JP4919882B2 - 電気機器 - Google Patents

Description

本発明は、接地金属ケース内に配置されたスイッチギアなどの、高電圧あるいは超高電圧が印加される電気機器に関するものである。

従来から、電極の端部に設けられ、当該電極の電界強度を抑制する絶縁層からなる電界緩和装置において、前記絶縁層の誘電率を、前記電極側から反電極側にかけて順次小さくなるように変化させる電界緩和装置が後記する特許文献1により公知である。また、密閉された容器内に、遮断機や断路器などの各種の開閉器を収容して電源系統を構成するスイッチギアにおいて、三相分の主回路導体間、または当該主回路導体間と前記容器との間における、少なくとも最短のギャップを構成する電極間で当該電極の先端部のそれぞれの表面に絶縁層を設け、前記それぞれの電極間に絶縁バリアを配置した絶縁構造を有するスイッチギアも後記する特許文献２により公知である。

上記特許文献1の場合、誘電率の異なる複数層の絶縁被覆を施す必要があるために絶縁被覆の工程が多くなって、電気機器の製造に長時間を要する問題がある。また、例えば電気機器の充電部の施工の場合には、その端部に円周方向に突出するリング部を設けているために素材の径が大きくなる問題があり、または個別に突出部を製作し充電部の周囲に突出部を取付ける工程が必要であるために、多工程が必要であり短期間に製作することができず、コスト高となるなどの問題がある。また上記特許文献２の場合、絶縁被覆を施した導体間に絶縁バリアを配するために絶縁バリアおよび絶縁バリアの取付け部材が必要であり、絶縁バリアの取付け工数が増えると共にコスト高となる問題がある。

特開平１１−２６２１２０ 特開２０００−３４１８１６

本発明は、前記した従来技術における問題に鑑みて、前記従来技術よりも製造が容易でありながら、しかも高電圧あるいは超高電圧（以下、高電圧）の印加下における耐電圧特性に優れた電気機器を提供することを課題とするものである。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、電圧が印加される導体の外面に絶縁被覆を有する電気機器であって、導体のうち他の箇所よりも高電界強度となる特定箇所の絶縁被覆の厚みＴは、特定箇所以外の箇所における絶縁被覆の最低厚みをｔ、絶縁被覆を形成する絶縁被覆材料の絶縁性能から決定される通常の絶縁被覆厚みをＴ _０ 、特定箇所の表面における絶縁被覆を施さない場合の電界強度をＥ、特定箇所の周囲に存在する絶縁媒体の絶縁性能から決定される特定箇所の表面における電界強度をＥ _０ 、絶縁被覆材料の誘電率ε _１ と絶縁媒体の誘電率ε _２ の和を誘電率ε _１ で除して求められる定数をｎとしたとき、
Ｔ≧ｔ＋Ｔ_０×（Ｅ／Ｅ_０）^ｎ
であることを特徴とするものである。

導体のうち他の箇所よりも高電界強度となる特定箇所における絶縁被覆の厚みを上記の式により決定し、通常箇所の絶縁被覆の厚みより大きくすることにより、前記引用文献１や引用文献２におけるような複雑な構造とすることなしに、高電圧が印加される電気機器の耐電圧特性を大幅に向上できるという優れた効果がある。

実施の形態１．
以下、本発明の電気機器における実施の形態１を図１〜図５により詳細に説明する。実施の形態１は、前記電気機器の一例としてのスイッチギアにおける絶縁被覆導体例を説明するものであって、図１は実施の形態１の平面の断面図、図２は図１の側面の断面図、図３は図１の1部分の拡大断面図、図４は図２の１部の拡大断面図、図５は図２における他の部分の拡大断面図である。

図１〜図５において、接地金属ケース１内には、図１では紙面に対して直交方向(図２
参照)に敷設された三相の第一絶縁被覆導体２のそれぞれに、水平方向に敷設された三相
の第二絶縁被覆導体３が、いずれも接触子４を介して電気的に接続され、且つ締結用ボルト５を用いて機械的に接続されている。第一絶縁被覆導体２は第一絶縁被覆導体部分２１、２２、２３からなり、第二絶縁被覆導体３は第二絶縁被覆導体部分３１、３２、３３からなる。また第一絶縁被覆導体部分２１、２２、２３は、それぞれ充電部２１１、２２１、２３１とそれらの各外面に絶縁被覆２１２、２２２、２３２を有し、第二絶縁被覆導体部分３１、３２、３３は、それぞれ充電部３１１、３２１、３３１とそれらの各外面に絶縁被覆３１２、３２２、３３２を有する。

