JP7005257B2

JP7005257B2 - 電力機器用磁場発電装置及び電力機器

Info

Publication number: JP7005257B2
Application number: JP2017193485A
Authority: JP
Inventors: 貴夫熊田
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd; Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd; Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Priority date: 2017-10-03
Filing date: 2017-10-03
Publication date: 2022-02-04
Anticipated expiration: 2037-10-03
Also published as: JP2019068663A

Description

本発明は、電力機器用磁場発電装置及び電力機器に関し、特に、漏れ磁束によって発電することができる電力機器用磁場発電装置及び電力機器に関する。

特許文献１においては、変圧器にて、その劣化状態を検出するためにセンサを設ける構成が開示されている。特許文献１では、変圧器での漏れ磁束によって電力を発生させる巻線を設け、センサを駆動させるべく変圧器の内部で自立発電可能として変圧器外部からの電力供給を不要としている。

特開２０１５－４５７２号公報

しかしながら、特許文献１にあっては、巻線等の発電に用いられる各構成がタンク（筐体）の内部に配設されている。従って、タンクの外部で電力供給が必要なセンサを使用する場合、タンクの壁面に対して内外に通じる配線用の穴を加工しなければいけなくなる、という問題がある。また、特許文献１では、巻線及びその周辺構造のメンテナンス等を行う場合、タンクを開閉する作業やタンク内の狭いスペースでの作業が必要となって多大な労力が強いられる、という問題がある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、電力機器の筐体にて電力供給のための穴等の加工を省略でき、メンテナンス等の作業負担の軽減を図ることができる電力機器用磁場発電装置及び電力機器を提供することを目的の一つとする。

本発明における電力機器用磁場発電装置は、多相配線が内外に亘って設けられる筐体を有する電力機器に用いられる磁場発電装置であって、前記筐体の外側に配置され、前記多相配線から発生する漏れ磁束によって起電可能とする巻線と、前記巻線を保持する保持体とを備え、該保持体を介して前記筐体の外面に取り付けられることを特徴とする。

本発明における電力機器は、多相配線と、前記多相配線が内外に亘って設けられる筐体と、前記筐体の外側に配置され、前記多相配線から発生する漏れ磁束によって起電可能とする巻線と、前記巻線を保持する保持体とを備え、該保持体を介して前記筐体の外面に取り付けられる磁場発電装置とを有していることを特徴とする。

このような構成によれば、巻線を含む磁場発電装置を筐体の外部に設けたので、筐体の外部にセンサ等の各種機器を配置及び駆動する場合、かかる各種機器に電力供給する導線等を筐体の内部から外部へ引き出さなくてもよくなる。これにより、導線等を通すための穴や通路を加工して筐体に形成することを省略することができる。また、磁場発電装置のメンテナンス等を行う場合、大掛かりな筐体の開閉作業や狭くて囲われた筐体内で作業をなくすことができ、作業に伴う労力を軽減することができる。

本発明によれば、巻線を含む磁場発電装置を筐体の外部に設けたので、電力機器の筐体にて電力供給のための穴等の加工を省略でき、メンテナンス等の作業負担の軽減を図ることができる。

実施の形態に係る真空遮断器の概略平面図である。実施の形態に係る真空遮断器の概略側面図である。実施の形態に係る真空遮断器の概略正面図である。実施の形態に係る磁場発電装置の構成を示すブロック図である。実施の形態に係る磁場発電装置の回路構成図である。

以下、本発明の実施の形態に係る変圧器について、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。添付の図面においては、三相配線（多相配線）の並び方向をＹ方向とし、それらの入力端子及び出力端子の延出方向をＸ方向と、高さ方向をＺ方向として説明する。なお、以下においては、本発明に係る電力機器を真空遮断器に適用する場合について説明する。しかしながら、本発明の適用対象は、真空遮断器に限定されるものではなく適宜変更が可能である。例えば、ガス遮断器等の他の遮断器や、変圧器、インバータに適用することもできる。

図１は、実施の形態に係る真空遮断器の概略平面図、図２は、実施の形態に係る真空遮断器の概略側面図、図３は、実施の形態に係る真空遮断器の概略正面図である。図１ないし図３に示すように、真空遮断器１は、筐体１０と、三相配線（多相配線）２０とを備えている。

筐体１０は、主として鉄を素材に用いて成型加工や、板金加工等によって形成される。筐体１０は、後述する真空バルブ２０Ｕｃ、２０Ｖｃ、２０Ｗｃ等を収容する内部空間を備えたケース状に設けられる。筐体１０の－Ｘ方向側（図１中下側）には操作機構部１１が設けられ、この操作機構部１１には、真空バルブ２０Ｕｃ、２０Ｖｃ、２０Ｗｃを操作するための操作機構（不図示）等が内蔵されている。なお、筐体１０は、透磁率が鉄より低い材料、具体的にはアルミニウムやチタン等を用いて構成してもよく、この場合の作用については後述する。

