JP2005327580A - 絶縁スペーサおよびガス絶縁機器 - Google Patents

Abstract

【課題】
絶縁信頼性が高く、コンパクトなガス絶縁機器を提供することにある。
【解決手段】
絶縁性ガスを封入した接地タンク内に固定され、上記接地タンク内を区画する円錐形の絶縁スペーサであって、貫通導体と絶縁体からなる円錐形絶縁スペーサの絶縁体を、貫通導体から接地タンクに向けて異なる誘電率を持つ複数の層を誘電率の高い順に順次積層して形成し、円錐形絶縁スペーサの凹面の絶縁体と貫通導体の接触点部は凸面から数えて第一層目の絶縁体と第二層目の絶縁体の界面より手前位置になるように形成することを特徴とする絶縁スペーサを用いる。
【効果】
絶縁信頼性を保持しつつ、ガス絶縁機器のコンパクト化，低コスト化が可能となる。
【選択図】図３

Description

本発明は、絶縁性ガスが充填された容器内に設置された導体を絶縁支持する絶縁スペーサに係り、特にガス絶縁機器及び絶縁管路気中送電線の荷電部導体を接地タンクから絶縁して支持する絶縁スペーサ及び絶縁機器に関する。

ガス絶縁機器は絶縁信頼性や装置の小型化の点で優れているため発電所や変電所などで広く用いられている。しかし、近年の電力需要の増加に伴い、送電系統では大容量化が求められている。これらの発変電所で用いられるガス絶縁機器には、より高い信頼性が要求されるとともに、地球環境への影響を考慮したシステムが求められ、さらに経済性等の要求から小型化が強く望まれている。これらに対処するために、高電圧導体を接地金属容器内に絶縁支持して収納するために使用されている絶縁スペーサの絶縁材料にはより高い耐電圧特性が要求されており、特に導体部と絶縁スペーサ及び絶縁媒体による３重点近傍での電界集中を緩和する手法が提案されている。この手法を目的とした方法として、例えば特開平１１−１２６５２７号公報には樹脂と充填材を押出機で紐状とした押出品を渦巻状に周回した後、加熱プレスで型締めして作製する絶縁スペーサの誘電率を直線的に変化させる方法、特開平１１−２６２１４３号公報には樹脂含浸テープを導体部に巻きつけ後、樹脂含浸テープ材よりも低い誘電率の樹脂を注入し、一体的に成形する方法等が開示されている。

特開平１１−１２６５２７号公報 特開平１１−２６２１４３号公報

前記公報に示す絶縁スペーサの製造方法では、それぞれ二つの異なった方式での成形方式を組合せて製造しており、作業性が煩雑になるなどの問題がある。また、３重点の電界緩和には効果があると考えられるが、全体的な電界緩和には効果が小さい問題があった。

絶縁性ガスを封入した接地タンクと、この接地タンク内に固定され、上記接地タンク内を区画する円錐形絶縁スペーサおよび導体を絶縁支持する埋込み電極と絶縁体からなる円柱形絶縁スペーサにおいて、前記円錐形絶縁スペーサの絶縁体は異なる誘電率を持つ複数の層が貫通導体から接地タンクに向けて垂直方向に誘電率の高い順に順次積層されてなり、埋込み電極と絶縁体からなる絶縁スペーサの絶縁体が異なる誘電率を持つ複数の層からなる。さらに、導体から接地タンクに向けて水平方向に誘電率の高い順に順次積層されてなる円柱形絶縁スペーサからなることを特徴とする絶縁スペーサによって達成される。

本発明の各層の絶縁材料にはエポキシ樹脂と無機質充填材からなる樹脂組成物が用いられ、無機質充填材の種類や配合量及び２種以上の組合せによって誘電率の異なる樹脂組成物を用いる。

次に、注型金型を用いて、誘電率の異なる樹脂組成物を複数回注入することで、誘電率の異なる複数層からなる絶縁スペーサを提供できる。円錐形絶縁スペーサの凹面で貫通導体と絶縁体との接触点部の絶縁体層は、貫通導体と絶縁体との接触点より高い位置になるように配置することで、接触点近傍に気泡等の欠陥のない絶縁スペーサとすることが可能である。

本発明で用いる無機質充填材としては、少なくともシリカ，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、エポキシ樹脂を含む樹脂組成物で充填材の配合量が３５〜６０体積％であることが望ましい。配合量が３５体積％以下であると貫通電極との熱膨張係数の差により、通電時の温度上昇で発生する熱応力が大きくなり、安全性に問題がある。また、配合量が６０体積％以上では樹脂組成物の粘度が高くなり、注型作業に問題が生じる。

