ガス絶縁開閉器
【課題】地球温暖化への影響が小さく、かつ優れた性能と品質を有し、かつ安全性の高いガス絶縁開閉器を提供する。
【解決手段】消弧性ガスで充たされた密閉容器１内に電気接点を配置し、通電時には電気接点を接触状態に保つことで通電を行ない、電流遮断時には電気接点を解離させて消弧性ガス中にアーク放電を発生させ、そのアーク８を消弧することで電流を遮断せしめるよう構成されたガス絶縁開閉器である。消弧性ガスの主成分はＣＨ４ガスである。または、消弧性ガスが、Ｎ２ガスとＣＨ４ガスを主成分とする混合ガスであって、ＣＨ４ガスを３０％以上含む混合ガスである。または、消弧性ガスが、ＣＯ２ガスとＣＨ４ガスを主成分とする混合ガスであって、ＣＨ４ガスを５％以上含む混合ガスである。
【解決手段】消弧性ガスで充たされた密閉容器１内に電気接点を配置し、通電時には電気接点を接触状態に保つことで通電を行ない、電流遮断時には電気接点を解離させて消弧性ガス中にアーク放電を発生させ、そのアーク８を消弧することで電流を遮断せしめるよう構成されたガス絶縁開閉器である。消弧性ガスの主成分はＣＨ４ガスである。または、消弧性ガスが、Ｎ２ガスとＣＨ４ガスを主成分とする混合ガスであって、ＣＨ４ガスを３０％以上含む混合ガスである。または、消弧性ガスが、ＣＯ２ガスとＣＨ４ガスを主成分とする混合ガスであって、ＣＨ４ガスを５％以上含む混合ガスである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はガス絶縁開閉器に関し、特に、温室効果ガスの使用を抑制したガス絶縁開閉器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電流遮断機能を有する開閉器には、その使用目的、必要とされる機能に応じて、負荷開閉器、断路器、遮断器など様々なものが存在する。その多くはガス中に機械的に開閉可能な電気接点を配置し、通電時には両者を接触状態に保つことで通電を行ない、電流遮断時には電気接点を解離させて前記ガス中にアーク放電を発生させ、そのアークを消弧することで電流を遮断する方式のものである。
【０００３】
近年、より高い電流遮断性能を得るために、ピストンによる機械的な圧縮だけでなく、アークの熱エネルギーをパッファ室内に積極的にとりこむことで、より高い吹付け圧力を得る方式が提案されている。たとえば、遮断動作の初期に、可動側熱ガス流を中空ロッドに設けた穴を通じてパッファ室内へ取り込む方式が提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
あるいは、パッファ室を軸方向に２分割し、アークに近い方のパッファ室の容積を限定することで、特に大電流遮断時にアークへの高い吹付け圧力を獲得し、なおかつパッファ室の分割部に逆止弁を設けることでピストンに直接高い圧力が作用するのを避け、可動接触部を駆動する力を低減する方式などが提案されている（特許文献２参照）。
【０００５】
近年普及している開閉器においては、前記消弧性ガスとして、ＳＦ６ガス、あるいは空気が使用されることが多い。ＳＦ６ガスは、アークを消滅させる性能（消弧性能）、および電気絶縁性能に優れており、特に高電圧用の開閉器においては広く使用されている。また、空気はコストが安いこと、安全で環境にも優しいことから、特に小形の開閉器において使用されることが多い。
【０００６】
ところで、ＳＦ６ガスは特に高電圧用の開閉器において非常に適したガスといえるが、高い地球温暖化作用を有することが知られており、近年その使用量の削減が望まれている。地球温暖化作用の大きさは一般に地球温暖化係数、すなわちＣＯ２ガスを１とした場合の相対値により表わされ、ＳＦ６ガスの地球温暖化係数は２３，９００に及ぶことが知られている。また、空気は安全性や環境保全の面では優れているが、その消弧性能および電気絶縁性能はＳＦ６ガスよりも大幅に劣るため、高電圧用の開閉器に広く適用するのは困難であり、低から中電圧への適用に限られると考えられている。
【０００７】
上記の背景で、開閉器における消弧性ガスとしてＣＯ２ガスを適用することが提案されている（非特許文献１参照）。ＣＯ２ガスは地球温暖化作用がＳＦ６ガスに比べて非常に小さいため、ＣＯ２ガスをＳＦ６ガスの代わりに開閉器に適用することで、地球温暖化への影響を大幅に抑制することが可能である。また、ＣＯ２ガスの消弧性能および電気絶縁性能はＳＦ６ガスに比べると劣るものの、空気に比べると消弧性能ははるかに優れ、また絶縁性能も同等かそれ以上であることが知られている。したがって、ＣＯ２ガスをＳＦ６ガスあるいは空気の代わりに適用することで、概ね良好な性能を有し、かつ地球温暖化への影響を抑制した環境に優しい開閉器を提供することが可能である。
【０００８】
また、ＣＯ２ガス以外にも、上記と同じ理由により、開閉器の消弧性ガスとしてＣＦ４ガスなどのパーフルオロカーボン、ＣＨ２Ｆ２ガスなどのハイドロフルオロカーボンを適用すること（非特許文献２）、ＣＦ３Ｉガスを適用すること（特許文献３）が提案されている。これらのガスもＳＦ６ガスに比べると地球温暖化への影響が小さく、比較的高い消弧性能、および絶縁性能を有するため、開閉器の環境負荷低減に有効であるとされている。
【０００９】
さらに、上記のようなＣ元素を含むガスを開閉器に適用する場合、Ｏ２ガス、Ｈ２ガスを適量混合させることにより、電流遮断時に発生する遊離カーボンの生成量を抑制し、遊離カーボン生成による電気的な品質低下を防止する方策が提案されている（特許文献４）。
【特許文献１】特公平７−１０９７４４号公報
【特許文献２】特公平７−９７４６６号公報
【特許文献３】特開２０００−１６４０４０号公報
【特許文献４】特開２００７−２５８１３７号公報
【非特許文献１】内井、河野、中本、溝口、「消弧媒体としてのＣＯ２ガスの基礎特性と実規模モデル遮断器による熱的遮断性能の検証」、電気学会論文Ｂ、１２４巻、３号、ｐｐ．４６９〜４７５、２００４年
【非特許文献２】「ＳＦ６の地球環境負荷とＳＦ６混合・代替ガス絶縁」、電気学会技術報告８４１号、２００１年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
以上のように、ＣＯ２ガス、パーフルオロカーボン、ハイドロフルオロカーボン、ＣＦ３Ｉガスを開閉器の電気絶縁媒体、消弧媒体として適用し、従来のＳＦ６ガスを利用した開閉器に比べて地球温暖化への影響を低減し、なおかつ、概ね良好な性能を有する開閉器を提供することが提案されている。
【００１１】
しかしながら、その場合に以下の４点の重大な課題があった。
【００１２】
まず、一つ目の課題として、上記のガスはいずれもＣ元素を含むため、これらのガスを開閉器に適用した場合、電流遮断時に発生する高温のアークによりガスが解離、再結合する過程において、遊離したカーボンが発生する課題があった。
【００１３】
電流遮断にともなって発生したカーボンが、たとえば絶縁スペーサなどの固体絶縁物の表面に付着した場合、同部の電気絶縁性を著しく劣化させる恐れがあり、開閉器の品質が損なわれる懸念があった。
【００１４】
さらに、上記のガスをパッファ形ガス遮断器に適用し、かつ、遮断性能を向上させるために、パッファ室の圧力上昇手段としてアークの熱エネルギーを積極的に利用するよう構成した場合、従来のピストンによる機械的圧縮を主体としたガス遮断器に比べ、ガスの温度は必然的に高くなる。ガスの温度が高くなると、具体的には約３０００Ｋ以上にまでガスの温度が高くなると、ガス分子の解離が顕著に進行し、カーボンが生成されやすくなる。したがって、当該ガスをパッファ形ガス遮断器に適用し、なおかつアークの熱エネルギーを積極的に利用して高いパッファ室圧力を得ようとすると、それだけカーボンが生成されやすくなり、品質が損なわれる懸念があった。
【００１５】
これを回避するためには、カーボンが発生しないようにアークの熱エネルギーの利用を制限する必要があるため、結果的に小さい遮断電流の適用に限るか、もしくは大電流遮断に必要な吹付け圧力上昇を機械的な圧縮主体で行なうこととなり、大形で高コストな開閉器となる傾向にあった。
【００１６】
二つ目の課題として、上記に挙げたガスのうちパーフルオロカーボン、ハイドロフルオロカーボン、ＣＦ３Ｉガスは、地球温暖化係数はＳＦ６よりは低いものの、ＳＦ６ガス同様に天然には存在しない人工ガスであるため、これらが開閉器に適用され大量に生産されるようになると、それだけ地球上に新たに温暖化ガスを生み出すこととなり、必ずしも環境に優しいとはいえなかった。
【００１７】
三つ目の課題として、ＣＦ３Ｉガス、およびパーフルオロカーボン、ハイドロフルオロカーボンに属する大部分のガスは、分子構造が複雑であるため、一旦アークで分子が解離されると、再結合過程において別の分子になる可能性が高かった。遮断する電流値やガスの条件にもよるが、たとえば、ＣＦ３Ｉガスは一旦アークで解離されると、Ｉ２とＣ２Ｆ６等に再結合されたり、Ｃ２Ｆ６ガスは同様にさらに分子構造が簡単なＣＦ４などに変化してゆく可能性があった。このため、これらのガスを開閉器に適用した場合、電流を遮断するたびにガスの組成が変化してゆき、当初期待していた性能が徐々に得られなくなる可能性があった。
【００１８】
四つ目の課題は、ＣＯ２とＯ２、もしくはＣＯ２とＨ２の混合ガスに係わるものである。これらのガスについては、全て自然由来のガスであり、真に環境に優しいといえる。また、既に特許文献４にて提案されているように、Ｏ２およびＨ２を適量混合させることにより、ＣＯ２を使用しながらも一つ目の課題として挙げた電流遮断後の遊離カーボンの生成をある程度抑制することができる。
【００１９】
しかしながら、Ｏ２ガスは有機材料や金属の劣化を促進する代表的な物質であるため、特に通電により高温環境に曝されている金属導体部分や、ゴムパッキン、絶縁物、潤滑グリスなどの有機物の劣化を著しく促進させ、結果として機器寿命が短縮されたり、機器の保守点検回数が増えるなどの課題があった。特に絶縁ノズルは、数万度にも達するアークに曝されるため、支燃性を有するＯ２ガスの濃度が高くなるにつれて損傷が激しくなり、電流値やガス圧力などが高い場合には燃焼してしまう可能性もあった。
【００２０】
また、ＣＯ２とＨ２の混合ガスは、安全性、電気絶縁性、気密性の点で課題があった。Ｈ２ガスは可燃性ガスの中でも燃焼速度が極めて速いガスであり、空気中での爆発範囲は４〜７５％と極めて広く、万が一にでも機器運用時やガスハンドリング時に漏洩した場合、爆発を引き起こす危険性が高かった。また、Ｈ２ガスは電流遮断性能には優れるものの、絶縁性能はきわめて低く、ＣＯ２ガスの１割程度以下の性能である。このため、Ｈ２を混合させると絶縁性能を十分に確保させるために絶縁ギャップ長を増やす必要があり、このため機器の大形化を招いていた。またＨ２ガスは分子が小さいため、気密性を確保することが難しく、機密性を確保させるためにガスパッキンを２重化するなどの工夫が必要であった。
【００２１】
本発明は、上記の課題を全て解消し、地球温暖化への影響が小さく、かつ優れた性能と品質を有し、かつ安全性の高いガス絶縁開閉器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記目的を達成するために、本発明の係るガス絶縁開閉器の一つの態様は、消弧性ガスで充たされた密閉容器内に少なくとも１対の電気接点を配置し、通電時には前記電気接点を接触状態に保つことで通電を行ない、電流遮断時には前記電気接点を解離させて前記消弧性ガス中にアーク放電を発生させ、そのアークを消弧することで電流を遮断せしめるよう構成されたガス絶縁開閉器において、前記消弧性ガスの主成分がＣＨ４ガスであることを特徴とする。
