JPS6010438B2 - 保護間隙装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はＳＦ６ガス等の電気的負性気体を絶縁媒体とし
た密閉形の保護間隙装置に関するものである。

従釆からＳＦ６ガス等の電気的負性気体を絶縁媒体とし
て用いた密閉形電気機器等に、その機器を雷サージ等の
異常電圧から保護するためにいわゆる避雷器あるし、は
避雷装置の一種としてＳＦ６ガス等の電気的負性気体を
封入した密閉形保護間隙装置を設けることは公知である
。

このような例えばＳＦ６ガスを封入した従来の密閉形保
護間隙装置においては、その放電々圧は間隙に構造、封
入ガス圧等により複雑な変化をすることは良く知られて
いるが、この放電々圧は構造的に制御されたものではな
いので、封入ガス圧が高くなる程また電界の不平等性が
増す程、印加電圧極性による放電々圧値の差、即ち謀電
側に正極性の電圧を印加した場合に得られる放電々圧（
正極性）と、謀電側に負極性の電圧を印加した場合に得
られる放電々圧（負極性）との差が大きくなり、一方の
犠牲の過電圧に対して保護間隙装置は度々動作し、逆の
極性の過電圧に対して被保護機器を過電圧から保護する
ことが困難となる欠点を有する。

この欠点をひとつの実験結果により具体的に示しておく
こととする。

実験は、内径１．２肌の金属製タンクの中に直径１反駁
の一対の球電極を、間隙長１伽に設定して行なった。こ
の実験試料の電界は、平均電界強度と最大電界強度との
比が０．９５６で、大気中では平等電界として扱われて
いるものである。第１図は、この実験試料を用いた実験
によって得られた最低放電々圧と放電時間を示す曲線で
、封入されたＳＦ６のガス圧が絶対１気圧（以下ガス圧
は全て絶対圧力で示す。）と６気圧の放電特性を示して
いる。第１図から明らかなように、封入ＳＦ６ガス圧が
１気圧の場合には、放電々圧の極性差は全くないが、６
気圧の場合は極性差が約１０％あらわれている。このよ
うな樋性差は封入ガス圧が高くなる程、また電界の不平
等性が増す程顕著となり、例え封入ガス圧が１気圧の場
合でも間隙長を増す（電界の不平等性が増す）と、極性
差はあらわれてくる。上述のように、ＳＦ６ガス等の電
気的負性気体中の放電は大気中では平等電界として扱わ
れている程度のわずかな電界の不平等性があっても封入
ガス圧が高くなれば、顕著な放電値の極性差を生じると
いう非常に重要な特性を有している。

ＳＦ６ガス等の電気的賃性気体を封入した密閉形保護間
隙装置において、放電々圧の極性差をなくす方法として
は、第１図に示す実験結果からも、間隙の電界の不平等
性を非常に小さくし、封入ガス圧を例えば１気圧にすれ
ば得られることは明らかである。

しかしながら、このような方法で設計された保護間隙装
置は、例えば第１図の実験に用いた試料と相似な形状で
、最低放電々圧１００眺Ｖを有する保護間隙装置を考え
れば、その寸法は約１“薮こする必要があり、これでは
工業製品としての価値は全くないといえる。また、ＳＦ
６ガスを封入した電気機器「即ちガス絶縁機器は一般に
接地電位の円筒容器の中に、円柱の謀電側導体を同軸状
に配置するような構造となる。

このような同軸構造では、譲雷側表面の電界は接地側円
筒容器の内側表面電界より必ず高くなる。このように、
謀電側と接地側で非対称な電界となる機器では絶縁破壊
時の放電開始のメカニズムが異なるとその放電電圧に必
らず極性差を生じる。

具体的には、高気圧ＳＦ６ガスの破壊電界強度は、負電
極表面の状態や表面積の大きさの影響を受け、正負等し
い理論値より低下するので上述のようなガス絶縁機器で
は負極性の放電電圧は正極性より低下すると言える。従
って、被保護電気機器の封入ガス圧ならびに電界と類似
した構造をもつ保護間隙装置を設計すれば、同程度の樋
性差を示すことが考えられるから、例え極性差があって
も実用上は十分電気機器を保護可能であり、極性差をな
くすこと自体は実用的な意義を持たないのではないかと
いう疑問があろう。

