CN102280823B - 开关装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在发生内部短路事故时能减轻高温气体对开关装置周围的影响的开关装置。关于进气部，在利用与内部压力的上升联动地进行关闭动作的阀门来封闭进气部的结构中，存在阀门无法动作的问题。所述开关装置包括设置有用于将外界气体引入对电气设备进行收纳的内部空间的进气部(16)的壳体(1)，其特征在于，将设置有具有相对于排气方向的流体能量损失大于相对于进气方向的流体能量损失的形状系数的贯通孔(18a)的板状体(18)用作为所述进气部。由此，可以减少高温高压气体的能量，省去阀门等可动结构。

Description

开关装置

技术领域

本发明涉及一种收纳有断路器等电力设备的金属封闭型开关装置，特别涉及对具有换气用进气部的开关装置的改进。

背景技术

额定电流容量较大的金属封闭型开关装置由于向主电路导体通电所导致的焦耳热以及导体周边的结构物的感应热等，导致导体温度以及周边的空气温度上升。为了将该温度上升抑制在一定的水平，为了引入外界气体，以利用开关装置内部的对流来降低内部空气温度，从而使导体部等降温至一定的温度以下，一般采用进行了以下设计的结构：即，在壳体的背面或前面的较低的位置设置进气口，在顶部设置排气口，除了壳体内的对流，还有效利用进排气口的压头差以提高换气效率。在开关装置运转时，虽然极其罕见，但有可能因各种原因而导致开关装置内部的主电路发生电气事故。在发生电气事故的情况下，该部分会产生电弧，该电弧能量会导致内部压力急剧上升，并导致产生高温高压气体。

在现有的额定电流较小的开关装置中，由于一般不设置换气用的进排气口，因此在内部产生高温高压气体的情况下，高温高压气体只能通过泄压板的开放从设置于顶部的泄压口排出到柜外。另一方面，在额定电流较大的开关装置中，高温气体不仅会从顶部的泄压口和换气用的排气口喷出，也会从设置于壳体后面或前面的进气口喷出。由于顶部的排气口原本就被设置为假定发生事故时的泄压口，因此即使高温气体从该处喷出也没有问题，但需要抑制高温气体从设置于壳体背面和前面的换气用的进气口喷出。为了应对这样的事故，利用事故时的内部异常压力上升使设置于进气口部的单相阀式阀门随着内部压力的上升从内侧对进气口进行封闭，从而防止高温高压气体在通气路径上发生逆流而从进气口向外部排出(例如参照专利文献1)。

专利文献1：WO2009/001425A1号公报(第1页、图1)

发明内容

在如上所述的现有技术中，对于从电弧能量较小的区域到***的最大规模的区域的电弧能量，需要确保稳定的单相阀式阀门(以下简称为阀门)动作。同时，要求对于***的最大故障电流的静止电弧的集中，不发生熔损而产生孔洞。在故障时的电弧能量较小的情况下，由于驱动阀门所需要的压力上升较小，因此需要采用阀门的轻量化等、以较小的驱动力进行动作的阀门结构，在故障电弧能量较大的情况下，由于要求在较高的压力下不会发生损坏，并且不会因电弧的热量而发生熔损从而开出贯通孔的材料和厚度，因此，因需要具有一定程度的大小的质量而导致轻量化较为困难。

由此，在电弧能量较小的情况下和电弧能量较大的情况下，在阀门的设计上，无法同时兼顾轻量化以及确保强度和确保抗熔损性能，很难对应于整个区域的事故使阀门驱动，来对进气口进行封闭从而阻止开关装置内的高温高压气体向外部喷出。因此，在发生内部电气事故时的事故电流值较小的情况下、以及小规模的接地事故等事故状态下，会导致内部压力上升减小，从而可能无法使利用该压力对通气路径进行封闭的阀门动作来对通气路径进行封闭。另外，使用阀门的开关装置依赖于阀门的流畅动作，例如，需要进行用于确保阀门的转动部的动作稳定的检查维护，在因维护不善等而导致润滑剂固接的情况下，可能会发生动作不良。

