JP2011229376A - 変圧器二次側用アーク・フラッシュ事故軽減 - Google Patents

変圧器二次側用アーク・フラッシュ事故軽減 Download PDF

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Abstract

【課題】変圧器二次側用アーク・フラッシュ事故軽減が提供される。
【解決手段】電流制限保護装置たとえば電流制限ヒューズを、変圧器115の二次巻線と主回路ブレーカを有する開閉装置130との間に配置する。電流制限ヒューズを変圧器115の二次巻線と開閉装置130との間に配置することによって、変圧器115と開閉装置130との間のアーク・フラッシュ事故レベルが軽減される。
【選択図】図1

Description

本発明は一般的に、配電システムに関し、より詳細には、変電所で用いる変圧器二次側と開閉装置との間のアーク・フラッシュ事故レベルの軽減に関する。
アーク・フラッシュ事故は、電気アークによって生じるエネルギーの放出に付随する危険な状態である。一般的に、電気アークが形成されるのは、間隙によって分離された2つの導体材料(たとえば、銅)が短絡して一つになるときであり、導体材料間の間隙を通る実質的な電流の通路が生じる。アーク・フラッシュ事故に付随する電気アークが生じると、超高温(たとえば、35,000°F以下またはそれを上回る)が導体材料において瞬時に発生する可能性がある。これらの超高温によって導体材料が蒸発するために、極めて爆発的な圧力が金属蒸発により形成され、間隙内の空気が間隙を通る電流により急速に加熱される。金属の蒸発および周囲空気の加熱の結果、高圧力の蓄積による非常に急激な爆発が起こる。爆発によって、溶融金属および機器部品が爆発点から激しく吐き出される。アーク・フラッシュ事故の近くにいる人々は、ひどいやけど、鼓膜破裂、虚脱肺、および人々に激しいショックを与え得る力を受ける場合がある。
アーク・フラッシュ事故を是正する複数のアプローチが存在する。アプローチの1つは、電気アークに付随する短絡回路電流の量を減らすとともにアーク継続時間を短くする技術手法を用いることである。電気アークに付随するエネルギー量とアーク継続時間を減らすことは、負傷が軽減されることに対応する。アーク・フラッシュ事故を是正する別のアプローチは、露出した通電導体についてまたはその付近で作業する人々に、アーク・フラッシュ事故専用にデザインされた個人用保護具(たとえば、厚いジャケット、保護フード、フェイス・シールド、手袋など)の着用を要求することである。アーク・フラッシュ事故を是正する第3のアプローチは、手続き的方法または管理方法を用いて人々にアーク・フラッシュ事故が発生する可能性を警告することを、電気アークが起こり得る露出した通電導体について作業しようとするかまたはその付近にいようとする者がいる場合に行なうことを伴うものである。手続き的方法または管理方法には、露出した通電導体にまたはその付近に警告ラベルを貼付することが含まれる場合がある。たとえば、典型的なラベルの提示内容としては、露出した通電導体を有する機器について作業しようとする者がいる場合は、作業者は、認定された個人用保護具を着用した上で、アーク・フラッシュ事故が起こり得る導体材料から所定の距離を保たなければならない等が考えられる。
アーク・フラッシュ事故を是正するための前述したアプローチは、アーク・フラッシュを引き起こす電気アークのエネルギーが40ca/cmより大きい場合には、常に効果的なわけではない。すなわち、電気アークに付随するエネルギー量およびアーク継続時間を小さくする技術手法は、40ca/cmより大きなレベルで用いる場合には利用できない場合がある。さらに、現時点で利用できる個人用保護具では、40ca/cmより大きなエネルギー・レベルから生じ得る爆発に対しては保護が得られない場合がある。同様に、40ca/cmより大きなエネルギー・レベルから生じ得る爆発に付随する障害の場合は、本質的に、警告ラベルを用いても、その使用目的に対しては効果がない。アーク・フラッシュ事故を是正するための前述したアプローチは、アーク・フラッシュを引き起こす電気アークのエネルギーが40ca/cmよりも大きい場合には適さないため、作業者は、機器を停止して非通電の間に作用する必要がある。機器を停止して非通電の間に作業することは、常に最適な解決方法というわけではなく、特に、機器を24時間、週に7日間動作させ続けることが好ましい設備においてそうである。
