JP4249126B2 - アークによって発生されたエネルギーを消費する装置を備えたガス絶縁型電気設備 - Google Patents

Description

本発明は、内部に複数の導体、および場合によっては、電流を遮断し、または測定し、切換え、または変成する装置のような電気機器が配置される収納箱（エンクロージャ）を備えた電気設備に関する。より詳細には、限定的なものではないが、本発明はガス絶縁型高圧電気設備に関する。この明細書の全体にわたって、「高圧」という用語は広義に解釈されるべきものであって、たとえばある一定の国で「中圧」の分野として知られているものをも含むものとする。

高圧電気設備は極めて大きなエネルギーを持つアークを生ずる短絡事故を引き起こしうる機能障害にさらされる。電気設備が収納箱を備えている場合、ここでは制御されていないアークのことを内部アークと称することにする。この内部アークは高圧のもとで時には可燃性または燃焼状態のホットガスの流れを生じ、それは圧力波を伴い、または圧力波によって進行させられる。そのため、一方では収納箱の爆発および設備とその周囲環境の破壊の原因となるアークを阻止し、他方ではホットガスまたは燃焼中のガスの収納箱外部への急激な放出を阻止する処置をとらなければならない。ガスに含まれるエネルギーはかなり大きいので、装置および人のためにこれらの保護を達成するのは非常に困難であり、また大きな費用がかかる。

ドイツ国特許第３４２４３６３号明細書では、内部アークによって発生されたホットガスの流れを、その内部アークによって放出されたガスを冷却するように設計されたフィルタを介して導くことが提案されている。フィルタの第１の機能はキュービクル（小区画室）から放出されるガスを冷却することである。そのためフィルタには大きな熱交換表面と大きな熱容量とを有する物質が満たされている。予想される物質の中で、薄い厚さの波形金属シート、砂利、または破砕された鉱物が説明されている。これらの物質は緻密であるという欠点、またはフィルタ質量が大きいという欠点を持っている。フィルタは入口開口および出口開口を備えた耐圧性の収納箱内に収納される。このような装置は衝撃波の適切な吸収を許さないという欠点を持っている。このフィルタは、ガスが流れる時、破壊を免れることができず、もはやその機能を果たすことができなくなる。しかも衝撃波はわずかに減衰されるだけであり、それ自体、周囲環境に対する直接的な危険性を持っている。

衝撃波のこの特殊問題を解決するために、ドイツ国特許第１９５２０６９８号明細書では、高圧電気キュービクルから放出するガスをエルボダクト内の排気弁を介して冷却フィルタに通流させることが提案されている。エルボは、フィルタ内の物質の量を減少させることを可能にするように衝撃波が一点に集中しないようにして衝撃波の反射を実行する。この装置は大きさに関するある一定の問題を生ずる。それに加えて、衝撃波の反射を実行するエルボダクトの壁は衝撃波によって破壊されないように十分強固なものでなければならない。そのため高コストになる。さらにまたエルボダクト内の衝撃波の反射は制御することが困難であり、流れに関するその効果はむしろ逆効果である。

さらに、ドイツ国特許第５３０９０５号明細書によるさらなる文脈において述べられているように、爆発が起こった時、火炎の伝播を阻止するために、鉱物ダストの煙を増やすことが有効であることが知られている。事実、当該文献において、爆発環境、たとえば鉱山内で運転される電気機械をダストが満たされている収納箱内に収納することが提案されている。機械に爆発が発生した場合、ダストは煙の形でばらまかれ、スパークの伝播を阻止する。しかしながら、このような装置は長期間にわたって塊にならない状態でダストを保存することの技術的困難性に遭遇する。さらに、爆発の衝撃波を弱めることを不可能にする

したがって本発明の目的は、従来技術の欠点を、内部アークによって放出される衝撃波を吸収することと、ホットガスまたは燃焼中のガス、または設備から少し離れた所での事後燃焼またはガスの自然発火現象を阻止することとの両方を、安価であり、煩わしくなく、相対的に軽量であって、非常に高効率である装置によって内部アークの効果に対して保護される電気設備を提供するようにして解決することである。

