TWI267245B - Gas insulated switchgear - Google Patents

Description

1267245 (1) 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關適用於變電所或開閉所等的考慮環境調 和的絕緣開閉裝置。 【先前技術】 絕緣性氣體是使用SF6的氣體絕緣開閉裝置，因爲絕 緣信賴性或裝置的小型化優秀，所以多被變電所或開閉所 等使用。因爲此SF6氣體是化學性非常地安定且大氣中壽 命是3 200年很長，所以從環境面考慮的話放出於大氣中 的情況的紅外線吸收量會變大，GWP(Global Warming Potential)是指定爲23 900的非常大的溫暖化氣體。加上 ，因爲SF6氣體是包含硫黃或氟，萬一，在大氣中分解的 情況時擔心對於環境的影響。對於這些的問題解決雖檢討 完全氣體回收等，但是將SP6氣體完全地封入困難，一般 是容許年1%的漏。 從這種狀況考慮環境調和，使用不包含SF6氣體用的 地球溫暖化氣體的開閉裝置是開始被製品化。例如，在日 本特開2002-199522號公報中是揭示組合真空斷電器及石夕 油的開閉裝置。且，在富士時報V0L. 75 No. 1 1 2002的「 24kV脫SF0形氣體絕緣開關裝置」中，有揭示組合乾空 氣及真空斷電器的開關裝置的製品化。 [專利文獻1]日本特開2002- 1 99522號公報 [非專利文獻1]富士時報Vol· 75 No.ll 2002年「 (2) 1267245 24kV脫SF6形氣體絕緣開關裝置」 【發明內容】 (本發明所欲解決的課題） 在上述專利文獻1的技術中有以下的問題點。組合石夕 油及真空斷電器的情況時，矽油的比重與氣體相較是非常 地重且需要保存槽，而無法達成小型·輕量化。加上，收 納開閉器的金屬製的槽筒內因爲是充塡矽油等的難燃或由 可燃性的液體，所以必需設置防止矽油漏的防油堤等的大 規模的對策設備等的問題。 且，在非專利文獻1的技術，除了操作器的開閉裝置 的長度方向及真空斷電器的長度方向是配置成幾乎垂直。 開閉裝置的大小一般是由安裝面線或是開閉裝置的體積評 價。爲了達成小型·輕量化與其長度方向，反之必需謀求 短手方向的短縮化，且必需使風箱所包含的真空斷電器的 長度極力地短縮。因此，提高封入氣體壓的話，風箱長因 爲會加長，所以必然地必需降低封入氣體壓，而會妨害開 閉器的小型·輕量化。 本發明的目的，是鑑於上述習知技術的問題點·提供 一種不使用地球溫暖化氣體的小型.輕量化的絕緣開閉裝 置。 (用以解決課題的手段） 爲了達成上述的目的，本發明是包含真空斷電器及斷 -6- 1267245 (3) 路器’具有將主成分爲N 2及Ο2組成的混合氣體作爲絕緣 氣體使用的密閉容器，其特徵爲：使前述真空斷電器的長 度方向及除了前述氣體絕緣開閉裝置的操作器的長度方向 平行配置的同時，前述密閉容器內的混合氣體的定格氣體 壓或是最低保障氣體壓爲0.2〜0.8MPa· abs。前述平行當 然是容許設計·製作上的誤差，很明顯的也包含非傾斜配 置的略平行。 (發明之效果） 依據本發明，可以提供一種環境調和及小型化·輕量 化兩立的絕緣型開閉裝置。 【實施方式】 首先，進行本實施例的前提的原理的說明。已知N2 對環境負荷的影響是非常小的氣體。且，N2是不是電力 負性的氣體，而是典型的電子減速氣體（electronre retarting gases)，已知作爲良好的絕緣性氣體。