図２は、上記三相のうちの第一絶縁被覆導体部分２１と第二絶縁被覆導体部分３１とのみを代表的に図示するが、その横には第一絶縁被覆導体部分２２と第二絶縁被覆導体部分３２、さらにその横には第一絶縁被覆導体部分２３と第二絶縁被覆導体部分３３とが存在し、当該両部２１と３１、および２３と３３は、それらの中間に位置する中間部２２と３２より接地金属ケース１の内壁に近接している(図１参照)。

充電部２１１〜２３１は、接地金属ケース１の内壁に対して遠近差はあるが、形状と大きさは互いに同じであり、充電部３１１〜３３１に就いても上記と同様であるので、以下では第一絶縁被覆導体部分２１と第二絶縁被覆導体部分３１に就き、図３および図４に基づいて詳細な構造を説明する。但し絶縁被覆２１２〜２３２および絶縁被覆３１２〜３３２は、後記するようにそれらの被覆厚みは、後記するように電界強度の違いにより部位によって異なる。

第一絶縁被覆導体部分２１の長手方向の断面は、図４に示すように長方形であり、その充電部２１１の上端部は、図示するように小アールが設けられてはいるが角部となっており、また上記長手方向に直交する断面は図３に示すように擬似卵型を呈する形状となっている。一方、絶縁被覆２１２の上端部の断面は、図４に示すように鞍型であり、上記長手方向に直交する断面は図３に示すように擬似卵型を呈する形状となっている。充電部２１１の第二絶縁被覆導体部分３１１が接続された個所より下部では、上記長手方向に直交する断面は、充電部２１１および絶縁被覆２１２ともに円形である。

第二絶縁被覆導体部分３１は、充電部３１１および絶縁被覆３１２とも、その長手方向に直交する断面は円形であるが、図２および図５に示すように接地金属ケース１の形状に応じて、水平に延在する部位の間に屈曲部を有する。充電部２１１と充電部３１１との接続に関しては、充電部３１１の充電部２１１と接続される先端部には、図３および図４に示すようにネジ孔を有する小外径の接続用先端部が設けられており、一方、充電部２１１には当該接続用先端部が挿入される窪みとネジ孔とが設けられていて、当該窪みにリング状の接触子４と共に上記接続用先端部を圧入し、次いで締結用ボルト５にて両者が機械的に接続されている。

本発明において、絶縁被覆２１２〜２３２および絶縁被覆３１２〜３３２の形成材料としては特に制限はなく従来通りのものでよく、例えばポリエチレン、有機過酸化物架橋ポリエチレン、水架橋ポリエチレン、放射線架橋ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ４メチルペンテンなどのポリオレフィン樹脂類、エチレン−酢酸ビニル共重合体、エチレン−エチルアクリレート共重合体などの共重合体樹脂類、エチレン−プロピレンゴム、エチレン−プロピレン−ジエンゴム、エチレン−酢酸ビニル共重合体ゴム、アクリロニトリルブタジエンゴム、天然ゴム、シリコンゴム、エピクロルヒドリンゴム、クロロプレンゴムなどのゴム類、エポキシ樹脂、メラミン樹脂などの熱硬化樹脂類などである。

なお、充電部２１１〜２３１と絶縁被覆２１２〜２３２との各層間および充電部３１１〜３３１と絶縁被覆３１２〜３３２との各層間に忌むべき空隙が生じないように、それらの層間に電気絶縁性の粘稠物質、例えばシリコングリス、フッ素系グリス、ベントナイトグリスなどを介在させることが好ましい。接地金属ケース１内には、絶縁媒体が満たされているが、当該絶縁媒体としては、大気、SＦ_６、乾燥空気、窒素、炭酸ガスなどの通常
のものであってよい。

次ぎに図１〜図５における電界強度の高低と絶縁被覆２１２〜２３２および絶縁被覆３１２〜３３２の各絶縁厚みに就き説明する。図１〜図５において電界強度が最も低い個所は、充電部２２１中であって、接地金属ケース１の内壁、充電部２１１、充電部２３１、充電部３１１〜３３１などから可及的に大きく離れた直線状の部位、および充電部３２１中であって接地金属ケース１の内壁、充電部２１１〜２３１、充電部３１１、充電部３３１などから可及的に大きく離れた直線状の部位(以下、それらを低電界強度部と称する。)である。

