特開 2024-122098 絶縁スペーサ及び絶縁スペーサの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024122098

(43)【公開日】2024-09-09

(54)【発明の名称】絶縁スペーサ及び絶縁スペーサの製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01B 17/56 20060101AFI20240902BHJP

【ＦＩ】

H01B17/56 D

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023029442

(22)【出願日】2023-02-28

(71)【出願人】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】504237050

【氏名又は名称】独立行政法人国立高等専門学校機構

(74)【代理人】

【識別番号】100121083

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 宏義

(74)【代理人】

【識別番号】100138391

【弁理士】

【氏名又は名称】天田 昌行

(74)【代理人】

【識別番号】100132067

【弁理士】

【氏名又は名称】岡田 喜雅

(74)【代理人】

【識別番号】100120444

【弁理士】

【氏名又は名称】北川 雅章

(72)【発明者】

【氏名】岡本 健次

(72)【発明者】

【氏名】増井 秀好

(72)【発明者】

【氏名】加藤 克巳

【テーマコード（参考）】

5G333

【Ｆターム（参考）】

5G333AA09

5G333AB05

5G333BA01

5G333CA01

5G333DA03

5G333DA04

5G333DA05

5G333DA21

5G333DA22

5G333DA23

5G333DA25

(57)【要約】

【課題】絶縁信頼性を良好に保つことができる絶縁スペーサを提供すること。
【解決手段】絶縁スペーサ（３）は、中心導体（１１）を支持して中心導体の周囲に設けられ、中心導体と軸（Ａ）方向が同一とされるコーン形状のスペーサ本体（１２）を備えている。スペーサ本体は、軸方向に並ぶ頂部側領域（１５）、中間領域（１４）、底部側領域（１６）により形成される。頂部側領域及び底部側領域はそれぞれ一定の比誘電率、頂部側領域は底部側領域より高い比誘電率とされる。中間領域は、頂部側領域との頂部側界面（１４ａ）にて頂部側領域と同一の比誘電率に設定され、底部側領域との底部側界面（１４ｂ）にて底部側領域と同一の比誘電率に設定される。中間領域は、底部側界面から頂部側界面に向かって比誘電率が一定の上昇割合で高くなる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

中心導体を支持して該中心導体の周囲に設けられ、該中心導体と軸方向が同一とされるコーン形状のスペーサ本体を備えた絶縁スペーサであって、
前記スペーサ本体は、前記軸方向の中間を形成する中間領域と、
前記中間領域から前記コーン形状の頂部に亘る範囲を形成する頂部側領域と、
前記中間領域から前記コーン形状の底部に亘る範囲を形成する底部側領域と、により形成され、
前記頂部側領域及び前記底部側領域はそれぞれ一定の比誘電率とされ、
前記頂部側領域は前記底部側領域より高い比誘電率とされ、
前記中間領域は、前記頂部側領域との界面にて該頂部側領域と同一の比誘電率に設定され、前記底部側領域との界面にて該底部側領域と同一の比誘電率に設定され、前記底部側領域との界面から前記頂部側領域との界面に向かって比誘電率が一定の上昇割合で高くなることを特徴とする絶縁スペーサ。

【請求項2】

前記軸方向にて、前記スペーサ本体の全体に対し、前記中間領域が占める割合が５％以上１０％以下に設定されることを特徴とする請求項１に記載の絶縁スペーサ。

【請求項3】

前記軸方向にて、前記スペーサ本体の全体に対し、前記中間領域が占める割合が５％以上１０％以下、前記底部側領域が占める割合が３４％以上３７％以下に設定されることを特徴とする請求項１に記載の絶縁スペーサ。

【請求項4】

前記軸方向にて、前記スペーサ本体の全体に対し、前記中間領域が占める割合が２２％、前記底部側領域が占める割合が３３％以上４４％以下に設定されることを特徴とする請求項１に記載の絶縁スペーサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、絶縁スペーサに関し、特に、ガス絶縁開閉装置に用いられる絶縁スペーサ及び絶縁スペーサの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、絶縁性ガスを封入した接地タンク内に固定される円錐形絶縁スペーサを開示している。かかる絶縁スペーサは、貫通導体と絶縁体とからなり、絶縁体は異なる誘電率を持つ複数の層からなる。異なる誘電率を持つ複数の層は、貫通導体から接地タンクに向けて誘電率の高い順に順次積層され、ガス絶縁機器のコンパクト化を図りつつ絶縁信頼性を保持しようとしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００５－３２７５８０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１においては、円錐形絶縁スペーサの凸面から数えて第一層目の絶縁体と第二層目の絶縁体の界面が、貫通導体の軸方向に対し垂直に形成された構成となっている。かかる構成では、絶縁信頼性を良好に保持すべく、絶縁体と絶縁性ガスとの界面等における電界強度を低減する観点から改善の余地があった。

【0005】

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、絶縁信頼性を良好に保つことができる絶縁スペーサ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】

