JP5423657B2 - 開閉器ユニット及び開閉器ユニットを搭載するスイッチギヤ - Google Patents

Description

本発明は樹脂モールドした開閉器ユニット及び開閉器ユニットを搭載するスイッチギヤに関するものであり、特にそれらの冷却性能を向上させるものである。

スイッチギヤは受配電機器として、電力系統に配置され、発電所から送られる発電電力を受電して負荷側へと配電するものである。スイッチギヤ内は大電流が流れており、使用時においては電流の導通部を中心に高温となるので、冷却性能を備える必要がある。

ここで、冷却性能を備えるスイッチギヤとして特許文献１に記載されたものがある。特許文献１ではスイッチギヤを覆う樹脂層に樹脂製または金属製のフィンを設けることで冷却性能を高めている。

特開２００１−１６０３４２号公報

ここで、特許文献１に記載されたスイッチギヤではフィンの高さや間隔は一定であるため、樹脂特性に応じて効率的な冷却を行うことはできなかった。

そこで、本発明では冷却性能を向上させる開閉器ユニットまたは開閉器ユニットを搭載するスイッチギヤを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明に係る開閉器ユニットは、可動電極及び固定電極を有する開閉器ユニットであって、該開閉器ユニットは放熱用のフィンが形成された樹脂でモールドされており、該放熱用の樹脂フィンはフィンの長手方向に厚みが勾配を有し、更に該放熱用の樹脂フィンの厚みは、熱蓄積箇所の近くで厚く、発熱量が小さい部位の近くで薄くなることを特徴とする。

また、本発明に係るスイッチギヤは、上記開閉器ユニットと、前記開閉器ユニットに接続されると共に電力系統側に接続されて電力を受電する母線と、前記開閉器ユニットからの電力を負荷側へ配電するケーブルとを備えることを特徴とする。

本発明に係る開閉器ユニットまたはスイッチギヤによれば、冷却性能を向上させることが可能となる。

実施例１に係る開閉器ユニットの側断面図である。 実施例１に係る放熱フィンを抜き出して示す図である。 フィンの厚みｄとフィンの効率との相関関係を示す図である。 温度を変化させた場合におけるフィンの高さｌと最適フィン間隔との関係を示す図である。 実施例２に係る開閉器ユニットの側断面図である。 実施例２に係る放熱フィンを抜き出して示す図である。 実施例３に係るスイッチギヤを示す図である。

以下、本発明を実施する上で好適な実施例について説明する。尚、下記はあくまでも実施の例に過ぎず、実施の態様を特定するものでないことは言うまでもない。

実施例１について図１ないし図４を用いて説明する。

図１に示す様に、本実施例に係る開閉器ユニットは、接地されている金属ケース２１と、該金属ケース２１に接続されるエポキシ等の固体絶縁物２（樹脂）と、該固体絶縁物２により一体注型された真空バルブ２６と、接地断路部２７と、母線用ブッシング１３と、ケーブル用ブッシング２８とから主として構成されている。