樹脂組成物の誘電率は配合する無機質充填材によって異なるが９〜４の材料を用いる。この場合、無機質充填材は２種以上組合せて配合することも可能である。また、上記無機充填材の他に、タルク，クレー，水酸化アルミニウム，炭酸カルシウム，溶融シリカ等も目的に応じて使用可能である。

充填材の最大粒径は５０μｍ以下が好ましく、５０μｍ以上の充填材では材料の強度や絶縁破壊強度が小さくなるなどの問題があり充填材としては適さない。また、最小粒径は０.２μｍ 以上であれば問題ないが、粒径１μｍ以下の割合ができるだけ少ないほうが好ましい。

さらに、誘電率の異なる材料の熱膨張係数の差は５ppm／℃ 以下が望ましい。熱膨張係数の差が大きいと使用環境下で熱応力が発生し、層間剥離や変形等の原因となり易い。

充填材の表面処理剤として、チタン系カップリング剤，シラン系カップリング剤，アルミ系カップリング剤等の使用も材料の作業性や耐電圧向上には効果的である。

本発明によれば、誘電率が異なる層を有する絶縁スペーサの製造が容易で、本発明の絶縁スペーサを用いたガス絶縁機器においては、絶縁信頼性を保持しつつ装置のコンパクト化が可能となる。

以下、実施例を用いて本発明の実施形態について詳細に説明する。

（実施例１）
ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂と酸無水物硬化剤を用い、充填材として平均粒径７
μｍ（粒径０.３ 〜５０μｍ）（マイクロトラック粒度分布測定装置での測定値）のアルミナ（昭和電工株式会社）と平均粒径１.５μｍ（粒径０.２〜２０μｍ）のチタン酸バリウム（富士チタン工業株式会社）を樹脂と硬化剤１００重量部に対して、それぞれ１６０重量部，７０重量部を配合し、混練機を用いて９０℃，４０分間真空状態で撹拌して、第１の絶縁スペーサ用樹脂組成物を得た。次に、上記と同様に樹脂と硬化剤１００重量部に対して、充填材としてアルミナＦＡ−６を２３０重量部配合して第２の絶縁スペーサ用樹脂組成物を得た。さらに、充填材として平均粒径４μｍ（粒径０.３ 〜４０μｍ）のシリカ（龍森株式会社）を１８０重量部配合して第３の絶縁スペーサ用樹脂組成物を得た。得られた樹脂組成物の誘電率および熱膨張係数を表１に示す。

図１に示す絶縁スペーサ用金型１，２の材料注入口４から、第１層の絶縁体５ａに第１の絶縁スペーサ用樹脂組成物が絶縁スペーサの凹面で貫通導体と絶縁体との接触点位置
２０より高い位置になるように注入し、第２層の絶縁体６ａ及び第３層の絶縁体７ａにそれぞれ第２，３の絶縁スペーサ用樹脂組成物を注入し、９０℃・１５時間＋１３０℃・
１５時間の加熱硬化を行い、誘電率が異なる材料からなる３層の円錐形絶縁スペーサを作製した。

この絶縁スペーサの耐電圧特性を測定した結果、絶縁破壊電圧が絶縁材にシリカ充填材からなる第３の絶縁スペーサ用樹脂組成物単独を使用した絶縁スペーサよりも２５％向上した。

（実施例２）
ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂と酸無水物硬化剤に、充填材として平均粒径７μｍ
（粒径０.３〜５０μｍ）のアルミナ（昭和電工株式会社）と平均粒径１.５μｍ（粒径
０.２〜２０μｍ）のチタン酸バリウム(富士チタン工業株式会社) を樹脂と硬化剤１００重量部に対して、それぞれ１２０重量部，９０重量部を配合した第４の絶縁スペーサ用樹脂組成物を得た。得られた樹脂組成物の誘電率および熱膨張係数を表１に示す。

実施例１での材料注入と同様にして、図１に示す第１層の絶縁体５ａに第４の絶縁スペーサ用樹脂組成物を用いた以外は、実施例１と同様な３層からなる円錐形絶縁スペーサを作製した。

この絶縁スペーサの耐電圧特性を測定した結果、絶縁破壊電圧が絶縁材にシリカ充填材からなる第３の絶縁スペーサ用樹脂組成物単独を使用した絶縁スペーサよりも２０％向上した。

