WO2019093071A1 - ガス絶縁開閉装置 - Google Patents

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淳 額賀
宏和 古井
山根　雄一郎
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株式会社日立製作所
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    • H02G—INSTALLATION OF ELECTRIC CABLES OR LINES, OR OF COMBINED OPTICAL AND ELECTRIC CABLES OR LINES
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    • H02G5/06—Totally-enclosed installations, e.g. in metal casings
    • H02G5/08—Connection boxes therefor

Definitions

  • the present invention relates to a gas-insulated switchgear.
  • the main circuit device of the power receiving disconnector, circuit breaker, bus disconnector is housed in a sealed container in which an insulating gas such as SF6 is sealed, a power cable and a bus are connected to the sealed container, and the front side of the sealed container An operation mechanism of the main circuit device is installed in the device, and the devices are connected by the main circuit conductor.
  • gas-insulated switchgear for feeding
  • power is received from the bus bar, and power is supplied to the power cable or overhead line connected to the load via the bus disconnector-breaker-feed disconnector.
  • the gas-insulated switchgear constituting one bay, in which three phases constitute one circuit, and the gas-insulated switchgear constituting one adjacent bay are electrically connected by a bus.
  • the main circuit device and the main circuit conductor can be miniaturized and made highly reliable by installing them in a closed container in which an insulating gas is sealed.
  • the main circuit conductor is supported in the gas by an insulator placed in the container and maintains insulation with the closed container which is at the ground potential.
  • the surface of the insulator is likely to be charged due to the unevenness, and the residual DC voltage when the switchgear is shut off causes the distortion of the creeping electric field distribution due to the charging charge generated on the surface of the insulator.
  • the dielectric strength is not considered due to concentration.
  • the additive is an insulating resin, dripping during coating is not taken into consideration.
  • an object of the present invention is to provide a gas-insulated switchgear with improved dielectric strength.
  • the circuit breaker for interrupting the current the disconnecting switch for switching the voltage
  • the grounding switch the circuit breaker, the disconnecting switch and the grounding switch are electrically connected.
  • a gas-insulated switchgear comprising: a main circuit conductor connected to the main circuit conductor; and an insulator supporting the main circuit conductor, the insulator comprising a nanometer-sized resistor material and a micrometer-sized resistor material Gas-insulated switchgear with added material.
  • a cross-sectional schematic view showing the configuration of the insulator according to the embodiment of the present invention Cross-sectional schematic drawing which shows the range of coating with respect to the insulator of this invention
  • Electric field-conductivity characteristics of nonlinear resistive material A schematic diagram showing the coating thickness-breakdown voltage characteristics of non-linear resistance material
  • FIG. 1 is a schematic view showing a cross section of an insulator 1 of a gas-insulated switchgear according to the present invention.
  • a resin 3 to which a non-linear resistor 2 is added is coated on the surface of the insulator 1.
  • Zinc oxide (ZnO) or silicon carbide (SiC) is used as the non-linear resistance material 2.
  • the coating range on the surface of the insulator 1 is applied at least where the insulator creeping electric field is a high electric field. When the metallic foreign matter 4 adheres to the coating portion, the electric field is concentrated in the vicinity of the metallic foreign matter 4 to form a high electric field.
  • the gas-insulated switchgear When a high voltage such as a lightning impulse is applied to the gas-insulated switchgear, a high electric field is generated over the entire surface of the insulator 1.
  • the high electric field causes the non-linear resistance material 2 to increase its conductivity, and when a large current flows in the coating region, the heat capacity of the coating material is exceeded and the coating material is damaged.
  • the high voltage conductor 6 side instead of coating the entire creeping surface of the insulator 1, the high voltage conductor 6 side is made a non-coating area than the height at which the metal foreign matter 4 present in the tank 5 of the apparatus behaves with a normal AC voltage.
