JP6126685B2 - 送気管チャンバを備える受動的なアーク管理システム - Google Patents

Description

本発明は、概して、一般にキャビネットと称される筐体（このような筐体が本発明の利益を得るためにドアを持つ必要はないが）に含まれる電気配電装置と導体に関する。本発明は、特に電気キャビネットのアーク故障（arc fault）の影響を受動的にコントロールすることに関する。ここに言及されるアークのコントロールは、ブレーカー自体の内部でのことではない（すなわちボルト止めの失敗ではない）。

電気キャビネットにおける、予期されないおよび／またはコントロールされないアーク・イベント（また、アーク故障と呼ばれる）の危険がよく知られており、アークフラッシュ（arc flash）およびアーク爆発（arc blast）（以下において、簡単のためアーク爆発とする）に起因する器材への潜在的損害と操作環境の人員に対する危害が含まれる。受動的および能動的なアークのコントロールの方法が、当技術分野において知られている。受動的な方法は、キャビネットからアーク爆発のエネルギーとガスの定方向への排出を含む。他の受動的な方法は、爆発に耐え得るようにするキャビネットの構造の強化を含むかもしれない。受動的な方法のどちらの形態も、故障期間を制限するものでなく、簡単に既存のスイッチギヤ・キャビネットに合うようなレトロなものでもない。能動的な方法は、電流をコントロールするために、通常何らかのセンシング方式とスイッチングメカニズムを含む。能動的な方法に対する懸念としては、費用、迷惑なトリッピングの発生（nuisance trips）、スピード、検出されないシステムの故障を含むかもしれない。当然のことながら、アークがより早くコントロールされるほど、アーク・イベントによる危害は少ないと考えられる。

電気キャビネットの内部でアーク・イベントをコントロールして消すための早くて、経済的であって、受動的なメカニズムは、当技術分野において歓迎されるであろう。そのために、本発明は、いろいろな形態と実施例で、キャビネット内でアークが生じるであろう場所（例えば、導体と機器の間の電気的な接点または近接点）を囲む送気管チャンバ（flue chamber）を備えるアーク管理システムについて教示し、提供する。送気管チャンバは、望ましくはアークが消されるまで、アークを延ばして、電流および温度を減衰させる送気管チャンネル（flue channel）を提供する。好ましくは、送気管チャンバと送気管チャンネルは、対置できる開いた面を有する平行六面体または他の多面構造、すなわちふたの外れた箱に形成される。そして、一方が他方の内部にそれらの間に隙間があるように収納されて、内側の箱の外径（ＯＤ）すなわち壁と、外側の箱の内径（ＩＤ）すなわち壁との間にリング状のチャンネルをつくる。平行六面体構造は基本的に管状であると考えられるため、説明をわかりやすくするために曲面について通常使われる用語が、本明細書において使われることがある。

このように、いくつかの利点は、例えばツールの落下、導体または例えば湿気のような環境的な混入による短絡といった意図しないアークの原因から隔離するための物理的なバリアによるアーク防止手段と、アークを引き伸ばすことによって電流と熱を減少させるようにサイズを設定され、位置づけられ、配置された送気管チャンバによってアークを消す手段またはアーク減衰手段と、を含むアーク管理システムによって提供され得る。

いくつかの形態において、例えば露出した電気伝導体の間の短絡から重大なアーク故障のダメージを受ける可能性がある電気機器のために、本発明は受動的なアーク減衰手段を備えるアーク管理システムを提供し得る。一般的に、そのような導体は筐体（本明細書においてキャビネットとも呼ばれる）に含まれ、外部環境または周囲の環境から電気機器を切り離す。アークが生じるであろう場所すなわち電気伝導体を、その中で形成される送気管チャンネルを提供する送気管チャンバで囲むことによって、送気管チャンバはアークを含むことができ、送気管チャンネルはその中のアークを引き伸ばす、すなわち減衰させることができる。