この目的を達成するために本発明の電気設備は、
ガス絶縁型の機能ユニットを収納する収納室と、
収納室内の内部アークによるガス流を放出するために、収納室の内部から外部へと連通する出口通路と、
ガス流が通過するように出口通路内に配置された不燃性の固体粒状物質からなる多孔質層と、
を備え、多孔質層は、ガス流が多孔質層を通過する時、不燃性の固体ダストの煙を生成するように構成され、かつ配置される。

ガス内における空気伝播の不燃性微粒子の存在は混合体の熱容量および動力学の両者の化学量論を修正するものである。全体的には、多孔質層から下流の側のガスの自然燃焼を阻止することができる。

好ましくは、粒と粒との間の動きを可能とするために固体粒状物質は塊にはなっていない。さらに、固体粒状物質は砕けやすいものとするのがよい。内部アークに伴う衝撃波が多孔質層に到達した時、粒子は互いにこすり合い、砕かれる。これらの機械的な動きおよび変形が衝撃波のエネルギーを吸収する。もちろん破砕は煙の形成に寄与するダストを生成する。物質の砕けやすさは修正されたマイクロデバル型テスト（micro-Deval type test）によって測定可能である。マイクロデバルテストは、本来、道路交通の動作に耐えるために、粒形状内の岩石の容積、およびとくに乾燥時の粒子相互間の摩擦による摩耗を特徴づける摩耗抵抗を決定するように意図されている。修正されたテストのために、予め洗浄され乾燥された、１０ないし１４ｍｍの間の直径を有する粒子によって形成された物質の試料がＭ＝５００グラム用意される。この試料が、内部ラバーライニングを備え密閉カバーによって密閉されたステンレス鋼シリンダ内に、直径１０ｍｍで２ｋｇのステンレス鋼球に沿って置かれる。密閉されたシリンダは水平に置かれた軸の周りを３０分間に３０００回転し、次いで、物質は１．６ｍｍテスト用ふるいを通してふるい分けされる。次いで、ふるい分けで残留した重量Ｍ_１が測定される。次いで、砕けやすさのパラメータＭＤ特性が式、ＭＤ＝１００（Ｍ−Ｍ_１）／Ｍによって得られ、この式が摩擦によって形成される微細物の百分率を決定する。この指標によって、もし係数ＭＤが１０より大きければ、物質は十分砕けやすいものと考えられる。テスト対象の種々の物質に対するテストによって得られた結果が例示のために以下の表に示されている。

表
物質 ＭＤ
玄武岩 ２
ポゾラン １６−１７
シポレックス（商品名） １７
軽石 ４０−４２

多孔質物質は高い熱容量と組み合わさって非常に低い見かけ密度を示すという利点を提供する。さらに、この物質は衝撃波が通過して粒子が刺激を受けた時、摩擦によってエネルギーの消耗を助長する大きな表面粗さを持っている。物質は、好ましくは多孔質と砕けやすさとを併せ持ったものの中から選択される。興味ある結果を与える物質の中では、軽石、ポゾラン、およびシポレックス（商品名：Siporex、軽量気泡コンクリート）が注目すべきものである。

ダスト煙を形成するために好ましくは、粒状物質層は、固体粒状物質の中にばらまかれた形で、不燃性の固体ダストを含む。この構成は、たとえば湿度または振動の存在により数年後に行われるかもしれないダストの凝集作用のリスクを回避する。このような凝集作用は事実上非常に有害なものであり、たとえばダストの煙がもはや形成できなくなったり、凝集されたダストが設備の爆発を引き起こすガスの進行を妨害するプラグさえも形成したりする。それどころか、物質内にばらまかれたダストの存在はもちろん砕けやすい物質の選択と矛盾するものではない。

一実施態様によれば、ガス放出用出口通路は、予め設定された圧力限界値を超える圧力差にさらされた時に自動的に開く封止手段によって閉じられる。その場合、収納室は密閉箱である。ガスは空気より強い絶縁強度を持ったガス、たとえば六フッ化イオウである。