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view of the left embodiment.
  • the coating material is applied to the surface of the insulator 1 by spray coating or brushing.
  • the electric field-conductivity characteristics change with the addition amount of the non-linear resistance material 2.
  • the conductivity increase at the time of the electric field concentration when the metal foreign matter 4 adheres to the surface of the insulator 1 is insufficient, which may not lead to the electric field relaxation. If the amount is too large, the conductivity may increase even in a low electric field, and the coating itself may adversely affect the creeping insulation of the insulator when it is clean.
  • FIG. 4 since the electric field relaxation effect also depends on the coating thickness, there is a thickness at which the relaxation effect is effective for improving the breakdown voltage.
  • the addition amount of the non-linear resistance material 2 and the viscosity of the coating material have a proportional relationship, and the viscosity of the coating material increases as the addition amount is increased. If the coating material is sprayed on the side of the insulator, the viscosity may be insufficient and dripping may occur. The occurrence of dripping makes it difficult to control the coating thickness and can not ensure the necessary coating thickness.
  • the conductivity of the coating material is increased in a low electric field, which adversely affects the creeping insulation during cleaning.
  • the non-linear resistance material 2 a resistance material having a particle size of nanometer size (hereinafter, nano material 7) and a micrometer size resistance material (hereinafter, micro material 8) are mixed.
  • the nanomaterial 7 has a large surface area, and the increase in viscosity is high even with a small amount of addition. Therefore, for example, when the addition amount of the non-linear resistance material 2 is 15 wt%, the viscosity can be increased and the addition amount can be maintained by setting the nanomaterial 7 to 0.5 wt% and the micro material 8 to 14.5 wt%.
  • the relationship between the amount added and the viscosity is shown in FIG.
  • the addition amount of the non-linear resistance material 2 is preferably in the range of 5 wt% to 30 wt% in terms of the electric field relaxation effect and the electric field-conductivity characteristic. It can be seen from FIG. 3 that the conductivity non-linearity occurs at 4 to 8 kV / mm, which is the electric field value around the foreign object 4 when the metal foreign object 4 adheres to the surface of the insulator 1. Moreover, since the aggregation will occur if the addition amount of the nanomaterial 7 is too large and the mixing of materials becomes difficult, the addition amount of the nanomaterial 7 is preferably 0.1 wt% to 10 wt%. FIG. 6 shows the results of the mixing test of the nanomaterials.
  • Example 2 when the non-linear resistance material 2 is added to the resin, a mixture of the surface treatment agent 9 and the non-linear resistance material 2 is added to the resin 3 in advance and stirring is performed to prevent aggregation of the non-linear resistance material 2 As a result, the non-linear resistance material 2 becomes a uniformly dispersed coating material.
  • a silane coupling agent is an example of the surface treatment agent 9. The processing flow is shown in FIG. First, the surface treatment agent 9 and the non-linear resistance material 2 are mixed. Next, the left-handed non-linear resistance material 2 is mixed with the resin 3 and the curing agent 10 and sufficiently stirred by a stirrer 11 or the like.
  • the non-linear resistance material 2 addition resin 3 after stirring is coated on the surface of the insulator 1 by a spray gun. After coating, the insulator 1 is placed in a furnace and raised to a resin curing temperature to cure the coating material. As a result, the Mohs hardness of the coating material is 5 or more, which is equivalent to that of the epoxy resin of the base material.
  • work is shown in FIG. The surface was scratched by rubbing the knife, and it was confirmed that the Mohs hardness was 5 or more. Further, since the non-linear resistance material 2 is uniformly distributed by the treatment of the surface treatment agent 9, the electric field alleviating effect when the metal foreign matter 4 adheres is effective over the entire coating range.
  • the dielectric strength at the time of metal foreign matter 4 adhesion improves.
  • the amount of surface treatment agent added is 0.1 wt% to 5 wt%.
  • the test result of the dielectric strength with respect to the addition amount is shown in FIG. It can be confirmed that the dielectric strength is improved from 0.1 wt%.

