WO2017098553A1 - ガス絶縁機器 - Google Patents

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慎一朗 中内
貞國 仁志
伸緒 横村
吉村 学
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三菱電機株式会社
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    • H02B13/02Arrangement of switchgear in which switches are enclosed in, or structurally associated with, a casing, e.g. cubicle with metal casing
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    • H02B13/055Features relating to the gas
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02GINSTALLATION OF ELECTRIC CABLES OR LINES, OR OF COMBINED OPTICAL AND ELECTRIC CABLES OR LINES
    • H02G5/00Installations of bus-bars
    • H02G5/06Totally-enclosed installations, e.g. in metal casings

Definitions

  • the present invention relates to a gas insulating device in which a conductor as a current-carrying portion is disposed in a metal tank filled with an insulating gas.
  • FIG. 4 of Patent Document 1 describes a configuration in which an inner surface of a tank of a gas insulating device is covered with an insulating film. In this configuration, even if metal foreign matter enters the tank, the movement of charge from the tank to the metal foreign matter is suppressed by the insulating film, so that the metal foreign matter charged by the charge from the tank floats due to the action of the electric field. Is suppressed.
  • the triple junction portion which is a triple contact portion between the metal foreign object, the insulating film, and the insulating gas, has an extremely high electric field compared to the surroundings, so when the electric field at the triple junction portion exceeds the ionization electric field of the insulating gas. Partial discharge occurs, and the electric charge generated by the partial discharge is supplied to the metal foreign object, making it difficult to suppress the floating of the metal foreign object.
  • FIG. 5 of Patent Document 1 describes a configuration in which the inner surface of the tank of the gas insulating device is covered with a non-linear resistance film.
  • This non-linear resistance film is a coating film in which an insulating resin containing zinc oxide particles is applied to the inner surface of a tank.
  • the nonlinear resistive film behaves as an insulating film when the electric field is low, that is, when the electric field strength is less than the threshold value, and the volume resistivity decreases when the electric field is high, that is, when the electric field strength exceeds the threshold value. It behaves as a conductive film.
  • the volume resistivity of the non-linear resistance film is partially reduced.
  • the electric field between the nonlinear resistance film is relaxed and the occurrence of partial discharge is suppressed.
  • the magnitude of the operating electric field on the inner surface of the tank in the gas insulated switchgear is, for example, 2 kV / mm.
  • the operating electric field refers to an electric field generated from a conductor during operation of the gas insulated switchgear.
  • the magnitude of the electric field at the triple junction portion due to the metal foreign matter, the nonlinear resistance film, and the insulating gas is, for example, 60 kV / mm. It is.
  • the threshold value of the electric field strength at which the nonlinear resistance film including the zinc oxide particles starts to show conductivity is, for example, 0.5 to 8 kV / mm.
  • the threshold of the electric field strength of the nonlinear resistance film may be made larger than the operating electric field and smaller than the ionizing electric field of the insulating gas. It is difficult to prevent the body from gathering, and realization is not easy.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a gas insulating device capable of suppressing the floating of a metal foreign object in an electric field.
  • a gas insulating device is a metal tank that is grounded and in which an insulating gas is enclosed, and is disposed in the tank so that a voltage is applied. And a non-linear resistance layer made of an insulating material including a non-linear resistance material and disposed on at least a part of the inner surface of the tank, and an insulating layer arranged on the non-linear resistance layer.
  • Embodiment. 1 is a longitudinal sectional view showing a configuration of a gas insulating device according to the present embodiment
  • FIG. 2 is a transverse sectional view taken along the line II-II in FIG. 1
  • FIG. 3 is an enlarged view of a portion III in FIG.
  • the gas insulating device 1 includes a metal tank 2, a conductor 3 disposed in the tank 2, and a nonlinear disposed on the inner surface of the tank 2.
  • a resistance layer 4 and an insulating layer 5 disposed on the nonlinear resistance layer 4 are provided.
  • the metal foreign matter 6 existing on the insulating layer 5 is also shown.
  • the gas insulating device 1 is, for example, a circuit breaker, a disconnector, a bus, a current transformer for an instrument, a transformer for an instrument, or a ground switch.
  • the thickness of the nonlinear resistance layer 4 and the thickness of the insulating layer 5 are drawn to be equal to each other, but this is not a limitation.
  • Tank 2 is a grounded cylindrical metal container. Insulating gas is sealed in the tank 2.
  • the insulating gas is generally sulfur hexafluoride gas.
  • the conductor 3 is an energization part, and a voltage is applied.
  • the conductor 3 extends along the central axis of the tank 2.
  • the conductor 3 is hollow, for example. Note that the voltage applied to the conductor 3 may be either AC or DC.
  • the conductor 3 is supported by an insulator (not shown).
