JP5324530B2 - 高電圧開閉装置 - Google Patents

Description

本発明は、受変電設備や変電所や開閉所等に適用される高電圧開閉装置に関する。

遮断器（ＣＢ）、断路器（ＤＳ）、接地開閉器（ＥＳ）などの各種の開閉器を電気的に接続して構成する高電圧開閉装置は、電力の安定供給を担うために、高い信頼性が要求されるとともに、世の中のニーズに対応するために装置の小型大容量化、安全性の向上等が図られてきた。例えば、高い電流遮断性能を要求されない断路器と接地開閉器の場合、開極／閉極速度は低速でよいので、操作器を共用化し、断路器と接地開閉器とを複合化することで開閉装置全体の小形化が図られてきた。

特に、断路器と接地開閉器との可動子を共用可能とするブレード式は小型化に適しているが、可動子や固定子端部の電界集中により電界が高くなるという問題がある。これらの高電界に対して絶縁被覆や樹脂モールドを用いることで、絶縁耐力を確保し、絶縁距離を短縮化することで高電圧開閉装置の小型化が図られてきた。

例えば、断路器の可動子回転軸固定端および固定子を略四角体の絶縁筒で覆ったブレード式断路器であって、この絶縁筒の対向する２つの側面にＵ字状の開口部を設けると共に、前記Ｕ字状開口部が形成された側面以外の２つの側面に、略平行に一定の間隔を保つように２枚の長方形の平板電極を埋め込んだものがある（特許文献１参照）。すなわち、前記平板電極を絶縁性の樹脂で覆い、絶縁性ガスと固体絶縁とを組み合わせた複合絶縁構造とすることで絶縁耐力耐電圧性能を向上させ、断路器の小形化を図っている。

また、さらなる小型化を図るために、可動子および固定子にそれぞれ絶縁被覆されたシールドをボルト固定すると共に、可動子とシールド間に１ｍｍ以上のギャップを確実に確保することでトリプルジャンクションによる耐電圧低下を防止する構造が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平１１−２５２７２１号公報 特開２００６−２１６４４８号公報

特許文献1の従来技術では絶縁筒を要素とする構造であることから、必然的にシールド内に導体を配置しなければならずシールドが大形化してしまうという問題がある。また、固定子とシールド間に可動子が入るための間隔が必要であり、固定子の電界を下げるためにはシールドの形状を大きくしなければならないという問題がある。

特許文献２の従来技術では可動子とその側面に配置された可動側シールドが一体となって動くため、固定子と固定側シールドとの間に可動子に加え可動側シールドが入るための間隔が必要となり、固定側シールド形状をより大きくしなければならないという問題がある。また、可動側シールドの外側に固定側シールドを配置しなければならないことから、固定側シールドからタンクもしくは他相の固定側シールドとの間のガスギャップを確保するためには対地間もしくは相間の間隔を広くしなければならず、開閉器全体の小形化の妨げになるという問題がある。

本発明は、上記事項に基づいてなされたもので、その目的は、シールドを大形化することなく、ブレード端部および固定子端部の電界を緩和して、耐電圧性能を向上させ、より小形化を図った高電圧開閉装置を提供するものである。

上記の目的を達成するために、第１の発明は、一方の母線導体に接続される可動側導体と、この可動側導体に一端側を回動自在に軸支した導体部材からなる相毎に１枚の可動子と、絶縁性ガスとを備えた開閉器を有する高電圧開閉装置において、前記可動側導体と電気的・機械的に固定されたシールド電極の表面を絶縁被覆もしくは絶縁物でモールドして形成したシールドを備え、前記シールドを、前記可動子の開極位置において前記可動子の側面にそれぞれ対向するように配置し、前記シールド間の間隔が前記可動側導体との固定側よりも前記シールドの先端側の方が狭くなるように形成した開閉器を用いたものとする。

