JP6917875B2 - スイッチギヤおよびスイッチギヤの操作方法 - Google Patents

Description

この発明は、発送配変電設備に用いられるスイッチギヤおよびその操作方法に関するもので、特に無負荷時の電路を開閉する高電圧スイッチに関するものである。

高電圧スイッチには、遮断器、開閉器、断路器の３種類がある。断路器は、無負荷での電路の開閉を行うもので、発送配変電設備に用いられるスイッチギヤにおいても、無負荷時での電路を開閉するのに断路器が用いられている。
断路器には、通常運転時の電流が流れている電路を開閉する機能(負荷電流開閉の機能)、および、短絡事故時などに大量の電流が通電されている電路を開閉する機能(事故電流開閉の機能)は、通常備わっていない。そのため、断路器において電路を開閉する際には、関連する開閉器を先に「開」状態にして、電路に流れる電流を切り、無負荷状態にして断路器の開閉操作をすることが一般的である。
また、断路器の開閉操作は、例えば、ＪＥＣ−２３１０：２０１４（ＪＥＣ：Japanese Electrotechnical Committee 電気学会 電気規格調査会）の規格では、形式試験において電気操作又は手動ばね操作のものは１０００回の連続開閉を行うことが規定されている。

しかしながら、電力の需要家によっては、電力を使用しないときに受電点近くの断路器を「開」状態とすることで、断路器の下位側の電路に発生する電力の無負荷損を抑制し、省エネルギー化を目的として、毎日、断路器を開閉するような使い方をすることがある。この場合、約３年で形式試験の連続開閉試験における開閉回数の１０００回を超えてしまい、断路器の更新までの期間が短くなってしまうという問題点があった。

一方、特許文献１には、断路器の代わりに、遮断器を用いる例が示されている。遮断器は、例えば、ＪＥＣ−２３００：２０１０の形式試験で規定されている連続開閉の回数が２０００回、ＩＥＣ６２２７１−１００：２０１２（ＩＥＣ：International Electrotechnical Commission 国際電気標準会議）のＭ２クラスでは１００００回と、連続開閉の回数が多いので、この遮断器を断路器に代わりに用いれば、更新期間が短いという問題は解決できることになる。

特開昭６０−１４４１０２号公報

断路器は、確実に電路を開閉することが求められるため、断路器により電路が「開」状態となった場合には、絶縁性能において信頼性の高い空気（大気）を絶縁媒体として絶縁距離を確保している。しかし、遮断器では空気とは別の絶縁媒体を用いることで、構造上、断路器の「開」状態で確保している絶縁距離よりも短い距離で、電路の「開」状態を形成することが多い。そのため、その遮断器で用いている絶縁媒体が劣化した際には、電路の「開」状態を保持する信頼性という点で問題がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、断路器の代わりに遮断器を用いても、確実に電路を開閉できるようにすることを目的とする。

本発明のスイッチギヤは、外部から電力が入力される第１の電路と、母線用遮断器に接続され前記母線用遮断器を介して外部負荷に接続される第２の電路と、前記第１の電路と前記第２の電路との間に接続され、前記第１の電路の定格電圧及び前記第２の電路の定格電圧により決定される耐電圧よりも高い定格耐電圧を有する主回路用遮断器とを備え、
前記第１の電路または前記第２の電路が断路された時、前記主回路用遮断器を開閉操作可能とするものである。

本発明のスイッチギヤの操作方法は、外部から電力が入力される第１の電路と、母線用遮断器に接続され、前記母線用遮断器を介して外部負荷に接続される第２の電路と、前記第１の電路と前記第２の電路との間に接続され、前記第１の電路の定格電圧及び前記第２の電路の定格電圧により決定される耐電圧よりも高い定格耐電圧を有する主回路用遮断器とを備えたスイッチギヤの操作方法であって、前記母線用遮断器を開にするステップと、前記母線用遮断器が開となり、第２の電路が断路されたことを確認後、前記主回路用遮断器のインタロックを解除するステップと、前記主回路用遮断器を開とするステップとを備えたものである。

