JP2015012223A - 電力機器 - Google Patents

Abstract

【課題】地盤上に設けられた基礎上に設置される電力機器本体の耐震支持を行うとともに地震動による電力機器本体の共振を回避できる耐震構成を備えた電力機器を提供する。【解決手段】実施形態に係る電力機器は、地盤４上に設けられた基礎５上に設置された電力機器本体１と、電力機器本体１を基礎５に対して耐震支持する支持部材２と、電力機器本体１と支持部材２との間に設けられ、予め定めた振動加速度値を超える振動加速度が加わったときに、電力機器本体１の支持部材２による支持状態を解放する機能を有する締結部材３と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、主として変電所等に設置される耐震構造を備えた電力機器に関する。

変電所等に設置される電力機器は、発電された電気を送配電するために必要となる機器である。これら電力機器が例えば地震等により大きな被害を受けると、大規模停電の発生や、発電所設備への電力供給の遮断など、社会へ与える影響が大きく、その耐震対策の重要性が増大している。

地震による電力機器の被害を低減する手法としては、従来から知られているものとして、対象となる機器を、防振ゴムなどを介して設置された基礎面に設置することにより地震動の伝達を抑制する免震構成、機器自体の強度を増すことにより地震動に対する強度を確保する耐震構成、機器に振動減衰用のダンパや、付加質量と弾性要素を組み合わせた動吸振器を設置することにより地震動による機器地震の振動を抑制する制振構成などが挙げられる。

特に近年では、免震や耐震の技術の進歩から、これらの技術を導入した例が高層ビルなどの建築構造物でよく見られるようになっている。

電力機器における例としては、電力用の高電圧ブッシングのような、比較的筒状に近い構造物に対して、振動低減用の動吸振器の設置を試みた例がある。

一方、一般的な構造物に対する強度向上の手段としては、強度向上に必要な部位に対して支えや筋交いなどの補強用構造物を設置して機器全体の剛性を高めるなど、機器自体の強度を向上させて耐震強度を向上させる手法が用いられることが多い。主として鋼構造で構成される電力機器の耐震強度補強策としては、この手法が適用されることが大半である。

また、対策としてより強度の高い機器に更新することにより、耐震性向上を図る手法もあるが、短期間で全ての機器を更新することは困難であり、既存機器に対する耐震性強化が急務の課題となっている。

特開平４−３０７７１３号公報

ところで、柱状や筒状の構造体で形成される機器の場合、特にその断面に対して高さ寸法が大きいような構造物の場合においては、機器の構造上の固有振動数が低くなる。そのため、このような機器に対して支えや筋交いなど機器の剛性を高める手段により強度向上を図っても、地震の被害を回避するほどには剛性を十分に高めることができず、機器の固有振動数が地震動の周波数領域に存在してしまうことがある。

例えば高電圧用の電力機器の場合は、ブッシングは長いものでは全長が８ｍ程度あり、また重量もかなり大きくなる。一方で、その材質は絶縁上の理由から磁器が用いられることが多く、その剛性は鉄などと比較して低いことから、その固有振動数は４Ｈｚ以下のかなり低い値となる。

このような機器の場合、地震の特性によっては、補強材を設置することによって地震動の固有振動数と機器の固有振動数が一致してしまうことがある。このような状況となった場合、機器が地震動と共振して、かえって機器の強度を低下させ、地震発生時には大きなダメージを受けることも考えられる。

ここで、発生する地震の振動特性は、土地の地盤の柔軟度や振動伝播速度、機器設置に用いられる基礎の大きさ、基礎設置の際に用いられる杭の長さや本数等により決定される。機器設置前に地震の振動特性を予め正確に予測することが可能であれば、このような共振に至る状況を避けることも可能であるが、現実的にすべての機器に対して予測を実施することは非常に困難なことである。

特に、電力機器の場合、剛性向上のために設置されるステーなどの補強材は、電気的な絶縁上の制約等から、設置場所等の制約を受けるため、十分な剛性向上が困難な状況にある。

