(57)【要約】【課題】機器内の最大電界を低減して小型化を実現できるガス絶縁機器を提供する。【解決手段】絶縁ガス４が封入された金属容器２内に通電用の高電圧導体１を挿入し、高電圧導体１を絶縁支持する支持絶縁部３を配置したガス絶縁機器において、金属容器２と高電圧導体１の間に、電界強度により誘電率が変化する絶縁材料５を配置した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁ガスが封入された金属容器内に高電圧導体を挿入し、前記高電圧導体を絶縁支持する支持絶縁部を配置したガス絶縁機器において、
前記金属容器と高電圧導体の間に、電界強度により誘電率が非線形に変化する絶縁材料を配置したこと、を特徴とするガス絶縁機器。
【請求項２】
前記高電圧導体の少なくとも一部を、電界強度により誘電率が非線形に変化する前記絶縁材料で被覆したこと、を特徴とする請求項１に記載のガス絶縁機器。
【請求項３】
前記支持絶縁部の少なくとも一部が、電界強度により誘電率が変化する絶縁材料を用いて構成されていること、
を特徴とする請求項１または２に記載のガス絶縁機器。
【請求項４】
前記絶縁材料の誘電率は、ガス絶縁機器の通常運転時よりも前記高電圧導体に異常電圧が侵入した時の方が大きいこと、
を特徴とする請求項１乃至３に記載のガス絶縁機器。
【請求項５】
前記絶縁材料は、誘電率が前記絶縁材料内の電界強度と所定の閾値との関係によって変化し、
前記通常運転時には、前記絶縁材料内の電界強度が前記閾値よりも小さく、前記高電圧導体に異常電圧が侵入した時には、前記絶縁材料内の電界強度が前記閾値よりも大きいこと、
を特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載のガス絶縁機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界強度により誘電率が非線形に変化する絶縁材料を用いたガス絶縁機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、電力系統においては金属容器に絶縁ガスを封入したガス絶縁機器が広く用いられている。ここで、一般的なガス絶縁機器の構成例について図１０を用いて具体的に説明する。図１０に示すように、金属容器２内に絶縁ガス４が封入されると共に、支持絶縁部３に絶縁支持された通電用の高電圧導体１が挿通されている。
【０００３】
金属容器２に封入される絶縁ガス４としては、絶縁性能および冷却性能に優れたＳＦ６ガスが使用されている。このようなガス絶縁機器は高い需要を得ており、今や変電所および発電所におけるガス絶縁機器の主流を成している。さらに近年では、１１００ｋＶ級系統への適用も計画されており、高電圧化と高容量化がより一層進められる傾向にある。
【０００４】
ところで、ガス絶縁機器を高電圧化する場合、高電圧導体１の電界強度が上昇するため、優れた絶縁性能を得るためには、機器を大型化して高電圧導体１と金属容器２の絶縁距離を確保するか、あるいは封入する絶縁ガス４の圧力を上昇させる必要がある。絶縁ガス４の圧力を上昇させた場合、金属容器２はその圧力に耐えうる圧力容器としなければならない。しかし、現行の製造工程ではそのような金属容器２の製造は非常に困難である。したがって、ガス絶縁機器の高電圧化に際して優れた絶縁性能を確保するためには、機器を大型化することが余儀なくされていた。
【０００５】
このような大型のガス絶縁機器を用いた変電所は、電力供給の根幹をなすが、最近では都市部の地下変電所への適用や経済性向上が強く望まれており、装置の縮小化を図ることが急務となっている。
【０００６】
さらに、主な絶縁ガス４として広く用いられているＳＦ６ガスは、空気よりも約３倍の絶縁耐力があり電力供給に資するために必要不可欠な物質であるが、昨今の地球温暖化問題への取り組みから地球温暖化係数の高い温室効果ガスが規制される動向にあり、国内外でも温室効果ガスを使用しない代替ガス、あるいは温室効果ガスの使用割合を低減した混合ガスを封入したガス絶縁機器の適用が考えられている。現在のところ、無害で環境に優しいガスはＳＦ６ガスよりも絶縁性能が低く、高電圧化が困難な状態である。
【０００７】
ここで、ガス絶縁機器の金属容器内における電界分布について説明する。ガス絶縁母線に代表される高気圧ガスを封入するガス絶縁機器は、円筒形の金属容器のほぼ中心軸上に高電圧導体部を配置する同軸円筒形状となっているが、この形状では中心軸に近いほど電界強度が上昇する。
