(57)【要約】【課題】混入した導電性異物等の対する絶縁性能を向上したコーン形絶縁スペーサを提供する。【解決手段】高電圧導体１を支持したコーン形絶縁スペーサ３は、高電圧導体１の軸方向に沿って形成した凸部側３ａを充填剤としてアルミナを用いたアルミナ充填エポキシ樹脂で、中間部３ｂは充填剤としてアルミナとシリカの混合を用いた混合充填エポキシ樹脂で、さらに凹面側３ｃは充填剤としてシリカを用いたシリカ充填エポキシ樹脂で構成し、高電圧導体１の軸方向に誘電率の異なる複数の材料で構成されると共に、その凹面は最も高い誘電率を持つ材料以外の他の材料で形成する。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
接地金属容器内に収納されて、高電圧導体を支持すると共に上記高電圧導体の軸方向の一方の面を凸面とし他方を凹面としたコーン形絶縁スペーサにおいて、上記高電圧導体の軸方向における誘電率を変え、かつ上記高電圧導体の近傍に位置する上記凹面側の誘電率を最も大きな誘電率の部分より小さな誘電率としたことを特徴とするコーン形絶縁スペーサ。
【請求項２】
請求項１記載のものにおいて、上記高電圧導体の長手方向における充填剤の混合割合および充填剤の種類の少なくともいずれか一方を変えたことを特徴とするコーン形絶縁スペーサ。
【請求項３】
請求項１記載のものにおいて、上記高電圧導体の近傍に位置する上記凸面側の誘電率より、上記高電圧導体の近傍に位置する上記凹面側の誘電率を小さくしたことを特徴とするコーン形絶縁スペーサ。
【請求項４】
請求項１記載のものにおいて、上記高電圧導体の軸方向における誘電率を連続的に変化したことを特徴とするコーン形絶縁スペーサ。
【請求項５】
接地金属容器内に遮断部を収納し、この遮断部に電気的に接続した高電圧導体を支持すると共に上記高電圧導体の軸方向の一方の面を凸面とし他方を凹面としたコーン形絶縁スペーサを有する遮断器において、上記コーン形絶縁スペーサは、上記高電圧導体の軸方向における誘電率を変え、かつ上記高電圧導体の近傍に位置する凸面側よりも上記高電圧導体の近傍に位置する凹面側の誘電率を小さくし、上記コーン形絶縁スペーサの凸面側を遮断部側に向けて配置したことを特徴とする遮断器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、接地金属容器内に高電圧導体を絶縁支持するコーン形絶縁スペーサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、絶縁媒体を封入した接地金属容器内に高電圧導体を絶縁支持して構成したガス絶縁電気機器は、絶縁信頼性や小型化の点で優れているため変電所や開閉所等で広く用いられている。最近では、より高い信頼性と経済性が要求される中でのコンパクト化が強く望まれているが、このコンパクト化における一つの課題として接地金属容器内への導電性異物等の混入がある。接地金属容器内に導電性異物等が混入した場合、その形状や材質等によって導電性異物等が電荷を帯び、接地金属容器内で跳ねたり、高電圧導体と接地金属容器との間を往復したりする。ところで、ガス絶縁電気機器においては、接地金属容器から電気的に絶縁した状態で高電圧導体を支持するために絶縁スペーサが用いられており、この導電性異物等が絶縁スペーサの沿面に付着した状態で雷インパルスや断路器サージ等の過電圧が高電圧導体に加わると、絶縁スペーサの沿面に沿って地絡する可能性が非常に高くなる。
【０００３】
ガス絶縁電気機器における地絡事故の主な原因は、上述のような導電性異物による絶縁スペーサの沿面絶縁破壊であり、導電性異物等の管理は重要な課題であるが、装置製造時における導電性異物等の混入をなくすことは非常に難しく、導電性異物等の混入を考慮した絶縁設計が必要となる。そこで、コンパクト化をはかりながら沿面絶縁破壊を防止するため、コーン形絶縁スペーサの誘電率を径方向に変化させてその表面の沿面方向成分の電界を低減する検討がなされている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
