JP6714948B2

JP6714948B2 - 遮断器及びスイッチギヤ

Info

Publication number: JP6714948B2
Application number: JP2019518820A
Authority: JP
Inventors: 進小鶴; 堀之内　克彦; 克彦堀之内
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-05-17
Filing date: 2018-05-16
Publication date: 2020-07-01
Anticipated expiration: 2038-05-16
Also published as: WO2018212210A1; JPWO2018212210A1; DE112018002541T5

Description

本願は、遮断器及びスイッチギヤに関し、特に遮断器及びスイッチギヤに収納される導体の配置構造に関する。

低電圧または中電圧、あるいは高電圧の受配電設備は、ビル、又は工場など電力需給の社会的インフラとして欠くことのできない設備システムである。その安全性、信頼性は、製造メーカはもちろんのこと、据付工事、及び運転保守の全般に亘り十分に配慮されたものである。しかし、小動物、又は異物の侵入、経年使用による絶縁劣化、あるいは地震での機器損傷などで、電路の絶縁機能が損なわれることによって、地絡、短絡などの故障が発生する場合がある。特にスイッチギヤなど閉鎖装置の内部短絡では、大電流アークの発生で、アーク近傍は１０,０００度から２０,０００度程度のプラズマ状態になる。そのため、周辺の金属、及び絶縁物が一部蒸気化され、アーク周辺の空気などの絶縁気体は瞬時に膨張して装置内部は極めて高い圧力となる。このようなアークの発生を伴う内部短絡が発生したスイッチギヤは、大きな損傷を受けるため、近年、内部短絡発生後の数ミリ秒以内に３相回路を接地することで、アークを消去し、内部短絡の影響を抑制する、接地投入器付きの遮断器が開示されている（例えば特許文献１参照）。

国際公開第ＷＯ２０１５／１７８１６０号

特許文献１に示す遮断器では、通常、３相の電路である導体を等間隔に配置しており、配置上、真ん中に位置する導体は、３相交流電流を通電した際に、導体表面からの放射、及び対流の影響により、他の２相と比較して温度上昇が最も高くなる。そのため、この導体の温度上昇を抑制するような、放熱設計を行う必要がある。
本願はこのような課題を解決するためのものであり、導体表面からの放射及び対流の影響を抑制できる遮断器を提供することを目的とする。

本願に開示される遮断器は、
３相の電路導体、この３相の電路導体のそれぞれに設けられ、短絡時に流れる電流を遮断する遮断部、短絡時に遮断部を接地するために接続される高速接地投入器を備え、
第１の相と第２の相の電路導体間の距離をＬｒｓ、
第２の相と第３の相の電路導体間の距離をＬｓｔ、
第３の相と第１の相の電路導体間の距離をＬｔｒ、
第１の相の電路導体と接地金属までの距離をＬｒｅ、
第２の相の電路導体と接地金属までの距離をＬｓｅ、
第３の相の電路導体と接地金属までの距離をＬｔｅ、
としたとき、
Ｌｒｓ＞Ｌｔｒ
Ｌｓｔ＞Ｌｔｒ
Ｌｔｒ＞Ｌｒｅ
Ｌｔｒ＞Ｌｓｅ
Ｌｔｒ＞Ｌｔｅ
となるように３相の電路導体が配置されているとともに、高速接地投入器は、第１の相の電路導体と第３の相の電路導体に備えられていることを特徴とする。

本願に開示される遮断器によれば、導体が近接することにより発生する、電流を通電する際の対流、及び輻射による影響が抑制され、遮断器の放熱設計の費用を抑制することが可能となる。また、高速接地投入器を削減することができ、高速接地投入器を動作させる際の信頼性が向上する。