電子減速 氣體是將高速電子減速使電子能量下降的氣體。但是，與 一般作爲電力地負性氣體所使用的SF6相比的話，N2的 絕緣耐力是約1 /3，絕緣耐力的改善是必須。 且，一般N2的絕緣耐力爲1的話，因條件不同槪略 已知，N20爲1.1，CH4爲1 ·0，C02爲0.9，〇2氣體是 1 ·〇。這些之中，具備對環境負荷的影響更小，且絕緣性 能高，兼具使用容易的條件的是N2。 -7- 1267245 (4) N2的絕緣破壞機構是如下。藉由電界將超過電子減 速效果的加速以電子地施加的話，電子數急劇增加的電子 崩壞發生而至絕緣破壞。一般，在電子減速氣體混合負性 氣體的話，已知絕緣耐力會被改善且破壞電壓上昇，但是 絕緣耐力大幅提高之負極性氣體因爲是被指定爲地球溫B爰 化氣體，且GWP是比1大的氣體，所以是擔心對地球環 境的影響。 一方面，地球溫暖化係數是1以下，不含氯或氟或硫 黃等的原子的負性氣體是有C〇2及〇2，特別是〇2不是地 球溫暖化氣體，藉由與N2混合可提高絕緣耐力。 在第1圖，顯示純％及Ns/O2混合氣體（乾燥空氣）的 絕緣破壞電壓的氣體壓特性。如電力學會技術報告第8 4 1 號「SF6的地球環境負荷及SF6混合·替代氣體絕緣」， 將乾燥空氣時的準平等電界時的破壞電壓的氣體壓特性以 點線，將N 2時的準平等電界時的破壞電壓的氣體壓特性 以一點鎖線顯示。N2是在0 · 8至1 MP a · ab s以上的高氣 體壓領域，絕緣耐力達到飽和。這是因爲N 2是以0.5 Μ P a • abs程度爲界，比其低的情況中，臨海電界附近的電離 係數的變化因爲穩定，所以局所電界依存性小使氣體壓效 果支配絕緣耐力。相反地，在0.5MPa· abs以上中，電子 崩壞因爲是在短距離電離增倍及絕緣破壞電界高，所以絕 緣耐力會強力地影響弱點破壞。 一方面，空氣的絕緣耐力飽和的氣體壓是比N 2高， 爲3MPa. abs程度。 1267245 (5) 這是藉由混合Ο 2來降低局所電界依存性。但是，對 於空氣的情況，電界也不平等，在高電壓電極的一部分使 用電界集中的電極的情況的破壞電壓的氣體壓特性並不淸 楚。 圖中的實線是電界集中存在的情況時的破壞電壓的氣 體壓特性。電界集中部存在的情況時，氣體壓即使是 0.5MPa · abs程度因爲也局部電界也是非常的高，絕緣耐 力是被弱點破壞強力地影響，絕緣耐力的飽和傾向是 0.5MP a · abs程度。對於開閉裝置使全部的高電壓部分成 爲準平等電界地設計是困難的，必需在考慮了電界集中的 氣體壓特性的條件下來設計機器。 乾燥空氣的情況，藉由負性氣體的〇2的效果，破壞 電壓雖比N2時高，但是氣體壓特性是依存接近佔有氣體 整體的80%的N2的特性，氣體壓是顯示在0.8至IMP a · abs達到飽和的傾向。因此，可達成高氣體壓化的小型化 的情況，是上限的氣體壓爲IMP a · abs程度。 在第2圖顯示02的混合比率及破壞電壓的關係。縱 軸是對於純N2氣體的破壞電壓的相對比。混合比是對於 固定的氣體壓的破壞電壓的平均。一般藉由將02混合於 N2使出現絕緣破壞電壓上昇，是顯示〇2的混合比率的分 壓比是5〜60%的範圍。最適合的〇2的混合比率是依存於 氣體壓。如第3圖所示，氣體壓爲0.2〜0.4MPa· abs的 情況的最適混合比率是0 2的分壓比爲5 0 %前後’氣體壓 爲0.4MP a · abs以上的情況的最適混合比率是02的分壓 1267245 (6) 比爲20%前後。