好ましくは、多孔質層は封止手段の下流に配置される。ガス放出用出口通路は封止手段から多孔質層に対して拡がってガス膨張空間を形成する。ガス放出用出口通路は封止手段の位置（レベル）において開放部（セクション）を構成（ｐｒｅｓｅｎｔ）し、多孔質層は封止手段に対向するように位置している自由外部表面を提供し、この自由外部表面は開放部の断面積の３倍より大きい面積を持っている。このようにして画定された幾何学的条件のもとに、ガスはダート（矢）の形をなして封止手段のレベルで射出される。物質層の効率によっては封止手段を前記ダート内に配置することができる。このようにして封止手段と粒状物質との間に位置するガス膨張領域が大きく減少され、それはガス放出用出口通路を画定する壁の表面を減少することを可能にし、多孔質層に達する圧力波および設備の変形の制限によってその壁に作用するストレスを無くすことができる。

一実施態様によれば、自由外部表面は、開放セクションに関して、開放セクションに内接する最大円の直径であると定義される特有の開口直径の６倍より小さい距離の所に位置する。

この配置は、圧力波または衝撃波を発生させる内部アークの発生時に、衝撃波エネルギーを吸収して粒状物質層を越える、その伝播を妨害する開口に直接対向する領域内の物質の大きな変形を可能にする。非常に粗いか砕けやすい粒状物質または両方の性質を備えた粒状物質を使用することによって、配置されるべき物質層を連通開口にかなり接近させることができる。それは連通開口と物質層の表面との間に自由に残存する空間内の圧力を減少させることに寄与する。

一実施態様によれば、機能ユニットは高圧ユニットである。ただしここで高圧という用語は広義に解釈し、とくに中圧を含むものとする。しかしながら低圧設備への適用も除外されるものではない。

他の利点および特徴は、非限定的な例としてのみ与えられ、かつ添付の図面に示された、本発明の実施例の以下の記載から明らかにされる。

図１に示されている高圧電気設備は、高絶縁強度のガス、たとえば六フッ化イオウを充填する収納室１２を形成し、かつ高圧機能ユニット１３を収納する密閉箱１０を備えている。高圧機能ユニット１３は図１に破線によって概略的に示されている。高圧機能ユニット１３は高圧が印加される電気導体を備え、それらの電気導体はたとえば回路遮断器、断路器、アーススイッチ、カットアウトスイッチ、他のスイッチ類、または配電用変圧器、または測定用補助機器のような電気機器に接続されると共に、ブッシング１４を介して外部に接続されている。この密閉箱１０はベース１６上に配置され、その側壁は密閉箱の床板と共に冷却室１８を形成する。冷却室１８はその底部に放出口２０を備えている。収納室１２の床板は冷却室１８との間を連通させる出口開口２２を備えている。通常運転時には、この開口２２は膜２４によって閉じられている。

冷却室１８は剛性を有する水平格子３０によって上部空間２６と下部空間２８とに分割される。剛性を有する格子３０は固体粒状物質３２からなる多孔質層を支持する。もちろん格子３０は固体物質３２の粒子を、これを支持する格子を通過させないように調整されている。粒状物質３２からなる多孔質層の多少平坦な上面３４は自由であるか、または変形自在なネットによって保持される。密閉箱１０の床板と粒状物質３２の上部自由面３４との間に未充填の膨張室が残存している。

固体粒状物質３２は、好ましくは開放または閉鎖された孔を有する低い見かけ密度の多孔質鉱物、たとえば軽石またはポゾラン（pozzolana）である。自明のごとく炎を消したりガスを冷却したりする役割を果たす大量の鉱物ダストを有する物質もまた好ましいものである。

