esuefu shikkusu gasu to kotai zetsuenbutsu tono fukugo zetsuen ni kansuru kenkyu

SF6ガスと固体絶縁物との

 複合絶縁に関する研究

1993年２月

SF6ガスと固ｲ本;絶縁物との複合糸色,匯に関する{唐究

目

_次

第１章序論………  LI打がき………  1.2 セパレート式ガス絶縁変圧器の絶縁構造………  1.3従来の研究例………  1.4研究の脇‥･………  1.5ﾝお論文の心ﾚ･-･………  刺章参考文献………-……… 第２章SF6ガス中被覆電極におけるインパルス破壊特性 ２．１ まえがき ２．２ 試験方法 ２．３試験結果………-……… nl拙の破壊特性‥… ２．３．２ 繰り返し破壊特性………-……… 2.4 検 討 2.4.1 初回の破壊における￣面積効果 ……… 2.4.2 破談痕跡 2.4.3被覆による破親圧向上の原因……… 2.5 Ｉ Ｉ ５ ８ rg rl ︲ ︲ 14 23 23 ４ ５ ２ ２ 25 26 27 一 ︰Ｊ 29 30 31 33 55 56 56 ６ ６ yl r4 第２章参考文献………

第３章SF6ガス中くさびギャップにおける部分放電特性 -……… 55

3.1 まえがき ……… M試験方法･‥……… 32.1該構成……… 3.2.2交誼分放電試験……… 3.2.3 インパルス部分放電試験 ……… 巾

へ ｌ ４ ３ ３ ３ ３ ４ ･ l １ ３ ｌ つ ー ３ 詞IIljl………  交流･j,価｡ヽ放霜yj竹l −  インバIルス混分放丿収特竹 j l l l ･ インバルス電jlﾐ極性反転特'￨?￨= １４  検討 l.4.1 ７り｀.ム表面の残賢I[1荷 ￨固ヽ汝爪折性のガス圧力依存性

3.4.2 くさびギャップにおけるパッシエンⅢからの検討

３４３ 初期電｣'･ｲヽ足の岱明! l.4.4   くさびギャップに残留する電荷の影響 ‥--３．５ まとめ 第:U･;?参考文献 １ ２ ４ ４

まえがき

洵坑方法

４．２．１ 京極構成 ４．３ ふりS灸結果 ４．４検討… 4.5 まとめ 一一 第４章お考文献 57 57 58 59 ０  ￥ ￥   rot g%Q X６ ６ ６ ６ ６ ６ ６ ６ 89 89 89 89 ０ ０ １ ２ ２ ５ ７ ＱＵ ９ ９ ９ ９ ９ ９ ９ ｏ／ ＩＨ １１１ ５．２ 山U験方法 ‥  ５．２．１ 電極構成 ５ ５ ５．２．２ 部分放‘,拓成駒と沿面破壊;武装 ３ _{試必見結果} 5.3.1 韻分放題創始電圧特性 ……… n2沿岫壊駅肘……… 5.3.3極性反転特性……… 5.3.4 フィルム表面電位測定結果 ……… ４検討--･………-……… ５．４．１ 部分放電1則始特赦

 5.4.2 フィルムの帯電と沿面進展粉吐 ……… ……

 5.5まとめ………

 第５章参考文献………

第６章SF6ガス中くさびギャップに固体絶練物が介在する場合

６ ６ ， Ｉ

の放電特性‥…………

まえがき ２試験方法………… ６．２．１電鰻成‥-……… ６．２．２ 試験方法 ６３試鮪果 ニー………---6.4検討………-………

6.4.1 モデルＡの破壊電界

6.4.2 モデルＢ､Ｃ､Ｄの破壊電界 6.5 まとめ 第６章参考文献………

第７章喘卜‥…………

謝辞………

研究業績………

( i i i ) １ １ １ １ 目 ２ ２ ２ ｌ口 目３ 口４ 口5 06 117 117 119 122 123 ‥‥ 137 …'･ 137 …138 ‥… 138 ‥‥ 139 …一一 140 141 141 142 143 145 157 161 163

第４章振動性インパルス電圧に対するSF､ガス中くさび

ギャップにおける部分放電伜匪

４．２．２ 振動性インパルス電圧発生回路 4.2.3 1沿ぼ1功U方法と部分放電測定 4.4.1 jlｉ王極性反転の影響 ･==･==･jj･■■■---=■-■-･I U2贈咄なの諦‥･………

第５章SF､ガス中くさびギャップを有する系でのインパルス

   沿面放電特性‥………

  5」まえがき………

(il)