因此，乾燥空氣也可以作爲電子減速氣體 的N2及02的混合氣體，使用乾燥空氣的情況的最適氣體 壓是0.4MPa · abs以上。 一方面，提高供收納真空斷電器用的容器的氣體壓的 話，風箱長會變長，而妨害機器的小型·輕量化。由波紋 管的開閉動作所產生的返覆壽命可由施加於風箱的每1山 的應力來評價，其應力是由壓力所產生的應力及變位所產 生的應力的和求得。即，隨著氣體壓的上昇雖壓力所產生 的應力會增加，但是藉由增加波紋管的山的數，就可使施 加於每1山的應力成爲容許層級以下。 因此，爲了使機器小型是需要在包含真空斷電器的風 箱的長度方向讓設計自由度變大，藉由使供收納真空斷電 器用的容器的長度方向及真空斷電器的長度方向一致而可 以達成。加上，爲了使開閉器器的體積增大極力縮小而進 行相同長度的增大的話，也因爲與其短手方向不如朝長度 方向延伸的效果較佳，所以將真空斷電器的長度方向及前 述容器的長度方向幾乎平行地配置，隨著高氣體壓化使波 紋管的伸長在開閉裝置的長度方向被吸收的話，更可小型 地設計。 且，即使斷路器也需要小電流遮斷性能。N2/02混合 氣體的遮斷能力，除了熱破壞之外，因爲也有續流電流的 問題，所以即使提高氣體壓’極間也不一定短。因此，提 高氣體壓的話，會有相對地極間方向變長的問題，爲了使 機器小型·輕量化，是需要與真空斷電器同樣地將收納槽 -10- (7) 1267245 筒的長度方向及可動子動作方向幾乎平行地配置 密封高氣壓的氣體的容器的板厚11是圓筒 況時，如（1)式所顯示地與氣體壓成比例地變厚。 tl=PxD/(2a)...(l) 在此，σ :周方向的容許應力，P:氣體塵 徑、11 :圓筒的板厚。一方面，不如凸緣的板厚 筒的情況時，如（2)式所顯示，板厚是與氣體壓 成比例地變厚。 t2 = 2dx(ZxCxP/a)05...(2) 在此，d :安裝螺絲間距，Z :由平板的形狀 數，C :由平板的安裝方法決定的係數，P :氣 :容許應力。由（1)及（2)式，可知高氣體壓的情 變厚而導致機器的重量增大。即，提高使用氣體 固定的情況的話，會引起容器的重量增加。加上 高使用氣體壓時操作器的操作力會增大，所以會 的小型化。一方面，由如第1圖所示的氣體壓及 電壓的關係，提高氣體壓的話絕緣耐力會提高， 小型化可能而可以達成機器的小型·輕量化。因 型·輕量化兩立的最適氣體壓是存在的。 因圓筒部及凸緣的重量比率雖最適氣體壓不 爲了達成小型化及低成本化，一般凸緣的使用枚 限度，成爲幾乎固定値。且，對於圓筒部的長度 耐力的上昇雖可以短縮，但是機構部等的影響大 與內徑的變化相比的話預估可小1 /3程度。 容器的情 ;，D :內 t2的圓 的平方根 決定的係 體壓、σ 況的板厚 壓時內徑 ，因爲提 妨礙機器 絕緣破壞 使機器的 此，使小 同，但是 數是最小 藉由絕緣 ，其比率 -11 - 1267245 (8) 在第4圖，是顯示圓筒及凸緣的重量比4: 1的例。 機器的重量最小的氣體壓是0.4MPa · abs程度，爲了設計 在從最小値20%程度的範圍，必需設計氣體壓在0.2〜 〇.8MPa . abs的範圍。且，N2/02混合氣體壓是0.2MPa · ab s以下的話，重量是有急劇增加的傾向。爲了達成開閉 裝置的小型·輕量化的最適範圍的乾燥空氣的氣體壓是 0.2 〜〇.8MPa· abs 的範圍。 