充電部２１１〜２３１および充電部３１１〜３３１中の上記低電界強度部以外の箇所の電界強度は、程度の差はあっても当該低電界強度部のそれより高いが、特に高い部位は、充電部２１１〜２３１の接地金属ケース１の内壁に最も近接していて且つ当該各充電部の先端の角部Ａ、各角部Ａの各側面部Ｂ、充電部３１１〜３３１中の曲がり部Ｃ、充電部３１１および３３１の接地金属ケース１の内壁と対向する各面部D、充電部３１１および３３１の充電部３２１と対向する各面部Eなどである。充電部２１１〜２３１中においては、側面部Ｂより角部Ａのほうが高く、充電部３１１〜３３１中においては、面部Dや面部Eなどより曲がり部Ｃのほうが高いが、電界強度が特に高いのは充電部２１１、充電部２２１および２３１の各角部Ａ、就中、充電部２１１と２３１の各角部Ａである。

本発明において、特別に高電界強度となる特定箇所とは、通常箇所、例えば前記の低電界強度部における平均電界強度の少なくとも５倍、特に１０倍の電界強度となっている箇所であって、かかる特定箇所の絶縁被覆の厚みＴは、上記した通常箇所におけ通常の絶縁被覆の厚みより大きくする。上記特定箇所は、一般的には導体の屈曲部、導体の端部、導体の角部、および異なる電位の他の導電体と近接している導体部などであって、図１〜図５においては、上記角部Ａは上記導体の角部の例であり、上記側面部Ｂは上記導体の端部の例であり、上記曲がり部Ｃは上記屈曲部の例であり、上記各面Dおよび各面部Eは、異なる電位の他の導電体と近接している導体部の例である。

本発明においては、上記特定箇所の絶縁被覆の厚みＴは、下式（１）を満足する大きさとされる。
Ｔ≧ｔ＋Ｔ_０×（Ｅ／Ｅ_０）^ｎ （１）
ここに、
ｔ：特定箇所以外の個所における絶縁被覆の最低厚み、
Ｔ_０：絶縁被覆を形成する絶縁被覆材料の絶縁性能から決定される通常の絶縁被覆厚み、Ｅ：特定箇所の表面における絶縁被覆を施さない場合の電界強度、
Ｅ_０：特定箇所の周囲に存在する絶縁媒体の絶縁性能から決定される上記特定箇所の表面における電界強度、
ｎ：上記絶縁被覆材料の誘電率から決定される常数、
であって、それぞれの値は、つぎに示す方法で決定される。

上記ｔは、例えば前記した低電界強度部における複数箇所の各厚みを計測し、それらのうちの最低厚みとしてよい。あるいは簡便的に１ｍｍとしてもよい。Ｔ_０は、前記ｔと異なって、使用される絶縁被覆材料毎に特有の絶縁性能、例えば室温における導電率、誘電正接、インパルス絶縁破壊強度のうちの少なくとも２項目を測定し、得られた測定値（絶縁性能）に基づいて決定される絶縁被覆厚みである。

上記電界強度Ｅの決定は、上記特定箇所の各表面毎に対して電界強度測定器による実測法、あるいは上記特定箇所における電界強度Ｅの大きさに関係する各個所の距離、印加電圧などから数値解析法やシミュレーション法など、従来から斯界で周知の計算方法によってもよい。

上記常数ｎは、上記絶縁被覆材料の誘電率ε_１および絶縁媒体の誘電率ε_２に基づき下式（２）から算出される。
ｎ＝（ε_１＋ε_２）／ε_１ （２）

上記の各特定箇所に含まれる面部Dおよび面部Eは、ある拡がりがあって、当該拡がり内では電界強度にさほどの差異はないので、そこらでの絶縁被覆は一様な厚みとされている。これに対して角部Ａ、側面部Ｂ、および曲がり部Ｃでは当該部位を中心として、その周囲は電界強度が逓減しているので、その逓減度に応じて絶縁被覆厚みも図３〜図５に示すように逓減させている。

従来技術と本発明との明確な相違は、上記した特定箇所における絶縁被覆厚みの調整にある。即ち従来技術においては、電気絶縁機器の工業的生産における生産効率上から、部位毎に電界強度が相違する点を考慮せず、一般的に一様な絶縁被覆厚とすることが専らであった。このために高電界強度の個所では絶縁被覆厚が不足し、低電界強度の個所では絶縁被覆厚が過剰となる不都合を内在していた。これに対して本発明では、前記の説明から明らかなように、従来技術における上記の不都合が解消されている。