【0006】

本発明における一態様の絶縁スペーサは、中心導体を支持して該中心導体の周囲に設けられ、該中心導体と軸方向が同一とされるコーン形状のスペーサ本体を備えた絶縁スペーサであって、前記スペーサ本体は、前記軸方向の中間を形成する中間領域と、前記中間領域から前記コーン形状の頂部に亘る範囲を形成する頂部側領域と、前記中間領域から前記コーン形状の底部に亘る範囲を形成する底部側領域と、により形成され、前記頂部側領域及び前記底部側領域はそれぞれ一定の比誘電率とされ、前記頂部側領域は前記底部側領域より高い比誘電率とされ、前記中間領域は、前記頂部側領域との界面にて該頂部側領域と同一の比誘電率に設定され、前記底部側領域との界面にて該底部側領域と同一の比誘電率に設定され、前記底部側領域との界面から前記頂部側領域との界面に向かって比誘電率が一定の上昇割合で高くなることを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、スペーサ本体の表面等における電界強度の低減を図ることができ、絶縁信頼性を良好に保つことができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施の形態に係る開閉装置の断面図である。

【図2】スペーサ本体の軸方向の位置と比誘電率との関係を示すグラフである。

【図3】実施例１の絶縁スペーサ周りを概念的なモデルとして示す図である。

【図4】実施例１の中間領域が占める範囲と電界強度との関係を示すグラフである。

【図5】実施例２における底部側領域が占める範囲と電界強度との関係を示すグラフである。

【図6】実施例３の絶縁スペーサ周りを概念的なモデルとして示す図である。

【図7】実施例３における各モード及び各比較例の比誘電率の変化を示すグラフである。

【図8】実施例３における各モード及び各比較例の電界強度の解析結果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

本発明の実施の形態を説明する前に、本発明の実施の形態に至った経緯について説明する。
従来のガス絶縁開閉装置として、金属製の密封容器の中に高圧導体が配置された構造が知られている。このようなガス絶縁開閉装置において、高圧導体を密封容器の所定の位置に固定するための絶縁スペーサと呼ばれる固体絶縁物が用いられている。

【0010】

従来、一般的に用いられる円盤型の絶縁スペーサにおいては、中央部に高圧導体が設けられ、高圧導体を支持するように絶縁スペーサが設けられる。絶縁スペーサの周囲には金属フランジが取り付けられ、金属フランジにより、密封容器の連結フランジに挟まれて、密封容器に固定される。

【0011】

近年、より経済性が要求されるようになり、ガス絶縁開閉装置のコンパクト化が望まれている。従来の絶縁スペーサにおいては、ＳＦ_６を主成分とする絶縁ガスと固体絶縁物の誘電率の違いを要因とするガス空間における電界集中等がコンパクト化の妨げとなっている。そこで、コンパクト化を図るため、コーン型絶縁スペーサの誘電率を軸方向に変化させることにより、その表面の沿面方向成分の電界を低減する検討がされている。

【0012】

このようなコーン型絶縁スペーサにおいては、高圧導体に接触する部位から接地側に向かって誘電率が低下するように誘電率が傾斜する絶縁体が採用される。かかる絶縁スペーサにおいては、コンパクト化も同時に向上させる必要があり、絶縁体と絶縁性ガスとの界面等における電界強度の低減について、より一層の改善が求められている。

【0013】

以下、本発明の実施の形態に係る絶縁スペーサが用いられるガス絶縁開閉装置（以下、単に「開閉装置」という）について、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、下記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施することができるものである。以下の図においては、説明の便宜上、一部の構成を省略することがある。

【0014】

図１は、実施の形態に係る開閉装置の断面図である。図１に示すように、開閉装置１は、密封容器２と、密封容器２の内部に固定された絶縁スペーサ３と、絶縁スペーサ３の中心の両側に配置された高圧導体４（二点鎖線で図示）と備えている。密封容器２には、絶縁性ガスＧとして乾燥空気やＳＦ_６ガスが充填されている。

【0015】

絶縁スペーサ３の外周縁部には金属フランジ６が取り付けられており、金属フランジ６が密封容器２の連結フランジ７に挟まれることにより、絶縁スペーサ３が密封容器２に固定される。

【0016】

絶縁スペーサ３は、軸状に形成される中心導体１１と、中心導体１１を支持して中心導体１１の周囲に設けられるスペーサ本体１２とを備えている。スペーサ本体１２は、中心導体１１と軸Ａ方向が同一とされるコーン状に形成されている。スペーサ本体１２は、軸Ａ方向に沿った一方の面が凸面Ｃ、他方の面が凹面Ｒに形成される。

【0017】

なお、図示した中心導体１１及びスペーサ本体１２の形状は、理解を容易にするために概略的に例示したに過ぎないものであり、軸Ａ方向や径方向の寸法、厚み等が適宜変更される。また、絶縁スペーサ３は、単相型の構成について図示したが、三相一括型の絶縁スペーサに対し本実施の形態の構成を適用することができる。三相一括型の絶縁スペーサでは、中心導体１１が３本に変更され、スペーサ本体１２における３本の中心導体１１それぞれの貫通部分がコーン状に形成される。

