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アークによる密閉容器内の圧力上昇の抑制方法および電気機器
説明

アークによる密閉容器内の圧力上昇の抑制方法および電気機器

【課題】密閉容器内で発生するアークのエネルギーを金属の気化により消耗させることで、アークの発生に起因する密閉容器の圧力上昇を有効に抑制し得るアークによる密閉容器内の圧力上昇の抑制方法および電気機器を提供する。
【解決手段】充電部2,3が密閉容器1内に収納された電気機器において、アークで短絡される可能性がある金属部間に、酸化による発生エネルギーよりも蒸発による消費エネルギーの方が大きい材料で形成した金属介在物6を配設した。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明はアークによる密閉容器内の圧力上昇の抑制方法および電気機器に関し、例えば配電盤、変圧器、ガス絶縁線路等の密閉型電力機器に適用して有用なものである。
【背景技術】
【0002】
送電系統に設置された電力機器の内部で、万が一、雷や材料劣化等によりフラッシオーバーが発生した場合、短絡故障が発生する可能性がある。短絡故障により発生するアークの温度は高く、その熱により機器の内部圧力が上昇し、機器の破損および飛散による公衆災害などが危惧される。このような背景から、安全かつ安心な電力供給を維持していく上では、アークによる内部圧力上昇現象を詳細に把握・解明し、機器の設計等にも反映できる適切な評価手法を確立することは非常に重要である。特に、近年、各種電力機器ではコンパクト化が進められる傾向にあり、その重要度は一層高まっている。
【0003】
かかる背景のもとアークによる内部圧力上昇現象に関する研究についてはこれまでにも種々な観点からいくつかの報告がなされており、その一つとして非特許文献1がある。これは、本願特許発明の発明者等の発表に係る論文であるが、空気雰囲気の密閉容器内で発生させたアークによる内部圧力上昇に及ぼす電極材料の影響について検討したもので、電極材料毎の酸化による発生エネルギーと蒸発による消費エネルギーとの関係を算出している。具体的には、鉄、アルミニウム、銅の三種類の電極材料に関し、単位量当たりの酸化による発生エネルギーと蒸発による消費エネルギーとの関係を調べたものである。
【0004】
この場合の特性を図7に示す。同図に示すように、鉄は両者が同程度であるのに対し、銅は蒸発による消費エネルギーのほうが大きく、アルミニウムは酸化による発生エネルギーがはるかに大きい。
【0005】
また、非特許文献2による知見から鉄、銅およびアルミニウムの定圧比熱および沸点を調べると図8に示す特性となる。同図を参照すれば、銅は、定圧比熱Cおよび沸点が比較的小さいといえる。このようなことから、銅は、アルミニウムや鉄などに較べて、アークによって金属を消耗させた場合のエネルギー消費を大きくでき、その分圧力上昇に寄与するエネルギー量を小さくできる可能性がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0006】
【非特許文献1】田中ほか:「アークによる密閉容器内圧力上昇に及ぼす電極材質の影響」,電気学会論文誌B,128巻12号, pp. 1561-1568(2008)
【非特許文献2】M.W.Chase,Jr.,C.A.Davies,J.R.Downey,Jr.,D.J.Frurip,R.A.McDonaldand A.N.Syverud:“JANAF Thermochemical Tables Third Edition Part1,Al-Co”,J.Phys.Chem.Ref.Data,Vol.14, Suppl.1 (1985)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
銅は、アルミニウムや鉄に較べて、アークによって金属を損耗させた場合のエネルギー消費量を大きくでき、その分圧力上昇に寄与するエネルギー量を小さくできる可能性があるという知見が前記非特許文献1で示唆されているものの、かかる知見を利用して密閉容器内で発生するアークによる圧力上昇を有効に抑制する具体的な手法には言及されていない。
【0008】