本発明の実施形態はかかる事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、地盤上に設けられた基礎上に設置される電力機器本体の耐震支持を行うとともに地震動による電力機器本体の共振を回避できる耐震構成を備えた電力機器を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の実施形態に係る電力機器は、基礎上に設置された電力機器本体と、前記電力機器本体を前記基礎に対して耐震支持する支持部材と、前記電力機器本体と前記支持部材との間に設けられ、地震動に基づく振動値が予め設定した基準値を超えたときに、前記電力機器本体の前記支持部材による支持状態を解放する機能を有する締結部材と、を備えることを特徴とする。

本発明の第１の実施形態に係る電力機器の耐震構成を示す概略立面図。 本発明の第１の実施形態に係る電力機器の耐震構成の要部を拡大して示す概略立断面図。 本発明の第２の実施形態に係る電力機器の耐震構成を示す概略立面図。 本発明の第３の実施形態に係る電力機器の耐震構成を示す概略立面図。 本発明の第４の実施形態に係る電力機器の耐震構成を示す概略立面図。 本発明の他の実施形態に係る電力機器の耐震構成を示す概略立面図。 本発明の他の実施形態に係る電力機器の耐震構成を示す概略立面図。 本発明の他の実施形態に係る電力機器の耐震構成を示す概略立面図。 本発明の他の実施形態に係る電力機器の耐震構成を示す概略立面図。 本発明の他の実施形態に係る電力機器の耐震構成を示す概略立面図。

以下、図面を参照して、本発明に係る電力機器の実施形態について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。

（第１の実施形態）
以下に本発明の第１の実施形態について、図面を参照して説明する。

図１および図２に本実施形態に係る電力機器の耐震構成を示す。ここでは、図１と図２を参照して本実施形態の電力機器の耐震構成について具体的に説明する。

図に示すように、電力機器本体１は地盤４上に設置された基礎５上に設置されている。そして、電力機器本体１は締結部材３および支持部材２を介して基礎５に耐震支持されている。

平常時には電力機器本体１の剛性を高めるため、電力機器本体１は締結部材３および支持部材２により基礎５に強固に固定されている。一方、地震動を受けて電力機器本体１が共振状態となった場合には、支持部材２は速やかに電力機器本体１から離脱する必要がある。そのため、締結部材３は、電力機器本体１が共振状態に至ったと判断できる以上の大きさの振動加速度が加わった場合に、支持部材２による拘束支持状態が解放されるような構成となっている。

ここで、締結部材３の構成であるが、電力機器本体１が共振状態に至ったと判断できる振動加速度レベルを超えたときに、電力機器本体１の支持部材２による拘束を解放できるような構成であれば良い。

例えば、図２に示すように、締結部材３は、電力機器本体１側にボルト等（図示せず）で取り付けた第１の基板３１と、支持部材２側にボルト等（図示せず）で取り付けられた第２の基板３２と、基板３１および基板３２を締結する締結具６とで構成する。締結具６の機械強度は、電力機器本体１が共振状態に至ったと判断できる予め設定した振動加速度が締結具６に作用した場合に、締結具６が破壊して締結部材３による電力機器本体１の拘束状態を解放するように設計する。このとき、締結具６の１本当たりの引張強度が、共振判定の基準となる振動加速度による１本あたりの慣性力による発生応力と同等かやや小さくなるような形状、材料とすることが好ましい。

このように、電力機器本体１が共振状態に至ったと判断できる以上の大きさの振動加速度が、電力機器本体１に作用した場合に、電力機器本体１を支持部材２による基礎５への支持状態から速やかに解放することによって、電力機器全体の固有振動数を変化させることが可能となる。このように、固有振動数が変化することで、地震動との共振による電力機器本体１の損傷を回避することが可能となる。その結果として、電力機器本体１の振動量が小さくなり、地震により電力機器本体１が破壊に至る状態を避けることが可能となる。

本実施形態では、締結部材３を基板３１、基板３２、締結具６で構成したことで、地震動により電力機器本体１の拘束状態を解放後、再度支持部材２により電力機器本体１を基礎５に固定する場合は、基板３１と基板３２をそれぞれ電力機器本体１、支持部材２から取り外して、新たに基板３１と基板３２をそれぞれ電力機器本体１、支持部材２にボルト等で取り付け、新しい締結具６にて基板３１と基板３２とを固定することで、容易に電力機器本体１を支持部材２を介して基礎５に固定することができる。