また、第２の発明は、第１の発明において、前記シールド電極が前記可動側導体と絶縁物を介して機械的に固定され、前記シールド電極の電位が前記可動側導体よりも低くなるように構成された開閉器を用いたことを特徴とする。

本発明によれば、シールド形状の小型化を図りながら、ブレード式開閉器の耐電圧性能を向上させることができるので、従来よりも小型化した高電圧開閉装置を提供することができる。

本発明の高電圧開閉装置の第１の実施の形態を構成する断路器を示す平面図である。 図１に示す断路器をII―II矢視から見た断面図である。 本発明の高電圧開閉装置の第１の実施の形態を構成する断路器の可動側シールドを示す斜視図である。 本発明の高電圧開閉装置の第２の実施の形態を構成する断路器を示す平面図である。 図４に示す断路器をV―V矢視から見た断面図である。 本発明の高電圧開閉装置の第２の実施の形態におけるシールド電極の電位を説明する概念図である。 本発明の高電圧開閉装置の第３の実施の形態の構成を示す概略側面図である。

以下に、本発明の高電圧開閉装置の実施の形態を図面を用いて説明する。

図１乃至図３は本発明の高電圧開閉装置の第１の実施の形態を示すもので、図１は本発明の高電圧開閉装置の第１の実施の形態を構成する断路器を示す平面図、図２は図１に示す断路器をII―II矢視から見た断面図、図３は本発明の高電圧開閉装置の第１の実施の形態を構成する断路器の可動側シールドを示す斜視図である。

図１は、固定側導体１から可動側導体２間に配置されるブレード式断路器であって、断路器と接地開閉器が複合化された一例の平面図である。断路器の極間部分のみを示しており、タンクや接地開閉器の固定側および絶縁ロッドの駆動系等の図示は省略している。本発明の実施の形態においては、固定子の両側および開極状態となった可動子の両側にそれぞれシールド電極表面を絶縁被覆もしくは絶縁物でモールドしたシールドを配置していることを特徴としている。

これらの絶縁被覆材や絶縁物としては、例えば、エポキシ樹脂、酸化皮膜、ＰＴＦ、シリコーンゴム、充填材入りエポキシ樹脂などが使用され、断路器の雰囲気には、ＳＦ６、空気、Ｎ２、ＣＯ２、Ｎ２／ＳＦ６混合ガスなどの絶縁性ガスが充填されている。

図１において、断路器は、例えば、図示しない一方の母線導体と電気的に接続する可動側導体２と、この可動側導体２に一端側を回転軸８で回動自在に軸支した１枚の帯板状導体部材からなる可動子４と、図示しない他方の母線導体と電気的に接続する固定側導体１と、固定側導体１に電気的に接続され、可動子４の他端側（先端側）の外側面にそれぞれ接離するように配置された固定子３ａ，３ｂとを備えている。

固定子３ａ，３ｂの水平方向の両外側には、シールド電極１０ａ，１０ｂの表面を絶縁被覆もしくは絶縁物でモールドした固定側シールド６ａ，６ｂがそれぞれ設けられている。

固定側シールド６ａ，６ｂは、図１に示すように、固定子３ａ，３ｂとギャップＧ１を設けてそれぞれ固定されている。また、破線で示したシールド電極１０ａ，１０ｂは固定側導体１と電気的／機械的にそれぞれ固定されている。

可動側シールド７ａ，７ｂは、図２に示すように、一端を可動側導体２に固定されていて、破線で示したシールド電極１０ｃ，１０ｄは可動側導体２と電気的／機械的にそれぞれ固定されている。可動子４は可動側導体２に回動自在に軸支しているが、可動側シールド７ａ，７ｂは、回動不可に固定されている。

可動側シールド７ａ，７ｂは、固定位置に可動子４が位置したときに、図１に示すギャップＧ２となるように固定されている。

可動側シールド７ａ，７ｂは可動側導体２に固定される部分よりも可動側シールド７ａ，７ｂの先端側の部分において、可動側シールド７ａ，７ｂ間のギャップが狭くなるように形成している。

