JP4632858B2

JP4632858B2 - 電気機器

Info

Publication number: JP4632858B2
Application number: JP2005145430A
Authority: JP
Inventors: 栄一永尾; 幸夫尾崎; 忠郎皆川; 純小林; 洋之羽馬
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-05-18
Filing date: 2005-05-18
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2025-05-18
Also published as: JP2006325314A

Description

本発明は、電気機器に関し、特に電界緩和用シールドを有するガス絶縁開閉装置などの電気機器に関するものである。

ＳＦ6ガスを絶縁媒体とするガス絶縁開閉装置では、電界緩和用シールドの採用による機器の小型化が広く知られており、例えば絶縁ガスを封入した接地金属容器内に、断路器部、接地開閉器部および導体接続部を収納し、上記断路器部、接地開閉器部および導体接続部の電極部を覆うように開口部先端近傍の高電界部表面に誘電体被覆が施された金属・誘電体一体の複合絶縁シールドを設けたガス絶縁開閉装置において、上記断路器部、接地開閉器部および導体接続部の少なくとも一つの複合絶縁シールドは、誘電体被覆前の不平等率が０．６を下回る金属シールドに、対向する電界緩和用シールドまたは充電部との極間寸法の約３０％以内の厚さを有する誘電体被覆を形成したものであることを特徴とするガス絶縁開閉装置が、後記の特許文献１から従来公知である。

また、ＳＦ6ガス中での沿面放電による固体絶縁物の貫通破壊現象に着目し、エポキシ樹脂の破壊特性をモデル電極で雷インパルス電圧による繰り返し破壊にて評価した研究結果も後記の非特許文献1から従来公知である。

ところで、上記特許文献１に示されたような従来のガス絶縁開閉装置においては、コンタクト開閉時に発生するアークが誘電体被覆に達すると、対向する電極間に印加されている全電圧が当該被覆に印加される。この際、多数回のアークによる当該被覆の劣化が原因でそれが貫通破壊する問題点があった。この貫通破壊を防止するには、アーク発生時に当該被覆に印加される電圧を貫通破壊電圧よりも低く、抑える必要があり、結果として断路器部を小型化する際の制約になっていた。

従来から多数回のアークによる上記した誘電体被覆の劣化問題を改善するために、当該被覆に各種の電気絶縁性無機粒子を配合することは周知であったが、従来技術で使用されたそれらは粒子径が数μｍ〜数十μｍ程度の大きな粒子であったので、上記劣化問題の改善の程度は未だ満足し得るものではなかった。かかる状況下にあって、本発明者らは鋭意研究の結果、従来技術において使用された大きな粒子に代えて粒子径が１００ｎｍ以下の超微粒子を用いると、アークによる上記の劣化問題が予想外の程度に改善されるとの新知見を得て本発明を完成した。

なお、平均粒径が約６２ｎｍのZｎOとエポキシ樹脂との混合組成物からなる立方体の一面に銀ペイントを塗布して一方の電極とし、当該銀ペイント電極とそれに対向するように当該混合組成物の立方体中に埋め込んだ針電極との間に５０Hｚの交流電圧を印加して当該混合組成物の耐トリー破壊性を評価した報告は後記の非特許文献２から従来公知ではある。しかし、対向電極間に絶縁性ガスが介在しない条件下での耐トリー破壊と本発明が問題視する上記アーク劣化問題とは、互いに絶縁破壊の機構が全く異なるので、非特許文献２は参考までのものである。
特開２００４-２２２４８３号公報、請求項１平成１５年電気学会電力・エネルギー部門大会論文集（分冊Ｂ）、第２６９頁２００４ Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena、第３３２頁

本発明は、斯界における如上の問題に鑑みて、繰り返しアークによる誘電体被覆の貫通破壊特性が改善された電気機器を開発することを課題とするものである。

本発明の電気機器は、絶縁性ガスを封入した接地金属容器内に収納された断路器部の可動側電極部と固定側電極部を備え、上記可動側電極部と上記固定側電極部には、極間近傍の電界を緩和するために電界緩和用シールドがそれぞれ設けられ、上記絶縁性ガスを介して互いに対向する上記可動側電極部と上記固定側電極部にそれぞれ設けた上記電界緩和用シールドの各対向表面の一方または両方は、粒子径が１００ｎｍ以下の第一電気絶縁性無機粒子を含む電気絶縁性有機高分子にて形成された第一被覆層を有することを特徴とするものである。

