抵抗材料５２の抵抗値は小さくなる。これにより、非線形抵抗膜５の中心導体３に近い部分は導電性を示す。
図５は、一般的な絶縁膜と実施の形態１における非線形抵抗膜５において、金属異物６の周囲電界に対する金属異物６と非線形抵抗膜５の接触点近傍の局所電界の依存性を示す図である。
図５に示す通り非線形抵抗膜５と金属異物６の接触点近傍における電界集中が緩和されて部分放電が発生しにくくなり、仮に部分放電が発生したとしても電荷は非線形抵抗膜５の中心導体３に面する部分を流れて逃げてしまい、金属異物６の帯電は抑制される。一方、非線形抵抗膜５のうち接地タンク２に近い部分は高い抵抗値を保つため、接地タンク２の内表面から金属異物６への電荷の移動による金属異物６の帯電は抑制される。以上より、中心導体３から発生した電界による電気的吸引力が金属異物６の自重より大きくなって金属異物６が浮上することはない。
図５は、一般的な絶縁膜と実施の形態１における非線形抵抗膜５において、金属異物６の周囲電界に対する金属異物６と非線形抵抗膜５の接触点近傍の局所電界の依存性を示す図である。
図５に示す通り非線形抵抗膜５と金属異物６の接触点近傍における電界集中が緩和されて部分放電が発生しにくくなり、仮に部分放電が発生したとしても電荷は非線形抵抗膜５の中心導体３に面する部分を流れて逃げてしまい、金属異物６の帯電は抑制される。一方、非線形抵抗膜５のうち接地タンク２に近い部分は高い抵抗値を保つため、接地タンク２の内表面から金属異物６への電荷の移動による金属異物６の帯電は抑制される。以上より、中心導体３から発生した電界による電気的吸引力が金属異物６の自重より大きくなって金属異物６が浮上することはない。
また、高電界印加時における中心導体側の非線形抵抗膜５の抵抗率ρが、電界緩和時定数と放電の時間遅れとが等しくなる抵抗率ρ１より小さいから、接地タンク２の振動によって金属異物６の位置ずれが発生しても、金属異物６と非線形抵抗膜５との接触部近傍で部分放電が発生する前に電界緩和が起こるため、部分放電は発生しない。
上記のように非線形抵抗膜５の中心導体側の表面における抵抗率は、非線形抵抗膜５にかかる電界が、運転時における非線形抵抗膜５と接地タンク２内に混入した金属異物６との接触点近傍の電界値より高いとき、放電遅れ時間と電界緩和時定数が等しくなる抵抗率より小さく構成すれば、接地タンク２の振動により金属異物６の位置ずれが発生しても、金属異物６と接地タンク２の接触部近傍で部分放電が発生する前に接触部近傍における電界を緩和でき、部分放電の発生を抑制できる。また、非線形抵抗膜５の抵抗率は、１０3Ωｍより小さくする（非線形抵抗膜５の比誘電率が１０のとき）ことで、一層効果がある。
実施の形態２．
次にこの発明の実施の形態２に係るガス絶縁開閉装置を図６及び図７に基づいて説明する。
図６は実施の形態２におけるガス絶縁開閉装置の軸方向断面図であり、図７は図６内に示したＢ部の拡大図である。なお、図６及び図７において、図１および図２に示した構成要素と同一または相当する部分の構成要素には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
実施の形態１では、接地タンク２の内表面に非線形抵抗膜５のみを配置していたが、実施の形態２では、接地タンク２と非線形抵抗膜５との間に高抵抗の絶縁膜７を設けたものである。その他の構成は実施の形態１と同じに付き、説明を省略する。
次にこの発明の実施の形態２に係るガス絶縁開閉装置を図６及び図７に基づいて説明する。
図６は実施の形態２におけるガス絶縁開閉装置の軸方向断面図であり、図７は図６内に示したＢ部の拡大図である。なお、図６及び図７において、図１および図２に示した構成要素と同一または相当する部分の構成要素には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
実施の形態１では、接地タンク２の内表面に非線形抵抗膜５のみを配置していたが、実施の形態２では、接地タンク２と非線形抵抗膜５との間に高抵抗の絶縁膜７を設けたものである。その他の構成は実施の形態１と同じに付き、説明を省略する。