実施の形態２．
図６は、実施の形態２を説明する１部の拡大断面図であって、充電部２１１の上端部上の絶縁被覆２１２は、前記実施の形態１においては断面が鞍型とされているのに対して、実施の形態２では図６に示すように鞍型ではなく、絶縁被覆２１２の上面部は一様な厚みとなっている。但し、角部Ａにおける絶縁被覆２１２は、実施の形態１の場合と同様の厚みを有する。図示しない充電部２２１および充電部２３１の各上端部上の絶縁被覆２２２および絶縁被覆２３２の厚みも図６と同様である。

実施の形態１において鞍型とすることは、絶縁被覆厚を高電界強度差に応じて、上記したように過不足がないようにする利点はあるものの、鞍型に代えて一様厚みとすることは耐電圧の観点からは材料費の無駄となる反面、製造が簡単となる効果がある。しかも材料費に無駄があると言っても材料費の増加量は僅かであるので、総合的には利点の方が大きい。

以上、本発明を実施の形態１および実施の形態２にて詳細に説明したが、本発明はこれら実施の形態に限定されるものではなく、前記した本発明の解決手段の精神に沿った種々の変型形態を包含する。例えば、本発明はスイッチギア以外の各種の高圧電気機器あるいは超高圧電気機器であってもよい。それら電気機器に使用される絶縁被覆は、前記した以外の有機高分子で形成されてよく、また二種以上の複数の材料で形成されてもよい。前記実施の形態２においては、充電部２２１の上端部上の絶縁被覆２２２についてのみ、実施の形態１と異なる厚み構成としたが、その部分以外の絶縁被覆個所で実施の形態２と同様の効果が得られる場合は、かかる個所においても形成の容易さを優先した厚み構成としてもよい。

本発明においては、電気機器中に含まれている導体、例えばスイッチギアの前記した充電部、の全部に必ずしも絶縁被覆が施される必要はなく、部分的に絶縁被覆が施されていない箇所があってもよい。絶縁被覆が施されない箇所をスイッチギアに就いて例示すると、例えば充電部に注型または成形にて絶縁被覆を施す場合、その接合部となる端部は一般的に絶縁被覆されない。また電界強度が低くて絶縁被覆がなくても絶縁媒体の電気絶縁性により、他の充電部および対地間の絶縁耐力がある部分も絶縁被覆が施されなくてもよい。

本発明は、高圧用あるいは超高圧用スイッチギアとして利用される可能性が高い。

本発明の実施の形態１における平面の断面図である。 本発明の実施の形態１における側面の断面図である。 図１の1部分の拡大断面図である。 図２の１部の拡大断面図である。 図２における他の部分の拡大断面図である。 本発明の実施の形態２における１部の拡大断面図である。

１：接地金属ケース、２：第一絶縁被覆導体、２１〜２３：第一絶縁被覆導体部分、
２１１〜２３１：充電部、２１２〜２３２：絶縁被覆、３：第二絶縁被覆導体、
３１〜３３：第二絶縁被覆導体部分、３１１〜３３１：充電部、
３１２〜３３２：絶縁被覆、４：接触子、５：締結用ボルト。

Claims (5)

1. 電圧が印加される導体の外面に絶縁被覆を有する電気機器であって、上記導体のうち他の箇所よりも高電界強度となる特定箇所の上記絶縁被覆の厚みＴは、
   上記特定箇所以外の箇所における絶縁被覆の最低厚みをｔ、上記絶縁被覆を形成する絶縁被覆材料の絶縁性能から決定される通常の絶縁被覆厚みをＴ _０ 、上記特定箇所の表面における絶縁被覆を施さない場合の電界強度をＥ、上記特定箇所の周囲に存在する絶縁媒体の絶縁性能から決定される上記特定箇所の表面における電界強度をＥ _０ 、上記絶縁被覆材料の誘電率ε _１ と上記絶縁媒体の誘電率ε _２ の和を上記誘電率ε _１ で除して求められる定数をｎとしたとき、
   Ｔ≧ｔ＋Ｔ_０×（Ｅ／Ｅ_０）^ｎ
   であることを特徴とする電気機器。
2. 上記特定箇所は、上記導体の屈曲部、上記導体の端部、上記導体の角部、および上記導体とは異なる電位の他の導体と近接している上記導体の導体部のいずれかであることを特徴とする請求項１記載の電気機器。
3. 上記絶縁被覆材料は、電気絶縁性の有機高分子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。
4. 上記有機高分子の層と上記導体との間に電気絶縁性の粘稠物質を有することを特徴とする請求項３記載の電気機器。
5. 上記導体は、接地金属ケース内に配置されるスイッチギアに含まれている導体であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の電気機器。

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