JP2020108300A - 母線の配置構造、閉鎖配電盤 - Google Patents

Abstract

【課題】母線の発熱による温度上昇を抑制することができる母線の配置構造、および、そのように配置された母線を備える閉鎖配電盤を提供する。【解決手段】実施形態の複数の水平母線５は、閉鎖配電盤１内において、上端と下端とが他の部材例えば天板２ｃと底板２ｄによって物理的に制限されている配置可能領域（Ｈ）内に配置されているとともに、上端の部材と下端の部材との間において、それぞれの水平母線５が上下方向に互いに等間隔となるように配置されている。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、複数の母線を配置する配置構造、および、そのような母線の配置構造で配置された水平母線を備える閉鎖配電盤に関する。

従来、例えば三相交流電源に接続された水平母線と、その水平母線に接続された垂直母線とを収容する閉鎖配電盤が知られている。このような閉鎖配電盤は、電力が供給された際に母線が発熱することから、例えば特許文献１では、複数組の垂直母線を設けることで発熱を抑えることが提案されている。

特許第６１７３５７９号公報

ところで、近年では、閉鎖配電盤の高集積化に伴って、供給する電力の定格を引き上げることが求められている。

しかしながら、定格を引き上げた場合、新たな問題が発生することが判明した。具体的には、定格を引き上げたことにより母線にはより大きな電流が流れることから、母線自体の発熱に加えて、近傍の導体が誘導加熱されて発熱し、閉鎖配電盤内の温度が要求仕様を超えて上昇してしまうおそれがあることが判明した。
そこで、母線の発熱による温度上昇を抑制することができる母線の配置構造、および、そのように配置された母線を備える閉鎖配電盤を提供する。

実施形態の母線の配置構造は、配電盤に複数の水平母線を配置するための母線の配置構造であって、複数の前記水平母線は、前記配電盤内において、上端と下端とが他の部材によって制限されている配置可能領域内に配置されているとともに、上端の部材と下端の部材との間において、それぞれの前記水平母線を上下方向に互いに等間隔となるように配置したことを特徴とする。
実施形態の配電盤は、上記した母線の配置構造で配置された水平母線を備えることを特徴とする。

実施形態の母線の配置構造および閉鎖配電盤を側面視にて模式的に示す図 母線の配置構造および閉鎖配電盤を背面側からの正面視にて模式的に示す図 母線の配置構造および閉鎖配電盤を平面視にて模式的に示す図 水平母線の設置時の許容範囲を模式的に示す図 他の母線の配置構造を模式的に示す図

以下、実施形態について図面を参照しながら説明する。

本実施形態による閉鎖配電盤１は、図１に示すように上下方向に長く、図２および図３に示すように前後方向および左右方向が概ね同じ長さに形成された直方体状の筐体２を備えている。以下、図１から図３に示すように、閉鎖配電盤１の上下方向を縦方向とも称し、前後方向を奥行き方向とも称して説明する。

この閉鎖配電盤１は、図１に示すように、前板２ａ側に機器収容室３を備えており、例えばモータ制御装置等の機器を上下方向に複数個収容可能になっている。また、閉鎖配電盤１は、後板２ｂ側に母線収容室４が設けられている。そして、各機器に電力を供給するための導体である水平母線５と垂直母線６とは、この母線収容室４の内部に収容されている。このとき、各水平母線５は、詳細は抗鬱するが、所定の配置可能領域（Ｈ）内に収まるように、且つ、所定の母線構造となるように配置されている。

閉鎖配電盤１の後板２ｂつまりは閉鎖配電盤１において水平母線５と対向する側の外板には、下端側に位置して外部に連通する吸気口７と、上部側に位置して外部に連通する排気口８とが設けられている。これら吸気口７および排気口８は、例えば後板２ｂにスリットを形成したり、後板２ｂに開口を形成して網部材やフィルタ部材等により目張り可能にしたりすること等によって形成されている。