三相配線２０は、Ｘ方向に並んで設けられたＵ相用配線２０Ｕ、Ｖ相用配線２０Ｖ及びＷ相用配線２０Ｗを含んでいる。各配線２０Ｕ、２０Ｖ、２０Ｗは、それぞれ２本の端子を備えている。具体的には、Ｕ相用配線２０ＵにおいてＵ相用入力端子２０Ｕａ及びＵ相用出力端子２０Ｕｂ、Ｖ相用配線２０ＶにおいてＶ相用入力端子２０Ｖａ及びＶ相用出力端子２０Ｖｂ、Ｗ相用配線２０ＷにおいてＷ相用入力端子２０Ｗａ及びＷ相用出力端子２０Ｗｂを備えている。各入力端子２０Ｕａ、２０Ｖａ、２０Ｗａ及び各出力端子２０Ｕｂ、２０Ｖｂ、２０Ｗｂは、Ｘ方向に延在して筐体１０の内外に亘って貫通して設けられ、先端側が筐体１０の外部に突出している。ここで、筐体１０における各入力端子２０Ｕａ、２０Ｖａ、２０Ｗａ及び各出力端子２０Ｕｂ、２０Ｖｂ、２０Ｗｂが貫通する面を貫通面１０ａとする。各配線２０Ｕ、２０Ｖ、２０Ｗにて、貫通面１０ａを貫通する各入力端子２０Ｕａ、２０Ｖａ、２０Ｗａ及び各出力端子２０Ｕｂ、２０Ｖｂ、２０Ｗｂは、貫通面１０ａと垂直に交わる位置関係となる。貫通面１０ａにおける各入力端子２０Ｕａ、２０Ｖａ、２０Ｗａが貫通する位置は図３の方向から見て仮想直線Ｌａ上に並び、筐体１０における出力端子２０Ｕｂ、２０Ｖｂ、２０Ｗｂが貫通する位置は仮想直線Ｌｂ上に並んでいる。

図３に示すようにＸ方向で見たときに、それぞれの配線２０Ｕ、２０Ｖ、２０Ｗにて入力端子２０Ｕａ、２０Ｖａ、２０Ｗａに対し出力端子２０Ｕｂ、２０Ｖｂ、２０Ｗｂが下方となってＺ方向に並んで配置されている。また、各入力端子２０Ｕａ、２０Ｖａ、２０Ｗａは、所定の直線方向となるＹ方向に並んで配置され、各出力端子２０Ｕｂ、２０Ｖｂ、２０ＷｂにおいてもＹ方向に並んで配置されている。従って、３本の配線２０Ｕ、２０Ｖ、２０Ｗは、図２に示すようにＹ方向から見たときに、重なるように配置される。

各配線２０Ｕ、２０Ｖ、２０Ｗは、筐体１０内に収容される真空バルブ２０Ｕｃ、２０Ｖｃ、２０Ｗｃ（図３では不図示）を更に備えている。真空バルブ２０Ｕｃ、２０Ｖｃ、２０Ｗｃは、筐体１０内にて入力端子２０Ｕａ、２０Ｖａ、２０Ｗａと出力端子２０Ｕｂ、２０Ｖｂ、２０Ｗｂとに接続される。真空バルブ２０Ｕｃ、２０Ｖｃ、２０Ｗｃは、真空遮断器１として機能し得る構成等が採用され、本実施の形態では説明を省略する。

真空遮断器１においては、磁場発電装置３０を更に備えている。磁場発電装置３０は、三相配線２０から発生する漏れ磁束によって起電可能とする巻線３１と、巻線３１を収容するケース３２と、巻線３１の内側を通って配置される鉄心３３とを備えている。なお、巻線３１及び鉄心３３は、中心軸位置が上下方向（Ｚ方向）に向けられるように配設されている。

磁場発電装置３０は、筐体１０の内部空間に収容されるものでなく、筐体１０の外面側に取り付けられ、巻線３１を含む磁場発電装置３０の各構成は筐体１０の外側に配置される。かかる取り付けに用いられる取付部としては、特に限定されるものでないが、筐体１０にケース３２をねじ止め固定したり、適宜な装着具、治具、嵌合構造を介して取り付けたりすることが例示できる。