可動子４の回転軸８は、図２に示すように、断面が略四角柱形状に形成されている。可動子４における回転軸８の貫通部には、回転軸８の断面より僅かに大きい四角形状の孔が設けてあるので、回転軸８が回転することで、可動子４は回転軸８を中心に回転運動できる。この結果、断路器の閉極動作及び接地開閉器の閉極動作が可能となる。

図２は、図１に示す断路器をII―II矢視から見た断面図である。図２においては、接地開閉器の固定側も図示している。図２の右側上方には、図示しない接地線と電気的に接続する接地導体９と、接地導体９に電気的に接続され、可動子４の他端側（先端側）の外側面にそれぞれ接離するように配置された固定子３ｃ，３ｄと、固定子３ｃ，３ｄの水平方向の両外側のシールド電極の表面を絶縁被覆もしくは絶縁物でモールドして形成した固定側シールド６ｃ，６ｄとを備えている。

回転軸８を時計方向もしくは反時計方向に回転させることにより、可動子４はいずれかの矢印の方向に駆動する。図２は断路器および接地開閉器が共に開極である場合を示している。ここで、可動子４を反時計方向に駆動して可動子４を略水平にすれば、可動子４と固定子３ａとが電気的に接続され、断路器が閉極で接地開閉器が開極の状態になる。

一方、可動子４を時計方向に駆動して可動子４を略垂直にすれば、可動子４と接地開閉器の固定子３ｃとが電気的に接続され、断路器が開極で接地開閉器が閉極の状態となる。このように構成することにより、断路器と接地開閉器とを複合化し、可動子４を共用化することができる。

本実施の形態の開閉器において、耐電圧に関する絶縁性能が、最も過酷な状態となるのは図２に示した断路器および接地開閉器が共に開極の状態である。このときに、固定側シールド６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄおよび可動側シールド７ａ，７ｂを、それぞれ固定子３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄおよび可動子４と同等以上の大きさに形成することで、固定子３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄおよび可動子４の電界を大幅に低減することができる。

また、固定子３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄおよび可動子４とそれぞれのシールド６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，７ａ，７ｂとは、数ｍｍ程度のギャップを開けて配置することが可能であり、シールド形状を従来よりも小形化することが可能である。

図３は、断路器の可動側シールド７ａ，７ｂを示す斜視図である。図３に示すように、可動側シールド７ａ，７ｂの先端側の電界が高くなる部分には、それぞれ略半球状部７Ｒが形成されている。この結果、曲率を大きくしたことによる効果に加え、絶縁物の肉厚が厚くなることによる誘電体緩和効果の作用によって、よりシールド表面電界が低減できる。図示していないが、固定側シールド先端も同様な形状とすることで、同様の効果により、断路器/接地開閉器の大幅な小形化が実現できる。

上述した本発明の高電圧開閉装置の第１の実施の形態によれば、シールド形状の小型化を図りながら、ブレード式開閉器の耐電圧性能を向上させることができるので、従来よりも小型化した高電圧開閉装置を提供することができる。

また、上述した本発明の高電圧開閉装置の第１の実施の形態によれば、ギャップＧ１およびＧ２を設けたので、絶縁物／電極／絶縁性ガスが交わるトリプルジャンクションの形成を防止することができ、耐電圧性能の低下もしくは耐電圧性能が不安定となることを防止すると共に、シールド沿面を這った放電が固定子３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄおよび可動子４に進展しにくくなるという効果がある。

また、上述した本発明の高電圧開閉装置の第１の実施の形態によれば、可動側シールド７ａ，７ｂの先端側の電界が高くなる部分に略半球状部７Ｒをそれぞれ形成したので、シールド表面電界が低減でき、断路器/接地開閉器の大幅な小形化が実現できる。

