JP7335129B2

JP7335129B2 - アークの発生位置及びアークから物体への伝熱係数の計測方法及び計測装置

Info

Publication number: JP7335129B2
Application number: JP2019195610A
Authority: JP
Inventors: 幹正岩田; 孝治白井; 吏宮城; 光司田坂
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2019-10-28
Filing date: 2019-10-28
Publication date: 2023-08-29
Anticipated expiration: 2039-10-28
Also published as: JP2021067651A

Description

特許法第３０条第２項適用２０１９年８月２７日、ｈｔｔｐｓ：／／ｃｏｎｆｉｔ．ａｔｌａｓ．ｊｐ／ｇｕｉｄｅ／ｅｖｅｎｔ－ｉｍｇ／ａｅｓｊ２０１９ｆ／２Ｇ１６／ｐｕｂｌｉｃ／ｐｄｆ？ｔｙｐｅ＝ｉｎ〔刊行物等〕日本原子力学会２０１９年秋の大会、２０１９年９月１２日

本発明は、地絡・短絡事故などによりアークが発生する電力機器、例えば、配電盤、変圧器、ガス絶縁線路などにおいて、アークの発生位置とアークから物体への伝熱係数を計測する方法に関する。

雷に起因する高電圧の電力機器への侵入や、電力機器の電気絶縁性能の劣化などにより、地絡・短絡事故となりアーク放電が発生する。この高温のアークにより、その周囲のケーブル等の部材が燃焼し火災に至ることがある。このため、アークによるケーブルへの熱的影響を評価する試験において、電極間に発生させたアークの周囲に熱量計を設置して伝熱量（熱流束）を計測することがある。

この伝熱量の値は「アークのエネルギー」のみならず、「アークの位置」（アークの径方向の位置）や「アークから物体への伝熱係数」に依存する。「アークのエネルギー」はアークの電流と電圧の積を時間積分することにより求めることができるが、「アークの位置」や「アークから物体への伝熱係数」は簡易には計測できない。

特許文献１では、電極と母材の間に発生させたアークの電流や電圧の測定値を用いて、電極と母材の間の距離（アーク軸方向の距離）を計測する方法について述べられているが、アーク径方向の位置を計測することができない。

非特許文献１では、アークと類似の放電であるプラズマにマイクロ波を照射し、その反射信号の受信値を用いて、プラズマの位置を計測する方法について述べられているが、マイクロ波の照射装置や受信装置などの複雑で高価な装置が必要となる。なお、特許文献１及び非特許文献１では、アークから物体への伝熱係数については触れられていない。

非特許文献２では、アークのエネルギー収支について述べられているが、アークから物体への伝熱係数については触れられておらず、また、アークの位置の計測方法についても述べられていない。これらのことから分かるように、いずれの先行技術文献においても、「アークの位置」や「アークから物体への伝熱係数」を同時に計測することはできない。

特開平７－１７８５５６号公報

江尻晶、「プラズマ計測のためのマイクロ波反射計」、プラズマ・核融合学会誌、２００３年８月、Vol. 79、No. 8、pp. 742-749 宮城吏、田中慎一、岩田幹正、田所兼、大高聡也、天川正士、「大電流アークを発生させた密閉容器内のエネルギー収支に及ぼすアーク電流の影響」、電気学会電力・エネルギー部門誌、２０１０年２月、Vol. 130、No. 2、pp. 232-238

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、アークの発生位置及びアークから物体への伝熱係数の計測方法及び計測装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の第１の態様は、アークの発生源の周囲に、少なくとも３個以上の熱量計を配置して伝熱量を計測し、前記発生源における既知のアークのエネルギーＥａｒｃ、及び前記熱量計ごとの伝熱量Ｅｉｎｓを式１に代入し、伝熱係数Ｋｈを変化させて前記熱量計ごとに距離ｒを計算し、前記熱量計の位置を中心とし、距離ｒを半径とする球を前記熱量計ごとに仮定し、当該球の交点をアークの発生位置とし、当該交点が得られたときの伝熱係数Ｋｈをアークから物体への伝熱係数とすることを特徴とするアークの発生位置及びアークから物体への伝熱係数の計測方法にある。
［式１］Ｅｉｎｓ＝（Ｅａｒｃ／４πｒ^２）×Ｋｈ
Ｅａｒｃはアークのエネルギー、Ｅｉｎｓは前記熱量計で測定された伝熱量、Ｋｈはアークから物体への伝熱係数、ｒはアークの発生位置と前記熱量計との間の距離