本発明のスイッチギヤによれば、断路器の代替として遮断器を用いることにより断路器を使用していた場合よりも耐久性が高いスイッチギヤを提供することが可能となり、さらに、断路器を使用していた場合と絶縁性能上、電路の「開」状態で保持する性能に遜色のないスイッチギヤを提供することが可能となる。
また、本発明のスイッチギヤの操作方法によれば、断路器を使用していた場合と遜色のない絶縁性能、確実な電路「開」状態の保持が可能となりスイッチギヤの信頼性が高まる。

この発明の実施の形態１に係るスイッチギヤの回路図である。 この発明の実施の形態１に係るスイッチギヤの筐体を示す図で、図中（ａ）は正面図、図中（ｂ）は側面断面図である。 この発明の実施の形態１に係るスイッチギヤの断路手順を示す図である。 この発明の実施の形態１に係るスイッチギヤの別の断路手順を示す図である。 この発明の実施の形態２に係るスイッチギヤの回路図である。 この発明の実施の形態２に係るスイッチギヤの側面断面図で、図中（ａ）は遮断器が断路位置にあり、図中（ｂ）は遮断器が運転位置にある状態を示す。 この発明の実施の形態３に係るスイッチギヤの回路図である。 この発明の実施の形態３に係るスイッチギヤの側面断面図である。 この発明の実施の形態３に係るスイッチギヤに搭載される遮断器の斜視図である。

以下、本発明を実施するための形態について図を参照して説明する。なお、各図中、同一符号は、同一または相当部分を示すものとする。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るスイッチギヤの単線図（回路図）である。スイッチギヤの上位側には遮断器２および変圧器３が順次接続されている。この変圧器３に接続された第１の電路である電路５は主回路用遮断器１と接続され、主回路用遮断器１の下位側の第２の電路である電路６は各母線用遮断器４と接続され、母線用遮断器４を介して外部負荷（図示せず）に接続される。従来、電路５から母線用遮断器４に至る主回路の開閉に断路器を用いていたが、本発明の実施の形態では主回路用遮断器１を用いる。

図２は、実施の形態１に係るスイッチギヤの筐体７を示す図で、図中（ａ）は正面図、図中（ｂ）は側面断面図である。
筐体７は、主回路用遮断器１の収納された遮断器室８、遮断器２（図示せず）に接続された変圧器３（図示せず）と主回路用遮断器１とを接続し、外部からの電力が入力される第１の電路である電路５が収納されたケーブル室９、主回路用遮断器１と各母線用の遮断器４（図示せず）とを接続する第２の電路である電路６の収納された母線室１０及び各電路に設置された電流センサ（図示せず）等の情報を収集し、主回路用遮断器１、母線用遮断器４等の開閉操作制御等を行う制御室１１を備えている。遮断器室８及び制御室１１は筐体７の正面側に扉を有している。遮断器室８は安全上の措置が施されており、安全確保の上、必要に応じて開閉可能となる。制御室１１も、必要に応じて開閉可能であり、機器の操作を行うことが可能となっている。

主回路用遮断器１の定格電圧は電路５及び電路６の定格電圧と同等かそれ以上とし、主回路用遮断器１の「開」状態における断路部の同相極間となる箇所の絶縁性能は、電路５及び電路６に要求される断路部の同相極間の絶縁性能と同等かそれ以上とする。
実際には、主回路用遮断器１の定格電圧は電路５及び電路６の定格電圧よりも高いものを使用することが望ましい。

表１に、ＪＥＭ１４２５：２０１１（ＪＥＭ：The Japan Electrical Manufacturers' Association 日本電機工業会）より抜粋した『定格電圧に対し要求される断路部の同相極間定格耐電圧』を示す。

表１より、例えば、電路５及び電路６の定格電圧が７．２ｋＶであった場合、要求される断路部の同相極間の絶縁性能すなわち定格耐電圧は、定格商用周波数耐電圧として、２５ｋＶであり、定格雷インパルス耐電圧としては７０ｋＶである。これらの耐電圧性能を満たす遮断器は、定格電圧が１２ｋＶ以上のものであるので、主回路用遮断器１は例えば定格電圧は１２ｋＶのものが選定される。

主回路用遮断器１が「開」の断路状態の時、電路５及び電路５を収納するケーブル室９で絶縁劣化が生じた場合、あるいは電路６、母線用遮断器４及び母線室１０で絶縁劣化が生じた場合でも、スイッチギヤを構成する他の電路よりも定格電圧が高いため、絶縁性能に裕度がある。従って、スイッチギヤの絶縁性を担保できることになる。
また、高い定格電圧のものを使用しているので断路器として求められる断路極間耐電圧を充足する。

図示していないが、主回路用遮断器１の電路５、電路６との接続部の開閉操作は制御室１１からの信号により、主回路用遮断器１の内部で駆動される。次に、主回路用遮断器１を「開」にし、断路状態にする手順について説明する。
図３は、実施の形態１に係るスイッチギヤの断路手順を示す図で、すなわち主回路用遮断器１を「開」にする手順を示したものである。まず、母線用（下位側）の遮断器４を「開」にする（ステップＳＴ１０１）。母線用遮断器４が複数ある場合は全ての母線用遮断器４が「開」であることを確認（ステップＳＴ１０２）する。全ての母線用遮断器４が「開」であることが確認され、電路６が外部と断路状態になると、主回路用遮断器１のインタロックが解除され（ステップＳＴ１０３）、主回路用遮断器１を「開」（ステップＳＴ１０４）にする。
また、遮断器は電路の開閉操作には、バネやコンデンサで蓄えたエネルギーを用いて行うことが一般的であり、通常、開閉の為のエネルギーを常時畜勢し、短絡や過電流等の状態時に電路を遮断するように備える。しかし、本実施の形態では、主回路用遮断器１の「閉」状態の保持、「開」状態の保持の場合において、誤開閉を避けるため、主回路用遮断器１には開閉操作時にのみ開閉に用いるエネルギーを畜勢するように運用する。
図４は、図３に主回路用遮断器１を「開」にするエネルギーを畜勢するタイミングを追加したものであるが、主回路用遮断器１のインタロックが解除された（ステップＳＴ１０３）後に、主回路用遮断器１の開閉操作用エネルギーの蓄勢を開始し（ステップＳＴ１０３Ａ）、このエネルギーを開放することで主回路用遮断器１を「開」にする（ステップＳＴ１０４）。

なお、図４では、主回路用遮断器１のインタロックが解除された（ステップＳＴ１０３）後に、主回路用遮断器１の開閉操作用エネルギーの蓄勢を開始するようにしたが、全ての母線用遮断器４が「開」であることを確認（ステップＳＴ１０２）した後でもよい。
また、図３、４では母線用（下位側）の遮断器４を「開」にする例を示したが、母線用（下位側）の遮断器４を「開」にする代わりに、スイッチギヤの上位側の遮断器２が「開」であること、すなわち、電路５が外部と断路状態であることを確認してもよい。また、母線用遮断器４及び遮断器２の両方の「開」を確認してもよい。

主回路用遮断器１を「閉」にする手順は、次の通りである。
母線用（下位側）の遮断器４が全て「開」であることを確認し、主回路用遮断器１を「閉」にする。次に、主回路用遮断器１をインタロックし、主回路用遮断器１以外のスイッチギヤの電路が「開」とならない場合は、主回路用遮断器１を「開」にできないようにする。その後、母線用（下位側）の遮断器４を「閉」にする。
主回路用遮断器１を「開」にする手順と同様に、母線用（下位側）の遮断器４が「開」であることを確認する代わりに、スイッチギヤの上位側の遮断器２が「開」であることを確認してもよい。また、母線用遮断器４及び遮断器２の両方の「開」を確認してもよい。
また、主回路用遮断器１の開閉操作用エネルギーの蓄勢の開始は、母線用（下位側）の遮断器４が全て「開」であることを確認後とし、主回路用遮断器１をインタロックした後は、遮断器４が全て「開」である場合を除き、主回路用遮断器１の開閉操作用エネルギーの蓄勢は行わない。