前述の通り、中心導体３に印加される電圧が低い場合、または中心導体３から発生する電界が低い場合、非線形抵抗膜５は絶縁物として機能する。ただし、非線形抵抗膜５単独では絶縁膜より抵抗値が小さいため、高電圧を長時間印加した場合は接地タンク２から金属異物６に流入する電荷が次第に大きくなる。実施の形態２では接地タンク２と非線形抵抗膜５との間に高抵抗の絶縁膜７を設けているため、接地タンク２から金属異物６への電荷の流入が遮断され、時間が経過しても金属異物６はほとんど帯電しない。
上記のように接地タンク２と非線形抵抗膜５との間に高抵抗の絶縁膜７を設けた構成のガス絶縁開閉装置１にすれば、高電圧を長時間印加した場合でも接地タンク２から金属異物６への電荷の流入を抑制でき、金属異物６の帯電を防止することで金属異物６の挙動を抑制できる。
実施の形態３．
次にこの発明の実施の形態３に係るガス絶縁開閉装置を図８から図１１に基づいて説明する。
図８は実施の形態３におけるガス絶縁開閉装置の軸方向断面図であり、図９は図８内に示したＣ部の拡大図である。図１０は実施の形態３において、非線形抵抗膜の厚さ方向における非線形抵抗材料の含有率分布を示す図、図１１は実施の形態３において、図１０とは異なる非線形抵抗膜の厚さ方向における非線形抵抗材料の含有率分布を示す図である。
なお、図８及び図９において、図１および図２に示した構成要素と同一または相当する部分の構成要素には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
実施の形態２では、接地タンク２の内表面と非線形抵抗膜５との間に絶縁膜７を設けたが、実施の形態３では、非線形抵抗膜５における非線形抵抗材料５２の含有率が、接地タンク２から中心導体３に向かうにつれて大きくなるように形成している。
次にこの発明の実施の形態３に係るガス絶縁開閉装置を図８から図１１に基づいて説明する。
図８は実施の形態３におけるガス絶縁開閉装置の軸方向断面図であり、図９は図８内に示したＣ部の拡大図である。図１０は実施の形態３において、非線形抵抗膜の厚さ方向における非線形抵抗材料の含有率分布を示す図、図１１は実施の形態３において、図１０とは異なる非線形抵抗膜の厚さ方向における非線形抵抗材料の含有率分布を示す図である。
なお、図８及び図９において、図１および図２に示した構成要素と同一または相当する部分の構成要素には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
実施の形態２では、接地タンク２の内表面と非線形抵抗膜５との間に絶縁膜７を設けたが、実施の形態３では、非線形抵抗膜５における非線形抵抗材料５２の含有率が、接地タンク２から中心導体３に向かうにつれて大きくなるように形成している。
図９に示すように、非線形抵抗膜５の中心導体に面した部分における非線形抵抗材料５２の含有率は、前述した規定値の範囲内におさめる。一方、非線形抵抗膜５の接地タンク２に近い部分における非線形抵抗材料５２の含有率は前述の規定下限値を下回ってよく、ほぼ絶縁材料５１で占められていてもよい。また、高電界印加時における非線形抵抗膜５の中心導体３に面した部分における抵抗率は、電界緩和時定数と放電の時間遅れとが等しくなる抵抗率より小さいものとする。
上記のように非線形抵抗膜５を構成すれば、実施の形態２の場合と同様に、高電圧を長時間印加した場合でも接地タンク２から金属異物６への電荷の流入を抑制でき、金属異物６の帯電を防止することで金属異物６の挙動を抑制できる。
次に、接地タンク２から中心導体３に向かうにつれて非線形抵抗材料５２の含有率が増大するように非線形抵抗膜５を形成する方法について述べる。
そのような方法として、例えば絶縁材料５１と非線形抵抗材料５２の割合を少しずつ変え、複数回に分けて塗装することが考えられる。すなわち、絶縁材料５１は絶縁性の塗装材料であり、非線形抵抗膜５は塗装膜である。
そのような方法として、例えば絶縁材料５１と非線形抵抗材料５２の割合を少しずつ変え、複数回に分けて塗装することが考えられる。すなわち、絶縁材料５１は絶縁性の塗装材料であり、非線形抵抗膜５は塗装膜である。
