九州大学学術情報リポジトリ
Kyushu University Institutional Repository
ガス絶縁機器の絶縁信頼性向上と小形化に関する研 究
八島, 政史
https://doi.org/10.11501/3108125
出版情報：Kyushu University, 1995, 博士（工学）, 論文博士 バージョン：
権利関係：
第3章 急峻波サージに対するガス絶縁機器の絶縁特性
3. 1 はじめに
近年のG1 Sの絶縁問題に関して、パーティクル存在時の急峻波サージ電圧に対する絶縁特性が非常に 注目されている。SF 6ガスの絶縁性能は最大電界に強く依存するため、印加電圧の波形によらず不平等電 界では著しく低下する。このことは、微細なパーティクルの存在がG1 Sの絶縁性能に著しく影響を与え る ことを意味しており、実用的にも重大な問題である。1986年にBoeck氏ら(1)により、SF 6の不平等電界 ギャップに対するV-t特性が 100μsからlμsの短時間領域にかけて低下する(左下りのV-t特性とな る)ことが報告されてからは、断路器サージなどの急l峻波サージ電圧に対して問題となるlμs以下のいわ ゆる急峻波領域における絶縁特性の解明が急がれている。特に、断路器サージが原因と考えられる絶縁破 壊事故が頻発した欧州では高い関心が持たれており、CIGRE(l)においてもV打o(Very Fast Transient Over
voltage)あるいはVFTの名称で議論されるとともに、各所で実験的、解析的研究が進められている。
G 1 Sの断路器開閉|侍に発生する断路器サージは、 わが国の実変電所での実測あるいはEMTPによる解
析から、電圧波形の立上り時間が数ns�数10 nsで、数MHz�数10MHzの高周波振動を伴うことが明らかに されている(2)(3)。電圧の波高値は500kV系統で最大2.89pu(2)(約1300kV)と、わが国で従来から使用されて きたG 1 Sの試験電圧レベル(l800kVまたは1550kV)よりもかなり低いため、これまでG1 Sの絶縁上さ ほど問題にされなかった。 しかし、 近年酸化亜鉛素子を適用した高性能避雷器の導入により、 雷サージの 低減が可能となるに至って、その次に波高値が高い断路器サージについても絶縁性能を考慮する必要が生
じ てきた。
現在、 わが国では電気学会電気規格調査会において試験電圧標準規格(JEC・193-1974)の改訂が進められ ており、1994年にJEC-O1 02-1994 r試験電圧標準Jとして制定された。これと並行してGISの標準規格 JEC-2350・1994 rガス絶縁関閉装置jも新たに制定された。これらの規格の中で、500kV系統のG1 Sにつ いては、雷インパルス耐電圧試験電圧値(LIWV)として従来よりも低い1425kV (変圧器回路に対しては 1300kV)が新たに導入きれており、この場合、断路器サージの波高値に対するLIWVの裕度は10%程度と 小さくなる。しかも、断路器サージの波形は試験電圧である標準雷インパルスと大きく異なるため、雷イ ンパルスによって断路器サージに対する絶縁性能までが検証可能かどうかは十分な検討に基づいて判断す べきである。275kV以下の各系統では断路器サージの波高値(2.9pu程度)よりもLIWV(4.0---5.Opuあるい はそれ以上)が大幅に高いので、断路得サージが問題となるのは主として500kV系統である。
断路器サージは変電所の通常運転勤作の中で発生するうえ、 1回の動作で何発ものサージが生じるの で、 雷サージに比べると発生頻度がはるかに高い。また、最近Hiesinger氏(4)により、ギャップ中に鋭利な パーティクルが存在する場合、断路器サージに対する機器の絶縁性能が雷インパルスと同程度あるいはそ れ以下に低下する可能性が指摘されており、場合によっては上記のLIWVの低減に支障を生じる可能性があ る。 したがって、不平等電界ギャップを対象に、断路器サージに対する機器の絶縁特性を雷インパルスに よる特性とも比較して早急に解明する必要に迫られている。断路器サージのような急峻波サージと雷イン
-50-
パルスの相違点は電圧立上りの峻度が大きいことと高周波振動を伴うことであるが、 これらが絶縁特性に 及ぼす効果を定量的に明らかにするには、 放電進展機構の解明が是非とも必要である。
本章では以上の観点から、 パーテイクルの存在を想定したG 1 Sの急峻波サージに対する絶縁特性およ び放電進展機構を解明することを目的とする。特に、 雷インパルス絶縁特性との相違を明確にして、 雷イ ンパルスによる現在の絶縁試験法の妥当性を評価する。3.2節ではパーテイクルの存在を想定した不平等電 界ギャップに対し、 急l唆波サージを模擬した各種周波数の振動性急峻波インパルスを印加して絶縁特性を 評価する。.3節では放電進展機構を検討し、 3.2節で得られた絶縁特性に対して、 放電進展機構に関して得3 られた知見に基づいて説明を加える。さらに、 3.3節では実機器において絶縁上の弱点になりやすいスペー サ沿面に対して絶縁特性を検討する。 ここでは、 パーテイクル先端で生 じたコ ロナ放電電荷がスペーサの 表面に蓄積した条件を想定する。
3.2 振動性急峻波インパルスに対するS F 6の絶縁特性 3. 2 . 1 まえが.き
急峻波サージに対するG 1 Sの絶縁特性を検討aするうえで、 急、峻波サージをどのような電圧波形で模擬 するか、 またどのような供試ギャップを用いるかが重要な問題となる。これらの条件以外にもガス圧力や 電圧の極性 などがパラメータとなる。
表3.1は最近の各所での検討例として、 1989年の第6回高電圧工学国際会議(In ternational Symposium on High Voltage Engineering)、 および1990年の第6回ガス絶縁国際会議(lnternational Symposium on Gaseous Dielectrics)での報告をまとめたものである。供試ギャップとしては、 平行平板、 球一平板、 あるいは同軸 円筒電極なと々にパーティクルを模擬した突起電極あるいは針電極を取付けた例が多い。 ギャップ長は数10 ...100mm である。印加電圧波形としては、 振動性インパルスあるいは矩形波状インパルスが使用されてい る。振動性インパルスの振動周波数は140kHz--- 20MHzと広範囲にわたっている。矩形波状インパルスの立 上り時間は20ns--- 1μsである。
これらの検討のなかで、 振動性インパルスあるいは矩形波状インパルスによるフラッシオーバ電圧が雷 インパルスによるフラッシオーバ電圧よりも低下した実験データを報告しているのはMünchen工科大学 (Hiesinger氏)(4)だけである。印加電圧波形は 1 5MHzの振動性インパルスである。 V-t特性を振動性イン パルスと雷インパルスで比較すると、0.3MPa以下のガス圧力で振動性インパルスの方が低くなり、 O.lMPa では雷インパルスの5---7割程度に低下するとしている。また、 この低下は供試ギャップの突起径が小さ いほど著しいとしている。振動性インパルス印加時の放電の統計遅れは5---25nsで、 形成遅れ(0.5--- 5μs) よりも 非常に短いと評価 している。
一方、 供試ギャップや電圧波形などの条件が上記と比較的近いE d F (Riquel氏ら)(5)の報告では、 振動性 インパルス(l3.7MHz)によるフラッシオーバ電圧が雷インパルスよりも低下することはないとしている。