本発明は、上記従来技術に鑑み、密閉容器内で発生するアークのエネルギーを金属の気化により消耗させることで、アークの発生に起因する密閉容器の圧力上昇を有効に抑制し得るアークによる密閉容器内の圧力上昇の抑制方法および電気機器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記目的を達成する本発明の第1の態様は、
密閉容器内において発生する金属部間のアークの間に酸化による発生エネルギーよりも蒸発による消費エネルギーの方が大きい材料で形成した金属介在物を配設するとともに、前記アークで前記金属介在物を溶融させて前記アークのエネルギーを金属の気化により消費させることを特徴とするアークによる密閉容器内の圧力上昇の抑制方法にある。
【0010】
本態様によれば、アークのエネルギーの多くが金属介在物の気化により消費される。この結果、その分密閉容器内の圧力を上昇させるアークのエネルギーを低減させることができるので、アークの発生に起因する密閉容器内の圧力上昇を有効に抑制し得る。
【0011】
本発明の第2の態様は、
第1の態様に記載するアークによる密閉容器内の圧力上昇の抑制方法において、
前記アークにより前記金属介在物に形成されるアークスポットを前記金属介在物の縁部で拘束させることを特徴とするアークによる密閉容器内の圧力上昇の抑制方法にある。
【0012】
本態様によれば、アークスポットを金属介在物の縁部に拘束させているので、アークスポットが自由に移動することによりアーク長が増大することを抑制し得る。この結果、その分アークのエネルギーを低減することができる。したがって、第1の態様と同様の作用・効果に加え、アーク長の増大を抑制することによってもアークの発生に起因する密閉容器内の圧力上昇を有効に抑制し得る。
【0013】
本発明の第3の態様は、
第1または第2の態様に記載するアークによる密閉容器内の圧力上昇の抑制方法において、
前記金属介在物は前記酸化による発生エネルギーよりも前記蒸発による消費エネルギーの方が大きい材料と前記金属部を構成する材料よりも前記アークによる放射エネルギーが大きい材料との二種類の材料で形成し、前記アークのエネルギーを前記金属介在物の気化により消費させるとともに前記アークの放射エネルギーが大きくなるように前記アークの特性を変化させることを特徴とするアークによる密閉容器内の圧力上昇の抑制方法にある。
【0014】
本態様によれば、アークエネルギーの多くが前記金属介在物の気化により消費されるばかりでなく、同時にアークの放射損失エネルギーも大きくなるので、両者の重畳効果によりアークの発生に起因する密閉容器内の圧力上昇を、さらに有効に抑制し得る。
【0015】
本発明の第4の態様は、
充電部が密閉容器内に収納された電気機器において、
アークで短絡される可能性がある金属部間に、酸化による発生エネルギーよりも蒸発による消費エネルギーの方が大きい材料で形成した金属介在物を配設したことを特徴とする電気機器にある。
【0016】
本態様によれば、酸化による発生エネルギーよりも蒸発による消費エネルギーの方が大きい材料で形成した金属介在物がアークで溶融されるので、アークのエネルギーの多くが金属介在物の気化により消費される。この結果、その分密閉容器内の圧力を上昇させるアークのエネルギーを低減させることができるので、アークの発生に起因する密閉容器内の圧力上昇を有効に抑制し得る。
【0017】
本発明の第5の態様は、
第4の態様に記載する電気機器において、
前記金属介在物は前記アークの経路に貫通孔を有することを特徴とする電気機器にある。
【0018】
本態様によれば、貫通孔をアークが通過する際にそのアークスポットが貫通孔の縁部に良好に拘束される。すなわち、アークスポットの自由な移動を規制し得る。この結果、アーク長の増大を抑制することによってアークのエネルギーを低減することができる。したがって、第4の態様と同様の作用・効果に加え、アーク長の増大を抑制することによってもアークの発生に起因する密閉容器内の圧力上昇を有効に抑制し得る。
【0019】
本発明の第6の態様は、
第5の態様に記載する電気機器において、
前記貫通孔は前記金属部間を結ぶ最短直線の途中に配設することを特徴とする電気機器にある。
【0020】
本形態によれば、金属介在物の気化により消費されるエネルギーの増大効果およびアークスポットの拘束によるアーク自体のエネルギー低減効果による密閉容器の圧力上昇の抑制を最も効果的に実現し得る。
【0021】