紙のシート上に配置され、ガスが通流したときダストを形成する微細鋳物砂のような無孔質の粒状物質もまた使用可能である。そのとき必要な質量はより大きくなる。

内部アーク３８を発生する密閉室１２内に大事故が起こった場合、図２に示されているように、圧力波によって膜２４が破損し、ホットガスの噴出を引き起こし、白熱状態の固体の粒子が出口開口２２を通って流れる。実際には、噴出は一般に超音波で行われ、波は衝撃波である。この噴出は粒状物質に凹み４０を形成する。「爆発」に伴う白熱状態の固体粒は、物質層に対するフィルタとして作用する物質層の最初の数ｍｍの所で停止させられる。圧力状態のガスはダストの煙４２を伴って粒状物質を通り、格子３０を介して下部空間２８内に放出される前に、粒子との接触による熱交換によって冷却される。ガス流により物質層を越える固体粒子のこの煙４２はガスの冷却に寄与する。装置から排出されるガスが全体として消耗されてしまうことがなく、そのためフラッシオーバが事後燃焼を誘発する周囲空気との連鎖反応を引き起こしかねない従来技術とは異なって、上記ダストは有益なものである。ガス内の固体空気伝播粒子の存在が混合体の化学量論におけるその熱容量および動力学の両者を修正し、全体として再燃焼を阻止するのに寄与する。

粒状物質の層を開口２２から少しの距離の所に位置させることが可能であることは経験的に観察することができる。爆発が行われた時、フィルタの変形が衝撃波を減衰させ、冷却室内の増大した圧力を極小化するのに極めて大きく寄与する。

現に存在する現象の完全な理論をここで提供することを望むまでもなく、開口２２はノズルとして作用するものと言うことができる。そのため、粒状物質層が存在しない状態では、噴出はダート（投げ矢）とも称される焦点を有する円錐形状をとり、その基部は開口の周囲によって形成され、その頂点は基部の直径にほぼ等しいか、その６倍程度までの距離の所にある。しかし、粒状物質の層を非常に近接させているため、噴出はその焦点の前で粒状物質の自由面に突き当たり、そこに凹みを作る。物質層を構成する粒子は摩擦により位置を変えられ、かなりの粉砕を生じ、ダストを形成する。これに関連して、物質層を構成する粒子の粗さは摩擦および腐食によるエネルギーの消費（ｄｉｓｓｉｐａｔｅ）を促進させるという利点をもたらす。噴出および衝撃波のエネルギーは粒子に伝達され、その変位および粉砕に寄与する。全体的に、物質層は衝撃波の放射エネルギー吸収の役割を果たし、物質層を通しての衝撃波の伝播を阻止する。物質層の上面によって形成される境界面の明らかに大きな粗さのため、物質層の上の自由面における衝撃波の反射も大きく減衰され、そのため物質層の自由面上の自由空間内の圧力上昇もまた制限される。

物質を所定位置に保持するように、粒状物質層の上表面を覆う変形自在の格子またはネットを備えることができる。しかしながら、そのネットまたは格子は衝撃波による物質層の大きな変形部４０の形成を妨げるものであってはならない。

本発明の第２実施例が図３に示されている。この実施例によれば、配電設備は複数の高圧キュービクルを備えている。各キュービクル（小区画室）は高圧電気機器用の収納室１２ａ，１２ｂ，１２ｃを形成する密閉箱１０ａ，１０ｂ，１０ｃを備えている。これらのキュービクルは共通の冷却室１８を形成する共通ベース１６によって支持されている。各キュービクルはその床板上に、逆止弁２４ａ，２４ｂ，２４ｃによって閉じられる出口開口２２ａ，２２ｂ，２２ｃを備えている。第１実施例と同様に、冷却室１８は１層または多層の粒状物質３２を支持する中間格子３０を備えている。いずれか１つのキュービクル内に内部アークが発生した時の設備の動作は先に第１実施例において述べたものと同様である。しかしながら、第１実施例の膜を逆止め弁によって置き換えたことによって、事故発生時における冷却室の上部空間内の圧力上昇過程が、それに影響を受けない隣接キュービクルへのガス入口となっていまうことのないように保証されることに注意しなければならない。

もちろん種々の変形が可能である。

通常運転時に連通開口を閉じるために用いられる膜は、収納箱内を支配する圧力と冷却室内を支配する圧力との間の差が予め設定された限界値を超えた時に開く弁によって置き換えられている。