ただし、 突起先端の曲率半径が小さくなると両者の差が小さくなるとしている。形成時間遅れは突起の大 きさによらず、 電圧値と電圧波形に依存して決まり、 雷インパルスの方が振動性インパルスよりも常に短
表3.1 S F 6ガスギャップの急峻波サージ絶縁特性に関する最近の検討例
研究機関 ギャップ条件 試験電圧波形
概要 文献 (笛インパルスを除く)
V-t 特性は1 -10μs付近が最低 電極配置:突起付き同軸円筒 非振動性インパルス となるU形 特性を示す 。 振 動性 イ 東芝 ギャγプ民: 54mm (同軸円筒110) (波駅長: 0.32-306p s) ン パJレスのフラッシオーパ電圧は
損動性インパルス 官インパル スよりも低下しない。 (6)
(日本) 突起ïf.[t雫・0.26mm (14)
突起長:0.5， 1， 3， 5， 10mm (周波数: 140， 289kHz， 正担↑1:の撮動性イ ンパlレス印加I時
2.5MHz) に、 突起先端と空間電荷との間で
逆欣電が生じる。
司E捗;配置:突起付き平行平板 最低フラッシオーパ電圧を常イ ン
EdF ギャップ長・60mm(突起先端一平板間) 娠動性インパルス パルスと振 動性イ ンパ ルスで比較 (プランス) 突起γ径:0.5， 1.0mm (先端半球状)，
(周波数: 13.7MHz) すると、 常に常イ ンパルス の方が (5)
O.lmm (先端円錐状) 低い。 突起電極のà!J準半径が小さ
突起長・2.5，4， 10mm くなると両者の差が小さくなる。
フラッシオーパ電圧に及ぼす照射
PAU 電極配置.針一平板 の効果、 形成時間遅れな どを観測。
大学 ギャップ長・20mm (針先端一平板間) 矩形波状インパルス 印加電圧の立上り時間を変化させ (7) (フランス)針先端の山準半径: 0.5mm (立上り時間: 20ns-lμs) た場合のフラッシオーバ電圧は正
極性で はほぼ一定となったが、 需 インパルス以下には低下しない。
ガス圧力O.lMPaで振動性インパjレ 電槻配置:小球付き峰一平板 スのV - t特性が雷インパルスの5
München -7割に低下。 この低下は小球径が
工大 ギャップ長・85mm(小球先端一平板間) 振動性インパルス 小さい ほど著しい 。 放電進展の光 (4) (ドイツ) 小球直径: 0.25， 0.5， 1.0mm (周波数: 15MHz)
学的観測 か らリーダ進展モデルを (11) 支持搾長 15mm
作り、 V- t特性の実測データと 一致することを確認。
Aachen 電極配置 突起付き球一球 非振動性インパルス
ギャップ長: 60mm (球一球n日) (0.6/5 0μs) 放電前駆現象、 リーダ形成過程な
工大 どを観測。 放電進展機構は 振動 波 (8)
(ドイツ) 突起半径 1.Omm 振動性インパルス と非振動波で大差はない。
突起長 3mm (周波数 460，670，977kHz)
Dannstadt 電極配置 ・突起付き半球一半球 形成時間遅 れの検 討 が主体。 大気
大学 ギャップ畏: 10， 15mm 振動性インパルス 圧もしくは負圧(0.0 5MPa)にて窒素 (10) (ドイツ) 突起直径:O.2mm (周波数:8， 20MHz) との混合ガスについて も検討。 放 (12)
突起長: 2mm 電進展の光学的観測も実施。
正極性では ガス圧力の増加に対し
M創1itoba 電極配置 突起付き球一 平板 て フラ ッシオーパ電圧はほぼ一定
大学 ギャップ長: 50， 100mm (球一平仮間) 振動性インパルス となる。 雷 インパ ルスよりも振 動 突起直径・1.0mm (周波数:6MHz) 性 インパル スの方がフラッシオー (13) (カナダ)
突起長: 2， 5， 10mm パ電圧が高い。 直流電圧と重畳し
た場合の特性も検討。
イ ンパルスコロナの電荷量、 リ ー Strathc1yde 電極配{畦 ・ 針一平板
矩形波状インパルス ダ形成過程、 形成時間遅れなどを 大学 ギャップ長: 20mm (針先端一平仮間)
(立上り時間: 25ns) 観測。 フレオン混合の効果も検討。 (9)
(イギリス) 針先端の!日l率半径: 0.5mm 微量のフレオン混合によりリーダ
形成の時間遅れが長くなる。
統計的時間 遅れとリーダ進展モデ
司E桶配置 突起付き平履一平板 lレから V-t特性を計算で求め、
ABB ギャップ長 70mm (平仮一平板間) 振動性インパルス 実測値と比較。 実用の高ガス圧で (スイス) 突起直径 1.0mm (周波数: 13MHz) は雷インパ ルスと振動 性インパjレ (15)
突起長 10mm スで V-t曲線やその最低値に本
質的な相違はないとしている。
- 52-
いとしている。 振動性インパルスでは変位電流によりリーダが加熱されるため、リーダが進展しやすいと の主張(1)に対し、リーダに注入されるエネルギーは雷インパルスの方が大きいとして、 この説を疑問視し ている。
東芝(Matsumoto氏ら)(6)の報告では、各種振動周波数の振動性インパルスと各種波頭長をもっ非振動性イ ンパルスを印加して測定したV-t特性を整理しているが、1 �10μsの時間領域で極ノトとなるU特性が生 じることを指摘している。 1μs以下の短時間領域では振動性インパルスでも非振動性インパルスでもフ ラッシオーバ電圧は上昇し、結果として雷インパルス領域のフラッシオーバ電圧より低下することはない と結論している。 また、この領域ではガス圧力に対する依存性が小さ くなり、 その要因としてコロナ安定 化作用が低下し、リーダ放電が支配的になるためと説明している。
振動性インパルスによるフラッシオーバ電圧が雷インパルスよりも低下するデータはLuxa氏ら(16)、
Reynders氏ら(17)も報告しているが、前者はフラッシオーバ電圧値が明示されていない定性的評価にとど まっており、 後者は準平等電界の同軸円筒電極系に対する結果である。 パーティクルが存在しない準平等 電界については、急峻な立上りの振動性インパルスに対して0.1μs付近の短時間領域で測定されたV-t曲 線は、1μs付近での雷インパルスによるV-t曲線の延長線上よりも低いが、雷インパルスV-t曲線の 最低値以下にはならないとの報告もある(1)。
上記の検討例での実験条件を参照して、 印加電圧として少なくとも数MHzの周波数をもっ振動性急峻波 インパルス(以下、振動性インパルス) を使用し、突起電極の直径は可能な限り小さ いもの(0.25mmあるい はそれ以下)を使用する。 ギャッフ。長は50�lOOmm程度として絶縁特性および放電進展機構の検討を行う。
3. 2. 2実験装置および実験方法
実験タンクの外観および実験装置全体の概要を図3.1に示す。 実験タンクはガス止めスペーサで区分され た3つのタンクから構成され、電源側から順に急峻な電圧を発生させるための直列ギャップ、同軸母線モ デル、供試ギャップが格納されている。
供試ギャップの構成を図3.2に示す。 半球および平板電極部分は鏡面仕上げのステンレス製で、ギャップ 長( g )は50mmを標準とし、一部の ケースで100mmとした。 S F 6ガスの圧力(p)は0.1，0.3，0.5MPaの3通 りである。 半球電極の先端にパーティクルを模擬した突起電極を取り付けた。 突起電極の長さ( 1 )は10mm 一定とし、 直径(d)は0.06�2.0mmの8種類を使用した。 その材質や先端形状などの詳細を表3.2に示す。突 起電極は適宜交換したが、実験データの再現性を良くするために、 その先端形状を精度良い半球状に加工 した。 ただし、d=0.15mm以下の突起電極については機械的に弱く、加工が困難であるので切落としのま ま使用した。 d=O.25mmの突起電極については両方を使用した。 なお、 d =0.15mm以下の突起電極につい ては20回程度のフラッシオーバにより溶損するため、これらについては最低フラッシオーバ電圧の評価に 重点を置いた。