此外，在开关装置的正常运转中，由于需要通过换气来对内部的发热进行散热，因此进气口部需要始终打开，万一阀门关闭，则由于进气口始终处于闭合状态，没有了因换气而导致的内部的散热效果，因此，内部温度变得很高。其结果是，开关装置的寿命变得特别短，根据情况，也可能会成为因柜内异常加热而导致事故的原因。因此，阀门需要使进气口保持打开的状态，在发生事故时，立即关闭进气口，至少需要在事故持续时间的期间保持关闭状态，以使因事故而产生的高温气体不会从进气口逆流。因此，在开关装置的安装工程之后的运转开始之前、或在通常的维护检查之后的再运转开始之前，一定要确认阀门被打开，另外，需要确认阀门被关闭时保持部的所需保持性能也被确保，存在检查操作变得繁杂等问题。

本发明用于解决如上所述的现有技术的问题，其目的在于，获得一种廉价的、维护检查性优异的、可靠性较高的开关装置，该开关装置使高压高温气体所拥有的能量减少，而不使用单相阀式阀门那样的在发生各种事故时的电弧能量的大小以及转动部的摩擦或阀门本身的惯性力矩对动作性能造成较大的影响的构件，使事故时的电弧能量在从极小的事故到非常大的事故的较大的范围内，使高温高压气体的能量稳定地衰减，使气体的速度下降，降低气体的温度，从而将气体从进气部向外部排出。

本发明所涉及的开关装置是包括设置有用于将外界气体引入收纳电气设备的内部空间的进气部的壳体的开关装置，上述进气部设置有板状体，该板状体上设置有具有相对于排气方向的流体能量损失比相对于进气方向的流体能量损失大的形状系数的贯通孔。

在本发明中，由于在引入外界气体的进气部中，使用了设置有具有相对于排气方向的流体能量损失大于相对于进气方向的流体能量损失的形状系数的贯通孔的板状体，因此，在发生内部电气事故时，沿与正常运转状态相反的方向从进气部向外部排出的高压气体的排气方向的流阻较大，从而使高温高压气体的能量衰减。因此，可以在从电弧能量极小的事故到电弧能量非常大的事故的较大的范围内，稳定地抑制高压高温气体从进气部喷出。另外，由于未使用具有单相阀式阀门那样的惯性力矩的可动结构，因此可以获得维护检查性优异的、廉价的、可靠性较高的开关装置。

附图说明

图1是简要地示出本发明的实施方式1所涉及的开关装置的侧面剖视图。

图2是表示用于图1所示的进气部的、具有贯通孔的板状体的立体图。

图3是图2所示的板状体的主视图。

图4是图3的IV-IV线的向视剖视图。

图5是对在图4所示的板状体的凸状的贯通孔部分的第一流通方向的情况下，与流体能量损失相关的形状系数进行说明的图。

图6是对在与图5所示的板状体相类似的凸状的贯通孔部分的流通方向为相反的情况下，与流体能量损失相关的形状系数进行说明的图。

图7是表示使用了多片图2所示的实施方式1的板状体的非可逆性通气构件的立体图。

图8是表示使用了多片本发明的实施方式2所涉及的开关装置所使用的板状体的非可逆性通气构件的立体图。

图9是图8所示的非可逆性通气构件的主视图。

图10是表示本发明的实施方式3所涉及的开关装置所使用的非可逆性通气构件的立体图。

图11是表示图8所示的非可逆性通气构件的变形例1的立体图。

图12是表示图8所示的非可逆性通气构件的变形例2的立体图。

标号说明

1壳体、2断路器、3断路器隔室、16进气部、16a通气口、18、18A板状体、18a、18b贯通孔、17非可逆性通气构件、19泄压口、20、20A、20B翅片、20a孔。

具体实施方式

实施方式1.

图1是简要地示出用于实施本发明的实施方式1所涉及的开关装置的侧面剖视图。在图中，构成开关装置的接地金属制的壳体1的内部被划分成多个隔室。在图的左方(正面侧)，配置有收纳有抽出式的断路器2的断路器隔室3，该断路器2可以从正面侧抽出。断路器隔室3的后壁上固定设置有上下隔开规定间隔的主电路的断路部4a、4b，能与向断路器2的后表面(图中右方)突出的连接端子进行装卸。而且，在断路部4a、4b中，设置有断路端子5a、5b。断路器隔室3的上方是收纳有控制仪表(未图示)的控制设备隔室6。

断路器隔室3的背面侧上方，是配设有支承于支承绝缘子8的三相的母线7的母线隔室9，与断路器2的一端侧相连接的断路部4a的断路端子5a与母线7通过分岔导体10相连接地收纳于母线隔室9。母线隔室9的后方及下方是收纳有负载侧的电缆11的电缆隔室12。与断路器2的另一端侧相连接的断路部4b的断路端子5b经由贯穿电流互感器14而设置的负载侧导体13与电缆11相连接。另外，断路端子5b与接地开关15相连接。