【００２３】
また、本発明の係るガス絶縁開閉器のたの一つの態様は、消弧性ガスで充たされた密閉容器内に少なくとも１対の電気接点を配置し、通電時には前記電気接点を接触状態に保つことで通電を行ない、電流遮断時には前記電気接点を解離させて前記消弧性ガス中にアーク放電を発生させ、そのアークを消弧することで電流を遮断せしめるよう構成されたガス絶縁開閉器において、前記消弧性ガスが、Ｎ２ガスとＣＨ４ガスを主成分とする混合ガスであって、ＣＨ４ガスを３０％以上含むことを特徴とする。
【００２４】
また、本発明の係るガス絶縁開閉器のたの一つの態様は、消弧性ガスで充たされた密閉容器内に少なくとも１対の電気接点を配置し、通電時には前記電気接点を接触状態に保つことで通電を行ない、電流遮断時には前記電気接点を解離させて前記消弧性ガス中にアーク放電を発生させ、そのアークを消弧することで電流を遮断せしめるよう構成されたガス絶縁開閉器において、前記消弧性ガスが、ＣＯ２ガスとＣＨ４ガスを主成分とする混合ガスであって、ＣＨ４ガスを５％以上含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、地球温暖化への影響が小さく、かつ優れた性能と品質を有し、かつ安全性の高いガス絶縁開閉器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
次に、図面を参照しながら本発明に係るガス絶縁開閉器の実施形態を説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。
【００２７】
［第１の実施形態］
図１は、本発明に係るガス絶縁開閉器の第１の実施形態の要部縦断面図であって、遮断動作途中の状態を示している。このガス絶縁開閉器は、たとえば７２ｋＶ以上の高電圧送電系統の保護用開閉器であって、パッファ形ガス遮断器である。図１に示す各部品は基本的に、図1の左右方向に延びる中心軸（図示せず）の周りに軸対称な同軸円筒形状である。
【００２８】
図１に示すように、接地された金属あるいは碍子等からなる密閉容器１内には、消弧性ガス３１ａとしてＣＨ４ガスが充填されている。ここで使用するＣＨ４ガスは、好ましくは、大気中より回収したもの、もしくは有機性廃棄物処理過程などで発生し成り行きでは大気放出されるものを回収、精製したものを利用する。
【００２９】
密閉容器１内には固定接触部２１および可動接触部２２が対向して配置されており、固定接触部２１および可動接触部２２にはそれぞれ固定アーク接触子７ａおよび可動アーク接触子７ｂが設けられている。これら固定アーク接触子７ａおよび可動アーク接触子７ｂは通常運転時では接触導通状態にあり、遮断動作時は軸方向相対移動により開離すると共に固定アーク接触子７ａと可動アーク接触子７ｂの間の空間にアーク８を発生させるようになっている。固定アーク接触子７ａおよび可動アーク接触子７ｂは、アークに対する溶損が少なく、かつ機械的強度も高い材料、たとえば銅タングステン合金を用いるのが好ましい。
【００３０】
可動接触部２２側にはアーク８に対し消弧性ガス３１ａであるＣＨ４ガスをガス流にして吹き付けるガス流発生手段が設置されている。ガス流発生手段としては、ここではピストン３、シリンダ４、パッファ室５、絶縁ノズル６が設けられている。また、固定接触部２１側には固定側熱ガス流１１ａが通過可能な金属製の排気筒９が取付けられている。可動接触部２２側には可動側熱ガス流１１ｂが通過可能な中空ロッド１２が可動アーク接触子７ｂに連なって設けられている。
【００３１】
接触子部など運転時に高電圧が印加される部分は、固体絶縁物２３により絶縁性を確保しつつ機械的に支持される。固体絶縁物２３は、たとえばシリカなどの充填物を配合したエポキシ系材料が使用される。なお、消弧性ガスとしてＳＦ６ガスを使用する従来の技術では、アーク遮断過程によりＨＦなどの分解ガスが発生し、シリカがＨＦガスに侵されて特性が劣化する恐れがあるため、通常アルミナ充填材料を使用することが多い。これに対して本実施形態では、シリカなどの充填物を配合したエポキシ系材料を用いることができる。
【００３２】
以上の構成を有するガス遮断器の遮断過程において、可動接触部２２が図の左方向に動作すると、固定されているピストン３がシリンダ４の内部空間であるパッファ室５を圧縮してパッファ室５内の圧力を上昇させる。そして、パッファ室５内に存在する消弧性ガス３１ａが高圧力のガス流となってノズル６に導かれ、固定アーク接触子７ａと可動アーク接触子７ｂの間に発生したアーク８に対して強力に吹き付けられる。これにより、固定アーク接触子７ａと可動アーク接触子７ｂの間に発生した導電性のアーク８は消滅し電流は遮断される。一般的に、パッファ室５内の圧力が高いほど、消弧性ガス３１ａが強力にアーク８へと吹き付けられるため、より高い電流遮断性能が得られることが知られている。
【００３３】
なお、高温のアーク８に吹き付けられた消弧性ガス３１ａは高温状態となり、固定側熱ガス流１１ａおよび可動側熱ガス流１１ｂとして両アーク接触子間の空間より遠ざかるように流れ、最終的には密閉容器１内へ放散される。また、シリンダ４とピストン３の隙間などの摺動部分には、摩擦を低減するために図示しないグリスが塗布されることが多い。
【００３４】
パッファ室５の圧力上昇は、ピストン３による機械的圧縮だけでなく、アーク８からの熱エネルギーを積極的にパッファ室５内に取り込むことによりもたらされるように構成する。この実施形態では、図１に示すように、ガイド３２により、中空ロッド１２を流れる可動側熱ガス流１１ｂが連通穴３３を通ってパッファ室５内に取り込まれ、同部の圧力上昇に寄与するよう構成されている。
【００３５】
ここで、消弧性ガスとして従来のＳＦ６ガスに代えてＣＨ４ガスを用いることの利点について説明する。ＣＨ４ガスの地球温暖化係数は２１といわれており、従来開閉器の絶縁・消弧媒体として広く使用されているＳＦ６ガスが２３，９００であることに比べると、地球環境に及ぼす影響は極めて小さい。また、ＳＦ６ガスや、その代替媒体として提案されているパーフルオロカーボン、ハイドロフルオロカーボン、ＣＦ３Ｉガスなどとは異なり、天然に存在する自然由来のガスなので、人工的な環境被害を生み出す可能性はほとんどない。さらに、ここで使用するＣＨ４ガスは、そもそも大気中より回収、もしくは本来は大気中に放出されていたものを回収して使用したものなので、本目的としてＣＨ４ガスを使用しても、地球上に新たにＣＨ４ガスを生み出しているわけではない。したがって、開閉器の絶縁・消弧媒体としてＣＨ４ガスを使用することで環境におよぼす影響を極めて小さくすることができる。
【００３６】
図２は、ＣＨ４ガス、ＣＯ２ガス、ＣＯ２＋ＣＨ４混合ガス、ＣＯ２＋Ｏ２混合ガス中でアークを発生した場合における遊離カーボンの生成量解析値を示すグラフである。図２に示すように、電流遮断後に発生する遊離カーボン量は従来ＳＦ６ガスの代替媒体として提案されているＣＯ２ガス（図２のＯ２もしくはＣＨ４含有率が０％の値）に比べて、ＣＨ４ガスを使用した場合（同じくＣＨ４含有率が１００％の値）の方がはるかに少ない。これはアーク部で一旦解離し再結合する過程において、ＣとＯとの反応性よりも、ＣとＨとの反応性の方が高いからだと考えられる。したがって、ＣＨ４ガスを使用することで、たとえば絶縁スペーサなどの固体絶縁物の表面にカーボンが付着するなどして電気的特性が劣化する危険性は激減される。
【００３７】
また、これにより、カーボンが発生しないようにパッファ室圧力上昇に対するアーク熱の利用度を制限する必要が無くなる、もしくは緩和されるため、小形でかつ大電流が遮断可能な開閉器を提供することができる。
【００３８】
ガス自身の性能としてもＣＨ４ガスはＣＯ２よりも優れている。図３は、ＣＨ４ガス、ＣＯ２ガス、Ｎ２ガス、ＣＯ２＋ＣＨ４混合ガス、Ｎ２＋ＣＨ４混合ガスのアーク消弧性能を示すグラフである。また、図４は、ＣＨ４ガス、ＣＯ２ガス、Ｎ２ガス、ＣＯ２＋ＣＨ４混合ガス、Ｎ２＋ＣＨ４混合ガスの絶縁耐力を示すグラフである。図３および図４に示すとおり、ＣＨ４ガスの消弧性能、絶縁性能は、ＣＯ２ガスと比べてそれぞれ約２倍、約１．２倍と高い性能を有している。
【００３９】
従来、１対の電気接点、すなわち１遮断点のみで十分な遮断性能が出せない場合は、電気接点を２対直列に接続して性能を確保することがあるが、本実施形態によれば、ＣＨ４ガスの優れた特性により、１遮断点のみでも高い遮断性能が得られるため、小形かつ低コストの開閉器を提供することができる。
【００４０】
ＣＨ４はＣとＨから構成されるガスの中では最も低位な、すなわち簡単な分子構造であるため、パーフルオロカーボン、ハイドロフルオロカーボンに属するガス、ＣＦ３Ｉガスのような複雑な分子構造のガスとは異なり、一旦アークで分子が解離され再結合する過程においても別の分子構造に変化する可能性はほとんど無く、たとえ多数回電流を遮断しても、機器特性が変化するような事態は起こらず、安定した品質を長期にわたり維持することができる。
【００４１】
ＣＨ４ガスは可燃性を有する、すなわち酸素Ｏ２と化合して熱量を発生させるが、本実施形態では密閉した空間内で使用されているため、酸素と反応する機会は全く無く、安全上特に問題は生じない。
【００４２】
接触子部など運転時に高電圧が印加される部分は、固体絶縁物２３により絶縁性を確保しつつ機械的に支持される。従来のＳＦ６ガスを使用した開閉器においては、アーク遮断過程においてＨＦなどの分解ガスが発生するため、通常アルミナ充填材料を使用することが一般的であった。本実施形態においてはＣＨ４を消弧性ガスとして使用しているため、基本的にＨＦが発生することはなく、そのため、アルミナ配合絶縁物に比べて低誘電率で機械的強度も高く、また重量も軽いシリカ配合の絶縁物を使用することが可能である。これにより、さらに小形で信頼性の高い開閉器を実現することができる。
【００４３】
以上説明したように、本実施形態によれば、地球温暖化への影響が小さく、かつ優れた性能と品質を有し、小形、低コスト、かつ安全性の高いガス絶縁開閉器を提供することが可能となる。
【００４４】
［第２の実施形態］
図５は、本発明に係るガス絶縁開閉器の第２の実施形態の要部縦断面図であって、遮断動作途中の状態を示している。基本的な構成は図１に示した第１の実施形態と同じであるが、下記の点に相違がある。
【００４５】
第２の実施形態では、密閉容器１内に封入する消弧性ガス３１ｂとして、ＣＯ２ガスとＣＨ４ガスの混合ガスであってＣＨ４ガスを５％以上含むものを採用する。ここでは具体的にＣＯ２（７０％）＋ＣＨ４（３０％）の混合ガスを例にとって説明する。
【００４６】
ここで使用されるＣＯ２ガスとＣＨ４ガスは、大気中より回収したもの、もしくは発電過程、他の化学工業製品等の製造過程、あるいは有機性廃棄物処理過程などで発生し成り行きでは大気放出されるもの等を回収、精製したものを利用するのが好ましい。
【００４７】
密閉容器１には内部点検用の蓋３６が設けられており、締付ボルト３７で密封されている。蓋３６の接合部にはパッキン３８を設け、内部に充填された消弧性ガス３１ｂの気密性を保持する。パッキン３８には、たとえば、二トリルゴム、フッ素ゴム、シリコーンゴム、アクリルゴム、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、ブチルゴム、ウレタンゴム、ハイパロン、ＥＶＡ樹脂のいずれかを使用する。