  • the nonlinear resistance layer 4 is made of an insulating material including a nonlinear resistance material.
  • the nonlinear resistance material is a material that exhibits a high resistance value with respect to a low electric field but exhibits a low resistance value with respect to a high electric field, and is also referred to as a non-linear resistance material.
  • the nonlinear resistance material is zinc oxide.
  • the insulating material is an epoxy resin.
  • the non-linear resistance layer 4 is disposed on the lower half of the inner surface of the tank 2.
  • the insulating layer 5 is made of an insulating material.
  • the insulating material is an epoxy resin as described above.
  • the insulating layer 5 is disposed on the lower half of the inner surface of the tank 2 in the same manner as the nonlinear resistance layer 4.
  • FIG. 3 schematically shows a cross-sectional configuration of the nonlinear resistance layer 4.
  • the nonlinear resistance layer 4 includes a plurality of zinc oxide particles 11 in an insulating resin 10 that is an insulating material.
  • the granular material 11 makes the solid body of a zinc oxide granular or powdery.
  • the content ratio of zinc oxide in the nonlinear resistance layer 4 needs to be equal to or higher than the content ratio at which the nonlinear resistance layer 4 exhibits nonlinear resistance characteristics. However, if the content is too large, the nonlinear resistance layer 4 becomes brittle. Therefore, the content is preferably in the range of 30% to 80% in terms of volume fraction.
  • FIG. 4 shows the current-voltage characteristics of zinc oxide.
  • the horizontal axis represents current (A), and the vertical axis represents voltage (V).
  • Zinc oxide exhibits insulation when the absolute value of the voltage is smaller than the threshold value Vth, but when the absolute value of the voltage is larger than the threshold value Vth , the resistance value rapidly decreases and exhibits conductivity.
  • the nonlinear resistance layer 4 and the insulating layer 5 are both coating films formed by painting.
  • the nonlinear resistance layer 4 is formed by mixing the zinc oxide particles 11 with the insulating paint and coating the inner surface of the tank 2 with the insulating paint containing the zinc oxide particles 11.
  • the insulating layer 5 is formed by painting an insulating paint on the surface of the nonlinear resistance layer 4. Painting includes brush painting, spray painting, and electrostatic painting.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the function and effect of the present embodiment.
  • the insulating layer 5 is interposed between the tank 2 and the metal foreign object 6, the movement of charges from the tank 2 to the metal foreign object 6 is suppressed regardless of the level of the electric field.
  • the metal foreign matter 6 when the metal foreign matter 6 is present on the insulating layer 5, a high electric field is generated around the triple junction portion, which is a triple contact portion between the metal foreign matter 6, the insulating layer 5, and the insulating gas.
  • the resistivity of the non-linear resistance layer 4 around the metal foreign object 6 is lowered, and the non-linear resistance layer 4 partially exhibits conductivity.
  • the particles 11a on the insulating layer 5 side immediately below the metal foreign matter 6 exhibit conductivity. For this reason, equipotential lines do not penetrate between the metal foreign object 6 and the insulating layer 5, the concentration of equipotential lines is relaxed, and the electric field at the triple junction portion is reduced.
  • a part of the nonlinear resistance layer 4 through the insulating layer 5 exhibits conductivity, so that the electric field around the metal foreign matter 6 on the insulating layer 5 is reduced.
  • the occurrence of partial discharge is suppressed, the supply of electric charges to the metal foreign object 6 is suppressed, and the floating of the metal foreign object 6 in the electric field is suppressed.
  • the non-linear resistance material is zinc oxide, but is not limited to this.
  • the nonlinear resistance material may be, for example, silicon carbide.
  • the insulating material used for the nonlinear resistance layer 4 and the insulating layer 5 is not limited to epoxy resin.
  • the insulating material is a thermoplastic resin, for example, it is a vinyl chloride-based, polyester-based or nylon-based resin, and when it is a thermosetting resin, it is, for example, an epoxy-based, urethane-based or acrylic-based resin.
  • nonlinear resistance layer 4 and the insulating layer 5 are both formed by painting, either one or both may be formed by a method other than painting.
  • at least one of the nonlinear resistance layer 4 and the insulating layer 5 may be an insulating sheet.
  • non-linear resistance layer 4 and the insulating layer 5 are arranged on the lower half of the inner surface of the tank 2, it is not limited to this.
  • the nonlinear resistance layer 4 and the insulating layer 5 may be arranged in a range narrower than the range shown in FIG. 2, or may be arranged in a range wider than the range shown in FIG. That is, the non-linear resistance layer 4 and the insulating layer 5 may be disposed on at least part of the inner surface of the tank 2.
  • the configuration described in the above embodiment shows an example of the contents of the present invention, and can be combined with another known technique, and can be combined with other configurations without departing from the gist of the present invention. It is also possible to omit or change the part.

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Abstract

 ガス絶縁機器1は、接地され、内部に絶縁ガスが封入された金属製のタンク2と、タンク2内に配置され、電圧が印加される導体3と、タンク2の内面の少なくとも一部に配置され、非線形抵抗材料を含む絶縁材料からなる非線形抵抗層4と、非線形抵抗層4上に配置された絶縁層5と、を備える。これにより、電界中での金属異物6の浮上を抑制することができる。

Description

ガス絶縁機器
 本発明は、絶縁ガスが封入された金属製のタンク内に通電部である導体が配置されたガス絶縁機器に関する。
 特許文献1の図4には、ガス絶縁機器のタンクの内面を絶縁膜で覆う構成が記載されている。この構成では、タンク内に金属異物が混入した場合でも、タンクから金属異物への電荷の移動が絶縁膜によって抑制されるので、タンクからの電荷により帯電した金属異物が電界の作用により浮上することが抑制される。
 しかしながら、この構成では、金属異物の周囲の電界が高い場合、具体的には電界強度が絶縁ガスの電離強度を超える場合には、金属異物の浮上を抑制することが困難となる。これは、金属異物の周囲の電界が絶縁ガスの電離電界を超えると、部分放電が発生し、部分放電により生じた電荷が金属異物に供給されるからである。
 特に、金属異物と絶縁膜と絶縁ガスとの三重の接触部であるトリプルジャンクション部では、周囲に比べて電界が非常に高くなるので、トリプルジャンクション部での電界が絶縁ガスの電離電界を超えると、部分放電が発生し、部分放電により生じた電荷が金属異物に供給され、金属異物の浮上を抑制することが困難となる。
 そこで、特許文献1の図5には、ガス絶縁機器のタンクの内面を非線形抵抗膜で覆う構成が記載されている。この非線形抵抗膜は、酸化亜鉛の粒体を含有する絶縁樹脂をタンクの内面に塗布した塗装膜である。
 一般に、非線形抵抗膜は、電界が低い場合、すなわち電界強度が閾値未満の場合には、絶縁膜として振る舞い、電界が高い場合、すなわち電界強度が閾値を超える場合には、体積抵抗率が低下し、導電膜として振る舞う。
 そのため、非線形抵抗膜上に金属異物が存在する場合に、金属異物の周囲の電界強度が閾値を超えたときは、非線形抵抗膜の体積抵抗率が部分的に低下し、その結果、金属異物と非線形抵抗膜との間の電界が緩和され、部分放電の発生が抑制される。
特開2009-284651号公報
 しかしながら、タンクの内面を非線形抵抗膜で覆う構成では、非線形抵抗膜が導電性を示すときは、非線形抵抗膜を介してタンクから金属異物への電荷の移動も許容されるので、タンクから移動した電荷による金属異物の帯電を抑制することが困難となる。
 一方、ガス絶縁開閉装置におけるタンクの内面での運転電界の大きさは例えば2kV/mmである。ここで運転電界とは、ガス絶縁開閉装置の運転時に導体から発生する電界をいう。
 また、非線形抵抗膜内で酸化亜鉛の粉体が膜厚方向につながって存在する場合には、金属異物と非線形抵抗膜と絶縁ガスとによるトリプルジャンクション部での電界の大きさは例えば60kV/mmである。
 しかしながら、酸化亜鉛の粒体を含む非線形抵抗膜が導電性を示し始める電界強度の閾値は、例えば、0.5から8kV/mmである。
 従って、非線形抵抗膜が導電性を示し始める電界強度の閾値が運転電界より大きい場合でも、トリプルジャンクション部で非線形抵抗膜の抵抗率が低下して導電性を示したときに、接地電位のタンクから金属異物へ電荷の移動が許容され、金属異物が帯電し浮上することとなる。
 酸化亜鉛の粒体間の距離を適正に確保することで、非線形抵抗膜の電界強度の閾値を運転電界よりも大きくかつ絶縁ガスの電離電界よりも小さくすることも考えられるが、部分的に粒体が集まってしまうことは防ぎ難く、実現は容易ではない。
 本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電界中での金属異物の浮上を抑制可能なガス絶縁機器を提供することを目的とする。
 上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るガス絶縁機器は、接地され、内部に絶縁ガスが封入された金属製のタンクと、前記タンク内に配置され、電圧が印加される導体と、前記タンクの内面上の少なくとも一部に配置され、非線形抵抗材料を含む絶縁材料からなる非線形抵抗層と、前記非線形抵抗層上に配置された絶縁層と、を備えることを特徴とする。
 本発明によれば、電界中での金属異物の浮上を抑制することができる、という効果を奏する。
実施の形態に係るガス絶縁機器の構成を示す縦断面図 図1のII-II横断面図 図1のIII部の拡大図 実施の形態において酸化亜鉛の電流-電圧特性を示した図 実施の形態の作用効果を説明するための図
 以下に、本発明の実施の形態に係るガス絶縁機器を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態.
 図1は、本実施の形態に係るガス絶縁機器の構成を示す縦断面図、図2は、図1のII-II横断面図、図3は、図1のIII部の拡大図である。
 図1および図2に示すように、本実施の形態に係るガス絶縁機器1は、金属製のタンク2と、タンク2内に配置された導体3と、タンク2の内面上に配置された非線形抵抗層4と、非線形抵抗層4上に配置された絶縁層5とを備える。図1では、絶縁層5上に存在する金属異物6も示している。ガス絶縁機器1は、例えば、遮断器、断路器、母線、計器用変流器、計器用変圧器、または接地開閉器である。なお、図1および図2では、非線形抵抗層4の厚さと絶縁層5の厚さを互いに等しく描いているが、その限りではない。
 タンク2は、接地された円筒状の金属容器である。タンク2内には絶縁ガスが密封されている。絶縁ガスは六弗化硫黄ガスが一般的である。
 導体3は、通電部であり、電圧が印加される。導体3は、タンク2の中心軸に沿って延伸している。導体3は、例えば中空である。なお、導体3に印加される電圧は交流および直流のいずれでもよい。導体3は、図示しない絶縁物により支持される。
 非線形抵抗層4は、非線形抵抗材料を含む絶縁材料からなる。ここで、非線形抵抗材料は、低電界に対しては高い抵抗値を示すが、高電界に対しては低い抵抗値を示す材料であり、非直線抵抗材料ともいう。本実施の形態では、非線形抵抗材料は酸化亜鉛である。絶縁材料はエポキシ樹脂である。非線形抵抗層4は、タンク2の内面上のうち下側半分に配置されている。
 絶縁層5は、絶縁材料からなる。絶縁材料は上記したようにエポキシ樹脂である。絶縁層5は、非線形抵抗層4と同様に、タンク2の内面上のうち下側半分に配置されている。
 図3では、非線形抵抗層4の断面構成を模式的に示している。図3に示すように、非線形抵抗層4では、絶縁材料である絶縁樹脂10中に複数の酸化亜鉛の粒体11が含まれている。なお、粒体11は、酸化亜鉛の個体を粒状または粉状にしたものである。
 非線形抵抗層4中での酸化亜鉛の含有率は、非線形抵抗層4が非線形抵抗特性を示す含有率以上とする必要がある。ただし、含有率が大きすぎると非線形抵抗層4が脆くなる。そのため、含有率は、体積分率で30%から80%の範囲内とすることが好ましい。
 図4は、酸化亜鉛の電流-電圧特性を示した図である。横軸を電流(A)、縦軸は電圧(V)である。酸化亜鉛は、電圧の絶対値が閾値Vthより小さいと絶縁性を示すが、電圧の絶対値が閾値Vthより大きいと抵抗値が急激に減少し、導電性を示す。
 非線形抵抗層4および絶縁層5は、いずれも塗装により形成された塗装膜である。この場合、非線形抵抗層4は、絶縁塗料に酸化亜鉛の粒体11を混ぜ合わせ、酸化亜鉛の粒体11を含む絶縁塗料をタンク2の内面に塗装することで形成される。絶縁層5は、絶縁塗料を非線形抵抗層4の表面に塗装することで形成される。塗装には、はけ塗り、スプレー塗装、および静電塗装が含まれる。
 図5は、本実施の形態の作用効果を説明するための図である。本実施の形態では、タンク2と金属異物6との間に絶縁層5が介在するので、タンク2から金属異物6への電荷の移動は電界の高低にかかわらず抑制される。
 また、金属異物6が絶縁層5上に存在すると、金属異物6と絶縁層5と絶縁ガスとの三重の接触部であるトリプルジャンクション部を中心に高電界となるが、このような高電界は金属異物6の周囲の非線形抵抗層4の抵抗率を低下させ、非線形抵抗層4は部分的に導電性を示すこととなる。例えば、金属異物6の直下で絶縁層5側の粒体11aが導電性を示すこととなる。そのため、等電位線が金属異物6と絶縁層5との間に密に入り込まなくなり、等電位線の集中が緩和され、トリプルジャンクション部での電界が低減される。
 このように、本実施の形態によれば、絶縁層5を介した非線形抵抗層4の一部が導電性を示すことで、絶縁層5上の金属異物6の周囲の電界が低減されるので、部分放電の発生が抑制され、金属異物6への電荷の供給が抑制されて、電界中での金属異物6の浮上が抑制される。
 なお、本実施の形態では、非線形抵抗材料は酸化亜鉛であるとしたが、これに限定されない。非線形抵抗材料は、例えば炭化珪素であってもよい。
 また、非線形抵抗層4および絶縁層5に用いられる絶縁材料は、エポキシ樹脂に限定されない。絶縁材料は、熱可塑性樹脂とした場合は、例えば塩化ビニル系、ポリエステル系またはナイロン系の樹脂であり、熱硬化性樹脂とした場合は、例えばエポキシ系、ウレタン系またはアクリル系の樹脂である。
 また、非線形抵抗層4および絶縁層5は、いずれも塗装により形成されるとしたが、いずれか一方または双方を塗装以外の方法で形成してもよい。例えば、非線形抵抗層4および絶縁層5の少なくとも一方を絶縁シートとしてもよい。
 また、非線形抵抗層4および絶縁層5はタンク2の内面上のうち下側半分に配置されているが、これに限定されない。非線形抵抗層4および絶縁層5は、図2に示す範囲よりも狭い範囲に配置されていてもよく、図2に示す範囲よりも広い範囲、例えばタンク2の全面に配置されていてもよい。つまり、非線形抵抗層4および絶縁層5はタンク2の内面上の少なくとも一部に配置されていればよい。
 以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
 1 ガス絶縁機器、2 タンク、3 導体、4 非線形抵抗層、5 絶縁層、6 金属異物、10 絶縁樹脂、11,11a 粒体。

Claims (3)

  1.  接地され、内部に絶縁ガスが封入された金属製のタンクと、
     前記タンク内に配置され、電圧が印加される導体と、
     前記タンクの内面上の少なくとも一部に配置され、非線形抵抗材料を含む絶縁材料からなる非線形抵抗層と、
     前記非線形抵抗層上に配置された絶縁層と、
     を備えることを特徴とするガス絶縁機器。
  2.  前記非線形抵抗層および前記絶縁層は、いずれも塗装膜であることを特徴とする請求項1に記載のガス絶縁機器。
  3.  前記非線形抵抗材料は、酸化亜鉛または炭化珪素であることを特徴とする請求項1に記載のガス絶縁機器。
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