米国特許第7,203,040号明細書
本発明の一態様においては、システムが提供される。システムは、少なくとも1つの一次巻線と少なくとも1つの二次巻線とを有する変圧器を備える。主回路ブレーカを有する開閉装置が少なくとも1つの二次巻線を介して変圧器に結合されている。少なくとも1つの電流制限保護装置が、変圧器と開閉装置との間に配置されている。少なくとも1つの電流制限保護装置は、変圧器の少なくとも1つの二次巻線に結合されている。少なくとも1つの電流制限保護装置によって、変圧器の少なくとも1つの二次巻線と開閉装置との間のアーク・フラッシュ事故レベルが軽減される。
本発明の別の態様においては、アーク・フラッシュ事故軽減システムが提供される。本発明のこの態様においては、アーク・フラッシュ事故軽減システムは、少なくとも1つの一次巻線と少なくとも1つの二次巻線とを有する変圧器を備える。主回路ブレーカを有する開閉装置が、少なくとも1つの二次巻線を介して変圧器に結合されている。少なくとも1つの電流制限ヒューズが変圧器と開閉装置との間に配置され、少なくとも1つの電流制限ヒューズは変圧器の少なくとも1つの二次巻線に結合されている。少なくとも1つの電流制限ヒューズによって、変圧器の少なくとも1つの二次巻線と開閉装置との間のアーク・フラッシュ事故レベルが軽減される。
本発明の第3の態様においては、変電所が提供される。本発明のこの態様においては、変電所は、入力電圧供給を受ける一次側スイッチを備える。変圧器は、少なくとも1つの一次巻線と少なくとも1つの二次巻線とを有し、変圧器の少なくとも1つの一次巻線は一次側スイッチに結合されている。主回路ブレーカを有する開閉装置が、少なくとも1つの二次巻線を介して変圧器に結合されている。少なくとも1つの電流制限ヒューズが変圧器と開閉装置との間に配置され、少なくとも1つの電流制限ヒューズは変圧器の少なくとも1つの二次巻線に結合されている。少なくとも1つの電流制限ヒューズによって、変圧器の少なくとも1つの二次巻線と開閉装置との間のアーク・フラッシュ事故レベルが軽減される。
低圧変電所の概略図である。 本発明の一実施形態により図1に示す低圧変電所で用いるのに適したアーク・フラッシュ事故軽減システムの概略図である。 本発明の一実施形態により図2に示す変圧器の1つの相に対する機械的なレイアウトを示す図である。 本発明の一実施形態により図2に示す変圧器の1つの相に対する機械的なレイアウトを示す図である。
本発明の種々の実施形態は、変電所で用いるアーク・フラッシュ事故軽減システムに関する。これらの実施形態においては、電流制限保護デバイスたとえば電流制限保護ヒューズ(たとえば、高速高電流ヒューズ)が、変圧器と主回路ブレーカを有する開閉装置との間に配置されて、電流制限保護デバイスが変圧器の二次巻線に結合されるようになっている。電流制限保護デバイスを変圧器の二次巻線と開閉装置との間に配置することによって、入射エネルギー・レベルが約40cal/cmよりも大きくなり得るために「極度の危険」領域と指定される変電所の領域においてアーク・フラッシュ事故軽減能力が得られる。本発明の種々の実施形態の技術的効果には、入射エネルギー・レベルが約40cal/cmよりも大きくなり得る変電所の領域においてアーク・フラッシュ事故軽減が得られることが含まれる。この結果、作業者は、このような領域についてメンテナンスを行なうことが、機器を停止して非通電にする必要なく可能になる。極度の危険領域についてのメンテナンスを、機器を停止して非通電にする必要なく行なうことで、変電所の生産性が増加する。
本明細書で説明したような本発明の種々の実施形態において、アーク・フラッシュ事故軽減システムは、変電所たとえば低圧変電所で用いることに適している。本発明の種々の実施形態を、低圧変電所におけるアーク・フラッシュ事故軽減レベルを下げることについて説明するが、本発明の実施形態は、単にこれらのタイプの変電所とともに用いることに限定されない。当業者であれば分かるように、本発明の種々の実施形態は、他の変電所たとえば中電圧および高電圧変電所で用いることができる。加えて、本発明の種々の実施形態は変電所に限定されない。本発明の種々の実施形態は、アーク・フラッシュ事故軽減レベルを下げることが望ましい配電システムの他の部分において有用な場合がある。