【0018】

スペーサ本体１２は、軸Ａ方向の中間となる範囲を形成する中間領域１４を備えている。また、スペーサ本体１２は、中間領域１４からコーン形状の頂部１２ａに亘る範囲（中間領域１４の図１中右側に隣接する範囲）を形成する頂部側領域１５と、中間領域１４からコーン形状の底部１２ｂに亘る範囲（中間領域１４の図１中左側に隣接する範囲）を形成する底部側領域１６とを備えている。スペーサ本体１２は、軸Ａ方向にて頂部側領域１５、中間領域１４、底部側領域１６の順に連なって形成される。頂部側領域１５において中心導体１１が支持され、中心導体１１は、頂部側領域１５に埋設される部分が大径化した形状に設けられている。

【0019】

中間領域１４は、隣接する頂部側領域１５との間に頂部側界面１４ａを有している。また、中間領域１４は、隣接する底部側領域１６との間に底部側界面１４ｂを有している。頂部側界面１４ａ及び底部側界面１４ｂは、軸Ａ方向に直交する面に対し、略平行に形成されていることが好ましい。

【0020】

スペーサ本体１２は、各領域１４～１６にて所定の電界強度分布を与える比誘電率を備えている。更に述べると、頂部側領域１５は一定の比誘電率とされ、底部側領域１６も一定の比誘電率とされる。頂部側領域１５は、底部側領域１６より高い比誘電率とされる。

【0021】

中間領域１４は、頂部側界面１４ａにて頂部側領域１５と同一の比誘電率に設定される。また、中間領域１４は、底部側界面１４ｂにて底部側領域１６と同一の比誘電率に設定される。中間領域１４は、底部側界面１４ｂから頂部側界面１４ａに向かって比誘電率が一定の上昇割合で高くなる。言い換えると、中間領域１４は、軸Ａ方向の変化量に対する比誘電率の変化量が概ね一定となり、傾斜した比誘電率に設定されている。

【0022】

図２は、スペーサ本体の軸方向の位置と比誘電率との関係を示すグラフである。図２のグラフにて、縦軸が比誘電率となり、頂部側領域１５の比誘電率ε_ｒｔ、底部側領域１６の比誘電率ε_ｒｂとしている。

【0023】

また、図２のグラフにて、横軸は、軸Ａ方向におけるスペーサ本体１２での位置及び範囲を示す相対値となり、スペーサ本体１２の軸Ａ方向の全体寸法を１００％とした場合の相対値となる。また、図２のグラフの横軸は、軸Ａ方向にて、スペーサ本体１２の底部１２ｂの位置を０％、頂部１２ａの位置を１００％の位置として示している。更に、軸Ａ方向にてスペーサ本体１２の全体に対し、中間領域１４が占める範囲（割合）をＺｃ、底部側領域１６が占める範囲（割合）をＺｂとして示している。

【0024】

図２のグラフで示すように、頂部側領域１５は比誘電率ε_ｒｔで一定とされ、底部側領域１６は比誘電率ε_ｒｂで一定とされ、比誘電率ε_ｒｔが比誘電率ε_ｒｂより高くなる（ε_ｒｔ＞ε_ｒｂ）。中間領域１４の頂部側界面１４ａでは比誘電率ε_ｒｔ、底部側界面１４ｂでは比誘電率ε_ｒｂに設定され、中間領域１４は、底部側界面１４ｂから頂部側界面１４ａに向かって一定の（直線的な）傾きとなる比誘電率傾斜をもっている。

【0025】

このようにスペーサ本体１２の比誘電率を設定した構成にて、一例として有限要素法（ＦＥＭ：ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ）を用いて一般三次元電界解析を行い、電界緩和効果を求めた。かかる解析では、実施の形態の構成にて、比誘電率ε_ｒｔを１２、比誘電率ε_ｒｂを４とした。また、解析を行う位置は、絶縁性ガスＧと各導体４、１１との界面にて電界強度が最大になる位置とし、本実施の形態では、スペーサ本体１２の凹面Ｒ近傍に位置する高圧導体４の端部とした。なお、有限要素法を用いた電界解析は、例えば、市販のシミュレーションソフトウェアを用いて実施することができる。

【0026】

また、比較例として、実施の形態の構成に対し、スペーサ本体１２の全てにおいて比誘電率を比誘電率ε_ｒｂ（＝４）に変更したモデルを作成し、上記と同様に解析を行った。上記の解析結果から、比較例に比べて実施の形態の構成の方が最大１８％の電界緩和効果が得られることを確認した。よって、実施の形態のようにスペーサ本体１２の比誘電率を設定することで、絶縁性ガス中で絶縁破壊耐性を発揮して絶縁信頼性を良好に保つことが可能となる。