図１０は、実施の形態３において非線形抵抗膜５の厚さ方向における非線形抵抗材料５２の含有率分布を示す図である。接地タンク２の内表面に形成した１層目は、ほぼ絶縁材料５１のみで構成される。１層目の上に形成した２層目は、１層目より非線形抵抗材料５２を多く含む。同様に、３層目は２層目より非線形抵抗材料５２を多く含む。以下、これを繰り返して非線形抵抗膜５を形成する。ただし、最も高電圧の中心導体３に近い層における非線形抵抗材料５２の含有率は前述した規定値の範囲内であるものとする。このように、非線形抵抗膜５は、非線形抵抗材料５２の含有率を変えながら複数回塗装して形成された複数層から構成することができる。
上記のように非線形抵抗膜５を構成すれば、接地タンク２に近い領域は抵抗値の高い絶縁材料５１の割合が高いため高い抵抗値を維持でき、高電圧を長時間印加した場合でも接地タンク２から金属異物６への電荷の流入を抑制でき、金属異物６の帯電を防止することで金属異物６の挙動を抑制できる。また、中心導体３に近い側では非線形抵抗材料５２の含有率が規定値の範囲内にあるため、非線形抵抗材料５２により金属異物６付近の電界を緩和でき、部分放電の発生を抑制できる。
また、実施の形態３に係るガス絶縁開閉装置１では、非線形抵抗膜５に含まれる非線形抵抗材料５２の割合を接地タンク２から中心導体３に向けて少しずつ大きくしているため、以下の効果も得ることもできる。
すなわち、一般に、ガス絶縁開閉装置は、周囲環境の温度変化と通電時に発生するジュール熱により、温度上昇と下降を繰り返すヒートサイクルが起こる。このため、熱膨張係数の異なる材料の界面に対し、界面から離れる方向に応力が働き界面剥離が起こる場合がある。剥離が起こると剥離層で部分放電が発生し、放電により絶縁被覆が劣化し、被覆の絶縁機能を低下させる恐れがある。しかし、実施の形態３では、接地タンク２と接している層から中心導体３に面する層まで非線形抵抗膜５の組成が少しずつ変化しているため、各層間の熱膨張係数の差が小さく、界面剥離を防止できる。
すなわち、一般に、ガス絶縁開閉装置は、周囲環境の温度変化と通電時に発生するジュール熱により、温度上昇と下降を繰り返すヒートサイクルが起こる。このため、熱膨張係数の異なる材料の界面に対し、界面から離れる方向に応力が働き界面剥離が起こる場合がある。剥離が起こると剥離層で部分放電が発生し、放電により絶縁被覆が劣化し、被覆の絶縁機能を低下させる恐れがある。しかし、実施の形態３では、接地タンク２と接している層から中心導体３に面する層まで非線形抵抗膜５の組成が少しずつ変化しているため、各層間の熱膨張係数の差が小さく、界面剥離を防止できる。
さらに、実施の形態３に係るガス絶縁開閉装置１では、非線形抵抗膜５に含まれる非線形抵抗材料５２の割合を接地タンク２から中心導体３に向けて少しずつ大きくしているため、以下の効果も得ることもできる。
すなわち、一般に、中心導体３に通電した場合、接地タンク２に電流が流れることにより接地タンク２の温度が上昇する。また、接地タンク２への日射によっても接地タンク２の温度が上昇する。ここで、実施の形態１のように、接地タンク２の表面に直接非線形抵抗膜５を設けると、非線形抵抗膜内の非線形抵抗材料５２の抵抗率が温度上昇によって低下してしまう。しかし、実施の形態３では、接地タンク２と接している層は熱伝導率が非線形抵抗材料５２より小さい絶縁材料５１で実質構成されているため、接地タンク２の温度が上昇しても、非線形抵抗材料５２の温度上昇は抑えられ、非線形抵抗膜５の抵抗率の低下を抑制ことができる。なお、一般的な非線形抵抗材料５２の熱伝導率は、炭化ケイ素が１５０Ｗ／ｍＫ、酸化亜鉛が２５Ｗ／ｍＫ、窒化ガリウムが１３０Ｗ／ｍＫ、ダイヤモンドが１０００Ｗ／ｍＫである。また、一般的な絶縁材料５１であるエポキシ樹脂の熱伝導率は０．３Ｗ／ｍＫである。
すなわち、一般に、中心導体３に通電した場合、接地タンク２に電流が流れることにより接地タンク２の温度が上昇する。また、接地タンク２への日射によっても接地タンク２の温度が上昇する。ここで、実施の形態１のように、接地タンク２の表面に直接非線形抵抗膜５を設けると、非線形抵抗膜内の非線形抵抗材料５２の抵抗率が温度上昇によって低下してしまう。しかし、実施の形態３では、接地タンク２と接している層は熱伝導率が非線形抵抗材料５２より小さい絶縁材料５１で実質構成されているため、接地タンク２の温度が上昇しても、非線形抵抗材料５２の温度上昇は抑えられ、非線形抵抗膜５の抵抗率の低下を抑制ことができる。なお、一般的な非線形抵抗材料５２の熱伝導率は、炭化ケイ素が１５０Ｗ／ｍＫ、酸化亜鉛が２５Ｗ／ｍＫ、窒化ガリウムが１３０Ｗ／ｍＫ、ダイヤモンドが１０００Ｗ／ｍＫである。また、一般的な絶縁材料５１であるエポキシ樹脂の熱伝導率は０．３Ｗ／ｍＫである。