図面を参照して、図1は低圧変電所100の概略図である。図1に示すように、変電所100は、電圧源(図示せず)からの引き込み線を受ける一次側105を備えている。特に、一次側105は、電圧を供給する引き込みケーブルを受ける一次側スイッチ110(たとえば、3ナイフ・スイッチ)を備えている。一実施形態においては、一次側スイッチ110は13.8キロボルト(kV)を電圧源から受ける。低圧変電所の例示を簡単にするために、当業者であれば分かるように、一次側105に付随するすべての特徴および機能が図1に例示されているわけではない。たとえば、当業者であれば分かるように、一次側105にはヒューズ、絶縁体、避雷器などがあり得る。
少なくとも1つの一次巻線(図1に示さず)と少なくとも1つの二次巻線(図1に示さず)とを有する変圧器115が、一次側105に結合されている。一次側105と変圧器115との間に配置された移行区画120は、変圧器115の一次巻線(図1に示さず)を、一次側105に付随する導体、バス・バーまたはケーブル(図1に示さず)に接続する導体、バス・バーまたはケーブル(図1に示さず)を備える。変圧器115は、一次側105から供給される電圧を受けて、それをより低い電圧まで下げて、二次側125に与える。図1に示すように、二次側125は、主回路ブレーカを有する開閉装置130を移行区画135を経由して備える。移行区画135は、変圧器115の二次巻線(図1に示さず)を開閉装置130に付随する導体、バス・バーまたはケーブル(図1に示さず)に接続する導体、バス・バーまたはケーブル(図1に示さず)を備える。一実施形態においては、変圧器115は一次側105から与えられる13.8kVを480Vまで下げて、移行区画135を経由して開閉装置130に伝達する。
通常の動作条件の下では、開閉装置130内の主回路ブレーカは閉じているため、変圧器115から受ける供給電力は種々の負荷のうちの1つに分配される。開閉装置130内の主回路ブレーカが、開閉装置内を流れる短絡回路電流が存在すると判定した場合には、主回路ブレーカは開いて短絡回路電流を遮断する。図1に示すように、開閉装置130から供給される電力を受ける負荷には、電灯負荷140、空気圧縮機負荷145、暖房/喚起/空調(HVAC)負荷150、およびモーター・コントロール・センター(MCC)負荷155が含まれる。図1には図示しないが、これらの負荷はそれぞれ、これらの負荷内を流れる短絡回路を遮断することができる独自の内部回路ブレーカを有している。当業者であれば分かるように、電灯負荷140、空気圧縮機負荷145、暖房/喚起/空調(HVAC)負荷150、およびモーター・コントロール・センター(MCC)負荷155は、可能な負荷の例に過ぎず、変電所100は、さらなる負荷、または図1に示すものより少ない負荷でさえ有することができる。
図1に示すように、変電所100の二次側125はさらに、制御室160およびタイ・ブレーカ165を備えている。一実施形態においては、制御室160は、変電所100を構成する機器の種々の部分における電圧および電流表示を与える計器を有している。加えて、制御室160は、変電所100の遠隔モニタリングおよび診断を行なうことができる場合がある。当業者であれば分かるように、これらは、制御室160において実施可能な機能のいくつかの例に過ぎず、可能な機能をすべて網羅することは意図されてはいない。タイ・ブレーカ165は、バック・アップが必要となる場合の別の変電所に対する接続部となる。たとえば、何らかのタイプの故障が変電所100で起きて、電灯負荷140、空気圧縮機負荷145、暖房/喚起/空調負荷(HVAC)150、およびモーター・コントロール・センター(MCC)負荷155に対して電力供給ができない場合、タイ・ブレーカ165は閉じることができ、その結果、バック・アップ変電所(図1に示さず)からの電力を負荷に供給することができる。当業者であれば分かるように、二次側125にはさらなる構成部品を取り付けることができ、制御室160およびタイ・ブレーカ165は、変電所の二次側の一部となり得る構成部品の2〜3の例に過ぎない。