上記第一被覆層として、粒子径が１００ｎｍ以下の第一電気絶縁性無機粒子を含む電気絶縁性有機高分子から形成されたものを採用することにより、多数回のアークによる上記第一被覆層中のトラッキングの発生を遅らせることが可能となり、一旦発生したトラッキングが当該被覆層中を進展する速度も抑制することが可能となるので、結果として、多数回のアークによる貫通破壊が起こりにくくなり、本発明を電気機器の一例として例えばガス絶縁開閉装置に応用すると、その断路器部の小型化が可能となる。

本発明における第一被覆層および第二被覆層の形成に用いられる電気絶縁性有機高分子としては、絶縁性ガスを介して互いに対向する一対の電極の表面に施与するために用いられる、従来から公知あるいは周知のものであってよく、例えばエポキシ樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂などの熱硬化樹脂類、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、熱可塑性ポリエステル、ポリメタクリル酸メチルなどの熱可塑性樹脂類、などが例示される。就中、耐トラッキング性に優れ、且つ電極の表面に塗布し、硬化させることにより簡単に層形成が可能な熱硬化樹脂類、特にエポキシ樹脂が好ましい。なお、第一被覆層と第二被覆層との各電気絶縁性有機高分子は、互いに同じであってもよく、異なっていてもよい。

本発明において用いられる第一電気絶縁性無機粒子および第二電気絶縁性無機粒子としては、室温および電気機器の通常の稼動中での遭遇温度において化学的に安定な電気絶縁性にして固体の酸化物類、窒化物類、無機酸塩類、あるいはその他の単独化合物類や複合化合物類であればよく、就中、印加電圧に対する体積抵抗率の変化が可及的に少ない、即ち所謂オーミック性の、換言するとバリスター性でないものが好ましい。殊に、アークによる第一被覆層および第二被覆層中でのトラッキング破壊の観点から、部分放電の抑制あるいは遅延、トラッキング進展速度の軽減、表面粗度の均一化などの効果の高い、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化マグネシウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素、フッ化アルミニウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウムからなる群から選ばれた１種または２種以上が好ましく、特に酸化ケイ素が好ましい。なお、ガス絶縁開閉装置のようなガス絶縁機器においては、アークエネルギーにて絶縁性ガスが分解して発生する分解ガスに対する耐性を考慮する必要もあるが、ガス絶縁開閉装置の場合にはアークエネルギーが低いために上記の各電気絶縁性無機粒子は特にかかる問題はない。

但し第一電気絶縁性無機粒子としては、粒子径が１００ｎｍ以下の、好ましくは８０ｎｍ以下の超微粒子が用いられる。なお上記粒子径は、被測定粒子の電子顕微鏡（例えば堀場製作所社製の超微粒子専用の粒度分布測定装置、商品名LB−５００など）で観測される最長部の寸法とする。よって当該超微粒子が、例えば球形であれば球の直径が、平板状であれば平板面における最長部の寸法が、繊維状であれば繊維の全長が、それぞれ粒子径とされる。上記第一電気絶縁性無機粒子と上記電気絶縁性有機高分子との組成物における上記第一電気絶縁性無機粒子の含有量は、特に制限はないが、当該含有量が過大であると組成物を製造する際の当該組成物の粘度やコンシステンシイが大きくなって均一に混合するのに長時間を要し、一方、当該含有量が過小であると第一電気絶縁性無機粒子の使用の効果が乏しくなるので、電気絶縁性有機高分子１００重量部あたり、０．５〜２０重量部、特に１〜１５重量部とするのが好ましい。

一方、第二電気絶縁性無機粒子としては、粒子径が１μｍ〜１００μｍの粒子が用いられる。なお上記粒子径は、被測定粒子の通常の光学顕微鏡あるいは電子顕微鏡で観測される最長部の寸法とする。よって当該粒子が、例えば球形であれば球の直径が、平板状であれば平板面における最長部の寸法が、繊維状であれば繊維の全長が、それぞれ粒子径とされる。上記第二電気絶縁性無機粒子と上記電気絶縁性有機高分子との組成物における上記第二電気絶縁性無機粒子の含有量は、特に制限はないが、当該含有量が過大であると組成物を製造する際の当該組成物の粘度やコンシステンシイが大きくなって均一に混合するのに長時間を要し、一方、当該含有量が過小であると第二電気絶縁性無機粒子の使用の効果が乏しくなるので、電気絶縁性有機高分子１００重量部あたり、３０〜７０重量部、特に４０〜６０重量部とするのが好ましい。