【非特許文献１】
電気学会電力・エネルギー部門大会「傾斜誘電率材料を用いたＧＩＳスペーサの絶縁性能向上効果の検討」、Ｖｏｌ．Ｂ，Ｎｏ．４０５，ｐｐ１７８−１７９，２０００
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来のコーン形絶縁スペーサは、その沿面絶縁破壊を防止する上で有益であるが、導電性異物等による絶縁破壊はリーダチャンネルに供給される注入エネルギーと合わせて考える必要があり、このリーダチャンネルは導電性異物等と過電圧により電界集中が起こるために形成される。リーダチャンネルの導電率は非常に高く、長さ方向の電位傾度は０．１〜０．２（ｋＶ／ｍｍ）に過ぎず、ガス圧［ｂａｒ］をＰとするときストリーマコロナの電位傾度３〜４×Ｐ（ｋＶ／ｍｍ）に比べて桁違いに小さい。リーダチャネル先端の電界がＥｃｒ（コロナ開始電界）以上になると放電を開始し、強く発光を伴うストリーマコロナになる。そして、ストリーマコロナの作る空間電荷により電界が緩和されて放電が停止し、発生した電子は分子と衝突してリーダチャネルを加熱する。リーダチャネル形成のためは約２０００Ｋの加熱が必要であり、通常１０７Ｊ／ｋｇの注入エネルギーΔｈが必要である。この注入エネルギーを供給するために必要な電圧Ｖｃｒはエネルギーの釣り合いの条件により、数１で与えられる。
【数１】
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ここで、Ａはスケーリング係数、Ｐはガス圧、Ｃはリーダチャネルと対向電極間の静電容量、Ｌはリーダチャネル長である。
【０００６】
注入エネルギーは、リーダチャネルと対向電極間の静電容量を介して供給され、放電が進展するため、リーダチャネルと対向電極間にある絶縁スペーサの比誘電率が大きくなると、静電容量Ｃが大きくなりＶｃｒが小さくなるため沿面破壊電圧が低くなる。従って、従来のコーン形絶縁スペーサ表面における沿面方向成分の電界とリーダチャネル進展に必要な注入エネルギーの両方を考慮することが必要となる。例えば、従来のようにコーン形絶縁スペーサにおける径方向に誘電率を変化させた場合、コーンス形絶縁ペーサ形状で最も導電性異物等に対して弱い凹面側の沿面方向成分を低減するために高電圧導体側の誘電率を高くし接地金属容器側の誘電率を低くするため、沿面方向成分の電界を低下させることができるが、高電圧導体と導電性異物間の静電容量Ｃが大きくなり、必ずしもコーン形絶縁スペーサの絶縁耐力向上には結びつかない。
【０００７】
本発明の目的は、混入した導電性異物等に対する絶縁性能を向上したコーン形絶縁スペーサを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、接地金属容器内に収納されて、高電圧導体を支持すると共に上記高電圧導体の軸方向の一方の面を凸面とし他方を凹面としたコーン形絶縁スペーサにおいて、上記高電圧導体の軸方向における誘電率を変え、かつ上記高電圧導体の近傍に位置する上記凹面側の誘電率を最も大きな誘電率の部分より小さな誘電率としたことを特徴とする。
【０００９】
本発明によるコーン形絶縁スペーサは、高電圧導体の軸方向における誘電率を変え、かつ高電圧導体の近傍に位置する凹面側の誘電率を最も大きな誘電率の部分より小さな誘電率としたため、凹面における表面沿面方向成分の電界の最大値を低減し、従来の径方向に誘電率を変えたコーン形絶縁スペーサに比べて高電圧導体と導電性異物間の静電容量を小さくして、混入した導電性異物等の対する絶縁耐力を向上させることができる。
【００１０】
また請求項２に記載の本発明は上記目的を達成するために、請求項１記載のものにおいて、上記高電圧導体の長手方向における充填剤の混合割合および充填剤の種類の少なくともいずれか一方を変えたことを特徴とする。このようなコーン形絶縁スペーサによれば、高電圧導体の軸方向における誘電率を容易に変えて製作することができる。
