(57)【要約】【課題】接地側の３重点における電界を緩和し、スペーサ沿面の絶縁破壊を抑制する。【解決手段】ガス絶縁開閉装置２に備えられた異なる区画（機器室３や母線室４）を隔て、この区画を挿通して設けられる導体５と区画を形成する区画壁（接地タンク１０）との間の絶縁を保つスペーサ１である。スペーサ１は、芯部８と、外周部９を備える。芯部８を、高圧側（例えば、導体５）から接地側（例えば、接地タンク１０）に延びるように配置する。外周部９を、導体５の導通方向で芯部８を挟むように１対備える。芯部８を、外周部９よりも誘電率が高い材料により形成する。スペーサ１に対する芯部８の割合を、１０〜７５％とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス絶縁開閉装置に備えられた異なる区画を隔て、前記区画を挿通して設けられる導体と前記区画を形成する区画壁との間の絶縁を保つスペーサであって、
前記スペーサは、前記導体側から前記区画壁側に延びる芯部と、前記導体の導通方向で前記芯部を挟む一対の外周部と、を備え、
前記芯部の誘電率は、前記外周部の誘電率より高い、ことを特徴とするスペーサ。
【請求項２】
ガス絶縁開閉装置に備えられた異なる区画を隔て、前記区画を挿通して設けられる導体と前記区画を形成する区画壁との間の絶縁を保つスペーサの製造方法であって、
前記導体に、当該導体から前記区画壁に延在する芯部をモールドにより形成し、
前記芯部を前記導体の導通方向で挟むように、前記芯部よりも誘電率の低い外周部をモールドにより形成する、ことを特徴とするスペーサの製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載のスペーサを備える、ガス絶縁開閉装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス絶縁開閉装置に備えられるスペーサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス絶縁開閉装置（Ｃ−ＧＩＳ、ＧＩＳ）は、例えば、機器室や母線室といったガス圧の異なる空間を備えており、このガス圧の異なる空間を隔てるスペーサが設けられる。スペーサは、ガス圧の異なる空間を隔てる役割と動作時に電流が流れる導体とタンク接地部との絶縁を保つ役割を担う。なお、Ｃ−ＧＩＳとは、遮断器、断路器、接地開閉器等の機器が接地され、かつ低圧絶縁ガスが封入されたタンク内に一括収納されたものである。
【０００３】
ガス絶縁開閉装置に備えられるスペーサにおいては、絶縁ガス、導体、スペーサ（絶縁物）で形成される３重点（トリプルジャンクション）の電界値が高いことが課題となっている（例えば、特許文献１、２）。スペーサに高誘電率の絶縁材料を用いれば、高圧側の電界は緩和されるが、接地側の電界は厳しくなるといったトレードオフの関係となっている。そこで、一つのスペーサにおいて、高圧側に高誘電率材料を配置し、接地側に低誘電率材料を配置することが理想の形となる。このように、組成、組織が異なる複数の素材の組成を連続的に変化させて一体とした材料は、一般的に傾斜機能材料（Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｌｙ  Ｇｒａｄｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌ：ＦＧＭ）と呼ばれ、相反する特性を両立させるために様々な分野で使用されている。例えば、スペーサにＦＧＭの技術を適用する場合、接地側の３重点の電界を緩和するために接地側の３重点近傍部分に誘電率が低い材料が適用され、高圧側の３重点の電界を緩和するために高圧側の３重点近傍部分に誘電率が高い材料が適用される。
【０００４】
ＦＧＭの技術を適用したスペーサを製造する場合、従来、遠心分離機を用いた遠心法等によりスペーサが製造されている。例えば、図４に示すように、一体成型（モールド）により導体１１にスペーサ１２が形成される。具体的に説明すると、まず、熱硬化性樹脂（例えば、エポキシ樹脂）に誘電率の異なる無機質充填材１３、１４を分散させ、導体１１にスペーサ１２を一体成型する（ステップＳ１）。この状態では無機質充填材１３、１４は均等に分布しているためスペーサ１２の誘電率は平均化されている。次に、導体１１を回転軸としてスペーサ１２を回転させることにより無機質充填材１３、１４に遠心力を加える（ステップＳ２）。無機質充填材１３、１４の粒形や重量により受ける遠心力が異なるため、遠心力を加えることでスペーサ１２に無機質充填材１３、１４の分布ができ、結果としてスペーサ１２の誘電率に分布ができる（ステップＳ３）。この誘電率に分布ができたスペーサ１２を硬化させることで、導体１１（高圧側）から接地タンク（低圧側）に向けて異なる誘電率を有するスペーサ１２が製造される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１６−６０７７５号公報