また、実施の形態３では、非線形抵抗膜５内における非線形抵抗材料５２の含有率分布を自由に調整できる。このため、（１）界面剥離を起こさず、（２）接地タンク２側からの電流の流入を抑制でき、（３）金属異物６近傍における部分放電も抑制できるような非線形抵抗材料５２の含有率分布になるよう調整できる。また、一度そのような含有率分布を見いだせば、その分布を精度高く再現可能である。
なお、実施の形態３において、接地タンク２から中心導体３に向かうにつれて次第に非線形抵抗材料５２の含有率が増大するよう非線形抵抗膜５を形成したが、非線形抵抗膜５の内層（接地タンク２側）より外層（中心導体３側）の方が非線形抵抗材料５２の含有率が低下するような部分があっても良い。
図１１は、実施の形態３において非線形抵抗膜５の厚さ方向における非線形抵抗材料５２の含有率が、図１０とは異なる含有率分布を示す図であり、接地タンク２から３層目の部位は２層目の部位より非線形抵抗材料５２の含有率が小さい。ただし、この場合は層間の非線形抵抗材料５２の含有率の違いが図１０の場合と比較して大きくなるため、界面剥離を防止する効果は小さくなる。
図１１は、実施の形態３において非線形抵抗膜５の厚さ方向における非線形抵抗材料５２の含有率が、図１０とは異なる含有率分布を示す図であり、接地タンク２から３層目の部位は２層目の部位より非線形抵抗材料５２の含有率が小さい。ただし、この場合は層間の非線形抵抗材料５２の含有率の違いが図１０の場合と比較して大きくなるため、界面剥離を防止する効果は小さくなる。
また、上記に関連して、中心導体３に最も近い層（最外層）よりも非線形抵抗材料５２の含有率が高い部分が内層に存在しても良い。ただし、最内層から最外層への全ての層で非線形抵抗材料５２の含有率は規定上限値を超えないものとする。
実施の形態４．
次にこの発明の実施の形態４に係るガス絶縁開閉装置を図１２から図１４に基づいて説明する。
図１２は実施の形態４に係るガス絶縁開閉装置の軸方向断面図であり、図１３は図１２内に示したＤ部の拡大図である。図１４は実施の形態４の非線形抵抗膜の厚さ方向における非線形抵抗材料の含有率分布を示す図である。なお、図１２では、図１に示した構成要素と同一または相当する部分の構成要素には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
次にこの発明の実施の形態４に係るガス絶縁開閉装置を図１２から図１４に基づいて説明する。
図１２は実施の形態４に係るガス絶縁開閉装置の軸方向断面図であり、図１３は図１２内に示したＤ部の拡大図である。図１４は実施の形態４の非線形抵抗膜の厚さ方向における非線形抵抗材料の含有率分布を示す図である。なお、図１２では、図１に示した構成要素と同一または相当する部分の構成要素には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
実施の形態３では、非線形抵抗材料５２の含有率を少しずつ変えながら複数回塗装することで、接地タンク２側より中心導体３側の方が非線形抵抗材料５２の含有率が高い非線形抵抗膜５を得ていた。実施の形態４では、絶縁材料８１と非線形抵抗材料８２の含有率を厚さ方向に変化させた非線形抵抗シート８を接地タンク２の内表面に設置するようにしたものである。
非線形抵抗シート８は絶縁材料８１と非線形抵抗材料８２から構成され、厚さ方向で非線形抵抗材料８２の含有率が異なっており、接地タンク２に接する面は絶縁材料８１の含有率が大きく、中心導体３に面する面は非線形抵抗材料８２の含有率が大きくなるようにする。
非線形抵抗シート８の厚さ方向における非線形抵抗材料８２の含有率（充填率）分布は、図１４に示すように単調に増加していても良いが、接地タンク２側（外周側）より中心導体３側（内周側）の方が非線形抵抗材料８２の含有率が小さくなる部分が含まれていても良い。非線形抵抗シート８の中心導体３に面した部分における非線形抵抗材料８２の含有率は、前述した規定値の範囲内にあるものとする。また、高電界領域における非線形抵抗シート８の中心導体３に面した部分における抵抗率は、電界緩和時定数と放電の時間遅れとが等しくなる抵抗率より小さいものとする。