実験に使用した印加電圧波形は、正・負両極性の雷インパルスおよび振動性インパルス7種類である。各 振動性インパルスの振動周波数、立上り時間、最初の極小値、滅衰率(各ピークを結ぶ包絡線の減衰率) な
(a)実験タンクの外観
A
本EE8ω 波頭調整周 インパルス発生器
コンデンサ
12∞mm
実験タンク
A:振動性インパルス減衰率調整周抵抗 s:岡周波数調整周インダクタンス
(b)実験装置の構成 実験装置の概要 図3.1
E イ共試ギャップ
接地平板電極
高電圧側電極 実験タンク
?とEOON
g=50mm
オシロスコープ
供試ギャップ 図3.2
実験に使用した突起電極
No. 直径[mm] 材質 先端形状
0.06 タングステン 切落とし
2 0.09 タングステン/レニウム合金 ク
3 0.11 ニクロム 。
4 0.15 タングステン
//
5 0.25 起硬合金(G2) 。
6 0.25 超硬合金(G2) 半球状丸め
7 1.0 焼入れ鉄 。
8 2.0 焼入れ鉄 。
表3.2
どのパラメータを表3.3に整理する。雷インパルスの波頭長・波尾長は1.6/60μs、 規約原点からピークまで の時間は2.7μsである。振動性インパルスについては、 振動周波数が高くなるにつれて各ピークを結ぶ包絡 線の減衰が大きくなり、 振動継続時間も短くなるO
4.2MHzの振動性インパルスは減衰包絡線が緩やかな波形Eも使用したが、 特に断わらない場合は減衰が 比較的早い波形Iを指す。表3.3の波形のうち、 代表的な数例を図3.3に示す。
雷インパルスで試験を行う場合は図3.1(b)の直列ギャップを閉じ、 インパルス発生器で発生させた雷イ ンパルスを実験タンクのブッシングに直接印加した。振動性インパルスの場合はインパルス発生器の出力
波形を開閉インパルスとし、 直列ギャップを開いてフラッシオーバを生じさせるとともに、 図3.1(b)のA、
Bの部分にそれぞれ5 kO ---140kOの抵抗、 1.1μH---0.23mHのインダクタンスを挿入した。Aの抵抗は振 動性インパルスの減衰率を調整するもの、 Bのインダクタンスは振動周波数を調整するものである。
印加電圧の測定には2.2節に記述した容量分圧センサを使用した。円板状センサ面の直径は90mmで、 タ ンクシース内面と同一市上に高電圧側半球電極の側面に対向するように設置した。雷インパルス電圧に対 して、 タンク外部のシールド分圧器による測定値と比較して較正した測定系の分圧比は 1/140000であっ た。容量分圧センサの出力は2系統に分岐して、 2台のオシロスコープ(ソニーテクトロニクス 7104およ び2440)に接続し、 それぞれ電圧波高値、 フラッシオーバ時間の測定に使用した。
供試ギャッフ。の照射は行っていない。準平等電界の絶縁特性を測定する場合には、 電極表面積が格段に 大きい実機器での特性を小規模な電極で評価するために照射を行うケースは多いが、 今回の検討ではパー テイクル存在時の局所的なギャップ条件を対象としているので照射は省略した。
フラッシオーバ電圧特性は50%フラッシオーバ電圧とフラッシオーバ電圧のばらつき範囲(最低フラツ シオーバ電圧と最高非フラッシオーバ電圧の範囲) 、 ならびにV-t特性により評価した。50%フラッシ オーバ電圧は補間法にて求めたO 振動性インパルスによる試験では直列ギャップの放電そのものにばらつ きが生じるため、 正確な電圧制御ができない。 そこで、 ランダムな電圧印加を行った後、 適当な電圧幅を 持つ電圧ステップに各データを配分して、 各ステップごとのフラッシオーバ確率を求めた。なお、 雷イン パルス、 振動性インパルスとも、 ぱらつきの上限と下限を次のような条件で得た。すなわち、 最低フラッ シオーバ電圧が生じた電圧ステップよりも低い印加電圧では少なくとも10回の電圧印加により、 すべてが 非フラッシオーバである。 また、 最高非フラッシオーバ電圧が生じた電圧ステップよりも高い印加電圧で
は少なくとも10回の電圧印加によりすべてがフラッシオーバする。
V-t特性はJEC-0202-1994 Iインパルス電圧・電流試験一般」に準拠して表示した。すなわち、 最大波 高値よりも波頭側でフラッシオーバが生じた場合はその瞬時値を、 それ以降の波尾でフラッシオーバが生 じた場合は厳大波高値の電圧値をフラッシオーバ電圧とした。 また、 規約原点から電圧裁断点までの時間 をフラッシオーバ時間とした。
表3.3 実験に使用した印加電圧波形
印加電圧波形 波頭長[μs] 最初の極小値 1μs点での減衰率 5μs点での減衰率
需インパルス 1.6 一 0.98
振 振動周波数伊佐-lz] 立上り時間[ns]
動 0.96 380 0.04 0.98 0.93
性 2.1 1 80 0.05 0.91 0.79
イ 4.2 ( 1 ) 110 0.05 0.77 0.60
ン 4.2 (11) I.t 0.11 0.85 0.78
/"\
5.8 65 0.07 0.73 0.51
jレ 6.4 24 0.31 0.60 0.55
ス 7.3 23 0.20 0.57 0.46
※極小値、 減衰率はそれぞれの電圧波高値で規格化 - 56-
(a) 雷インパルス (b) O.96MHz振動性インパルス
(c) 2.1 MHz振動性インパルス (d) 4.2MHz振動性インパルス(1)
(e) 4.2MHz振動性インパルス(II) (f) 7.3MHz振動性インパルス
以13.3 r[J加百三十I�波形例
3. 2. 3 フラッシオーバ電圧特性 (1)振動周波数に対する特性
図3.4に各税振動J/;J波数の振動性インパルス (0 1 )に刈する50%フラッシオーバ泡}-I:(V 50)の特性を示 す。 |司凶には市インパルス( L 1 )に対する特'�Ij:_も|ヌIrlr左側に併記する。 正IJ加冠ハ;の級'ド1:はいずれもïE柑'ド1:
である。突起氾称.はl"(符d =0.25mmで先端を、1'--球状にメしめたもの(表3.2のNo.6)で、 、1'--球一千板11日のギャッ
プ長はg=50mm、 ガスハソJはp=0.1， 0.5MPaとした。各プロットに示したぱらつきの1-.1裂とト阪はそれぞ
れ松山非フラッシオーバTElli(Vmx)と以イJ主フラッシオーバ屯正(Vmio)に対応する。!叶|ヌlより以トのこと が判る。
・振動性インパルスのフラッシオーバ;む1:-は4MHz1�'近が最低となるU形の特性をぷすO また、p=
O.lMPaと0.5MPaでのフラッシオーノ幻ω1:のだは小さい。
. p =O.5MPaの場介、4.2MHz似動'ド1:.インパルスのフラッシオーバ電!五は需インパルスと川和U1tになる。
ただし、 1'.Hc U)f�特性のイi側の領域については、J"IJ波数が11.6くなるにつれて印加電JE波高値の滅瓦が大 きくなり、 似蹴j継続|時IIUも知かくなるため、 放T位進以がフラッシオーバに至るr)íJに11'断されてフラッシ
L r〉A----耳
1
t
J
250
200ト 。: 0.1 MPa ム: 0.5MPa
01
脚 出 150
'."..