【特許文献２】特開２００５−３２７５８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図５に示すように、導体（高圧側）から接地タンク（低圧側）にいくにしたがって、誘電率を変化させた場合、誘電率の変曲点（すなわち、材料の境目）がスペーサ表面に露出することとなる。この誘電率の変曲点において、高い電界値が検出された。このようにスペーサ表面に露出した誘電率の変曲点において電界値が高くなることで、誘電率の変曲点が絶縁破壊の起点となる可能性が高くなる。
【０００７】
また、遠心力は対象物の体積と重量に比例して増加するため、大型のスペーサをモールドにより製造することは困難となるおそれがある。
【０００８】
上記事情に鑑み、本発明は、接地側の３重点における電界の緩和およびスペーサ沿面の絶縁破壊の抑制を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成する本発明のスペーサの一態様は、ガス絶縁開閉装置に備えられた異なる区画を隔て、前記区画を挿通して設けられる導体と前記区画を形成する区画壁との間の絶縁を保つスペーサであって、前記スペーサは、前記導体側から前記区画壁側に延びる芯部と、前記導体の導通方向で前記芯部を挟む一対の外周部と、を備え、前記芯部の誘電率は、前記外周部の誘電率より高い、ことを特徴としている。
【００１０】
また、上記目的を達成する本発明のスペーサの製造方法の一態様は、ガス絶縁開閉装置に備えられた異なる区画を隔て、前記区画を挿通して設けられる導体と前記区画を形成する区画壁との間の絶縁を保つスペーサの製造方法であって、前記導体に、当該導体から前記区画壁に延在する芯部をモールドにより形成し、前記芯部を前記導体の導通方向から挟むように、前記芯部よりも誘電率の低い外周部をモールドにより形成する、ことを特徴としている。
【００１１】
また、上記目的を達成する本発明のガス絶縁開閉装置の一態様は、上記のスペーサを備えることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
以上の発明によれば、接地側の３重点における電界を緩和し、スペーサ沿面の絶縁破壊を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に係るガス絶縁開閉装置の概略を示す図である。
【図２】（ａ）スペーサの拡大断面図、（ｂ）図２（ａ）のスペーサのＡ部分（高圧側の３重点部分）拡大図、（ｃ）図２（ａ）のスペーサのＣ部分（接地側の３重点部分）拡大図である。
【図３】スペーサ表面における電界の解析結果を示す図である。
【図４】遠心法によるスペーサの製造工程を説明する説明図である。
【図５】従来技術に係るスペーサ表面における電界の解析結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施形態に係るスペーサおよびスペーサの製造方法並びにガス絶縁開閉装置について、図面に基づいて詳細に説明する。
【００１５】
図１に示すように、本発明の実施形態に係るスペーサ１を備えるガス絶縁開閉装置２の構成は、従来と同様である。ガス絶縁開閉装置２は、機器室３と母線室４といったタンク内に、各ユニット極柱部（例えば、導体５、遮断器６、母線７等）が収納され、各ユニット操作器はタンク外に設置される。スペーサ１は、例えば、機器室３と母線室４との間に備えられる。
【００１６】