在图的右方(后面侧)的电缆隔室12的下方，设置有具有使用了用于将外界气体从外部引入壳体1内的叶板的通气口16a的进气部16。在进气部16的壳体1内部一侧，如图2～图4所示，设置有使用了设有贯通孔18a的板状体18的非可逆性通气构件17，所述贯通孔18a具有相对于排气方向的流体能量损失大于相对于进气方向的流体能量损失的形状系数，其目的在于，在正常运转时，为了在开关装置内进行换气而在箭头A所示的进气方向上减小流体能量损失，而在发生内部短路事故时，使从开关装置内部通过进气部16而逆流从而沿箭头B方向排出的高温高压气体所具有的流体能量大量损失。

板状体18是例如铁板等的金属制品，形成有一个或多个正反不对称的贯通孔18a。此外，在该例子中，有规律地呈矩阵形地设置有多个贯通孔18a。如图4所示，配设于外界气体一侧(图的右侧)的一个面上的贯通孔18a的周围，形成为具有光滑的曲面的凹面，与壳体1的内部侧相对的另一个面上的贯通孔18a的周围，形成为向壳体1内部侧突出的凸状。这样的孔状可以通过一般的金属板的冲压加工或挤压拉伸加工等容易地制作成各种大小。流体从相当于上述贯通孔18a的图5所示的形状的管路入口沿与外界气体的流入方向相对应的箭头A方向流动时的流体能量损失所涉及的形状系数ζ根据孔的大小和流体入口曲面的曲率半径、以及孔的大小与曲率半径的相对比例而变化，一般，设ζ的范围为ζ＝0.06～0.005，根据流体的流入侧的形状，形状系数(ζ)可以变化约10倍以上。

另一方面，可知与上述箭头A方向相反方向的、相当于发生内部短路事故时的流向的、流体从图6所示形状的管路入口沿箭头B方向流过时的流体能量损失所涉及的形状系数ζ＝0.56。本发明利用如上所述的特性，将图2～图4所举例示出的板状体18沿如下方向配置：即，使能量损失在流体沿进气方向通过的情况下变小，在流体沿与进气方向相反的排气方向通过的情况下变大。按照单纯计算，流出方向的贯通孔18a的形状系数ζ可以看成比流入方向的贯通孔18a的形状系数ζ大约10倍～100倍左右，至少大10倍左右。

非可逆性通气构件17由多片如上所述的、作为主要功能要素的、图2的板状体18组合而构成，所述板状体18被制成适合于开关装置的各个额定容量下的开关装置内部的电气事故的规模、以及正常通电时的内部换气所需要的换气量这两者。此外，壳体1的顶部设置有多个泄压口19等其他的结构与现有的开关装置相同。

接下来，对如上所述构成的实施方式1的动作进行说明。由于上述开关装置中的、在正常运转时沿以箭头A来表示的进气方向通过进气部16的空气的流速v只是开关装置的进排气口的高度所引起的压头差、以及开关装置内部的发热所引起的自然对流所导致的空气的流动，因此，约为0.5～1.0m/s的水平。与此不同的是，发生内部短路事故时的高压气体的流速取决于内部电气事故的规模，但在事故发生后，开关装置的内部压力急剧上升，利用该压力使设置于开关装置的顶部的泄压板开启，将高压气体从泄压口19放出。此时的压力传播速度接近于音速，从泄压口19喷出的高压气体的速度大约为100～300m/s左右。虽然这样的高压气体并非从进气部16直接排出，但排气时的流速v比进气时大约大100倍至600倍。

已知一般流体的管路的流体损失能量(h)与根据管路入口的形状的不同而决定的形状系数(ζ)成正比，与流体的流速(v)的平方成正比。即，在通过设置有贯通孔18a的板状体18时的能量损失(h)根据下述式1所示的关系式来决定。

h＝ζ×(v2÷2g)……式1

其中，v是流体的流速，g是重力加速度。

由于上述式1的关系式成立，发生内部短路事故时的高温高压气体排气时的流体能量损失相对于正常运转时的进气时，在形状系数(ζ)上约有10倍的差，在流体的流速(v)上约有100倍的差，因此，伴有约100,000倍以上的流体能量损失。即，与正常运转时的进气时的流体能量损失相比，减少约100,000倍的能量。因此，可以利用非可逆性通气构件17相应地减少高温高压气体的能量。