【００４８】
前記固定アーク接触子７ａおよび可動アーク接触子７ｂを解離動作する際に摺動する面、具体的にはたとえばシリンダ４の外周面には、摩擦を低減するために潤滑性のグリス３９を塗布する。このグリスにはシリコーングリスを用いる。
【００４９】
接触通電を行なわない金属表面の少なくとも一部、具体的にはたとえば固定接触部２１と可動接触部２２の外周面、および排気筒９の内面には、燐酸処理皮膜、アルミナ皮膜、フッ素系コーティング、塗装などの表面処理皮膜４０を施す。
【００５０】
密閉容器１内には、水分を優先的に吸収可能な吸着剤３４を配置する。吸着剤３４はケース３５により密閉容器１内に保持される。
【００５１】
密閉容器１内にＣＯガスもしくはＯ３ガスの検出手段を設ける。具体的には、密閉容器１内にＣＯガスもしくはＯ３ガスを検出可能なセンサ５１を設置し、その情報を分析装置５２において読み取るよう構成する。あるいは、密閉容器１内のガスを少量だけサンプリング容器５３に採取可能なように構成し、その採取ガスにおけるＣＯガスおよびガスの含有量を別途分析装置により分析することでも良い。
【００５２】
密閉容器１の外部、特にパッキン３８により密閉している部分の周辺に、ＣＨ４ガスを検知し、検知した場合は何らかの手段でその情報を知らせる警報装置４１を配置する。
【００５３】
ここで、消弧性ガス３１ｂとして、ＣＯ２ガスとＣＨ４ガスの混合ガスであってＣＨ４ガスを５％以上含むものを用いることの利点について説明する。
【００５４】
ＣＯ２ガス、ＣＨ４ガスの地球温暖化係数はそれぞれ１および２１といわれており、従来開閉器の絶縁・消弧媒体として広く使用されているＳＦ６ガスが２３，９００であることに比べると、地球環境に及ぼす影響は極めて小さい。また、ＳＦ６ガスや、その代替媒体として提案されているパーフルオロカーボン、ハイドロフルオロカーボン、ＣＦ３Ｉガスなどとは異なり、天然に存在する自然由来のガスなので、人工的な環境被害を生み出す可能性はほとんどない。さらに、ここで使用するＣＯ２ガス、ＣＨ４ガスは、そもそも大気中より回収、もしくは本来は大気中に放出されていたものを回収して使用したものなので、本目的としてＣＯ２ガス、ＣＨ４ガスを使用しても、地球上に新たにこれらのガスを生み出していることにはならない。したがって、開閉器の絶縁・消弧媒体としてＣＯ２ガスとＣＨ４ガスの混合ガスを使用することで、環境におよぼす影響を極めて小さくすることができる。
【００５５】
ＣＯ２ガスにＣＨ４ガスを混合させることで、カーボン生成の発生量を大幅に抑制することができる。図２に示すように、ＣＨ４を５％混入することで、純粋ＣＯ２ガスを適用した場合に比べカーボンの生成量は略半分にまで減少し、十分実効的な効果が得られる。本実施形態の例のように、ＣＨ４を３０％まで混合させれば、カーボン発生量を１割程度まで抑制させることができ、カーボン生成に伴う品質低下を防止することができる。
【００５６】
また、これにより、カーボンが発生しないようにパッファ室圧力上昇に対するアーク熱の利用度を制限する必要が無くなる、もしくは緩和されるため、小形でかつ大電流が遮断可能な開閉器を提供することができる。
【００５７】
ガス自身の性能もＣＨ４ガスを混合することでＣＯ２単体よりも向上する。図３および図４に示すとおり、たとえばＣＨ４を３０％混ぜることで、ＣＯ２単体の時と比べて遮断性能、絶縁性能ともにそれぞれ約１．７倍、１．１倍にまで性能を上げることができる。このため、１遮断点のみでも高い遮断性能が得られるため、多遮断点構成とする必要がなく、小形かつ低コストの開閉器を提供することが可能となる。
【００５８】
ＣＯ２およびＣＨ４はＣ、Ｏ、Ｈ元素から構成される分子の中で最も低位な、すなわち簡単な分子構造であるため、パーフルオロカーボン、ハイドロフルオロカーボンに属するガス、ＣＦ３Ｉガスのような複雑な分子構造のガスとは異なり、一旦アークで分子が解離されても再結合する過程においても別の分子構造に変化する可能性はほとんど無く、基本的にほぼ完全にもとの混合比のままＣＯ２とＣＨ４に戻る。そのため、たとえ多数回電流を遮断しても、機器特性が変化するような事態は起こらず、安定した品質を長期にわたり維持することができる。条件によってはごくわずかな水分Ｈ２Ｏが生成される可能性も否定できないが、水分は吸着剤３４により選択的に吸着除去されるため、これより絶縁性が劣化したり、腐食が発生するなどの不具合は生じない。
【００５９】
一般的に良く知られているように、ＣＨ４ガス１モルはＯ２ガス２モルと化合して、すなわち燃焼して熱量を発生させる。ＣＯ２ガスとＣＨ４ガスとの混合ガス中で加熱してもＣＯ２ガス２モルが解離するために必要な熱量と解離して発生した２モルのＯ２と１モルのＣＨ４とが化合して発生する熱量には大きな差がないため、燃焼、爆発などの危険は生じない。ただし、当該混合ガスが密閉容器から大気中に漏洩した場合は火災などを引き起こす危険性がある。本実施形態においては、第１の実施形態と異なり可燃性のＣＨ４ガスの濃度はＣＯ２ガスにより希釈されているので、万が一大気中に封入ガスが漏洩した際の安全性が高い。また、警報装置４１が配置されているため、漏洩の発生を常に監視することができる。
【００６０】
なお、前述の通り、電流遮断に伴うカーボン生成を抑制するためにＣＯ２ガスにＯ２、Ｈ２を混ぜることが提案されている。しかしながら、Ｏ２ガスは有機材料や金属の劣化を促進する代表的な物質であるため、特に通電により高温環境に曝されている金属導体部分や、ゴムパッキン、絶縁物、潤滑グリスなどの有機物の劣化を著しく促進させ、結果として機器寿命が短縮されたり、機器の保守点検回数が増えるなどの課題があった。絶縁ノズル６は、数万度にも達するアーク８に曝されるため、支燃性を有するＯ２ガスの濃度が高くなるにつれて損傷が激しくなり、電流値やガス圧力などが高い場合には燃焼してしまう可能性もあった。また、Ｈ２ガスは、安全性、電気絶縁性、気密性の点で課題があった。
【００６１】
図６はＨ２ガス、ＣＨ４ガスの空気中での爆発範囲を示すグラフである。Ｈ２ガスは可燃性ガスの中でも燃焼速度が極めて速いガスであり、図６に示すように、空気中での爆発範囲は４〜７５％と極めて広く、万が一運用時やガスハンドリング時に漏洩した場合、爆発の危険性があった。なお、ＣＨ４の空気中での爆発範囲は５〜１４％である。
【００６２】
図７は、ＣＯ２ガス、Ｏ２ガス、ＣＨ４ガス、Ｈ２ガスの耐電圧性能の相対比較を示す表である。Ｈ２ガスは電流遮断性能には優れるものの、絶縁性能はきわめて低く、図７に示すようにＣＯ２ガスの１割以下の性能である。このため、Ｈ２を混合させると絶縁性能を十分に確保させるために絶縁ギャップ長を増やす必要があり、このため機器の大形化を招いていた。またＨ２ガスは分子が小さいため、気密性を確保することが難しく、機密性を確保させるためにガスパッキンを２重化するなどの工夫が必要であった。ＣＯ２に混合するガスをＣＨ４とすることで、これらの課題も全て同時に解決できる。すなわち、Ｏ２ガスのような劣化・損傷の懸念は無くなり、またＨ２ガスのような安全性、大形化、気密性等の懸念も解消される。
【００６３】
ところで、密閉容器１内で何らかの絶縁不良があり、部分放電が持続的に発生していると、その放電により継続的にＣＯガス、あるいはＯ３ガスが生成される。したがって、これらのガスの有無、あるいは濃度を前記センサ５１、あるいはサンプリング容器５３を用いることで分析、監視することで、絶縁破壊の前駆現象である部分放電が発生していることを知ることができる。これにより完全な絶縁破壊が生じる前にその異常を早期発見し、適切な処置をとることで機器故障の被害を最小限にとどめることができる。
【００６４】
Ｏ３ガスはパッキン３８に使われるゴム類を変質劣化させる作用が強く、ガス漏洩など開閉器の品質や安全性の低下につながる懸念がある。パッキンに、たとえば二トリルゴム、フッ素ゴム、シリコーンゴム、アクリルゴム、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、ブチルゴム、ウレタンゴム、ハイパロン、ＥＶＡ樹脂などのＯ３に対して耐性の強い材料を使用することで、パッキン３８の劣化を防ぐことができる。
【００６５】
また、Ｏ３ガスの発生は、摺動面に使用される潤滑グリス３９の酸化劣化を促進させる可能性がある。これらに対する耐性が強いシリコーングリスを用いることで、潤滑性を維持することができる。
【００６６】
また、接触通電を行なわない金属表面に燐酸処理皮膜、アルミナ皮膜、フッ素系コーティング、塗装などの表面処理を施すことにより、水分やＯ３発生による同部の酸化腐食、変質などをより確実に防止することができる。
【００６７】
以上説明した第２の実施形態によれば、地球温暖化への影響が小さく、かつ優れた性能と品質を有し、小形、低コスト、かつ安全性の高いガス絶縁開閉器を提供することが可能となる。さらに、機器の状態を把握することができ、適正な点検および更新の時期の判断を行なうことができる。
【００６８】
［第３の実施形態］
つぎに本発明に係るガス絶縁開閉器の第３の実施形態について説明する。この第３の実施形態の基本的な構成は、第１または第２の実施形態と同様であるので図示は省略する。
【００６９】
第３の実施形態では、消弧性ガスとして、Ｎ２ガスとＣＨ４ガスの混合ガスであってＣＨ４ガスを３０％以上含むものを用いる。ここでは具体的にＮ２（７０％）＋ＣＨ４（３０％）の混合ガスを例とする。
【００７０】
ここで使用されるＣＨ４ガスは、大気中より回収したもの、もしくは有機性廃棄物処理過程などで発生し成り行きでは大気放出されるものを回収、精製したものを利用するのが好ましい。
【００７１】
本実施形態における作用は第２の実施形態、すなわちＣＯ２ガスとＣＨ４ガスの混合ガスの場合と同様であるが、Ｎ２は地球温暖化係数が０で、かつ大気の主成分のため、ＣＯ２の代わりにＮ２ガスを用いることで、さらに環境への影響を小さくすることができる。また、工業的にも多量に流通しており、安価である。
【００７２】
また、Ｎ２はＣ元素を含まないため、それ自体としてカーボン生成に全く寄与しない。
【００７３】
ただし、Ｎ２ガスはＣＯ２ガスに比べて消弧性能、絶縁性能ともに劣るため、機器の大形化、性能低下を招く恐れがある。ただし、図３および図４に示す通り、Ｎ２ガスにＣＨ４を３０％以上混ぜることで、略ＣＯ２ガス単体と同程度の遮断性能、絶縁性能を得ることができる。
【００７４】
第３の実施形態によれば、地球温暖化への影響が小さく、かつ優れた性能と品質を有し、小形、低コスト、かつ安全性の高いガス絶縁開閉器を提供することが可能となる。
【００７５】
［第４の実施形態］
図８は、本発明に係るガス絶縁開閉器の第４の実施形態の密閉容器内の要部を示す部分縦断面図であって、遮断動作途中の状態を示している。第４の実施形態の基本的な構成は、第１、第２、および第３の実施形態と概ね同じであるが、下記の２点に相違がある。
【００７６】
第４の実施形態では、消弧性ガス３１ｃとして、ＣＨ４ガス、もしくはＣＯ２ガスとＣＨ４ガスの混合ガスとし、さらにこれらのガスに対しＯ２もしくはＨ２ガスをさらにその２％以下の範囲で添加したガスを採用する。ここでは、たとえば消弧性ガスをしてＣＯ２ガスとＣＨ４ガスの混合ガスであって、それに対しさらに全体の２％に相当するＯ２ガスを混ぜたものとする。
【００７７】