このとき、排気口８は、配置する水平母線５の数にもよるものの、例えば図１のように４本の水平母線を配置する場合には、最上段に配置される水平母線５よりも上方に位置するように設けることができる。また、吸気口７は、配置する水平母線５の数にもよるものの、最下段に配置される水平母線５よりも下方に位置するように設けることができる。これにより、導入された空気により各水平母線５を冷却することが可能になるとともに、各水平母線５を冷却した空気が排出されることから、冷却効率を向上させることができる。

さて、本実施形態では、水平母線５は、三相４線式の配線にて図示しない単一系統の電源に接続されており、いわゆるＲ相、Ｓ相およびＴ相の３相分の３本と、中点に対応するＮ相の１本のとの合計４本が設けられている。各水平母線５は、図２に示すように、閉鎖配電盤１の左右方向に延びているとともに、接続導体９によってそれぞれ対応する垂直母線６に電気的に接続されている。なお、図２では、垂直母線６の図示を省略している。

そして、本実施形態の場合、水平母線５は、閉鎖配電盤１の天板２ｃと底板２ｄとの間、つまりは、上端と下端とが他の部材である天板２ｃと底板２ｄとによって物理的に制限つまりは物理的に規定された配置可能領域（Ｈ）内に配置されている。このとき、各水平母線５は、互いの間隔が第１距離（Ｘ）だけ離間して等間隔に配置されているとともに、最上段の水平母線５が天板２ｃから第２距離（Ｙ）だけ離間しており、最下段の水平母線５が底板２ｄから第２距離（Ｙ）だけ離間した状態で配置されている。ただし、第２距離（Ｙ）は、安全規格等により予め定められている絶縁距離を確保できる値に設定されている。

また、各垂直母線６は、図３に示すように断面視にてＬ字状に形成されており、上下方向に配設された個別のダクト１０内にそれぞれ配置されている。このダクト１０は、概ね四角い筒状に形成されており、機器の接続端子に対応する位置にそれぞれ開口が形成されている。そのため、機器収容室３に収容される機器は、前方から挿入して後方へ押し込むことにより、端子部が垂直母線６のＬ字状の短辺と噛み合うことで電源が供給される。
次に、上記した構成の作用について説明する。

前述のように、閉鎖配電盤１の定格を引き上げた場合、母線にはより大きな電流が流れることから、母線自体の発熱に加えて、近傍の導体が誘導加熱されて発熱し、閉鎖配電盤１内の温度が要求仕様を超えて上昇してしまうおそれがあるという問題がある。そのため、誘導加熱による影響つまりは発熱を抑制するためには、ある水平母線５が他の水平母線５に与える影響が小さくなるような配置とすればよいことになる。

さて、ある導体の近傍に他の導体が存在している場合、電流が流れた際の磁束の変化によって他の導体に影響を与えるエネルギーは、導体間の距離に反比例することが知られている。そのため、他の導体に影響を与えるエネルギーを低減するためには、水平母線５間の距離をなるべく広くすればよいことが分かる。そして、上端および下端が他の部材によって制限されている配置可能領域（Ｈ）に配置する場合であれば、各水平母線５を最大限に離間させた状態で配置するためには、水平母線５間の距離である第１距離（Ｘ）を均等にすればよいことが分かる。

そのため、本実施形態では、水平母線５間の第１距離（Ｘ）を均等にし、配置可能領域（Ｈ）内において各水平母線５を上下方向に等間隔で配置している。これにより、他の導体に影響を与えるエネルギーを最小にすることができ、誘導加熱によって生じる発熱を抑制することができる。

ところで、閉鎖配電盤１の筐体２は一般的に鋼板等で形成されていることから、水平母線５の近傍には、他の水平母線５以外にも導体が存在していることになる。そして、筐体２が誘導加熱された場合にも、閉鎖配電盤１内の温度上昇を招くことになる。そのため、水平母線５に隣り合うように配置されている他の導体、ここでは、配置可能領域（Ｈ）の上端と下端とを制限している天板２ｃや底板２ｄに対する影響も考慮すれば、より一層発熱を低減する効果を期待できると考えられる。