なお、従来のように可動子４を２枚とする構造を採用した場合、固定子は２枚の可動子によって挟まれるよう１枚構造になると共に、固定子の電界を緩和する固定側シールドと固定子との間隔を可動子が通過可能な大きさ以上に広げることが必要不可欠となるため、可動側シールドを大きくしなければならない。また、横一列三相構造などでは固定子の外側に可動子が配置され、その外側に固定側シールドが配置されるため、相間の固定側シールド間隔が狭くなる。このため、相間距離を長くする必要が生じ、断路器/接地開閉器を大形化する必要が生じてしまう。本実施の形態においては、これらの観点からも有利な効果を得ることができる。

図４乃至図６は本発明の高電圧開閉装置の第２の実施の形態を示すもので、図４は本発明の高電圧開閉装置の第２の実施の形態を構成する断路器を示す平面図、図５は図４に示す断路器をV―V矢視から見た断面図、図６は本発明の高電圧開閉装置の第２の実施の形態におけるシールド電極の電位を説明する概念図である。なお、図４乃至図６において、図１乃至図３に示す符号と同符号のものは同一部分又は相当する部分であるので、その部分の説明を省略する。

図４及び図５に示す断路器は、以下の点において、図１及び図２で示す第１の実施の形態の断路器と異なる。
（１）固定側シールド６ａ，６ｂは、図４に示すように、固定子３ａ，３ｂとギャップＧ１を設けて固定側導体１に絶縁性のねじ１１ａ，１１ｂでそれぞれ機械的に固定されている。また、破線で示したシールド電極１０ａ，１０ｂは固定側導体１と電気的にそれぞれ接続されず絶縁されている。
（２）可動側シールド７ａ，７ｂは、図４に示すように、一端を可動側導体２に絶縁性のねじ１１ｃ，１１ｄでそれぞれ機械的に固定されている。また、破線で示したシールド電極１０ｃ，１０ｄは可動側導体２と電気的にそれぞれ接続されず絶縁されている。

まず、図６を用いてシールド電極１０ｂの電位について説明する。シールド電極１０ｂの電位Ｖ１は、固定側導体１の電圧Ｖとすると、固定側導体１および固定子３ｂとシールド電極１０ｂとの間の静電容量Ｃ１と、前記シールド電極１０ｂと接地電極（例えば接地容器）間の浮遊静電容量Ｃ２との容量比に応じた電圧であるＶ１＝Ｖ×Ｃ２／（Ｃ１＋Ｃ２）となる。
このため、シールド電極１０ａ，１０ｂの電位Ｖ１は固定側導体１の電圧Ｖよりも低くなる。よって、固定側シールド６ａ，６ｂの表面に発生する電界が低減し、対地絶縁性能を図１で示す第１の実施の形態の場合よりも向上させることができる。図５に示す可動側シールド７ａ，７ｂについても、同様である。

一方、例えば、固定側シールド６ａ，６ｂでは、固定子３ａ，３ｂとの間に図１で示す第１の実施の形態の場合よりも差電圧が大きくなるため、図４に示すガスギャップＧ１，Ｇ２を図１の時よりも広げなければならないと考えられがちである。しかしながら、固定側シールド６ａ，６ｂと固定子３ａ，３ｂにはトリプルジャンクションによる電界上昇を抑えるため、数ｍｍの間隔を設けており、そのギャップ範囲内でカバーできる差電圧に設計すれば、可動子もしくは固定子とシールドとの間の間隔を図１で示す第１の実施の形態の場合よりも広げる必要はなく、より小形化が可能になる。