上述の疑問は、上述の範囲では正しいといえる。

しかしながらＳＦ６ガス等を封入した電気機器は、容器
が硝管で構成されたしや断器、金属製接地容器内に機器
が構成されたしや断器、断路器、母線、変成器や接地ス
イッチ類等、及びブッシングなど非常に多く、これらの
構造、封入ガス圧などは千差万別である。つまり、これ
らの機器は所定値以上の耐電圧値をもっているとはいえ
、構造、封入ガス圧が異なれば耐電圧値の極性差、放蝿
々圧の時間特性などは夫々異なった値を示す。従って、
このような多様な電気機器の単独あるいは組合わされた
袋鷹に対し、厳密に実用性を発揮させるためには、保護
間隙装置の放電々圧に極性差のあることは好ましくない
。また、本発明による保護間隙装置は、ＳＦ６ガス等を
封入した電気機器の保護に限定されるものではなく、そ
れは放電々圧の極性差をなくすることで可能となる性能
といえる。

本発明は、上述のような従来の保護間隙装置の欠点であ
る放電々圧の極性差を除去するために、適切な構造に設
定することによって、その電界を制御し、小形で、良好
な放電特性を有する保護間隙装置を提供しようとするも
のである。

次に、図に示す本発明の一実施例について詳細に説明す
る。

第２図において、１は密閉形ガス絶縁電気機器の容器で
、その内部２にはＳＦ６ガス等の電気的負性気体が封入
されている。

３は密閉形ガス絶縁機器の謀電部と保護間隙装置を接続
する導体で、ヱポキシ樹脂等から成る絶縁スベーサ４と
一体的に構成されている。

５は保護間隙装置を収納する金属製の容器、６は容器５
を密閉するための蓋で、その内部７にはＳＦ６ガス等の
電気的負性気体が封入されている。

これら容器の密封は、容器１，５に設けられたフランジ
部分８，９，１０１こ設けられたガスケツト１１，１２
，１３を介して、ボルト１４，１５を図示の如くねじ込
むことにより構成されている。１６は図示の如く、片側
端部にネジ部を、また、池端に導体３との接続可能な形
状をした電極保持金具で、導体３には図示の如くボルト
１７で取付けられ、池端には球直径が１０弧◇の放電々
極１８，すなわち謀電側放電々極がねじ込まれて固定さ
れている。

１９は放電電極１８と等しい電位となるよう電極保持金
具１７にボルト２０で固定されている金属材料からなる
直径が２７狐ぐのシールド電極である。

２１は図示の如く、片方端部は蓋６と溶接等により一体
的に固着され、他端にネジ部を有する露極取付棒で、ネ
ジ部には球直径が１０肌？の放電電極２２すなわち接地
側放電々極がねじ込まれ固定されている。

そして放電々極１８と２２により、間隙長６伽の放電間
隙２３が構成されている。容器５，蓋６，放電々極２２
等は、接地線２４により大地へ接地されている。次に、
本発明の作用について説明する。

導体３には常時、系統電圧（対地電圧）が謀電されてい
る。

今、導体３側から雷サージ等の異常電圧が侵入した場合
は、所定の電圧で、放電間隙２３を放電させ、そのェネ
ルギを大地へ放流し、導体３に接続されている密閉形ガ
ス絶縁電気機器の絶縁を保護する。

次いで、本発明の主旨であるところの保護間隙装置の構
造と電界の制御方法について説明する。

第３図は、間隙長を６肌とした１比加０球−球放電間隙
における電極間距離と電界強度との関係を示す図で、縦
軸は最大電界Ｅｍａｘで正規化した電界Ｅ／Ｅｍａｘで
、曲線２５は例えば第２図において、シールド電極１９
を除去したような一般的な球間隙を示す電位分布の形で
ある。すなわち、電極１８例の電界強度Ｅ１８が電極２
２側の電界強度Ｅ２２より高くなる。このＥ１８とＥ２
２との関係は、第２図のごとくシールド電極１９を付属
したり、あるいは図示していないが、放電々極２２へも
その電界を制御するような任意の形状のシールド電極を
付属することによってＥ１８をＥ２２より大きくも、等
しくもあるいは小さくもすることが任意に出来る。ＳＦ
６ガス中の放電は、この電界強度がＳＦ６ガスの破壊電
界強度に達した時に発生することがよく知られているが
、高気圧ＳＦ６ガスの場合は更に負電極の表面状態なら
びに表面積の大きさにより、破壊電界強度は影響を受け
、その値は理論値より低下する。