第１章 序論

￨.￨   まえがき

 SF6ガスは非常に安定した小活性な物質で、紅色、烈見、無山であり、電気的特性が校Eれ

ている.SF6ガスは1902年にMoissan氏らによって始めて介成されたとされているが、絶

縁に利川されるようになったのは1940年頃からである。

sF6ガスは特に絶和附与性が優れて

いることから、1960年頃からガス絶縁機器の絶縁媒体としての利川が急速に進み、現在では

変圧器、開閉装置などの高電刑戮器の絶縁媒体として広く#jいられている。

 SF6ガスは絶縁性能に優れると㈲時に沸点（液化温良:あるいは昇華温度）が低く、有心円ﾐ、

有害性、熱的牛討生などの八から総介的に優れた組糸旅材料であることが、ガス絶縁機器の絶縁

媒体として用いられる所以である。また、組糸采だけではなく優れた消弧性能を活かして、ガ

ス遮断器にも使用されている。

 平等・不平等電界におけるSF6ガスの絶縁破壊特覗の研究は数多く行われており、SF6ガ

ス単体の絶縁破壊抒匪については、理論的にもほぼその現象が明らかにされてきている。と

ころが、ガス絶縁方式を採用する高電圧機器の絶縁構成ではガス甲窓1の絶縁となることは少

なく、特に固体との複合絶縁となることが多い。例えば、実際の機器の構成Ｌ、高電圧電極

を支持する固俸給組物が必要である。この時、囚体絶縁物そのものの絶縁特=性が爪要である

と共に、ガスとの界面の絶縁鴉片生か重要となる。通常は、囚体内部より前面のほうが絶縁耐

カカ可氏いので、前面特堂Lﾐの把捉が重要なポイントになる。また、絶縁構成に柘植的に固体絶

組物を取り込み、ガスと固俸給組物による複介絶縁構造を採用し、絶縁財力を向llさせよう

とする試みもしばしｺ詣

￣

rわれる。

 最近にやり、特に心力川高y図工機器がさらに高IJIﾓ化される中で、より 一層の仁頼性と絶

縁脱力の向llをはかり、細小化することが要求されている。このような要求に応えるため、

SF6ガス単体の絶縁特性の把捉に加え、SF6ガスと同体絶縁物とから構成される佐々の複合

１

絶縁特性に関する仙究が不II｣'欠であり。このょうな研究が高‘心汪機おの絶縁Ｈ仙他山｣上に重

要なlll･￨恢をなすと･ぢIえられる。

 ところで、絶縁物をI淀心圧=機器に使川するには、絶縁物に対し、次のような各種抒rlﾓを考

慮することが重･泌である、

     ())絶丿屈特性

     (2)機械的特性

     (3)熱的特性

     (4)化学的勃牢k

     (5)そのｲ也：価格、取扱いの容易さ、加工性

ＳＦ，

６ガス絶縁において固体絶縁物を用いる場合においては、固体絶縁端が上記粉M1を満足

するよう材料物性等種々の面から4受討し、さらに最適なJ削犬で用いるよう工夫することが爪

要である。

 --‥-方、変電所の機器が国男｣装置(ガス絶縁開閉装匿GIS)及び管路気中送電線(ガス絶縁

送電線ＧＩＬ)のようにほとんどSF6ガス絶縁機器になった申で、痴4ﾐＳは未だ泊入変証器が

主体を成している。近年、変電所全体を不燃化するため、また、美観Iこあるいはメインテナ

ンスの容易さなどの利点から、従来の泊入変圧器に代わってSF6ガスを絶縁媒体とするガス

絶縁変圧器の要求が急速に高まり、また適用も広まってきている。変圧器が変電、受配電設

備の申で最も大きなスペースを占めている点から、特に上記の要求が強い。

 ところで、ガス絶縁変証器が初めて製品化されたのは1956年のことであり、SF6ガスによ

り絶縁及ぴ?令却する方式の69

kv-2 MVA

の変圧５がアメリカＧＥ社(General

Electric

Company)において￨則発された(')(2)。日本では、圭に、数１０ＭＶＡ以ドのガス絶縁変圧５は、

絶縁媒体としての紬をSF6ガスに置き換えることにより･如l｣化され、1963年に200

kV の試

聊ぴljlJ･￨ﾓ器が開発され、1967年に66 kv-3 MVAが製品として製作された凶。その後、ガス

２ 絶縁変丿王器の製品化は暫く途絶えた、これは絶裕治と￨ボ･S;の絶縁・冷去1埓詫￨ﾓを持つ不燃性illl をJI」いた変圧器が主流になったことによる。しかしながら、この不燃性治はＰＣＢを含んでい たことからその毒性のため1970年代に製造中lllとな、た。このぼ4と柑前後して、GISが目覚 ましい発展を遂げると共にそれを支えるSF6ガス絶縁技術も急速に進歩を遂げた。このよう なSF6ガスの利川技術が進歩すると、変圧器を含めた不燃性変電設備の要望が強くなり、 1975年頃から特に防災が必要な箇所の変圧器としての利JI」が進んで、1980年には、当時わ が国最大容量の１０ ＭＶＡ ガス絶縁変圧器とGISとを組み合わせたオールガス絶縁変電設備 力鮫E成した（4）。1980年頃を契機に急速にガス絶縁変圧Ｓの開発や製aII､化のピッチが上がり、 現在まで国内外で製作されたガス絶縁変圧器は2000台を超え、さらにその普及のペースが 早ま・ているのが現状である。  しかし、高電圧一大容駁ガス絶縁変圧器は、特に冷却および絶縁上の問題からその実現は 非常に難しかった。また最近では、大都市への人口集中が益々進むと共に、電力需要の増大 に対応し経済的な送電を可能とするため、高it圧の変電所の建設が行われている。加えて、 15心における高丿胤圧変電所設置の必要性も高まり、既に、名匹心における275 kV 地下変電所 の建設も進められている。  このような状況の中で、特に高電圧・大容量に適した不燃性変圧器として、SF6ガスのみ の冷却ではその実現が難しいため、液体のパーツ口口カーボンを冷却媒体として用いる方式 の変圧器の開発が、1980年頃から275 kV-300 MVA を当面のターゲットとして進められて きた。パーフロロカーボンを冷却媒体として用いるガス絶縁変圧器においても冷却方式から 大別して、圭に次の3つのタイプの変圧器に分類できる。  巻線や鉄心内に冷却パネル（密閉薄形冷却板）を巻き込み、パネル内に冷媒を流入・流出 させる方式（セパレート冷却方式）、巻線・鉄心に冷媒の液滴を散布して蒸発させる方式  （蒸発冷却方式）、巻線・鉄心などの発島体を冷却液に直接浸すかまたは液を表面に流して ３