また、アーク８、もしくはアーク８により熱せられたガス流に曝される位置に、Ｏ元素もしくはＨ元素を含む固体素子６１を配置する。具体的な配置場所としては、たとえばガイド３２の表面付近、およびシリンダ４の内部などである。固体素子６１の材料は、たとえばポリエチレン、ポリアミド、ポリメタクリル酸メチル、ポリアセタールなどを用いる。
【００７８】
なお、消弧性ガス３１ｃにＯ２もしくはＨ２ガスを添加することと、Ｏ元素もしくはＨ元素を含む固体素子６１を配置することは同じ作用を得るためのものであり、両方同時に適用しなくても、どちらか一つのみでも十分実効的な効果を得ることができる。ここでは、両者を含めた実施形態として説明する。
【００７９】
また、ここでは、絶縁ノズル６として、ポリテトラフルオロエチレンを使用したとする。
【００８０】
非常に高温なアーク８近傍では、ＣＯ２、ＣＨ４などのガス分子は解離しており、様々なイオン粒子および電子に分離された状態となっている。電流遮断過程でアークの温度は低下し、各粒子は再び結合しガス分子へと戻る。この際、固定アーク接触子７ａおよび可動アーク接触子７ｂなどの金属の酸化にＯイオンが消費され、ＣＯ２ガスに復元するために必要なＯが一部不足した状態となるため、ＣＯガスが生成される。また、同様にＣＨ４ガスに復元するために必要なＨが、絶縁ノズル６が蒸発して混入したＦイオンと結合してＨＦガスとなることに消費され一部不足した状態となるため、結果としてたとえばＣ２Ｈ４などのＣＨ４以外の炭化水素系のガスが生成される。このため、電流遮断を繰り返すと徐々に密閉容器内のガスの組成が変化してゆき、結果として開閉器の性能が変化してしまう。また、ＣＯガスは毒性のガスであるため、その生成は極力抑制するのが好ましい。
【００８１】
ここでＯ２ガスもしくはＨ２ガスをあらかじめ適量混合させておくことで、たとえアーク接触子などの酸化によりＯが消費されても、またＨＦ生成のためにＨが消費されても、元のＣＯ２、ＣＨ４に戻るためのＯ、Ｈイオンが不足する事態にはならず、電流遮断後もＣＯ２、ＣＨ４のガス量は維持される。これにより、安定した開閉器の性能を維持することができる。また、有毒なＣＯガスも発生しない。
【００８２】
図９は、ＣＨ４＋Ｈ２混合ガス中にて大電流を多数回遮断後のＣＨ４、Ｈ２、ＨＦ、Ｏ３ガス以外の分解ガス生成量を示すグラフである。また、図１０は、ＣＨ４＋ＣＯ２＋Ｈ２混合ガス、ＣＨ４＋ＣＯ２＋Ｏ２混合ガス中にて大電流を多数回遮断後のＣＨ４、ＣＯ２、Ｈ２、Ｏ２、ＨＦ、Ｏ３ガス以外の分解ガス生成量を示すグラフである。これらの図は、いずれも遮断電流は２８．４ｋＡを２０回遮断した後の値を示している。このように、Ｈ２ガスもしくはＯ２ガスを２％程度付加的に混合させることで、上記の分解ガスの生成量が著しく低下することが分かる。ここで、もともと充填されているＣＨ４、ＣＯ２、Ｈ２、Ｏ２以外にもＨＦ、Ｏ３を除外しているのは、これら二つのガスは反応性が高く、たとえ生成されてもある程度の時間が経てば二次的な反応もしくは密閉容器内の金属表面等に吸着されて概ね消滅してしまうからである。
【００８３】
付加的に混合させるＨ２ガスもしくはＯ２ガスは全体の２％以下に限定しているので、これらの付加ガスの混合により開閉器の性能が大きく変わることはない。
【００８４】
このように、Ｈ２ガスもしくはＯ２ガスを付加的に２％を超えない範囲で混合させることで、開閉器の特性をほとんど変化させずに、ＣＯなどの本来存在しなかったガスの生成を顕著に抑制することができる。
【００８５】
また、あらかじめＯ２、Ｈ２ガスを混ぜておく以外にも、図８に示すように、アーク８もしくはアーク８により熱せられたガス流に曝される位置に、Ｏ元素もしくはＨ元素を含む固体素子６１を配置することでも同様の作用が得られる。これは、電流遮断時において固体素子６１が高温のアークあるいは高温のガス流に曝されることにより溶融、気化され、これにより電流遮断時にアーク近傍にＯあるいはＨが局所的に供給されるためである。
【００８６】
開閉器に混合ガスを適用する場合には、当初設計値どおりの性能が常に得られるように、運用時にはその混合比を監視する必要がある。したがって、混合するガスの種類は極力少ない方が機器運用時の管理面で好ましい。固体素子６１の溶融、気化現象を利用することで、Ｏ２やＨ２ガスをあらかじめ混合しなくてすむようになるため、機器管理面の手間が省ける。
【００８７】
以上の構成により、地球温暖化への影響が小さく、かつ優れた性能と品質を有し、小形、低コスト、かつ安全性の高いガス絶縁開閉器を提供することが可能となる。特に本実施形態によれば、有毒なＣＯガスなど本来存在しなかったガスが生成される可能性を著しく低減することができる。
【００８８】
［他の実施形態］
以上説明した各実施形態は単なる例示であって、本発明はこれらに限定されるものではない。たとえば、各実施形態で例示した消弧性ガスの成分は主たる成分を示したものであって、他の不純物ガスが含まれていてもよい。また、各実施形態の特徴を種々に組み合わせてもよい。また、上記実施形態ではパッファ形ガス遮断器の例を示したが、本発明は他のガス絶縁開閉器にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明に係るガス絶縁開閉器の第１の実施形態の要部縦断面図。
【図２】ＣＨ４ガス、ＣＯ２ガス、ＣＯ２＋ＣＨ４混合ガス、ＣＯ２＋Ｏ２混合ガス中でアークを発生した場合における遊離カーボンの生成量解析値を示すグラフ。
【図３】ＣＨ４ガス、ＣＯ２ガス、Ｎ２ガス、ＣＯ２＋ＣＨ４混合ガス、Ｎ２＋ＣＨ４混合ガスのアーク消弧性能を示すグラフ。
【図４】ＣＨ４ガス、ＣＯ２ガス、Ｎ２ガス、ＣＯ２＋ＣＨ４混合ガス、Ｎ２＋ＣＨ４混合ガスの絶縁耐力を示すグラフ。
【図５】本発明に係るガス絶縁開閉器の第２の実施形態の要部縦断面図。
【図６】Ｈ２ガス、ＣＨ４ガスの空気中での爆発範囲を示すグラフ。
【図７】ＣＯ２ガス、Ｏ２ガス、ＣＨ４ガス、Ｈ２ガスの耐電圧性能の相対比較を示す表。
【図８】本発明に係るガス絶縁開閉器の第４の実施形態の密閉容器内の要部を示す部分縦断面図。
【図９】ＣＨ４＋Ｈ２混合ガス中にて大電流を多数回遮断後のＣＨ４、Ｈ２、ＨＦ、Ｏ３ガス以外の分解ガス生成量を示すグラフ。
【図１０】ＣＨ４＋ＣＯ２＋Ｈ２混合ガス、ＣＨ４＋ＣＯ２＋Ｏ２混合ガス中にて大電流を多数回遮断後のＣＨ４、ＣＯ２、Ｈ２、Ｏ２、ＨＦ、Ｏ３ガス以外の分解ガス生成量を示すグラフ。
【符号の説明】
【００９０】
１…密閉容器
３…ピストン
４…シリンダ
５…パッファ室
６…絶縁ノズル
７ａ…固定アーク接触子
７ｂ…可動アーク接触子
８…アーク
９…排気筒
１１ａ…固定側熱ガス流
１１ｂ…可動側熱ガス流
１２…中空ロッド
２１…固定接触部
２２…可動接触部
２３…固体絶縁物
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ…消弧性ガス
３２…ガイド
３３…連通穴
３４…吸着剤
３５…ケース
３６…蓋
３７…締付ボルト
３８…パッキン
３９…グリス
４０…表面処理皮膜
４１…警報装置
５１…センサ
５２…分析装置
５３…サンプリング容器
６１…固体素子
【技術分野】
【０００１】
この発明はガス絶縁開閉器に関し、特に、温室効果ガスの使用を抑制したガス絶縁開閉器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電流遮断機能を有する開閉器には、その使用目的、必要とされる機能に応じて、負荷開閉器、断路器、遮断器など様々なものが存在する。その多くはガス中に機械的に開閉可能な電気接点を配置し、通電時には両者を接触状態に保つことで通電を行ない、電流遮断時には電気接点を解離させて前記ガス中にアーク放電を発生させ、そのアークを消弧することで電流を遮断する方式のものである。
【０００３】
近年、より高い電流遮断性能を得るために、ピストンによる機械的な圧縮だけでなく、アークの熱エネルギーをパッファ室内に積極的にとりこむことで、より高い吹付け圧力を得る方式が提案されている。たとえば、遮断動作の初期に、可動側熱ガス流を中空ロッドに設けた穴を通じてパッファ室内へ取り込む方式が提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
あるいは、パッファ室を軸方向に２分割し、アークに近い方のパッファ室の容積を限定することで、特に大電流遮断時にアークへの高い吹付け圧力を獲得し、なおかつパッファ室の分割部に逆止弁を設けることでピストンに直接高い圧力が作用するのを避け、可動接触部を駆動する力を低減する方式などが提案されている（特許文献２参照）。
【０００５】
近年普及している開閉器においては、前記消弧性ガスとして、ＳＦ６ガス、あるいは空気が使用されることが多い。ＳＦ６ガスは、アークを消滅させる性能（消弧性能）、および電気絶縁性能に優れており、特に高電圧用の開閉器においては広く使用されている。また、空気はコストが安いこと、安全で環境にも優しいことから、特に小形の開閉器において使用されることが多い。
【０００６】
ところで、ＳＦ６ガスは特に高電圧用の開閉器において非常に適したガスといえるが、高い地球温暖化作用を有することが知られており、近年その使用量の削減が望まれている。地球温暖化作用の大きさは一般に地球温暖化係数、すなわちＣＯ２ガスを１とした場合の相対値により表わされ、ＳＦ６ガスの地球温暖化係数は２３，９００に及ぶことが知られている。また、空気は安全性や環境保全の面では優れているが、その消弧性能および電気絶縁性能はＳＦ６ガスよりも大幅に劣るため、高電圧用の開閉器に広く適用するのは困難であり、低から中電圧への適用に限られると考えられている。
【０００７】
上記の背景で、開閉器における消弧性ガスとしてＣＯ２ガスを適用することが提案されている（非特許文献１参照）。ＣＯ２ガスは地球温暖化作用がＳＦ６ガスに比べて非常に小さいため、ＣＯ２ガスをＳＦ６ガスの代わりに開閉器に適用することで、地球温暖化への影響を大幅に抑制することが可能である。また、ＣＯ２ガスの消弧性能および電気絶縁性能はＳＦ６ガスに比べると劣るものの、空気に比べると消弧性能ははるかに優れ、また絶縁性能も同等かそれ以上であることが知られている。したがって、ＣＯ２ガスをＳＦ６ガスあるいは空気の代わりに適用することで、概ね良好な性能を有し、かつ地球温暖化への影響を抑制した環境に優しい開閉器を提供することが可能である。
【０００８】
また、ＣＯ２ガス以外にも、上記と同じ理由により、開閉器の消弧性ガスとしてＣＦ４ガスなどのパーフルオロカーボン、ＣＨ２Ｆ２ガスなどのハイドロフルオロカーボンを適用すること（非特許文献２）、ＣＦ３Ｉガスを適用すること（特許文献３）が提案されている。これらのガスもＳＦ６ガスに比べると地球温暖化への影響が小さく、比較的高い消弧性能、および絶縁性能を有するため、開閉器の環境負荷低減に有効であるとされている。
【０００９】
さらに、上記のようなＣ元素を含むガスを開閉器に適用する場合、Ｏ２ガス、Ｈ２ガスを適量混合させることにより、電流遮断時に発生する遊離カーボンの生成量を抑制し、遊離カーボン生成による電気的な品質低下を防止する方策が提案されている（特許文献４）。
【特許文献１】特公平７−１０９７４４号公報
【特許文献２】特公平７−９７４６６号公報
【特許文献３】特開２０００−１６４０４０号公報
【特許文献４】特開２００７−２５８１３７号公報