ここで、図１から図３に示した磁場発電装置３０は、模式的に表したものである。従って、例えば、ケース３２は、巻線３１及び鉄心３３を保持する保持体としての機能と、巻線３１及び鉄心３３を収容する収容体としての機能とを備えていれば形状や構造等は特に限定されるものでなく、種々の構成を採用できる。

鉄心３３は、軸状に形成され、巻線３１の内部の磁束密度を高くして巻線３１での発電効率を高める作用を奏する。かかる作用を高めるべく、鉄心３３においては、少なくとも一端部を錘状に形成したり、三相配線２０（図１参照）からの漏れ磁束と平行に近付けるように配置や形成したりするとよい。鉄心３３を設けることで磁束を巻線３１に誘導できるので、巻線３１の設置位置での磁束密度が低くても巻線３１で良好に発電でき、巻線３１のレイアウトの自由度を高めることができる。

磁場発電装置３０は、本実施の形態では、筐体１０外面側であって＋Ｙ方向側（図１中右側）の壁面に取り付けられている。これを詳述すると、図２のように三相配線２０における全ての配線２０Ｕ、２０Ｖ、２０Ｗが重なる位置及び方向から見たときに、磁場発電装置３０の巻線３１及び鉄心３３の少なくとも一端部が三相配線２０に重なる位置の近傍に配置されている。言い換えると、図３の方向から見て筐体１０における入力端子２０Ｕａ、２０Ｖａ、２０Ｗａが貫通する位置を結んだ仮想直線Ｌａ又は出力端子２０Ｕｂ、２０Ｖｂ、２０Ｗｂが貫通する位置を結んだ仮想直線Ｌｂの少なくとも一方の仮想直線Ｌａ、Ｌｂの延長線上若しくはその近傍に巻線３１及び鉄心３３の少なくとも一端部が配置されている。更には、貫通面１０ａに交わる各配線２０Ｕ、２０Ｖ、２０Ｗを延長した直線を結んだ面もしくはその近傍、かつ筐体１０の外側近傍に、巻線３１及び鉄心３３の少なくとも一端部が配置されている。ここで、本実施の形態では、各配線２０Ｕ、２０Ｖ、２０Ｗを延長した直線は、各入力端子２０Ｕａ、２０Ｖａ、２０Ｗａを通過してＸ方向に延びる仮想直線と、各出力端子２０Ｕｂ、２０Ｖｂ、２０Ｗｂを通過してＸ方向に延びる仮想直線となる。そして、かかる直線を結んだ面とは、本実施の形態では各入力端子２０Ｕａ、２０Ｖａ、２０Ｗａが沿うように位置するＸＹ面と平行な面Ｐａ（図２参照）と、各出力端子２０Ｕｂ、２０Ｖｂ、２０Ｗｂが沿うように位置するＸＹ面と平行な面Ｐｂ（図２参照）となる。図３の方向から見た場合、それらの面Ｐａ、Ｐｂは、仮想直線Ｌａ、Ｌｂと同じ位置に配設される。本実施の形態では、Ｚ方向にて仮想直線Ｌａと仮想直線Ｌｂとの中間位置に巻線３１及び鉄心３３の少なくとも一端部が位置するよう磁場発電装置３０を配置したが、それらが仮想直線Ｌａ、Ｌｂの何れか一方に重なるように配置してもよい。

図４は、実施の形態に係る磁場発電装置の構成を示すブロック図である。磁場発電装置３０は、巻線３１に加えて蓄電部３４を備え、この蓄電部３４は、整合回路３５、昇圧回路３６、整流回路３７、ＤＣＤＣコンバータ３８、安定化回路３９を備えている。磁場発電装置３０においては、巻線３１に三相配線２０（図１参照）からの漏れ磁束（磁場）が入力されると後述のように誘導電流が発生される。この誘導電流は、整合回路３５を介してインピーダンス不整合による反射電力、出力低下が防止されつつ、昇圧回路３６に入力されて後段の回路に適した電圧まで昇圧又は降圧される。そして、整流回路３７によって直流化され、ＤＣＤＣコンバータ３８により負荷４０が必要とする電圧へ変換させる。その後、出力の安定度を高めるため、コンデンサや蓄電池等により構成される安定化回路３９を通じて負荷４０へ出力される。

なお、負荷４０としては、真空遮断器１の劣化状態や運転状態を検出可能なセンサ等が例示できる。具体例としては、温度、音、振動、電波等の環境情報を検出するセンサや、真空遮断器１に用いるＳＦ６等のガスや、油の劣化によって生じるガスを検出するセンサを挙げることができる。