その理由は以下のように考えられる。すなわち、負電極
表面の電界強度が高くなると強い電界のために負電極の
仕事関数が低下し、負電極面から電子が放出される。こ
の電子はＳＦ６ガス空間の絶縁破壊を開始させる初期電
子として作用するので、高気圧ＳＦ６ガスの絶縁破壊強
度は負電極の電界で決まるようになる。第４図は電極の
表面積Ｓと破壊電界強度Ｅとの関係を実験結果をもとに
その懐向を示したものでありガス圧傘ｔｍ，粗さを±２
０山ｍ程度に表面処理したグラフアト製平板一平板ギャ
ップに関すものである。

一般に多くの実験データから第４図は次のような式に従
うことが確認されている。Ｅ＝Ｅ。十（ず三；）ｆＥｄ
．”……（・’ここで、Ｅは電界強度（ｋｖ／肌）Ｅｏ
は、そのガス圧で電極面積が非常に 大きいときに得られる最小破壊電界〔ｋ ｖ／伽〕で次式で与えらる。

・ Ｅ。

＝Ｅｄ×・十ｏ．３５５．ｐｏ・７Ｐはガス圧〔ａｔｍ
〕 ＥｄはＳＦ６ガスの理論的な破壊電界〔ｋｖ／肌〕で次
式で与えられる。

Ｅｄ＝８幼 ｍは破壊電界のワィブル分布のパラメー タで ｍ工〜７．４ スｏは破壊電界のワイブル分布のパラメ ータで例えば鏡面仕上げのステンレス電 極の場合 入ｏ ＝０．隼×ｐ（１．１５ｐ） 粗さを土２０〆ｍ雌程度に表面処理したグラフアィト電
極の場合 ＾ｏ ニ４０比×ｐ（１．１５ｐ） である。

電極表面上の電界強度は、その表面位置によって異なる
ので、上述の表面積というものは、どのような部分の表
面積かということを明確にしておく必要がある。

電極の表面積が大きくなったり表面が粗面になったりす
ることにより、その破壊電界強度が理論値より低下する
ことは、電極表面微小突起などによるウィーク・ポイン
トの数が増大するということで説明できる。

また、このウイーク・ポイントは負電極表面上の電界強
度が増大するにしたがい、より小さな微小突起などがウ
ィーク・ポイントになるので、ウィークｉポイントの数
は、単に構造的なウィーク・ポイントの数だけでなく、
電極表面上の電界強度の函数であると考えられる。電極
表面上の電界強度と表面積の関係は例えば、対象とする
間隙について、電子計算機を用いて電極表面の電界計算
を行い、最大電界Ｅｍａｘの点から任意の電界強度Ｅよ
り高い電界強度の部分の電界面積を積分して求めた面積
Ｓ脚を使って電界強度と表面積の関係は求められる。第
５図は間隙長６肌の１ルネ？球−球間隙の謙露側電極の
Ｓ脚と最大電界Ｅｍａｘで正規化した電界Ｅ／Ｅｍａｘ
の関係であり曲線２７のように与えらる。一方、破壊電
界強度を低下させるウィーク・ポイントの数は上述のよ
うに負電極表面の電界強度の函数であるから、ウィーク
・ポイントの密度Ｎ【Ｅ｝と負電極表面の電界強度Ｅと
の関係は第６図の曲線２８のように示される。

第５図において、任意の電界強度ＥとＥ十細微州駅強度
の区間物価側‐鰹．肥で表わされる。

尚、負符号は第５図に示す通り、電界強度Ｅの増大によ
り、面積Ｓ脚が減少、即ちｄＳ脚／ｄＥが負になるため
、面積が正になるように付したものである。同様に、第
６図から、任意の電界強度ＥとＥ＋姫の区間にあるウィ
ーク・ポイントの平均密度をＮ【Ｅ’とすると、ウィー
ク・ポイント総数Ｎｔは｛２）式のように負電極上の各
微小部分の面積とその部分のウィーク・ポイントの平均
密度Ｎ脚の積を電界強度で積分して求められる。