【０００８】
たとえば、図５（ｂ）は高電圧導体部の外径を１００ｍｍ（直径）、金属容器の内径を４００ｍｍ（直径）とした場合の高電圧導体と金属容器間の電界分布を、横軸を中心軸からの軸方向距離で表したグラフである。縦軸は平均電界（高電圧導体と金属容器間の電圧を距離で除した値）を１として正規化している。高電圧導体と金属容器間が単純なガスギャップの場合は三角プロットの実線で記載した分布となるが、高電圧導体に近づくほど電界強度は上昇し、高電圧導体の表面では平均電界の２倍を超えている。
【０００９】
通常の絶縁設計では、この高電圧導体表面の最大電界強度に対して、想定される過電圧が高電圧導体に侵入した場合でも許容電界以下となり絶縁性能を確保できるように機器サイズを決定している。そのため、高電圧導体表面の最大電界強度を小さくすることができれば、絶縁性能を確保しつつ機器のコンパクト化が実現できる。
【００１０】
以上述べたガス絶縁機器へのニーズに対応した装置としては、複合絶縁方式のガス絶縁機器が提案されている。具体的には、高電圧導体の外表面と金属容器の内表面のそれぞれに、ＰＦＡ、ＦＥＰ、ＰＴＦＥなどのフッ素樹脂による被覆を設け、高電圧導体フッ素樹脂被覆の被覆厚さは１０〜２０ｍｍ、金属容器フッ素樹脂被覆の被覆厚さは１〜５ｍｍとされている。そして、これらの高電圧導体フッ素樹脂被覆と金属容器フッ素樹脂被覆の間に、支持絶縁物を設けたもの（例えば、特許文献１参照）がある。このようなガスと絶縁被覆による絶縁方式では、絶縁力の低い窒素を絶縁ガスとした場合でも、現行のＳＦ６ガスを用いた機器と同等のサイズで絶縁構成が可能となる。（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許第３０２８９７５号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】平成１１年電気学会全国大会Ｎｏ．１５４２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、上記特許文献１のような複合絶縁方式のガス絶縁機器は、絶縁性能を高めるためには複雑な構成となってしまうため、より簡易的な高電圧導体の構成が求められている。
【００１４】
本発明は、以上のような問題点を解決するために提案されたものであり、金属容器と高電圧導体の間に絶縁材料を配置するだけの簡単な構成でありながら、金属容器内の最大電界を低減して小型化を実現できるガス絶縁機器を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本実施形態のガス絶縁機器は、次の構成を有することを特徴とする。すなわち、絶縁ガスが封入された金属容器内に通電用の高電圧導体を挿入し、前記高電圧導体を絶縁支持する支持絶縁部を配置したガス絶縁機器において、前記金属容器と高電圧導体の間に、電界強度により誘電率が非線形に変化する絶縁材料を配置した。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１の実施形態に係るガス絶縁機器の構成を示す軸方向断面図である。
【図２】高電圧導体に被覆のない場合の等電位分布（５％）を示す軸方向断面図である。
【図３】高電圧導体に絶縁被覆（比誘電率ε＝２）のある場合の等電位分布（５％）を示す軸方向断面図である。
【図４】高電圧導体に絶縁被覆（比誘電率ε＝４）のある場合の等電位分布（５％）を示す軸方向断面図である。
【図５】（ａ）はガス絶縁機器の半径方向の断面図であり、（ｂ）は電界分布を示す図である。
【図６】支持絶縁物の比誘電率がε＝６で一様な場合の等電位分布（５％）を示す軸方向断面図である。
【図７】支持絶縁物の一部の比誘電率がε＝３０に上昇した場合の等電位分布（５％）を示す軸方向断面図である。
【図８】第３の実施形態に係るガス絶縁機器の構成を示す軸線方向断面図である。
【図９】第４の実施形態に係るガス絶縁機器の構成を示す軸線方向断面図である。
【図１０】従来のガス絶縁機器の構成を示す軸方向断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、本発明の各実施形態について図１から図９を用いて説明する。
［第１の実施形態］
（構成）