図1のアーク・フラッシュ事故記号170が示すように、移行区画135および開閉装置130は、変電所100内の領域であって、個人用保護具とこれらのタイプのアーク・フラッシュ事故に付随する極度の危険を警告するラベル175とでは是正することができない約40ca/cmよりも大きい入射エネルギーを有する場合がある領域である。前述したように、一次側105では、ヒューズが一次側スイッチ110と変圧器115の一次巻線(図1に示さず)との間に配置されて、高電圧から保護するようになっているであろうが、これらのヒューズは、変圧器115の二次巻線(図1に示さず)と移行区画135および開閉装置130との間で生じ得るアーク・フラッシュ事故から保護するほど、十分に速くもないし十分に高感度でもない。
本発明の実施形態では、変圧器115の二次巻線(図1に示さず)と移行区画135および開閉装置との間で生じ得るアーク・フラッシュ事故130に対する対処を、電流制限保護デバイスたとえば電流制限保護ヒューズ(たとえば、高速高電流ヒューズ)を、変圧器の二次巻線と、変圧器115を移行区画135および開閉装置130に結合する導体との間に配置することによって行なっている。この場所に電流制限保護デバイスを配置することによって、アーク・フラッシュ事故として、移行区画135および開閉装置130を備える領域で生じ得て、入射エネルギー・レベルが約40cal/cmよりも大きくなり得るものを減らすことができる。前述したように、電流制限保護デバイス(たとえば、ヒューズ)が、一次側105において一次側スイッチ110と変圧器115の一次巻線との間で用いられて高電圧から保護するようになっているが、これらのデバイスは、変圧器115の二次巻線と移行区画135および開閉装置130との間で生じ得るアーク・フラッシュ事故から保護するほど、十分に速くもないし十分に高感度でもない。
図2は、アーク・フラッシュ事故軽減システム200の概略的な回路図であり、変圧器115(図1)および移行区画135(図1)および開閉装置130(図1)に関連する電流制限保護デバイスの詳細を示す図である。図2に示すように、変圧器115は、一次巻線205および二次巻線210を備えており、これらは磁心300の周りに配置されている。この実施形態においては、変圧器115は、3つの脚(すなわち、すべて同じ磁心上にある3対の一次および二次巻線)を有する三相系である。当業者であれば分かるように、他のタイプの変圧器とともに3つを超える脚(たとえば、5つの脚)を有する他の三相変圧器を用いることができる。変圧器一次導体215によって、変圧器115の一次巻線205が一次側105(図1)の一次側スイッチ110(図1)に結合されている。変圧器二次側導体220によって、変圧器115の二次巻線210が電流制限保護デバイス225に結合されている。導体230によって、電流制限保護デバイス225が、開閉装置130(図1)内に配置された主回路ブレーカ235に、移行構成部品135(図1)を介して結合されている。
一実施形態においては、電流制限保護デバイス225には電流制限ヒューズが含まれる。本発明の種々の実施形態において用いるのに適した電流制限ヒューズの一例は、任意の市販の高速高電流ヒューズである。四角形ボディ・ヒューズたとえばFU170M6621ヒューズ(550V、2000A、It=6.35x10秒をクリアする)(販売元はクーパー・バスマン(CooperBussman))は、本発明の種々の実施形態とともに用いても良い市販の高速高電流ヒューズの一例である。当業者であれば分かるように、本発明の種々の実施形態において電流制限保護装置として用いても良い同等のサイズ、定格(たとえば、800A、1200A、1600A、および2400A)、およびクリアの他の市販の高速高電流ヒューズが存在する。
本発明の種々の実施形態は、電流制限ヒューズを用いることに限定されない。当業者であれば分かるように、他の電流制限保護デバイスが、本発明の種々の実施形態とともに用いるのに適している場合がある。たとえば、電流制限回路ブレーカ、「アイエス(Is)リミッタ」または「クリップ(CLIP)」デバイスを、必要な程度の電流制限が得られるならば、用いても良い。