【００１１】
また請求項３に記載の本発明は、請求項１記載のものにおいて、上記高電圧導体の近傍に位置する上記凸面側の誘電率より、上記高電圧導体の近傍に位置する上記凹面側の誘電率を小さくしたことを特徴とする。このようなコーン形絶縁スペーサによれば、凹面側の誘電率を高めることなく、混入した導電性異物などによって凹面における表面沿面方向成分の電界の最大値を低減することができ、従来の径方向に誘電率を変えたコーン形絶縁スペーサに比べて高電圧導体と導電性異物間の静電容量を小さくして、混入した導電性異物等に対する絶縁耐力を向上させることができる。
【００１２】
また請求項４に記載の本発明は、請求項１記載のものにおいて、上記高電圧導体の軸方向における誘電率を連続的に変化したことを特徴とする。このようなコーン形絶縁スペーサによれば、誘電率の変化部における境界面を明確に形成しないため、この境界部における絶縁特性をより安定させて信頼性を高めることができる。
【００１３】
さらに請求項６に記載の本発明は、接地金属容器内に遮断部を収納し、この遮断部に電気的に接続した高電圧導体を支持すると共に上記高電圧導体の軸方向の一方の面を凸面とし他方を凹面としたコーン形絶縁スペーサを有する遮断器において、上記コーン形絶縁スペーサは、上記高電圧導体の軸方向における誘電率を変え、かつ上記高電圧導体の近傍に位置する凸面側よりも上記高電圧導体の近傍に位置する凹面側の誘電率を小さくし、上記コーン形絶縁スペーサの凸面側を遮断部側に向けて配置したことを特徴とする。このような遮断器によれば、凸面側に充填剤としてフッ酸に強いアルミナを用いたアルミナ充填エポキシ樹脂を使用することができ、コーン形絶縁スペーサの腐食の面では有利になり、長期間にわたって絶縁信頼性を確保することができるようになる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施の形態によるコーン形絶縁スペーサを示す断面図である。
絶縁媒体が封入された接地金属容器２内には、高電圧導体１がコーン形絶縁スペーサ３によって接地金属容器２から電気的に絶縁した状態で支持されている。このコーン形絶縁スペーサ３は、高電圧導体１の軸方向に沿った両側に凸面と凹面を有するコーン形状に成されており、ここでは高電圧導体１の軸方向に凸部側３ａと、中間部３ｂと、凹面側３ｃとを有し、各部間にカップリング剤を用いて界面を緊密に接着して一体的に形成している。これら凸部側３ａ、中間部３ｂおよび凹面側３ｃの誘電率をそれぞれε３ａ、ε３ｂ、ε３ｃとするとき、ε３ｂ＞ε３ａ＝ε３ｃとなるように各部の充填剤を選定している。つまり、コーン形絶縁スペーサ３は高電圧導体１の軸方向に誘電率の異なる複数の材料で構成されると共に、その凹面は最も高い誘電率を持つ材料よりも誘電率の小さい材料で形成している。例えば、凸部側３ａは充填剤としてシリカを用いたシリカ充填エポキシ樹脂（ε３ａ＝４．０）で、中間部３ｂは充填剤としてアルミナを用いたアルミナ充填エポキシ樹脂（ε３ｂ＝６．０）で、また凹面側３ｃは最も誘電率の高いアルミナ充填エポキシ樹脂よりも低誘電率のシリカ充填エポキシ樹脂（ε３ｃ＝４．０）で構成している。
【００１５】
図２は、電界分布特性図を示している。
電界分布曲線７は、図１に示したコーン形絶縁スペーサにおける表面沿面方向成分の電界分布を示しており、電界分布曲線８は、充填剤として単一のアルミナを用いたアルミナ充填エポキシ樹脂のみで形成したコーン形絶縁スペーサの表面沿面方向成分の電界分布を示している。両者の比較から分かるように、高電圧導体１の軸方向に誘電率の異なる複数の材料で構成したコーン形絶縁スペーサ３は、従来のコーン形絶縁スペーサと比べて凹面および凸面における表面沿面方向成分の電界値の最大が若干低くなっている。
【００１６】