実施の形態１の遮断器の斜視図である。実施の形態１の遮断器の構造概念図である。実施の形態１の遮断器を示す単線接続図である。実施の形態１の遮断器内の３相の導体配置を説明する説明図である。実施の形態２のスイッチギヤの構造概念図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１の遮断器の斜視図、図２は、実施の形態１の遮断器（両側型）の構造概念図、図３は、実施の形態１の遮断器を示す単線接続図、図４は、実施の形態１の遮断器内の３相の導体配置を説明する説明図である。この実施の形態１の説明では、３相のそれぞれの呼称をＲ相、Ｓ相、及びＴ相とする。
図１及び図２において、遮断器１の内部には、遮断部１００、極間絶縁体１０１、高速接地投入器１０２、高速接地投入器の絶縁体１０３が配置される。絶縁体１０３は高速接地投入器１０２と一体で注型絶縁されるか、または絶縁体１０３を注型または成型で製作した絶縁ケース状部品として高速接地投入器をその内部に組み立てて着脱自在に構成してもよい。

高速接地投入器１０２は、差込接触部１０２ｃを備えた差込形の投入器であり、アーク発生時の動作後に取り換えが必要な部分を遮断器本体から装脱自在の構造となっている。高速接地投入器１０２の一方の端部１０２ｂは、遮断部１００の片側の極１００ａにつながる、Ｒ相の電路導体２ｂの端部とボルトなどの締結部材で電気的及び機械的に締結している。Ｒ相の電路導体２ｂの他方の端部は差込接触子構造のコンタクト２０ｂとなっている。高速接地投入器１０２の他方の端部１０２ａは接地導体回路１０４で、遮断器１の本体接地接触子１０４ａと接続されており、スイッチギヤの遮断器室に装備してある接地端子１０４ｂを介してスイッチギヤの接地導体１０４ｃから大地へ短絡電流を通電するよう構成している。接地導体回路１０４、本体接地接触子１０４ａ、接地端子１０４ｂ、及び接地導体１０４ｃは、ＩＥＣ（International Electrotechnical Commission）などのスイッチギヤ、及び遮断器の規格に応じた短時間通電電流及び通電時間の通電能力を持たせており、高速接地投入器１０２とは、ボルトなどの取付け、取り外し可能な締結手段で締結されている。但し、本体接地接触子１０４ａと接地端子１０４ｂとは摺動接触している。

また、高速接地投入器１０５の一方の端部１０５ｂは、遮断部１００の他の片側の極１００ｂに繋がる、Ｒ相の電路導体２ａとボルトなどの締結部材で電気的及び機械的に締結されている。他方の端部１０５ａは接地導体回路１０４で遮断器１の本体接地接触子１０４ａに接続され、高速接地投入器１０２と同様に構成されている。遮断部１００は真空中に配置されており、通常、真空バルブと呼ばれている。
このように構成された高速接地投入器１０２、１０５は、遮断器１が繋がる電路にアークが発生したとき、投入してアーク電流を迂回させて接地導体回路１０４に流すことでアークを消滅させる。遮断器１は車輪１０６を備えており、スイッチギヤ内で運転位置から断路位置まで引き出しが可能である。