非線形抵抗シート８の厚さ方向における非線形抵抗材料８２の含有率（充填率）分布は、図１４に示すように単調に増加していても良いが、接地タンク２側（外周側）より中心導体３側（内周側）の方が非線形抵抗材料８２の含有率が小さくなる部分が含まれていても良い。非線形抵抗シート８の中心導体３に面した部分における非線形抵抗材料８２の含有率は、前述した規定値の範囲内にあるものとする。また、高電界領域における非線形抵抗シート８の中心導体３に面した部分における抵抗率は、電界緩和時定数と放電の時間遅れとが等しくなる抵抗率より小さいものとする。
図１２に示すように、接地タンク２には複数枚の非線形抵抗シート８を敷き詰める。非線形抵抗シート８は隣り合う非線形抵抗シート８と端部がラップするように設置し、接地タンク２の内表面で、非線形抵抗シート８の敷かれていない部分が露出しないようにする。
次に、厚さ方向に非線形抵抗材料８２の含有率が上記分布を持つ非線形抵抗シート８の作製方法について述べる。
非線形抵抗材料８２の含有率に上記分布を持たせる方法として、例えば遠心力によって絶縁材料８１と非線形抵抗材料８２の比率を連続的に変化させる方法が挙げられる。絶縁材料８１に非線形抵抗材料８２を加えた状態で遠心力をかけると、回転軸から遠い部分は非線形抵抗材料８２が多く、回転軸から近い部分は非線形抵抗材料８２が少なくなり、非線形抵抗材料８２の含有率が連続的に分布する。非線形抵抗材料８２の含有率分布の形状は、例えば単位時間当たりの回転数や回転時間によって調整できる。
非線形抵抗材料８２の含有率に上記分布を持たせる方法として、例えば遠心力によって絶縁材料８１と非線形抵抗材料８２の比率を連続的に変化させる方法が挙げられる。絶縁材料８１に非線形抵抗材料８２を加えた状態で遠心力をかけると、回転軸から遠い部分は非線形抵抗材料８２が多く、回転軸から近い部分は非線形抵抗材料８２が少なくなり、非線形抵抗材料８２の含有率が連続的に分布する。非線形抵抗材料８２の含有率分布の形状は、例えば単位時間当たりの回転数や回転時間によって調整できる。
上記のような非線形抵抗シート８を用いれば、接地タンク２に近い領域は抵抗値の高い絶縁材料８１の含有率が大きいため高い抵抗値を維持でき、高電圧を長時間印加した場合でも接地タンク２から金属異物６への電荷の流入を抑制でき、金属異物６の帯電を防止することで金属異物６の挙動を抑制できる。また、中心導体３に近い側では非線形抵抗材料８２の含有率が上述した規定値の範囲内にあるため、非線形抵抗材料８２により金属異物６付近の電界を緩和でき、部分放電の発生を抑制できる。
また、実施の形態３における非線形抵抗膜５では接地タンク２側から中心導体３側に向かって非線形抵抗材料５２の含有率が階段状に変化していたが、実施の形態４では、接地タンク２側から中心導体３側に向かって非線形抵抗材料８２の含有率が連続的に変化しているため、実施の形態３と比較しても非線形抵抗シート８内部の界面剥離の防止効果が大きい。
また、実施の形態３では非線形抵抗膜５を形成するために複数回塗装する必要があったが、実施の形態４では出来上がった非線形抵抗シート８を設置するだけでよいため、接地タンク２への非線形抵抗部の形成時間を短縮できる。
実施の形態５．
次にこの発明の実施の形態５に係るガス絶縁開閉装置を図１５および図１６に基づいて説明する。
図１５は非線形抵抗膜を接地タンクに塗装した直後で硬化前の状態における断面図で、図１６は硬化後の状態における断面図である。
実施の形態３では、非線形抵抗材料５２の含有率を少しずつ変えながら複数回塗装することで、接地タンク２に近い領域では絶縁材料５１の割合が大きく、中心導体３に近い領域では非線形抵抗材料５２の含有率が大きい非線形抵抗膜５を得ていた。
次にこの発明の実施の形態５に係るガス絶縁開閉装置を図１５および図１６に基づいて説明する。
図１５は非線形抵抗膜を接地タンクに塗装した直後で硬化前の状態における断面図で、図１６は硬化後の状態における断面図である。
実施の形態３では、非線形抵抗材料５２の含有率を少しずつ変えながら複数回塗装することで、接地タンク２に近い領域では絶縁材料５１の割合が大きく、中心導体３に近い領域では非線形抵抗材料５２の含有率が大きい非線形抵抗膜５を得ていた。