【0027】

次に、スペーサ本体１２を構成する絶縁樹脂層の材料となる樹脂の成分とその特性について説明する。スペーサ本体１２における中間領域１４、頂部側領域１５及び底部側領域１６それぞれにあっては、単一の絶縁樹脂層によって形成してもよいし、軸Ａ方向に複数の絶縁樹脂層を積層して形成してもよい。中間領域１４のように、比誘電率に傾斜を持たせる目的で、比誘電率が異なる複数の絶縁樹脂層を積層して形成してもよい。この場合、接触して隣り合う２つの絶縁樹脂層の比誘電率及び組成が異なっていてもよい。なお、隣り合ってない２またはそれ以上の絶縁樹脂層の誘電率及び／または組成が同一に構成される場合を妨げるものでない。

【0028】

複数の絶縁樹脂層に共通して、各層を構成する樹脂は、注入時の条件において流体状の絶縁性樹脂である。このような樹脂は、熱硬化性樹脂と充填材とを含み、任意選択的に硬化剤、硬化促進剤、並びに添加剤を含んでもよく、加熱硬化されて絶縁スペーサ３として機能しうる、誘電率が３～４０程度の樹脂であればよい。

【0029】

熱硬化性樹脂は、例えば、エポキシ樹脂、マレイミド樹脂、シアネート樹脂、あるいはそれらの混合物であってよい。熱硬化性樹脂は、好ましくは、エポキシ樹脂である。エポキシ樹脂は、エポキシ樹脂主剤と、硬化剤と、任意選択的に硬化促進剤とを含むことが好ましい。エポキシ樹脂主剤としては、脂肪族エポキシ、または脂環式エポキシ、あるいはこれらの混合物を用いることができる。脂肪族エポキシ樹脂としては、ビスフェノールＡ型エポキシ、ビスフェノールＦ型エポキシ、ビスフェノールＡＤ型エポキシ、ビフェニル型エポキシ、クレゾールノボラック型エポキシ、３官能以上の多官能型エポキシ等が挙げられるが、これらには限定されない。これらを単独で、または二種類以上混合して使用することができる。脂環式エポキシ樹脂としては、単官能型エポキシ、２官能型エポキシ、３官能以上の多官能型エポキシ等が挙げられるが、これらには限定されない。脂環式エポキシ樹脂も、単独で、または異なる二種以上の脂環式エポキシ樹脂を混合して用いることができる。

【0030】

樹脂には、任意選択的な成分として、熱硬化性樹脂の硬化剤を含んでもよい。硬化剤は、熱硬化性樹脂の主剤と反応し、硬化しうるものであれば特に限定されない。例えば、エポキシ樹脂主剤の硬化剤としては、酸無水物系硬化剤を用いることが好ましい。酸無水物系硬化剤としては、例えば芳香族酸無水物、具体的には無水フタル酸、無水ピロメリット酸、無水トリメリット酸等が挙げられる。あるいは、環状脂肪族酸無水物、具体的にはテトラヒドロ無水フタル酸、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、ヘキサヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸、無水メチルナジック酸等、もしくは脂肪族酸無水物、具体的には無水コハク酸、ポリアジピン酸無水物、ポリセバシン酸無水物、ポリアゼライン酸無水物等を挙げることができるが、特には限定されない。硬化剤の添加量は、主剤の硬化に必要な量であってよく、主剤及び硬化剤の種類によっても異なるが、当業者が適宜決定することができる。

【0031】

また、樹脂には、任意選択的な成分として、熱硬化性樹脂の硬化促進剤を含んでもよい。硬化促進剤としては、イミダゾールもしくはその誘導体、三級アミン、ホウ酸エステル、ルイス酸、有機金属化合物、有機酸金属塩等を適宜用いることができるが、特には限定されない。

【0032】

さらに、樹脂には、その特性を阻害しない範囲で、任意選択的な添加剤を含んでいてもよい。添加剤としては、例えば、難燃剤、樹脂を着色するための顔料、耐クラック性を向上するための可塑剤やシリコーンエラストマーが挙げられるが、これらには限定されない。

【0033】

充填材は、樹脂の比誘電率を所望の値とするように種類及び量を設計し、樹脂に含めることができる。充填材としては、絶縁性の無機充填材を用いることができる。比較的低誘電率の樹脂を調製するための充填材としては、下記に詳述する比誘電率が１０未満の無機充填材を用いることができる。比較的高誘電率の樹脂を調製するための充填材としては、下記に詳述する比誘電率が１０以上の無機充填材を用いることができる。比較的低誘電率の樹脂、比較的高誘電率の樹脂ともこれらの無機充填材を１種類もしくは２種類以上組合わせることにより、その比誘電率を調整する。本明細書において、比誘電率が１０未満の無機充填材を低誘電率フィラー、比誘電率が１０以上の無機充填材を高誘電率フィラーと指称する。