図３の遮断器の単線接続図で示す通り、上述したＲ相の電路導体２ｂ、２ａに高速接地投入器１０２が配置されているのと同様、Ｔ相の電路導体４ａ、４ｂにも高速接地投入器が配置されている。しかし、Ｓ相の電路導体３ａ、３ｂには、高速接地投入器を配置しない。次にＲ相、Ｔ相及びＳ相の電路導体の遮断器内の配置について図４を用いて説明する。
図４において、
Ｒ相の電路導体２ｂとＳ相の電路導体３ｂとの電路導体間の距離をＬｒｓ、
Ｓ相の電路導体３ｂとＴ相の電路導体４ｂとの電路導体間の距離をＬｓｔ、
Ｔ相の電路導体４ｂとＲ相の電路導体２ｂとの電路導体間の距離をＬｔｒ、
Ｒ相の電路導体２ｂと接地金属までの距離をＬｒｅ、
Ｓ相の電路導体３ｂと接地金属までの距離をＬｓｅ、
Ｔ相の電路導体４ｂと接地金属までの距離をＬｔｅとしたとき、
Ｌｒｓ＞Ｌｔｒ
Ｌｓｔ＞Ｌｔｒ
Ｌｔｒ＞Ｌｒｅ
Ｌｔｒ＞Ｌｓｅ
Ｌｔｒ＞Ｌｔｅ
の関係となるように、Ｒ相の電路導体２ｂ、Ｓ相の電路導体３ｂ、及びＴ相の電路導体４ｂを配置する。即ち、Ｒ−Ｓ相間の絶縁強度、Ｓ−Ｔ相間の絶縁強度、Ｔ−Ｒ相間の絶縁強度の中で、Ｔ−Ｒ相間の絶縁強度を最も弱くし、相間の短絡が発生する場合には、Ｔ−Ｒ相間で２相短絡させる配置構造とするとともに、Ｔ−Ｒ相間短絡時に生じるアークが、Ｓ相まで到達して、Ｒ−Ｓ−Ｔ相の３相短絡となることを抑制できる。一般に２相短絡のエネルギーは３相短絡時の８７％である。なお、ここでの接地金属とは、遮断器１の筐体をいうが、電路導体をシールドしているアースと接続された金属ケース、金属板、金属カバーなどでもよい。

３相交流電圧では、

の関係のため、
Ｌｔｒ＞√３×Ｌｒｅ
Ｌｔｒ＞√３×Ｌｓｅ
Ｌｔｒ＞√３×Ｌｔｅ
とすると、Ｒ−Ｓ相間、Ｓ−Ｔ相間、またはＴ−Ｒ相間の電路導体の短絡よりも、Ｒ相の電路導体２ｂと接地金属との間、Ｓ相の電路導体３ｂと接地金属との間、またはＴ相の電路導体４ｂと接地金属との間で地絡が発生する可能性が高くなるため、短絡発生時の他機器への影響を小さくすることができる。一般に地絡のエネルギーは相間短絡のエネルギーよりも小さい。

また、Ｔ−Ｒ相間の絶縁強度の弱い電路導体の配置としているため、図３で説明した通り、Ｒ相の電路導体２ｂとＴ相の電路導体４ｂに高速接地投入器１０２、１０５を取付ける。これは電路導体間の短絡が生じても、Ｔ相−Ｒ相間の短絡のみとする電路導体の配置構成のため、３相分の高速接地投入器は不要となり、費用を抑えることができる。

更に、１つの相に取付けた高速接地投入器の故障率をｐとすると、３相全ての電路導体に高速接地投入器を取付けた際の故障率Ｐ_３は、
Ｐ_３＝１−（１−ｐ）^３
となるのに対し、２相の電路導体のみに取付けた高速接地投入器の故障率Ｐ_２は、
Ｐ_２＝１−（１−ｐ）^２
となる。これにより、高速接地投入器の故障率ｐが一定であれば、２相の電路導体のみに高速接地投入器を取付ける方が故障率は抑制でき、信頼性が向上する。

なお、図４に示す電路導体の配置は、一例を示すものであり、図の配置構成に限定するものではない。また、図４では、両側型遮断器の一方の各相の電路導体２ｂ、３ｂ、４ｂ間の配置について説明したが、他方の各相の電路導体２ａ、３ａ、４ａについても同様の配置構成で設計してもよい。通常は前述の如く、Ｓ相の電路導体の温度上昇が最も高くなるため、Ｓ相の電路導体を、Ｔ相及びＲ相の電路導体から遠ざけて、Ｌｔｒを最小にした例を示しているが、Ｓ相の電路導体の温度上昇に余裕がある場合は、
（１）Ｌｒｓを最小にして、Ｒ相とＳ相の電路導体に高速接地投入器を設置する。
（２）Ｌｓｔを最小にして、Ｓ相とＴ相の電路導体に高速接地投入器を設置する。
としても良い。