一方、この実施の形態５では、絶縁材料５１と比較して比重の小さい非線形抵抗材料５２の非線形抵抗膜５を用いることで、接地タンク２に塗装した直後で硬化前の状態においては、図１５のように非線形抵抗材料５２と絶縁材料５１が万遍なく混在しているが、硬化後の状態においては、図１６のように実施の形態３と同様に接地タンク２に近い領域では絶縁材料５１の割合が大きく、中心導体３に近い領域では非線形抵抗材料５２の含有率が大きい非線形抵抗膜５を得ることができる。
図１５では、非線形抵抗材料５２は非線形抵抗膜５内の厚さ方向に均一に分布しているが、そうでなくとも良い。非線形抵抗材料５２と絶縁材料５１は、非線形抵抗材料５２の比重が絶縁材料５１の比重より小さくなるような組み合わせを選択する。
なお、一般的な非線形抵抗材料５２の比重は、炭化ケイ素が３．２２ｇ／ｃｍ３、酸化亜鉛が５．６ｇ／ｃｍ３、窒化ガリウムが６．１ｇ／ｃｍ３、ダイヤモンドが３．５２ｇ／ｃｍ３である。
なお、一般的な非線形抵抗材料５２の比重は、炭化ケイ素が３．２２ｇ／ｃｍ３、酸化亜鉛が５．６ｇ／ｃｍ３、窒化ガリウムが６．１ｇ／ｃｍ３、ダイヤモンドが３．５２ｇ／ｃｍ３である。
一方、絶縁材料５１として一般的に用いられるエポキシ樹脂の比重は１〜１．２ｇ／ｃｍ３である。このため、実施の形態５を用いるには、エポキシよりも比重の大きい絶縁材料５１を採用する必要がある。また、非線形抵抗膜５の中心導体３に面した部分における非線形抵抗材料５２の含有率を前述した規定値の範囲に収めるため、硬化条件を調整する必要がある。
上記のように非線形抵抗材料５２と絶縁材料５１を選択すれば、塗装してから硬化が完了するまでの間に非線形抵抗材料５２が上方（中心導体３に近い側）に、絶縁材料５１が下方（接地タンク２に近い側）に移動するため、実施の形態３、４と同様に接地タンク２に近い領域では絶縁材料５１の割合が大きく、中心導体３に近い側では非線形抵抗材料５２の割合が大きい非線形抵抗膜５を得ることができる。
上記のように非線形抵抗膜５を構成すれば、接地タンク２に近い領域は抵抗値の高い絶縁材料５１の割合が大きいため、高い抵抗値を維持でき、高電圧を長時間印加した場合でも接地タンク２から金属異物６への電荷の流入を抑制でき、金属異物６の帯電を防止することで金属異物６の挙動を抑制できる。また、中心導体３に近い側では非線形抵抗材料５２の含有率が上述した規定値の範囲内にあるため、金属異物６付近の電界を緩和でき、部分放電の発生を抑制できる。
また、実施の形態５の方法では、非線形抵抗膜５を一度で形成することができるため、実施の形態３の方法と比較して非線形抵抗膜５の形成に要する加工時間・費用を低減できる。
また、実施の形態３における非線形抵抗膜５では接地タンク２側から中心導体３側に向かって非線形抵抗材料５２の含有率が階段状に変化していたが、実施の形態５では、接地タンク２側から中心導体３側に向かって非線形抵抗材料５２の含有率が連続的に変化しているため、実施の形態３と比較しても界面剥離の防止効果が大きい。
また、実施の形態３における非線形抵抗膜５では接地タンク２側から中心導体３側に向かって非線形抵抗材料５２の含有率が階段状に変化していたが、実施の形態５では、接地タンク２側から中心導体３側に向かって非線形抵抗材料５２の含有率が連続的に変化しているため、実施の形態３と比較しても界面剥離の防止効果が大きい。
実施の形態６．
次にこの発明の実施の形態６に係るガス絶縁開閉装置を図１７から図１９に基づいて説明する。
図１７は実施の形態６に係るガス絶縁開閉装置の軸方向断面図であり、図１８は図１７内に示したＥ部の拡大図である。図１９は実施の形態６の第一の非線形抵抗膜と第二の非線形抵抗膜の非線形抵抗特性を説明する図である。なお、図１７および図１８では、図１および図２に示した構成要素と同一または相当する部分の構成要素には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
実施の形態１〜５では１種類の非線形抵抗材料５２、８２を使用していたが、実施の形態６では抵抗率が変化する電界強度の異なる２種類の非線形抵抗材料を用いた２層の非線形抵抗膜５を形成したものである。
次にこの発明の実施の形態６に係るガス絶縁開閉装置を図１７から図１９に基づいて説明する。