真空バルブ２６は、固定側セラミックス絶縁筒２９，可動側セラミックス絶縁筒３０，固定側端板３１及び可動側端板３２とを接続して構成される真空容器８内に、固定側電極１６，可動側電極１７，固定側電極１６と接続される固定側導体５，可動側電極１７と接続される可動側導体６、及びセラミックス絶縁筒２９，３０を電極の開閉時のアークから保護するためのアークシールド２５を配備している。そして、固定側導体５はケーブル用ブッシング中心導体１５と接続され、負荷側へ電力を配電できるようになっている。ケーブル用ブッシング中心導体１５は固定側導体５に対し、直交方向に配置しており、ケーブル用ブッシング中心導体１５と固定側導体５に挟まれる箇所は導体が集中し、使用時に熱が上昇し易い。また、可動側には真空バルブ２６内の真空状態を維持したまま、可動側導体６の可動を実現するためのベローズ２２を配置している。真空バルブ２６は可動側端板３２と可動側導体６に接続されたベローズ２２によって内部の真空を維持しながら可動側電極１７，可動側導体６を軸方向に移動可能とすることによって投入・遮断状態を切換えている。また、ベローズ２２と可動側導体６の接続部近傍には、開閉時のアーク等からベローズ２２を保護するために、ベローズシールド３３を設けており、併せてベローズ２２端部における電界の集中を緩和することもできる。可動側導体６は、気中絶縁及び固体絶縁された真空バルブ２６用操作ロッド１８と接続されており、該真空バルブ用操作ロッド１８は、図示しない操作器に接続されている。固定側セラミックス絶縁筒２９の周囲には固定側端板３１との接続部における電界集中を緩和するための固定側電界緩和シールド３４を配置し、可動側セラミックス絶縁筒３０の周囲には可動側端板３２との接続部における電界集中を緩和するために可動側電界緩和シールド３５をそれぞれ配置している。

接地断路部２７は、母線用ブッシング中心導体１４と接続されており、この中心導体を介して母線側に接続されるブッシング用固定電極３と、接地電位としている接地側固定電極（ガイド）１９と、それらの軸方向中間に位置し、フレキシブル導体２０を介して真空バルブ２６側の可動側導体６と電気的に接続される中間固定電極９を備えており、内部は気中絶縁されている。また、これら各固定電極は、内径をいずれも等しくし、直線状に配置されている。これらの各固定電極に対し、接地断路部可動導体４が直線状に接地断路部２７内を移動することで、閉・断路・接地の３位置に切換えることが可能となる。接地断路部可動導体４は、気中絶縁及び固体絶縁された操作ロッド１８と連結しており、図示していない操作機構によって可動が可能となる。そして接地断路部可動導体４のうち、前記の各固定接点と接触する部位をばね接点１０で構成することにより、接地断路部可動導体４の可動を妨げず、かつ弾性力により確実に接触を実現できるようにしている。

母線用ブッシング１３は、母線用ブッシング中心導体１４の周囲を固体絶縁物２で覆うことにより、また、ケーブル用ブッシング１１は、ケーブル用ブッシング中心導体１５の周囲を固体絶縁物２で覆うことにより構成されている。

真空バルブ用の操作ロッド１２，接地断路部用の操作ロッド１８，固体絶縁物２の材料としては、絶縁特性及び機械的強度を考慮し、かつ成形性も良いことからエポキシ樹脂を使用している。また、操作ロッド１２，１８、固体絶縁物２は、それぞれ自身による固体絶縁とともに、周囲の気体による気体絶縁がなされている。

そして、接地断路部可動導体４，固定側導体５，可動側導体６，気中部７，真空容器８は固体絶縁物２により一体注型されており、接地断路部可動導体４，固定側導体５，可動側導体６を覆う固体絶縁物２の外表面には固体絶縁物２からなる放熱フィン１を設けてある。図１（ｂ）に示す様に、熱発生源に最も近い外表面の放熱フィンの厚さｄが最長の厚み１′となる様にしており、熱発生源から離れて行くに連れ、前記外表面の放熱フィン１の厚さｄが徐々に（連続的に）短くなっている。ここで、熱発生源には導体が集中する部位（抵抗となる導体の密度が高いため）、電極同士が接触する部位（接触抵抗が生じるため）が該当する。加えて、固体絶縁物２が覆っていると気密性が高まるため放熱性能も下がり、更に熱が溜まりやすい。一方で、上記の熱発生源の周囲であっても、熱発生源の周囲が気体で囲まれている場合には、放熱性能が高まり、発熱性は高くても熱の溜まり場とはなりにくい。係る点から、導体が集中する部位で、かつ周囲を固体絶縁物２が覆っている部位に該当するケーブル用ブッシング中心導体１５及び真空バルブ２６に挟まれる放熱フィンは、フィンの厚みを大きくしており、該部から離れるにつれて、フィンの厚みが薄くなる様にしている。また、電極同士が接触する部位で、かつ周囲を固体絶縁物２が覆っている部位に該当するばね接点１０とブッシング用固定電極３の周囲に設けたフィンの厚みを大きくしており、該部から離れるにつれて、フィンの厚みが薄くなる様にしている。
本明細書中では、熱発生源であり、かつ固体絶縁物２に覆われている部位を熱蓄積箇所と呼ぶこととする。母線用ブッシング１３やケーブル用ブッシング１１の周囲は熱蓄積箇所に該当する。

次に、本実施例に係る開閉器ユニットの使用時の状態について説明する。電力系統に開閉器ユニットが接続されている場合、開閉器ユニット内に母線から電力が供給されていることになり、更に接地断路部２７が閉位置にあり、真空開閉器も投入されていると、電力系統側から母線を経由して母線用ブッシング中心導体１４→ブッシング用固定電極３→はね接点１０→接地断路部可動導体４→ばね接点１０→中間固定電極９→フレキシブル導体２０→可動側導体６→可動側電極１７→固定側電極１６→固定側導体５→ケーブル用ブッシング中心導体１５を通じてケーブルを介し、負荷側へと電力が送られる。この場合、上記各電流導通部には抵抗値に応じてジュール熱が発生する。スイッチギヤの様に高電圧が印加される場合、発熱量は非常に大きくなるため、放熱性を考慮することは機器製作上必要不可欠な事項となる。

通電時に各部で発生するジュール熱は、各固定電極或いは可動電極９と接続された真空容器端部と固定されている固定側導体５で局所的に放熱している。また、各開閉器内部の導体である接地断路部可動導体４や固定側導体５及び可動側導体６の導体温度が上昇するため、温度上昇に伴う熱電子放出が促進されて絶縁性能が低下してしまう。温度上昇を防止するために、発熱自体を抑えることが考えられ、具体的には接地断路部可動導体４，固定側導体５，可動側導体６を大きくして電流密度を下げたり、或いは開閉部では電極１６，１７に対する接触圧を大きくし、接触抵抗を下げることが考えられる。しかし、前者は装置全体の大型化につながり、後者は操作機構により大きな駆動力を必要とするために回線当たりの容量を大きくすることにつながり、結局いずれの場合も装置が大型化する可能性がある。

そこで、抵抗低減による発熱量を低減するのでなく、放熱性能を向上させることが、温度上昇対策として有効となる。放熱性能を向上させるに際し、通電時の開閉器の各部で発生するジュール熱は、電極同士の接点及び導体を中心に発熱することを鑑み、これら発熱部位付近を中心として、放熱することがより効率的となる。しかしながら、本実施例に係る開閉器ユニットの様に、開閉器ユニットを固体絶縁物２で一体注型した場合に、該固体絶縁物２の外表面全体を冷却用のフィン形状とすると、固体絶縁物２の外表面と開閉器ユニットが収納されるスイッチギヤの盤との温度差が低い部位、即ち放熱性能を向上させる必要性が少ない個所まで、一律に冷却用のフィンを取りつけることになる。

特に、固体絶縁物製のフィンを設ける場合、金属と比較して熱伝導率が小さいことから、固体絶縁物製のフィン内に温度分布が生じ、発熱部位から離れた箇所には熱が伝わっておらず、係る部位に放熱用のフィンを設けても放熱性能の向上に寄与する度合いは小さい。フィンを全体に設けることは開閉器ユニット全体の重量の増大につながるため、むやみにフィンを設けるのでなく、放熱性能の向上に充分寄与し得る位置にフィンを配置する様、フィンの形状やその取り付け位置を決定するのが望ましい。

そこで、本実施例に係る開閉器ユニットでは、ケーブル用ブッシング中心導体１５及び真空バルブ２６に挟まれる放熱フィンは、フィンの厚みを大きくしており、該部から離れるにつれて、フィンの厚みが薄くなる様にしている。また、ばね接点１０とブッシング用固定電極３の周囲に設けたフィンについてもフィンの厚みを大きくしており、該部から離れるにつれて、やはりフィンの厚みが薄くなる様にしている。

上述の様に、電流導通時に電流導通部位にはジュール熱が発生する。そして、発生したジュール熱は周囲の媒体に伝わり、周囲の媒体から外部に放熱される。ここで、ケーブル用ブッシング中心導体１５及び真空バルブ２６に挟まれる固体絶縁物２には、ケーブル用ブッシング中心導体１５と真空バルブ２６内の導体の両方で発生する熱が伝達されるため、より放熱性能が高くなる必要がある。本実施例では、ケーブル用ブッシング中心導体１５及び真空バルブ２６に挟まれる放熱フィンは、フィンの厚みを大きくしており、該部から離れるにつれて、フィンの厚みが薄くなる様にしている。熱蓄積部位である該部はフィンの厚みを大きくすることで、放熱性能を向上させることができる。一方で、熱蓄積部位である該部から離れるにつれて、導体の密集度は低下し、そもそも発熱部位近傍でなくなると共に、固体絶縁物製のフィンでは熱伝導率が小さいため、熱蓄積部位からの熱も伝達しにくくなるので、両観点から放熱性能を向上させる必要性は少なくなる。そこで、大型化を防ぐべく、熱蓄積部位である該部から離れるにつれ徐々に放熱フィン１の厚みを低下させることとしている。

同様に、ばね接点１０とブッシング用固定電極３の周囲に設けられる固体絶縁物２についても、ブッシング用固定電極３，接地断路部可動導体４、及びばね接点１０とブッシング用固定電極３との接点部位を覆っており、熱蓄積部位となる。よって、該部位に設けられる放熱フィン１については、放熱フィン１の厚みを大きくしており、該部から離れるにつれて、放熱フィン１の厚みが薄くなる様にしている。

これらにより、冷却性能を向上させることができると共に、必要以上に大型化することもなくなる。

放熱フィンの最適な設計条件について説明する。通常、樹脂外皮の放熱フィン１の形状は図２に示すように厚み（ｄ），高さ（ｌ），板厚（ｔ），フィン間隔（ｂ）によって形成されるため、これらの形状パラメータを適切に決定する必要がある。基本的に放熱フィン１は周囲への伝熱面を拡大して表面の熱密度を下げるものであるから、伝熱面積が大きくなるほど性能は良くなる。しかし、むやみに表面積を拡大しても、表面の熱伝達率の低下や、放熱フィン１先端までの伝熱効率の低下が予想される。即ち、放熱フィン１が最も効果的な場合は、放熱面全体が熱源と同じ温度になっている場合である。故に、金属では熱伝導率が大きく温度分布が顕著に発生しにくいが、固体絶縁物２では熱伝導率が小さく、温度分布が顕著に発生するため、放熱フィン１の厚さを一律とせず、放熱フィン１が効果的な冷却を行える様、放熱フィン１に勾配を持たせる（長手方向に）こととしている。

フィンの効率は「放熱フィンの全表面が熱源の温度に等しいとした場合の放熱量」に対する「実際の放熱量」の割合を示したもので、有効に働いている表面積の比率とも解釈できる。フィンの効率は、双曲線正接関数（ｔａｎｈ）を用いて次のように表される。

例えば、長さ１００mmで板厚が１mmのアルミニウム板（熱伝導率０.１７Ｗ／mm℃）の一端に発熱が与えられた場合、平均熱伝達率１０×１０^-6Ｗ／mm²℃とすれば、フィン効率は７３％程度になる。したがって、式（１）を用いて最適なフィンの厚みを決定することができる。