冷却す乙方式(液冷却方式)などである。  セパレー1ヽ冷jﾐ￨』方式では、巻線は広幅のアルミシーﾄとポリエステルフィルムを川いたシ ーリヽ巻線であり、タンク内にはSF6ガスを充填して絶縁する。絶縁と冷去￨】が完令に分離され ていることからセバレート式ガス絶縁変圧器と呼ばれている。  蒸発冷月｣方式は液散布方式ともｊわれる。タンク内に絶縁媒体のSF6ガスと冷却媒体のパ ーフロロカーボン液(CsF160)を封入し、パーフロロカーボン液をポンプで汲み上げ、散布器 から巻線、鉄心上へ散布する循環￨回路を佃えている。液に伝達された変圧器の損失熱は、こ の循環回路途中に佃えた液冷却器により大気中に放散される。蒸発冷却の考え方は1894年 に特許として成立しているが5)、実際に変圧器への適用を考えて開発に着手されたのは 1950年代に入ってからであり、これはパーフロロカーポンCgF160等の優秀な冷却液の発見 によるものである。蒸発冷去￨』式変圧器としては、1958年冷却液にパーフロロカーボン液を用 いた69 kv-7.5 MVA の散布方式による変圧器がアメリカにて初めて製作されており(6)、さ らに、ニューヨークのピルの屋内変電所において、同‥一方式の１３．２ ｋｖ-６ＭＶＡ 変圧器が 1979年に製作され、運転されている(7)。我が国では、77 kv-40 MVA蒸発冷却ガス絶縁変圧 器が1982年に実Jlj化されている(8)〔9〕(向〔11〕。さらに、このタイプの変圧器は、275 kv-3oo MVA級へもプロトタイプ器の製作(121(13)を経て適用されている('4)。  液冷却方式はタンク内に不燃性冷却液(パーフロロカーポンC8F160)を満たした絶縁筒を設 けヽ鉄心及び巻線をこの中に納め、タンクに対する対地絶縁はSF6ガスを充填することによ り行う方式の変圧Ｓである。巻線等の主要部の絶縁は不燃性液体によ･っており、厳密な ｰ誄 ではガス絶縁変圧Ｓとはifえないが、不燃性変圧器の分佃に含まれる。  パープ゜カーボンは巻線及び鉄心の冷却と絶縁の機能を果たし、外部の冷去￨』器を通じて ﾄﾞ=部から絶縁筒に送り込まれ、ポンプで循環される。絶縁筒の上部にはセパレータが設けら れヽパーフロロカーボンとは分離されているが、パーツ口口カーボンの圧力はタンク内に充 ４

填するSF6ガスと同jll0.443

MPa になる。 275 kv-IOO

N4VAj t和変JIﾓＳのプロト器の製作

を経て(15)(1゛)、】991年、275

kv-300

MVA液冷去￨｣変圧=Ｓが淀川化されている(1仇

 これらの方式のガス絶縁変圧器の中で、セパレート式ガス絶縁変J･1ﾐ器は、μ以ａＵＪ(株)、

(株)東芝によって、275

kV-50

MVAプロトタイプ器での検証を経て(l“)(lg)、154

kV-200

MVA級についても￨則発が進められ(21)、1991年春から運転されている(j4)。

 このセパレート式ガス絶li変圧Ｓを始め、ガス絶縁変圧器ばI鉉極が固体絶縁物で被覆され

るなど、SF6ガスと固体絶縁物との複合絶縁構造の典型である。このようなガス絶縁釦￨ﾐお

の絶縁信頼性を高め、さらに、地下変丿船頁向け275

kV-300

MVA級のガス絶縁変圧器を実現

する上で、SF6ガスと固体絶縁物との複合i絶縁鴉片生を調査することがきわめてｽﾞ収要であると

考えられる。さらに、SF6ガス絶縁機器の高電圧化を実現するとともに、変電所全体を縮小

化し絶縁信順性を高めていく上で、ガス絶縁変圧器に限らずガス絶縁開閉装置等のガス絶縁

機器全般にわたり、複合絶縁構成が採用される。このようなことからも、SF6ガスと固体絶

練物との複合絶縁構成における放電吻理現象を基礎的に徊究することがますます重要となる。

 次節にヽSF6ガスと固体絶縁物との複合絶縁構成を採る代表として、高iljﾓ・大容量に適

したガス絶縁変圧器である新しい概念のガス絶縁変圧器、セパレート式ガス絶縁変圧器の絶

縁構造について概説する。

１．２

セパレート式ガス絶縁変圧器の絶縁構造

 

