JPH0950907A

JPH0950907A - ガス絶縁開閉機器用磁心

Info

Publication number: JPH0950907A
Application number: JP7199440A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Bizen; 嘉雄備前; Noriyoshi Hirao; 則好平尾; Shunsuke Arakawa; 俊介荒川
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1995-08-04
Filing date: 1995-08-04
Publication date: 1997-02-18

Abstract

(57)【要約】【目的】ガス絶縁開閉機器において発生する高周波サ
ージを十分に吸収可能な能力を有するガス絶縁開閉機器
用磁心を提供する。【構成】本発明は平均粒径が50nm以下のbcc-Fe固溶体
結晶粒が組織の50%以上を占めるナノ結晶軟磁性合金薄
帯を巻回したガス絶縁開閉機器用磁心である。好ましく
は、ナノ結晶軟磁性合金薄帯の層間を絶縁したり、磁心
をモールドする。上記ナノ結晶軟磁性合金としては、好
ましくは飽和磁歪定数の絶対値が1×1０マイナス５乗以
下、望ましくは1×1０マイナス６乗以下とし、動作磁束
密度0.1T、周波数1MHzにおける振幅比透磁率が2000以
上、さらに望ましくは3000以上とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電力系統の変電所
あるいは開閉所などに用いられるガス絶縁開閉機器用磁
心に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電力系統の受変電所や開閉所におけるガ
ス絶縁開閉機器では、遮断器や断路器などの開閉操作に
より高周波サージが発生し、絶縁破壊や機器の誤動作な
どに繋がる可能性がある。このような高周波サージに起
因する問題を解決する方法として、たとえば特開昭61-2
54011号公報には主電流通路の周囲にフェライトなどの
強磁性体を配置し、高周波サージを吸収することが提案
されている。また、特開平5-146013号公報では磁性体の
磁気飽和を改善し、サージ吸収能力を高めるために、主
電流通路となる通電導体から分岐する分岐導体にフェラ
イト磁心などの高周波サージ抑制部を設けることが開示
されている。また、特開平3-190021号公報にはアモルフ
ァス磁心を遮断器に用いた技術が開示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述したガス絶縁開閉
機器で発生する高周波サージは、周波数が数MHzで、し
かも電圧の波高値が数10kV〜数100kVと極めて過酷であ
る。また、通常、電力供給時には通電導体に商用周波で
数1000Aにも達する大電流が常時通電されている。すな
わち、通電導体に配置された磁心は、通常の通電時には
商用周波数の交番磁界により大振幅に励磁されており、
遮断器や断路器が開極することにより高電圧で高周波の
減衰振幅するサージが発生した場合には、数MHz帯域の
高周波で非常に大振幅に励磁される。

【０００４】そのため、本発明者の検討によれば、ガス
絶縁開閉機器に用いられる磁心の動作は、一般の電気電
子機器で使用されるノイズフィルタ用磁心、あるいは加
速電源などの用途に使用される磁心の動作とは全く異な
り特殊なものとなる。ガス絶縁開閉機器においては、高
周波で大振幅、例えば１MHzで動作磁束密度0.1T程度以
上に励磁された場合の磁気特性が重要である。特に高周
波サージを吸収するため、実際の高周波サージの最大振
幅でに励磁された時の透磁率（ここでは振幅比透磁率と
いう）を高いものとすることが必要不可欠である。これ
に対して、ガス絶縁開閉機器用磁心にフェライトを用い
た場合は、数MHz帯域における振幅比透磁率が小さく、
高周波サージを減衰させるための十分なインダクタンス
が得られないばかりでなく、飽和磁束密度が0.4T程度と
低いため、数100kVもの高圧のサージに対しては容易に
磁気飽和を起こすことからサージ抑制効果が不充分であ
り、磁気飽和を防止するために磁心の体積を大きくする
必要があるため、機器の大型化による建設費の高騰の問
題があった。