即，對於將主成分爲N2、02的混合氣體（〇2的分壓 比是5〜60%)或是乾燥空氣作爲絕緣氣體適用的氣體絕緣 開閉裝置，爲了達成小型·輕量化，最低保障氣體壓或是 定格氣體壓爲0.2〜0.8 MPa · abs的範圍是必須條件。 在第5圖顯示N2/02混合氣體中的電極處理條件的不 同的破壞電壓。電極裸時的最低及最大破壞電壓由桿顯示 ，平均破壞電壓由〇顯示。藉由被覆電極，初次破壞電壓 可爲裸時的平均以上。進一步，將電極由絕緣物塑模情況 時是更有破壞電壓的提高效果，即使相同氣體壓對於裸時 的平均破壞電壓也可讓初次破壞電壓成爲1 .5倍以上，藉 由與混合氣體組合可達成大幅的小型化。且，絕緣被覆時 的氣體壓特性是將由裸時的氣體壓特性所獲得的破壞電壓 成比例倍即可，藉由絕緣被覆或是倂用絕緣塑模就可不需 改變最適氣體壓條件就可小型·輕量化。 絕緣被覆例如有：環氧系樹脂、聚乙烯系樹脂等。且 ，在塑模中例如，使用充塡了明礬或是二氧化矽或是氧化 鈦等的環氧系絕緣物將的話因爲比感應率可某程度任意設 -12- (9) 1267245 定，所以與藉由塑模的厚度組合就可達成機器最適化。以 下，說明本發明的複數實施例。 [實施例1] 第6圖是顯示本發明的槽筒型GIS的一實施例。圖中 的圓筒壓力容器2、7a、7b是封入N2/〇2混合氣體或是乾 燥空氣將0.2〜0.8MPa. abs。 圓筒壓力容器2內收納真空斷電器1的同時，圓筒壓 力容器2的長度方向是對於重力幾乎平行地設置，真空斷 電器1的長度方向也與圓筒壓力容器2的長度方向幾乎平 行地配置。真空斷電器1是通過其下側的開閉用操作桿與 操作器3連接。且，在真空斷電器1的下側配置制動裝置 4達成機器的縮小化。 真空斷電器1的長度方向是與重力平行配置的話，有 以下的效果。隨著氣體壓的增大使風箱變長的話，在開閉 的動作時風箱會發生呈「<」字彎曲的問題。因此，波紋 管變長的話，需將防止前述彎曲用的環配置於風箱間，更 會引起風箱長的伸長。此彎曲是將風箱對於重力垂直方向 配置時最容易引起，但是藉由與重力平行配置，可減少風 箱彎曲防止用的環條數，達成波紋管的短縮化，且可以達 成機器的小型化。 母線斷路器5 a、及線斷路器5 b是隔著氣體區劃用的 隔片6連接。 斷路5的收納氣體區劃是與空斷電器1的收納氣體區 -13- (10) 1267245 劃氣體區分，即使萬一真空斷電器1故障或是檢點時，藉 由將斷路器5a、5b開極使對於其他的回線的影響抑制至 最小限度。且，斷路器5的可動子是藉由與接地開閉器的 可動子10a、10b形成一體，將斷路器5及接地開閉器複 合化，達成斷路器及接地開閉器部分的縮小化。進一步， 收納斷路器的圓筒壓力容器7a、7b的長度方向及斷路器 5的可動子的開極方向是幾乎平行地配置。 且收納斷路器5的圓筒壓力容器7a、7b的長度方向 、及收納真空斷電器1的圓筒壓力容器2的長度方向是幾 乎平行地配置，達成開閉裝置整體的小型·輕量化。加上 ，在母線8及線回線適用纜線接頭9等的固體絕緣，確保 機器的縮小化及設計的自由度。 進一步，藉由將收納真空斷電器1的圓筒壓力容器2 的氣體壓設成比斷路器5的圓筒容器7的氣體壓低，可以 滿足斷路器5的最適小型化及斷電器1的最適小型化雙方 ，進一步開閉裝置整體的小型化是可能的。加上，斷路器 5的高電壓密封或真空斷電器1的上下的電極等因爲電界 集中，所以耢由在此部分環氧樹脂絕緣被覆或是由放入充 塡劑的聚乙烯樹脂等絕緣塑模，不需改變氣體壓，就可大 幅的小型化。 