また、コーン形絶縁スペーサ３の凹面側３ｃに導電性異物等が付着した場合、この凹面側３ｃは低誘電率のシリカ充填エポキシ樹脂で構成しているため、リーダチャネルに注入されるエネルギーに関係する電極間の静電容量は、従来のシリカ充填エポキシ樹脂のみの場合とほぼ同じであるから、導電性異物に対する絶縁耐力はシリカ充填エポキシ樹脂のみの場合よりも向上することになる。これは、従来の径方向に誘電率を変えたコーン形絶縁スペーサに比べて、凸面側３ａおよび凹面側３ｃにおける高電圧導体１の近傍の誘電率を高めないので、高電圧導体と導電性異物間の静電容量が小さく、混入した導電性異物等に対する絶縁耐力を一層向上させることができる。
【００１７】
図３は、本発明の一実施の形態によるコーン形絶縁スペーサを示す断面図である。
接地金属容器２内の高電圧導体１を支持したコーン形絶縁スペーサ３は、高電圧導体１の軸方向に沿った両側に凸面と凹面を有するコーン形状に成形されており、ここでは高電圧導体１の軸方向にそれぞれ誘電率が異なる凸部側３ａと、中間部３ｂと、凹面側３ｃとを有している。これら凸部側３ａ、中間部３ｂおよび凹面側３ｃの誘電率をそれぞれε３ａ、ε３ｂ、ε３ｃとするとき、ε３ａ＞ε３ｂ＞ε３ｃとなるように各部の充填剤を選定している。つまり、コーン形絶縁スペーサ３は高電圧導体１の軸方向に誘電率の異なる複数の材料で構成されると共に、その凹面は最も高い誘電率を持つ材料以外の他の材料で形成している。例えば、凸部側３ａは充填剤としてアルミナを用いたアルミナ充填エポキシ樹脂（ε３ａ＝６．０）で、中間部３ｂは充填剤としてアルミナとシリカの混合を用いた混合充填エポキシ樹脂（ε３ｂ＝５．０）で、さらに凹面側３ｃは充填剤としてシリカを用いたシリカ充填エポキシ樹脂（ε３ｃ＝４．０）で構成している。
【００１８】
図４は、電界分布特性図を示している。
電界分布曲線９は、図３に示したコーン形絶縁スペーサにおける表面沿面方向成分の電界分布を示しており、電界分布曲線８は、充填剤として単一のアルミナを用いたアルミナ充填エポキシ樹脂のみで形成したコーン形絶縁スペーサの表面沿面方向成分の電界分布を示している。両者の比較から分かるように、高電圧導体１の軸方向に誘電率の異なる複数の材料で構成し、かつ、凹面側３ｃを他の部分の誘電率よりも小さくしたコーン形絶縁スペーサ３は、従来のコーン形絶縁スペーサと比べて凹面および凸面における表面沿面方向成分の電界の最大値を小さくすることができ、しかも、凹面側３ｃを構成する絶縁物の比誘電率を小さく保つことができるため、混入した導電性異物等に対する絶縁性能を向上させることができる。
【００１９】
図５は、上述したコーン形絶縁スペーサの製造方法を示す製作途中状態の断面図である。
高電圧導体１の軸方向に二分割した金型４ａ，４ｂを用い、その対向部にコーン形絶縁スペーサ３の形状に対応する充填部１０ａ，１０ｂを形成している。高電圧導体１あるいは高電圧導体１を取り付ける埋め込み導体を図示のように金型４ａ，４ｂの中心部に保持し、注入口５から、先ず、凸面側３ａとなる充填剤としてアルミナを用いたアルミナ充填エポキシ樹脂を流し込み、このアルミナ充填エポキシ樹脂がゲル状になった状態のとき、注入口５から中間部３ｂとなる充填剤としてアルミナとシリカの混合を用いた混合充填エポキシ樹脂を流し込み、この混合充填エポキシ樹脂がゲル状になった状態のとき、さらに注入口５から凹面側３ｃとなる充填剤としてシリカを用いたシリカ充填エポキシ樹脂を流し込み、硬化させる。
【００２０】
このような製造方法によれば、高電圧導体１の軸方向に誘電率の異なる複数の材料で構成したコーン形絶縁スペーサ３を容易に製作することができ、しかも、凹面側３ｃを他の部分の誘電率よりも小さくしたり、最も高い誘電率の部分よりも低い誘電率とするのが容易である。また、高電圧導体１などを垂直に配置して作業することができるので、高電圧導体１の軸方向に誘電率の異なる複数の材料を用いても各材料の境界面は水平となり、安定した特性を持つコーン形絶縁スペーサ３を得ることができる。
【００２１】
図６は、上述したコーン形絶縁スペーサの他の製造方法を示す製作途中状態の断面図である。