本発明の第7の態様は、
第4〜第6の態様の何れか一つに記載する電気機器において、
前記金属介在物は銅またはこれを主成分とする合金で形成されていることを特徴とする電気機器にある。
【0022】
本態様によれば、気化により消費されるエネルギーが大きい銅を金属介在物として適用しているので、多くの密閉型の電気機器において気化により消費されるエネルギーの増大に伴って密閉容器の圧力上昇を良好に低減し得る。また、場合によっては、アークスポットの拘束によるアーク自体のエネルギー低減効果による密閉容器の圧力上昇の抑制も効果的に実現し得る。
【0023】
本発明の第8の態様は、
第4〜第7の態様の何れか一つに記載する電気機器において、
前記金属介在物は前記酸化による発生エネルギーよりも前記蒸発による消費エネルギーの方が大きい材料と、前記金属部を構成する材料よりも前記アークによる放射エネルギーが大きい材料との二種類の材料で形成したことを特徴とするアークによる電気機器にある。
【0024】
本態様によれば、アークのエネルギーが金属介在物の気化により消費されるだけでなく、放射エネルギーとしても消費されるので、両者の重畳効果によりアークの発生に起因する密閉容器内の圧力上昇を、さらに有効に抑制し得る。
【0025】
本発明の第9の態様は、
第8の態様に記載する電気機器において、
前記蒸発による消費エネルギーの方が大きい材料は銅またはこれを主成分とする合金であり、前記放射エネルギーが大きい材料は鉄またはこれを主成分とする合金であることを特徴とする電気機器にある。
【0026】
本態様によれば、アークによる気化に伴い消費されるエネルギーが酸化により発生されるエネルギーよりも大きい銅またはこれを主成分とする合金と、アークによる放射エネルギーが大きい鉄またはこれを主成分とする合金を金属介在物として適用しているので、多くの電気機器において気化エネルギーの増大とともに放射エネルギーの増大に伴う密閉容器の圧力上昇を良好に低減し得る。
【発明の効果】
【0027】
本発明によれば、酸化による発生エネルギーに較べ、蒸発による消費エネルギーが大きい材料で形成した金属介在物で前記アークのエネルギーの多くを気化により消費させることができるので、アークの発生による密閉容器圧力上昇を良好に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0028】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る電気機器を概念的に示す説明図である。
【図2】図1の一部の拡大図で、(a)は中央部分を抽出・拡大して示す図、(b)は(a)をA−A′線に沿って見た図である。
【図3】本発明の第2の実施の形態に係る電気機器を概念的に示す説明図である。
【図4】第1の実施の形態に係る電気機器を用いてアークエネルギーと密閉容器の圧力上昇との関係を調べるために使用する実験装置を概念的に示す説明図である。
【図5】図4に示す実験装置で行った実験で得られた全アークエネルギーと密閉容器の最大圧力との関係を示す特性図(金属介在物が銅の場合)である。
【図6】図4に示す実験装置で行った実験で得られた全アークエネルギーと密閉容器の最大圧力との関係を示す特性図(金属介在物が鉄の場合)である。
【図7】鉄、アルミニウム、銅の三種類の電極材料に関し単位量当たりの酸化による発生エネルギーと蒸発による消費エネルギーとの関係を示す特性図である。
【図8】鉄、銅およびアルミニウムの定圧比熱および沸点の特性を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【0029】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【0030】
図1は本発明の第1の実施の形態に係る電気機器を概念的に示す説明図、図2は図1の一部の拡大図で、(a)は中央部分を抽出・拡大して示す図、(b)は(a)をA−A′線に沿って見た図である。両図に示すように、電気機器Iは密閉容器1内に充電部2,3を配設してなる。充電部2,3は外部の電線4,5に接続されており、高電圧が印加されている。かかる充電部2,3の形状や機械的な構造等に特別な制限はないが、図では先端部が相対向させてあるロッド状の電極構造として模擬している。電気機器Iとしては、密閉容器1内に充電部が収納された配電盤、変圧器、ガス絶縁線路等の密閉型電力機器が好適例として挙げられる。したがって、これらの機器における所定の導体、巻線、導線等が充電部に相当する。