固体粒状物質は、剛性または非剛性の格子によって分離されうる幾つかの層にして配置することができる。異なる層は異なる粒度分布を持つものとすることができる。より一般的には、異なる層は異なる物質によって形成することができる。

粒子が十分大きな直径を持っており、かつ粒子間を通流するガスのための通路が残存するように形成された、塊にした粒状物質を用いることも考えられる。これに関連して、耐火セメント、とくにポゾランダストをベースにした耐火セメントによって結合され、たとえば１０ないし１５ｍｍの直径を持った、ポゾランの粒子から作られた剛性の板を粒状物質の代替物として用いることができる。この解決策の利点は、たとえば垂直に、または傾斜させたフィルタの位置決め配置を容易にすることである。その場合、ポゾラン内に自然に含まれるダストは所望の煙を生成するのに十分である。

固体粒状物質として、異なる直径を有する粒子からなる非均質性の物質を用いることもできる。

収納室内に存在するガスは空気であってもよい。収納室は圧力状態にあってもよいし、圧力状態になくてもよい。

本発明は低圧設備にも適用可能である。

本発明による電気設備の第１実施例を示す断面図である。 図１の電気設備における内部事故時の状態を示す断面図である。 本発明による電気設備の第２実施例を示す断面図である。

Claims (12)

1. ガス絶縁型の機能ユニット（１３）を収納する収納室（１２）と、
   前記収納室（１２）内の内部アークによるガス流を放出するために、前記収納室（１２）の内部から外部へ連通する出口通路と、
   前記ガス流が通過するように前記出口通路内に配置された不燃性の固体粒状物質からなる多孔質層（３２）と、
   を備えたガス絶縁型電気設備において、
   前記多孔質層は、前記ガス流が前記多孔質層（３２）を通過する時、不燃性の固体ダストの煙（４２）を生成するように構成され、かつ配置されていることを特徴とするガス絶縁型電気設備。
2. 前記固体粒状物質（３２）が塊になっていないことを特徴とする請求項１に記載のガス絶縁型電気設備。
3. 前記固体粒状物質（３２）が砕けやすいものであることを特徴とする請求項２に記載のガス絶縁型電気設備。
4. 前記固体粒状物質（３２）が少なくとも部分的に多孔質の粒子によって形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のガス絶縁型電気設備。
5. 前記多孔質の粒子が、軽石、ポゾラン、または軽量気泡コンクリートの粒子の中から選択されることを特徴とする請求項４に記載のガス絶縁型電気設備。
6. 前記ダストの煙（４２）を形成するために、前記粒状物質の層が、前記固体粒状物質の中に散布された形で不燃性の固体ダストを含んでいることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のガス絶縁型電気設備。
7. 前記ガス放出用出口通路が、予め設定された圧力限界値を超える圧力差にさらされた時に自動的に開く封止手段（２４）によって閉じられていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のガス絶縁型電気設備。
8. 前記多孔質層が前記封止手段（２４）の下流に配置されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載のガス絶縁型電気設備。
9. 前記ガス放出用出口通路が前記封止手段（２４）から前記多孔質層に対して拡がるガス膨張空間（２６）を形成していることを特徴とする請求項８に記載のガス絶縁型電気設備。
10. 前記ガス放出用出口通路が前記封止手段の位置において開放セクションを構成し、前記多孔質層は前記封止手段（２４）に対向するように位置する自由外部表面（３４）を提供し、この自由外部表面は前記開放セクションの断面積の３倍より大きい面積を持っていることを特徴とする請求項９に記載のガス絶縁型電気設備。
11. 前記自由外部表面（３４）は、前記開放セクションに関して、前記開放セクションに内接する最大円の直径であると定義される特有の開口直径の６倍より小さい距離の所に位置していることを特徴とする請求項１０に記載のガス絶縁型電気設備。
12. 前記機能ユニット（１３）が高圧ユニットであることを特徴とする請求項１１に記載のガス絶縁型電気設備。

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