第１の態様では、アークの発生位置及びアークから物体への伝熱係数を計測することができる。このような発生位置及び伝熱係数は、アークの発生源の周囲に配置されたケーブル等に対するアークの熱的影響の評価に適用できるため、本発明の計測方法は、例えば、電力機器のアーク火災の防止策の立案に役立ち、電力機器の開発に大いに貢献できる。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載のアークの発生位置及びアークの物体への伝熱係数の計測方法において、前記熱量計を同一平面内に配置することを特徴とするアークの発生位置及びアークの物体への伝熱係数の計測方法にある。

第２の態様では、アークの発生位置の計算を簡易にすることができる。

本発明の第３の態様は、アークの発生源の周囲に配置され、伝熱量を計測する少なくとも３個以上の熱量計と、前記伝熱量に基づいて前記アークの発生位置及びアークの物体への伝熱係数を演算する演算手段と、を備え、前記演算手段は、前記発生源における既知のアークのエネルギーＥａｒｃ、及び前記熱量計ごとの伝熱量Ｅｉｎｓを式１に代入し、伝熱係数Ｋｈを変化させて前記熱量計ごとに距離ｒを計算し、前記熱量計の位置を中心とし、距離ｒを半径とする球を前記熱量計ごとに仮定し、当該球の交点をアークの発生位置とし、当該交点が得られたときの伝熱係数Ｋｈをアークから物体への伝熱係数とすることを特徴とするアークの発生位置及びアークから物体への伝熱係数の計測装置にある。
［式１］Ｅｉｎｓ＝（Ｅａｒｃ／４πｒ^２）×Ｋｈ
Ｅａｒｃはアークのエネルギー、Ｅｉｎｓは前記熱量計で測定された伝熱量、Ｋｈはアークから物体への伝熱係数、ｒはアークの発生位置と前記熱量計との間の距離

第３の態様では、アークの発生位置及びアークから物体への伝熱係数を計測することができる。このような発生位置及び伝熱係数は、アークの発生源の周囲に配置されたケーブル等に対するアークの熱的影響の評価に適用できるため、本発明の計測装置は、例えば、電力機器のアーク火災の防止策の立案に役立ち、電力機器の開発に大いに貢献できる。

本発明によれば、アークの発生位置及びアークから物体への伝熱係数を同時に得ることができる。

本発明の計測方法を実施するための計測装置の概略斜視図である。本発明の計測方法を実施するための計測装置の要部を示す側面図である。本発明の計測方法を実施するための計測装置の平面図である。

図１～図３を用いて、本発明のアークの発生位置及びアークの物体への伝熱係数の計測方法（以下、単に計測方法と称する）の一実施形態について説明する。

本実施形態に係る計測装置１０は、アークの発生源２０の周囲に配置された熱量計１～熱量計６と、図示しない演算手段を備えている。以後、熱量計１～熱量計６を区別しない場合は、単に熱量計と称する。

アークの発生源２０は、上下方向に所定距離を空けて配置した電極２１及び電源２２を備えている。発生源２０は、電源２２が電極２１の間に電圧を印加することで、電極２１からアークＡを発生させる。電源２２が電極２１に供給する電流及び電圧を調整することで、アークＡのエネルギーを任意に設定することが可能となっている。

以降、電極２１同士の中間位置を三次元空間の原点Ｏとする。電極２１を配置した上下方向をＺ軸とし、Ｚ軸に直交する軸をＸ軸及びＹ軸とする。

アークＡは、電極２１の間に直線状に発生するとは限らず、様々な形状をなす。例えば、図２に示すように、アークＡは、弧状に発生する。本実施形態では、アークＡとＸＹ平面との交点をアークＡの発生位置とする。本計測方法は、このようなアークＡの発生位置を計測するものである。