【0031】
多くの場合、銅やアルミニウムで形成されている充電部2,3間には何らかの原因でアークが発生することがある。そこで、充電部2から充電部3に至るアークの経路には金属介在物6が配設してある。金属介在物6はアークによる酸化エネルギーよりも蒸発エネルギーが大きい材料で形成してある。例えば、図7および図8に示す特性を参照すれば、金属介在物6は銅で良好に形成することができる。前述の如き配電盤、変圧器、ガス絶縁線路等の密閉型電力機器では、アークが発生し易い部位は予め推測することが可能である。したがって、金属介在物6はアークで短絡される可能性がある部位の間に配設すれば良い。
【0032】
また、充電部2,3間に形成されるアークの経路である金属介在物6の中央部には貫通孔6Aが設けてある。本形態における貫通孔6Aは充電部2,3の先端を結ぶ最短直線の途中に設けてある。また、金属介在物6は、図2(b)に明示するように、4本のロッド7でその四隅が支持されて密閉容器1内に固定されている。
【0033】
かかる本形態によれば金属介在物6の材料である銅が充電部2,3間に発生するアークで溶融されるが、その際に酸化による発生エネルギーよりも蒸発エネルギーによる消費エネルギーのほうが多い。この結果、充電部2,3間に発生したアークエネルギーが金属介在物6の気化により消費され、その分密閉容器内の圧力を上昇させるアークのエネルギーを低減させることができる。この結果、アークの発生に起因する密閉容器内の圧力上昇を有効に抑制し得る。
【0034】
さらに、本形態ではアークの経路に貫通孔6Aが形成されているので、貫通孔6Aをアークが通過する際にそのアークスポットが貫通孔6Aの縁部に良好に拘束される。すなわち、アークスポットの自由な移動を規制し得る。この結果、アーク長の増大を抑制することによってアークのエネルギーを低減することができる。ここで、本形態における貫通孔6Aは充電部2,3の先端を結ぶ最短直線の途中に設けてあるので、最も効果的にアークスポットの拘束によるアーク自体のエネルギー低減を図ることができる。ただ、このように最短距離の途中に貫通孔6Aを設けることは必須ではない。
【0035】
図3は本発明の第2の実施の形態に係る電気機器を概念的に示す説明図である。同図に示す電気機器IIは三相の充電部12,13,14を有する場合であり、しかも充電部12,13,14間に形成されるアーク19の経路が導電材料(例えば鉄)で形成された密閉容器11の壁面を介している場合である。
【0036】
かかる場合でも本発明は有効に適用できる。すなわち、本形態の場合は、充電部12,13,14と密閉容器11の内周面との間に金属介在物16,17,18を配設してある。この場合の充電部12〜14および金属介在物16〜18の材料の関係、すなわち酸化による発生エネルギーよりも蒸発による消費エネルギーが大きいという関係は第1の実施の形態と同様である。したがって、金属介在物16〜18は銅で好適に形成することができる。
【0037】
ここで、各金属介在物16〜18はそれぞれ貫通孔16A,17A,18Aを有している。したがって、本形態でも第1の実施の形態と同様に、アークスポットを貫通孔16A〜18Aのエッジ部で拘束して無用にアーク長が伸びるのを未然に防止し得る構造となっている。
【0038】
本発明の第1の実施の形態に係る電気機器Iにおける密閉容器1のアークによる圧力上昇の抑制効果を確認するため実験を行った。図4は第1の実施の形態に係る電気機器を用いてアークエネルギーと密閉容器の圧力上昇との関係を調べるために使用する実験装置を概念的に示す説明図である。なお、図4中、図1と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【0039】
図4に示すように、本実験装置は短絡発電機21、ブレーカー22、スイッチ23、リアクトル24および電気機器Iを直列に接続した閉回路を有しており、充電部2,3間の電圧を抵抗R1,R2で分割して電圧計25で、また前記閉回路に流れる電流を電流計26で計測するようになっている。同時に、密閉容器1の壁面に作用する圧力を、圧力計27で計測するようになっている。密閉容器1内に発生するアークにより密閉容器1内の圧力上昇を計測するためである。