句、
会
十ャ，�
�
1001-
If\
"
ミζば史
コヲOL_し」ナl寸H
チ ー 」 一一一L_
_L一一上ー1
2 3 4 5
振動周波数 [MHz]
V 日
Vmin
6 7 8
|ヌ13.4 50%フラッシオーバ'屯正一振動性インパルス振動刷波数特't-(k
オーバ電)正が1�1t・したrJJ能性がある。欣í'l1J1t反機構については3.3節で記述するが、'di'インパルス印加時は リーダ進展が始まるとほとんどの場介フラッシオーバにや;るの対し、7.3MHzの振動件インパルス印加IhJ:は リーダ進展がフラッシオーバに雫らず消滅した例が数例制測された。したがって、 振動の滅ぶが小さい波 形を使用すれば、 U JIラの特'tll:.のイI�W飢域は、I�Jltな特'�I:となるnJ能竹がある。
(2) ガス任力に対する特性
|ヌ13.4より、 振動作インパルスの各波形の'1'では振動fi!J]波数が4.2MHzの波形でフラッシオーバ屯川が以低 となることが判る。そこで、 以 卜の検討では.Lとして4.2MHzの振動性インパルス(1卜;・:f:liîhj称性) を使川す る。突起電称(11'(符d=0.25、1.0，2.0mmに対する50%フラッシオーバ電圧ーガスft)J特'悦をい(13.5(a)�(c)に/J二 す。 d=0.25， 1.0mmの.11':相伴1:については、 振動J�iJ波数4.2MHzで減広包絡線が異なる波形Iと Eの!f.f't�I:も 比較した。_1:_裂なネ古来を以ドにまとめる。
. d =0.25mmの場作(]支13.5(a)) :
正本経't�I:.の50%フラッシオーバ'屯J 1:はガスJI)jのþt/ )JUに対してあまり卜.井せず、 飽和する傾向を不すO首
振動性インパルスIIIJj波形に対する50%フラッシオーバí:l1JJ:のみu迭は小さく、 また総じてばらつきも小さ い。4.2MHzの振動性インパルスIとHでは、 "IJj:名-の特':'t/F.はほとんど同じである。被低フラッシオーバむハ;
はp =0.3MPaでは'ぶ・振動十1:.インパルスともIliJれ皮であるが、 p =0.1， 0.5MPaでは笛インパルスの克が低 い。負極性の50%フラッシオーノ計山七はJl-�純'件よりも大|悩に向く、ガス以ノJの増加に対して.1二井する。'市・
振動性インパルスIIIJj波形で 50%フラッシオーバ電J �.は相、当に相違し、 雷インパルスの克が全体的に低い。
. d =1.0mmの場介 (1ヌ13.5(b)) :
正極性の50%フラッシオーバ屯J1:はd=0.25mmの場合と同様に、 ガス正)Jの卜好に対して飽手口傾向をぶ す。振動性インパルスのフラッシオーバ電1.1:はばらつきが大きく、雷インパルスよりも高いフラッシオー バ竜伍を示すo ただし、 p =0.5MPaの故低フラッシオーバ電圧は振動性インパルスの点がわずかに低い0 4.2MHzの振動'内インパルスIとHを比較すると、11可:r，-ともばらつきが大きく、 明確な傾向の相違は認めら れない o t:!i肺�'�I:の50%ブラッシオーバ;díJ 1:.はIl�械'ttl:よりも大幅に向く、ガス1-1:力の増加に対して.I�:Hす る。雷・振動性インパルスIIIJj波形で50%フラッシオーバ竜伍は相違し、 d =0.25mmの場合とは逆に振動性
インパルスのん-がィ令�#:的に低くなる。
. d =2.0mmの場介(1ヌ13.5(c)) :
50%フラッシオーバ福川は正・í�ともに似動性インパルスの)iが高く、またガスU:)Jの増加とともに上井 する。正極性の振動性インパルスr:p加|時はばらつきが異常・に大きくなり、 50%フラッシオーバ電j二1:はf�極 性のそれを.1-.1[11っているo GlJ1JD泡}:1:がJE極't/l:の場合、 話インパルスで試験を行う!僚に、数10μs�J二の4極端 に長いフラッシオーバ時間が頻繁に観測された。さらに、 フラッシオーバの連続と非フラッシオーバの連 続が顕著に生じた。このため、 話インパルスのO.3MPaでは50%フラッシオーバ電以が推定できず、 ぱらつ きの範聞のみぶした。このような刻象は初期j電子の供給が卜分でない場合に生じることが多く、 安定した
/////
↓
一一一-t
3フグd以示寸
I I . . 4.2MHzO I 4.2MHzO I I
400r L 一一 I
� ， _ i'� J.!.!l__]
|正極性|ー Cト -�、 口 |
|負極性卜-. 一企 |
ハunu 円J[〉ぷ〕 nu nu nJ』
出師て|』円、“
::---
If\
h
X
� 100
I V
max
(!?。
.作11nO�-- _L ← ーしー よ ーし 一|
o
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
ガス圧力 [MPa]
(a)突起屯税il\符d =0.25mm
400
nu nu 円J[〉ぷ]出師三 ハUnu 内J』
i和、い入'小hい
ょ
� 100
i;m
.門lIn50O�-ーよー」一一」一一一L_ _l
o
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
ガス圧力 [MPa]
(b)突起電検出作d =1.0mm
500
400f-
[〉ぷ〕
脚300
出+マ，〉、
;、200
If\
f'\
渓o
ぱ3
100 日max
50
. 門1Jn
0;
-ーしームーーし 一一 」一一一」o
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
ガス圧力 [MPa]
(c)突起電練所径d=2.0mm
医13.5 50%フラッシオーバ電圧ーガス圧力特性
ブラッシオーノ汁む1:を狩るには!!(t身、jが必製と与-えられる。l1似性ではこのような現象は'1:-じなかったが、
これは突起電称.からの泊料放111，により、 初J�J'lH: rが供給され作るためと推察される。
以ヒの結呆から、liiJ .のギャップ条件で';'1;'.振動性インパルスそれぞれII'�・f!I，ltl称性の4ケースで絶縁特 性を比較すると、 50%フラッシオーバ泊川が以低となるのはほとんどの場介、 |卜;柑'ド1:.の'市インパルスであ る。d=0.25mmでp =0.3MPaのケースでは、 前インパルスと振動性インパルスで50%フラッシオーバ電)l'
が同科度となった。また、 50%フラッシオーバ屯Ji�とぱらつきのド限(最低フラッシオーノ汗l1J.-f)は必ずし も同じ傾向ではなく、 d =1.0mmでp =0.5MPaのように振動性インパルスのばらつきが非常に大きく、そ のド限が'甫インパルスのそれよりも卜1111ったケースもある。最低フラッシオーバ泡)-(の特性については突 起電極直径の影特にlí-11してこの後にがすO
4.2MHzの振動↑生インパルスIとHでの波形効栄のキ1I逆に|刻しては、 ト.記の検討ífm.ff�では切j維には認めら
れなかった。放電遅れが大きいギャップ条件では、 波j毛の滅兵がゆるやかな波形の)jがフラッシオーバ保 不は高くなると考えられ、振動性インパルスHの'hがより過酷な条什.(機器の絶縁卜.は安全側)で絶縁特'ド1:
を評価できるロJ能'れがある。災際の断路出サージ、の継続時!日jは比較的民く、 故大波1匂イ|貨の6�7割の泡) I�が 10μs程度継続する場介がある(2)(3)ので、f:p加屯} 1:.波j毛の減兵の影響についてはさらに検討が必要である。
(3)突起電械'jll(径の影牢�
凶3.5の結呆を総:令すると、 突起首相\，Uf壬が小さくなるほどフラッシオーバ電IJ:が低ドするとともに、1!?・
振動性インパルス[llrj波形でのフラッシオーバ屯H:の廷が小さくなる傾向がある。この傾向は3.1節でも述べ たように、 これまでの他所での検討からもぶ|唆されることである。そこで、 d =0.06mmまでの微細な突起 電極を使月jしてフラッシオーバ泡J-I:のデータを得た。
このような微細な突起'lt軌を尖験に使川する場作、 1 [nlあるいは複数同のフラッシオーバにより溶損す る可能性がある。また、 線材の強度不よE.から完全な'l[(総状に取りイJけることが凶鮒;で、 突起電根を取り杯 える とギャップ条件が生化する。ここでは、 市インパルスと振動性インパルスのフラッシオーバ電U�を直 接比較するため、 突起屯称ーを称えないでjl1ü名-を測定する必要がある。このため、 フラッシオーバの[nl数が 制限されるので、 故低フラッシオーノ�'，tU正のがf1lnにlTUJ:を置いた。
最低フラッシオーバむ}.[:.は|ヌ13.6にぶすん-法で求めた。すなわち、印加電JIのステップ中日を5%以下と し、各ステップで201111以卜.のí'U:H:.を印加した。最低フラッシオーバ電j五を記録した;�){ステップでは概ね l凹または21111のフラッシオーノくが'1:.じたので、この似はフラッシオーバ羽子事5�10%のフラッシオーノf 電圧値(VS---VIO)に相!吋する。似i政J'ttj:.インパルスの振動周波数は4.2MHzとし、 似性はブラツシオーバn.u.[:.