上記第一電気絶縁性無機粒子を使用することにより顕著な効果が得られる理由については、本発明者らは次のように考察している。即ち多数回のアークによる第一被覆層の貫通破壊は、二つのプロセスにより引き起こされるようであって、アーク発生時には第一被覆層に過大な電圧が印加されるため、第一被覆層中の微小突起を起点とした部分放電が発生して、当該被覆層中に微小なトラッキングが発生する。この微小トラッキングは、繰り返し、アークに晒されることにより、当該被覆層中を進展していき、第一被覆層の表面に到達すると貫通破壊に至る。他のプロセスとしては、多数回のアークにより、第一被覆層がスパッタリングを受け、その表面粗度が増加して微小突起が形成され、この微小突起部にて電界集中が起こり、アークが特定箇所を集中的に損傷することにより第一被覆層が劣化して貫通破壊に至る。しかしながら上記第一電気絶縁性無機粒子は、かかる破壊現象に対して部分放電の抑制あるいは遅延、トラッキング進展速度の軽減、および表面粗度の均一化などの効果を奏するようである。いずれにせよ、第一電気絶縁性無機粒子を使用することにより、多数回のアークに起因する貫通破壊に対する尤度が大きくなる効果が顕著である。従って設計電界を増加しても、貫通破壊を防止することが可能となり、結果的に、断路器部を小型化することができる。第二被覆層の効果に就いては後記する。
以下、実施の形態により本発明を一層詳細に説明する。

実施の形態１．
図１〜図３は、本発明の電気機器における実施の形態１を説明するものであって、図１は上記電気機器の一例としてのガス絶縁開閉装置の部分断面図であり、図２は図1の一部拡大断面図であり、図３は実施の形態１の効果を説明するグラフである。

図１および図２において、ガス絶縁開閉装置は、絶縁性ガスの一例としてのＳＦ6ガスが封入された接地電位の金属容器１内に、断路器部２が収納されている。断路器部２は、可動側電極部２aおよび固定側電極部２bから構成されており、可動側電極部２aは、電気絶縁物製のスペーサ６ａとスペーサ６ｂとにより、固定側電極部２bは電気絶縁物製のスペーサ６ｃによりそれぞれ金属容器１に固定、支持されている。断路器部２の可動側電極部２aおよび固定側電極部２bは、極間近傍の電界を緩和するために、それぞれ金属製の電界緩和用シールド３a、３bが取り付けられており、且つ各電界緩和用シールド３a、３bは、その各先端およびその近傍の高電界部表面にそれぞれ第一被覆層４a、４bが施されている。また可動側電極部２aおよび固定側電極部２bには、それらと同軸的に設けられた可動コンタクト５が貫通している。可動側電極部２aは、矢印Ａまたは矢印Ｂの方向に移動可能に設置されている。

以上の構成は、第一被覆層４a、４bを除き、前記特許文献１に開示されたガス絶縁開閉装置と実質的に同構造のものであるので、ガス絶縁開閉装置としての開閉動作に関しては前記特許文献１に記載された通りであるので当該動作に関する説明は省略する。本発明の実施の形態１では、各電界緩和用シールド３a、３bの各先端およびその近傍の高電界部表面に前記した粒子径が１００ｎｍ以下の第一電気絶縁性無機粒子を含む電気絶縁性有機高分子にて形成された第一被覆層４a、４bが設けられている点において前記特許文献１でのそれらと異なっている。第一被覆層４a、４bは、平均厚みが１０ｍｍ程度であって、その外面にエッジ部が生じないように且つ外面が滑らかな曲面を呈するように施与されている。なお実施の形態１では、金属製の電界緩和用シールド３a、３bが前記絶縁性ガスを介して互いに対向し、当該絶縁性ガスの例としてＳＦ6ガスが採用されている。

図３において、黒丸は、第一被覆層４a、４bとして、エポキシ樹脂１００重量部あたり粒子径が６０ｎｍの超微粒の酸化ケイ素を５重量部配合した組成物を使用した場合のグラフであり、白丸は、比較例として、エポキシ樹脂１００重量部あたり粒子径が約３０μｍの酸化ケイ素を５０重量部配合した組成物を使用した場合のグラフである。図３から、破壊回数（回）−絶縁破壊電圧強度（ｋＶ／ｍｍ）の関係における超微粒子の効果が明らかである。

実施の形態２．
図４は、本発明の電気機器における実施の形態２を説明するものであって、前記図２に対応するガス絶縁開閉装置の部分拡大断面図である。図４において、可動側および固定側の各電界緩和用シールド３a、３bの各先端およびその近傍の高電界部表面にそれぞれ前記実施の形態１において使用されたものと同じ第一被覆層４a、４bが施与されており、その上には、前記第二被覆層４ｃが施与されている。第二被覆層４ｃとしては、エポキシ樹脂中に前記第二電気絶縁性無機粒子の一例としての粒子径が約６０μｍの酸化ケイ素を５重量部配合した組成物が使用された。第一被覆層４a、４bの各厚みは、前記実施の形態１の場合のそれの約１/１０の１ｍｍ程度であり、第二被覆層４ｃ厚みは４ｍｍ程度である。実施の形態２は、第一被覆層４a、４bの各厚みが前記実施の形態１の場合の約１/１０でありながら、実施の形態１の場合と同程度の耐電圧特性を示した。