【0040】
かかる実験装置の短絡発電機21により充電部2,3間にアークを発生させて密閉容器1内の圧力上昇の最大値を調べた結果を図5に示す。なお、当該実験は金属介在物6を介在させない場合、銅で形成した金属介在物6を有する場合であって貫通孔6Aの径を50mm、20mmの2種類の場合について行った。また、アーク電流が、8kAと12.5kAの2種類の場合に関して同様の実験を行った。かかる実験により得られた結果が図5である。図5は図4に示す実験装置で行った実験で得られた全アークエネルギーと密閉容器の最大圧力との関係を示す特性図である。図5中、「8kA」の領域がアーク電流I=8kA、「12.5kA」の領域がアーク電流I=12.5kAの場合である。
【0041】
図5に示す実験結果を参照すれば金属介在物6を設置することによって明らかにアークによる密閉容器1の内部の最大圧力が低下していることが分かる。これが、金属介在物6の気化によりアークエネルギーが消費された結果であることを示している。さらに、貫通孔6Aの大きさによって全アークエネルギーが低減されている。これが貫通孔6Aのエッジ部にアークスポットを拘束してアークの伸張を抑制した結果である。ここで、貫通孔6Aの径は小さいほど効果が大きい傾向が見られる。
【0042】
なお、本発明における密閉容器は、完全に外気から遮断した状態で充電部等、アークが発生する部分を収納している容器に限るものではなく、内部のアークの発生により容器の壁面に作用する圧力の上昇が生起される空間を形成するものであればすべてその概念に含まれる。
【0043】
また、上記実施の形態において充電部は、この種の充電部として汎用されているアルミニウムや銅で形成した場合について説明したが、これらに限るものではない。特に、アルミニウムや銅を主成分とする合金は充電部としてアルミニウムや銅と同様に汎用されているので、勿論これらの合金でも良く、またその他の導電材料でも良い。同様に、金属介在物としては、酸化による発生エネルギーよりも蒸発による消費エネルギーが大きければそれ以上の限定はない。例えば、金属介在物は銅を主成分とする合金でも良好に形成することができる。
【0044】
さらに、金属介在物の貫通孔は必ずしも設ける必要はない。ただ、貫通孔を設けた場合、前述の如く本来的には動き回るアークスポットをそれぞれのエッジ部分に拘束してアーク長が長くなることによるアークエネルギーの上昇を有効に防止することはできる。
【0045】
また、上記実施の形態における金属介在物はプレート状のものを考えたが、形状をプレート状に限定する必要はない。ロッド状部材やブロック部材であっても構わない。ここで、アークスポットをそれぞれのエッジ部分に拘束するように構成すれば、プレート状の部材である金属介在物に貫通孔を設けた場合と同様に、アーク長が長くなることによるアークエネルギーの上昇を有効に防止することはできる。
【0046】
なお、アークが発生する充電部2,3等の金属部を構成する材料よりも前記アークによる放射エネルギーが大きい材料で金属介在物を形成した場合、金属介在物の蒸発成分が、充電部2,3(金属部)間に形成されているアークに混入されることにより、アークの放射損失エネルギーが大きくなることが本発明の発明者の実験により裏付けられた。図6は鉄を材料とする同様の金属介在物を設けて図4に示す実験と同様の実験を行った場合の特性図である。同図を参照すれば、放射エネルギーが大きい鉄を材料とする金属介在物を充電部2,3間に介在させることにより圧力上昇が抑制されていることが分かる。
【0047】
このように放射エネルギーを大きくすることによっても同様の圧力抑制は可能である。そこで、放射エネルギーを大きくすることができる材料と、前述の如き酸化による発生エネルギーより蒸発による消費エネルギーが大きい材料とのクラッド材で金属介在物6を構成することにより、金属の気化による消費のみならず、放射エネルギーとしての消費によってもアークエネルギーを低減することができると考えられる。すなわち、かかるクラッド材で金属介在物を形成することが可能であり、この場合には放射エネルギーとしての消費と金属介在物の気化による消費の重畳効果により、さらに良好に密閉容器1の圧力上昇を抑制することができる。かかる金属介在物としては酸化による発生エネルギーよりも蒸発による消費エネルギーが大きい銅と放射エネルギーが大きい鉄のクラッド材を好適な例として挙げることができる。