図１７は実施の形態６に係るガス絶縁開閉装置の軸方向断面図であり、図１８は図１７内に示したＥ部の拡大図である。図１９は実施の形態６の第一の非線形抵抗膜と第二の非線形抵抗膜の非線形抵抗特性を説明する図である。なお、図１７および図１８では、図１および図２に示した構成要素と同一または相当する部分の構成要素には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
実施の形態１〜５では１種類の非線形抵抗材料５２、８２を使用していたが、実施の形態６では抵抗率が変化する電界強度の異なる２種類の非線形抵抗材料を用いた２層の非線形抵抗膜５を形成したものである。
図１８に示すように、接地タンク２の内表面に、第一の絶縁材料５１ａに第一の非線形抵抗材料５２ａが含有されてなる第一の非線形抵抗膜５ａ（第一の非線形抵抗部）を配置する。さらに、第一の非線形抵抗膜５ａの表面上に、第二の絶縁材料５１ｂに第二の非線形抵抗材料５２ｂが含有されてなる第二の非線形抵抗膜５ｂ（第二の非線形抵抗部）を配置する。第一の絶縁材料５１ａと第二の絶縁材料５１ｂは同じであっても異なっていても良いが、同じである場合の方が、第一の非線形抵抗膜５ａと第二の非線形抵抗膜５ｂの密着性は高くなる。
第一の非線形抵抗膜５ａと第二の非線形抵抗膜５ｂの非線形抵抗特性は、図１９のようになっており、第一の非線形抵抗膜５ａは、第二の非線形抵抗膜５ｂと比較して、抵抗率が変化する電界強度が高いようにする。すなわち、第一の非線形抵抗材料５２ａは、第二の非線形抵抗材料５２ｂと比較して、抵抗率が変化する電界強度が高いようにし、第一の非線形抵抗膜５ａは、第二の非線形抵抗膜５ｂと比較して、より高電界領域で抵抗率が低下するようにする。ここで、抵抗率が変化（低下）する電界強度は、非線形抵抗膜が絶縁性から導電性に変化する電界強度である。なお、第一の絶縁材料５１ａにおける第一の非線形抵抗材料５２ａの含有率は、例えば、第二の絶縁材料５１ｂにおける第二の非線形抵抗材料５２ｂの含有率に等しい。
また、抵抗率が変化（低下）する前の低電界領域において、第一の非線形抵抗膜５ａの抵抗率は、第二の非線形抵抗膜５ｂと同等か、より大きくなるようにすることが好ましい。すなわち、自己の抵抗率が変化（低下）する電界強度よりも低電界領域における第一の非線形抵抗膜５ａの抵抗率は、自己の抵抗率が変化（低下）する電界強度よりも低電界領域における第二の非線形抵抗膜５ｂの抵抗率と同等か、より高くなるようにすることが好ましい。
上記のように第一の非線形抵抗膜５ａと第二の非線形抵抗膜５ｂを構成すると、金属異物６周囲の電界強度が低い段階では、第二の非線形抵抗膜５ｂのみ抵抗率が小さくなり、非線形抵抗膜の表面方向に電荷を逃がすことで金属異物６の帯電を抑制できる。このとき、第一の非線形抵抗膜５ａは高抵抗を維持しているため、接地タンク２から金属異物６への電荷流入を抑制することができる。
上記のように第一の非線形抵抗膜５ａと第二の非線形抵抗膜５ｂを構成すれば、金属異物６周囲の部分放電を抑制できるとともに、接地タンク２から金属異物６への電荷の流入も抑制でき、金属異物の帯電を防止できる。
また、第一の非線形抵抗膜５ａと第二の非線形抵抗膜５ｂで非線形抵抗特性を示す電界領域をずらしたことで、幅広い領域で非線形抵抗特性を有することになり、従来技術と比較して膜厚等のバラツキを許容しやすくなる。
また、第一の非線形抵抗膜５ａと第二の非線形抵抗膜５ｂで非線形抵抗特性を示す電界領域をずらしたことで、幅広い領域で非線形抵抗特性を有することになり、従来技術と比較して膜厚等のバラツキを許容しやすくなる。
以上、この発明の実施の形態を記述したが、この発明は実施の形態に限定されるものではなく、種々の設計変更を行うことが可能であり、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
１：ガス絶縁開閉装置、 ２：接地タンク、 ３：中心導体、 ４：絶縁支持部材、 ５、５ａ、５ｂ：非線形抵抗膜、 ６：金属異物、 ７：絶縁膜、 ８：非線形抵抗シート、 ５１、５１ａ、５１ｂ、８１：絶縁材料、 ５２、５２ａ、５２ｂ、８２：非線形抵抗材料。
Claims (17)