本発明のいくつかの形態において、一対の同軸の四角状または多面体のチャンバの間で、送気管チャンネルはリング状（ring-shaped）のスペースによって形成される。このとき、少なくとも１つのチャンバは他のチャンバの中に入れ子にされて可動である。しかし、本発明は限定されるものではなく、送気管チャンネルが、アークが生じる場所の周囲にあれば、一体的であってもマルチパートであっても、固定であっても可動であっても、いろいろな形状または形態によって達成され得る。送気管チャンネルが狭い断面のチャンネルであって、アークを減衰させるか、消すのに十分な長さであることは、１つの重要事項である。

本発明のいくつかの形態は、スイッチギヤ・キャビネットのブレーカー部の引き出し部分に含まれるドローアウトブレーカー（draw out circuit breaker、引出形回路遮断器ともいわれる）のまわりのアーク管理に特に適しているか、適応可能である。アーク放電は、隣接するバス部の導体拡張部分と結合するための導体のクラスタを多くの場合含んで生じ、そのような回路配置のブレーカーにとって懸念となり得る。送気管チャンバ部の第１の部分は、ブレーカーの後部でクラスタを囲む適切な形状とサイズのクラスタシールド（cluster shield）が備わっていてもよい。送気管チャンバ部の第２の部分は、クラスタシールドと接合する関係にあるブレーカー部のバックモールド（back-mold）における導体の拡張部分のまわりにフェーズ囲い部が備わっていてもよい。このように、送気管チャンバは、ブレーカーが導体の近くに置かれるときに形成される。

ここに開示される上述の利点および他の利点は、以下の図面を参照する詳細な説明を読むことによって直ちに明らかになる。

図１は、ブレーカー部とバス部を備えるスイッチギヤ・キャビネットに適した１つの環境の例示的な実施形態を示す図である。 図２は、図１のスイッチギヤ・キャビネットのブレーカー部のドローアウトブレーカーの後部の詳細斜視図であって、ドローアウトブレーカーのクラスタの電気的接続とクラスタの囲いを示す。 図３は、ドローアウトブレーカーのキャリッジおよびキャビネットの背面に見られるバックモールドの詳細斜視図であって、ドローアウトブレーカーのクラスタとの電気的接続のための導体拡張部分を示す。 図４は、ブレーカー部の背面のバックモールドの詳細であって、導体拡張部分のまわりのフェーズバリアとブレーカーの対流冷却の提供を示す図である。 図５は、形成された送気管チャンバの上部の概略断面図である。 図６は、図５の６−６線に沿った形成された送気管チャンバの概略断面図である。

図１を参照する。図１に示されるように、通常、当技術分野において知られているスイッチギヤ・キャビネット１００は、ブレーカーまたは他の電気機器を備えるためのブレーカー部１０１と、電力をいろいろな電気機器に分配するためのバス部１０２と、配線を通る電力を受け取り、分配するためのケーブル部１０３と、を有する。当技術分野において知られているように、スイッチギヤ・キャビネット１００またはそのセクションは、電気機器または導体のいろいろな部分を外部環境から保護するキャビネットとして役立ち得る。ここに用いられているように、キャビネットはいくつかの実施例において他のより大きなキャビネットの内部にある保護キャビネットである場合もある。更に以下で説明されるように、いくつかのブレーカー・コンパートメント（１０５をまとめて）では、他の２つのセクション１０２、１０３の電力供給部分との接触および非接触ができるようにブレーカーを動かすためのドローアウトシャシー（draw out chassis）を受け取るような構造であるように、それぞれのドローアウトブレーカー１０７（図２参照）がブレーカー部１０１に垂直に積み重ねられている。