【0034】

本実施の形態によるコーン型の絶縁スペーサ３においては、複数の絶縁樹脂層の少なくとも１以上が、熱硬化樹脂主剤と、第１無機充填材と、第２無機充填材とを含んでなる。第１無機充填材は低誘電率フィラーのみ、高誘電率フィラーのみ、もしくは低誘電率フィラーと高誘電率フィラーとを組み合わせた２種類でもよく、さらに３種類以上でもよい。そして、第１無機充填材の平均粒子径は、第２無機充填材の平均粒子径よりも大きい。複数の絶縁樹脂層を構成する比誘電率を高く設計すべき層、比誘電率を低く設計すべき層、傾斜変化する比誘電率を設計すべき層のそれぞれにおいては、第１無機充填材を含み、かつ、ナノメータースケールの平均粒子径を有する第２無機充填材を充填することが好ましい。特には、中心導体１１に接して導体／樹脂の界面の電界強度が高くなる絶縁樹脂層は、第１無機充填材と、第２無機充填材とを含む組成とすることが好ましい。しかし、全ての層において、第１無機充填材と第２無機充填材とを含んでもよい。

【0035】

第１無機充填材は、好ましくは、平均粒子径が０．１～１００μｍの無機充填材である。第２無機充填材は、好ましくは、平均粒子径が１～５００ｎｍの無機充填材である。ここで、平均粒子径とは、レーザー回折法により測定した値をいうものとする。ただし、第１無機充填材の平均粒子径は、第２無機充填材の平均粒子径よりも大きいものとする。本明細書において、０．１～１００μｍの平均粒子径を有する充填材を、マイクロフィラーとも指称する。また、１～５００ｎｍの平均粒子径を有する充填材をナノフィラーとも指称する。そして、第１無機充填材は高誘電率フィラーであっても良く、または低誘電率フィラーとの組み合わせであっても良い。第２無機充填材は高誘電率フィラーであっても低誘電率フィラーであってもよい。高誘電率の第１無機充填材に、第２無機充填材を添加した高誘電率樹脂を用いることで、高誘電率の絶縁樹脂層を形成することができ、かつ絶縁破壊電圧の低下を抑制することができる。低誘電率の第１無機充填材に、第２無機充填材を添加した低誘電率樹脂を用いることで、低誘電率の絶縁樹脂層を形成することができる。複数の絶縁樹脂層のうち、誘電率を高く設計すべき層に高誘電率樹脂を適宜、低誘電率樹脂と組合わせて用いることが好ましい。

【0036】

高誘電率樹脂において、第２無機充填材は、高誘電率樹脂全体の体積を１００％としたときに、０．１～２０．０体積％の範囲で含んでもよく、０．１～１０．０体積％とすることが好ましい。また、第１無機充填材は、高誘電率樹脂全体の体積を１００％としたときに、４～８０体積％の範囲で含んでもよい。ここでいう体積とは、熱硬化性樹脂の硬化前の体積をいうものとする。

【0037】

低誘電率フィラーとして用いることができる物質としては、例えば、シリカ、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、ドロマイト（ＣａＭｇ（ＣＯ_３）_２）、窒化ボロン、水酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、タルク、クレー、マイカ、ガラス繊維が挙げられるが、これらには限定されない。低誘電率フィラーの形状は、特には限定されず、球状、板状、針状、角状、中空状などであってよい。

【0038】

高誘電率フィラーとして用いることができる化合物としては、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、ドロマイト（ＣａＭｇ（ＣＯ_３）_２）、酸化チタン（ＩＶ）（ＴｉＯ_２、アナターゼ型ＴｉＯ_２）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３）などが挙げられる。これらは、組成式がＡＢＯ_３で表記されるペロブスカイト型結晶構造を有しており、Ａ元素としては、Ｂａ、Ｐｂ、Ｌａなど、Ｂ元素としてはＴｉ、Ｚｒなどが該当するが、これらには限定されない。また、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ニオブ酸鉛（ＰｂＮｂ_２Ｏ_６）、酸化ハフニウム（ＩＶ）（ＨｆＯ_２）、五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）、酸化クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）、酸化銅（ＣｕＯ）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、シリコン（Ｓｉ）、ダイヤモンドなどがある。高誘電率フィラーの形状も、特には限定されず、球状、板状、針状、角状、中空状などであってよい。また、高誘電率フィラーの形状は、低誘電率フィラーの形状とは、同じであってもよく、異なっていてもよい。