実施の形態２．
図５は、実施の形態２におけるスイッチギヤの構造概念図であり、（ａ）は正面図であり、（ｂ）は側面断面図である。
図５（ｂ）によりスイッチギヤ１０００の内部構成について説明する。接地金属製の筐体６の内部は複数のコンパートメントに区画されている。遮断器コンパートメント７には、実施の形態１で説明した遮断器１が収納され、この遮断器１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７の後壁には上下に所定の間隔を隔てて主回路の断路部８ａ、８ｂが固設している。遮断器コンパートメント７の左上部は制御器具（図示せず）が収納される制御機器コンパートメント９となっている。

遮断器コンパートメント７の背面側には、３相の母線１０が支持碍子１１に支持されて配設された母線コンパートメント１２となっており、遮断器の一端側に接続された断路部８ａと母線１０とが、それぞれＲ相分岐導体１３Ｒ、Ｓ相分岐導体１３Ｓ、及びＴ相分岐導体１３Ｔ分岐導体からなる分岐導体１３と接続され、収納されている。実施の形態１と同様に、
Ｒ相分岐導体１３ＲとＳ相分岐導体１３Ｓとの導体間の距離をＬ_１ｒｓ、
Ｓ相分岐導体１３ＳとＴ相分岐導体１３Ｔとの導体間の距離をＬ_１ｓｔ、
Ｔ相分岐導体１３ＴとＲ相分岐導体１３Ｒとの導体間の距離をＬ_１ｔｒとしたとき、
Ｌ_１ｒｓ＞Ｌ_１ｔｒ
Ｌ_１ｓｔ＞Ｌ_１ｔｒ
となるように配置されており、Ｒ相及びＴ相の分岐導体は、母線コンパートメント１２の上方に配置された、高速接地投入器１４に接続されている。

母線コンパートメント１２の後方には負荷側のケーブル１５が収納されるケーブルコンパートメント１８がある。負荷側導体１６もケーブルコンパートメント１８に収納される。負荷側導体１６は、Ｒ相負荷側導体１６Ｒ、Ｓ相負荷側導体１６Ｓ、及びＴ相負荷側導体１６Ｔから構成される。実施の形態１と同様に、
Ｒ相負荷側導体１６ＲとＳ相負荷側導体１６Ｓとの導体間の距離をＬ_２ｒｓ、
Ｓ相負荷側導体１６ＳとＴ相負荷側導体１６Ｔとの導体間の距離をＬ_２ｓｔ、
Ｔ相負荷側導体１６ＴとＲ相負荷側導体１６Ｒとの導体間の距離をＬ_２ｔｒとしたとき、
Ｌ_２ｒｓ＞Ｌ_２ｔｒ
Ｌ_２ｓｔ＞Ｌ_２ｔｒ
となるように、配置されている。

遮断器１の他端側に接続された断路部８ｂとケーブル１５とはＲ相負荷側導体１６Ｒ、Ｔ相負荷側導体１６Ｔが途中に変流器１７を介して設けられている。Ｓ相の負荷側導体１６Ｓは、変流器１７を介さずに直接、ケーブル１５に繋がっている。ケーブル１５はスイッチギヤ１０００の外部へと引き出され、他の電力機器に接続される。
このように、実施の形態１と同様、各相の分岐導体、及び負荷導体の配置構成について、Ｓ相の導体と他相（Ｒ相、Ｔ相）の導体との距離を離して構成としているため、Ｒ相とＳ相の導体間及びＳ相とＴ相の導体間が近接することにより発生する、電流を通電する際の対流、及び輻射による影響が抑制され、スイッチギヤとしての放熱構造を安価にすることが可能となる。