セパレート式ガス絶縁変圧器は高電圧・大容量に適する不燃性変圧器として、1979年∼

1985年米国DOE(Deparlmenl

of Energy)、GE社及びOak

RidgeNational

Laboratoryによ

って最初の概念が作られ(22)(23)、開発が進められた。その概念は変圧器の発想を著しく変え

た斬新的なものであり、仙人変圧器に対してもﾉ｣ヽ型・軽量及び低損失にできる変圧器として

期待された。設計コンセプトは非常に優れており、SF6ガス中でのフィルムの絶縁昨MEを始

め基礎的な研究が進められたが24ト(2s)、米国では実器の製作はもとより実規模モデルの実

現までにもヤらなかった、途中より、この四分は東京竃力（株）、（株）東芝によって引き継が

れ、その後、片品において、かなりの変史を加えて実用化されるに至った。

 セパレートハガス絶縁変圧器の梧づ剖既企図を図1.1に示す。この変川ぺ悍の特徴は以ドの通

りである。

 （1）広幅のアルミニウムシートを導体として用いたシート巻線。

 （2）ポリエステルフィルムとSF6ガスを用いたターン間絶縁。

 （3）シート巻線内に直接巻込まれた冷却パネル内をパーフロロカーボン液ｨ本を通

   すことによる冷却システム。

 すなわち、巻線の絶縁はSF6ガス及びポリｒステルフィルムにより、冷却はパーフロロカ

ーボン液体（C8F160）によるもので、両システムが完全に分離した構成となっており、セパ

レート式ガス絶縁変月ﾐ器と呼んでいる。従来のワイヤ巻線による油大変正答と比べて、シー

ト巻線や冷却パネルの存在などまったく相違した材料と構成からなる変丹ﾓ器である。また、

GISなどの土にSF6ガス単独の絶縁に頼る他のガス絶縁機器と比べても、絶縁物を多用した

SF6ガスと固体絶縁物との複合絶縁構造の典型である。このようなセパレート式ガス絶縁変

凪器に対し、信頼性の高い絶縁構成を確守ﾐする上で、SF6ガスと固体絶縁物との複合絶縁に

関する研究が特に爪要である。

 このガス絶縁変圧器の絶縁構造断面図を示すと図1.2のようになる。巻線は原作としてア

ルミニウムシート、ターン間絶縁物としてポリエステルフィルムを重ねて巻回し、途中数

10ターン佃1に冷却パネルを巻き込んでシート巻線として形成される。冷却パネルは内部に

冷媒（パーフロロカーボン）を流すための冷却道が確保された厚さ２∼３ｍｍの金属性パネ

ルであり、アルミニウムシートとほぼ同幅である。冷却パネルは円周上２句聊jして１ターン

を形成しないように巻線内に巻き込まれ、隣接するアルミニウムシートと同電位になるよう

に構成される。また、冷却パネルは鉄心内にも挿入される。冷媒のパーツ口口カーボンは冷

６

却パネルのにト'部に取り付けられたヘッダと呼ばれる収り入れ1【から、集液管をつなぐ絶

縁性の粘液パイプによって外部冷却器に粘かれて循環し、巻線及び鉄心を冷去￨｣パネルの熱伝

述により冷去￨｣する。

 この変圧器の絶縁を要素によって大きく分類すると図1.2に小すように次の6つの部分に

分けて考えられる。即ち、

  (1)ターン間絶縁

  (2)主間隙絶縁

  (3)巻線端部絶縁

  (4)巻線支え絶縁

  (5)ヘッダ絶縁

  (6)その他(パイプ沿面絶縁、パーフロロカーボン絶縁、リード絶縁)

の各部分の絶縁である。

 タンク内にはSF6ガスがガス圧力0.5

MPa

で封入され、上記各部の絶縁はSF6ガス申での

固体絶縁物との複合絶縁となる。ターン間絶縁はアルミニウムシートとポリエステルフィル

ム2枚からなる多重構成による絶縁であり、フィルムはシートエッジからの放電に対する沿

面長を確保するために、アルミニウムシートより幅広のものを用いる。アルミニウムシート

より長くなるフィルムの艮さをエクステンションと呼ぶ。巻線福部の機械的強度を高めるた

め、アルミニウムシート両端部にはアルミニウムシートとほぼ同じ厚さとなるよう、エクス

テンションと同じ帽の絶縁フィルムを1枚または複数枚爪ねてエクステンション詰め物とし

て、端部がターン間絶縁フィルムと揃うように巻き込む。

 巻線端剖には静電シールドを設ける。主間隙絶縁や巻線福部絶縁に対してはこの静電シー-ルドが一つの重要な役割を果たす。静電シールドは巻緑川部の電界を緩和するために最適な

形状であることが必要なだけでなく、シールド自身も非常に高電界部分に酎置されるため、

フ

静電シー-ルドの抱陳肘力を高めることが疲睡｡ぷ全体を小型化す＆1･｡で卯泌である。

 目屎!絶縁にtM吋tシールド絶紬に加えて、巻線間の機械的強度を俑保するために挿入され

るダクトビー-スI.‘'I-11分の絶縁から成りな｡つ。

 端部絶縁については、高圧側の､ｓ包シールドおよび各巻線端韻に設けられる静電シー-ルド

による巻線偏屈のシールド効果、巻線端部の半径方向の沿￨昿さらに、巻線支え沿面の絶縁

から成り立つ。

 巻線は端部に突出されるヘッダを避けて、機械的強度を満足するよう円周方向数箇所で分

割して絶縁物により支持される。従って、支え白身の沿面、及び√支えと巻線との界IRf、さ

らに√静電シールドを含めた絶縁構成が重要なポイントとなる。

 ヘッダは巻線端部の高電界肖15分に突出する構成となるため、絶縁4口‘頼性の確保が重要な課

題となる。従って、その最適形状を含めてSF6ガス中での絶縁信頼性の高い絶縁方法を用い

ることが必要となる。

 以上のょうにヽシート巻線からなるセパレート式ガス絶縁変圧器においては、SF6ガスと

l占肺絶縁物との複合絶縁構成が採られるため、復路の高電圧化を実現するとともに、さらに、

機器を小型・縮小化し、絶縁信頼性の向上を図ぅていくためには、SF6ガスと固体絶縁物と

の複合絶縁に対する調査研究が特に飛要である。

1.3 SF，

  

従来の研究例

６ガスの破壊はストリーマ私論に基づき、ギャップ申で1つの電不吉崩がある一定の大き

さに成長すると、ストリーマに転移し破壊に至る(29'(゛(!1)と考えて理1ぬ的に求められる。

ＳＦ，

６ガスは負性気体であり、Townsendの第1‘胞離係数をａ、電了･の付着係数をηとした場合

の実効電離係数￣;;￣＝ａ一刀と密接な関係がある(32)。平方徹Ｗ及び準平等電界では、電気力

線に沿った電離増殖を考え、破壊条件は次式で与えられることが宅間ら(3仇及び新lllら(34)、

また、Pedersenら(15)により報告されている。

       ､Ｓ−

C （“￣η）dx’゛ ０．１）  ここでヽxlヽx2はそれぞれ最大電界の点、及び、α＝ηとなる点である。  (1.1)武でのｒの仙はを了･'Jmj中のや￨眼a荷がストリーマに転移する条件から導出される。 ｒの値の報告は研究者により多少の違いはあるものの、SF6ガスではαがi公界Ｅに対し急激 な変化を見せることから、、cの仙の取扱いはやや蜀1なっても、ほぼ同じ破壊電丿玉を与え、ギ ャップ申の最大電界に大きく依存することになる。一般には、初期電子の供給が￨一分ある場 合には、最大電界がα＝ηとなる電界(臨界電界Ecrit)になると、破壊が生じると考えてよ い.SF6ガスのａ、１については多くの研究者により、実 6〕(17)(3“'(39)並びに計算(4o){41}が なされているが、SF6ガス圧力をj)(MPa)として、臨界電界はほぼ次式で与えられる。 Ecrit＝897）（kv/mm） (1.2)

 実験室におけるスケールの小さい電極系でガス圧力が比較的低い場合には、SF6ガスの破

壊電界Edは次式で与えられる。

Ej ＝89r（1＋Oj75/V蒔）（ｋｖ／ｍｍ） (1.3)