【0039】

高誘電率樹脂は、第１無機充填材と、第２無機充填材を、それぞれ、上記好ましい含有量範囲から選択される含有量にて含んでいればよい。したがって、第１無機充填材が、誘電率が同一または異なる２種以上の異なる高誘電率フィラーを含んでいてもよい。第２無機充填材が、誘電率が同一または異なる２種以上の異なる低誘電率または高誘電率フィラーを含んでいてもよい。第２無機充填材は、高誘電率フィラーと低誘電率フィラーとの両者を含んでいてもよい。また、高誘電率樹脂は、第１無機充填材と第２無機充填材に加えて、任意選択的に第３無機充填材を含んでいてもよい。第３無機充填材は、０．１～１００μｍの平均粒子径を有する、比誘電率が１０未満もしくは比誘電率が１０以上の無機粒子であってよく、シリカ、窒化ボロン、アルミナ、ドロマイトから選択される１以上の粒子であってよいが、これらには限定されない。第３無機充填材を含む場合は、第１無機充填材と第３無機充填材との総体積が、高誘電率樹脂全体の体積を１００％としたときに、４～８０体積％であることが好ましい。第１、第２及び任意選択的に第３無機充填材の化合物種、組成、並びに含有量を適宜組み合わせることで、絶縁スペーサ３を構成する絶縁樹脂層の数に合わせて、任意の誘電率をもつ樹脂を設計することができ、絶縁スペーサ３全体として、所望の誘電率の傾斜を実現することが可能である。したがって、複数の絶縁樹脂層のうち、全ての層が、第１無機充填材と第２無機充填材と第３無機充填材とを含んでいてもよく、複数の絶縁樹脂層のうち、一部の層、例えば、導体に接する層が第１無機充填材と第２無機充填材と第３無機充填材とを含んでいてもよい。

【0040】

高誘電率の絶縁樹脂層を形成するための充填材として、酸化チタン、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム等を熱硬化性樹脂に充填すると、絶縁破壊電圧が低下する場合がある。例えば、比誘電率が３～４程度であるエポキシ樹脂に高誘電率のマイクロサイズの充填材を配合すると、絶縁スペーサ３に電圧が印加された場合に、充填材とエポキシ樹脂界面に界面分極現象が生じ高電界となる。充填材の誘電率が高いほどこの界面分極現象は大きくなる。しかし、本発明によれば、高誘電率の絶縁樹脂層を形成するにあたって、上記の第１無機充填材と第２無機充填材と任意選択的に第３無機充填材とを併用した高誘電率樹脂を用いることにより、絶縁破壊電圧の低下を抑制することができる。

【0041】

本実施の形態による絶縁スペーサ３の製造方法について説明する。本実施の形態による絶縁スペーサ３は、注入用型に複数の絶縁樹脂層を構成する樹脂を、所定の積層順に注入する工程と、注入され、積層された樹脂を加熱硬化する工程とにより製造することができる。

【0042】

注入用型としては、鉛直方向下方に向かって凸状であり、凸状の底面中央部に中心導体１１を設置可能なキャビティを備えるものを用いることができ、キャビティの形状は、所望のコーン型絶縁スペーサ３の形状に適合するように適宜設計することができる。樹脂の注入は、頂部側領域１５を構成する樹脂から順に、所望の層厚さ、所望の順序となるように行うことができる。鉛直方向下方に向かって凸状の注入用型を用いて図１に示す絶縁スペーサ３を製造する場合、頂部側領域１５が最下層となり、中間領域１４、底部側領域１６を順にその上に上層として形成する。注入は、頂部側領域１５には高誘電率樹脂を注入し、その上の中間領域１４には高誘電率樹脂及び低誘電率樹脂を混練して注入するとよい。かかる混練にて、高誘電率樹脂の配合比が漸減しつつ低誘電率樹脂の配合比が漸増するよう各樹脂の供給量を制御することで中間領域１４の傾斜変化する比誘電率に対応できる。中間領域１４の上の底部側領域１６には低誘電率樹脂を注入する。頂部側領域１５、中間領域１４、底部側領域１６を構成する樹脂の注入は、連続して行ってもよいし、所定時間を空けて注入してもよい。

【0043】

他の注型方法としては、例えば、特開２０２０－１３８４８６号公報または特開２０２０－１３８４８７号公報に開示された方法にて製造することができるが、特定の注型方法には限定されない。また、本発明に係る絶縁スペーサ３は、本明細書で例示する方法には限定されず、積層型の絶縁スペーサ３について知られている任意の方法により製造することができる。

【0044】

複数の絶縁樹脂層を構成するすべての樹脂の注入後、加熱硬化の工程を行う。加熱の温度及び時間等の条件は、使用する熱硬化性樹脂の硬化条件に適合するように、当業者が適宜決定することができる。例えば、熱硬化性樹脂がエポキシ樹脂の場合、１２０～１４０℃程度で、１～５時間程度とすることができるが、特定の条件には限定されない。場合により、二段階の加熱による硬化を実施することもできる。また、加熱は、大気圧下で実施することもでき、減圧下で実施することもできる。

【実施例0045】

続いて、上記実施の形態における構成の条件を種々設定し、電界解析を行った実施例１～３について以下に説明する。なお、電界解析は、上述と同様に有限要素法を用いた一般三次元電界解析とした。