一般に、粒子径がナノオーダーの超微粒子は、大きさが数μｍ〜数十μｍのマイクオーダーの粒子よりも高価であるので、機能上から必要な部位のみ、それを適用することにより安価な複合絶縁シールドが得られる。実施の形態２では、電極部の微小突起を起点とした部分放電の発生を抑制する効果を得ることを目的として電極部の表面およびその近傍のみに上記超微粒子が利用されている。

実施の形態３．
図５は、本発明の電気機器における実施の形態３を説明するものであって、前記図２に対応するガス絶縁開閉装置の部分拡大断面図である。図５において、可動側および固定側の各電界緩和用シールド３a、３bの各先端およびその近傍の高電界部表面にそれぞれ前記実施の形態２において使用されたものと同じ第二被覆層４ｃが施与されており、その上には第一被覆層４a、４bが施与されている。しかして、実施の形態３は、前記実施の形態２とは．第一被覆層４a、４bと第二被覆層４ｃとの上下関係が逆転している点において異なり、その他の構成は同じであり、実施の形態２の場合と同程度の耐電圧特性を示した。
実施の形態３では、多数回のアークによる被覆層の表面粗度増加の問題を軽減して貫通破壊を抑制する効果を得ることを目的として、第二被覆層４ｃの表面およびその近傍のみに超微粒子を利用されている。

以上、本発明を実施の形態１〜実施の形態３により詳細に説明したが、本発明はそれらの実施の形態に制限されるものではなく、本発明の課題並びにその解決手段の精神に沿った種々の変形形態を包含する。例えば第一被覆層は、絶縁性ガスを介して互いに対向する一対の電極の各対向表面の両方にではなく一方のみに施し、他方は本発明で使用された第二被覆層のような従来技術の誘電体層であってもよい。実施の形態２または実施の形態３において、第二被覆層４ｃは第一被覆層４a、４bの各上下に設けてもよい。また本発明は、ガス絶縁開閉装置以外にも、ＳＦ6ガスあるいはその他の絶縁性ガスを介して互いに対向する一対の電極を含むの各種の電気機器であってもよい。

本発明の活用例として、ＳＦ6ガスを絶縁媒体として用いるガス開閉機器（ＧＩＳ、ＧＣＢ）の絶縁スペーサ、絶縁ロッド等を挙げることができる。

実施の形態１におけるガス絶縁開閉装置の部分断面図である。図１の一部拡大断面図である。実施の形態１の効果を説明するグラフである。実施の形態２におけるガス絶縁開閉装置の一部拡大断面図である。実施の形態３におけるガス絶縁開閉装置の一部拡大断面図である。

符号の説明

１金属容器、２断路器部、２a 可動側電極部、２ｂ固定側電極部、
３a 電界緩和シールド、３ｂ電界緩和シールド、４a 第一被覆層、
４ｂ第一被覆層、４ｃ第二被覆層、５可動コンタクト。

Claims

絶縁性ガスを封入した接地金属容器内に収納された断路器部の可動側電極部と固定側電極部を備え、上記可動側電極部と上記固定側電極部には、極間近傍の電界を緩和するために電界緩和用シールドがそれぞれ設けられ、上記絶縁性ガスを介して互いに対向する上記可動側電極部と上記固定側電極部にそれぞれ設けた上記電界緩和用シールドの各対向表面の一方または両方は、粒子径が１００ｎｍ以下の第一電気絶縁性無機粒子を含む電気絶縁性有機高分子にて形成された第一被覆層を有することを特徴とする電気機器。
上記第一被覆層の上または下あるいは上と下に、粒子径が１μｍ〜１００μｍの第二電気絶縁性無機粒子を含む電気絶縁性有機高分子にて形成された第二被覆層を有することを特徴とする請求項１記載の電気機器。
上記第一電気絶縁性無機粒子の含有量は、上記電気絶縁性有機高分子１００重量部あたり０．５〜２０重量部であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の電気機器。
上記第一電気絶縁性無機粒子は、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化マグネシウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素、フッ化アルミニウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウムからなる群から選ばれた１種または２種以上であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の電気機器。
上記第一電気絶縁性無機粒子は、オーミック性であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の電気機器。
上記第一電気絶縁性無機粒子は、酸化ケイ素であり、上記電気絶縁性有機高分子は、エポキシ樹脂であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の電気機器。