そこで、本実施形態では、他の各水平母線５へ影響を抑制するために第１距離（Ｘ）で等間隔に各水平母線５を配置するとともに、最上段の水平母線５（Ｒ）と天板２ｃとの間、ならびに、最下段の水平母線５（Ｎ）と天板２ｃとの間の距離である第２距離（Ｙ）を、以下のようにして設定している。

最上段に配置されている水平母線５（Ｒ）に着目してみると、隣り合う水平母線５（Ｓ）に影響を与えるエネルギー（Ｐ１）はＰ１＝α×（１／Ｘ）＾２であり、天板２ｃに影響を与えるエネルギー（Ｐ２）はＰ２＝β×（１／Ｙ）＾２である。そのため、水平母線５（Ｒ）については、外部の導体に影響を与えることになる総エネルギー（Ｐｒ）は、Ｐｒ＝α×（１／Ｘ）＾２＋β×（１／Ｙ）＾２となる。なお、α、βは導体の形状や性質による係数であり、「＾」は自乗を示す。

また、両隣が他の水平母線５（Ｒ、Ｔ）に挟まれている水平母線５（Ｓ）が隣り合う２本の水平母線５に影響を与える総エネルギー（Ｐｓ）、および、両隣が他の水平母線５（Ｓ、Ｎ）に挟まれている水平母線５（Ｔ）が隣り合う２本の水平母線５に影響を与える総エネルギー（Ｐｔ）は、それぞれＰｓ＝Ｐｔ＝２×α×（１／Ｘ）＾２となる。また、最下段に配置されている水平母線５（Ｎ）に着目してみれば、最上段の水平母線５（Ｒ）と同様に、総エネルギー（Ｐｎ）は、Ｐｎ＝α×（１／Ｘ）＾２＋β×（１／Ｙ）＾２となる。

ここで、演算の簡略化のために各導体が同一部材であるとすると、つまりは、α＝βであるとすると、ｎ本の水平母線を第１距離（Ｘ）で等間隔に配置し、上端および下端の部材との間を第２距離（Ｙ）だけ離間させた場合には、上記した各総エネルギーの総和である総量（Ｐ）は、Ｐ＝２×α×（（ｎ−１）×（１／Ｘ）＾２＋（１／Ｙ）＾２））として近似することができる。

この近似式から、（ｎ−１）×（１／Ｘ）＾２＋（１／Ｙ）＾２）の項が最小となるＸ、Ｙを求めれば、発熱量を最小にすることができることが分かる。このとき、配置可能領域（Ｈ）は実質的に閉鎖配電盤１の高さであることから、既定値として扱うことかでき、例えば閉鎖配電盤１の高さが２３００ｍｍであれば、２３００＝（ｎ−１）Ｘ＋２×Ｙとなることから、上記の項が最小となるＸを求めることができる。また、エネルギーの総量（Ｐ）が最小となるＸが求まれば、高さとの関係からＹを求めることができる。

さて、上記した近似式に基づくエネルギーの総量（Ｐ）が最小となるＸ、Ｙを求めたところ、ＸをＹで除した比（Ｘ／Ｙ）は、水平母線５の数（ｎ）によらず、概ね１．２６となることが判明した。換言すると、第１距離（Ｘ）と第２距離（Ｙ）の比（Ｘ／Ｙ）が１．２６となるように水平母線５を配置すれば、水平母線５の数（ｎ）によらず、発熱量を最小にすることができることが判明した。

ところで、上記した近似式は、隣り合う導体への影響を考慮したものである。換言すると、上記した近似式は、発生するエネルギーによって最も影響を受ける導体のみを考慮した場合のものである。これは、発生するエネルギーが距離の２乗に反比例して減少することに鑑みれば、それなりに確度の高い近似であると考えられる。

その一方で、閉鎖配電盤１には、図４に示すように、２系統分の例えば８本の水平母線５が配置されることがある。このとき、８本の水平母線５を配置した場合における第１距離（Ｘ）は、上記した４本の水平母線５を配置した図２における第１距離（Ｘ）よりも短くなっている。