図2に示すように、電流制限保護デバイス225は、変圧器115の二次巻線210に変圧器二次側導体220を介して直接結合されている。変圧器二次側導体220を最小限にして、電流制限保護デバイス225が二次巻線210に対して所定の最小距離に配置されるようにすることによって、アーク・フラッシュ事故を引き起こす高レベルの入射エネルギーの影響を受けやすい露出領域の量が最小限になる。一実施形態においては、電流制限保護デバイス225と二次巻線210との間の所定の最小距離は、約10センチメートル(cm)未満である。別の実施形態においては、電流制限保護デバイス225と二次巻線210との間の所定の最小距離は、約5cm〜約10cmの範囲であっても良い。当業者であれば分かるように、この所定の最小距離は一例に過ぎず、他の量も本発明の種々の実施形態の範囲内である。
図3〜4に、本発明の一実施形態により変圧器115の1つの相に対して図2に示す配置の機械的なレイアウトを示す。特に、図3は変圧器115の平面図を示し、図4は変圧器115の側面図を示している。図4では、変圧器二次側導体220によって、電流制限保護装置225が結合され、導体230によって、電流制限保護装置225が開閉装置(図4に示さず)に結合されている。説明を簡単にするために、図3および4では、三相系のうち1つの相のみ(すなわち、1つの一次巻線および二次巻線のみ)を示す。当業者であれば分かるように、三相系の他の相は図3および4に示すものと同様である。
図3に示すように、変圧器115は、磁心300と、それを同心円状に囲む二次巻線210と、それを同心円状に囲む一次巻線205とを備えている。二次端子305が二次巻線210に取り付けられている。二次巻線210は、変圧器二次側導体220(図4)に結合されている。変圧器二次側導体220は、電流制限保護装置225(図4)に結合されている。一実施形態においては、磁心300は高透磁率の鉄心であり、一次巻線205および二次巻線210は、多導体バレルまたは平板導体タイプのいずれかであり得るアルミニウム・コイルであっても良く、二次端子305は銅材料から形成されていても良い。
図4に示すように、変圧器115はさらに巻線タップ400を備えている。巻線タップ400は、変圧器から発生する電圧出力を調整するために用いても良い。巻線タップ400を用いて、一次巻線内で用いる巻数を選んで変圧器の巻数比を変えることによって電圧を調整するケーブルを受けることができる。
図4に示すように、変圧器二次側導体220によって電流制限保護装置225が変圧器115に、二次端子305を介して結合されている。加えて、図4に示すように、導体230は電流制限保護装置225に、前記装置が変圧器115に変圧器二次側導体220および二次端子305を介して結合される端部と反対側の端部において結合されている。一実施形態においては、変圧器二次側導体220および導体230は両方とも、電流制限保護装置225との結合を容易にする銅製の矩形状剛性バーから作られていても良い。図4に示すように、変圧器二次側導体220および導体230は、電流制限保護装置225をそれぞれ固定するための取り付け穴405を有している。取り付け穴405は、変圧器二次側導体220および導体230を電流制限保護装置225に固定するための留め具(たとえばボルト、ラグなど)を収容するように構成されている。また図4に示すように、電流制限保護装置225は、変圧器二次側導体220および導体230に対して垂直方向に取り付けられているが、当業者であれば分かるように、前記装置はこれらの導体に対して水平方向に取り付けることができる。
図1〜4に例示する構成により、変圧器115の二次巻線210と移行区画135を備える開閉装置130との間で起こり得るアーク・フラッシュ事故レベルを軽減することができる。その理由は、電流制限保護装置225が、最初の過電流ループを伴う故障電流を、最初の電流ゼロが起きる前に遮断するからである。当業者であれば分かるように、電流制限保護装置225は、作業距離における約40cal/cm未満の入射エネルギーを可能にするほどに十分に小さい通過エネルギーが得られるように、適切に選択しなければならない。アーク・フラッシュ事故レベルが、入射エネルギー・レベルが約40cal/cmよりも大きくなり得る変電所の領域において軽減されるため、作業者は安全に個人用保護具を用いてメンテナンスを規定の仕方で(すなわち、安全性レベルの指図に従って)、区画が依然通電している間に行なうことができる。
本開示を、その好ましい実施形態とともに詳細に図示し説明してきたが、当然のことながら、変形および修正が当業者には想起される。したがって当然のことながら、添付の請求項は、本開示の真の趣旨に含まれるすべての変更および変形に及ぶことが意図されている。