が低い正極性とした。測定紡来を|ヌ13.7(a)---(c)にぷすO これらの結果より以トのことが判る。
. P =O.lMPaの場合、 信インパルスの!f.'j:1内は突起電税，U符の影響が小さくほぼ平íltである。振動性インパ
ルスについては右上がりの特性となり、 大部分の領域で振動性インパルスのjJがおい。
. P =O.3MPaの場令、 前インパルスの特性に振動性インパルスの特性が近づき、 d =0.25mm 以Fドの領域で
は同程度となる。
. p =0.5MPaの場令、rll，j1'í'の特性が接近する飢域がjよくなり、 d= 1 mmtJ，トーの領域で川手!iリ支となる。 この 領域では最低フラッシオーバ泡ハ:に対するdの影響が小さく、突起電j阪の材質がニクロムであるd=
O.llmmを除けばほほ、ド]:1tな特'ttとなる。 d-=O.llmm以ドの3ケースでは、 いずれも似動性インパルスの ん-が10%税度低く、このキII�主が拡大あるいは減少する傾IílJは凡られないo g =100mmについても振動't/l:
インパルスと;!?インパルスの特ヤkはほぼlliJじである。
電圧ステップ 電 圧 印 加 0:フラッシオーバ
(任意値) ×:;非フラッシオーバ
120--- xoxxoxxxooxxxoxoxxox
125
11 5---120 xxoxxxxxxxoxxxxoxxxx
110--... XXXXXXXOxxxxxxxxxxxx :最低フラッシオーバ電圧
115
105--- XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX : 20回(ιL上)非フラッシオーバ
110
100--... XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX : 20回(主よ上)非フラッシオーバ
105 ステップ幅: 5%以内
↑
凶3.6 最低フラッシオーバ電圧の測定、弘二
2001- 2501-
。 司 L I - ハ-- 4.2MHzO I
メ\
/八
ハ
-0- L I
: --tト- 4.2MHzO I
200ト
>
ニピ I � ー
.=:. Iハ、 n
届
1叫
� � //////�
三
|
五でご...__，--.，---::づ'f;-一一一一一一0〆I I �、.x---
+マ |
ミ1001-
11'\
単h
蝋 50f- ミ150
凶…~ ... /
...
�
100，入
入
11\
選
h 50/ A.
o /"-/ 0--....
〆/
6
<<
--- σ -
___ 可〕、。/
o L; _.L L J I
0.05 0.1 0.25 0.5 1.0 2.0 突起電極直径 [mmJ
OL.1'よ _.L ーム し _ 1 _ _ J 0.05 0.1 0.25 0.5 1.0 2.0
突起電極直径 [mmJ
(a)ガス}J)J p =O.lMPa (b)ガス見方p=O.3MPa
lヌ13.7 故低フラッシオーバ電正一突起垣根直径特性
ハ
I 0
rハー -_;;.;;:;�4 J 0----
nu nU Fhd ハu qu
qu L I
4.2MHzO I O 〈ー
ハUにlv円/』[〉U4]
g=100mm
Q'-�� 一__--会-v
g=50mm
ーレー・レ'」Qノ:\。、K切。\ハー一端先
(\
出 血Fて200
十マ
ミ
15011'\
単100r'\
蝋 先端半球状丸め
2.0 1.0 0.5
[mmJ 5径12直。極一電
| 起11突
r 1
0.05 50
。
(c)ガスJJ)) p =0.5MPa
故低フラッシオーバ電圧-突起電税l紅径特性
|刈3.7
V-t特性 3.2. 4
d =2.0mmのO.lMPaの計7穏類のギヤツ V-t特性はd =0.25mmおよび1.0mmのP =0.1， 0.3， 0.5MPa、
プ条件に対し、 需インパルスおよび4.2MHz振動性インパルスの正・負両根性を印加して実測した。 このう
またd =1.0mmの0.1， 0.5MPaに対す d =0.25mmの0.1， 0.5MPaに夫、JするV-t特'性を�13.8(a)，(b) に、
ち、
るV-t特性を|ヌ13.9(a)，(b)に示す。 側々の測定似は各種時間遅れのため、 かなりのばらつきを生じたが、
これらの下限包絡線を与えれば供試ギャップのV-t特性としては過酷側、 すなわち機器にとっては安全 この下|浪包絡線をV-t曲線として闘中に記入した。
したがって 側の評価に供することができる。
V-t曲線はいずれもだ.1二がりの特性となり、 特に IμsJ2)，ドの短時間領域にかけて傾きが大きくなる (フラッシオーバ屯j七が向くなる) 特性をぶした。 また、 いずれの場合も2μstJ Lの長時間領域ではほぼ平 fB.な特性となったO 名ギャップ条件でV-t rl�l線の最低航をIj-えるのはほとんどの場令、;正極性雷インパ d = 1.0mmの0.5MPaの2ケースでは正極性の需インパルスと振動 d =0，25mmの0.3MPa，
ルスであるが、
-のギャップ条件でも雷インパルスと振動性イ t ÃH線の故低イIi-iがli将
性インパルスでV-
n1ô者の関係は次の3通りがある。 ンパルスではV- t rUIおiは異なり
(1)振動性インパルスの)jが全体に尚い(2ケース) :
d = 1.0mmの0.5MPa(負極性) (2)振動性インパルスのjjが全体に低い(3ケース) :
d =0.25mmの0.5MPa(釘級性)、
ω0， 600 し| 4.2MHzO 1
- 0--- イ\ーー
'--ーーーーーー一ー-，
一.- -Â- -
500ト 圃園田』ーーーーーー _J 500卜
h t \
畠'\\ ... ]出恒二〉三 400、f
、300 � 300
十守 持
，入 ，;\
7、 :"'\ \
1['\ 200 If' 200 \ \ \
f'\ f'\ 、c
100 100
。 Lム t 1 _I
0.1 1 10
7ラッシオーバ時間 [μsJ (a)ガス}-I:)Jp =0.1 MPa
。 0.1 1
フラッシオーバ時間 [μsJ
(b)ガスj七)Jp =0.5MPa
凶3.8 V - t特性(突起電根i町径d=0.25mm)
出
100 500
L 1 4.2MHzO 1
ーベ〉一 一 -6一 一 一一.一一 一-.&一一
ハUnu duT
[〉V4]
出
ハU
nu nu
nu nd
円ζ
ν下|』町、川\っ小h 三l持、い入'小h
100
。 0.1 1 10
フラッシオーバ時間 [μsJ (a)ガスハ:)J p =O.lMPa
。 0.1 1
フラッシオーバ時間 [μsJ (b)ガス圧)Jp =0.5MPa
関3.9 V - t 特性(突起電極直径d= 1.0mm)
d =O.25mmのO.3MPa (.正税性)、 d-1.0mmのO.5MPa (J!�縦性)、 d =1.0mmのO.lMPact1械性) (3)両曲線がうどぷする (長時間領域では抑止動't!l:インパルスの)jが刊く、 知時間領域では振動't�tインパルスの
ノjが低くなる) (9ケース) :
'1I�称性の(2)以外のケース、 f�似性の(1)，(2)以外のケース
上記のうち、|叶 ・のギャップ条件にてV- t 1111線のド|虫伯が振動性インパルスで�訂正となるのは、 d=
O.25mmのO.3MPa (.1王将dt)、 d = 1.0mmのO.5MPa (IE械↑性) の2ケースである。 ただし、 前名ーについては相 違はわずかであり、 後者・については�13.5(b)にぶすように振動性インパルスでのばらつきが桜めて大きい ことに留意する必要がある。