そのため、図４に示す水平母線５の配置の場合、直近で隣り合っている水平母線５以外の他の水平母線５や他の導体が、４本の水平母線５を配置した図２における第１距離（Ｘ）の範囲内に位置していることが想定される。換言すると、図２で影響を考慮した距離範囲内に、隣り合う導体以外の他の導体が存在していることが想定される。そして、そのような状況においては、隣り合う導体だけでなく、さらにその隣に存在する導体についても影響が発生する可能性がある。

例えば、図４に示す８本の水平母線５を便宜的に上から順に水平母線５１〜５８とすると、例えば水平母線５１については、前述した天板２ｃに影響を与えるエネルギーと水平母線５２に影響を与えるエネルギーとに加えて、水平母線５３〜水平母線５８に影響を与えるエネルギーが存在することになる。また、他の水平母線５２〜５８についても、同様に、存在する全ての他の導体に影響を与えるエネルギーが存在することになる。

ここで、例えば水平母線５１が他の導体に影響を与えるエネルギーは、前述のように水平母線５１から他の導体までの距離に基づいて個別に求めたエネルギーの総和によって求めることができる。なお、詳細な式は省くが、例えば水平母線５１と水平母線５３との距離は２Ｘであり、水平母線５１と水平母線５４との距離は３Ｘであること等から、上記したエネルギー（Ｐ１）を求める式にそれぞれの距離を代入し、求めたエネルギーの総和を求めればよい。

このようにして他の全ての導体に対する影響を考慮した場合における第１距離（Ｘ）と第２距離（Ｙ）とを求め、それらの比（Ｘ／Ｙ）を算出すると、概ねＸ／Ｙ＝１．２９になるという結果が得られた。この結果から、第１距離（Ｘ）と第２距離（Ｙ）との比（Ｘ／Ｙ）が約１．３となるように配置すれば、発熱量を最小にすることができることが判明した。また、上記した近似式のように隣り合う導体への影響を考慮した場合であっても、概ね発熱量を最小にすることができること、換言すると、上記した近似式の妥当性が確認できた。

このように、配置可能領域（Ｈ）の上端と下端が導体によって規定されている場合において、複数の水平母線５を、その数によらず、第１距離（Ｘ）を第２距離（Ｙ）で除した比（Ｘ／Ｙ）が約１．３を基準とした所定の範囲内となるように配置すれば概ね発熱量を最小にすることができる。

ただし、物理的にＸ／Ｙ＝約１．３となる位置に配置できない場合も考慮して、図５に許容目標位置として示すように、Ｘ／Ｙ＝約１．３となる位置を図５に１．３位置として示す目標位置として設定し、エネルギーの総量（Ｐ）が例えば１０％等の許容できる範囲に収まる程度のずれを許容上限と許容下限として設定し、その範囲内に水平母線５を配置することにより、水平母線５の設置位置に過度な精度を必要とすることなく発熱量を低減することができる。

あるいは、図５に許容配置として示すように、水平母線５の上端又は下端が１．３位置に掛かるように、つまりは、水平母線５の上下方向の幅（Ｗ）の範囲内に１．３位置が来るように配置することによっても、水平母線５の設置位置に過度な精度を必要とすることなく発熱量を低減することができる。

以上説明した実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。
閉鎖配電盤１に設置される複数の水平母線５は、閉鎖配電盤１内において、上端と下端とが他の部材によって制限されている配置可能領域（Ｈ）内に配置されているとともに、上端の部材と下端の部材との間において、それぞれの水平母線５を上下方向に互いに等間隔となるように配置されている。

このような母線の配置構造を採用することにより、母線の発熱による温度上昇を抑制することができる。また、このような母線の配置構造で配置された母線を備える閉鎖配電盤１によっても、母線の発熱による温度上昇を抑制することができる。

複数の水平母線５のうち、最上段に配置される水平母線５と上端の部材例えば天板２ｃとの間、および、最下段に配置される水平母線５と下端の部材例えば底板２ｄとの間は、予め定められている絶縁距離だけ離間している。これにより、安全性を確保することができる。