図５は、実施の形態に係る磁場発電装置の回路構成図である。図５に示すように、磁場発電装置３０は、巻線３１及び巻線３１で発生した電力を蓄電する蓄電部３４を含む電気回路を有して負荷４０に接続されている。磁場発電装置３０の電気回路において、巻線３１は、接地電位から電気的に隔絶され、これにより、落雷時等に大電流が流れたり、絶縁破壊による短絡が発生したりすることを回避して電気回路や負荷４０を保護することができる。なお、電圧の安定化を図るべく、磁場発電装置３０の電気回路を筐体１０（図１参照）に接続して、筐体１０をグランド電位としてもよいが、絶縁破壊による短絡を回避する観点からは、筐体１０の電位から電気的に隔絶される方が有利となる。

続いて、真空遮断器１における磁場及び磁場発電装置３０での発電について説明する。真空遮断器１にて、図１ないし図３に示す三相配線２０に電流が流れることで、Ｕ相用配線２０Ｕ、Ｖ相用配線２０Ｖ及びＷ相用配線２０Ｗを主源として渦状に磁場が発生し、漏れ磁束も同様に発生する。このとき、筐体１０の外面側においては、三相それぞれの配線２０Ｕ、２０Ｖ、２０Ｗからの漏れ磁束がベクトル合成される。そのため、隣り合う配線２０Ｕ、２０Ｖ、２０Ｗの間では漏れ磁束が打ち消し合い、Ｕ相用配線２０Ｕ及びＷ相用配線２０ＷにおけるＶ相用配線２０Ｖと反対側の位置にて漏れ磁束の磁場が強くなる。本実施の形態では、このように磁場が強くなる位置の近傍に巻線３１及び鉄心３３の少なくとも一端部を配置、つまり、それらを上述した図１ないし図３に示す位置に配置したので、巻線３１における発電量の増大を図ることができる。

しかも、巻線３１を上記した位置に配置しつつ、巻線３１の中心軸線の向きをＺ方向に向けたので、Ｗ相用配線２０Ｗの各端子２０Ｗａ、２０Ｗｂにて渦状に発生する漏れ磁束と巻線３１の中心軸線とを平行に近付けることができ、これによっても、巻線３１で発電量の増大を図ることができる。

このような実施の形態によれば、筐体１０の外側に磁場発電装置３０を取り付け可能としたので、筐体１０の内部にてコイル等の発電する装置を設けることが不要となる。これにより、センサ等の負荷４０（図４参照）を筐体１０の外部に設ける場合、筐体１０の内部から外部へ電力供給用の配線を通すため、筐体１０に穴や通路等を形成することが不要となる。この結果、筐体１０に対する加工工数を減らして構造の簡略化を実現でき、ひいては、製造工程の短時間化を図ることができる。

また、磁場発電装置３０の点検やメンテナンス等を行う場合、筐体１０を開閉する大規模な作業や、筐体１０内部における作業を不要にでき、作業者による磁場発電装置３０のアクセスを容易として作業負担の軽減を図ることができる。

また、磁場発電装置３０にて漏れ磁束を用いて負荷４０用の電力を発電するので、真空遮断器１の外部からの電力供給が不要となり、かかる電力供給に用いる配線等に起因する短絡を防止することができる。特に、真空遮断器１が高電圧に対応する場合、外部から電力供給を行うと短絡の可能性がより高くなるが、本実施の形態では磁場発電装置３０で発電して外部から給電用の配線がなくなるので、短絡の発生をより良く防止することができる。

また、本実施の形態のように磁場発電装置３０で発電することで、電源を電池とする構成に比べ、電池の交換作業を不要にすることができる。従って、電池交換のために数カ月毎に真空遮断器１の運転を停止しなくてもよくなる。これにより、真空遮断器１自体の定期点検での運転停止時に磁場発電装置３０も点検を行えば足りることとなり、真空遮断器１の運転停止回数を減らして作業負担の軽減を図ることができる。

ここで、筐体１０を形成する材料として透磁率が鉄より低いアルミニウム等を用いた場合、鉄を用いる構成に比べ、磁束の遮断性能は低下するが、筐体１０で漏れ磁束が減衰され難くなって巻線３１での発電量を増大することができる。しかも、アルミニウムとすることで筐体１０の軽量化を図ることができ、真空遮断器１の運搬や組み立てに要する作業労力を軽減することができる。なお、筐体１０においては、鉄とアルミニウム等との両方を用いて形成してもよい。

本発明の実施の形態は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の趣旨を逸脱しない範囲において様々に変更（位置や向きを含む）、置換、変形されてもよい。さらには、技術の進歩又は派生する別技術によって、本発明の技術的思想を別の仕方で実現することができれば、その方法を用いて実施されてもよい。したがって、特許請求の範囲は、本発明の技術的思想の範囲内に含まれ得る全ての実施態様をカバーしている。