 

非常に小さな電極系及び比較的SF6ガス圧カフ固氏い場合は、破壊電圧の紬f計的ばらつきは

初期電子の不足により生じ、その分布は正規分布に従い、ばらつきは紫外線照射により減少

する。これに対し、大きな電極系では、とくに高ガス圧力領域で破壊電圧は電極表面の影響

を受け、理論値より低ﾄﾞする。電極の表面積が大きくなるに従い破談7□下が低ドするいわゆ

る面積効果や、破壊電圧のコンディショニング効果などがSF6ガスの絶縁破壊特す生に複雑な

影響を与えることが報告されている(42)(43)。このような特す￨ﾓは電極表面上に存在する微小な

凹凸などの弱点に支配されると考えられている。この弱点の特ﾔ￨ﾓは電極の表面状態、電極表

面積、SF6ガス圧力に大きく依存し、破談七月ﾐのばらつきは外部から供給される初期電r･で

９

はなく、これら電極八面llの弱八の統計的性質により決まり、その句ヽ布はWeibu11分布に従

う。この玉極八面の影響か支配的になるのはSF6ガスげ力が高く、実効的な電極面積(通常殼

犬心界の90‰以1この電界がかかる面積S9)で八す)が人きい場介であり、実験結果から

ＳＦ６ ガス圧力、j.･K極lfll積、‘j包極表面粗さの関数としてjjえられている(42)(44)。

 

絶縁酎力が非常に高く、すぐれた絶縁栓吐を示すSF6ガスではあるが、実用機器で仏領性

ある絶縁性能を確保する￨こで、このような電極表面による影響を極力なくし、安定した絶縁

栓吐を得ることが重要であるといえる。特に実際の高電圧機器では、破壊電圧のばらつきを

無くすこと、中でも初回の破壊電圧を高めることが、絶縁信頼性を高める士でもまた機器を

小型化するトでも服要となる。

 このような要求を満足させるための手段の一つとして、電極表面を絶縁物で被覆し破壊電

圧を向llさせようとする試みが、MacAlpinら(45)による研究以来、導電性異物の浮卜電界

を高め異物による破壊竹谷Iﾓの低下を抑制しようとする研究(46)バ55)とも相まって行なわれて

いる(56)尚77)。しかし、上記各々の報告はそれぞれ限られた電極系における電極被覆効果を

訓告したものであることから、実際の高電圧ガス絶縁機器に適用するには、被覆材料や被覆

厚さ等を決め、その効果を定量的に把握する上で十分とはいい難いのが実状である。例えば、

電極被覆材料についても各研究者により程々の材料が用いられている。代表的なものとして

は、ポリマーフィルム、ワニス、エポキシ、パラフィン、ポリエステル、酸化アルミニウム

などであり、被覆厚さも数μｍから数ｍｍの範囲まで調査されているが、それぞれ限られた

､馮灸条件での調秀である。用いられゐ電極形状も各研究者により、同賄円筒電極や平板電極、

球電極と異なる。このようなことから得られている被覆効果もやや毀なり、電極を被覆する

効果が大きく現れるとする報告、あるいは期待するほど破壊i戮Eの向上が顕著ではないとす

る報告などヽその結果も賢なっている。またヽ被覆電極でのSF6ガス中の破壊現象も明らか

になっているとはいい難い。

1 0

  