配置可能領域（Ｈ）の上端と下端に配置される部材は、天板２ｃや底板２ｄのような導体であり、それぞれの水平母線５は、互いに第１距離（Ｘ）を存して等間隔に配置されているとともに、最上段に配置されている水平母線５は上端の部材である天板２ｃとの間に第２距離（Ｙ）を存して配置され、最下段に配置されている水平母線５は下端の部材である底板２ｄとの間に前記第２距離（Ｙ）を存して配置されており、第１距離（Ｘ）および第２距離（Ｙ）は、距離の２乗に反比例する値であってそれぞれの水平母線５に電流を流した際の磁界の変化によって隣り合う水平母線５および他の部材に影響を与えるエネルギーが最も少なくなる距離に設定されている。これにより、水平母線５の物理的な配置によって母線の発熱による温度上昇を抑制することができる。

この場合、配置可能領域（Ｈ）の上端と下端に配置される部材は、水平母線５と共通する磁気的特性を有する導体であると仮定し、複数の水平母線５を、その数によらず、第１距離（Ｘ）を第２距離（Ｙ）で除した比が１．３を基準とした所定の範囲内となるように配置することにより、母線の発熱による温度上昇を抑制することができる配置構造とすることができる。この場合、比が約１．３であるときのエネルギー量を基準として例えば１０％の範囲内を配置の目標位置としたり、水平母線５の一部が目標位置に掛かる状態で配置したりすることにより、過度に位置精度を必要とすることを抑制でき、生産性や作業性を損なうおそれを低減することができる。

水平母線５と当該水平母線５に直交して配置される垂直母線６との間を接続する接続導体９を設けたことにより、水平母線５の発熱を垂直母線６により放熱することができ、発熱を抑制することができる。このとき、実施形態のように上方に延びるダクト１０内に垂直母線６を配置することで、自然対流による冷却を促すことができ、より一層閉鎖配電盤１内の温度上昇を低減することができる。

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。これら新規な実施形態は、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ともに、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。

図面中、１は閉鎖配電盤（配電盤）、２ｃは天板（他の部材）、２ｄは底板（他の部材）、５は水平母線、６は垂直母線を示す。

Claims (6)

1. 配電盤に複数の水平母線を配置するための母線の配置構造であって、
   複数の前記水平母線は、前記配電盤内において、上端と下端とが他の部材によって制限されている配置可能領域内に配置されているとともに、上端の部材と下端の部材との間において、それぞれの前記水平母線を上下方向に互いに等間隔となるように配置したことを特徴とする母線の配置構造。
2. 複数の前記水平母線のうち最上段に配置される前記水平母線と上端の部材との間、および、最下段に配置される前記水平母線と下端の部材との間は、予め定められている絶縁距離だけ離間していることを特徴とする請求項１記載の母線の配置構造。
3. 前記配置可能領域の上端と下端に配置される部材は、導体であり、
   それぞれの前記水平母線は、互いに第１距離（Ｘ）を存して等間隔に配置されているとともに、最上段に配置されている前記水平母線は上端の部材との間に第２距離（Ｙ）を存して配置され、最下段に配置されている前記水平母線は下端の部材との間に前記第２距離（Ｙ）を存して配置されており、
   前記第１距離（Ｘ）および前記第２距離（Ｙ）は、距離の２乗に反比例する値であってそれぞれの前記水平母線に電流を流した際の磁界の変化によって隣り合う水平母線および他の部材に影響を与えるエネルギーが、最も少なくなる距離に設定されていることを特徴とする請求項１または２記載の母線の配置構造。
4. 前記配置可能領域の上端と下端に配置される部材は、前記水平母線と共通する磁気的特性を有する導体であり、
   複数の前記水平母線は、その数によらず、前記第１距離（Ｘ）を前記第２距離（Ｙ）で除した比が１．３を基準とした所定の範囲内に配置されていることを特徴とする請求項３記載の母線の配置構造。
5. 前記水平母線と、当該水平母線に直交して配置される垂直母線との間を接続する接続導体を設けたことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の母線の配置構造。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項記載の母線の配置構造で配置された水平母線を備えることを特徴とする閉鎖配電盤。

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