3.2. 5考 察
前節で振動性インパルスに対するS F 6の絶縁特'n�実験的に検討し、 需インパルスに対する絶縁特性と の相違、これらの絶縁特性に及ぼす突起電称'，f(符、 ガス]J:)J、 また振動性インパルスの振動周波数の影響 などを明らかにした。 本以ではこれらの紡米について考察を加える。
振動性インパルスの波形は7!?インパルスと比l校して波頭l峻度が急峻であること、 電H:の振動を伴うこと が相違するO 不平等'r(1)ドにおけるS F6111の放従進展過程は、 印加電圧がギャップ条件に依存するあるレベ ルに達した後、 泡fなだれ、 電子明供、 ストリーマ(コロナ) 形成 、 リーダ転換、 リーダ進展などの諸過税 を経てフラッシオーバに主って完紡すると考えられる。 前節の絶縁特性を理解するには、 上記の諸過れの 中で電圧波踊峻度、 電}{振動、 ギャップ条件などの影響がどのように現れるかを解明する必要がある。
上記の放電進展機構については3.3節で検討するが、 定性的には電!七波頭峻度が大きい振動性インパルス では突起電税先端でのコロナによる電界緩和効果(コロナ安定化作用)が小さく、 コロナからリーダへの転 換過程が平く進行すると考えられる。 ヅj、1'11J.l:振動はリーダ進展過程において、 電圧下降時のリーダ進 展の中断および逆泡採の形成、 変もi�'d1流の流入など種々の現象が関与すると考えられ、 電J+.振動の効果が 放電進展の促進にイ乍川するか、 逆に抑止にそ�:JJするかは科易には推察できない。 しかし、 V-t特性の知 時間領域では振動't/l:インパルスのフラッシオーバ電正が7Rインパルスより低くなる結果から、 振動性イン パルスでは波頭l峻皮が大きいことにより、 リーダの形成が早く行われていることは十分に考えられる。
これに関述してV-t特性の灼l時間領域では'前インパルスよりも振動性インパルスのV-t山線が低く なる場令が多いこと、 またV-t 1111総のード限仙がjlfïj:者で同税度となる場合があることは、 後述するように
G 1 Sの絶縁協調や絶縁レベルの設定、 絶縁試験法の選定など実用而からも情意すべき点である。 V-t
曲線の下限値(故低フラッシオーノ汗出正)がおインパルスと振動性インパルスでlï�れ度となるか、 あるいは 振動性インパルスの)jが低ドする特性は、 これまで大気任付近の低ガスf.l領域ではHiesinger氏(4)の報作例 があるが、 実月jの高ガスJJ:領域での実測は初めてであるoHiesinger氏(4)の報告例では、 振動性インパルスの フラッシオーバ電JFが常インパルスよりも低下する条件として、 直径がO.2mm税度の細い突起電械を右す る不平等電界ギャップで、 ガスJ:J:ブJが大気}_{税皮の場令を指摘している。 このときのlJb]波形によるフラツ
シオーバ電H�の差はかなり大きく、振動't'I:.インパルスのフラッシオーバ電U:が(�・インパルスフラッシオー バ電圧の5�7割程度にまで低卜したデータが版行されている。 ただし、 同氏の実験で使用されている振動 性インパルスは周波数が15MHzと、本検討で使ハJしたものより高い。 本実験では胤波数の相違はあるもの の、振動性インパルスで前インパルスよりもこれほど大幅にフラッシオーバ屯}jうが低下した結果は符られ なかった。 また、 ガスJ.j)Jについても尖川のl印ガス1:1:領域の方が11可波形のフラッシオーバ屯ト1:が接近して おり、 このことt IIiJJ又の紡呆とはうもなる。
図3.7の結果からはガスハ;ノJがlfUく、 突起f立体.の直径が0.25mmよりも小さい場合は、 振動性インパルス による最低フラッシオーバ泡川が桁インパルスのそれよりも最大で10%程度下川る例がある。 このような 特性が放電進展機構のI(IÎから説明できるものか、 あるいは振動tl:インパルスのフラッシオーバ電正におけ
る若しいぱらつきに起附するものかは-1'分に解明する必安がある。
突起電極の'!lÏ径が絶縁特性に及ぼすjj多平�をJ'V-仙iした例は少ないが、鵜瀬氏ら(18)はガス圧力0.45MPa、 突 起電極直径d=0.1...12mmの条刊:で、7!?および開削インパルスのフラッシオーバ電圧に及ぼすdの効呆を 検討している。 開閉インパルスに対しては、 d=0.8mm以下の領域でコロナ安定化作用が現れてフラッシ オーバ電圧が上昇するのに対し、i!?インパルスではそれが小さく、 dによらず平飢な特性となることをげ している。 また、 需インパルスでdに対して、I�:1:8.な特性が生じる点については、 Pinnekamp氏ら(19)による リーダ到達電!七(リーダが刈'1 ílJ電柑に到迷するために必要な電圧) が pによらずはぼ ー定であるとの解釈を 拡張して、dに対してもほぼ ・1じとなるとし、 そのためリーダ進展がフラッシオーバを支配するd =0.8mm 以下の領域ではフラッシオーバ電正もほぼ )むとなると説明している。 関3.7(c)の結呆は、 このような解釈 がある程度成りiJ.つことをぶしている。 印加電j七の波頭l峻度が大きい振動性インパルスでは、 雷インパル ス以上にコロナ安定化作用が小さいため、 リーダ進展が支配的となる不平等電界では雷インパルスと同様 に、 dによらずフラッシオーバ冠}J:はほぼ 'AIになると考えられる。
最後に雷インパルス、 振動性インパルス11可波形でのフラッシオーバ電圧が接近する場合があることを考 慮して、 実機絡の絶縁設計や絶縁協調において配慮すべき点を考察する。 G 1 Sの絶縁設計および絶縁協 調を決定するー肢も去ら本山Jなデータは機桜に刈aするV-t特性で、絶縁レベルの設定にあたってはそのド限 値(最低フラッシオーバ泡}_I:)、 絶縁協調の検討においてはV-t �曲線令体が問題となる。 実機探の絶縁設 計-は各種;l��ド構成安京に対応するギャップ条件(ltiJ�油l' J信j電維や球一平板電板など) での雷インパルスによ るV-t特性を込レドとし、 i砲、円な裕度(たとえば、 標準偏廷の3倍程度) を設定して内部電界設計を行う。
また、 機器の絶縁尖託試験となる形式試験において、 最も向い過電圧を印加するのは雷インパルス耐電[E 試験であり、絶縁設計の妥求から決まる機器の所要寸法は七として雷インパルスi耐電圧に依存する。 した がって、 あらゆるギャップ条件において振動'内インパルスのフラッシオーバ電伍が雷インパルスよりも低 下することがなければ、7!?サージを最大過泡)(とする現状の絶縁協調の条件ートで、 J二日-己の絶縁設計および 絶縁試験は妥内である。 逆に、t反動性インパルスによるフラッシオーバ電}-{が雷インパルスよりも低-卜す るケースがあれば、 首インパルス耐-電正試験で令格した機器が雷サージよりも波高値の低い断路器サージ によってフラッシオーバするnJ能性がIE_じる。
わが同の変電所の絶縁協調条件では'Mサージが故大過電[1:であり、その次に波，'，'.t11[{の，'，いミ過電Jl::は断路 器サージで、高電1.{系統ほど'I，1，j _r，.の波1�'�fli1の廷が小さい。3.1節で述べたように、500kV系統での断路器 サージは解析や尖変屯所での尖測例(20)などから、故人波山イIIIが2.6�2.7puであり、T正協研の解析例では 2.89pu(2)との結果もあるが、いずれにしても市サージレベル(高性能避話器の適切配-ír-Lにより低減された場 合3.12 pu(2))より低いo 500kV系統での前インパルス|耐111:1.1:試験電医術(LrwV)を1425kV(3.17pu)として も、なお約10%の余裕がある。したがって、振動性インパルスのフラッシオーバ也記での若しいぱらつき を考慮しでも、この裕度により71iインパルスによる絶縁試験の信頼性は維持されると考-えられる。 ただ し、500kV系統におけるしIWV=1425kVのように、従米よりも低減された絶縁レベルよりさらに低いLIWV を採用する場令は、断路器サージ、の波1匂イlic':や断路器サージと雷インパルスに対するV-t曲線の相違にも 十分留意し、場合によっては断郎総サージを刈-象とした絶縁協調や絶縁試験の手法、試験官主J五波形の選定 などの対ー応、が必要となる。