また、空気、Ｎ２、ＣＯ２、Ｎ２／ＳＦ６混合ガスのような電界に対する実効電離係数の傾きがＳＦ６よりも緩やかな絶縁性ガスを用いた場合、不平等電界場では接地電位の電極表面電界が高くなったとしても前記接地電位の電極から離れるにしたがい、電子なだれによって発生する電子数の増加は著しく低下すると共に、ガス空間の電界が低下し実効電離係数が負となる電界になると電子数が減り始める。言い換えると、接地電極表面電界が高くても放電進展が停止し絶縁破壊に至らず、耐電圧性能は高電圧電極の表面電界のみに依存する。ブレード式開閉器の本構造は不平等電界場であり、接地開閉器の固定側は常に接地電位であることから、前記絶縁性ガスを使用した場合、接地開閉器の固定子の電界緩和を図るシールドを省略することができる。

上述した本発明の高電圧開閉装置の第２の実施の形態によれば、上述した第１の実施の形態と同様な効果を得ることができる。

また、上述した本発明の高電圧開閉装置の第２の実施の形態によれば、対地、相間および極間方向に対する絶縁性能向上と部品共有／部品削減効果により、絶縁信頼性を維持もしくは向上させながら、高電圧開閉装置を従来よりも小形化することができる。

なお、シールド電極にアルミ、銅、ステンレス、鉄などの金属以外にも、導電性樹脂を使用しても同様の効果が期待できる。導電性樹脂を使用した場合はシールド表面の誘電体との線膨張係数を小さくすることが可能であり、金属を用いた場合よりもシールドを薄く且つ軽量に製作することができる。

図７は本発明の高電圧開閉装置の第３の実施の形態を示すもので、本発明の高電圧開閉装置の第３の実施の形態の構成を示す概略側面図である。なお、図７において、図１乃至図６に示す符号と同符号のものは同一部分又は相当する部分であるので、その部分の説明を省略する。

図７は本発明の高電圧開閉装置を断路器および接地開閉器に適用した場合の一実施例を示す。ＳＦ６、空気、Ｎ２、ＣＯ２、Ｎ２／ＳＦ６混合ガスなどの絶縁性ガスが封入された接地容器２０を組み合わせて構成される高電圧開閉器装置の一実施例である。

図７において、高電圧開閉装置は、絶縁性ガスを封入した第１の接地容器２０Ａと、第１の接地容器２０Ａの上方に配設し、絶縁性ガスを封入した第２の接地容器２０Ｂと、第１の接地容器２０Ａの後方に配設し、絶縁性ガスを封入した第３の接地容器２０Ｃとから大略構成されている。

第１の接地容器２０Ａは、その内部に遮断器２１を収納して遮断器ユニットを構成している。第２の接地容器２０Ｂは、母線側に対応する断路器と接地開閉器の複合器２２ａを収納して母線側断路器ユニットを構成している。また、第３の接地容器２０Ｃは、ライン側に対応する断路器と接地開閉器の複合器２２ｂを収納してライン側断路器ユニットを構成している。母線側断路器ユニットには、母線２３を有する母線ユニットが接続している。また、ライン側断路器ユニットには、ケーブルヘッド２５を介してケーブル２６が接続している。

上述した母線ユニットは、図７上紙面と垂直方向であって、第２の接地容器２０Ｂの奥側に設けられ、図示しない３相の主母線導体を備えている。また、上述した母線側断路器ユニットは、断路器と接地開閉器を複合化した複合器２２ａと、絶縁スペーサ１３Ｂの中心導体を介して遮断器ユニットの導体１２Ｂと接続する導体１５Ｂとを備えている。

遮断器２１を配置した遮断器ユニットは、遮断器２１と、遮断器２１を第１の接地容器２０Ａに固定支持する絶縁支持部材と、絶縁スペーサ１３Ｂの中心導体を介して母線側断路器ユニットの導体１５Ｂと接続する導体１２Ｂと、絶縁スペーサ１３Ｃの中心導体を介してライン側断路器ユニットの導体１５Ｃと接続する導体１２Ｃとを備えている。

ライン側断路器ユニットは、断路器と接地開閉器を複合化した複合器２２ｂと、絶縁スペーサ１３Ｃの中心導体を介して遮断器ユニットの導体１２Ｃと接続する導体１５Ｃと、アレスター２４等を備えている。

ケーブルユニットは、ライン側断路器ユニットから導体１６とケーブルヘッド２５を介して導出したケーブル２６を有し、このケーブル２６が負荷に接続している。

２７は、バイパス回路などの他の回線（母線）を示す。

図７において、母線側断路器ユニット内の複合器２２ａは、図中上方に伸びた導体である可動子４を接地導体９に電気的に接続された固定子３ｃ，３ｄと接続させている。

一方、母線２３と電気的に接続する図示しない固定子３ａ，３ｂが、紙面と垂直方向であって、回転軸８の奥側に設けられていて、複合器２２ａの可動子４を図示の状態から紙面と垂直方向奥側に回転させることで、遮断器ユニットの導体１２Ｂと接続する導体１５Ｂと母線２３とを電気的に接続させることができる。つまり、複合器２２ａは、図中で上方に伸びた導体１５Ｂと、屈曲位置関係にある紙面と垂直方向に配置された母線２３とを可動子４を回転させて接離させている。

なお、回転軸８は絶縁ロッド５と第２の接地容器２０Ｂ内で連結されていて、第２の接地容器２０Ｂの外側に設けた図示しない操作装置により絶縁ロッド５を介して回転させられる。

また、ライン側断路器ユニット内の複合器２２ｂは、図中下方に伸びた導体である可動子４を接地導体９に電気的に接続された固定子３ｃ，３ｄと接続させている。

一方、複合器２２ｂの可動子４を図示の状態から上方に回転させることで、遮断器ユニットの導体１２Ｃと接続する導体１５Ｃと導体１６とを電気的に接続させることができる。つまり、複合器２２ｂは、水平方向に伸びる遮断器ユニットの導体１２Ｃと接続する導体１５Ｃと、屈曲位置関係にある垂直方向に立ち上げる導体１６とを可動子４を回転させることで接離させている。

なお、遮断器２１はガス遮断器、真空遮断器のどちらを用いてもよい。

上述した本発明の高電圧開閉装置の第３の実施の形態によれば、上述した第１及び第２の実施の形態と同様な効果を得ることができると共に、断路器と接地開閉器の複合器２２ａ，２２ｂの部分で高電圧開閉装置内の電流流路を屈曲させる配置とすることで、機器のスペース効率が向上する。この結果、高電圧開閉装置の更なる小形／軽量化が可能となる。

１ 固定側導体
２ 可動側導体
３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ 固定子
４，４ａ，４ｂ 可動子
５ 絶縁ロッド
６，６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ 固定側シールド
７，７ａ，７ｂ 可動側シールド
８ 回転軸
９ 接地導体
１０ シールド電極
１１ 絶縁性のねじ
２０ 接地容器
２１ 遮断器
２２，２２ａ，２２ｂ 断路器と接地開閉器の複合器
２３ 母線
２４ 避雷器
２５ ケーブルヘッド
２６ ケーブル

Claims (2)

1. 一方の母線導体に接続される可動側導体と、この可動側導体に一端側を回動自在に軸支した導体部材からなる相毎に１枚の可動子と、絶縁性ガスとを備えた開閉器を有する高電圧開閉装置において、
   前記可動側導体と電気的・機械的に固定されたシールド電極の表面を絶縁被覆もしくは絶縁物でモールドして形成したシールドを備え、
   前記シールドを、前記可動子の開極位置において前記可動子の側面にそれぞれ対向するように配置し、前記シールド間の間隔が前記可動側導体との固定側よりも前記シールドの先端側の方が狭くなるように形成した開閉器を用いた
   ことを特徴とする高電圧開閉装置。
2. 請求項１に記載の高電圧開閉装置において、
   前記シールド電極が前記可動側導体と絶縁物を介して機械的に固定され、前記シールド電極の電位が前記可動側導体よりも低くなるように構成された開閉器を用いた
   ことを特徴とする高電圧開閉装置。

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