（実施例３）
ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂と酸無水物硬化剤を用い、充填材として平均粒径７
μｍ（粒径０.３〜５０μｍ）のアルミナ（昭和電工株式会社）と平均粒径１.１μｍ（粒径０.２ 〜２０μｍ）のチタン酸ストロンチウムＳＴ（富士チタン工業株式会社）を樹脂と硬化剤１００重量部に対して、それぞれ２００重量部，４０重量部を配合し、混練機を用いて９０℃，４０分間真空状態で撹拌して、第５の絶縁スペーサ用樹脂組成物を得た。得られた樹脂組成物の誘電率および熱膨張係数を表１に示す。

図１で示した絶縁スペーサ用金型を用い、図２に示す第１層の絶縁体５ｂに第５の絶縁スペーサ用樹脂組成物が絶縁スペーサの凹面で貫通導体と絶縁体との接触点より高い位置になるように配置し、さらに第２層の絶縁体６ｂに第３の絶縁スペーサ用樹脂組成物を注入して、９０℃・１５時間＋１３０℃・１５時間の加熱硬化を行い、誘電率が異なる材料からなる２層の円錐形絶縁スペーサを作製した。

この絶縁スペーサの耐電圧特性を測定した結果、絶縁破壊電圧が絶縁材にシリカ充填材からなる第３の絶縁スペーサ用樹脂組成物単独を使用した絶縁スペーサよりも１７％向上した。

（実施例４）
実施例１と同様にして、第１〜３の絶縁スペーサ用樹脂組成物を得た。

次に、円柱形絶縁スペーサ用金型を用い、図５に示す第１層の絶縁体１７に第１の絶縁スペーサ用樹脂組成物を注入し、第２層の絶縁体１８及び第３層の絶縁体１９にそれぞれ第２，３の絶縁スペーサ用樹脂組成物を注入し、９０℃・１５時間＋１３０℃・１５時間の加熱硬化を行い、誘電率が異なる材料からなる３層の円柱形絶縁スペーサを作製した。

この絶縁スペーサの耐電圧特性を測定した結果、絶縁破壊電圧が絶縁材にシリカ充填材からなる第３の絶縁スペーサ用樹脂組成物単独を使用した円柱形絶縁スペーサよりも２０％向上した。

（実施例５）
ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂と酸無水物硬化剤を用い、充填材として平均粒径４
μｍ（粒径０.３ 〜４０μｍ）のシリカ（龍森株式会社）を３２０重量部配合して第６の絶縁スペーサ用樹脂組成物を得た。得られた樹脂組成物の誘電率および熱膨張係数を表１に示す。

次に、円柱形絶縁スペーサ用金型を用い、図６に示す第１層の絶縁体１７に第５の絶縁スペーサ用樹脂組成物を注入し、第２層の絶縁体１８に第６の絶縁スペーサ用樹脂組成物を注入し、９０℃・１５時間＋１３０℃・１５時間の加熱硬化を行い、誘電率が異なる材料からなる２層の円柱形絶縁スペーサを作製した。

この絶縁スペーサの耐電圧特性を測定した結果、絶縁破壊電圧が絶縁材にシリカ充填材からなる第３の絶縁スペーサ用樹脂組成物単独を使用した円柱形絶縁スペーサよりも１５％向上した。

（実施例６）
ガス絶縁機器への適用例を図３に示す。図３は全体構成を示すガス絶縁機器の要部を拡大して示したもので、円錐形絶縁スペーサ８ａ，８ｂの中央には貫通導体３ａ，３ｂを有し、導体９が導体接続部１０を介して接続されている。また、絶縁スペーサ８ａ，８ｂは接地タンク１１に固定されている。図３の絶縁スペーサに実施例１〜３のスペーサを適用すると従来品（誘電率が均一）と同等の性能を保持しつつ、機器をコンパクトにすることができる。

図４には、遮断器１３と断路器１４との間に前述の構造を有するガス絶縁機器を設けたガス絶縁開閉装置を示す。直流電圧が残留する遮断器１３と断路器１４との間に前述の構造を有するガス絶縁機器を設けると、遮断器１３もしくは断路器１４を再投入した時の機器の絶縁信頼性を向上させることができ、機器のコスト上昇を抑えることができる。また、接地タンク内に配置された高圧導体１５を絶縁支持する円柱形の絶縁スペーサ１２に実施例４，５のスペーサを適用すると機器の絶縁信頼性を向上させることができる。