【0046】

［実施例１］
図３は、実施例１の絶縁スペーサ周りを概念的なモデルとして示す図である。図３のモデルでは、絶縁スペーサ３周りについて軸Ａから半分領域を図示し、コーン状のスペーサ本体１２に対応する部分がハッチングで表されている。図３にて、スペーサ本体１２の左右両側には絶縁性ガスＧとしてＳＦ_６が充填され、スペーサ本体１２及び絶縁性ガスＧの上部に中心導体１１及び高圧導体４が隣接している。中心導体１１及び高圧導体４には所定の電圧が印加される。スペーサ本体１２及び絶縁性ガスＧの下部の破線より下方領域は接地電位に設定される。なお、上記の条件は、スペーサ本体１２の形状が異なるものの後述する図６のモデル（実施例３）も同様とされる。

【0047】

実施例１では、図３のモデルにて、頂部側領域１５の比誘電率ε_ｒｔを１２、底部側領域１６の比誘電率ε_ｒｂを４、中間領域１４の比誘電率を４～１２にて傾斜変化させた（図３では各領域１４～１６を図示省略）。また、中間領域１４が占める範囲Ｚｃを複数の条件として電界解析を行い、比較例として、実施例１に対し、スペーサ本体１２の全てにおいて比誘電率を比誘電率ε_ｒｂ（＝４）に変更した条件にて電界解析を行った。

【0048】

電界強度の解析を行う位置は、図３に示す解析点ＰＴ１、ＰＴ２とした。解析点ＰＴ１は、絶縁性ガスＧと各導体４、１１との界面にて電界強度が最大になる位置とした。解析点ＰＴ２は、絶縁性ガスＧとスペーサ本体１２の凸面Ｃとの界面にて電界強度が最大になる位置とした。図４において、各解析点ＰＴ１、ＰＴ２での電界強度の解析結果を、符号ＰＴ１、ＰＴ２を付したグラフで示す。

【0049】

図４は、実施例１の中間領域が占める範囲と電界強度との関係を示すグラフである。図４のグラフにて、縦軸が電界強度であり、横軸が軸Ａ方向における中間領域１４が占める範囲Ｚｃである。縦軸の値は、比較例における解析点ＰＴ１の電界強度を１とした場合の相対値である。

【0050】

図４にて、解析点ＰＴ１のグラフは、中間領域１４が占める範囲Ｚｃが小さいほど良好な電界強度の解析結果となっており、特に、該範囲Ｚｃが１０％以下にて良好な電界強度の解析結果となっている。また、解析点ＰＴ２のグラフは、中間領域１４が占める範囲Ｚｃが５％付近から１２％付近の間と５２％以上にて良好な電界強度の解析結果となっている。よって、実施例１では、中間領域１４が占める範囲Ｚｃが５％以上１０％以下（図４の「Ｚ１」）にて、両方の解析点ＰＴ１、ＰＴ２が良好な電界強度分布となり、絶縁性ガス中で絶縁破壊耐性を発揮して絶縁信頼性を良好に保つことが可能となる。

【0051】

［実施例２］
実施例２は、実施例１にて設定した中間領域１４が占める範囲Ｚｃ（５％以上１０％以下）の概ね中央値となる８．１％に設定し、底部側領域１６が占める範囲Ｚｂを複数の条件とし、これら以外は実施例１と同じ条件で電界解析を行った。また、比較例として、実施例２に対し、スペーサ本体１２の全てにおいて比誘電率を比誘電率ε_ｒｂ（＝４）に変更した条件にて電界解析を行った。図５においても、各解析点ＰＴ１、ＰＴ２での電界強度の解析結果を、符号ＰＴ１、ＰＴ２を付したグラフで示す。

【0052】

図５は、実施例２における底部側領域が占める範囲と電界強度との関係を示すグラフである。図５のグラフにて、縦軸が電界強度であり、横軸が軸Ａ方向における底部側領域１６が占める範囲Ｚｂである。縦軸の値は、比較例における解析点ＰＴ１の電界強度を１とした場合の相対値である。

【0053】

図５にて、解析点ＰＴ１のグラフは、底部側領域１６が占める範囲Ｚｂが３６％付近で最小となる電界強度の解析結果となっており、該範囲Ｚｂが３６％を挟む３４％以上３７％以下にて良好な電界強度の解析結果となっている。また、解析点ＰＴ２のグラフは、底部側領域１６が占める範囲Ｚｂが５％付近から３０％付近まで概ね一定で良好な電界強度の解析結果となり、３０％を超えると次第に電界強度が上昇している。よって、実施例２では、底部側領域１６が占める範囲Ｚｂが３４％以上３７％以下（図５の「Ｚ２」）にて、両方の解析点ＰＴ１、ＰＴ２が良好な電界強度分布となる。

【0054】

実施例２の中間領域１４が占める範囲Ｚｃは８．１％に設定されて５％以上１０％以下の概ね中央値となるので、中間領域１４が占める範囲Ｚｃが５％以上１０％以下、且つ、底部側領域１６が占める範囲Ｚｂが３４％以上３７％以下に設定されることで、両方の解析点ＰＴ１、ＰＴ２が良好な電界強度分布となる。このような電界強度分布とすることで、絶縁性ガス中で絶縁破壊耐性を発揮して絶縁信頼性を良好に保つことが可能となる。