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Abstract

本発明によれば、絶縁耐力が向上したガス絶縁開閉装置を提供することを目的とする。　上記課題を解決するため、本発明のガス絶縁開閉装置は、電流を遮断する遮断器と、電圧の開閉を行う断路器と、接地開閉器と、遮断器、断路器及び接地開閉器を電気的に接続する主回路導体と、主回路導体を支持する絶縁物１と、を備えるガス絶縁開閉装置にあって、絶縁物１にナノメートルサイズの抵抗材７及びマイクロメートルサイズの抵抗材８から成る非線形抵抗材２を添加する。

Description

ガス絶縁開閉装置
　本発明は、ガス絶縁開閉装置に関するものである。
　受電用断路器、遮断器、母線用断路器の主回路機器が、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－遮断器－母線用断路器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－遮断器－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を、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。この内、主回路導体は容器内に設置した絶縁物によりガス中で支持され、接地電位である密閉容器との間で絶縁を保持している。しかしながら、上記の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、絶縁耐力が著しく低下する課題がある。これに対し、特許文献１では絶縁物沿面に樹脂微粒子を添加した塗料を塗布し、絶縁物表面に凹凸を設け、異物先端での電界集中の緩和を図っている。
特願２０１５－２１２６９
　しかしながらこの場合、凹凸により絶縁物沿面に電荷が帯電しやすくなり、開閉装置遮断時の残留直流電圧により絶縁物沿面に発生する帯電電荷により、沿面電界分布の変歪が生じ、これに起因した電界集中により絶縁耐力については考慮されていない。また、添加剤が絶縁樹脂であるためコーティングの際の液だれが考慮されていない。
　また、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、この異物が絶縁物沿面に付着すると絶縁耐力が著しく低下する。これに対し、絶縁物沿面にコーティングを設けようとする場合、コーティング材の効果が有効となる添加材の添加量と、コーティング材の膜厚管理が可能となる粘度の両立が課題となる。
　そこで本発明の目的は、絶縁耐力が向上したガス絶縁開閉装置を提供することにある。
　本発明の代表的なものの一つを示せば、電流を遮断する遮断器と、電圧の開閉を行う断路器と、接地開閉器と、前記遮断器、前記断路器及び前記接地開閉器を電気的に接続する主回路導体と、前記主回路導体を支持する絶縁物と、を備えるガス絶縁開閉装置にあって、前記絶縁物にナノメートルサイズの抵抗材及びマイクロメートルサイズの抵抗材から成る非線形抵抗材を添加したガス絶縁開閉装置。
　本発明によれば、絶縁耐力が向上したガス絶縁開閉装置を提供することが可能となる。
本発明の実施形態にかかる絶縁物の構成を示す断面模式図 本発明の絶縁物に対するコーティングの範囲を示す断面模式図 非線形抵抗材の電界-導電率特性 非線形抵抗材のコーティング厚さ-破壊電圧特性を示す模式図 非線形抵抗材の添加量とコーティング材の粘度の相関を示す模式図 ナノ材の配合試験結果 金属異物付着時の沿面絶縁試験結果を示す模式図 本発明の実施形態にかかる処理フロー コーティング材の硬度を計測した結果 表面処理剤の添加量に対する絶縁耐力の試験結果
　以下、図面を参照しつつ本発明を説明する。
　図１は本発明におけるガス絶縁開閉装置の絶縁物１の断面を示す模式図である。絶縁物１沿面には非線形抵抗体２が添加された樹脂３がコーティングされている。非線形抵抗材２には酸化亜鉛（ZnO）や炭化ケイ素（SiC）が用いられる。絶縁物１沿面へのコーティング範囲は、少なくとも絶縁物沿面電界が高電界となるところに塗布される。コーティング部に金属異物４が付着した場合、金属異物４近傍は電界集中し、高電界となる。この範囲にある非線形抵抗材２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４先端の大きさが拡がることと等価となり異物４近傍の電界集中が緩和される。この緩和により、金属異物４付着時の絶縁耐力が向上する。