なお、図５に示すスイッチギヤ１０００の内部構成は、一例を示すものであり、図の配置構成に限定するものではない。図５では、遮断器１を収納する遮断器コンパートメント７、母線コンパートメント１２、ケーブルコンパートメント１８及び制御機器コンパートメント９で構成されるが、ケーブルコンパートメント１８が無い場合もあり、またこれら以外の構成でも良い。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１：遮断器、２ａ、２ｂ：Ｒ相の電路導体、３ａ、３ｂ：Ｓ相の電路導体、４ａ、４ｂ：Ｔ相の電路導体、６：筐体、７：遮断器コンパートメント、８ａ、８ｂ：断路部、９：制御機器コンパートメント、１０：母線、１１：支持碍子、１２：母線コンパートメント、１３：分岐導体、１４：高速接地投入器、１５：ケーブル、１６：負荷側導体、１７：変流器、１８：ケーブルコンパートメント、１００：遮断部、１０１：極間絶縁体、１０２、１０５：高速接地投入器、１０３：絶縁体、１０４：接地導体回路、１０６：車輪、１０００：スイッチギヤ

Claims

３相の電路導体、前記３相の電路導体のそれぞれに設けられ、短絡時に流れる電流を遮断する遮断部、前記短絡時に前記遮断部を接地するために接続される高速接地投入器を備え、
第１の相と第２の相の電路導体間の距離をＬｒｓ、
第２の相と第３の相の電路導体間の距離をＬｓｔ、
第３の相と第１の相の電路導体間の距離をＬｔｒ、
第１の相の電路導体と接地金属までの距離をＬｒｅ、
第２の相の電路導体と接地金属までの距離をＬｓｅ、
第３の相の電路導体と接地金属までの距離をＬｔｅ、
としたとき、
Ｌｒｓ＞Ｌｔｒ
Ｌｓｔ＞Ｌｔｒ
Ｌｔｒ＞Ｌｒｅ
Ｌｔｒ＞Ｌｓｅ
Ｌｔｒ＞Ｌｔｅ
となるように前記３相の電路導体が配置されているとともに、前記高速接地投入器は、前記第１の相の電路導体と前記第３の相の電路導体に備えられていることを特徴とする遮断器。
請求項１の遮断器において、
Ｌｔｒ＞√３×Ｌｒｅ
Ｌｔｒ＞√３×Ｌｓｅ
Ｌｔｒ＞√３×Ｌｔｅ
であることを特徴とする遮断器。
短絡時に流れる電流を遮断する遮断器、前記遮断器と母線を接続する３相の分岐導体、前記分岐導体に接続され、前記短絡時に前記分岐導体を接地するために接続される高速接地投入器を備え、
第１の相と第２の相の分岐導体間の距離をＬ_１ｒｓ、
第２の相と第３の相の分岐導体間の距離をＬ_１ｓｔ、
第３の相と第１の相の分岐導体間の距離をＬ_１ｔｒ、
としたとき、
Ｌ_１ｒｓ＞Ｌ_１ｔｒ
Ｌ_１ｓｔ＞Ｌ_１ｔｒ
となるように前記３相の分岐導体が配置されているとともに、前記高速接地投入器は、前記第１の相の分岐導体と前記第３の相の分岐導体に備えられていることを特徴とするスイッチギヤ。
短絡時に流れる電流を遮断する遮断器、前記遮断器と負荷を接続する３相の負荷側導体を備え、
第１の相と第２の相の負荷側導体間の距離をＬ_２ｒｓ、
第２の相と第３の相の負荷側導体間の距離をＬ_２ｓｔ、
第３の相と第１の相の負荷側導体間の距離をＬ_２ｔｒ、
としたとき、
Ｌ_２ｒｓ＞Ｌ_２ｔｒ
Ｌ_２ｓｔ＞Ｌ_２ｔｒ
となるように、前記３相の負荷側導体が配置されているとともに、前記第１の相の負荷側導体と前記第３の相の負荷側導体は変流器と接続されていることを特徴とするスイッチギヤ。