‘方、絶組物が電極と接触する構成、あるいは被覆した電極や絶縁物が他の令色組物と接触

する構成も、実際の高電圧機ぶでは避けられない構造である。例えば、ガス絶縁機器ではー

般にスペーサと呼ばれる固体貌組物による支持絶組物が用いられる。ガス絶縁システムにお

いてスペーサ沿海が絶縁llの最も弱点となることが多いことから、スペーサの前面破壊栓吐

は特に重要となり、スペーサ形状、電極との接触状態、表面状態などに関し数多くの研究恨

告がなされている。中でも、固体絶縁物と電極との接触状態との関係にっいて理論的な検討

力劾[Iえられ(78)べ82)、いわゆるトリプルジャンクションや絶組物と電極との接触角がＯとな

るような形状での電界集中についての議論がなされている。このような解析検討結果は、実

際のガス絶縁機器の絶縁構成を考えるうえでは非常に重要である。

 さらに、このような電極との接触状態が前面破壊電圧に及ぼす影響について実験的にも検

証が進められ、主にGISでのモデルスペーサを用いて電極との接触状態が破壊電圧に及ぼ

す影響について調査がなされている(83ト(86)。その結果、スペーサと電極との微小なギャッ

プから発生する部分放電が破壊に寄″jすることが報告されている。この微小ギャップに起囚

する沿面放電に対しては、不平等電界中の沿面放電特性として、電気学会技術報告にもまと

められており(87)(88)、SF6ガス中での支持絶縁物の信頼性を高めるうえで有効である。

 ところが、このような接触部における部分放電特首については、その現象が複雑なこと、

また、測定が難しいことなどの理由から、実際のガス絶縁機器で信和性ある設計をする上で

は重要であるにもかかわらず、調査研究が不1分であるといわざるを得ないの力勺こ状である。

さらに、部分放電開始から前面放電に至る過程についての詳細な検討についても不￨･分なと

ころが多く、GISはもとよりガス絶縁変圧器等SF6ガスと囚体絶縁物との複介絶縁構成をと

る機器を設計する上での有効なデータは少ない。

 このように、固体絶組物との複介絶縁構成を用いるSF6ガス絶縁機器において、その複合

絶縁現象を把捉することが機器の緑樹仏領性を高めるうえで非常に重要である。今後、さら

】 １

に機器を高電圧化・高ストレス化し、機ぷを小型化していくためには、SF6ガスと固体絶縁

物との複合絶縁現象を明らかにすることが収要な淮を振るものであるといえる。

｜.4

研究の目的

 ガス絶縁釦ﾄぷを始めガス絶縁閃閃装置などの高追川機器において、機ぶの高克江化、さ

らにはより 姻のコンパクト化に対する要求を満たすため、従来に比べより高ストレスで設

計する必要性に迫られている。また、275

kv-300

MVA

級の題高圧・人容量ガス絶縁変圧

器も出現しようとしている。このようなガス絶縁変圧器を始めとするSF6ガス絶縁機器の高

定圧化を実現するとともにさらに機器を小型・縮小化し、絶縁信頼性の向上を図っていくた

めにはヽSF6ガス肌体の絶縁抒改の把捉に加え、SF6ガス中での囚体絶組物との複介絶縁に

関する放電物理現象を基礎的に研究することがきわめて重要である。

 このような観点から、本研究では、例えばガス絶縁変圧器のように、電極が固体絶縁物で

被覆されている場合など、SF6ガスと囚俸給練物とから構成される種々の複合絶縁構成にお

ける放電現象について調酒手することを目的とする。

１．５

本論文の構成

本i論文は７章から構成されており、その概要は以下の通りである。

第

１

章では、本研究の目的、背景について述べ、また、従来の研究を概説した。

第２章ではご､=R極を絶縁物で被覆した時の雷インパルスl咆E破壊怜匹について調布し、

SF6 ガス申での電極被覆効果について論じる。

 

第３章では、複合絶縁系でしばしg鼎11題となる、絶織物と絶縁物が接触し、くさび状のガ

スギャップが形成される場合の部分放電特性について調査し、特に、交流部分放幄詩跨￨ﾓと、

インパルス部分放電特孵の相違について論じる。

 第４章では、くさび状ギャップが形成された場合の部分放'l鉉開始にっいて、零点を切る振

12

勣性インパルス玉川に判する部分放電特性を調査した。広川波形の振動川波数と波長率を妾

えて部分放定則始特性を求め／心荷の移動と拡散の関係からくさびギャップでの部分枚方開

始に及ぼす残留電荷と印加電圧の極性反転の影響にっいて論じる。

 第５やでは、くさび状ギャップを有する前面放電特性にっいて、絶縁物の種類を変えてイ

ンパルス部分放電開始及び前面進展特性を求め、部分放電による絶縁物への帯電とインパル

ス前面放電の関係について論じる。

 第６章では、ガス絶縁変圧器の静電シールド部分においてみられるような絶縁構成、すな

わち、第３章∼第５章で川いたくさび状ギャップの一部または全部に囚体絶縁物が充填さ

れている構造の複合絶縁にっいてその放電現象を論じる。

 第７章は本研究によって得られた結果をまとめて結論とした。

13

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受任で汲史

一犬−ふ収拶

︷ｇｇＳ

21

卵管俯

乙吻−ぶ出鮑

都営畜作例偕称

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第２章 SF6ガス中被覆電極におけるインパルス破壊挫けL

2.1まえｽﾞﾊﾟき

 