固体絶縁物２製の放熱フィン１の場合について、放熱フィンの厚みとフィン効率との関係を図３に示す。固体絶縁物２製の放熱フィン１の場合、絶縁耐力確保のためにフィン先端にＲ３以上を設ける場合、フィン板厚ｔの制限が１０mm以上となる。そこで図３はフィン板厚ｔ＝１０mm、自然空冷想定の平均熱伝達率１０×１０^-6Ｗ／mm²℃、樹脂の熱伝導率０.６×１０^-3Ｗ／mm℃を用いて、式（１）に代入し、フィンの効率を求めている。フィンの厚さｄ＝５mm以下で効率は１００％になるが、樹脂フィンの成型は金型を用いて行うために、フィン先端とフィンの溝底の角部にそれぞれＲ３を形成することを考慮して製作すると１０mm以上の厚さが必要である。そこで、フィンの厚さｄ＝１０mmにした場合の自然空冷で使用する放熱フィンの最適フィン間隔ｂ（同じ体積で熱抵抗を最小にするフィン間隔）は次の式で概算できる（参考文献：伊藤謹司、国峰尚樹、トラブルをさけるための電子機器の熱対策設計、日刊工業新聞）。

図４に温度上昇（ΔＴ）範囲での最適樹脂放熱フィンの間隔と樹脂放熱フィン厚さとの関係を示す。温度上昇（ΔＴ）が小さく、フィンの厚さが大きくなるほどフィン間隔は大きくなる。フィンの間隔が小さすぎると熱抵抗が大きくなるので、自然空冷の場合は５mm以上間隔を空ける必要がある。樹脂モールド構造全体をフィン構造にする場合、フィン厚さは３００mmとなり樹脂内部の許容温度上昇ΔＴ＝２０℃での適切なフィン間隔は１０mmとなる。したがって、設計条件（絶縁性能）を考慮した最適な樹脂放熱フィン形状は厚さｄ＝１０mm，板厚ｔ＝１０mm，フィン間隔ｂ＝１０mmとなる。

本実施例に係る開閉器ユニットでは、放熱フィン１がフィンの長手方向において、その厚みが勾配を有する様にしたことにより、厚みが勾配を有していない場合と比較して冷却性能を向上させることができるとともに、不必要に大型化するのを防止することができる。

そして、係る厚みが熱蓄積箇所で大きくなり、該部から離れるにつれ、厚みが薄くなるようにしたことにより、通電時に生じる温度条件により適した冷却を行うことが可能となる。

また、本実施例に係る開閉器ユニットは、遮断器と、接地開閉器とを固体絶縁物２によって一体にモールドしたものであり、絶縁特性を高めながら最適化することで、小型化が図れている。この様な小型化が図られた開閉器ユニットにおいては、密閉性が高く、熱が集中し易いため、発熱性の低下でなく、放熱性能向上に対するニーズは大きい。本実施例では、係る開閉器ユニットの固体絶縁物２に放熱フィン１を設け、勾配を設けることとしたので、より適したものとなる。加えて、大型化も防止できるため、小型化の実現を妨げることがない。むしろ、放熱性能も加味した開閉器ユニットとしては、非常に小型化されたものとなる。

更に、係る接地開閉器を本実施例では接地断路部として、断路機能も集約したので、上記点に加えて更に小型化を実現している。係る更なる小型化を実現した開閉器ユニットと本実施例に係る放熱フィン１との相性が更に良いことは言うまでもないことである。

実施例２について、図５及び図６を用いて説明する。本実施例では、実施例１の様に放熱フィン４１の勾配が徐々に（連続的に）減少する代わりに、段階的に（不連続に）増加または減少することとしている。これ以外の点については実施例１と同様であるので、重複説明は省略する。

本実施例の様に放熱フィン４１を構成しても実施例１で述べた種々の効果をいずれも奏することが可能である。両実施例に共通して重要となるのは、樹脂製の放熱フィンの厚みを一律とするのでなく、勾配を有するということ及び、更なる効果を奏するために熱蓄積部の放熱フィンの厚みを最も厚くすることである。