【非特許文献１】内井、河野、中本、溝口、「消弧媒体としてのＣＯ２ガスの基礎特性と実規模モデル遮断器による熱的遮断性能の検証」、電気学会論文Ｂ、１２４巻、３号、ｐｐ．４６９〜４７５、２００４年
【非特許文献２】「ＳＦ６の地球環境負荷とＳＦ６混合・代替ガス絶縁」、電気学会技術報告８４１号、２００１年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
以上のように、ＣＯ２ガス、パーフルオロカーボン、ハイドロフルオロカーボン、ＣＦ３Ｉガスを開閉器の電気絶縁媒体、消弧媒体として適用し、従来のＳＦ６ガスを利用した開閉器に比べて地球温暖化への影響を低減し、なおかつ、概ね良好な性能を有する開閉器を提供することが提案されている。
【００１１】
しかしながら、その場合に以下の４点の重大な課題があった。
【００１２】
まず、一つ目の課題として、上記のガスはいずれもＣ元素を含むため、これらのガスを開閉器に適用した場合、電流遮断時に発生する高温のアークによりガスが解離、再結合する過程において、遊離したカーボンが発生する課題があった。
【００１３】
電流遮断にともなって発生したカーボンが、たとえば絶縁スペーサなどの固体絶縁物の表面に付着した場合、同部の電気絶縁性を著しく劣化させる恐れがあり、開閉器の品質が損なわれる懸念があった。
【００１４】
さらに、上記のガスをパッファ形ガス遮断器に適用し、かつ、遮断性能を向上させるために、パッファ室の圧力上昇手段としてアークの熱エネルギーを積極的に利用するよう構成した場合、従来のピストンによる機械的圧縮を主体としたガス遮断器に比べ、ガスの温度は必然的に高くなる。ガスの温度が高くなると、具体的には約３０００Ｋ以上にまでガスの温度が高くなると、ガス分子の解離が顕著に進行し、カーボンが生成されやすくなる。したがって、当該ガスをパッファ形ガス遮断器に適用し、なおかつアークの熱エネルギーを積極的に利用して高いパッファ室圧力を得ようとすると、それだけカーボンが生成されやすくなり、品質が損なわれる懸念があった。
【００１５】
これを回避するためには、カーボンが発生しないようにアークの熱エネルギーの利用を制限する必要があるため、結果的に小さい遮断電流の適用に限るか、もしくは大電流遮断に必要な吹付け圧力上昇を機械的な圧縮主体で行なうこととなり、大形で高コストな開閉器となる傾向にあった。
【００１６】
二つ目の課題として、上記に挙げたガスのうちパーフルオロカーボン、ハイドロフルオロカーボン、ＣＦ３Ｉガスは、地球温暖化係数はＳＦ６よりは低いものの、ＳＦ６ガス同様に天然には存在しない人工ガスであるため、これらが開閉器に適用され大量に生産されるようになると、それだけ地球上に新たに温暖化ガスを生み出すこととなり、必ずしも環境に優しいとはいえなかった。
【００１７】
三つ目の課題として、ＣＦ３Ｉガス、およびパーフルオロカーボン、ハイドロフルオロカーボンに属する大部分のガスは、分子構造が複雑であるため、一旦アークで分子が解離されると、再結合過程において別の分子になる可能性が高かった。遮断する電流値やガスの条件にもよるが、たとえば、ＣＦ３Ｉガスは一旦アークで解離されると、Ｉ２とＣ２Ｆ６等に再結合されたり、Ｃ２Ｆ６ガスは同様にさらに分子構造が簡単なＣＦ４などに変化してゆく可能性があった。このため、これらのガスを開閉器に適用した場合、電流を遮断するたびにガスの組成が変化してゆき、当初期待していた性能が徐々に得られなくなる可能性があった。
【００１８】
四つ目の課題は、ＣＯ２とＯ２、もしくはＣＯ２とＨ２の混合ガスに係わるものである。これらのガスについては、全て自然由来のガスであり、真に環境に優しいといえる。また、既に特許文献４にて提案されているように、Ｏ２およびＨ２を適量混合させることにより、ＣＯ２を使用しながらも一つ目の課題として挙げた電流遮断後の遊離カーボンの生成をある程度抑制することができる。
【００１９】
しかしながら、Ｏ２ガスは有機材料や金属の劣化を促進する代表的な物質であるため、特に通電により高温環境に曝されている金属導体部分や、ゴムパッキン、絶縁物、潤滑グリスなどの有機物の劣化を著しく促進させ、結果として機器寿命が短縮されたり、機器の保守点検回数が増えるなどの課題があった。特に絶縁ノズルは、数万度にも達するアークに曝されるため、支燃性を有するＯ２ガスの濃度が高くなるにつれて損傷が激しくなり、電流値やガス圧力などが高い場合には燃焼してしまう可能性もあった。
【００２０】
また、ＣＯ２とＨ２の混合ガスは、安全性、電気絶縁性、気密性の点で課題があった。Ｈ２ガスは可燃性ガスの中でも燃焼速度が極めて速いガスであり、空気中での爆発範囲は４〜７５％と極めて広く、万が一にでも機器運用時やガスハンドリング時に漏洩した場合、爆発を引き起こす危険性が高かった。また、Ｈ２ガスは電流遮断性能には優れるものの、絶縁性能はきわめて低く、ＣＯ２ガスの１割程度以下の性能である。このため、Ｈ２を混合させると絶縁性能を十分に確保させるために絶縁ギャップ長を増やす必要があり、このため機器の大形化を招いていた。またＨ２ガスは分子が小さいため、気密性を確保することが難しく、機密性を確保させるためにガスパッキンを２重化するなどの工夫が必要であった。
【００２１】
本発明は、上記の課題を全て解消し、地球温暖化への影響が小さく、かつ優れた性能と品質を有し、かつ安全性の高いガス絶縁開閉器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記目的を達成するために、本発明の係るガス絶縁開閉器の一つの態様は、消弧性ガスで充たされた密閉容器内に少なくとも１対の電気接点を配置し、通電時には前記電気接点を接触状態に保つことで通電を行ない、電流遮断時には前記電気接点を解離させて前記消弧性ガス中にアーク放電を発生させ、そのアークを消弧することで電流を遮断せしめるよう構成されたガス絶縁開閉器において、前記消弧性ガスの主成分がＣＨ４ガスであることを特徴とする。
【００２３】
また、本発明の係るガス絶縁開閉器のたの一つの態様は、消弧性ガスで充たされた密閉容器内に少なくとも１対の電気接点を配置し、通電時には前記電気接点を接触状態に保つことで通電を行ない、電流遮断時には前記電気接点を解離させて前記消弧性ガス中にアーク放電を発生させ、そのアークを消弧することで電流を遮断せしめるよう構成されたガス絶縁開閉器において、前記消弧性ガスが、Ｎ２ガスとＣＨ４ガスを主成分とする混合ガスであって、ＣＨ４ガスを３０％以上含むことを特徴とする。
【００２４】
また、本発明の係るガス絶縁開閉器のたの一つの態様は、消弧性ガスで充たされた密閉容器内に少なくとも１対の電気接点を配置し、通電時には前記電気接点を接触状態に保つことで通電を行ない、電流遮断時には前記電気接点を解離させて前記消弧性ガス中にアーク放電を発生させ、そのアークを消弧することで電流を遮断せしめるよう構成されたガス絶縁開閉器において、前記消弧性ガスが、ＣＯ２ガスとＣＨ４ガスを主成分とする混合ガスであって、ＣＨ４ガスを５％以上含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、地球温暖化への影響が小さく、かつ優れた性能と品質を有し、かつ安全性の高いガス絶縁開閉器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
次に、図面を参照しながら本発明に係るガス絶縁開閉器の実施形態を説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。
【００２７】
［第１の実施形態］
図１は、本発明に係るガス絶縁開閉器の第１の実施形態の要部縦断面図であって、遮断動作途中の状態を示している。このガス絶縁開閉器は、たとえば７２ｋＶ以上の高電圧送電系統の保護用開閉器であって、パッファ形ガス遮断器である。図１に示す各部品は基本的に、図1の左右方向に延びる中心軸（図示せず）の周りに軸対称な同軸円筒形状である。
【００２８】
図１に示すように、接地された金属あるいは碍子等からなる密閉容器１内には、消弧性ガス３１ａとしてＣＨ４ガスが充填されている。ここで使用するＣＨ４ガスは、好ましくは、大気中より回収したもの、もしくは有機性廃棄物処理過程などで発生し成り行きでは大気放出されるものを回収、精製したものを利用する。
【００２９】
密閉容器１内には固定接触部２１および可動接触部２２が対向して配置されており、固定接触部２１および可動接触部２２にはそれぞれ固定アーク接触子７ａおよび可動アーク接触子７ｂが設けられている。これら固定アーク接触子７ａおよび可動アーク接触子７ｂは通常運転時では接触導通状態にあり、遮断動作時は軸方向相対移動により開離すると共に固定アーク接触子７ａと可動アーク接触子７ｂの間の空間にアーク８を発生させるようになっている。固定アーク接触子７ａおよび可動アーク接触子７ｂは、アークに対する溶損が少なく、かつ機械的強度も高い材料、たとえば銅タングステン合金を用いるのが好ましい。
【００３０】
可動接触部２２側にはアーク８に対し消弧性ガス３１ａであるＣＨ４ガスをガス流にして吹き付けるガス流発生手段が設置されている。ガス流発生手段としては、ここではピストン３、シリンダ４、パッファ室５、絶縁ノズル６が設けられている。また、固定接触部２１側には固定側熱ガス流１１ａが通過可能な金属製の排気筒９が取付けられている。可動接触部２２側には可動側熱ガス流１１ｂが通過可能な中空ロッド１２が可動アーク接触子７ｂに連なって設けられている。
【００３１】
接触子部など運転時に高電圧が印加される部分は、固体絶縁物２３により絶縁性を確保しつつ機械的に支持される。固体絶縁物２３は、たとえばシリカなどの充填物を配合したエポキシ系材料が使用される。なお、消弧性ガスとしてＳＦ６ガスを使用する従来の技術では、アーク遮断過程によりＨＦなどの分解ガスが発生し、シリカがＨＦガスに侵されて特性が劣化する恐れがあるため、通常アルミナ充填材料を使用することが多い。これに対して本実施形態では、シリカなどの充填物を配合したエポキシ系材料を用いることができる。
【００３２】
以上の構成を有するガス遮断器の遮断過程において、可動接触部２２が図の左方向に動作すると、固定されているピストン３がシリンダ４の内部空間であるパッファ室５を圧縮してパッファ室５内の圧力を上昇させる。そして、パッファ室５内に存在する消弧性ガス３１ａが高圧力のガス流となってノズル６に導かれ、固定アーク接触子７ａと可動アーク接触子７ｂの間に発生したアーク８に対して強力に吹き付けられる。これにより、固定アーク接触子７ａと可動アーク接触子７ｂの間に発生した導電性のアーク８は消滅し電流は遮断される。一般的に、パッファ室５内の圧力が高いほど、消弧性ガス３１ａが強力にアーク８へと吹き付けられるため、より高い電流遮断性能が得られることが知られている。
【００３３】
なお、高温のアーク８に吹き付けられた消弧性ガス３１ａは高温状態となり、固定側熱ガス流１１ａおよび可動側熱ガス流１１ｂとして両アーク接触子間の空間より遠ざかるように流れ、最終的には密閉容器１内へ放散される。また、シリンダ４とピストン３の隙間などの摺動部分には、摩擦を低減するために図示しないグリスが塗布されることが多い。
【００３４】
パッファ室５の圧力上昇は、ピストン３による機械的圧縮だけでなく、アーク８からの熱エネルギーを積極的にパッファ室５内に取り込むことによりもたらされるように構成する。この実施形態では、図１に示すように、ガイド３２により、中空ロッド１２を流れる可動側熱ガス流１１ｂが連通穴３３を通ってパッファ室５内に取り込まれ、同部の圧力上昇に寄与するよう構成されている。