熱量計は、アークＡの熱量を計測する装置である。熱量計の具体例としては、断熱熱量計を用いることができる。各熱量計は、電極２１の周囲に配置されている。具体的には、各熱量計は、ＸＹ平面に、原点Ｏから半径Ｌの円周上に等間隔で配置されている。このように配置された熱量計は、アークＡから空間を伝った熱量を計測する。以後、この熱量計で計測された熱量を伝熱量と称する。

演算手段は、熱量計により得られた伝熱量に基づいて、アークＡの発生位置及びアークの物体への伝熱係数を演算する。演算手段の具体例としては、一般的な情報処理装置、及びその情報処理装置で実行されるソフトウェアを挙げることができる。このような情報処理装置で伝熱量等を入力データとし、ソフトウェアによる演算により、アークＡの発生位置及び伝熱係数が得られる。

演算手段によるアークＡの発生位置及び伝熱係数の計算方法について説明する。発生源２０における既知のアークＡのエネルギーをＥａｒｃ［Ｊ］とする。熱量計で得られた単位面積あたりの伝熱量をＥｉｎｓ［Ｊ／ｍ^２］とする。アークＡの発生位置Ｐと熱量計１との距離を距離ｒとする。熱量計に伝わるエネルギーとアークエネルギーの割合を伝熱係数Ｋｈとする。

アークＡのエネルギーが発生位置Ｐから球面状に一様に拡散すると仮定する。このような仮定においては、図２に示すように、熱量計１（熱量計２～６についても同様）により計測されるＥｉｎｓとＥａｒｃとは、式１の関係にある。つまり、Ｅｉｎｓは、Ｅａｒｃを、距離ｒを半径とする球の面積で割って得られた単位面積あたりのエネルギーに伝熱係数を乗じたものである。

［式１］Ｅｉｎｓ＝（Ｅａｒｃ／４πｒ^２）×Ｋｈ

このような式１について、伝熱係数Ｋｈをある値に固定し、ＥｉｎｓとＥａｒｃを代入すると、距離ｒが得られる。したがって、アークの発生位置Ｐは、熱量計１を中心とする距離ｒを半径とする球面のいずれかに存在することとなる。本実施形態では、アークの発生位置Ｐ及び熱量計はＸＹ平面に配置したので、図３に示すように、上述した球面は、ＸＹ平面に描かれる円として表せる。

例えば、適当な伝熱係数Ｋｈを定めて熱量計１について式１を計算すると、距離ｒ１が得られる。熱量計１を中心とし、距離ｒ１を半径とする球（円）をＣ１とする。アークの発生位置Ｐは、球Ｃ１の表面の何れかに存在していることになる。

同様に、熱量計３、熱量計５について式１を計算すると距離ｒ３、距離ｒ５が得られる。熱量計３、熱量計５のそれぞれを中心とし、距離ｒ３、距離ｒ５を半径とする球をＣ３、Ｃ５とする。このように３つの熱量計１、熱量計３、熱量計５のそれぞれを中心とする球Ｃ１、球Ｃ３、球Ｃ５の交点を求める。この交点をアークの発生位置Ｐとする。また、上記の計算の際に用いた伝熱係数Ｋｈをアークから物体への伝熱係数とする。

図３のように、３つの球の交点が求められない場合は、伝熱係数Ｋｈを変えて、再度、上述した計算を行う。つまり、伝熱係数Ｋｈを適宜変化させて、距離ｒを計算し、３つの球の交点を求める。

上述したようにして得られるアークの発生位置、及びアークから物体への伝熱係数を把握することは極めて重要である。なぜならば、アークの発生源となりうる配電盤、変圧器、ガス絶縁線路などの電力機器を開発する際には、電力機器で生じたアークによる火災の防止策を十分に検討することが要請されており、より有効な防止策の検討にはアークの発生位置や伝熱係数が必要だからである。

以上に説明した本発明の計測方法及び計測装置によれば、アークの発生位置及びアークから物体への伝熱係数を計測することができる。本発明により得られる発生位置及び伝熱係数は、アークの発生源の周囲に配置されたケーブル等に対するアークの熱的影響の評価に適用できる。したがって、本発明の計測方法及び計測装置は、例えば、電力機器のアーク火災の防止策の立案に役立ち、電力機器の開発に大いに貢献できる。