本発明の円錐形絶縁スペーサの製造方法を示す概略図である。 本発明の円錐形絶縁スペーサの一例を示す図である。 本発明のガス絶縁機器の一実施例を示す断面図である。 本発明をガス絶縁開閉装置に適用した時の実施例の断面図である。 本発明の円柱形絶縁スペーサの一例（絶縁層３層）を示す図である。 本発明の円柱形絶縁スペーサの一例（絶縁層２層）を示す図である。

符号の説明

１…上金型、２…下金型、３，３ａ，３ｂ…貫通導体、４…材料注入口、５ａ，５ｂ，１７…第１層の絶縁体、６ａ，６ｂ，１８…第２層の絶縁体、７，１９…第３層の絶縁体、８ａ，８ｂ…円錐形絶縁スペーサ、９…導体、１０ａ，１０ｂ…導体接続部、１１…接地タンク、１２…円柱形絶縁スペーサ、１３…遮断器、１４…断路器、１５…高圧導体、１６ａ，１６ｂ…埋込み電極、２０…貫通導体と絶縁体との接触位置。

Claims (8)

1. 絶縁性ガスを封入した接地タンク内に固定され、上記接地タンク内を区画する円錐形の絶縁スペーサにおいて、
   前記絶縁スペーサは、貫通導体と絶縁体からなり、前記絶縁体は異なる誘電率を持つ複数の層からなり、前記異なる誘電率を持つ複数の層は貫通導体から接地タンクに向けて誘電率の高い順に順次積層されており、
   円錐形絶縁スペーサの凹面で絶縁体と貫通導体の接触点部は、凸面から数えて第一層目の絶縁体と第二層目の絶縁体の界面より手前位置になるように配置したことを特徴とする絶縁スペーサ。
2. 請求項１記載の絶縁スペーサであって、
   上記界面は貫通導体の軸方向に対し垂直、または垂直の±５°以内であることを特徴とする絶縁スペーサ。
3. 絶縁性ガスを封入した接地タンク内に配置された導体を絶縁支持する円柱形の絶縁スペーサにおいて、前記絶縁スペーサは埋込み電極と絶縁体からなり、前記絶縁体は異なる誘電率を持ち導体から接地タンクに向けて水平方向に誘電率の高い順に順次積層されてなる複数の層からなることを特徴とする絶縁スペーサ。
4. 請求項１または３に記載された絶縁スペーサであって、前記絶縁体の誘電率は９〜４であることを特徴とする絶縁スペーサ。
5. 請求項１または３に記載された絶縁スペーサであって、前記絶縁体は充填材としてシリカ，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のうち少なくとも１種を含む樹脂組成物であって、前記充填材の最大粒径が５０μｍ以下であることを特徴とする絶縁スペーサ。
6. 請求項１または３に記載された絶縁スペーサであって、前記異なる誘電率を持つ層の熱膨張係数差が５ppm／℃ 以内であることを特徴とする絶縁スペーサ。
7. 絶縁性ガスを封入した接地タンクと、前記接地タンク内に固定され前記接地タンク内を区画する円錐形の絶縁スペーサと、前記絶縁スペーサを貫通して保持される貫通導体と、前記貫通導体と電気的に接続され、かつ上記絶縁スペーサにより上記接地タンク内に電気的に絶縁して保持される高圧導体と、この高圧導体と上記貫通導体を電気的に接続し、かつ前記導体を支持する導体接続部を有するガス絶縁機器において、
   前記絶縁スペーサは異なる誘電率を持つ複数の層からなる絶縁体よりなる円錐形絶縁スペーサであって、前記複数の層は貫通導体から接地タンクに向けて垂直方向に誘電率の高い順に順次積層されていることを特徴とするガス絶縁機器。
8. 絶縁性ガスを封入した接地タンクと、前記接地タンク内に固定され前記接地タンク内を区画する円錐形の絶縁スペーサと、前記絶縁スペーサを貫通して保持される貫通導体と、前記貫通導体と電気的に接続され、かつ上記絶縁スペーサにより上記接地タンク内に電気的に絶縁して保持される高圧導体と、この高圧導体と上記貫通導体を電気的に接続し、かつ前記導体を支持する導体接続部を有するガス絶縁機器において、
   前記絶縁スペーサは異なる誘電率を持つ複数の層からなる絶縁体よりなる円柱形絶縁スペーサであって、前記複数の層は高圧導体から接地タンクに向けて水平方向に誘電率の高い順に順次積層されていることを特徴とするガス絶縁機器。
   

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