【０００５】一方、アモルファス合金をガス絶縁開閉機
器用磁心に使用した場合では、次のような問題がある。
たとえばCo基のアモルファス合金では振幅比透磁率はフ
ェライトよりは大きいものの、飽和磁束密度が低いた
め、フェライトと同様に磁心が大型化する問題がある。
一方Fe基のアモルファス合金では飽和磁束密度が大きく
磁気飽和の問題はないものの、振幅比透磁率がCo基アモ
ルファス合金より低く、サージ抑制効果が不十分であ
る。また、鉄基のアモルファス合金は磁歪が大きく、層
間絶縁やモールドなどによって発生する応力により、磁
気特性が劣下するという問題もある。本発明は上記課題
に鑑みてなされたもので、ガス絶縁開閉機器において発
生する高周波サージを十分に吸収可能な能力を有するガ
ス絶縁開閉機器用磁心を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者は前記課題を解
決するために、種々の磁心材料について鋭意検討した結
果、平均粒径50nm以下のbcc-Fe固溶体結晶粒が組織の50
%以上を占めるナノ結晶軟磁性合金薄帯を巻回してなる
磁心をガス絶縁開閉機器に用いることにより、従来の磁
心に比べ小型で、サージ抑制効果が著しく向上すること
を初めて見い出し、本発明を創出するに至った。

【０００７】すなわち、本発明は平均粒径が50nm以下の
bcc-Fe固溶体結晶粒が組織の50%以上を占めるナノ結晶
軟磁性合金薄帯を巻回してなることを特徴とするガス絶
縁開閉機器用磁心である。好ましくは、ナノ結晶軟磁性
合金薄帯の層間を絶縁したり、磁心をモールドする。ま
た、ナノ結晶軟磁性合金としては、好ましくは飽和磁歪
定数の絶対値が1×1０マイナス５乗以下、望ましくは1
×1０マイナス６乗以下とし、動作磁束密度0.1T、周波
数1MHzにおける振幅比透磁率が2000以上、さらに望まし
くは3000以上とする。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の磁心を構成するナノ結晶
軟磁性材料としては、例えば、特開昭63-302504号公
報、特開昭64-39347号公報、特開平1-142049号公報、特
開平1-149940号公報、特開平1-156452号公報、特開平1-
242755号公報、特開平1-242756号公報などに開示される
合金が使用できる。このナノ結晶軟磁性材料の具体的な
組成としては、Feを主体としCu、Auから選ばれる少なく
とも1種の元素およびTi、V、Zr、Nb、Mo、Hf、Taおよび
Wから選ばれる少なくとも1種の元素を必須成分として含
むものが挙げられる。

【０００９】より具体的には、化学式(Fe_1-aMａ)
_{100-b-c-d-e-f-g}A_bSi_cB_dM'_eM"_fX_g (at%)(だだし、MはC
oおよびNiから選ばれた少なくとも1種の元素、AはCuお
よびAuから選ばれた少なくとも1種の元素、M'はNb、M
o、Ta、Ti、Zr、Hf、VおよびWから選ばれた少なくとも1
種の元素、M"はCr、Mn、Al、白金族元素、Sc、Zn、Snお
よびReから選ばれた少なくとも1種の元素、XはC、Ge、P
およびGaから選ばれた少なくとも1種の元素であり、a、
b、c、d、e、fおよびgはそれぞれ0≦a≦0.5、0.1≦b≦1
0、0≦c≦30、0≦d≦30、0.1≦e≦30、0≦f≦20、0≦g
≦20、0≦c＋d≦30を満たす。)により表される組成から
なり、組織の少なくとも50%以上が平均粒径50nm以下のb
cc-Fe固溶体結晶粒からなる合金が挙げられる。その
他、Fe-Cu-Zr-B系、Fe-Cu-Nb-Al-Si-B 合金などが挙げ
られる。