Ｎｔ＝‐岬刊Ｅ’・ｄ器．ｄＥ，．■ 尚、■式でのＥｍａｘは、第５，６図で示す、最大電界
強度である。

また、‘２｝式はＥｍａｘという最大電界強度をもつ平
等電界間隙の電極表面上にあるウィーク・ポイントの平
均密度Ｎ（Ｅｍａｘ）とその積が｛２１式と等しくなる
ような等価な面積ＳｅＲの積として‘３’式のように表
示できる。

Ｎ（Ｅｍａｘ）・Ｓｅｆｆ ＝‐岬刊Ｅ）．ｄ篭・ｄＥ・・・・．・・．・【３’即
ち、任意の電界形状をもつ電極表面上のウィーク・ポイ
ントの総数はその最大電界強度の等しいある等価な面積
＄ｅｆｆをもつ平等電界（例えば平行平板）電極におき
かえることができ、このＳｅｆｆは上記のごとき置換を
行なったときの等価面積といえる。

尚、【２｝，糊式ならびに第６図に示すウィーク・ポイ
ントの密度Ｎ【郡ま電界強度の関数であり、多くの実験
結果からＭＥ１＝入。

（主義主）ｍ‐‐‐‐‐‐‐‐‐【４１の形で表わされ
る。ここでＥは、電界強度〔ｋｖ／肌〕 Ｅｏは、そのガス圧で電極面積が非常に大きいときに得
られる最４・破壊電界〔ｋｖ／仇〕で次式で与えられる
。

・ Ｅ。

＝Ｅｄ×・十ｏ．３５５．ｐｏ．７ｐは、ガス圧〔ａｔ
ｍ〕 Ｅｄは、ＳＦ６ガスの理論的な破壊電界〔ｋｖ／弧〕で
次式で与えられる。

Ｅｄ＝８９・Ｐ ｍは、破壊電界のワィブル分布のパラメータで・ ｍ…７．４ 入ｏは、破壊電界のワィブル分布のパラメータで、例え
ば鏡面仕上げのステンレス電極の場合 ＾ｏ ＝０．傘×ｐ（１．１５ｐ） 粗さを士２０仏ｍ程度に表面処理したグラフアィト電極
の場合＾ｏ ＝４０企×ｐ（１．１５ｐ） である。

第６図は傘血のＳＦ６ガス中、粗さを±２０ｒｍ程度に
表面処理した平板一平板グラフアィト電極のウイーク・
ポイントの密度Ｎ脚と電極強度Ｅの関係を一例として示
している。一方、破壊電界強度Ｅと面積Ｓとの関係は、
第４図で示した‘１｝式で与えられるが、この場合、任
意の電極形状を持つ間隙さ、最大電界強度がＥｍａｘの
平等電界で置き換えると、ｍ式は■式Ｅｍ柵＝Ｅ。

十（ま生三；）市Ｅｄ‐‐‐‘５１となる。ここで、【
２’，糊式に■式を代入し、‘５｝式との間でＥ＝Ｅｍ
ａｘ，Ｓ＝Ｓｅｆｆとおいて連立方程式を解けば、ウィ
ーク・ポイントの総数Ｎｔ，等価な電極面積ＳｅＨ（ま
たは面積Ｓ），最大電界強度Ｅｍａｘを求めることがで
きる。

高気圧ＳＦ６ガス中での絶縁破壊は負電極側の電界によ
って決まることは、前述したが、一対の電極で放電間隙
を構成する場合は、印如電圧の極性によって負電極側が
異なるので、極性効果をなくするためには、‘３’式に
よる÷ノ夏ＭＸＮ伍１９著書もＥを両方の電極について
等ししておく必要がある。

上記の考え方を第２図に示す−実施例について説明する
。

即ち、第２図は電界強度の補正を謙亀側放電電極１８の
回りにシールド電極１９を用いて実施したもので、シー
ルド電極１９により、謀電側放電度を強めることにより
、譲露側放電電極１８１こ生じる最大の電界強度よりも
、接地側放電電極２２に生じる最大の電界強度を大きく
して、第７図の関係を得ようとするものである。なお、
第７図は放電々極１８と２２の電極表面上における電界
強度と、その電界強度を越える面積との関係を示す線図
であり、曲線２９は放電々極１８の、曲線３０は放電々
極２２のものである。一般に、放電々極２２のような接
地側電極は接地電位にある容器と同電位であるため、接
地側電極の表面電界は、放電々極１８に対向する放電々
極２２の先端から離れるに従い急に低下し、特性Ｓ‘Ｅ
｝‘ま第７図の曲線３０のように小さな勾配溝を持つ。
逆に謀電側になる放電電極１８は周囲が接地電位にある
容器に取り囲まれているため、謀亀側の表面電界は、放
電電極２２に対向する放電電極１８の先端から離れても
余り低下せず、特性Ｓ‘邸ま第７図曲線２９のよ化大歌
風製を持く）。