【0048】
なお、気化エネルギーによる圧力抑制とともに、放射エネルギーによる圧力抑制の重畳効果を得るためには、上述の如く金属介在物をクラッド材で形成する場合に限定する必要はない。気化エネルギーと放射エネルギーにそれぞれ起因する圧力抑制機能を発揮し得るようになっていれば良いので、上述の如き所定の性質を有する2種類の材料からなる部材を併せて配設するような構成となっていれば構わない。ただ、クラッド材となっていれば据付等のハンドリングが容易であるという利点はある。
【産業上の利用可能性】
【0049】
本発明は高電圧の電力機器を製造、販売、使用する産業分野において有効に利用することができる。
【符号の説明】
【0050】
I,II 電気機器
1,11 密閉容器
2,3,12,13,14 充電部
6,16,17,18 金属介在物
6A,16A,17A,18A 貫通孔
19 アーク

【特許請求の範囲】
【請求項1】
密閉容器内において発生する金属部間のアークの間に酸化による発生エネルギーよりも蒸発による消費エネルギーの方が大きい材料で形成した金属介在物を配設するとともに、前記アークで前記金属介在物を溶融させて前記アークのエネルギーを金属の気化により消費させることを特徴とするアークによる密閉容器内の圧力上昇の抑制方法。
【請求項2】
請求項1に記載するアークによる密閉容器内の圧力上昇の抑制方法において、
前記アークにより前記金属介在物に形成されるアークスポットを前記金属介在物の縁部で拘束させることを特徴とするアークによる密閉容器内の圧力上昇の抑制方法。
【請求項3】
請求項1または請求項2に記載するアークによる密閉容器内の圧力上昇の抑制方法において、
前記金属介在物は前記酸化による発生エネルギーよりも前記蒸発による消費エネルギーの方が大きい材料と前記金属部を構成する材料よりも前記アークによる放射エネルギーが大きい材料との二種類の材料で形成し、前記アークのエネルギーを前記金属介在物の気化により消費させるとともに前記アークの放射エネルギーが大きくなるように前記アークの特性を変化させることを特徴とするアークによる密閉容器内の圧力上昇の抑制方法。
【請求項4】
充電部が密閉容器内に収納された電気機器において、
アークで短絡される可能性がある金属部間に、酸化による発生エネルギーよりも蒸発による消費エネルギーの方が大きい材料で形成した金属介在物を配設したことを特徴とする電気機器。
【請求項5】
請求項4に記載する電気機器において、
前記金属介在物は前記アークの経路に貫通孔を有することを特徴とする電気機器。
【請求項6】
請求項5に記載する電気機器において、
前記貫通孔は前記金属部間を結ぶ最短直線の途中に配設することを特徴とする電気機器。
【請求項7】
請求項4〜請求項6の何れか一つに記載する電気機器において、
前記金属介在物は銅またはこれを主成分とする合金で形成されていることを特徴とする電気機器。
【請求項8】
請求項4〜請求項7の何れか一つに記載する電気機器において、
前記金属介在物は前記酸化による発生エネルギーよりも前記蒸発による消費エネルギーの方が大きい材料と、前記金属部を構成する材料よりも前記アークによる放射エネルギーが大きい材料との二種類の材料で形成したことを特徴とするアークによる電気機器。
【請求項9】
請求項8に記載する電気機器において、
前記蒸発による消費エネルギーの方が大きい材料は銅またはこれを主成分とする合金であり、前記放射エネルギーが大きい材料は鉄またはこれを主成分とする合金であることを特徴とする電気機器。

【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公開番号】特開2012−244891(P2012−244891A)
【公開日】平成24年12月10日(2012.12.10)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−116358(P2011−116358)
【出願日】平成23年5月24日(2011.5.24)
【新規性喪失の例外の表示】特許法第30条第1項適用申請有り 社団法人電気学会、平成23年電気学会全国大会講演論文集、第6分冊、平成23年3月5日
【出願人】(000173809)一般財団法人電力中央研究所 (1,040)
【Fターム(参考)】