【００１０】本発明の磁心は以下のように製造される。
まず、単ロール法などの液体急冷法により前記組成を有
する厚み10〜30μmのアモルファス合金薄帯を作製す
る。次に、この合金薄帯をトロイダル状に巻回した後、
窒素やアルゴンなどの不活性ガス雰囲気中あるいは真空
中で熱処理して、組織の少なくとも50%以上が平均粒径5
0nm以下のbcc-Fe固溶体結晶粒からなる本発明磁心を製
造する。熱処理は合金成分に応じて500〜600℃、30分〜
24時間の範囲で適切な温度と時間を選択する。また、磁
界を印加しながら熱処理することもできる。

【００１１】本発明は、上述したナノ結晶材料が、遮断
器や断路器などのガス絶縁開閉機器の開閉操作により発
生するサージに対して、特に優れたサージ吸収特性を有
することを見いだしたことにある。すなわち、本発明者
の研究によれば、ガス絶縁開閉機器の開閉操作によるサ
ージを抑制するという目的に対して要求される振幅比透
磁率をできるだけ高いものとすることという特性を、上
述したナノ結晶材料は有しており、さらに結晶質である
ため熱的に安定であり、大電力を開閉するガス絶縁開閉
機器の動作の安定を図ることができるものである。

【００１２】具体的には、上述したナノ結晶材料を選択
することにより、ガス絶縁開閉機器を想定した動作磁束
密度0.1T、周波数1MHzにおいて、振幅比透磁率を2000以
上、好ましくは3000以上を確保することが可能である。
また、本発明の磁心として、飽和磁束密度が1.0T以上、
好ましくは1.2T以上であることにより、従来磁心に比べ
磁心の小型化ができる。

【００１３】本発明の磁心を構成する合金薄帯の層間は
SiO₂やMgOなどにより絶縁することが望ましい。これ
は、ガス絶縁開閉機器では断路器などの開閉操作により
発生するサージの電圧が数100kVにも達するため、この
ようなサージが磁心に印加されると薄帯間の絶縁破壊が
生じたり、MHz帯域での振幅比透磁率が著しく劣下する
ためサージ抑制効果が低下することがあるからである。
層間の絶縁は、例えば粉末を塗布する方法、金属アルコ
キシドを含むアルコール溶液に浸漬した後乾燥する方
法、合金薄帯と絶縁テープを重ねて巻き回す方法などが
利用できる。層間絶縁材の厚みは0.1〜3μmが望まし
い。厚みが0.1μm未満ではMHz帯域における透磁率が劣
下するため、十分なサージ吸収能が得られない。3μmを
越えると磁心の占積率が低下するため、磁心の総磁束が
減少し磁心の小型化に不利なためである。

【００１４】また、ガス絶縁開閉機器用磁心は六ふっ化
硫黄(SF₆)などの絶縁ガス雰囲気中の主導電部に配置さ
れる。たとえば合金薄帯をトロイダル状に巻回した巻磁
心をそのままむき出しで使用する場合、薄帯破片が脱落
するとガスの絶縁性を劣化する場合がある。これを防止
するためには、磁心を無機系樹脂などでモールドして使
用することが好ましい。

【００１５】磁心を構成する合金薄帯の飽和磁歪定数は
絶対値が1×10マイナス５乗以下であることが好まし
い。磁歪定数の絶対値が1×10マイナス５乗を越える
と、磁心内の残留応力や、合金薄帯に層間絶縁を施した
場合や無機系の樹脂などでモールドしたり補強材などで
固定したりする場合に発生する応力によって、振幅比透
磁率が著しく劣下し、高周波サージ抑制能力が損なわれ
る場合があるからである。