このように実施の形態１の構成によれば、断路器の代替として用いる主回路用遮断器１は定格電圧が主回路用遮断器１の上位側の電路５及び下位側の電路６の定格電圧よりも高い遮断器を用いたので、主回路用遮断器１を「開」とした断路状態で、スイッチギヤにおいて、主回路用遮断器１以外の箇所で絶縁劣化等が生じても、主回路用遮断器１で絶縁を維持可能となる。
また、主回路用遮断器１の開閉操作用のエネルギーを常時畜勢せずに、すなわち、「閉」状態の保持、「開」状態の保持の場合にはエネルギーを畜勢せずに、開閉させる時にのみ開閉に用いるエネルギーを畜勢するようにしたので、誤開閉を回避でき、スイッチギヤに具備する電気機器の劣化を抑制するとともに、確実に電路を開閉でき、絶縁性の確保に寄与可能となる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２では、実施の形態１の主回路用遮断器１を移動形の遮断器とし、主回路用遮断器全体を断路状態の位置に移動可能な例について説明する。

図５は、この発明の実施の形態２に係るスイッチギヤの単線図（回路図）である。電路５と電路６との間に主回路用遮断器として移動形遮断器１２を備える。
図６は、実施の形態２に係るスイッチギヤの筐体７内部の構造を示す側面断面図で、図中（ａ）は移動形遮断器１２が「断路位置」にある状態、図中（ｂ）は移動形遮断器１２が「運転位置」にある状態を示す図である。
図において、遮断器室８の移動形遮断器１２は図中矢印Ｘの方向に移動可能である。移動形遮断器１２は図中（ｂ）の「運転位置」にあっても、実施の形態１で説明したとおり、移動形遮断器１２の内部で電路５及び電路６との開閉操作は可能である。スイッチギヤを点検する際などに、電路の「開」状態を確実に保持しなければならない時には、移動形遮断器１２の内部で「開」状態にした状態で、図６中（ａ）のように移動形遮断器１２を電路５及び電路６から切り離し、「断路位置」にする。他の構成は実施の形態１と同様である。

このように、保守・点検時等の電路の「開」状態の保持に対する信頼性を高く求められるいときには、断路器の代わりに用いる移動形遮断器を「運転位置」から「断路位置」に移動し、固定する。移動形遮断器を「断路位置」まで移動させることによりこの空間で、大気による絶縁距離を確保可能となり、断路状態の絶縁性能を向上させることができる。

なお、実施の形態１で説明したように、移動形遮断器１２の内部で、「開」「閉」状態の移行は容易であり、電力を使用しない期間に移動形遮断器１２を図４のように、「運転位置」にある状態で、「開」とすれば、電路は「開」となり、省エネルギー化に寄与できる。
このように、移動形遮断器１２の内部で「開」とする、その状態にさらに移動形遮断器１２を断路位置に移動させて電路を確実に「開」にするという２通りの方法を使い分けることもできる。

実施の形態３．
上記実施の形態１、２では、スイッチギヤの電路に流れる電流は交流電流であったが、本実施の形態３では直流電流の例について説明する。
図７は、この発明の実施の形態３に係るスイッチギヤの単線図（回路図）である。
図において、変圧器３の下位に例えば整流器１３を設け、交流電流を直流電流に変換する。整流器１３の下位であるスイッチギヤの電路１６に主回路用遮断器として交流遮断器１４を接続する。交流遮断器１４の下位に接続された電路１７には各母線用の直流遮断器１５が接続され、直流遮断器１５を介して直流負荷（図示せず）に接続される。

図８は、この発明の実施の形態３に係るスイッチギヤの側面断面図である。
図において、変圧器３（図示せず）からの交流電流は整流器１３（図示せず）で直流電流に変換され、スイッチギヤの筐体７内のケーブル室９の電路１６を流れる。ケーブル室９の電路１６、母線室１０内の電路１７ともに直流電流が流れるが、断路器の代替である遮断器は交流遮断器１４を用いる。交流遮断器１４は電路１６、電路１７にそれぞれ接続される端子１４ａ、端子１４ｂを有する。

図９は、実施の形態３に係るスイッチギヤに搭載される交流遮断器１４の斜視図である。交流遮断器１４の端子１４ａ、端子１４ｂはそれぞれＲ、Ｓ、Ｔ相の３つの相の端子を有する。端子１４ａのＲ、Ｓ、Ｔ相の端子は、電路１６からの直流電流を分流する。端子１４ｂのＲ、Ｓ、Ｔ相の端子は端子１４ａのそれぞれの相に対応し、分流された電流を電路１７へ流す。
例えば、定格電流３０００Ａの断路器の代替として直流遮断器を用いると、同等の定格電流である直流遮断器が必要となる。本実施の形態３の図９のように、交流遮断器１４の３相へ分流すると、分岐回路にはそれぞれ約１０００Ａ通電することになり、回路インピーダンスの不平分や裕度を考慮しても、定格電流１２００Ａ程度の交流遮断器を用いればよいことになる。
従って、定格電流の小さい安価な遮断器を用いることが可能となる。