【００３５】
ここで、消弧性ガスとして従来のＳＦ６ガスに代えてＣＨ４ガスを用いることの利点について説明する。ＣＨ４ガスの地球温暖化係数は２１といわれており、従来開閉器の絶縁・消弧媒体として広く使用されているＳＦ６ガスが２３，９００であることに比べると、地球環境に及ぼす影響は極めて小さい。また、ＳＦ６ガスや、その代替媒体として提案されているパーフルオロカーボン、ハイドロフルオロカーボン、ＣＦ３Ｉガスなどとは異なり、天然に存在する自然由来のガスなので、人工的な環境被害を生み出す可能性はほとんどない。さらに、ここで使用するＣＨ４ガスは、そもそも大気中より回収、もしくは本来は大気中に放出されていたものを回収して使用したものなので、本目的としてＣＨ４ガスを使用しても、地球上に新たにＣＨ４ガスを生み出しているわけではない。したがって、開閉器の絶縁・消弧媒体としてＣＨ４ガスを使用することで環境におよぼす影響を極めて小さくすることができる。
【００３６】
図２は、ＣＨ４ガス、ＣＯ２ガス、ＣＯ２＋ＣＨ４混合ガス、ＣＯ２＋Ｏ２混合ガス中でアークを発生した場合における遊離カーボンの生成量解析値を示すグラフである。図２に示すように、電流遮断後に発生する遊離カーボン量は従来ＳＦ６ガスの代替媒体として提案されているＣＯ２ガス（図２のＯ２もしくはＣＨ４含有率が０％の値）に比べて、ＣＨ４ガスを使用した場合（同じくＣＨ４含有率が１００％の値）の方がはるかに少ない。これはアーク部で一旦解離し再結合する過程において、ＣとＯとの反応性よりも、ＣとＨとの反応性の方が高いからだと考えられる。したがって、ＣＨ４ガスを使用することで、たとえば絶縁スペーサなどの固体絶縁物の表面にカーボンが付着するなどして電気的特性が劣化する危険性は激減される。
【００３７】
また、これにより、カーボンが発生しないようにパッファ室圧力上昇に対するアーク熱の利用度を制限する必要が無くなる、もしくは緩和されるため、小形でかつ大電流が遮断可能な開閉器を提供することができる。
【００３８】
ガス自身の性能としてもＣＨ４ガスはＣＯ２よりも優れている。図３は、ＣＨ４ガス、ＣＯ２ガス、Ｎ２ガス、ＣＯ２＋ＣＨ４混合ガス、Ｎ２＋ＣＨ４混合ガスのアーク消弧性能を示すグラフである。また、図４は、ＣＨ４ガス、ＣＯ２ガス、Ｎ２ガス、ＣＯ２＋ＣＨ４混合ガス、Ｎ２＋ＣＨ４混合ガスの絶縁耐力を示すグラフである。図３および図４に示すとおり、ＣＨ４ガスの消弧性能、絶縁性能は、ＣＯ２ガスと比べてそれぞれ約２倍、約１．２倍と高い性能を有している。
【００３９】
従来、１対の電気接点、すなわち１遮断点のみで十分な遮断性能が出せない場合は、電気接点を２対直列に接続して性能を確保することがあるが、本実施形態によれば、ＣＨ４ガスの優れた特性により、１遮断点のみでも高い遮断性能が得られるため、小形かつ低コストの開閉器を提供することができる。
【００４０】
ＣＨ４はＣとＨから構成されるガスの中では最も低位な、すなわち簡単な分子構造であるため、パーフルオロカーボン、ハイドロフルオロカーボンに属するガス、ＣＦ３Ｉガスのような複雑な分子構造のガスとは異なり、一旦アークで分子が解離され再結合する過程においても別の分子構造に変化する可能性はほとんど無く、たとえ多数回電流を遮断しても、機器特性が変化するような事態は起こらず、安定した品質を長期にわたり維持することができる。
【００４１】
ＣＨ４ガスは可燃性を有する、すなわち酸素Ｏ２と化合して熱量を発生させるが、本実施形態では密閉した空間内で使用されているため、酸素と反応する機会は全く無く、安全上特に問題は生じない。
【００４２】
接触子部など運転時に高電圧が印加される部分は、固体絶縁物２３により絶縁性を確保しつつ機械的に支持される。従来のＳＦ６ガスを使用した開閉器においては、アーク遮断過程においてＨＦなどの分解ガスが発生するため、通常アルミナ充填材料を使用することが一般的であった。本実施形態においてはＣＨ４を消弧性ガスとして使用しているため、基本的にＨＦが発生することはなく、そのため、アルミナ配合絶縁物に比べて低誘電率で機械的強度も高く、また重量も軽いシリカ配合の絶縁物を使用することが可能である。これにより、さらに小形で信頼性の高い開閉器を実現することができる。
【００４３】
以上説明したように、本実施形態によれば、地球温暖化への影響が小さく、かつ優れた性能と品質を有し、小形、低コスト、かつ安全性の高いガス絶縁開閉器を提供することが可能となる。
【００４４】
［第２の実施形態］
図５は、本発明に係るガス絶縁開閉器の第２の実施形態の要部縦断面図であって、遮断動作途中の状態を示している。基本的な構成は図１に示した第１の実施形態と同じであるが、下記の点に相違がある。
【００４５】
第２の実施形態では、密閉容器１内に封入する消弧性ガス３１ｂとして、ＣＯ２ガスとＣＨ４ガスの混合ガスであってＣＨ４ガスを５％以上含むものを採用する。ここでは具体的にＣＯ２（７０％）＋ＣＨ４（３０％）の混合ガスを例にとって説明する。
【００４６】
ここで使用されるＣＯ２ガスとＣＨ４ガスは、大気中より回収したもの、もしくは発電過程、他の化学工業製品等の製造過程、あるいは有機性廃棄物処理過程などで発生し成り行きでは大気放出されるもの等を回収、精製したものを利用するのが好ましい。
【００４７】
密閉容器１には内部点検用の蓋３６が設けられており、締付ボルト３７で密封されている。蓋３６の接合部にはパッキン３８を設け、内部に充填された消弧性ガス３１ｂの気密性を保持する。パッキン３８には、たとえば、二トリルゴム、フッ素ゴム、シリコーンゴム、アクリルゴム、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、ブチルゴム、ウレタンゴム、ハイパロン、ＥＶＡ樹脂のいずれかを使用する。
【００４８】
前記固定アーク接触子７ａおよび可動アーク接触子７ｂを解離動作する際に摺動する面、具体的にはたとえばシリンダ４の外周面には、摩擦を低減するために潤滑性のグリス３９を塗布する。このグリスにはシリコーングリスを用いる。
【００４９】
接触通電を行なわない金属表面の少なくとも一部、具体的にはたとえば固定接触部２１と可動接触部２２の外周面、および排気筒９の内面には、燐酸処理皮膜、アルミナ皮膜、フッ素系コーティング、塗装などの表面処理皮膜４０を施す。
【００５０】
密閉容器１内には、水分を優先的に吸収可能な吸着剤３４を配置する。吸着剤３４はケース３５により密閉容器１内に保持される。
【００５１】
密閉容器１内にＣＯガスもしくはＯ３ガスの検出手段を設ける。具体的には、密閉容器１内にＣＯガスもしくはＯ３ガスを検出可能なセンサ５１を設置し、その情報を分析装置５２において読み取るよう構成する。あるいは、密閉容器１内のガスを少量だけサンプリング容器５３に採取可能なように構成し、その採取ガスにおけるＣＯガスおよびガスの含有量を別途分析装置により分析することでも良い。
【００５２】
密閉容器１の外部、特にパッキン３８により密閉している部分の周辺に、ＣＨ４ガスを検知し、検知した場合は何らかの手段でその情報を知らせる警報装置４１を配置する。
【００５３】
ここで、消弧性ガス３１ｂとして、ＣＯ２ガスとＣＨ４ガスの混合ガスであってＣＨ４ガスを５％以上含むものを用いることの利点について説明する。
【００５４】
ＣＯ２ガス、ＣＨ４ガスの地球温暖化係数はそれぞれ１および２１といわれており、従来開閉器の絶縁・消弧媒体として広く使用されているＳＦ６ガスが２３，９００であることに比べると、地球環境に及ぼす影響は極めて小さい。また、ＳＦ６ガスや、その代替媒体として提案されているパーフルオロカーボン、ハイドロフルオロカーボン、ＣＦ３Ｉガスなどとは異なり、天然に存在する自然由来のガスなので、人工的な環境被害を生み出す可能性はほとんどない。さらに、ここで使用するＣＯ２ガス、ＣＨ４ガスは、そもそも大気中より回収、もしくは本来は大気中に放出されていたものを回収して使用したものなので、本目的としてＣＯ２ガス、ＣＨ４ガスを使用しても、地球上に新たにこれらのガスを生み出していることにはならない。したがって、開閉器の絶縁・消弧媒体としてＣＯ２ガスとＣＨ４ガスの混合ガスを使用することで、環境におよぼす影響を極めて小さくすることができる。
【００５５】
ＣＯ２ガスにＣＨ４ガスを混合させることで、カーボン生成の発生量を大幅に抑制することができる。図２に示すように、ＣＨ４を５％混入することで、純粋ＣＯ２ガスを適用した場合に比べカーボンの生成量は略半分にまで減少し、十分実効的な効果が得られる。本実施形態の例のように、ＣＨ４を３０％まで混合させれば、カーボン発生量を１割程度まで抑制させることができ、カーボン生成に伴う品質低下を防止することができる。
【００５６】
また、これにより、カーボンが発生しないようにパッファ室圧力上昇に対するアーク熱の利用度を制限する必要が無くなる、もしくは緩和されるため、小形でかつ大電流が遮断可能な開閉器を提供することができる。
【００５７】
ガス自身の性能もＣＨ４ガスを混合することでＣＯ２単体よりも向上する。図３および図４に示すとおり、たとえばＣＨ４を３０％混ぜることで、ＣＯ２単体の時と比べて遮断性能、絶縁性能ともにそれぞれ約１．７倍、１．１倍にまで性能を上げることができる。このため、１遮断点のみでも高い遮断性能が得られるため、多遮断点構成とする必要がなく、小形かつ低コストの開閉器を提供することが可能となる。
【００５８】
ＣＯ２およびＣＨ４はＣ、Ｏ、Ｈ元素から構成される分子の中で最も低位な、すなわち簡単な分子構造であるため、パーフルオロカーボン、ハイドロフルオロカーボンに属するガス、ＣＦ３Ｉガスのような複雑な分子構造のガスとは異なり、一旦アークで分子が解離されても再結合する過程においても別の分子構造に変化する可能性はほとんど無く、基本的にほぼ完全にもとの混合比のままＣＯ２とＣＨ４に戻る。そのため、たとえ多数回電流を遮断しても、機器特性が変化するような事態は起こらず、安定した品質を長期にわたり維持することができる。条件によってはごくわずかな水分Ｈ２Ｏが生成される可能性も否定できないが、水分は吸着剤３４により選択的に吸着除去されるため、これより絶縁性が劣化したり、腐食が発生するなどの不具合は生じない。
【００５９】
一般的に良く知られているように、ＣＨ４ガス１モルはＯ２ガス２モルと化合して、すなわち燃焼して熱量を発生させる。ＣＯ２ガスとＣＨ４ガスとの混合ガス中で加熱してもＣＯ２ガス２モルが解離するために必要な熱量と解離して発生した２モルのＯ２と１モルのＣＨ４とが化合して発生する熱量には大きな差がないため、燃焼、爆発などの危険は生じない。ただし、当該混合ガスが密閉容器から大気中に漏洩した場合は火災などを引き起こす危険性がある。本実施形態においては、第１の実施形態と異なり可燃性のＣＨ４ガスの濃度はＣＯ２ガスにより希釈されているので、万が一大気中に封入ガスが漏洩した際の安全性が高い。また、警報装置４１が配置されているため、漏洩の発生を常に監視することができる。
【００６０】
なお、前述の通り、電流遮断に伴うカーボン生成を抑制するためにＣＯ２ガスにＯ２、Ｈ２を混ぜることが提案されている。しかしながら、Ｏ２ガスは有機材料や金属の劣化を促進する代表的な物質であるため、特に通電により高温環境に曝されている金属導体部分や、ゴムパッキン、絶縁物、潤滑グリスなどの有機物の劣化を著しく促進させ、結果として機器寿命が短縮されたり、機器の保守点検回数が増えるなどの課題があった。絶縁ノズル６は、数万度にも達するアーク８に曝されるため、支燃性を有するＯ２ガスの濃度が高くなるにつれて損傷が激しくなり、電流値やガス圧力などが高い場合には燃焼してしまう可能性もあった。また、Ｈ２ガスは、安全性、電気絶縁性、気密性の点で課題があった。