【００１６】

【実施例】

(実施例1)表1に示す組成を有する合金溶湯を単ロール法
により急冷して得た厚みが18μmのアモルファス合金薄
帯を厚みが1μmのSi0₂で絶縁しながら巻回して、外径75
0mm、内径300mm、高さ25mmの寸法のトロイダル磁心とし
た後、窒素ガス雰囲気中で550℃、1時間、磁界を印加せ
ずに熱処理して平均粒径50nm以下のbcc-Fe固溶体結晶粒
が組織の80%を占めるナノ結晶磁心を作製した。比較例
として、従来使用されていた同寸法のNi-Znフェライト
磁心および厚みが1μmのSiO₂の層間絶縁を施したFe基お
よびCo基アモルファス磁心を作製し、素材の飽和磁歪定
数λs、飽和磁束密度Bsを測定した。

【００１７】またガス絶縁開閉機器のサージを想定し
た、動作磁束密度0.1T、周波数1MHzにおける振幅比透磁
率μaおよびサージ吸収率を測定した。ここで、サージ
吸収率は、図1に示したガス絶縁開閉機器に係わる回路
において接触子部3を遮断した時、主導体部2に磁心4を
設置しない場合に発生するサージの電圧時間積をV・to、
磁心を設置した場合に発生するサージの電圧時間積をV・
tとしたときに1−(V・t/V・to)で定義した。この式の値が
大きいほどサージ抑制効果が高いことを意味する。ま
た、図1に示したガス絶縁開閉機器に係わる回路におい
て発生するサージにより磁気飽和が起こらないために必
要な磁心の大きさをNi-Znフェライト磁心の寸法を100と
した磁心寸法を測定した。

【００１８】ガス絶縁開閉機器用磁心として要求される
振幅比透磁率が、比較例に示した一般に用いられるNi-Z
nフェライトやＣｏ系およびＦｅ系アモルファス合金に
比べて著しく大きいものであり、ガス絶縁開閉機器での
サージ吸収率も高いものであった。また、磁心の大きさ
は、従来主に用いられていたNi-Znフェライト磁心に比
べ約半分に大幅な小型化が可能である。また、本発明の
飽和磁束密度が1.0T以上好ましくは1.2T以上の磁心を用
いることにより、従来のFe基アモルファス磁心とほぼ同
等の小型にすることができるとともに、Fe基アモルファ
ス磁心よりもはるかにサージ抑制効果にすぐれたガス絶
縁開閉機器用磁心となることがわかる。

【００１９】

【表１】

【００２０】(実施例2)Cuが1at%、Nbが2at%、Siが12at
%、Bが10at%、残部実質的にFeからなる組成の合金溶湯
を単ロール法により急冷して幅20mm、厚み10μmのアモ
ルファス合金薄帯を作製した。次に、層間絶縁の有無に
よるサージ吸収効果の違いを確認するため、この合金薄
帯の一つには3μm厚さのSiO₂の層間絶縁を施し、もう一
つには層間絶縁を施さずに巻き回し、外径900mm、内径4
50mm、高さ20mmのトロイダル磁心を作製した。次に得ら
れた磁心を真空中で磁界を印加せずに530℃で1時間熱処
理して、平均粒径が約20nmのbcc-Fe相が組織の80%を占
めるナノ結晶軟磁性合金磁心を作製した。実施例1と同
様な方法で磁気特性およびサージ吸収率を測定した。表
2に測定結果を示す。層間絶縁を施した磁心がサージ吸
収率が著しく高く、ガス絶縁開閉機器用磁心として使用
する場合は層間絶縁を施すことが有効であることが分か
る。