なお、G 1 Sがパーティクルなどを合まない完全な清浄状態であればフラッシオーバ電正そのものが高 いうえ、フラッシオーバを生じる条件が故大電界と統計的時間選れによって文配されるので、而積則(印加 電圧が最低フラッシオーバ電川レベルを越えた部分の時間積う冷:i域がある似に達するとフラッシオーバす るとの考え方)に悲づけば、 信インパルスによる絶縁試験が卜分な信頼性をイJ・すると判断できる。 しかし、
機器の運搬中、あるいは据え付け二L�J�'I'のパーティクルの発生や移動なども考慮すると、首インパルスに よる絶縁試験に合格したG 1 Sであっても、運転中の断路�サージにより絶縁破壊事故を起こす可能件が あり得る。特に、 本検討で明らかとしたように、1I1�f烹の小さいパーティクルの存在が絶縁上過酷な条件と なり、 このようなパーティクルについては外部からの診断による検出が困難であることも考慮すると、 断 路器サージに対する機器絶縁J-.の配j怠は怠るべきでない。
3. 2. 6まとめ
断路器サージに刈-するG 1 Sの絶縁特性をIYJ維にし、試験電圧である需インパルスと比較した絶縁性能 評価を行うことを11的として尖験的検討を進めた。 供試ギャップは絶縁性能_1-. 過酷な条件-となるパーテイ
ク ルの存代を考慮して、突起福相Jイナき、ド球_ 'fi.板tl1枯�とし、印力日電圧としては断路端サージを模擬した各 種振動周波数の振動性インパルス屯J.I:を使川した。l.�な結果を以下にまとめる。
(1)振動性インパルスの桜動)tiJ波数を横軸にして50%フラッシオーバ屯j七を整理すると、�IE根性については 振動周波数が4MHz小J近でフラッシオーバ主位以が故低となるU形の特性となる。巨IJ加?むこビの極性が�Il�税 性でガスJ.+.JJ p =0.5MPaの場介、4.2MHzの振動性インパルスに対する50%フラッシオーバ屯正は7日イ
ン パルスと|吋れ皮になる。ガス1.t)Jがフラッシオーバ電圧に及ぼす効果は小さい。
(2) d =O.25�2.0mm、p =0.1 �0.5MPaの範�tIで、 正・:C!n1ü極性の笛インパルス、4.2MHzの振動性インパル
スに対して5却0%フラツシオ一バt泡f11似炉J七j正:を
て飽和傾|ド向f句qを/ぶjド之すo IIlJ .のギャップ条件における故低フラッシオーバ電Ffは常に正極性でttじる。
(3) d =O.06mmというこれまでにない微細な突起電極を使用して、�Ù:根性の印加電圧に対する最低フラツ
--
シオーバ篭l七を�l合lIiした。4.2MHzの振動性インパルスに刈-する最低フラッシオーバ屯J+を市インパルス と比較すると、 突起?並称.のI�(符が大きい場介は'fRインパルスのんカffおいが、 突�'(正械が小さい場合、 n1ü 者が同程度かもしくは似動性インパルスの)Jが低くなる。 このrn，j若の最低フラッシオーバ電!正が接近す る突起電桜iI\符は、 ガスtl:ブJをifGくするにつれて小さい)jにシフトする。
(4)実用のガスJ_-I:)j p =0.5MPaでのII-�称.性に対しては、 d = 1 mm 以b卜の領域で前インパルス、 振動性イン パル ス(4.2MHz)ともほ低フラッシオーバ"位以はほぼ -定となり、 I向.者も同利良;となる。 特にd =O.llmm 以下の場介、 振動性インパルスに刈する故低フラッシオーバ電}J�が首インパルスよりも最大10%税度低 くなる。 この州連が拡大する似I ílJは比られない。
(5)雷インパルスと振動性インパルス(4.2MHz)ではV-t曲線が異なり、 正根性電j臼こ対しては多くの場 合長時間領域では信インパルスの)jが低く、 知時間領域では振動性インパルスのン1-;-が低くなる。 さら に、 d= 1.Omm. p = 0.5MPaのケースなど、 V-t sli線の全体にわたって振動'件インパルスの)jが低ド する例が、 実川のよ'6ガスH:では初めて尖測された。
3. 3
振動性急峻波インパルスに対するS
F6の放電進展機情
3. 3. 1 まえがき
断路器サージに対するS F 6のフラッシオーバfltf(は、 Hiesinger氏(4)の大気J{不、!えて手電界におけるデータ を除けば、 雷インパルスよりも尚く、 断路器サージは実用ー卜.問題とならないとする広凡がこれまで大勢で あった。 しかし、 3.2節で示した4.2MHzの振動'件インパルスと需インパルスに対する絶縁特性、 ならびに V-t特性の検討結果から、 実川の高ガスハ;領域でも振動性インパルスのフラッシオーバ竜伍が雷インパ ルスと同程度に接近する場令があること、 さらに両者の最低フラッシオーバ電圧で比較すると、 突起電械 の直径が小さい場令など、 常インパルスよりも故大10%程度低下するケースがあることを実験的に明らか にした。 この結果;は変電所の絶縁協制において、 需サージと断路探サージの波高仰の関係によっては、 需 インパルス耐這)七試験111 ハ:1itiの選定、 および現状の絶縁試験の手法に問題を4=.じる可能性があることを意 味する。 したがって、 1'.記の特性が1M泡進反機構の面iから説明される有意な現象であるのか、 逆に振動't�t インパルスフラッシオーバ'屯J:I:の1í:しいぱらつきによるものなのかを解明する必要がある。 また、 絶縁特 性に及ぼす電J.-I:波形やガスJ.l:)J、 ギャップ条件などの効呆を1-分に理解するにはフラッシオーバ竜正の測 定だけでは限界があり、 放T8進展機構の解ゆjがZ�I::とも必要である。
S F 6の不平等干抵抗lに対する放屯進以機構の研究としては、 Takuma氏ら(21)によって冨放電に類似したス テップ状リーダ進展の様相|が明らかにされて以米、 各所での検討がある。 最近ではGallimberti氏ら(22)(23)、
Chalmers氏ら(24)によって、.\1.卜.り時間15ns税皮の会E形波あるいは立i二り時間数μsの緩波頭雷インパルスな どに対して、 放78進反のストリーク写真ならびにシュリーレン法によるガス密度変化の観測結果などが報 告されている。 これらによれば、 最初Jの発光となるストリーマの進展が停止した後、 リーダチャネルに転 換する前にストリーマ先端付近で数1111の間欠放電が生じることが明らかにされている。 これは不平等電界
....-
特有の現象で、ストリーマ進展停止後に成制する正・負イオンがLi_いに逆方IIIJに移動する際に性じる放電と 考えられ、 リーダ進展に先だって'1:.じることからプリカーサ放電と呼ばれている。