図２に示すように、スペーサ１は、芯部８と外周部９を備える。芯部８は、外周部９よりも高い誘電率を有する材料から形成される。スペーサ１は、材料内部で組成を変化させることにより誘電率を空間的に変化させた機能材料となっている。スペーサ１は、導体５に固着され、導体５と接地タンク１０との間に設けられる。スペーサ１の接地タンク１０側の端部１ａは、接地タンク１０に備えられた固定部１０ａに固定される。スペーサ１は、接地タンク１０側の端部１ａの厚みより導体５側の端部１ｂの厚みが厚くなるように形成されており、導体５側の端部１ｂから中央部にかけてなだらかに厚みが薄くなっている。また、スペーサ１の接地タンク１０側の端部１ａより内周側には、接地タンク１０側の端部１ａより厚みが薄い平坦部１ｃが形成されている。スペーサ１は、例えば、芯部８をモールドにより形成した後、芯部８を覆うように外周部９をモールドにより形成することにより得られる。
【００１７】
芯部８は、高圧側（例えば、導体５）から低圧側（例えば、機器室３や母線室４を構成する接地タンク１０）に延びるように配置される。芯部８が板状の場合、スペーサ１に対する芯部８の割合は、接地タンク１０側の端部１ａにおいて１０〜７５％が好ましい。芯部８が８０％を超えると、平坦部１ｃにおいて芯部８がスペーサ１の表面に露出おそれがあり好ましくない。スペーサ１の厚みは、ガス絶縁開閉装置２の種類によって異なるので芯部８の厚みはスペーサ１に対する割合により定められる。そして、芯部８の厚みに応じて外周部９の厚みが変化することとなる。
【００１８】
なお、芯部８は、板状の他に、高圧側から低圧側にいくにしたがって階段状（または、なだらかに）厚さが薄くなるように形成されていてもよい。また、芯部８（および、外周部９）が誘電率の異なる複数の層から構成されていてもよい。この場合、芯部８（および、外周部９）の誘電率は、スペーサ１の表面にいくにしたがって誘電率が低くなるように変化することとなる。
【００１９】
外周部９は、導体５の導通方向で芯部８を挟むように一対設けられる。このように外周部９を設けることで、スペーサ１は、導体５の通電経路と平行方向に誘電率の傾斜を有することとなる。
【００２０】
芯部８および外周部９は、例えば、熱硬化性樹脂と無機質充填材からなる樹脂組成物により形成される。この場合、芯部８または外周部９に必要とされる誘電率となるように、熱硬化性樹脂や無機質充填材の種類や配合量および無機質充填材の組合せが選択される。例えば、芯部８の誘電率（εγH）が５〜３０、外周部９の誘電率（εγL）は芯部８の誘電率より低くなるように（例えば、３．０〜４．０）、無機質充填材の種類等が選択される。なお、熱硬化性樹脂には、無機質充填材の他、目的に応じて無機質充填材の表面処理剤等が添加される。
【００２１】
熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、ケイ素樹脂、ポリウレタン樹脂、ジシクロペンタジエン樹脂のいずれか、またはそれらの組み合わせたものが用いられる。特に、電力機器での利用においては、エポキシ樹脂が好ましい。
【００２２】
無機質充填材としては、例えば、シリカ、アルミナ、酸化チタン、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム等が用いられる。
【００２３】
スペーサ１において、機器室３や母線室４を構成する接地タンク１０に充填される絶縁ガス、導体５（または、接地タンク１０）、スペーサ１（絶縁物）で３重点部が形成される。つまり、スペーサ１において、電流経路である導体５側に高圧側の３重点（図２中『Ａ』で示す）が形成され、接地部である接地タンク１０側に接地側の３重点（図２中『Ｃ』で示す）が形成される。
【００２４】
ここで、有限要素法（ＦＥＭ）によりスペーサ１の電界解析を実施し、スペーサ１の電界緩和効果の検証を行った。
【００２５】
解析は、外周部９の誘電率（εγL）が３．７であり、芯部８の誘電率（εγH）が３０、１０、６、５の４つ条件で作製されたスペーサ１に対して行った。また、接地タンク１０と接する面におけるスペーサ１の厚みを１００％とした場合、スペーサ１の中央に配置された板状の芯部８の厚みをＸ％として、芯部８の割合を変化させ、スペーサ１の表面における電界解析を行った。芯部８の厚み（Ｘ％）は、１０、２０、４０、６０、７０、７５、１００％と変化させた。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
【表２】
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【００２８】
【表３】
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【００２９】
【表４】