　ガス絶縁開閉装置に雷インパルスなどの高い電圧が印加された場合、絶縁物１の沿面全体にわたり高電界となる。非線形抵抗材２がこの高電界により導電率が上昇し、コーティング領域に大電流が流れると、コーティング材の熱容量を超過してコーティング材が損傷する。これを防ぐために、絶縁物１の沿面全体をコーティングするのではなく、装置のタンク５内に存在する金属異物４が通常の交流電圧により挙動する高さよりも高電圧導体６側は非コーティング領域とし、雷インパルスが印加されても高電圧導体から接地タンクへの電流経路を絶縁物沿面に形成しないようにコーティング領域を部分的とするコーティング形態もある。図２に左記形態の断面図を示す。
　コーティング材は、絶縁物１沿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。図３に示すようにコーティング材は非線形抵抗材２の添加量により電界-導電率特性が変化する。添加量が少ない場合、金属異物４が絶縁物１沿面に付着した際の電界集中時の導電率上昇が不十分となり、電界緩和に至らない可能性がある。また、添加量が多すぎる場合、低電界でも導電率が上昇してしまい、コーティング自体が清浄時の絶縁物の沿面絶縁に悪影響を及ぼす可能性がある。また図４に示すように、電界緩和効果はコーティング厚さにも依存するため、緩和効果が耐圧向上に有効となる厚さがある。
　上記より、非線形抵抗材２を添加した樹脂コーティングにおいては、金属異物４付着時の絶縁耐圧を向上させるために、適切な非線形抵抗材２の添加量とコーティング厚さを両立することが必要となる。この際、非線形抵抗材２の添加量とコーティング材の粘度は比例関係にあり、添加量を増やすとコーティング材の粘度は増加する。コーティング材を絶縁物沿面にスプレーした場合、粘度が足らず、液だれを生じる場合がある。液だれが発生するとコーティング厚さの管理が困難となり、必要なコーティング厚さの確保が出来なくなる。しかしながら、液だれが発生しないよう粘度を上げるために非線形抵抗材２の添加量を増加した場合、低電界でコーティング材の導電率上昇が生じ、清浄時の沿面絶縁に悪影響を及ぼす。
　上記課題を解決するために、非線形抵抗材２として、粒径がナノメートルサイズの抵抗材（以下ナノ材７）と、マイクロメートルサイズの抵抗材（以下マイクロ材８）を混合させる。ナノ材７は表面積が大きく、少量の添加でも粘度の上昇率が高い。そこで、例えば非線形抵抗材２の添加量を15wt%としたい場合、ナノ材７を0.5wt%、マイクロ材８を14.5wt%とすることで粘度の増加と、添加量の維持が可能となる。添加量と粘度の関係図を図５に示す。
　非線形抵抗材２の添加量としては、5wt%から30wt%の範囲が電界緩和効果、および電界-導電率特性において好適である。図３より、絶縁物１の沿面に金属異物４が付着した場合の異物周囲の電界値となる4から8kV/mmにて導電率の非線形性が発生することが分かる。また、ナノ材７は、添加量が多すぎると凝集が発生し、材料の混合が困難となるため、ナノ材７の添加量は0.1wt%から10wt%が好適である。図６にナノ材の配合試験結果を示す。添加量を15wt%とすると凝集が発生し、混合が困難となった。これにより、液だれが生じずに必要なコーティング厚さを確保し、かつ金属異物４付着時に異物４近傍の電界集中を緩和する電界-導電率特性となる非線形抵抗材２の添加量とすることが可能となる。これにより金属異物４付着時の絶縁耐力が向上する。金属異物４付着時の沿面絶縁破壊試験結果を図７に示す。
　実施例２において、非線形抵抗材２を樹脂に添加する際に、あらかじめ表面処理剤９と非線形抵抗材２を混合したものを樹脂３に添加し、撹拌することにより非線形抵抗材２の凝集が防止され、非線形抵抗材２が一様に分散されたコーティング材となる。表面処理剤９の一例としてシラン系カップリング剤がある。処理フローを図８に示す。はじめに表面処理剤９と非線形抵抗材２を混合させる。次に左記非線形抵抗材２を樹脂３、および硬化剤１０と混合させ、撹拌機１１などにより十分に撹拌する。撹拌後の非線形抵抗材２添加樹脂３をスプレーガンにより絶縁物１沿面にコーティングする。コーティング後、絶縁物１を炉内に設置し、樹脂硬化温度に上昇することでコーティング材を硬化する。これによりコーティング材のモース硬度が5以上と、母材のエポキシ樹脂と同等の硬度となる。上記作業で作成したコーティング材の硬度を計測した結果を図９に示す。表面はナイフを擦り付けることで傷が付き、モース硬度が5以上であることを確認した。また、表面処理剤９の処理により非線形抵抗材２が一様に分布するため、金属異物４付着時の電界緩和効果がコーティング範囲全域に渡り有効となる。これにより金属異物４付着時の絶縁耐力が向上する。好適には表面処理剤の添加量は0.1wt%から5wt%となる。図１０に添加量に対する絶縁耐力の試験結果を示す。0.1wt%から絶縁耐力が向上することが確認できる。
１；絶縁物、２；非線形抵抗材、３；樹脂、４；金属異物、５；タンク、６；高電圧導体、７；ナノ材、８；マイクロ材、９；表面処理剤、１０；硬化剤、１１；撹拌機