【００２１】

【表２】

【００２２】(実施例3)Cuが1at%、Nbが3at%、Siが10〜2
0at%、Bが9at%、残部実質的にFeからなる組成の合金溶
湯を単ロール法により急冷して得た厚みが30μmのアモ
ルファス合金薄帯を厚みが1μmのSi0₂で絶縁しながら巻
回して、外径750mm、内径300mm、高さ25mmの寸法のトロ
イダル磁心とした後、窒素ガス雰囲気中で500〜600℃の
温度で1時間、磁界を印加せずに熱処理して本発明のナ
ノ結晶軟磁性合金磁心を作製した。ここでＳｉの量を変
えたのは磁歪定数の異なるナノ結晶軟磁性合金磁心を作
製するためである。次に、磁心を金属アルコキシドを含
むアルコール溶液に浸漬した後100℃で30分硬化させモ
ールド状態の磁心を得た。実施例1と同様な方法で磁気
特性およびサージ吸収率を測定した。また、磁心と同一
条件で熱処理した合金薄帯の飽和磁歪定数λsを歪ゲー
ジにより測定した。表3に測定結果を示す。

【００２３】

【表３】

【００２４】表３に示すように、磁歪定数を小さいもの
とすることにより、サージ吸収率をより高いものとする
ことができ好ましいことがわかる。特に、磁歪定数の絶
対値が1×10マイナス６乗以下とした場合には、薄帯の
脱落防止などを目的に磁心をモールドした場合でも顕著
に優れたサージ吸収効果が得られることがわかる。

【００２５】(実施例4)表4に示す組成を有する合金溶湯
を単ロール法により急冷して得た厚みが20μmのアモル
ファス合金薄帯を厚みが0.5μmのMg0で絶縁しながら巻
回して、外径700mm、内径250mm、高さ50mmの寸法のトロ
イダル磁心とした後、アルゴンガス雰囲気中で500〜600
℃の温度で1時間、磁路方向に800A/mの磁界を印加しな
がら熱処理して平均粒径50nm以下のbcc-Fe固溶体結晶粒
が組織の75〜85%を占める本発明のナノ結晶磁心を作製
した。実施例1と同様な方法で磁気特性、およびサージ
吸収率を測定した。表4に得られた結果を示す。振幅比
透磁率が2000以上で0.7以上のサージ吸収率となり、300
0以上で0.8以上のサージ吸収率となった。このように、
ナノ結晶軟磁性合金薄帯をガス絶縁開閉機器の磁心とす
るすことにより、極めて良好なサージ抑制効果が得られ
ることがわかる。

【００２６】

【表４】

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、ガス絶縁開閉機器の開
閉動作によって発生する高周波で大振幅のサージを、従
来より小型の磁心により、高いサージ吸収率で抑制する
ことが可能である。したがって、本発明のガス絶縁開閉
機器用磁心により、ガス絶縁開閉機器がサージによって
絶縁破壊するのを防止でき、信頼性を高めることができ
る。さらに、サージの発生による周辺機器への悪影響を
防止するためにも有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わるガス絶縁開閉機器用磁心のサー
ジ吸収効果を測定する回路図である。

【符号の説明】

１電圧源、２主導体部、３接触子部、４磁心、
５負荷

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】平均粒径が50nm以下のbcc-Fe固溶体結晶
粒が組織の50%以上を占めるナノ結晶軟磁性合金薄帯を
巻回してなることを特徴とするガス絶縁開閉機器用磁
心。
【請求項２】ナノ結晶軟磁性合金薄帯の層間が絶縁さ
れていることを特徴とする請求項１に記載のガス絶縁開
閉機器用磁心。
【請求項３】磁心はモールドされていることを特徴と
する請求項１または２に記載のガス絶縁開閉機器用磁
心。
【請求項４】ナノ結晶軟磁性合金薄帯の飽和磁歪定数
の絶対値が1×1０マイナス５乗以下であることを特徴と
する請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のガス絶
縁開閉機器用磁心。
【請求項５】動作磁束密度0.1T、周波数1MHzにおける
振幅比透磁率が2000以上であることを特徴とする請求項
１ないし請求項４のいずれかに記載のガス絶縁開閉機器
用磁心。
【請求項６】飽和磁束密度が1.0T以上であることを特
徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のガ
ス絶縁開閉機器用磁心。