加上’在封入混合氣體或是乾燥空氣使用硫黃系加臭 劑來附與前述氣體味道，封入機器，對於萬一的氣體漏， 也可藉由味道檢測，可早期發現。在硫黃系加臭劑中，例 如有二硫化二乙或是特丁硫醇或是二甲硫。 -14 - (11) 1267245 [實施例2] 在第7圖顯示本發明的槽筒型GI S的其他的實施例。 在斷電器中將真空斷電器VCB縱型配置，分開氣體區劃 連接斷路器D S元件。線側是隔著纜線接頭c Η連接電力 纜線，流動的電流是由計器用變流器CT是測量的系統。 V C Β的操作器是配置於圖中右側的盒內，斷路器D s 、接地開閉器ES的操作器是配置於VCB用操作器的下側 。收納VCB、DS、ES及母線的各金屬容器（圖示的剖面線 部）是形成幾乎圓筒形狀，適合於內壓設計的形狀。此金 屬容器內，例如封入乾燥空氣將的同時，設定最低保障氣 體壓爲0.5MPa · abs，作爲不使用地球溫暖化氣體的小型 •輕量的G1 S。 在本實施例中，VCB及線斷路器DSL是同一氣體區 劃內，母線斷路器DSB是被區劃爲絕緣氣體。這種結構 的一回線是由大的2〜4的氣體區劃所構成。在斷路器D S 中適用葉片式，可動子的支點是藉由配置於斷電器側的導 體而可兼具接地開閉器ES。 且，乾燥空氣作爲絕緣氣體使用的情況時，萬一從機 器漏出的情況，雖不會對環境的影響，但是不易發現機器 的故障處，最惡的情況，必需交換氣體漏出的氣體區劃全 部。在此，藉由在乾燥空氣將分壓比由5 %以下的氦或是 CF3CH2F預先混合再充塡至機器，就可使用氣體檢測器容 易調查氣體漏處，可以達成復舊的效率化。 -15- (12) 1267245 [實施例3] 在第8圖顯示本發明的箱型C - GI S的一實施例。使用 箱型的容器的情況，圓筒的重量增加是顯著比氣體壓高的 情況時，同樣地求得的最適氣體壓是比圓筒的情況低，爲 了達成小型·輕量化的最適合的最低保障氣體壓或是定格 氣體壓的範圍是成爲0.2〜〇.7MPa · abs。將容器形成箱型 的情況時，使用氣體量的降低效果雖是比圓筒時低，但是 可以提高開閉器的設置空間效率。 在本實施例中，VCB及線斷路器DSL是同一氣體區 劃內，母線斷路器D S B是被區劃爲絕緣氣體。這種結構 的一回線是由大的2〜4的氣體區劃所構成。在斷路器D S 中適用線形式的同時，藉由使斷電器側的斷路器D S L及 接地開閉器ES —起對於重力幾乎垂直配置’就可達成開 閉裝置的高度方向的縮小化。且，與地中電力纜線是隔著 纜線接頭CH連接。母線是橫一列的三相總括’適用氣體 絕緣母線，在斷電器區劃、母線斷路器區劃適用混合氣體 (含有乾燥空氣）的同時，藉由使最低保障氣體壓成爲 0.2MPa. abs以上〇.7MPa· abs以下，來達成環境調和及 絕緣耐力的平衡。 C-GIS的情況，因爲是箱型，若提高定格氣體壓的話 ，因爲容器變大且成本提高，愈小的氣體壓是較佳。因此 ，例如，在封入的氣體適用乾燥空氣的情況時’最低保障 氣體壓或是定格氣體壓爲〇·3〜〇.5MPa · abs ’且適用絕緣 -16- (13) 1267245 被覆或是塑模。依據此，與SF6氣體的最低保障氣體壓 (〇.17MPa . abs)時的機器相比可同程度或是小型化。 [實施例4]氣體