Claims (10)

  1. 少なくとも1つの一次巻線(205)と少なくとも1つの二次巻線(210)とを有する変圧器(115)と、
    前記変圧器(115)に前記少なくとも1つの二次巻線(210)を介して結合される主回路ブレーカ(235)を有する開閉装置(130)と、
    前記変圧器(115)と前記開閉装置(130)との間に配置される少なくとも1つの電流制限保護装置(225)であって、前記変圧器(115)の前記少なくとも1つの二次巻線(210)に結合され、前記変圧器(115)の前記少なくとも1つの二次巻線(210)と前記開閉装置(130)との間のアーク・フラッシュ事故レベルを軽減する少なくとも1つの電流制限保護装置(225)と、を備えるシステム。
  2. 前記少なくとも1つの電流制限保護装置(225)は高速高電流ヒューズを含む請求項1に記載のシステム。
  3. 前記少なくとも1つの電流制限保護装置(225)の一方の端部を前記変圧器(115)の前記少なくとも1つの二次巻線(210)に結合する変圧器二次側導体(220)をさらに備える請求項1に記載のシステム。
  4. 前記少なくとも1つの電流制限保護装置(225)を前記開閉装置(130)の前記主回路ブレーカ(235)に結合する導体(230)をさらに備え、前記導体(230)は、前記少なくとも1つの電流制限保護装置(225)に、前記少なくとも1つの電流制限保護装置(225)を前記変圧器(115)の前記少なくとも1つの二次巻線(210)に結合する端部と反対側の端部において結合される請求項3に記載のシステム。
  5. 前記変圧器二次側導体(220)および前記導体(230)はそれぞれ、前記少なくとも1つの電流制限保護装置(225)との固定を容易にする取り付け穴(405)を備える請求項4に記載のシステム。
  6. 前記少なくとも1つの電流制限保護装置(225)は、前記変圧器(115)の前記少なくとも1つの二次巻線(210)に所定の最小距離で結合する請求項1に記載のシステム。
  7. 少なくとも1つの一次巻線(205)と少なくとも1つの二次巻線(210)とを有する変圧器(115)と、
    前記変圧器(115)に前記少なくとも1つの二次巻線(210)を介して結合される主回路ブレーカ(235)を有する開閉装置(130)と、
    前記変圧器(115)と前記開閉装置(130)との間に配置される少なくとも1つの電流制限ヒューズ(225)であって、前記変圧器(115)の前記少なくとも1つの二次巻線(210)に結合し、前記変圧器(115)の前記少なくとも1つの二次巻線(210)と前記開閉装置(130)との間のアーク・フラッシュ事故レベルを軽減する少なくとも1つの電流制限ヒューズ(225)と、を備えるアーク・フラッシュ事故軽減システム。
  8. 前記少なくとも1つの電流制限保護装置(225)は、入射エネルギー・レベルが約40cal/cmを上回るアーク・フラッシュ事故を軽減する請求項7に記載のアーク・フラッシュ事故軽減システム。
  9. 入力電圧供給を受ける一次側スイッチ(110)と、
    少なくとも1つの一次巻線(205)と少なくとも1つの二次巻線(220)とを有する変圧器(115)であって、前記少なくとも1つの一次巻線(205)は前記一次側スイッチ(110)に結合される、変圧器(115)と、
    前記変圧器(115)に前記少なくとも1つの二次巻線(210)を介して結合される主回路ブレーカ(235)を有する開閉装置(130)と、
    前記変圧器(115)と前記開閉装置(130)との間に配置される少なくとも1つの電流制限ヒューズ(225)であって、前記変圧器(115)の少なくとも前記1つの二次巻線(210)に結合し、前記変圧器(115)の前記少なくとも1つの二次巻線(210)と前記開閉装置(130)との間のアーク・フラッシュ事故レベルを軽減する少なくとも1つの電流制限ヒューズ(225)と、を備える変電所(100)。
  10. 前記開閉装置(130)に結合される複数の負荷(140、145、150、155)をさらに備える請求項9に記載の変電所(100)。
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