Claims (9)

  1. 　電流を遮断する遮断器と、
    　電圧の開閉を行う断路器と、
    　接地開閉器と、
    　前記遮断器、前記断路器及び前記接地開閉器を電気的に接続する主回路導体と、
    　前記主回路導体を支持する絶縁物と、を備えるガス絶縁開閉装置にあって、
    　前記絶縁物にナノメートルサイズの抵抗材及びマイクロメートルサイズの抵抗材から成る非線形抵抗材を添加するガス絶縁開閉装置。
  2. 　請求項１に記載のガス絶縁開閉装置であって、
    　前記非線形抵抗材の添加領域を前記絶縁物沿面の一部とすることを特徴とするガス絶縁開閉装置。
  3. 　請求項２に記載のガス絶縁開閉装置であって、
    　前記添加領域が金属異物の移動領域の前記絶縁物に対する投影範囲以下であることを特徴とするガス絶縁開閉装置。
  4. 　請求項１ないし３のいずれか1項に記載のガス絶縁開閉装置であって、
    　前記ナノメートルサイズの抵抗材の添加量が0.1wt%から10wt%までの範囲であることを特徴とするガス絶縁開閉装置。
  5. 　請求項１ないし４のいずれか1項に記載のガス絶縁開閉装置であって、
    　前記非線形抵抗材の添加量を5wt%から30wt%とすることを特徴とするガス絶縁開閉装置。
  6. 　請求項１ないし５のいずれか1項に記載のガス絶縁開閉装置であって、
    　非線形抵抗材として酸化亜鉛又は炭化ケイ素を用いることを特徴とするガス絶縁開閉装置。
  7. 　請求項１ないし６において、
    　前記非線形抵抗材の添加時に表面処理剤を添加することを特徴とするガス絶縁開閉装置。
  8. 　請求項１ないし６のいずれか1項に記載のガス絶縁開閉装置であって
    　前記非線形抵抗材の添加時に予め表面処理剤を混合することを特徴とするガス絶縁開閉装置。
  9. 　請求項７または８に記載のガス絶縁開閉装置であって、
    　前記表面処理剤の添加量を0.1wt%から5wt%とすることを特徴とするガス絶縁開閉装置。
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