【００６１】
図６はＨ２ガス、ＣＨ４ガスの空気中での爆発範囲を示すグラフである。Ｈ２ガスは可燃性ガスの中でも燃焼速度が極めて速いガスであり、図６に示すように、空気中での爆発範囲は４〜７５％と極めて広く、万が一運用時やガスハンドリング時に漏洩した場合、爆発の危険性があった。なお、ＣＨ４の空気中での爆発範囲は５〜１４％である。
【００６２】
図７は、ＣＯ２ガス、Ｏ２ガス、ＣＨ４ガス、Ｈ２ガスの耐電圧性能の相対比較を示す表である。Ｈ２ガスは電流遮断性能には優れるものの、絶縁性能はきわめて低く、図７に示すようにＣＯ２ガスの１割以下の性能である。このため、Ｈ２を混合させると絶縁性能を十分に確保させるために絶縁ギャップ長を増やす必要があり、このため機器の大形化を招いていた。またＨ２ガスは分子が小さいため、気密性を確保することが難しく、機密性を確保させるためにガスパッキンを２重化するなどの工夫が必要であった。ＣＯ２に混合するガスをＣＨ４とすることで、これらの課題も全て同時に解決できる。すなわち、Ｏ２ガスのような劣化・損傷の懸念は無くなり、またＨ２ガスのような安全性、大形化、気密性等の懸念も解消される。
【００６３】
ところで、密閉容器１内で何らかの絶縁不良があり、部分放電が持続的に発生していると、その放電により継続的にＣＯガス、あるいはＯ３ガスが生成される。したがって、これらのガスの有無、あるいは濃度を前記センサ５１、あるいはサンプリング容器５３を用いることで分析、監視することで、絶縁破壊の前駆現象である部分放電が発生していることを知ることができる。これにより完全な絶縁破壊が生じる前にその異常を早期発見し、適切な処置をとることで機器故障の被害を最小限にとどめることができる。
【００６４】
Ｏ３ガスはパッキン３８に使われるゴム類を変質劣化させる作用が強く、ガス漏洩など開閉器の品質や安全性の低下につながる懸念がある。パッキンに、たとえば二トリルゴム、フッ素ゴム、シリコーンゴム、アクリルゴム、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、ブチルゴム、ウレタンゴム、ハイパロン、ＥＶＡ樹脂などのＯ３に対して耐性の強い材料を使用することで、パッキン３８の劣化を防ぐことができる。
【００６５】
また、Ｏ３ガスの発生は、摺動面に使用される潤滑グリス３９の酸化劣化を促進させる可能性がある。これらに対する耐性が強いシリコーングリスを用いることで、潤滑性を維持することができる。
【００６６】
また、接触通電を行なわない金属表面に燐酸処理皮膜、アルミナ皮膜、フッ素系コーティング、塗装などの表面処理を施すことにより、水分やＯ３発生による同部の酸化腐食、変質などをより確実に防止することができる。
【００６７】
以上説明した第２の実施形態によれば、地球温暖化への影響が小さく、かつ優れた性能と品質を有し、小形、低コスト、かつ安全性の高いガス絶縁開閉器を提供することが可能となる。さらに、機器の状態を把握することができ、適正な点検および更新の時期の判断を行なうことができる。
【００６８】
［第３の実施形態］
つぎに本発明に係るガス絶縁開閉器の第３の実施形態について説明する。この第３の実施形態の基本的な構成は、第１または第２の実施形態と同様であるので図示は省略する。
【００６９】
第３の実施形態では、消弧性ガスとして、Ｎ２ガスとＣＨ４ガスの混合ガスであってＣＨ４ガスを３０％以上含むものを用いる。ここでは具体的にＮ２（７０％）＋ＣＨ４（３０％）の混合ガスを例とする。
【００７０】
ここで使用されるＣＨ４ガスは、大気中より回収したもの、もしくは有機性廃棄物処理過程などで発生し成り行きでは大気放出されるものを回収、精製したものを利用するのが好ましい。
【００７１】
本実施形態における作用は第２の実施形態、すなわちＣＯ２ガスとＣＨ４ガスの混合ガスの場合と同様であるが、Ｎ２は地球温暖化係数が０で、かつ大気の主成分のため、ＣＯ２の代わりにＮ２ガスを用いることで、さらに環境への影響を小さくすることができる。また、工業的にも多量に流通しており、安価である。
【００７２】
また、Ｎ２はＣ元素を含まないため、それ自体としてカーボン生成に全く寄与しない。
【００７３】
ただし、Ｎ２ガスはＣＯ２ガスに比べて消弧性能、絶縁性能ともに劣るため、機器の大形化、性能低下を招く恐れがある。ただし、図３および図４に示す通り、Ｎ２ガスにＣＨ４を３０％以上混ぜることで、略ＣＯ２ガス単体と同程度の遮断性能、絶縁性能を得ることができる。
【００７４】
第３の実施形態によれば、地球温暖化への影響が小さく、かつ優れた性能と品質を有し、小形、低コスト、かつ安全性の高いガス絶縁開閉器を提供することが可能となる。
【００７５】
［第４の実施形態］
図８は、本発明に係るガス絶縁開閉器の第４の実施形態の密閉容器内の要部を示す部分縦断面図であって、遮断動作途中の状態を示している。第４の実施形態の基本的な構成は、第１、第２、および第３の実施形態と概ね同じであるが、下記の２点に相違がある。
【００７６】
第４の実施形態では、消弧性ガス３１ｃとして、ＣＨ４ガス、もしくはＣＯ２ガスとＣＨ４ガスの混合ガスとし、さらにこれらのガスに対しＯ２もしくはＨ２ガスをさらにその２％以下の範囲で添加したガスを採用する。ここでは、たとえば消弧性ガスをしてＣＯ２ガスとＣＨ４ガスの混合ガスであって、それに対しさらに全体の２％に相当するＯ２ガスを混ぜたものとする。
【００７７】
また、アーク８、もしくはアーク８により熱せられたガス流に曝される位置に、Ｏ元素もしくはＨ元素を含む固体素子６１を配置する。具体的な配置場所としては、たとえばガイド３２の表面付近、およびシリンダ４の内部などである。固体素子６１の材料は、たとえばポリエチレン、ポリアミド、ポリメタクリル酸メチル、ポリアセタールなどを用いる。
【００７８】
なお、消弧性ガス３１ｃにＯ２もしくはＨ２ガスを添加することと、Ｏ元素もしくはＨ元素を含む固体素子６１を配置することは同じ作用を得るためのものであり、両方同時に適用しなくても、どちらか一つのみでも十分実効的な効果を得ることができる。ここでは、両者を含めた実施形態として説明する。
【００７９】
また、ここでは、絶縁ノズル６として、ポリテトラフルオロエチレンを使用したとする。
【００８０】
非常に高温なアーク８近傍では、ＣＯ２、ＣＨ４などのガス分子は解離しており、様々なイオン粒子および電子に分離された状態となっている。電流遮断過程でアークの温度は低下し、各粒子は再び結合しガス分子へと戻る。この際、固定アーク接触子７ａおよび可動アーク接触子７ｂなどの金属の酸化にＯイオンが消費され、ＣＯ２ガスに復元するために必要なＯが一部不足した状態となるため、ＣＯガスが生成される。また、同様にＣＨ４ガスに復元するために必要なＨが、絶縁ノズル６が蒸発して混入したＦイオンと結合してＨＦガスとなることに消費され一部不足した状態となるため、結果としてたとえばＣ２Ｈ４などのＣＨ４以外の炭化水素系のガスが生成される。このため、電流遮断を繰り返すと徐々に密閉容器内のガスの組成が変化してゆき、結果として開閉器の性能が変化してしまう。また、ＣＯガスは毒性のガスであるため、その生成は極力抑制するのが好ましい。
【００８１】
ここでＯ２ガスもしくはＨ２ガスをあらかじめ適量混合させておくことで、たとえアーク接触子などの酸化によりＯが消費されても、またＨＦ生成のためにＨが消費されても、元のＣＯ２、ＣＨ４に戻るためのＯ、Ｈイオンが不足する事態にはならず、電流遮断後もＣＯ２、ＣＨ４のガス量は維持される。これにより、安定した開閉器の性能を維持することができる。また、有毒なＣＯガスも発生しない。
【００８２】
図９は、ＣＨ４＋Ｈ２混合ガス中にて大電流を多数回遮断後のＣＨ４、Ｈ２、ＨＦ、Ｏ３ガス以外の分解ガス生成量を示すグラフである。また、図１０は、ＣＨ４＋ＣＯ２＋Ｈ２混合ガス、ＣＨ４＋ＣＯ２＋Ｏ２混合ガス中にて大電流を多数回遮断後のＣＨ４、ＣＯ２、Ｈ２、Ｏ２、ＨＦ、Ｏ３ガス以外の分解ガス生成量を示すグラフである。これらの図は、いずれも遮断電流は２８．４ｋＡを２０回遮断した後の値を示している。このように、Ｈ２ガスもしくはＯ２ガスを２％程度付加的に混合させることで、上記の分解ガスの生成量が著しく低下することが分かる。ここで、もともと充填されているＣＨ４、ＣＯ２、Ｈ２、Ｏ２以外にもＨＦ、Ｏ３を除外しているのは、これら二つのガスは反応性が高く、たとえ生成されてもある程度の時間が経てば二次的な反応もしくは密閉容器内の金属表面等に吸着されて概ね消滅してしまうからである。
【００８３】
付加的に混合させるＨ２ガスもしくはＯ２ガスは全体の２％以下に限定しているので、これらの付加ガスの混合により開閉器の性能が大きく変わることはない。
【００８４】
このように、Ｈ２ガスもしくはＯ２ガスを付加的に２％を超えない範囲で混合させることで、開閉器の特性をほとんど変化させずに、ＣＯなどの本来存在しなかったガスの生成を顕著に抑制することができる。
【００８５】
また、あらかじめＯ２、Ｈ２ガスを混ぜておく以外にも、図８に示すように、アーク８もしくはアーク８により熱せられたガス流に曝される位置に、Ｏ元素もしくはＨ元素を含む固体素子６１を配置することでも同様の作用が得られる。これは、電流遮断時において固体素子６１が高温のアークあるいは高温のガス流に曝されることにより溶融、気化され、これにより電流遮断時にアーク近傍にＯあるいはＨが局所的に供給されるためである。
【００８６】
開閉器に混合ガスを適用する場合には、当初設計値どおりの性能が常に得られるように、運用時にはその混合比を監視する必要がある。したがって、混合するガスの種類は極力少ない方が機器運用時の管理面で好ましい。固体素子６１の溶融、気化現象を利用することで、Ｏ２やＨ２ガスをあらかじめ混合しなくてすむようになるため、機器管理面の手間が省ける。
【００８７】
以上の構成により、地球温暖化への影響が小さく、かつ優れた性能と品質を有し、小形、低コスト、かつ安全性の高いガス絶縁開閉器を提供することが可能となる。特に本実施形態によれば、有毒なＣＯガスなど本来存在しなかったガスが生成される可能性を著しく低減することができる。
【００８８】
［他の実施形態］
以上説明した各実施形態は単なる例示であって、本発明はこれらに限定されるものではない。たとえば、各実施形態で例示した消弧性ガスの成分は主たる成分を示したものであって、他の不純物ガスが含まれていてもよい。また、各実施形態の特徴を種々に組み合わせてもよい。また、上記実施形態ではパッファ形ガス遮断器の例を示したが、本発明は他のガス絶縁開閉器にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明に係るガス絶縁開閉器の第１の実施形態の要部縦断面図。
【図２】ＣＨ４ガス、ＣＯ２ガス、ＣＯ２＋ＣＨ４混合ガス、ＣＯ２＋Ｏ２混合ガス中でアークを発生した場合における遊離カーボンの生成量解析値を示すグラフ。
【図３】ＣＨ４ガス、ＣＯ２ガス、Ｎ２ガス、ＣＯ２＋ＣＨ４混合ガス、Ｎ２＋ＣＨ４混合ガスのアーク消弧性能を示すグラフ。
【図４】ＣＨ４ガス、ＣＯ２ガス、Ｎ２ガス、ＣＯ２＋ＣＨ４混合ガス、Ｎ２＋ＣＨ４混合ガスの絶縁耐力を示すグラフ。
【図５】本発明に係るガス絶縁開閉器の第２の実施形態の要部縦断面図。