本発明の実施の形態では断路器の代替として、遮断器を示し、スイッチギヤの筐体７の前側（正面側）中央部に位置する構成を示したが、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、代替とする遮断器は配線用遮断器(ＭＣＣＢ：Molded Case Circuit Breaker)やガス絶縁開閉器(ＧＣＢ：Gas Circuit Breaker)を用いても良いてもよく、大気絶縁開閉器(ＡＣＢ：Air Circuit Breaker)でもよい。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を組み合わせたり、適宜、変形、省略したりすることが可能である。

１ 主回路用遮断器、 ２ 遮断器、 ３ 変圧器、 ４ 母線用遮断器、
５、６ 電路、 ７ スイッチギヤの筐体、 ８ 遮断器室、
９ ケーブル室、 １０ 母線室、 １１ 制御室、 １２ 移動形遮断器、
１３ 整流器、 １４ 交流遮断器、 １４ａ、１４ｂ 端子、
１５ 直流遮断器、 １６、１７ 電路。

Claims (7)

1. 外部から電力が入力される第１の電路と、
   母線用遮断器に接続され前記母線用遮断器を介して外部負荷に接続される第２の電路と、前記第１の電路と前記第２の電路との間に接続され、前記第１の電路の定格電圧及び前記第２の電路の定格電圧により決定される耐電圧よりも高い定格耐電圧を有する主回路用遮断器と、を備え、
   前記第１の電路または前記第２の電路が断路された時、前記主回路用遮断器を開閉操作可能とすることを特徴とするスイッチギヤ。
2. 前記主回路用遮断器が、スイッチギヤの筐体内で移動可能であることを特徴とする請求項１に記載のスイッチギヤ。
3. 前記外部から入力される電力が直流電流であり、
   前記主回路用遮断器は交流遮断器であり、
   前記交流遮断器の複数の相の端子に前記直流電流を分流することを特徴とする請求項１または２に記載のスイッチギヤ。
4. 外部から電力が入力される第１の電路と、
   母線用遮断器に接続され前記母線用遮断器を介して外部負荷に接続される第２の電路と、前記第１の電路と前記第２の電路との間に接続され、前記第１の電路の定格電圧及び前記第２の電路の定格電圧により決定される耐電圧よりも高い定格耐電圧を有する主回路用遮断器と、を備え、
   前記外部から入力される電力が直流電流であり、
   前記主回路用遮断器は交流遮断器であり、
   前記交流遮断器の複数の相の端子に前記直流電流を分流することを特徴とするスイッチギヤ。
5. 外部から電力が入力される第１の電路と、
   母線用遮断器に接続され前記母線用遮断器を介して外部負荷に接続される第２の電路と、前記第１の電路と前記第２の電路との間に接続され、前記第１の電路の定格電圧及び前記第２の電路の定格電圧により決定される耐電圧よりも高い定格耐電圧を有する主回路用遮断器とを備えたスイッチギヤの操作方法であって、
   前記母線用遮断器を開にするステップと、
   前記母線用遮断器が開となり、第２の電路が断路されたことを確認後、前記主回路用遮断器のインタロックを解除するステップと、
   前記主回路用遮断器を開とするステップとを備えたことを特徴とするスイッチギヤの操作方法。
6. 前記主回路用遮断器の開閉操作用のエネルギーは、前記母線用遮断器が開となり、第２の電路が断路されたことを確認後に蓄勢開始することを特徴とする請求項５に記載のスイッチギヤの操作方法。
7. 前記主回路用遮断器はスイッチギヤの筐体内で運転位置から断路位置まで移動可能であり、前記主回路用遮断器を開とするステップの後に、前記主回路用遮断器を運転位置から断路位置への移動させることを特徴とする請求項５または６に記載のスイッチギヤの操作方法。

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