図１は、第１の実施形態に係るガス絶縁機器の構成図である。図１に示すように、第１の実施形態の特徴は、高電圧導体１を絶縁被覆部５で被覆している点にある。絶縁被覆部５は、絶縁被覆部５内の電界強度によって、その誘電率が非線形に変化する絶縁材料から構成されている。この絶縁被覆部５は、その絶縁被覆部５内の電界強度が所定の大きさになったとき、すなわち閾値を超えたときに誘電率が変化する。
【００１８】
また、絶縁ガス４としては、絶縁耐力の優れたＳＦ６ガスまたはＳＦ６ガス以外のガス、すなわち窒素ガス、乾燥空気または炭酸ガスのいずれかによる単体ガスあるいはこれら単体ガスを含む混合ガスを使用することも可能である。その他の構成については、前に述べた一般的なガス絶縁機器の構成と同様である。
【００１９】
（作用効果）
図２は高電圧導体１に絶縁被覆部５を被覆していない場合の高電圧導体１と金属容器２のガスギャップの電位分布を示している。図中のＬは、高電圧導体１および金属容器２が共通とする中心軸線を示している。図２より、金属容器２内では中心部に配置された高電圧導体１に近づくほど電位分布間隔が狭くなり、電界強度が上昇することがわかる。
【００２０】
図３は高電圧導体１に絶縁被覆部５を被覆した場合の電位分布であり、絶縁被覆部５の比誘電率をε＝２とした場合を示している。この場合、比誘電率の低い絶縁被覆部５と金属容器２のガスギャップの電位分担が大きくなり、高電圧導体１表面の電界強度は低減される。
【００２１】
さらに、絶縁被覆部５の比誘電率をε＝４とした場合の電位分布を図４に示す。図３で示した絶縁被覆部５の比誘電率がε＝２の場合と比べて、高電圧導体１表面の電界強度がさらに低減されている。このように、絶縁被覆部５の比誘電率が大きくなればなるほど、絶縁被覆部５と金属容器２のガスギャップの電位負担が増大し、高電圧導体１表面の電界強度は低減される。
【００２２】
絶縁被覆部５の誘電率と電界分布の特性について、図５を用いて詳述する。図５（ａ）は、ガス絶縁機器の半径方向の断面図である。図中のＺは高電圧導体１の軸中心の位置を示している。また、Ａは高電圧導体１の表面を、Ｂは絶縁被覆部５の表面を、Ｃは金属容器２の内面をそれぞれ示している。図５（ｂ）は、ガス絶縁機器内の電解分布を示すグラフである。この図５（ｂ）では、高電圧導体部１の外径を１００ｍｍ（直径）、絶縁材料被覆部５の外径を２００ｍｍ（直径）、金属容器２の内径を４００ｍｍ（直径）とした場合の金属容器２内の電界分布を、横軸を中心軸Ｚからの半径方向の距離で表したグラフである。縦軸は平均電界（高電圧導体と金属容器間の電圧を距離で除した値）を１として正規化している。
【００２３】
図５（ｂ）において、四角のプロットは絶縁被膜５の比誘電率がε＝２の場合であり、丸のプロットは絶縁被膜５の比誘電率がε＝４の場合を示している。高電圧導体１の表面Ａにおいては、絶縁被膜５の比誘電率が大きい方が、絶縁被覆部５と金属容器２のガスギャップの電位負担が増加し、高電圧導体１表面の電界は低減されている。一方、金属容器２の内面Ｃでは、ガスギャップの電位負担が増加するため、絶縁被膜５の比誘電率が大きい方が電界強度は高くなっている。
【００２４】
ここで、ガス絶縁装置は、通常の運転電圧（交流電圧）においては、金属容器２の表面に停留した金属異物の挙動を抑えるため、金属容器２表面の電界を抑える必要がある。一方、雷によるインパルス電圧など過電圧が高電圧導体１に侵入した場合は、継続時間の非常に短い現象であるため、金属異物よりも放電発端となりやすい高電圧導体１表面の電界を抑えた方が望ましい。
【００２５】
そのため、通常の交流電圧による運転電圧では、絶縁被覆部５の比誘電率を抑え、雷などによる異常電圧侵入時には、絶縁被覆部５内の電界強度がその絶縁被覆部５の誘電率が変化する境界である閾値を超えて、絶縁被覆部５の比誘電率が大きくなるように構成している。例えば、絶縁被覆部５内の電界について、通常運転時の電界強度で比誘電率をε＝２と抑え、異常電圧侵入時に比誘電率がε＝４と大きくなるように構成することで、図５（ｂ）に示すように、通常運転時（ε＝２）には金属容器２内面の電界強度を低くし、異常電圧侵入時（ε＝４）においても、高電圧導体１表面の電界強度を平均電界以下とすることができる。
【００２６】
以上のような構成を有する第１の実施形態は、高電圧導体１の表面に絶縁被覆部５を被覆した簡単な構成としながらも、高電圧導体１表面の最大電界強度を低減することができる。そのため、高電圧導体１と金属容器２の絶縁距離を短くすることができ、すなわち機器サイズを小型化することができる。また、高電圧導体１表面の最大電界強度が低減されるため、機器の大きさをそのままとしてＳＦ６よりも絶縁性能の低いガスを利用することができ、環境負荷の低減に貢献することができる。