また、上記実施の形態では、本発明を変圧器に適用した構成について説明したが、上述した作用効果が得られるのであれば、他の電力用静止器に適用することも可能である。

また、真空遮断器１においては、各入力端子２０Ｕａ、２０Ｖａ、２０Ｗａに対し各出力端子２０Ｕｂ、２０Ｖｂ、２０Ｗｂの向き及びレイアウト等は、種々の変更が可能である。例えば、各入力端子２０Ｕａ、２０Ｖａ、２０Ｗａが所定の直線方向に沿って並び、各出力端子２０Ｕｂ、２０Ｖｂ、２０Ｗｂも同じ直線上に沿って並ぶよう配置したり全く異なる向き及び位置の直線方向に沿って並ぶようにしたりしてもよい。従って、各入力端子２０Ｕａ、２０Ｖａ、２０Ｗａに対し各出力端子２０Ｕｂ、２０Ｖｂ、２０Ｗｂが離れるような位置関係としてもよい。

また、上記実施の形態では、多相配線を三相配線２０として３本の配線とした場合を説明したが、２本としたり、４本以上としたりしてもよい。

また、巻線３１を中心軸位置の延在方向から見た形状は、円環状に限定されるものでなく、方形に沿う環状にする等漏れ磁束によって起電する限りにおいて変更してもよい。

なお、上記実施の形態では、巻線３１を単一とした場合を説明したが、これに限られるものでなく、複数の巻線３１を筐体１０の外面側に設けてもよい。例えば、一対の巻線３１を配置してもよく、この場合、仮想直線Ｌａ、Ｌｂ（図３参照）の延在方向（Ｙ方向）両側から三相配線２０を挟むように一対の巻線３１を配置してもよい。より好ましくは、仮想直線Ｌａ、Ｌｂが直交する対称面を基準に対称配置するとよく、これによれば、各配線２０Ｕ、２０Ｖ、２０Ｗの電圧のバランスが崩れたときに、各巻線３１の発電に関する制御を行い易くすることができる。

また、巻線３１の両端における電位差によって起電するものに限定されるものでなく、巻線３１の中間点と両端それぞれとの電位差によって起電するようにしてより安定した電位を得るようにしてもよい。更に、上記のように一対の巻線３１を用いた場合、一対の巻線３１の間の電位を上記中間点の電位として同じ要領で起電するようにしてもよい。

１真空遮断器（電力機器）
１０筐体
２０三相配線（多相配線）
３０磁場発電装置
３１巻線
３３鉄心

Claims

多相配線が内外に亘って設けられる筐体を有する電力機器に用いられる磁場発電装置であって、
前記筐体の外側に配置され、前記多相配線から発生する漏れ磁束によって起電可能とする巻線と、前記巻線を保持する保持体とを備え、該保持体を介して前記筐体の外面に取り付けられることを特徴とする電力機器用磁場発電装置。
前記多相配線の各配線は入力端子及び出力端子の少なくとも一方が所定の並び方向に並んで配置され、
前記巻線は、前記並び方向において最も外側に位置する前記入力端子及び前記出力端子より外側に配置されることを特徴とする請求項１に記載の電力機器用磁場発電装置。
前記筐体にて前記各配線の前記入力端子が貫通する位置が第１仮想直線上に、前記各配線の前記出力端子が貫通する位置が第２仮想直線上に並び、
前記巻線は、前記第１仮想直線及び前記第２仮想直線の中間位置に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の電力機器用磁場発電装置。
前記巻線は、前記筐体の電位から電気的に隔絶され、接地電位から電気的に隔絶されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の電力機器用磁場発電装置。
前記巻線の内側を通る鉄心を更に含み、
前記筐体における前記多相配線が貫通する貫通面と該貫通面における前記多相配線それぞれとが垂直に交わり、前記筐体における前記多相配線が貫通する位置が直線上に並び、前記巻線または前記鉄心の一端側は、前記貫通面における前記多相配線を延長した直線を結んだ面もしくはその近傍、かつ前記筐体の外側近傍に配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の電力機器用磁場発電装置。
多相配線と、
前記多相配線が内外に亘って設けられる筐体と、
前記筐体の外側に配置され、前記多相配線から発生する漏れ磁束によって起電可能とする巻線と、前記巻線を保持する保持体とを備え、該保持体を介して前記筐体の外面に取り付けられる磁場発電装置とを有していることを特徴とする電力機器。
前記筐体は、透磁率が鉄より低い材料を用いて構成されていることを特徴とする請求項６に記載の電力機器。