図２のように、ドローアウトブレーカー１０７、例えばイリノイ州パラタインのシュナイダー エレクトリック ユーエスエイ社（Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ＵＳＡ， Ｉｎｃ．）のＳＱＵＡＲＥ Ｄ ＭＡＳＴＥＲＰＡＣＴブレーカーの例示的な背面図は、バス部１０２から伝送される電力のフェーズ（phase：相）に付すためのブレーカーに取り付けられる接続装置であるクラスタ１０９を示す（ここでは三相、すなわち３つのフェーズＡ、Ｂ、Ｃが示されている）。また、図５を参照すると、クラスタ１０９が場合によっては、可動のドローアウトブレーカー１０７のクラスタ支持部１１６に取り付けられる代わりに、ブレーカー部１０１のバックモールド１２１でバスの導体拡張部分１１７に固定されてもよいことは、当業者であればわかるであろう。各フェーズは列方向に切り離され、ブレーカー１０７の配線および負荷接続を伴って、別々の横列１０８、１１０に配置される。各々のクラスタ１０９のセットのまわりに、一組のクラスタシールド１１１が取り付けられる。各々のクラスタシールド１１１は、基本的に、クラスタのまわりで箱を形成する４つの側面または面を有する平行六面体である。図示した実施例のように、２つの水平面１１２ａ、１１２ｂと、２つの垂直面１１４ａ、１１４ｂがある。水平面１１２ａ、１１２ｂは、それぞれクラスタシールド１１１の開口端にノッチ１１３ａ、１１３ｂを有し（本発明の形削りに対応）、以下で更に説明されるように、受動的な熱対流を可能にする。シールドの第５の面は、ブレーカーの後部壁１１５のそばで形成される。第６の面は、バス部１０２のバスの末端である導体拡張部分１２３または導体拡張部分１１７に、クラスタ１０９を取り付けることを可能にするために、オープンであり、このことは、図５の断面で概略的に見られ、さらに以下で記載される。

また、図３および図４を参照する。図３は、ブレーカー１０７が挿入されていないブレーカーのドローアウトシャシー１１９を示す。シャシー１１９の背面には、導体拡張部分（１２３をまとめて）を提供するブレーカー部１０１のバックモールド１２１があり、ドローアウトブレーカー１０７のクラスタ１０９との電気的接続に用いられる。当技術分野において理解されるように、導体拡張部分１２３は、スイッチギヤ・キャビネット１００のバス部１０２の範囲内で、バス（図示せず）に接続するバックモールド１２１にわたって広がる。ブレーカー１０７の後部において、各々の導体拡張部分１２３の周りは、クラスタシールド１１１の平行六面体の外部の寸法よりも、内部の寸法が少し（たとえば１．０ｍｍ）大きい平行六面体構造を成すフェーズ囲い部１２５となっている。ブレーカー１０７がバックモールド１２１に近接して置かれて送気管チャンネル１２８を形成するようにクラスタシールド１１１がフェーズ囲い部１２５の内部に挿入されると、シャシー１１９が「引き込み（draw in）」動作中であっても、「引き出し（draw out）」動作中であっても、すなわちブレーカー１０７のクラスタ１０９を導体拡張部分１２３と接続しても、非接続としても、図５の断面で見られるようにフリースペース（free space）が存在し得て、以下ではこれを送気管チャンバ１２７と呼ぶ。また、図５の６−６線に沿った図６の断面図に概略的に示されるように、２つの平行六面体構造（フェーズ囲い部１２５とクラスタシールド１１１）が、ブレーカー１０７の電気接続のまわりで物理的なバリアおよび送気管チャンバ１２７の両方をつくることが認められるであろう。なお、図５および図６の概略的な図は、明らかに実際の縮尺とは異なるとわかるであろう。