高電圧導体１の軸方向に二分割した金型４ａ，４ｂを用い、その対向部にコーン形絶縁スペーサ３の形状に対応する充填部１０ａ，１０ｂを形成している。高電圧導体１あるいは高電圧導体１を取り付ける埋め込み導体を図示のように金型４ａ，４ｂの中心部に保持し、注入口５から、所定の充填剤を混入したエポキシ樹脂などの絶縁材料を注入する。その後、金型４ａ，４ｂを矢印で示す上下方向に振動もしくは遠心分離させると、エポキシ樹脂よりも充填剤の比重が小さい場合には、金型４ａ，４ｂの上部における充填剤の密度が大きくなり、しかも充填剤の密度が連続的に変化する。一方、エポキシ樹脂よりも充填剤の比重が大きい場合には、金型４ａ，４ｂの下部における充填剤の密度が大きくなり、しかも、充填剤の密度が連続的に変わる。このため、コーン形絶縁スペーサ３の比誘電率を接地金属容器２および高電圧導体１の軸方向に連続的に変化させることができる。
【００２２】
このように高電圧導体１の軸方向に比誘電率が連続的に変化した場合、先の製造方法に比べて凸部側３ａと、中間部３ｂと、凹面側３ｃとの界面が存在しないため、導電性異物に対する絶縁性能を向上しながら、機械的信頼性を高めたコーン形絶縁スペーサ３を得ることができる。
【００２３】
図７は、上述したコーン形絶縁スペーサ３を用いて構成したガス遮断器の要部断面図である。
上述したコーン形絶縁スペーサ３は、高電圧導体１の軸方向に誘電率の異なる複数の材料を用い、しかも、最も誘電率の高い部分よりも低い誘電率の材料で凹面側３ｃを構成したため、必然的に凸面側３ａは比誘電率の大きい材料を使用することになる。接地金属容器２内に封入した絶縁媒体、例えばＳＦ６ガスあるいは混合ガスを用いたガス遮断器６では、他のガス絶縁電気機器、例えば、断路器や接続用母線における接地金属容器２との連結部にガス区画の機能を有するコーン形絶縁スペーサ３を用いる。このとき、図示のようにガス遮断器６の遮断部側に凸面側３ａが位置するようにコーン形絶縁スペーサ３を取り付けている。
【００２４】
高電圧導体１の軸方向における誘電率の関係の条件を満たすために、凹面側３ｃに充填剤としてシリカを用いたシリカ充填エポキシ樹脂を使用し、凸面側３ａに充填剤としてアルミナを用いたアルミナ充填エポキシ樹脂を使用すると、凸面側３ａは、フッ酸につよいアルミナ充填エポキシ樹脂が高電界側の遮断部側に配置されることになるため、コーン形絶縁スペーサ３の腐食の面では有利になり、長期間にわたって絶縁信頼性を確保することができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のコーン形絶縁スペーサによれば、従来の径方向に誘電率を変えた場合のように凹面側の誘電率が最大とはならないため、導電性異物等に対する絶縁性能を向上させることができ、絶縁信頼性とコンパクト化を両立したガス絶縁電気機器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態によるコーン形絶縁スペーサを示す断面図である。
【図２】図１に示したコーン形絶縁スペーサの電界分布特性図である。
【図３】本発明の他の実施の形態によるコーン形絶縁スペーサを示す断面図である。
【図４】図３に示したコーン形絶縁スペーサの電界分布特性図である。
【図５】図３に示したコーン形絶縁スペーサの製造方法を示す製作途中状態を示す断面図である。
【図６】図３に示したコーン形絶縁スペーサの他の製造方法を示す製作途中状態を示す断面図である。
【図７】本発明の一実施の形態によるガス遮断器を示す要部断面図である。
【符号の説明】
１  高電圧導体
２  接地金属容器
３  コーン形絶縁スペーサ
３ａ  凸面側
３ｂ  中間部
３ｃ  凹面側
４ａ，４ｂ  金型
５  注入口
６  ガス遮断器
１０ａ、１０ｂ  充填部
【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】
2004335390.tif 000008
【図６】
2004335390.tif 000009
【図７】
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