在第9圖顯示本發明的三相總括GIS的一實施例。真 空斷電器1是縱型配置且各別與母線斷路器5 a、線斷路 器5b連接。而且通過纜線接頭9與電力纜線連接，斷電 器1是收納在金屬容器2 ’斷路器5 a及母線是收納在金 屬谷益7a’斷路器5b是收納在金屬谷器7b，適用謀求小 型化的N2/02的混合氣體或是乾燥空氣，設定定格氣體壓 爲0.2MPa· abs以上0.8MPa· abs以下，成爲謀求環境調 和及小型·輕量化的GIS。然而，1 9是吸著劑容器，2 0 是架台。

真空斷電器1是對於重力平行地配置的同時藉由呈三 角形配置，達成收納真空斷電器1的圓筒壓力容器2的內 徑的縮小化。真空斷電器1是隔著下面的操作桿連接操作 器3，藉由將操作器3的左右方向的運動朝上下方向變換 進行開閉動作。且，在與纜線接頭9連接的線斷路器5 b 的下側配置制動裝置4的同時，藉由設置制動裝置切離裝 置1 8，可一邊達成小型化，一邊大幅提高安裝時的機電 試驗的效率。 【圖式簡單說明】 [第1圖]顯示純N2及乾燥空氣的絕緣破壞電壓的氣 -17- (14) 1267245 體壓特性的圖表。 [第2圖]顯示〇2的混合比率及破壞電壓的關係的圖 表。 [第3圖]顯示氣體壓及n2 · 02混合比的破壞電壓的 關係的圖表。 [第4圖]顯示氣體壓及機器的重量的關係的圖表。 [第5圖]顯示電極條件及破壞電壓的關係的圖表。 [第6圖]本發明的一實施例的槽筒型GIS的結構圖。 [第7圖]本發明的其他的實施例的槽筒型GI S的結構 圖。 [第8圖]本發明的一實施例的箱型C-GIS的結構圖。 [第9圖]本發明的一實施例的三相總括GIS的結構圖 【主要元件之符號說明】 CH :纜線接頭 CT :計器用變流器 DS :斷路器 DSB :母線斷路器 D S L :線斷路器 ES :接地開閉器 VCB :真空斷電器 1 :真空斷電器 2:圓筒壓力容器（金屬容器） -18- (15) 1267245 3 :操作器 4 :制動裝置 5 :斷路器 5 a :母線斷路器 5b :線斷路器 6 :隔片 7 :圓筒容器

7a、7b:圓筒壓力容器（金屬容器） 8 :母線 9 :纜線接頭 1 0 a、1 0 b :可動子 1 8 :制動裝置切離裝置 -19-

Claims (1)

1. (1) 1267245 十、申請專利範圍 1. 一種氣體絕緣開閉裝置，是包含真空斷電器及斷 路器，具有將主成分爲N2及02組成的混合氣體作爲絕緣 氣體使用的密閉容器，其特徵爲：使前述真空斷電器的長 度方向及除了前述氣體絕緣開閉裝置的操作器的長度方向 平行配置的同時，前述密閉容器內的混合氣體的定格氣體 壓或是最低保障氣體壓爲0.2〜0.8MPa· abs。

   2 .如申請專利範圍第1項的氣體絕緣開閉裝置，其 中，使前述斷路器的可動子動作的方向及前述氣體絕緣開 閉裝置的長度方向平行地配置。 3. 如申請專利範圍第1項的氣體絕緣開閉裝置，其 中，前述平行的方向是重力的方向。 4. 如申請專利範圍第1項的氣體絕緣開閉裝置，其 中，前述密閉容器是圓筒型或是箱型。

   5 .如申請專利範圍第1項的氣體絕緣開閉裝置，其 中，前述混合氣體的〇 2的分壓比是5〜6 0 %。 6.如申請專利範圍第1項的氣體絕緣開閉裝置，其 中，前述混合氣體是乾燥空氣。 7 ·如申請專利範圍第1項的氣體絕緣開閉裝置，其 中，前述密閉容器內是被區劃成複數，具有前述真空斷電 器的區劃的氣體壓是比其他的區劃的氣體壓低。 8 ·如申請專利範圍第1項的氣體絕緣開閉裝置，其中 ，前述混合氣體，是由味道氣體附加味道。 -20-