なお、図１においては、図示されている支持部材２の本数は２本であるが、対象となる電力機器の剛性向上に必要で設置可能な本数が設置されていれば良く、支持部材２は１本でも良いし、３本以上設置しても構わない。また、支持部材２の設置位置についても、その効果が最大限発揮できる位置であれば、図示した位置に限定されることはなく、特に制約は無い。

また、締結部材３については、図２に示した例や上記した例に限らず、電力機器本体１が共振状態に至ったと判断できる振動加速度レベルに達した場合に、締結状態を解放できるような構成であれば良い。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について、図面を用いて具体的に説明する。図３は、本実施形態に係る電力機器の耐震構成を示している。

図３において、電力機器本体１は、地盤４上に設置された基礎５上に設置されている。そして、電力機器本体１は、締結部材３および支持部材２を介して基礎５に耐震支持されている。

また、電力機器本体１には本体用振動加速度センサ１１ａが設置され、その出力が信号処理装置１２に接続されている。この本体用振動加速度センサ１１ａにより測定された振動の振動加速度信号は、信号処理装置１２に送られる。そして、信号処理装置１２内で予め設定した振動加速度値との比較から電力機器本体１の共振状態の可否を判定し、共振状態と判定した場合には、信号処理装置１２から締結部材３に対して、電力機器本体１の拘束状態を解放する信号を送り、電力機器本体１の締結部材３による拘束状態を解放して電力機器本体１の支持部材２による支持を解放する。これにより、電力機器本体１の固有振動数を変化させ、共振状態を回避する。

このような構成とした場合、電力機器本体１が、発生した地震動との共振状態となった場合には、速やかに電力機器本体１の支持部材２による基礎５への支持を解放し、電力機器本体１の共振状態を回避することが可能となる。その結果として、電力機器本体１の振動量を小さくすることができ、地震により電力機器本体１が破壊に至る状態を避けることが可能となる。

ここで、信号処理装置１２は周波数分析機能を備えたものとすることにより、共振判定の指標として振動加速度値の他に、振動周波数でも判定が可能となることから、より正確な共振判定が可能となる。

なお、図３においては、電力機器本体１に設置される本体用振動加速度センサ１１ａは１つであるが、本体用振動加速度センサ１１ａの設置個数は電力機器本体１の振動状況を正確に判断できる個数を設置すれば良く、図示した例のように本体用振動加速度センサ１１ａが１つあれば十分な構成もあれば２つ以上の複数個が必要な構成もあり、対象となる電力機器の状況に合わせて本体用振動加速度センサ１１ａの個数を決定すれば良い。

また、本体用振動加速度センサ１１ａの設置場所については、対象となる電力機器の制約を考慮しつつ、できるだけ機器の固有モードを捕らえ易い位置に設置すれば良い。図３に示したように電力機器本体１の下端部付近に設置しても良く、電力機器によっては、電力機器本体１の上部に近い位置に設置するのが好ましい場合もある。共振状態が判別可能と判断できる場所であれば、特に位置の制約は無く、図示した位置に制限されるものではない。

また、締結部材３は、信号処理装置１２からの解放信号を受けたときに、電力機器本体１の締結部材３による拘束状態を速やかに解放できる構成であれば良い。例えば、締結部材３の図示しない締結具を、火薬にて破壊させることで、電力機器本体１を支持部材２による拘束状態から解放できる構成としても、ばね操作機構を用いて拘束状態を解放できる構成としても、鉄道車両の連結装置のような締結部材を用いた構成としても、同様な解放動作が可能となる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について、図面を用いて具体的に説明する。図４は、本実施形態に係る電力機器の耐震構成を示している。この第３の実施形態は第２の実施形態の変形である。

この第３の実施形態では、図４に示すように、電力機器本体１に本体用振動加速度センサ１１ａを取り付け、さらに、電力機器本体１が載置された基礎５上に基礎用振動加速度センサ１１ｂを設置する。その他の構成は第２の実施形態と同様である。