機器をよりい、そう縮小化し、従来に比べより高ストレスで設計する必要性に迫られてい

る。これには、より絶縁強度を高め、また、絶縁信頼性を向上させることが1重要である。

 SF6ガス絶縁機器において、機器の絶縁信頼性を高める‥-つの手段として、電極を絶縁物

で被覆することが知られている。特に、高電圧電極を被覆することにより破壊･rlひlﾓが高くな

ることが報告されている(1)(2)ﾛ)。電極の被覆奎丿果にっいては、被覆材料や被覆厚さにはほと

んど影響しないという報告もあり(1)(4)(5)、さらに、被覆電極では破壊1戮1;は電極表面の翻さ

にはほとんど依存しないという報告もある(1)。

 電極を被覆したときの破壊電圧の向上は特に負極性インパルス電圧を印加したときが顕著

である(2)(4)(6)。このことは、SF6ガス絶縁機器においては、通常負極性インパルス電圧の方

が正極性インパルス電圧より破壊電圧力t低いため、機６の絶縁耐力を高める上で非常に有力

な手段であることを示唆している。

 しかし一方で、破壊電月Eの向上は被覆材料により異なる(7)(8)、あるいは、被覆厚さの影響

は無視できない〔7〕(s)(9)、あゐいはまた、電極表面の粗さにより被覆により得られる破壊電圧

の上昇効果が異なる(lo)(11)という報告も認められる。

 この様な電極被覆効果に関する報告が異なる原因の‥-つとして、電極形状や被覆材料、被

覆厚さなどについて広範囲にわたって統一一的に取り扱った調査ﾌう９4充分なことが･-原因であ

ると思われる。例えば、電極丿胴犬が異なることにより電界分布が異なり、また、課電'￨｢li積が

異なることから被覆効果の相違も生じるものと思われる(12)。

 そこで、ここでは、SF6ガス中において高1戮j1E電極を被覆した場合のインパルス定圧に対

する被覆効果を、電界分布および謀電面積を広く変えて調査した結果をまとめた。さらに、

23

被覆材料や被覆する電極おfll'の松さを変瓦た場合の被覆効果や、繰り返し破壊特性、破壊痕

跡についても検訓'を加えた｡

2.2  1幻眺方法

 試験に川いだ･MS.構成をμ12.目こ小す。電極はすべてアルミニウム製である。電極形状は

(a)棒一平板、(♭)珪一字板、および(c)字板−｀ﾄﾞ板電極であり、球電極は電極】削積の影響

を調べるため、直径40､80.160

mm

の34j眩jの球電極を用いた。ギャップ艮ｇはすべて10

mm一定とした。

 被覆材料はエポキシ(EP)、テフロン＠(Du

Pont 社の登録商標、テトラフルオロエチレン

ーヘキサフルオロプロピレン其重合体、FEP)、ポリエステル(PET)、酸化アルミニウム

(A12o3)の4獅t釦である。各被覆材料の比誘電率ε、体積抵抗率ρ、被覆方法を･･覧表にし

て表2.口こﾝJiす。

 電極は試験用圧カタンク内に設置し、タンクは真空に引いた後、SF6ガスを0.4

MPaまで

封入した。

 印加電圧は正、負極性の標準雷インパルス電圧(1.2/50μs)である。

 各電圧は4を二'￨゛板電極に対しては60

kv より、球一一厚板および平板一平板電極では160

kvより10kvステップで、各ステップ1

1!!]ずつ破壊するまで日]加した。

 繰り返し破壊祚Mﾓを求めるため、一度破壊が生じた後約5分阻静1附し、再度上記と同じ方

法で電圧を印力UL、繰り返し20回の破壊電圧を求めた。破壊痕跡と絶縁破壊電圧の関係を検

討するため√裡電極の場合についても被覆電極の場合と同様、コンディショニングはせず、

弟一回11の破壊電Jﾌ￨ﾐから記録した。

 試験条件およびパラメータを表2.2にまとめて示す。球(半径80

mm)一平板電極について

は電極表面状態を粗くして被覆した場合についても試験を行った。

24

2.3 試験結果

２．３．１ 初回の破壊特‘改

 I匈厦iR電極を種々の材料で被覆したときの、SF6ガス申における初回のインパルス破壊電

jE聘教を、裸電極の場合と比較して図2.2にポす｡図には、棒-−ず板電極と球(直径RO

mm)一平板電極における初IIIIの破壊電圧の5個の平均仙を最大、ja小1111(と:共に示す､、

 (1)捧−゛￨゛板電極

 両極性どちらのインパルス電圧に対しても、電極を被覆することによる破壊?tひ￨での向上ほ

ほとんど認められず、裸電極の場合とほぼ同様である。

 (2)燎４平板電極

 球−5F板電極では、判←一平板電極の場合とは異なり、電極を被覆することにより、破壊j･包

圧は裸電極の場合に比べ約20％高くなる。さらに、裸ji登極の場合は破壊電圧伯のばらつき

が大きいが、被覆電極ではほとんど一定でばらつきが小さいことがわかる。さらに、被覆電

極では印加電圧極性による破壊電圧の差が認められず、今回試験に用いた4桐㈲の被覆材料

では材料による破壊電圧の差が顕著には認められないのが特徴である。

 エポキシについて、被覆厚さを20叫ｍまでの範囲で変化させ、負極性インパルス破壊電

圧を求めた結果を図2.3に示す。この被覆厚さの範囲では破壊匍不はほぼ‥定であり、被覆

厚さによる影響は認められない。

 直径80

mm以外の球電極についても、裸電極及びエポキシ、FEPで被覆(共に厚さ25μm)

した場合にっいて負極性インパルス破壊電圧を求めた。その結果を図2.4に示す。図2.4

には、棒一平板及び平板一平板電極の場合の結果についても示した。電極直径が大きくなる

ほど、裸電極での破壊電圧より被覆電極での破壊電圧がI穴;くなる割合が大きくなることが特

徴である。

25

２．３．２ 繰り返し破壊特･j生

 以ｈに述べたように/｣[t極を被覆することは初Illlの破壊電圧を高め、破壊電圧仙のばらつ

きを小さくする効果があることが明らかとなった。そこで、被覆電極での繰り返し破壊幹吽

について調査した。

 球(illl顎80mm)一一で板‘･包極により繰り返しインパルス破壊tl素雅を調査した結果の一例

を図2.5 に示す。￨ﾇ12.5より次のことが言える。

 (1)負極性インパルス地IF(高電圧電極を被覆した場合)

 被覆電極では破壊回数(Ｎ)が５同位までは破装4i汪が低下する。Ｎに対する破壊電圧の低

下の掻r･は被覆材料により異なる。即ち、FEPでは急激に低ﾄ'し、エポキシでは徐々に低下

する。Ｎが６以上になると、被覆電極では破壊笥=1ﾓはほぼ一定となり、Ｎが20まで破壊電

圧は低下しない。この仙はコンディショニング後の裸堆極での偵よりやや高い。

 (2卜正極性インパルス届･￨ﾐ(高地玉電極を被覆した場合)

 正極性インパルス這圧を印加したときは負極性インパルス電圧を印加した場合とは異なり、

被覆電極では破壊地･￨ではＮに対し‥一定であり、コンディショニング後の裸電極での値より低

い。言い換えると、Ｎ＝｜(初回の破壊)では、被覆電極では裸電極の場合より破壊電圧が高

いが、繰り返し破壊後は逆に被1髪電極のほうが裸電極より破壊電圧は低くなる。

 上述したように、繰り返し破壊哨ｔは印加したインパルス電圧の極性により異なる。被覆

効果を明らかにするため、接地電極である平板電極も被覆した場合について、正及び負極性

インパルス匍Ｆによる繰り返し破壊電圧怜l生を求めた。その結果の･一一･例を図2.6に示す。

 (3)負極性インパルス電JIE(Illd電極を被覆した場合)

 図2.5(a)と2.6(a)を比較すると、Ｎが1∼5の範囲で破壊肋￨ﾓは平板電極が観の場合と￨司

じように減少することがわかる。Ｎが６以上では破壊電圧は接地平板電極を被覆した場合

のほうが高い。ただし、接地電極を被覆することによる破壊丿−iJ]上の効果は小さい。

26

 

(4)正極性インパルス1伯￨ﾐ(IIll電極を被覆した場合)

 jlld電極を被覆してTIE極性インパルス'i也lﾐを印加すると、接地平板電極が裸の場合に比べ破

壊電圧は大きく向上する。さらに、Ｎの変化に対する繰り返し破壊池IE4跨1ﾓは、負極性イン

パルス電JIFを印加した場合の粋MEと同じになる。Ｎが６以上ではヽ1゛均破壊定圧はコンディ

ショニング後の裸電極での平均破壊iEEとほぼ等しいがぱらつきは大きい。

 このように高電11E電極を被覆することは、負極性インパルス電圧を高める効果があり√両

電極を被覆することにより'IE極性インパルス電圧を高める効果があることがlj]らかとなった。

２．４ 検討

２．４．１ 初回の破壊における面積効果

 