【図６】Ｈ２ガス、ＣＨ４ガスの空気中での爆発範囲を示すグラフ。
【図７】ＣＯ２ガス、Ｏ２ガス、ＣＨ４ガス、Ｈ２ガスの耐電圧性能の相対比較を示す表。
【図８】本発明に係るガス絶縁開閉器の第４の実施形態の密閉容器内の要部を示す部分縦断面図。
【図９】ＣＨ４＋Ｈ２混合ガス中にて大電流を多数回遮断後のＣＨ４、Ｈ２、ＨＦ、Ｏ３ガス以外の分解ガス生成量を示すグラフ。
【図１０】ＣＨ４＋ＣＯ２＋Ｈ２混合ガス、ＣＨ４＋ＣＯ２＋Ｏ２混合ガス中にて大電流を多数回遮断後のＣＨ４、ＣＯ２、Ｈ２、Ｏ２、ＨＦ、Ｏ３ガス以外の分解ガス生成量を示すグラフ。
【符号の説明】
【００９０】
１…密閉容器
３…ピストン
４…シリンダ
５…パッファ室
６…絶縁ノズル
７ａ…固定アーク接触子
７ｂ…可動アーク接触子
８…アーク
９…排気筒
１１ａ…固定側熱ガス流
１１ｂ…可動側熱ガス流
１２…中空ロッド
２１…固定接触部
２２…可動接触部
２３…固体絶縁物
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ…消弧性ガス
３２…ガイド
３３…連通穴
３４…吸着剤
３５…ケース
３６…蓋
３７…締付ボルト
３８…パッキン
３９…グリス
４０…表面処理皮膜
４１…警報装置
５１…センサ
５２…分析装置
５３…サンプリング容器
６１…固体素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
消弧性ガスで充たされた密閉容器内に少なくとも１対の電気接点を配置し、通電時には前記電気接点を接触状態に保つことで通電を行ない、電流遮断時には前記電気接点を解離させて前記消弧性ガス中にアーク放電を発生させ、そのアークを消弧することで電流を遮断せしめるよう構成されたガス絶縁開閉器において、
前記消弧性ガスの主成分がＣＨ４ガスであることを特徴とするガス絶縁開閉器。
【請求項２】
消弧性ガスで充たされた密閉容器内に少なくとも１対の電気接点を配置し、通電時には前記電気接点を接触状態に保つことで通電を行ない、電流遮断時には前記電気接点を解離させて前記消弧性ガス中にアーク放電を発生させ、そのアークを消弧することで電流を遮断せしめるよう構成されたガス絶縁開閉器において、
前記消弧性ガスが、Ｎ２ガスとＣＨ４ガスを主成分とする混合ガスであって、ＣＨ４ガスを３０％以上含むことを特徴とするガス絶縁開閉器。
【請求項３】
消弧性ガスで充たされた密閉容器内に少なくとも１対の電気接点を配置し、通電時には前記電気接点を接触状態に保つことで通電を行ない、電流遮断時には前記電気接点を解離させて前記消弧性ガス中にアーク放電を発生させ、そのアークを消弧することで電流を遮断せしめるよう構成されたガス絶縁開閉器において、
前記消弧性ガスが、ＣＯ２ガスとＣＨ４ガスを主成分とする混合ガスであって、ＣＨ４ガスを５％以上含むことを特徴とするガス絶縁開閉器。
【請求項４】
前記消弧性ガスが、Ｏ２もしくはＨ２ガスが２％以下の範囲で添加された混合ガスであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のガス絶縁開閉器。
【請求項５】
前記アーク、もしくは前記アークにより熱せられた消弧性ガス流に曝される位置に、Ｏ元素もしくはＨ元素を含む固体材料が配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のガス絶縁開閉器。
【請求項６】
前記密閉容器内に形成されて前記消弧性ガスを蓄積し、前記アークの熱エネルギーにより内部空間内の前記消弧性ガスの圧力が上昇するように構成された蓄圧空間と、
前記蓄圧空間と前記アークとを結ぶガス流路と、
を有し、
前記蓄圧空間に蓄積されて前記アークの熱エネルギーによって昇圧された前記消弧性ガスが前記ガス流路を通って前記アークに吹き付けられるように構成されていること、を特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載のガス絶縁開閉器。
【請求項７】
前記密閉容器内において電圧が印加される部分を電気的に絶縁し、かつ機械的に支持するための固体絶縁支持物が、シリカを配合したエポキシ系材料で製作されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載のガス絶縁開閉器。
【請求項８】
前記密閉容器内に、水分を優先的に吸収可能な吸着剤が設置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載のガス絶縁開閉器。
【請求項９】
前記密閉容器は、前記消弧性ガスを密封するためのパッキンとして、二トリルゴム、フッ素ゴム、シリコーンゴム、アクリルゴム、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、ブチルゴム、ウレタンゴム、ハイパロン、ＥＶＡ樹脂のいずれか少なくとも一種を用いていることを特徴とする請求項３ないし請求項８のいずれか一項に記載のガス絶縁開閉器。
【請求項１０】
前記電気接点を解離動作する際の摺動面に潤滑性のシリコーングリスが塗布されていることを特徴とする請求項３ないし請求項９のいずれか一項に記載のガス絶縁開閉器。
【請求項１１】
接触通電を行なわない金属表面の少なくとも一部に、燐酸処理皮膜、アルミナ皮膜、フッ素系コーティング、塗装のいずれかの表面処理が施されていることを特徴とする請求項３ないし請求項１０のいずれか一項に記載のガス絶縁開閉器。
【請求項１２】
前記密閉容器内のＣＯガスもしくはＯ３ガスを検出する検出手段を有することを特徴とする請求項３ないし請求項１１のいずれか一項に記載のガス絶縁開閉器。
【請求項１３】
前記密閉容器内に充填するＣＨ４ガスまたはＣＯ２ガスは、大気中より回収したもの、もしくは成り行きでは大気放出されるものを回収、精製して利用するものであることを特徴とする請求項１ないし請求項１２のいずれか一項に記載のガス絶縁開閉器。
【請求項１】
消弧性ガスで充たされた密閉容器内に少なくとも１対の電気接点を配置し、通電時には前記電気接点を接触状態に保つことで通電を行ない、電流遮断時には前記電気接点を解離させて前記消弧性ガス中にアーク放電を発生させ、そのアークを消弧することで電流を遮断せしめるよう構成されたガス絶縁開閉器において、
前記消弧性ガスの主成分がＣＨ４ガスであることを特徴とするガス絶縁開閉器。
【請求項２】
消弧性ガスで充たされた密閉容器内に少なくとも１対の電気接点を配置し、通電時には前記電気接点を接触状態に保つことで通電を行ない、電流遮断時には前記電気接点を解離させて前記消弧性ガス中にアーク放電を発生させ、そのアークを消弧することで電流を遮断せしめるよう構成されたガス絶縁開閉器において、
前記消弧性ガスが、Ｎ２ガスとＣＨ４ガスを主成分とする混合ガスであって、ＣＨ４ガスを３０％以上含むことを特徴とするガス絶縁開閉器。
【請求項３】
消弧性ガスで充たされた密閉容器内に少なくとも１対の電気接点を配置し、通電時には前記電気接点を接触状態に保つことで通電を行ない、電流遮断時には前記電気接点を解離させて前記消弧性ガス中にアーク放電を発生させ、そのアークを消弧することで電流を遮断せしめるよう構成されたガス絶縁開閉器において、
前記消弧性ガスが、ＣＯ２ガスとＣＨ４ガスを主成分とする混合ガスであって、ＣＨ４ガスを５％以上含むことを特徴とするガス絶縁開閉器。
【請求項４】
前記消弧性ガスが、Ｏ２もしくはＨ２ガスが２％以下の範囲で添加された混合ガスであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のガス絶縁開閉器。
【請求項５】
前記アーク、もしくは前記アークにより熱せられた消弧性ガス流に曝される位置に、Ｏ元素もしくはＨ元素を含む固体材料が配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のガス絶縁開閉器。
【請求項６】
前記密閉容器内に形成されて前記消弧性ガスを蓄積し、前記アークの熱エネルギーにより内部空間内の前記消弧性ガスの圧力が上昇するように構成された蓄圧空間と、
前記蓄圧空間と前記アークとを結ぶガス流路と、
を有し、
前記蓄圧空間に蓄積されて前記アークの熱エネルギーによって昇圧された前記消弧性ガスが前記ガス流路を通って前記アークに吹き付けられるように構成されていること、を特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載のガス絶縁開閉器。
【請求項７】
前記密閉容器内において電圧が印加される部分を電気的に絶縁し、かつ機械的に支持するための固体絶縁支持物が、シリカを配合したエポキシ系材料で製作されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載のガス絶縁開閉器。
【請求項８】
前記密閉容器内に、水分を優先的に吸収可能な吸着剤が設置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載のガス絶縁開閉器。
【請求項９】
前記密閉容器は、前記消弧性ガスを密封するためのパッキンとして、二トリルゴム、フッ素ゴム、シリコーンゴム、アクリルゴム、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、ブチルゴム、ウレタンゴム、ハイパロン、ＥＶＡ樹脂のいずれか少なくとも一種を用いていることを特徴とする請求項３ないし請求項８のいずれか一項に記載のガス絶縁開閉器。
【請求項１０】
前記電気接点を解離動作する際の摺動面に潤滑性のシリコーングリスが塗布されていることを特徴とする請求項３ないし請求項９のいずれか一項に記載のガス絶縁開閉器。
【請求項１１】
接触通電を行なわない金属表面の少なくとも一部に、燐酸処理皮膜、アルミナ皮膜、フッ素系コーティング、塗装のいずれかの表面処理が施されていることを特徴とする請求項３ないし請求項１０のいずれか一項に記載のガス絶縁開閉器。
【請求項１２】
前記密閉容器内のＣＯガスもしくはＯ３ガスを検出する検出手段を有することを特徴とする請求項３ないし請求項１１のいずれか一項に記載のガス絶縁開閉器。
【請求項１３】
前記密閉容器内に充填するＣＨ４ガスまたはＣＯ２ガスは、大気中より回収したもの、もしくは成り行きでは大気放出されるものを回収、精製して利用するものであることを特徴とする請求項１ないし請求項１２のいずれか一項に記載のガス絶縁開閉器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００９−２８９５６６（Ｐ２００９−２８９５６６Ａ）
【公開日】平成２１年１２月１０日（２００９．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１４０４１３（Ｐ２００８−１４０４１３）
【出願日】平成２０年５月２９日（２００８．５．２９）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月１０日（２００９．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月２９日（２００８．５．２９）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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