【００２７】
［第２の実施形態］
（構成）
図７は、第２の実施形態に係るガス絶縁機器の等電位分布（５％）を示している。本実施例では、支持絶縁物３を電界強度によって誘電率が非線形に変化する絶縁材料で構成したことが特徴である。その他の構成については、第１の実施形態と同様である。この支持絶縁物３は、その支持絶縁物３内の電界強度が所定の大きさになったとき、すなわち閾値を超えたときに誘電率が変化する。
【００２８】
（作用効果）
図６は、支持絶縁物３の比誘電率がε＝６で一定であり変化しない場合を示している。図６に示すように高電圧導体１表面の電界強度が最も高くなっている。一方、図７は支持絶縁物３に電界強度によって非線形に変化する絶縁材料を使用した場合を示している。具体的には、支持絶縁物３内の電界強度が誘電率の変化する境界である閾値よりも小さい場合に比誘電率ε＝６となり、閾値を超えた場合には比誘電率がε＝３０となる絶縁材料を使用した。
【００２９】
このような構成により、図７に示すようにＤ線を境に、支持絶縁物３の高電圧導体１側と金属容器２側で誘電率が変化し、支持絶縁物３の高電圧導体１側は比誘電率がε＝３０となり、金属容器２側は比誘電率ε＝６となっている。これにより、支持絶縁物３の金属容器２側の電位負担が増加するため、支持絶縁物３と高電圧導体１の接続部分およびその近傍の電界強度が低減される。
【００３０】
このような構成を有する第２の実施形態は、支持絶縁物３を電界強度によって誘電率が変化する絶縁材料で構成する簡単な方法でありながらも、高電圧導体１表面の最大電界強度を低減することができる。そのため、支持絶縁物３を小型化することができ、すなわち機器サイズをコンパクトにすることができる。また、高電圧導体１表面の最大電界強度が低減されるため、機器の大きさをそのままとしてＳＦ６よりも絶縁性能の低いガスを利用することができ、環境負荷の低減に貢献することができる。
［第３の実施形態］
【００３１】
（構成）
図８は、第３の実施形態に係るガス絶縁機器を示す構成図である。本実施例では、高電圧導体１と金属容器２の間に、電界強度によって誘電率が変化する絶縁材料で構成したバリア絶縁物６を挿入配置したことが特徴である。このバリア絶縁物６は、高電圧導体１および金属容器２と同軸で円筒状の部材である。その他の構成については、第１の実施形態と同様である。
【００３２】
（作用効果）
このような構成を有する第３の実施形態は、第１の実施形態の作用効果に加えて、バリア絶縁物６は配置や形状など変更が可能であるため、それらの配置や形状と電界を組み合わせて制御することで誘電率を変化させて、金属容器２内の電界分布をコントロールすることができるという特徴がある。
［第４の実施形態］
【００３３】
（構成）
図９は、第４の実施形態に係るガス絶縁機器を示す構成図である。第４の実施形態は、本発明を、電流遮断能力を有するガス絶縁機器に適用したもので、金属容器２内には固定接触部７と可動接触部８とが対向配置され収容されている。本実施形態では、両接触部７、８の外周面を電界強度によって誘電率が変化する絶縁被覆部５を被覆している。
【００３４】
このような構成を有する第４の実施形態は、電流の通電および遮断時において、両接触部７、８の外周面の電界強度を低減することが可能であり、機器サイズをコンパクトにすることができる。また、第１の実施形態と同様、高電圧導体１表面の最大電界強度が低減されるため、機器の大きさをそのままとしてＳＦ６よりも絶縁性能の低いガスを利用することができ、環境負荷の低減に貢献することができる。
【００３５】
［その他の実施の形態］
本明細書においては、本発明に係る複数の実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図していない。具体的には、第１乃至第４の実施形態を全て又はいずれかを組み合わせたものも包含される。以上のような実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 
【符号の説明】
【００３６】
１  高電圧導体
２  金属容器
３  支持絶縁部
４  絶縁ガス
５  絶縁被覆部
６  バリア絶縁物
７  固定接触部
８  可動接触部
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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