このような構成とすることにより、基礎５に設置された基礎用振動加速度センサ１１ｂで計測された電力機器本体１の下端近傍の振動加速度と、電力機器本体１に取り付けた本体用振動加速度センサ１１ａの振動加速度の比率から、発生地震波に対する振動加速度応答倍率を知ることができる。この振動加速度応答倍率は、理論的には以下の式（１）から求めることができる。

Ｎｍａｘ＝｛１／（２ｈ）｝（１−ｅ^{−２ｎｈπ}） ・・・ （１）
ただし、Ｎｍａｘは応答倍率を、ｈは減衰比を、ｎは正弦波の波数を、πは円周率を、それぞれ表す。

式（１）において、例えば、減衰比を５％、正弦波の波数を１とした場合、応答倍率Ｎｍａｘは約２．７となる。

この応答倍率を判定指標に加え、電力機器本体１の振動加速度値と合せて評価することで、より正確な共振判定を実施することができる。

第３の実施形態によれば、第２の実施形態と同様の効果を得られるのみならず、電力機器本体１の共振判定を、電力機器本体１の振動加速度値だけでは無く、電力機器の振動加速度の応答倍率からの共振判定も可能となり、より正確かつ早い段階で共振可否を判定することが可能となる。

なお、基礎５に設置される基礎用振動加速度センサ１１ｂについても、１個とは限らず、必要に応じて複数個設置しても良い。

（第４の実施形態）
次に、本発明の電力機器に係る第４の実施形態について、図面を用いて具体的に説明する。図５は第４の実施形態に係る電力機器における耐震構成を示している。

図において、電力機器本体１は、地盤４上に設置された基礎５上に弾性部材１３を介して設置されている。また、電力機器本体１は締結部材３および支持部材２を介して基礎５に支持されている。

このように、本実施形態の構成とした場合には、設置した弾性部材１３が電力機器本体１の振動低減に寄与するとともに、電力機器本体１が、発生した地震動との共振状態となった場合、電力機器本体１の支持部材２による基礎５への支持状態を解放する際に、電力機器本体１に発生する衝撃振動の影響を緩和することが可能となる。その結果として、電力機器本体１の振動量が小さくなり、地震により電力機器が大きなダメージを受けることを避けることが可能となり、より信頼性の高い電力機器の耐震構成を提供することができる。

なお、図５において、電力機器本体１下部に設置した弾性部材１３の個数や位置については、図示したものに制限されるものではなく、必要に応じて位置や個数を変更しても良い。

（具体的な適用例）
以上、本発明の実施形態について説明したが、ここで、図６ないし図１０に、いくつかの電力機器に本発明の実施形態を適用した具体例を示す。

図６は、電力機器本体としてのガス絶縁開閉装置のブッシング２０に本発明を適用した例を示している。ガス絶縁開閉装置においては、気中の送電線との接続部であるブッシング２０は、耐震強度上の弱点である。特に電圧階級の高い機器では、ブッシングも大型化することから固有振動数は低くなる。耐震強度上、架台部分の剛性を向上させたとしても、固有振動数は地震動の振動数領域を回避することが困難であり、本実施形態に示した耐震構成が必要である。

また、図７は、変圧器本体タンク２１上にブッシングポケット２２を設置し、ブッシングポケット２２の上にブッシング２０を設置した構造に対して本発明を適用した例を示している。変圧器の場合、一般的に変圧器本体タンク２１の剛性は地震動に対して剛とみなすことができる。一方で、変圧器本体タンク２１に設置されるブッシング２０については、ガス絶縁開閉装置と同様に耐震強度上の弱点となっており、地震動に基づく機器の共振による機器へのダメージを防止するためには、本実施形態の構成が不可欠である。

また、図８は、電力機器本体としての碍子形避雷器４１に本発明を適用した例を示しており、上記した適用例と同様に本実施形態に示した耐震構成が有効である。

また、図９は、電力機器本体としての碍子形空気遮断器４２に本発明を適用した例を示している。碍子形空気遮断器４２の場合、重量物である遮断部が支持碍子上部に設置されることから、構造上、耐震強度が低く、また固有振動数向上による振動数領域の回避が困難である。本実施形態に示した耐震構成を適用することで、地震動との共振状態の回避が可能となる。