- 絶縁ガスが充填された接地タンクと、前記接地タンクの内部に配置され、電圧が印加される中心導体と、前記接地タンクに取付けられ、前記中心導体を絶縁支持する絶縁支持部材と、前記接地タンクの少なくとも鉛直下側の内表面に配置され、絶縁材料に非線形抵抗材料が含有されてなる非線形抵抗部とを備え、
前記非線形抵抗部にかかる電界が、運転電圧印加時において電界緩和が発生する前の前記非線形抵抗部と前記接地タンク内に混入した金属異物との接触点近傍の電界値より高いとき、前記非線形抵抗部の抵抗率は、放電遅れ時間と電界緩和時定数が等しくなる抵抗率より小さいことを特徴とするガス絶縁開閉装置。 - 前記接地タンクと前記非線形抵抗部との間に絶縁膜を有することを特徴とする請求項１に記載のガス絶縁開閉装置。
- 前記中心導体側における前記非線形抵抗部の抵抗率は、真空の誘電率と非線形抵抗膜の比誘電率と非線形抵抗膜の抵抗率との積が５０ｎｓより小さくなる値であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガス絶縁開閉装置。
- 前記非線形抵抗部は、前記接地タンク側と比較して前記中心導体側により多くの前記非線形抵抗材料を含有することを特徴とする請求項１に記載のガス絶縁開閉装置。
- 前記中心導体側における前記非線形抵抗材料の含有率は、前記非線形抵抗部が非線形抵抗特性を示しかつ前記非線形抵抗部の強度を確保するための条件から決まる範囲内であることを特徴とする請求項４に記載のガス絶縁開閉装置。
- 前記非線形抵抗部は、前記絶縁材料としての絶縁性の塗装材料に前記非線形抵抗材料が含有されてなる塗装膜であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のガス絶縁開閉装置。
- 前記塗装膜は、前記非線形抵抗材料の含有率を変えながら複数回塗装して形成された複数層からなることを特徴とする請求項６に記載のガス絶縁開閉装置。
- 前記非線形抵抗材料の含有率は、前記接地タンク側から前記中心導体側に向かうにつれて階段状に増大することを特徴とする請求項７に記載のガス絶縁開閉装置。
- 前記非線形抵抗材料の比重は、前記絶縁材料の比重よりも小さいことを特徴とする請求項６に記載のガス絶縁開閉装置。
- 前記非線形抵抗材料の含有率は、前記接地タンク側から前記中心導体側に向かうにつれて連続的に増大することを特徴とする請求項９に記載のガス絶縁開閉装置。
- 前記非線形抵抗部は、前記絶縁材料としての絶縁性の塗装材料に前記非線形抵抗材料が含有されてなる非線形抵抗シートであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のガス絶縁開閉装置。
- 前記非線形抵抗材料の含有率は、前記接地タンク側から前記中心導体側に向かうにつれて連続的に増大することを特徴とする請求項１１に記載のガス絶縁開閉装置。
- 前記非線形抵抗材料の熱伝導率は、前記絶縁材料の熱伝導率より高いことを特徴とする請求項６または請求項１１に記載のガス絶縁開閉装置。
- 絶縁ガスが充填された接地タンクと、前記接地タンクの内部に配置され、電圧が印加される中心導体と、前記接地タンクに取付けられ、前記中心導体を絶縁支持する絶縁支持部材と、前記接地タンクの少なくとも鉛直下側の内表面に配置され、第一の絶縁材料に第一の非線形抵抗材料が含有されてなる第一の非線形抵抗部と、前記第一の非線形抵抗部の表面上に配置され、第二の絶縁材料に第二の非線形抵抗材料が含有されてなる第二の非線形抵抗部とを備え、
前記第一の非線形抵抗部は、前記第二の非線形抵抗部よりも、抵抗率が変化する電界強度が高いことを特徴とするガス絶縁開閉装置。 - 自己の抵抗率が変化する電界強度よりも低電界領域における前記第一の非線形抵抗部の抵抗率は、自己の抵抗率が変化する電界強度よりも低電界領域における前記第二の非線形抵抗部の抵抗率よりも高いことを特徴とする請求項１４に記載のガス絶縁開閉装置。
- 前記非線形抵抗材料は、炭化ケイ素または酸化亜鉛であることを特徴とする請求項１から請求項１５のいずれか1項に記載のガス絶縁開閉装置。
- 前記非線形抵抗材料は、炭化ケイ素・酸化亜鉛・窒化ガリウム・ダイヤモンドの中から複数種類を混合させたものであることを特徴とする請求項１から請求項１５のいずれか1項に記載のガス絶縁開閉装置。
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