振動性インパルスに対するが〈屯進反機構については検討例が少ないが、 Matsumoto氏ら(6)、 Mりller氏ら(8) により、 ストリーク'I/j[による放氾進展の観測ほらびに電流波形の測定結果が報fりされている。 Matsumoto 氏ら(6)は振動胤波数2.47MHzの振動↑:'1:インパルスを使別しているが、 放電進展過科で刻れる特徴的な現象と して逆放電の発作を指摘している。 これは泡}!:振動の 各ピーク付 近でリーダ先端に形成された宅間電桁が 電l七 ト降時に残伺し、 失 )@首相先端との1/\1に/卜.じる逆)jlnJのit界により、突起電桜先端から弔問電桁をrll 和する放電(逆放泡)がlj:.じたものと説明されている。 MりlIer氏ら(8)は977kHzの振動性インパルスを使J-IJし ているが、 この場令は逆放電は観測されず、 7!i-インパルスとIn"J様の放電進展過科.が観測されることを報?干 している。 このことから、向J)J01芯}{の似動}-iiJ波数が概ね1 MHzより も低い場令は烈間電荷の移動拡散が電 界の変化に追従するため、 逆放電はlド.じないと考えられている。 なお、 供試電j販のギャップ長が長い場令 (数10cm)は、 需インパルス印加時でも逆放泡が観測されることが宅問氏ら(25)によって報告されている。 こ のとき、 逆放電は'市インパルスの波頭から数10f1 s程度の時間を経過した泌毛領域で現れ、 またほとんどれ 極性でのみ観測されている。
以下、 振動性インパルス印加|時の放iE進反機構を富インパルスのような非振動波との違い、 振動刷波数 の効果、 ガス正)jの効来、 lE・J�称性効果、 逆放電の関与などに着r-Jして検討する。
3. 3. 2実験装置
実験タン夕、 包}.I:r:1J加1111路、電J.I:測定系などは3.2節と同様である。 供試ギャップも同じく、 ステンレス 製半球一平板電械(I'，'GfltJ1:側半球l白:符: 200mm、 接地側平板l直径: 400mm)で、 半球の先端に突起電極を取 り付けたものであるが、 電流の測定を待以1にするため、 凶3.10に示すように突起電極の付いた半球電械を接 地側とし、 高電[1:側の.:-1;:板電板に逆極性となる電).じを印加した。 ギャップ長はg =50mm、 突起電極は先端ー を半球状に丸めた'[1\符d=0.25mmのもの (ぷ3.1のNo.6)に|判定した。 印加電J_I:の振動による変位電流を小 さくするため、.)Il..球屯体;と突起'r11称.を絶縁して別々に按-地し、 突起電械の接地総に電流センサ(Pearson，CT 4100、 周波数結城: 140Hz----35MHz， \，'. 1'.り|時間: 10ns)を取り付けた。 なお、 振動性インパルス印加|時は 供試ギャップの前段にて1�(�Jjギャップをフラッシオーバさせているため、 その際の実験タンク周辺の接地 電位の急変から、 電流波形に:故大数10Aの誘導電流が11:.じた。 この影響を軽減するため、 突起電板の接地 線に5000，税皮の低抗Rを挿入して、 誘導近流の減泌を住(1ったO 官インパルス印加時はこの問題は生じな か った ので直接接地した。
放電進展の観測に使)lJした正IJ加泡}!:波形はぷ3.2のうち、 雷インパルスおよび振動性インパルスの0.96，
4.2，7.3MHzの正税性であるo JE・f�械性による放電進展の違いを明らかにするため、 雷インパルスと4.2
MHzの振動性インパルスについてはí�税件も使用した。 ガス圧力はp= 0.1， 0.3， 0.5MPaとした。
放電進展に関する観測項1jは電l:1:波形、電流波形、 光電子増千台管(以 下 フォトマル) の出λj、 イメージ コンバータカメラ(以下1 C C)によるストリーク像、 静止カメラによる静止写真である。 フォトマル(浜
...
松ホトニクスR2256)の検11'1波長ífili聞は160---650nmで紫外領域まで感度を有する。 また、 電子走行|時間は 48ns、 立上り!時間は2nsである。 1 C C (Hadland Photonics， IMACON 792)のフォトカソードも紫外領域ま で感度を有するS-20タイプであるが、 対物レンズとして通常の光��?レンズ(Nikkor 85mm F1.4)を使mした ため、 観測される光の波長領域はりJ似光の範聞と与えられる。 ストリーク像はKodak T-maxフィルムにて 記録し、 ASA 25000キ11、竹の閉感刻像を行った。 フォトマル、 ICC、 静止カメラを設問した観測窓は紫外 線を透過する川英ガラスで、 180---2000nmの波長領域で90---95%の透過率がある。
印加篭正波形、 電流波形、 フォトマルHUJ、 ICCの電fシャツタ開聞をIJえすモニタIIUJは2fTのデジ タルオシロスコープ(Sony Tektronix， 2430， 2440)に入)jし、 外部トリガにより同時に掃引して表示した。
これらの出ノJは時間的に秩令するようケープル長を揃えた。 ただし、 2合のオシロスコープの掃引に約 80nsの時間差が'1:じたので、 後刻の|ヌIH1i(凶3.11---関3.16) ではこれを補正して表示した。 また、 ICCの トリガからストリーク開始までの時間遅れは50---250nsであった。
突起電極
、絶縁物
H.V.
静止カメラ
唱
フォトマル(PM) イメージコンパータカメラ(ICC)
|立13.10 放電進展観測時の電極配置
...-
3. 3. 3放電進展観測結果 (1) 前インパルスに刈-する放屯泣以
正j極極性常インパルスにおけるI放d皮(，官包泣民の1飢叫j社測H則!Ijリ脈陥系名討結if古1ViJ米択�の
の才各千ガスj打正|正�)刈Jにて、 それぞれの50%フラッシオーバiω1:の約1.25似の屯J1 �を印加した。 観測数は各条件で 16�241111とした。 日正に述べたように、'，t.i:J1 �波)I�(I立Irj' V)および氾流波形( 1 )の1;�jJとフォトマjレnUJ(P M) および1 C Cモニタ波)I� ( 1 C C)のlids求は、 それぞれのオシロスコープの対づ|開始にが�80nsの時間売が'1:.
※左端上下はハレーションによる感光
コ「
々J ア の 土寸nHH
a--t t ，，，
オ 、ン
リノ 一フ フ
θH.V.
一戸---ーーì
� 一�
"..-r/
/ ノ
山中!-..，
• H
'y�..I....+...-'-l山..，…←→->-++-j.. / v/
GND斗.-._/"--
GND斗-\"-，""、J、M'r;/仲OJW州
L_一一一ーLーーー」ーー一一ーしーー一ーi
GNDマ
l
ICC GNDTトー�一V:28kV/div， I:O.4A/div， 時間軸:200ns/div
(a) p =O.lMPa
|ヌ13.11 .I1'�税れ市インパルスに対する放電進以観測舶来 ー71
司�
じたため、 これをネlIìJEするようJl�イi )jJÎIJにずらして制載している。 また、 1 C Cモニタ波形の2つのパル スは電子シャツタの開I�Jに刈Lじするが、 実際のシャツタ開閉まで50�250nsの遅れがあるので、 電J+波形に 対泌させてぶしたストリーク'IJ J.'fのI;�録制��t-Iはこの|時!日j巡れを何n[している。
ICCのストリーク像には、 はじめ突起辺倒先端で声It11 Î状の発光が見られ、 その後チャネル状にイ"1びた 発光が間欠的にmれて進反していく。 !日iJ 1"，は成長したストリーマが集まってコロナ放浴を形成したもの(以 下コロナ)と与-えられ、 球状に発光したj'�'JS分は臨界飢域(ガス111の尖効浴剤f係数が，Il�となる屯!#強度が
O.89k V /cm/kPa以1'，の領域)にほぼ刈泌すると45-えられる。|可欠的に進反するIYJるく発光したチャネルはい
コ「
。H.V
V:28kV/div， I:O.4A/div，時間軸:200ns/div
(b) p =O.3MPa
|実13.11 .1卜:松竹前インパルスに対する放電進反観測結果:
