JP5554152B2

JP5554152B2 - スイッチギヤ

Info

Publication number: JP5554152B2
Application number: JP2010131552A
Authority: JP
Inventors: 進小鶴; 伸一沼田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-06-09
Filing date: 2010-06-09
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2030-06-09
Also published as: CN102280823A; CN102280823B; JP2011259600A

Description

この発明は、遮断器等の電力機器が収納された金属閉鎖形のスイッチギヤに関し、特に換気用の吸気部を備えたスイッチギヤの改良に関するものである。

金属閉鎖形スイッチギヤで大電流容量定格のものは、主回路導体への通電によるジュール発熱や導体周辺の構造物の誘導発熱などによって、導体温度及び周辺の空気温度が上昇する。この温度上昇を一定のレベルに抑えるために、外気を取り入れてスイッチギヤ内部の対流により内部空気温度を下げて、導体部などを一定の温度以下にするために、筐体の裏面や前面の比較的低い位置に吸気口を設け、天井部に排気口を設けて、筐体内の対流に加え、吸排気口のヘッド差を活用して換気効率を上げるように工夫した構造をとることが一般的である。スイッチギヤの運転時において、極めて希少ではあるが、種々の原因によりスイッチギヤ内部の主回路で電気事故が発生することがある。電気事故が発生した場合にはその部分にアークが発生し、そのアークエネルギにより、急激な内部圧力上昇ならびに高温高圧ガスが生じる。

従来のスイッチギヤで、比較的小電流定格のものでは、一般的に換気用の吸排気口を設けないため、内部に高温高圧ガスが発生した場合、天井部に設けた放圧口から放圧板の開放によってのみ高温高圧ガスが盤外へ排出される。一方、大電流定格のものでは、天井部の放圧口や換気用の排気口だけでなく、筐体の後面或いは前面に設けた吸気口からも高温ガスが噴出することになる。天井部の排気口からの高温ガスの噴出は、元来、事故時を想定した放圧口を設けているので、そこから噴出しても問題ないが、筐体の裏面や前面に設けた換気用の吸気口からの高温ガスの噴出は抑制する必要がある。このような事故に対応するため、事故時の異常内部圧力上昇で吸気口部に設けた逆止弁式シャッタが内圧の上昇に応動して吸気口を内側から閉塞することで、高温高圧ガスが通気路を逆流して、吸気口から外部に放出するのを防止したものがある（例えば特許文献１参照）。

ＷＯ２００９／００１４２５Ａ１号公報（第１頁、図１）

上記のような従来の技術においては、アークエネルギが小さい領域から、系統の最大規模の領域までのアークエネルギに対して、安定した逆止弁式シャッタ（以下シャッタと略す）動作を確保する必要がある。同時に、系統の最大故障電流の静止アークの集中に対して熔損して穴開きしないことが要求される。故障時のアークエネルギが小さい場合は、シャッタの駆動に必要な圧力上昇が小さいため、シャッタの軽量化など、小さい駆動力で動くシャッタ構造とすることが必要で、故障アークエネルギが大きな場合は、高い圧力で破壊しないで、且つ、アークの熱で熔損して貫通穴が開いてしまわないような材料と厚さが要求されるので、ある程度の大きさの質量を必要とするため、軽量化が困難である。

このように、アークエネルギが小さい場合と大きい場合では、シャッタの設計上、軽量化と強度確保及び耐熔損性確保でトレードオフの関係となり、全領域の事故に対して、シャッタを駆動させて、吸気口を閉鎖してスイッチギヤ内の高温高圧ガスの外部への噴出を阻止することは非常に困難であった。従って内部電気事故発生の際の事故電流値が小さい場合や小規模の地絡事故等事故状態によっては、内部圧力上昇が小さく、その圧力で通気路を閉塞するシャッタが動かずに通気路を閉塞できない可能性があるという問題があった。また、シャッタを用いたものは、シャッタの円滑な動作に依存しており、例えば、シャッタの回動部の動作を安定して確保するための点検保守が必要で、保守不良などで潤滑剤が固着した場合には動作不良になる可能性があった。

更に、スイッチギヤの通常運転中においては、内部の発熱を換気によって放熱する必要があるために、常に吸気口部は、開いておく必要があり、万が一、シャッタが閉じていると、吸気口が常に塞がれている状態となり、換気による内部の放熱効果が無くなるので、内部温度が非常に高くなる。その結果、スイッチギヤ寿命が極端に短くなり、場合によっては、盤内異常加熱による事故の原因ともなる。このためにシャッタは、吸気口を開いた状態で保持しておく必要があり、事故時には、即座に閉じて、少なくとも事故継続時間の間は、事故で発生した高温ガスが、吸気口から逆流しないように、閉じた状態を保持する必要がある。このために、スイッチギヤの据付工事以降の運転開始前や通常の保守点検後の再運転開始前には、必ずシャッタが開いていることを確認する必要があり、また、シャッタが閉じたときの保持部の所要保持性能も確保されていることを確認する必要があり、点検作業が煩雑になるなどの問題点もあった。

本発明は上述のような従来技術の問題を解決するためになされたもので、逆止弁式シャッタの様な事故時のアークエネルギの大きさ及び回動部の摩擦やシャッタ自身の慣性モーメントが動作性能に大きく影響する部材を用いずに、高圧高温ガスの保有するエネルギを減少させ、事故時のアークエネルギが極めて小さい事故から非常に大きな事故までの広い範囲で、安定して高温高圧ガスのエネルギを減衰させて、ガスの速度を低下させ、ガスの温度を下げて吸気部から外部に排出する、安価で、保守点検性に優れた、信頼性の高いスイッチギヤを得ることを目的としている。

この発明に係るスイッチギヤは、電気機器を収容する内部空間に外気を取り入れるための吸気部が設けられた筐体を備えたスイッチギヤであって、上記吸気部に、吸気方向よりも排気方向に対する流体エネルギ損失が大きい形状係数を有する貫通穴が設けられた板状体が設けられてなるとともに、上記貫通穴は、その周囲が上記筐体の内部空間側に突出するように形成されたものである。

この発明においては、外気を取り入れる吸気部に、吸気方向よりも排気方向に対する流体エネルギ損失が大きい形状係数を有する貫通穴が設けられるとともに、上記貫通穴は、その周囲が上記筐体の内部空間側に突出するように形成された板状体を用いたので、内部電気事故の際に、吸気部から外部に向けて通常運転状態とは逆方向に排出される高圧ガスの排気方向の流体抵抗が高まり、高温高圧ガスのエネルギが減衰される。このため、アークエネルギが極めて小さい事故から非常に大きな事故までの広い範囲で、安定して高圧高温ガスの吸気部からの噴出が抑制される。また、逆止弁式シャッタの様な慣性モーメントを有する可動機構を用いていないので保守点検性に優れた、安価で、信頼性の高いスイッチギヤが得られる。

この発明の実施の形態１に係るスイッチギヤを概略的に示す側面断面図。図１に示された吸気部に用いる貫通穴を有する板状体を示す斜視図。図２に示された板状体の正面図。図３のＩＶ−ＩＶ線における矢視断面図。図４に示された板状体の凸状の貫通穴部分における第１の通流方向の場合の流体エネルギ損失に係る形状係数を説明する図。図５に示された板状体と類似の凸状の貫通穴部分における通流方向が逆の場合の流体エネルギ損失に係る形状係数を説明する図。図２に示された実施の形態１の板状体を複数枚用いた非可逆的通気部材を示す斜視図。この発明の実施の形態２に係るスイッチギヤに用いた板状体を複数枚用いた非可逆的通気部材を示す斜視図。図８に示された非可逆的通気部材の正面図。この発明の実施の形態３に係るスイッチギヤに用いた非可逆的通気部材を示す斜視図。図８に示された非可逆的通気部材の第１の変形例を示す斜視図。図８に示された非可逆的通気部材の第２の変形例を示す斜視図。

実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１によるスイッチギヤを概略的に示す側面断面図である。図において、スイッチギヤを構成する接地金属製の筐体１の内部は複数のコンパートメントに区画されている。図の左方（正面側）には、引出形の遮断器２が収納される遮断器コンパートメント３が配置されており、この遮断器２は正面側から引き出し可能となっている。遮断器コンパートメント３の後壁には上下に所定の間隔をあけた主回路の断路部４ａ、４ｂが固設してあり、遮断器２の後面（図で右方）に突出した接続端子と着脱できるようになっている。そして断路部４ａ、４ｂには、断路端子５ａ、５ｂが設けられている。遮断器コンパートメント３の上方は制御器具（図示せず）が収納される制御機器コンパートメント６となっている。

遮断器コンパートメント３の背面側上方は、支持碍子８に支持された三相の母線７が配設された母線コンパートメント９となっており、遮断器２の一端側に接続された断路部４ａの断路端子５ａと母線７とが分岐導体１０で接続されて収納されている。母線コンパートメント９の後方及び下方は負荷側のケーブル１１が収納されるケーブルコンパートメント１２である。遮断器２の他端側に接続された断路部４ｂの断路端子５ｂは、変流器１４を貫通するように設けられた負荷側導体１３を介してケーブル１１と接続されている。また、断路端子５ｂには接地開閉器１５が接続されている。

図の右方（後面側）におけるケーブルコンパートメント１２の下方には、外部から筐体１内に外気を取り入れるための羽板を用いた通気口１６ａを有する吸気部１６が設けられている。吸気部１６の筐体１内部側には、図２〜図４に示す、通常運転時にはスイッチギヤ内換気のため、矢印Ａで示す吸気方向に流体エネルギ損失が小さく、内部短絡事故時にはスイッチギヤ内部から吸気部１６を逆流して矢印Ｂ方向に排出される高温高圧ガスのもつ流体エネルギを大幅に損失させることを目的とした、吸気方向よりも排気方向に対する流体エネルギ損失が大きい形状係数を有する貫通穴１８ａが設けられた板状体１８を用いた非可逆的通気部材１７が設置されている。

板状体１８は、例えば鉄板などの金属製で、一つ或いは複数個の表裏非対称の貫通穴１８ａが形成されている。なお、この例では貫通穴１８ａが規則正しくマトリックス状に多数設けられている。図４に示すように、外気側（図の右側）に配設される一方の面における貫通穴１８ａの周囲は、滑らかな曲面を有する凹面に形成され、筐体１の内部側に対向される他方の面における貫通穴１８ａの周囲は、筐体１内部側に突出する凸状に形成されている。このような穴形状は、一般的な金属板のプレス加工や絞り加工などで種々の大きさのものを容易に製作できる。上記貫通穴１８ａに相当する図５に示される形状の管路入口から、外気の流入方向に対応する矢印Ａ方向に流体が流れるときの流体エネルギ損失に係る形状係数ζは、穴の大きさや流体入口曲面の曲率半径、及び穴の大きさと曲率半径との相対比率により変化し、一般に、ζ＝０．０６〜０．００５の範囲とされており、形状係数（ζ）は、流体の流入側の形状により約１０倍以上変えることが出来る。

一方、上記矢印Ａ方向とは逆向きの内部短絡事故時の流れに相当する、図６に示される形状の管路入口から矢印Ｂ方向に流体が流れるときの流体エネルギ損失に係る形状係数はζ＝０．５６であることが知られている。この発明は上記のような特性を利用して、図２〜図４に例示する板状体１８を、流体が吸気方向に通過する場合はエネルギ損失が小さくなり、吸気とは逆向きの排気方向に通過する場合はエネルギ損失が大きくなる方向に配置するようにしたものである。単純計算では貫通穴１８ａの形状係数ζは、流入方向に対して流出方向が約１０倍〜１００倍程度大きく、少なくとも１０倍程度は大きいと看做すことができる。

非可逆的通気構造物１７は、スイッチギヤの各々の定格容量におけるスイッチギヤ内部の電気事故の規模と、通常の通電時の内部換気に必要な換気量の両方に適合するように作られた上記のような主機能要素である図２の板状体１８を複数枚組合せて構成したものである。なお、筐体１の天井部には放圧口１９が複数設けられているなど、その他の構成は従来のスイッチギヤと同様である。

次に、上記のように構成された実施の形態１の動作について説明する。上記スイッチギヤにおける通常運転時に吸気部１６を矢印Ａで示す吸気方向に通過する空気の流速ｖは、スイッチギヤの吸排気口の高さによるヘッド差及びスイッチギヤ内部の発熱による自然対流による空気の流れだけであるため、凡そ０．５〜１．０ｍ／ｓのレベルである。これに対して、内部短絡事故時の高圧ガスの流速は内部電気事故の規模に依存するが、事故発生後に急激にスイッチギヤの内部圧力が上昇し、その圧力でスイッチギヤの天上部に設けた放圧板が開放して、放圧口１９から高圧ガスが放出される。その時の圧力伝播は音速に近い速度であり、放圧口１９から高圧ガスが噴出する速度は、大凡１００〜３００ｍ／ｓ程度となる。そのような高圧ガスが吸気部１６からそのまま排出されるわけではないが、吸気時に対する排気時の流速ｖは大凡１００倍から６００倍大きい。

一般に流体の管路の流体損失エネルギ（ｈ）は、管路入り口の形状の違いで決まっている形状係数（ζ）に比例して、流体の流速（ｖ）の２乗に比例することが知られている。即ち、貫通穴１８ａが設けられた板状体１８を通過する際のエネルギ損失（ｈ）は、下記式１に示す関係式によって決まる。
ｈ＝ζ×（ｖ^２÷２ｇ）・・・・・式１
但し、ｖは流体の流速、ｇは重力の加速度。

上記式１の関係式が成立することから、内部短絡事故発生時の高温高圧ガスの排気時における流体エネルギ損失は、通常運転時の吸気時に対して、形状係数（ζ）で約１０倍、流体の流速（ｖ）で約１００倍の差があることから、凡そ１００，０００倍以上の、流体エネルギ損失を伴うこととなる。即ち、通常運転時の吸気時における流体エネルギ損失と比較して、凡そ１００，０００倍のエネルギが減少される。そのため、その分、非可逆的通気部材１７によって高温高圧ガスのエネルギを減少させることが可能となる。

上述の如くこの発明に係わるスイッチギヤは、内部電気事故時の吸気部１６における空気の流れ方向が、通常運転時と比較して逆方向（排気方向）であること、及び通常運転時の吸気方向の流体の速度が約０．５〜１．０ｍ／ｓの低速度に対し、事故時に通常運転時と逆方向となる排気方向の流体速度が、単純計算で大凡１００〜３００ｍ／ｓの高速であることに着目し、通常運転時の吸気方向には形状係数（ζ）が小さく、事故時の排気方向は形状係数（ζ）が大きくなる形状の貫通穴１８ａを有する板状体１８を、吸気部１６に備えることにより、吸気方向に対し、排気方向の流体抵抗が、大凡１０万〜３６０万倍になり、良好な換気性能と事故時に高圧高温ガスの噴出を抑制するものである。

なお、図７に示す如く、板状体１８を複数枚重ねること、あるいは板状体１８の貫通穴１８ａの大きさ、あるいは貫通穴１８ａの数を変えることで、高温高圧ガスのエネルギ減少効果を広い範囲で変化させることが可能である。また、板状体１８を構成する材料として、鉄系材料など一般的な金属の他、例えば多孔質焼結金属や発泡合金などを用いることも高温高圧ガスのエネルギ減少効果が期待できる。また、板状体１８の表面に水酸化マグネシウムなどの水酸化金属化合物（水酸化物）や燃焼時に水分子を多く発生する素材或いは水分子を多く含む高分子材料の皮膜で覆うことも、高温高圧ガスのエネルギ減少効果を高める上で有効である。さらに、板状体１８として、水分子を多く含む不燃性高分子材料を用いても同様の効果が期待できる。

なお、図１に示す筐体１の内部構成は、一例を示すものに過ぎす、図の配置構成に限定されるものではない。また、吸気部１６は図の左方（正面側）部、あるいは床面部に具備される構成、または、これら以外の構成でも良い。何れの場合も、通常の換気用の吸気部１６があって、内部短絡事故時に高温高圧ガスがその吸気部１６を逆流してスイッチギヤ外部に流出する虞のある箇所に、吸気方向よりも排気方向に対する流体エネルギ損失が大きい形状係数を有する貫通穴１８ａを有する板状体１８を設置すればよい。

以上のように、実施の形態１によれば、外気を取り入れる吸気部１６に、吸気方向よりも排気方向に対する流体エネルギ損失が大きい形状係数を有する貫通穴１８ａが設けられた板状体１８を用いるようにしたので、内部短絡事故で発生した高温高圧ガスが吸気部１６を通じてスイッチギヤ外へ排出される際に、高温高圧ガスの流速と温度を低減させることができる。また、逆止弁式のシャッタを用いた場合におけるような機構的な動作に依存せず、高温高圧ガスの冷却が可能となるため、安全性や信頼性が向上すると共に、シャッタの動作スペースを省略できるため、構造が簡単で、安価なスイッチギヤを得ることができる。また、メンテナンスも容易となる。

実施の形態２．
図８は、この発明の実施の形態２に係るスイッチギヤに用いた板状体を複数枚用いた非可逆的通気部材を示す斜視図、図９はその正面図である。なお、この実施の形態２は、図２に示す貫通穴１８ａがマトリックス状に多数設けられた板状体１８を、通気方向に間隔をあけて複数枚配設するときに、板状体１８に形成した貫通穴の中心位置が、隣り合う板状体１８相互の間で交互にずれるように構成したものである。

図において、中央部に配置された板状体１８Ａには、その両側部に配設された板状体１８に設けられた貫通穴１８ａと同様の吸気方向よりも排気方向に対する流体エネルギ損失が大きい形状係数を有する貫通穴１８ｂが、貫通穴１８ａと同様のマトリックス状に多数設けられている。板状体１８Ａの貫通穴１８ｂの中心位置は、図９に示すように通気方向に見たときに板状体１８の貫通穴１８ａとは図の上下・左右方向に２分の１だけピッチをずらせた位置となるように設けられている。その他の構成は上記実施の形態１と同様である。

上記のように構成された実施の形態２においては、非可逆的通気部材１７における板状体１８、１８Ａ相互の貫通穴１８ａ、１８ｂの位置を交互にずらすようにしたので、吸排気の流体損失効果がさらに高められ、結果として、内部短絡事故時に排出される高温高圧ガスのエネルギ減少効果が高まる。この実施の形態２では、吸排気の両方共に流体エネルギ損失が大きくなるので、通常のスイッチギヤ換気用吸気効率も低下するため、吸気効率低下よりも、排気方向に更に大きな流体エネルギ損失を期待する場合に有効である。

実施の形態３．
図１０は、この発明の実施の形態３に係るスイッチギヤに用いた非可逆的通気部材を示す斜視図、図１１は第１の変形例、図１２は第２の変形例を示す斜視図である。なお、この実施の形態３は、図７に示した複数の板状体１８相互の間にフィンを取り付けたものである。図１０において、非可逆的通気部材１７は、吸気方向に間隔をあけて配設された実施の形態１と同様の２枚の板状体１８相互の間に、通気方向に沿って延在するように配置された板状のフィン２０を間隔をあけて複数設けたものである。なお、フィン２０の材質は特に限定されるものではないが、例えば鉄、アルミニウム、銅などの金属、それらの金属系の合金、あるいは多孔質焼結金属、発泡合金などは好ましく用いることができる。その他の構成は実施の形態１と同様である。

上記のように構成された実施の形態３においては、スイッチギヤの内部電気事故の際に生じた高温高圧ガスは、吸気方向よりも排気方向に対する流体エネルギ損失が大きい形状係数を有する貫通穴１８ａが設けられた板状体１８を通過する際に、そのエネルギが減少され、更にフィン２０の隙間を通過する際にフィン２０の表面を溶融させることで、高温高圧ガスのエネルギが減少され、吸気部１６より排出される。このため、流体損失効果がさらに高められ、結果として、内部短絡事故時に排出される高温高圧ガスのエネルギ減少効果が高められる。

なお、上記フィン２０は図１１の第１の変形例に示すように波形に形成したフィン２０Ａとしても良く、この場合には高温ガスがフィン２０Ａを通過するときのフィン２０Ａの面積が増加されていることで、高温ガスの冷却性が更に高められる。更に、図１２に示す第２の変形例のように、フィン２０に複数の穴２０ａを設けフィン２０Ｂとする手法、あるいは複数の突起（図示省略）を設け、あるいはフィンの表面粗度を荒くするなどの手法も冷却効果を高める上で有効である。また、フィンの表面に水酸化マグネシウムなどの水酸化金属化合物（水酸化物）や燃焼時に水分子を多く発生する素材或いは水分子を多く含む不燃性高分子材料の皮膜で覆うことも、高温高圧ガスのエネルギ減少に有効である。

なお、上記実施の形態１〜３に示した非可逆的通気部材１７の構成は、例示した板状体１８、１８Ａに限定されるものではなく、また、その固定手法や、貫通穴１８ａ、１８ｂの形状、大きさ、設置個数、設置密度、設置パターンなどは適宜変更し得るものであることは言うまでもない。

１筐体、２遮断器、３遮断器コンパートメント、１６吸気部、１６ａ通気口、１８、１８Ａ板状体、１８ａ、１８ｂ貫通穴、１７非可逆的通気部材、１９放圧口、２０、２０Ａ、２０Ｂフィン、２０ａ穴。

Claims

電気機器を収容する内部空間に外気を取り入れるための吸気部が設けられた筐体を備えたスイッチギヤであって、上記吸気部に、吸気方向よりも排気方向に対する流体エネルギ損失が大きい形状係数を有する貫通穴が設けられた板状体が設けられてなるとともに、上記貫通穴は、その周囲が上記筐体の内部空間側に突出するように形成されたものであることを特徴とするスイッチギヤ。
上記貫通穴の外気側の周面は、滑らかな曲面を有する凹面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のスイッチギヤ。
上記貫通穴がマトリックス状に多数設けられた上記板状体を、吸気方向に１枚または複数枚設けてなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスイッチギヤ。
吸気方向に間隔をあけて複数枚設けられた上記板状体を備え、上記貫通穴の中心位置が、隣り合う上記板状体相互の間でずれるように配設したことを特徴とする請求項３に記載のスイッチギヤ。
吸気方向に間隔をあけて複数設けられた上記板状体相互の間に、通気方向に延在するフィンを設けたことを特徴とする請求項２または請求項４に記載のスイッチギヤ。
上記フィンは、波形状に形成されていることを特徴とする請求項５に記載のスイッチギヤ。
上記フィンに複数の穴が形成されていることを特徴とする請求項５または請求項６に記載のスイッチギヤ。
上記フィンの表面に複数の突起を形成したことを特徴とする請求項５から請求項７の何れかに記載のスイッチギヤ。
上記板状体は、金属板、多孔質焼結金属板、及び発泡金属板の少なくとも一つを用いたものであることを特徴とする請求項１から請求項８の何れかに記載のスイッチギヤ。
上記板状体は、表面に水酸化物、または燃焼時に水分子を多く発生する材料からなる皮膜を有することを特徴とする請求項１から請求項９の何れかに記載のスイッチギヤ。