また、熱量計を同一のＸＹ平面内に配置したので、球Ｃ１、球Ｃ３、球Ｃ５の交点の計算は、円の交点を求める計算となる。このため、計算を簡略化することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、勿論、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。

例えば、熱量計は、同じ高さ（同一のＸＹ平面）となるように配置したが、このような構成に限定されず、高さが異なっていてもよい。熱量計は、発生源２０を中心とする円周上に等間隔で配置されていたが、このような配置に限定されない。各熱量計と発生源２０との距離は異なっていてもよいし、等間隔で配置されている必要もない。

また、６個の熱量計のうち３個の熱量計を用いて球Ｃ１、球Ｃ３、球Ｃ５の交点を計算して発生位置を求めたが、このような計算例に限定されない。少なくとも３個の熱量計を用いればよいので、どのような組み合わせでもよい。また、少なくとも３個の球の交点を求めればよいので、４個以上の球の交点を求めてもよい。

また、上述した実施形態で得られたアークの発生位置や伝熱係数は、ある特定の時点におけるものであるが、このような態様に限定されない。例えば、アークのエネルギーＥａｒｃ及び熱量計で得られた伝熱量は一定時間内に得られた積算量であってもよい。この場合に得られるアークの発生位置は、その一定時間内におけるアークの平均的な位置となる。

また、アークの発生源は、電極２１と電源２２とから構成されていたが、これに限定されず、任意の電力機器に対して本発明の計測方法及び計測装置は適用できる。

Ａ…アーク、１～６…熱量計、１０…計測装置、２０…アークの発生源

Claims

アークの発生源の周囲に、少なくとも３個以上の熱量計を配置して伝熱量を計測し、
前記発生源における既知のアークのエネルギーＥａｒｃ、及び前記熱量計ごとの伝熱量Ｅｉｎｓを式１に代入し、伝熱係数Ｋｈを変化させて前記熱量計ごとに距離ｒを計算し、
前記熱量計の位置を中心とし、距離ｒを半径とする球を前記熱量計ごとに仮定し、当該球の交点をアークの発生位置とし、当該交点が得られたときの伝熱係数Ｋｈをアークから物体への伝熱係数とする
ことを特徴とするアークの発生位置及びアークから物体への伝熱係数の計測方法。
［式１］Ｅｉｎｓ＝（Ｅａｒｃ／４πｒ^２）×Ｋｈ
Ｅａｒｃはアークのエネルギー、Ｅｉｎｓは前記熱量計で測定された伝熱量、Ｋｈはアークから物体への伝熱係数、ｒはアークの発生位置と前記熱量計との間の距離
請求項１に記載のアークの発生位置及びアークから物体への伝熱係数の計測方法において、
前記熱量計を同一平面内に配置する
ことを特徴とするアークの発生位置及びアークから物体への伝熱係数の計測方法。
アークの発生源の周囲に配置され、伝熱量を計測する少なくとも３個以上の熱量計と、
前記伝熱量に基づいて前記アークの発生位置及びアークの物体への伝熱係数を演算する演算手段と、を備え、
前記演算手段は、
前記発生源における既知のアークのエネルギーＥａｒｃ、及び前記熱量計ごとの伝熱量Ｅｉｎｓを式１に代入し、伝熱係数Ｋｈを変化させて前記熱量計ごとに距離ｒを計算し、
前記熱量計の位置を中心とし、距離ｒを半径とする球を前記熱量計ごとに仮定し、当該球の交点をアークの発生位置とし、当該交点が得られたときの伝熱係数Ｋｈをアークから物体への伝熱係数とする
ことを特徴とするアークの発生位置及びアークから物体への伝熱係数の計測装置。
［式１］Ｅｉｎｓ＝（Ｅａｒｃ／４πｒ^２）×Ｋｈ
Ｅａｒｃはアークのエネルギー、Ｅｉｎｓは前記熱量計で測定された伝熱量、Ｋｈはアークから物体への伝熱係数、ｒはアークの発生位置と前記熱量計との間の距離