卜述の調を結果により、電極を被覆することによる初回の破壊電圧を高める効果は、電極

の人きさに依存することが明らかとなった。そこで、高窓圧側の電極面積と破壊ストレスの

関係を整理することにより、電極被覆効果を見直すことにする。

 SF6ガスの破壊はギャップ中で一つの電子雪崩がある･･定の人きさに述するとストリーマ

に転移し、破壊に至ると考えて、理論的に破壊電圧は次式で与えられる(13)。

Ea二89j）（1十 0.175 V蒔 ） _{(ｋｖ／ｍｍ)} (2.1)

 

ここで、Ｐはガス圧力(MPa)、Rは電極上の最大電界を与える点での万｡いに直行する2方

向の曲率不丿予の訓拝目聡径(ｍｍ)である。

 上式は比較的小さな電柚え系では成婉するが、実用的な大きな電極ではSF6ガスの特性のほ

かに電極表面状態の影響を受け、実験値は理論的に９えられる値より小さくなることが指摘

されている(14)(15)。この影響は電極表面11の微小突起などの弱点の統計的肘市￨ﾓにより決定さ

れ、面積効果としてまとめられている。

 このような面積効果を有する裸電極での破壊悍匪と被覆電極での破壊特性の関係を明らか

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にするため、抜l昿心極における面積効果についてまとめた｡  実際の機おにおいては初IIIIの破壊j一山王が暇要であることから、初回の破壊電丿上で向栢効果 を考えた。このような観点から、珍･収極にっいても50％破壊?以￨ﾓと共に初￨目￨の破壊j･tむ￨ﾐを ､ｉ論の対象とした。被覆‘､包極では、負極性インパルスjl犯lﾓ￨;1｣加により得られたf兆験j4lj果を まとめた､バa緬面積としては、?1￡界の弛さが最大電界の90嘔を越えるltt界を有する部分の 面積SQyl(実効j.登極面積)をJljいた。各電極構成のSgsは表２．２にぶす。破壊ii包界強度は、 初回の破壊電圧の平均値から求めたもので、(2.1)式から求められる理論値Ejに対する低 ﾄ'の割合E/Edで示す。  この結果を図２．７に示す。また、図には今II!｣の実盾灸データと共に、過去においてｲ可大かの 研究者らにより報告されている同じJI￣力での裸電極でのデータも同時に示した(1如en(lsn。  図2.7より、炭電極では、実効電極面積が大きくなるにっれ、破壊電界ｶ91励偵より低下 する面積効果ｶ911れることがわかる。ここで、実験1に用いた電極構成の中で、典型的な例と して、4泰一一平板電極と球(直径8omm)一平板電極でのil界強度の分布を図2.8に示す。不 ｀ﾄﾞ等係数f(=Emax/(V/g))は、棒−ヽ￨゛板t包極では3.6、球(直径８０ｍｍ)−９板電極では ￨｡2である。  ￨ﾇ12.8より、射Ｆ−甲板電極では不平勿s係数力゛高く、棒電極先端部のストレスカ1高くかつ高 いストレスがかかｰっている‘la禰表面積は小さいことがわかる。ところが、球=･14仮電極では、 破壊に関与する実効電極面積Sgsが大きく、裸電極では面積効果ﾌう旬1れ、棒一平板電極と 比･咬して、破壊ストレスカ別氏くなる。  ‥･力、被覆‘1拓極では、￨ﾇ12.7に示すように、面積が大きくなっても破壊電圧の低下は見ら れず、(2.D式より計算した珂｡論仙とIEI等しい値を示していることがわかる。言い換える とヽ電極を被T厦することにより、揉電極での面積効果を無くしているともいえる。このこと はヽ粗lni電極を被覆した場合の破壊ltむIFが鏡￨図U極を被覆した場合の値と等しくなり、電極 28 ｜ ｜

表面籾さの1咳響が見られなくなることからも裏付けられる。このようなことから、‘､訓耐IIな成

の迫いによる電界分布の相違や、電極=表Irll上の1汲小突起と面積効果の1

､系が、電極被覆効果

に関与する一つの要囚であると考えることができる。

 以上のようなことから、電極面積が大きい実際の絶縁機器では、電極を被寵jすることによ

る絶縁財力向上の効果が大きいことが予想される。

２．４．２ 破壊痕跡

 

被覆電極における繰り返し破壊粉丿俘の被覆材料による違いは、放IR痕跡の敢らばりや被Ｓ

材料の損傷具合の相違にも現れている。

 一例として、2olり]の破壊後の球電極表面(直径8omm)の様子を拡大して図2.9ぺgl

2.11

に示す。裸電極の場合、正、負両極性の放電痕跡は一一つ一つの痕跡の形態は異なるが、破壊

回数と等しい数の放電痕跡ｶりμIEすると共に、電界強度の最も高い中心部の回り判予10∼

14mmの範囲に存在している。

 ところが、エポキシ被覆では、図2.10に示すように、中央部分､判苓約２ｍｍの範囲に数

箇所被覆が破れ、アルミニウム電極の素地が現れていると共に、被覆表面が損傷を受け、数

1叫ｍのくぼみが生じている部分が2∼3例存在する。さらに拡大して、これらの損傷を観

察すると、被覆が破れ電極素地が臓れている部分に複数個の放電痕跡ｶt存在し、また、くぼ

みが生じている部分も、アルミニウム電極素地が現れていることが確認できる。このように

大きく被覆表面が損傷を受けても、負極性インパルス電圧印加では、破壊電圧は裸電極での

値より高く維持されている。なお、正極性インパルス電圧印加では、放電痕跡の散らぱりの

範囲は半径釣４ｍｍの範囲となり、負極性インパルスの場合に比べ広くなる。

 これに比較して、FEPで被覆した場合の負極性インパルス電圧印加では、図2.H-(a)に

示すように、放電痕跡は最大電界部分の一ケ所に集中している。ところが、正極性インパル

ス電圧印加では様相が異なり、図2.11-(b)に示すように放電痕跡は繰り返し破壊回数だけ

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