図４は、ブレーカー部１０１の背面のバックモールド１２１の詳細であって、導体拡張部分１２３の各々のまわりのフェーズ囲い部１２５とブレーカー部１０１の対流冷却の提供を示す。フェーズ囲い部１２５は、非導電性熱硬化ポリエステル、プラスチックまたは他の適当な材料で構成されてもよい。本発明のある形態において、バックモールド１２１は背面に対流シャフト１３１を提供する排気筒１２９を備え、好ましくは各フェーズで、積み重ねられたブレーカーの熱の管理のために、排気筒１２９の上部、背面、または両方でブレーカー部１０１から、フェーズ囲い部１２５を通って、バックモールド１２１からの熱を取り除く。導体拡張部分１２３とクラスタ１０９の電気的な接続点で熱が生じるにつれて、対流によって熱い空気がブレーカーから引き離される。本発明のいくつかの形態において、フェーズ囲い部とクラスタシールドの一方または両方は、垂直に一方に方向づけられた箱であって、図３および４で示されるように水平の停止壁（stop wall）を有するのではなく、通常の状態でそれぞれのフェーズの一群の配線および負荷を囲むことが考えられる。本システムにおいて、クラスタと導体拡張部分との接続領域を保護するように、または当該領域から離れて、接地された金属を配置することが更に好ましい。

再び図５を参照する。アーク故障の間、結果として生じるプラズマとガスは、アークを押し込めて伸ばす狭い送気管チャンバ１２７を強制的に通り、それによってアーク電圧が高くなり、アーク電流が小さくなり、プラズマとガスが冷えて、アークの中断が提供される。冷却はアークの継続を妨げるだけではなく、機器の周辺にいる人がけがをする可能性を低下させる。望ましい結果となれば、アークは自身で消えるか、ブレーカー・コンパートメントで遮られて、精密機器にダメージを与える可能性がより少ない打ち直しのために、バス・コンパートメントに向けてリークされ、または流される。導体拡張部分１２３からの距離を変えてクラスタ１０９を置くことで接続、非接続、テストポジションを有するドローアウトブレーカーは、全ての実施例で、機能的な送気管チャンバ１２７でオーバーラップ部分を有するように形成するために、各々の位置のフェーズ囲い部１２５でオーバーラップ部分を持たなければならないことが、当業者であればわかるであろう。例示的なアークのテスト・パラメータとして、例えばＩＥＥＥスタンダードＣ３７．２０．２（２００７年）のように、６３５ボルトかつ１００キロアンペアを５００ミリ秒であれば、最小２０．０ミリメートルのオーバーラップ部分が十分であり得る。いずれにしても、本発明の指定に従う設計者は、大きな表面積と断面が狭い送気管チャンネルを、送気管チャンバに提供しようとするであろう。好ましくは、アーク長は、それが１つ未満のサイクルで自己消火するほど長く伸ばされる。送気管チャンバの、図５において「Ｌ」で示されるオーバーラップ長と図６において「Ｘ」で示される断面とも呼ばれる壁の隙間は、ゼロクロスする第２相の最初のゼロクロス（自然であっても、強制的であってもよい）で、アーク電流が制限されて消されるように大きさが設定される。本発明のいくつかの形態において断面Ｘが小さいほど長さＬもより短くなり得るように、長さＬと断面Ｘの望ましいサイジングが相互依存し得ることがわかるであろう。

圧力、温度とブレーカー・コンパートメントまたは他のキャビネットの内部のアーク期間のすべては、アークを囲んでいる送気管チャンバの存在によって減らされる。このように、本発明は、それを強化する必要性が結果的により少なくなる電気キャビネットに対する重圧を取り除く。本発明のシステムがいろいろな他の能動的または受動的なアーク管理システムで使われ得ることは明らかであろう。

以上のように、電気キャビネットのためのアーク管理のシステムについて記述した。添付の特許請求の範囲だけによって範囲が定められるべき本発明の多くのバリエーションが、本発明を理解した当業者に浮かぶことが理解されるであろう。

Claims (18)