実施例３について図７を用いて説明する。本実施例に係るスイッチギヤは、電力系統側に接続されて電力を受電する母線４０と、母線４０に接続されて開閉器を有する開閉器ユニット２５と、開閉器ユニット２５からの電力を負荷側へ配電するケーブル４２と、実施例１に係る開閉器ユニット２５とケーブル４２とを連結するケーブルヘッド４１と、開閉器ユニット２５内の開閉器を操作する操作器４３と、過電流検出時や落雷時等に機器を保護する保護継電器等を収納する制御機器室４４とから概略構成される。

開閉器ユニット２５については、実施例１で説明したものに関わらず、上記各実施例で説明した内容のいずれもを含めて様々なものが適用可能である。この際、少なくとも上記した各効果はスイッチギヤに適用することによって、減じられるものではない。

本実施例に係るスイッチギヤについて、開閉器ユニット２５に、フィンの長手方向に厚みが勾配を有する放熱用の樹脂フィンを備えることで、スイッチギヤ（盤）内で主として発熱性が高い場所が、開閉器ユニットであることから、スイッチギヤ全体として見た時も冷却性能を向上させることができる。

また、スイッチギヤ内の主要部である開閉器ユニットを小型化できることで、スイッチギヤ全体を小型化することも可能になることは更に特筆すべき点である。

１，４１ 放熱フィン
１′，４１′ 放熱フィンの最長の厚み
２ 固体絶縁物
３ ブッシング用固定電極
４ 接地断路部可動導体
５ 固定側導体
６ 可動側導体
７ 気中部
８ 真空容器
９ 中間固定電極
１０ ばね接点
１１ ケーブル用ブッシング
１２，１８ 操作ロッド
１３ 母線用ブッシング
１４ 母線用ブッシング中心導体
１５ ケーブル用ブッシング中心導体
１６ 固定側電極
１７ 可動側電極
１９ 接地側固定電極（ガイド）
２０ フレキシブル導体
２１ 金属ケース
２２ ベローズ
２６ 真空バルブ
２７ 接地断路部
２８ ケーブル用ブッシング
２９ 固定側セラミックス絶縁筒
３０ 可動側セラミックス絶縁筒
３１ 固定側端板
３２ 可動側端板
３３ ベローズシールド
３４ 固定側電界緩和シールド
３５ 可動側電界緩和シールド

Claims (4)

1. 可動電極と、該可動電極に対向する固定電極をそれぞれ有する真空バルブ及び接地断路部と、
   前記接地断路部の前記固定電極に電気的に接続されると共に、母線と接続されるブッシング導体と、
   前記真空バルブの前記固定電極に電気的に接続されると共に、ケーブルと接続されるブッシング導体とを有する開閉器ユニットであって、
   該開閉器ユニットは樹脂により一体に注型されており、
   該樹脂は樹脂フィンを備えており、該樹脂フィンの厚みが該樹脂フィンの長手方向に勾配を有し、
   前記樹脂フィンの厚みを、前記各ブッシング導体の周囲で最も厚く、発熱量が小さい部位の近くで薄くし、
   前記樹脂フィンの放熱面が熱源と同じ温度となるように構成することを特徴とする
   開閉器ユニット。
2. 請求項１に記載の開閉器ユニットであって、
   前記フィンの厚みは連続的に増加または減少する部位を有することを特徴とする開閉器ユニット。
3. 請求項１に記載の開閉器ユニットであって、
   前記フィンの厚みは段階的に増加または減少する部位を有することを特徴とする開閉器ユニット。
4. 請求項１ないし３のいずれか一つに記載の開閉器ユニットと、
   前記開閉器ユニットに接続されると共に電力系統側に接続されて電力を受電する母線と、
   前記開閉器ユニットからの電力を負荷側へ配電するケーブルとを備える
   スイッチギヤ。

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