また、図１０は、電力機器本体としての碍子形変流器４３に本発明を適用した例を示している。碍子形変流器４３においては、外形上は磁器碍管ブッシングが直立した形状であり、ガス絶縁開閉装置のブッシングと同様の構成である。したがって、特に電圧階級の高い機器では、ブッシングも大型化することから固有振動数は低くなる。また、変流器コイルがブッシング上部に設置された場合は、固有振動数がさらに低下することから、地震動の振動数領域を回避することが難しかった。しかし、本実施形態の耐震構成を適用することで、地震動との共振による機器へのダメージを回避することが可能となる。

（他の実施形態）
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行なうことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…電力機器本体
２…支持部材
３…締結部材
４…地盤
５…基礎
６…締結具
１１ａ…本体用振動加速度センサ
１１ｂ…基礎用振動加速度センサ
１２…信号処理装置
１３…弾性部材
２０…ブッシング
２１…変圧器本体タンク
２２…ブッシングポケット
３１、３２…基板
４１…碍子形避雷器
４２…碍子形空気遮断器
４３…碍子形変流器

Claims (8)

1. 基礎上に設置された電力機器本体と、
   前記電力機器本体を前記基礎に対して耐震支持する支持部材と、
   前記電力機器本体と前記支持部材との間に設けられ、地震動に基づく振動値が予め設定した基準値を超えたときに、前記電力機器本体の前記支持部材による支持状態を解放する機能を有する締結部材と、
   を備えることを特徴とする電力機器。
2. 前記電力機器本体の振動を監視して、地震動に基づく前記電力機器本体の振動値が予め設定した基準値を超えたときに、前記締結部材の締結を解放する解放指令信号を出力する振動監視手段をさらに備え、
   前記締結部材は、前記解放指令信号を受信したときに前記電力機器本体と前記支持部材との締結状態を解放するよう構成すること、
   を特徴とする請求項１に記載の電力機器。
3. 前記振動監視手段は、
   前記電力機器本体に取り付けられた本体用振動加速度センサと、
   前記本体用振動加速度センサで計測された振動加速度が予め設定した基準値を超えたときに前記解放指令信号を出力する信号処理装置と、
   を有することを特徴とする請求項２に記載の電力機器。
4. 前記振動監視手段は、前記基礎上に取り付けられた基礎用振動加速度センサをさらに有し、
   前記信号処理装置は、前記本体用振動加速度センサまたは前記基礎用振動加速度センサで計測された振動加速度の少なくとも一方が予め設定した基準値を超えたときに前記解放指令信号を出力すること、を特徴とする請求項３に記載の電力機器。
5. 前記振動監視手段は、前記基礎上に取り付けられた基礎用振動加速度センサを有し、
   前記信号処理装置は、前記本体用振動加速度センサで計測された前記電力機器本体の振動加速度信号と前記基礎用振動加速度センサで計測された前記基礎の振動加速度信号から応答倍率を計測し、前記応答倍率が予め設定した基準値を超えたときに前記解放指令信号を出力すること、
   を特徴とする請求項３または請求項４に記載の電力機器。
6. 前記信号処理装置は、前記本体用振動加速度センサで計測された前記電力機器本体の振動加速度信号の周波数を分析する周波数分析機能を備え、
   前記電力機器本体の振動加速度信号の周波数分析によって、共振が生じていると判定されたときに、前記解放指令信号を出力すること、
   を特徴とする請求項３ないし請求項５のいずれか一項に記載の電力機器。
7. 前記締結部材は、
   前記電力機器本体側に取り付けられる第１の基板と、前記支持部材側に取り付けられる第２の基板と、
   前記第１の基板と前記第２の基板とを解放可能に締結する締結具と、
   を有することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の電力機器。
8. 前記電力機器本体と前記基礎との間に弾性部材を介在させることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の電力機器。

Images