1. 受動的なアーク減衰手段を備えるアーク管理システムであって、
   （ａ）露出した電気伝導体を有する電気機器と、
   （ｂ）前記電気機器を外部環境から切り離すキャビネットと、
   （ｃ）前記キャビネットの内部にあって前記電気伝導体を囲み、アークの減衰のために形成される送気管チャンネルを内部に有する送気管チャンバと、
   を備える、アーク管理システム。
2. 前記送気管チャンネルがリング状である、請求項１に記載のアーク管理システム。
3. 前記送気管チャンネルは狭い断面のチャンネルであり、アークを減衰させる十分な長さである、請求項１に記載のアーク管理システム。
4. 前記送気管チャンネルは狭い断面のチャンネルであり、アークを消す十分な長さである、請求項１に記載のアーク管理システム。
5. 受動的なアーク減衰手段を備えるアーク管理システムであって、
   （ａ）露出した電気伝導体を有する電気機器と、
   （ｂ）前記電気機器を外部環境から切り離すキャビネットと、
   （ｃ）前記キャビネットの内部にあって前記電気伝導体を囲み、
   （ｉ）１つの面に開いた第１のチャンバ部と、
   （ｉｉ）１つの面に開いて、前記第１のチャンバ部を覆うためにサイズを設定される第２のチャンバ部と、を有する送気管チャンバと、を備え、
   （ｄ）前記第１のチャンバ部は、アーク爆発の熱および電流の減衰のために前記第１のチャンバ部と前記第２のチャンバ部の間で送気管チャンネルを形成するように、前記第２のチャンバ部の範囲内で可動である、アーク管理システム。
6. 前記第１のチャンバ部および前記第２のチャンバ部が同じ形状である、請求項５に記載のアーク管理システム。
7. 前記第２のチャンバ部は、前記第１のチャンバ部の外径より約１ミリメートル大きい内径を有する、請求項５に記載のアーク管理システム。
8. 前記第１のチャンバ部が前記第２のチャンバ部の内部に置かれ、少なくとも約２０ミリメートルの長さの送気管チャンネルをつくる前記第１のチャンバ部と前記第２のチャンバ部とのオーバーラップ部分がある、請求項５に記載のアーク管理システム。
9. 前記第１のチャンバ部は直線的に可動である、請求項５に記載のアーク管理システム。
10. 前記第１のチャンバ部および前記第２のチャンバ部は開いた面を有する平行六面体である、請求項５に記載のアーク管理システム。
11. 前記電気機器はスイッチギヤ・キャビネットである、請求項５に記載のアーク管理システム。
12. 前記スイッチギヤ・キャビネットはブレーカー部とバス部を有する、請求項１１に記載のアーク管理システム。
13. 前記ブレーカー部の引き出し部分にドローアウトブレーカーを更に含み、
    前記ブレーカーは、バス部の導体拡張部分と結合するための導体のクラスタを含み、
    前記ブレーカーの後部のクラスタシールドは前記クラスタを囲み、
    前記ブレーカー部のバックモールドは、バス部の導体および前記バックモールドのフェーズ囲い部に至るクラスタ支持部を有する、請求項１２に記載のアーク管理システム。
14. クラスタシールドとフェーズ囲い部は送気管チャンバを形成する、請求項１３に記載のアーク管理システム。
15. 前記ブレーカー部の前記バックモールドに更に排気筒を含む、請求項１３に記載のアーク管理システム。
16. 熱の管理のための開口をつくるために、クラスタシールドまたはフェーズ囲い部またはこれらの両方の形削りを更に含む、請求項１５に記載のアーク管理システム。
17. ブレーカー部で垂直に積み重なる複数のブレーカーが存在する、請求項１２に記載のアーク管理システム。
18. 受動的なアーク減衰手段を備えるアーク管理システムであって、
    （ａ）露出した電気伝導体を有する電気機器と、
    （ｂ）前記電気機器を囲むキャビネットと、
    （ｃ）前記露出した電気伝導体を囲み、前記露出した電気伝導体からのアークの減衰のために形成される送気管チャンネルを内部に有する送気管チャンバと、
    を備える、アーク管理システム。

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