これらの対向する両電極のウイーク・ポイントの総数は
−′が瓜Ｎ脚‐ｄ等事ｄＥで与えられるので、勾配篭贈
物胴電極 において、互いにウィーク・ポイントの総数を等しくす
るためには、第７図に示すように、接地側放電々極２２
に最大電界Ｅｍａｘを持つように構成する必要がある。

この場合、謀電側の放電々極の最大電界強度Ｅｏｐは、
Ｅｍａｘより小ささくなるのでウィーク・ポイントの総
数は（２１式の表示で−Ｊ暮。ｐＮ｛Ｅ１毒害もＥとな
る。ここで積分範囲がＥｍａｘよりＥｏｐに代ったのは
、この謀電側の放電々極１８には、ＥｏｐからＥｍａｘ
までの電界強度が存在しないためである。このようにし
て、湖式のＮ（Ｅｍａｘ）・ＳｅＨが放電々極１８と２
２とにおいて等しくなるように構成すれば印加電圧の樋
性による差は生じない。

即ち、制式から謙雷側の放電々極１８および接地側の放
電電極２２両者のウィーク・ポイントの総数を等しくす
ることは、等価な面積を両電極で持ち、かつ最大電界力
粕ｍａｘの平等電界の放電間隙が実現できることであり
、樋性効果のない放電間隙装置が得られる。次に第８図
の他の実施例について説明する。

尚、第２図と同一符号を付したものは同一もしくは相等
する部品である。第８図において、３１，３２は球状の
放電々極で図示の如く対向して間隙長６伽の放電間隙２
３を礎成しているが、謀電側放電々極３１の球直径は１
比ス◇，接地側放電々極３２の球直径は６．６肌ぐにそ
れぞれ構成されている。

このように謀電側の放電々極３１より接地側の放電電極
３２の球半径を小さくすれば、謙霞側の放電電極３１の
表面の電界強度を弱め、かつ接地側放電電極３２の表面
の電界強度を強められ、謀電側放電々極３１に生じる最
大の電界強度よりも、接地側放電々極３２の表面に生じ
る最大電界強度を大きくして第７図と同様な関係を得る
ことができるので、容器５，放電間隙２３，放電々極３
１の球半径などとの相対的な関係のもとに、適切な球半
径をもつ接地側放電電極３２に構成すれば、放電々極３
１，３２の夫々の電極表面上のＮ（Ｅｍａｘ）・Ｓｅｆ
ｆを等しくすることができ、その放電々圧の極性効果を
なくすることができる。また、第２図、第８図の実施例
では、放電々極形として、球状のものを示したが、電極
形状が球状であることは必らずしも必要ではなく、本発
明の主旨であるところの電極表面のウィーク・ポイント
の数を等しくするという点を満足させられれば、任意の
形状とすることができる。

以上のように、本発明によれば放電々極自身の形状ある
いはシールド電極を用いて電界を制御すことより極怪効
果のない、即ち良好な放電特性を有する構造が簡単で、
安価な保護間隙装置を得るとができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の放電間隙装置の放電特性を示す線図、第
２図は本発明の一実施例を示す断面図、第３図は一般的
な電界分布を示す線図、第４図は電極表面積と破壊電界
強度との関係を示す糠図、第５，７図は電界強度とその
電界強度を越える面積との関係を示す線図、第６図は電
界強度とウィーク・ポイントの平均密度との関係を示す
線図、第８図は他の一実施例を示す断面図である。 ５は容器、７はＳＦ６などの電気的員性気体、１８，２
２，３１，３２は放電々極、２３は放電間隙である。 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図 第８図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ＳＦ＿６などの絶縁性ガスを満たした容器中に所定
   の間隙を隔てて配置された一対の課電側および接地側放
   電々極を有する不平等電界形保護間隙装置において、上
   記接地側放電々極の表面上の最大電界強度を課電側放電
   々極の表面上の最大電界強度より高くし、両電極のウイ
   ークポイントの総数を等しくしたことを特徴とする保護
   間隙装置。