【0055】

［実施例３］
図６は、実施例３の絶縁スペーサ周りを概念的なモデルとして示す図である。図６のモデルでは、図３のモデル（実施例１）に対しスペーサ本体１２、中心導体１１及び高圧導体４の形状が図示のように異なっている。

【0056】

実施例３では、図６のモデルにて、頂部側領域１５の比誘電率ε_ｒｔを１２、底部側領域１６の比誘電率ε_ｒｂを４、中間領域１４の比誘電率を４～１２にて傾斜変化させた（図６では各領域１４～１６を図示省略）。また、実施例３では、図６のモデルにて、中間領域１４が占める範囲Ｚｃを２２％に設定し、且つ、底部側領域１６が占める範囲ＺｂをモードＭ１～Ｍ５の複数の条件として電界解析を行った。また、実施例３に対する比較例１～３においても電界解析を行った。

【0057】

図７は、実施例３における各モード及び比較例２、３の比誘電率の変化を示すグラフである。図７のグラフは、図２のグラフと同じく縦軸が比誘電率、横軸が軸Ａ方向におけるスペーサ本体１２での位置及び範囲を示す相対値となる。図７では、一例として、モードＭ２における中間領域１４が占める範囲Ｚｃ、底部側領域１６が占める範囲Ｚｂを図示しており、各モード及び各比較例毎に、範囲Ｚｂの大きさ及び範囲Ｚｃの位置が異なっている。図７のグラフに示すように、底部側領域１６が占める範囲Ｚｂ（比誘電率ε_ｒｂが一定の範囲）は、モードＭ１にて１７％、モードＭ２にて３３％、モードＭ３にて３９％、モードＭ４にて４４％、モードＭ５にて６１％とした。

【0058】

図７にして図示していないが、比較例１は、実施例３に対し、スペーサ本体１２の全てにおいて比誘電率を比誘電率ε_ｒｂ（＝４）に変更した条件とした。比較例２は、実施例３に対し、スペーサ本体１２の底部側領域１６を形成しない構成（範囲Ｚｂが０）とした。比較例３は、実施例３に対し、スペーサ本体１２の頂部側領域１５を形成しない構成（底部側領域１６が占める範囲Ｚｂが７８％）とした。

【0059】

電界強度の解析を行う位置は、図６に示す解析点ＰＴ３～ＰＴ５とした。解析点ＰＴ３は、絶縁性ガスＧと各導体４、１１との界面にて電界強度が最大になる位置とした。解析点ＰＴ４は、絶縁性ガスＧとスペーサ本体１２の凹面Ｒとの界面にて電界強度が最大になる位置とした。解析点ＰＴ５は、絶縁性ガスＧとスペーサ本体１２の凸面Ｃとの界面にて電界強度が最大になる位置とした。図８において、各解析点ＰＴ３～ＰＴ５での電界強度の解析結果を、符号ＰＴ３～ＰＴ５を付したグラフで示す。

【0060】

図８は、実施例３における各モード及び各比較例の電界強度の解析結果を示すグラフである。図８のグラフにて、縦軸が電界強度であり、縦軸の値は、比較例１における解析点ＰＴ３の電界強度を１とした場合の相対値である。

【0061】

図８にて、解析点ＰＴ５のグラフは、モードＭ１～Ｍ５の方が比較例１～３に比べて若干大きい電界強度となる場合があるが、解析点ＰＴ３、ＰＴ４のグラフは、比較例１～３に比べ、モードＭ１～Ｍ５が略同一の電界強度、またはモードＭ１～Ｍ５の方が小さい電界強度となる。特に、解析点ＰＴ３、ＰＴ４のグラフは、モードＭ２～Ｍ４にて電界強度が小さくなり、良好な電界強度の解析結果となっている。

【0062】

よって、実施例３では、モードＭ２～Ｍ４における底部側領域１６が占める範囲Ｚｂが３３％以上４４％以下であり、且つ、中間領域１４が占める範囲Ｚｃが２２％にて良好な電界強度分布となり、絶縁性ガス中で絶縁破壊耐性を発揮して絶縁信頼性を良好に保つことが可能となる。

【0063】

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状、向きなどについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

【0064】

上記実施の形態にて、電界解析が有限要素法を用いて行われる場合を説明したが、解析方法は特定の方法には限定されるものでなく、例えば、差分法、表面電荷法などの方法を用いて電界解析を行ってもよい。

【0065】

また、頂部側領域１５の比誘電率ε_ｒｔ、底部側領域１６の比誘電率ε_ｒｂは、上述した値は一例に過ぎず、各種の条件に応じて適宜変化させてもよい。

【符号の説明】

【0066】

３ ：絶縁スペーサ
１１ ：中心導体
１２ ：スペーサ本体
１４ ：中間領域
１４ａ ：頂部側界面（界面）
１４ｂ ：底部側界面（界面）
１５ ：頂部側領域
１６ ：底部側領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】