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【００３０】
高圧側の３重点（表１〜４のＡ列、Ｘ＝１００％行を参照）において、芯部８の誘電率が高いほど電界が低くなっており、高圧側の３重点の電界緩和を行うためには、誘電率の高い材料を用いれば良いことがわかる。しかしながら、誘電率の高い材料を用いると、接地側の３重点（例えば、表１のＣ列、Ｘ＝１００％行を参照）における電界が非常に高くなっていることがわかる。
【００３１】
そこで、本発明の実施形態に係るスペーサ１では、芯部８より誘電率の低い外周部９を備えることで、接地側の３重点の電界緩和を行っている。外周部９を設けることにより、高圧側の３重点の電界が上昇する傾向にあるが、接地側の３重点の電界緩和効果と比較して軽微であるため、スペーサ１全体としては、表面における電界が均等に分散することとなる。その結果、図３に示すように、スペーサ１は、従来のスペーサ（図５に示す）と比較して、その表面における突出した電界集中がなく、スペーサ１沿面の絶縁破壊が抑制されるものと考えられる。
【００３２】
表１〜４に示すように、いずれの結果においても、芯部８の厚さが最も薄い場合に、接地側の３重点（表中における『Ｃ』部分）の電界が緩和された。電界の緩和効果は、芯部８の誘電率が高いほど顕著であり、芯部８の誘電率（εγH）が３０のスペーサ１（表１に示す）では、芯部８の厚み（Ｘ）が２０％において、５３％の電界緩和効果が得られた。なお、接地側の３重点の電界緩和率（Ｘ＝１００のスペーサの表面電界値を基準としたスペーサの表面電界値の割合）は、Ｘ＝１０％の時と比較して、Ｘが増加するにしたがって下がる傾向にあった。ただし、表１〜表４に示したすべての結果において、Ｘ＝６０％〜７５％の間に、高圧側の３重点と接地側の３重点の両方において電界が緩和される領域があった。この領域の範囲は±５％未満と小さな範囲であり、Ｘ＝６８％〜７２％の範囲に表れるものと考えられる。両方の３重点で電界緩和される理由については、定かでないが、芯部８の誘電率が３０のスペーサ１（表１のＸ＝７０％行参照）では、接地側の３重点の緩和率は４９％、高圧側の３重点の緩和率は２６％を達成した。
【００３３】
以上のような本発明の実施形態に係るスペーサ１は、高誘電率の芯部８を芯部８よりも誘電率の低い外周部９で覆うことで、接地側の３重点における電界を緩和することができる。
【００３４】
また、スペーサ１における誘電率の変曲点がスペーサ１内部に隠れているため、変曲点における電界集中が緩和され、スペーサ１沿面の電界値を一様に低くすることができる。具体的には、芯部８と外周部９との境目が区画内のガス空間に露出していないので、スペーサ１沿面の絶縁破壊が抑制される。
【００３５】
また、このスペーサ１は、芯部８の注型と外周部９の注型の少なくとも２段階の注型で製造することができるので、加工性に優れている。特に、大型のスペーサ１にもＦＧＭの技術を適用することができる。また、芯部８や外周部９の誘電率の制御が容易であるため、遠心法により製造されたスペーサよりもばらつきの少ないスペーサを製造することができる。
【００３６】
また、スペーサ１の沿面における電界集中を緩和することで、スペーサ１における絶縁破壊が抑制されるため、スペーサ１を小型化することができる。結果として、このスペーサ１をガス絶縁開閉装置２に適用することで、ガス絶縁開閉装置２の寸法を縮小化することができる。
【００３７】
以上、具体的な実施形態を示して本発明のスペーサおよびガス絶縁開閉装置について説明したが、本発明のスペーサおよびガス絶縁開閉装置は、実施形態に限定されるものではなく、その特徴を損なわない範囲で適宜設計変更が可能であり、設計変更されたものも、本発明の技術的範囲に属する。
【００３８】
例えば、スペーサは、機器室と母線室との間に設けることに限定されるものではなく、他の区画間やユニット間（例えば、母線−母線間等）等に用いることができる。
【符号の説明】
【００３９】
１…スペーサ
１ａ、１ｂ…端部、１ｃ…平坦部
２…ガス絶縁開閉装置
３…機器室（区画）
４…母線室（区画）
５…導体
６…遮断器
７…母線
８…芯部
９…外周部
１０…接地タンク（区画壁）
１０ａ…固定部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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