如上所述，发生内部电气事故时的进气部16中的空气的流动方向与正常运转时相比为相反方向(排气方向)，并且，正常运转时的进气方向的流体的速度是约为0.5～1.0m/s的低速，而与之相对，在发生事故时变成为与正常运转时相反的方向的排气方向的流体速度按照单纯计算大约为100～300m/s的高速，着眼于以上两点，由于进气部16具备具有正常运转时在进气方向上形状系数(ζ)变小、而在发生事故时在排气方向上形状系数(ζ)变大的形状的贯通孔18a的板状体18，因此，本发明所涉及的开关装置的排气方向的流阻相对于进气方向大约为10万～360万倍，本发明所涉及的开关装置具有良好的换气性能，并能在发生事故时抑制高压高温气体喷出。

此外，如图7所示，通过重叠多片板状体18、或者改变板状体18的贯通孔18a的大小或贯通孔18a的数量，可以使高温高压气体的能量减少效果在较大的范围内变化。另外，作为构成板状体18的材料，除了铁类材料等一般的金属以外，可以期待使用例如多孔烧结金属或泡沫合金等也能达到减少高温高压气体的能量的效果。另外，在板状体18的表面覆盖氢氧化镁等氢氧化金属化合物(氢氧化物)的被膜、或在燃烧时会产生较多水分子的材料的被膜、或含有较多水分子的高分子材料的被膜，在提高高温高压气体的能量减少效果上也比较有效。此外，作为板状体18，可以期待使用含有较多水分子的不燃性高分子材料也具有相同的效果。

此外，图1所示的壳体1的内部结构只是所示出的一个例子，并不局限于图中的配置结构。另外，也可以采用图的左方(正面侧)部分或地面部分具备进气部16的结构、或者除此以外的结构。不管在哪种情况下，只要在存在正常换气用的进气部16、并且在发生内部短路事故时高温高压气体可能会通过该进气部16逆流而流出至开关装置外部的位置，设置具有贯通孔18a的板状体18即可，所述贯通孔18a具有相对于排气方向的流体能量损失大于相对于进气方向的流体能量损失的形状系数。

如上所述，根据实施方式1，由于在引入外界气体的进气部16中，使用了设置有具有相对于排气方向的流体能量损失大于相对于进气方向的流体能量损失的形状系数的贯通孔18a的板状体18，因此，在内部短路事故中所产生的高温高压气体通过进气部16向开关装置外排出时，可以降低高温高压气体的流速和温度。另外，由于可以对高温高压气体进行冷却，而不依赖于如在使用了单相阀式阀门的情况下那样的机械性的动作，因此可以提高安全性和可靠性，并且，由于可以省去阀门的动作空间，因此能获得结构简单而廉价的开关装置。另外，维护也变得较为容易。

实施方式2.

图8是表示使用了多片本发明的实施方式2所涉及的开关装置所使用的板状体的非可逆性通气构件的立体图，图9是其主视图。此外，本实施方式2采用在将多片呈矩阵形地设置有多个图2所示的贯通孔18a的板状体18在通气方向上隔开间隔进行配设时，使形成于板状体18的贯通孔的中心位置在相邻的板状体18之间相互交替错开的结构。

在图中，在配置于中央部分的板状体18A上，呈与贯通孔18a相同的矩阵形地设置有多个贯通孔18b，所述贯通孔18b与配设于板状体18A两侧部分的板状体18上所设置的贯通孔18a具有同样的相对于排气方向的流体能量损失大于相对于进气方向的流体能量损失的形状系数。板状体18A的贯通孔18b的中心位置如图9所示，设置成在从通气方向观察时，位于与板状体18的贯通孔18a在上下、左右方向上只错开二分之一间距的位置上。其他结构与上述实施方式1相同。

在采用如上所述结构的实施方式2中，由于非可逆性通气构件17A中的板状体18、18A的贯通孔18a、18b的位置相互交替错开，因此，进排气的流体损失效果进一步被提高，其结果是，能提高在发生内部短路事故时所排出的高温高压气体的能量减少效果。在该实施方式2中，由于进排气两方面的流体能量损失都变大，因此，正常的开关装置换气用进气效果也会降低，所以，在期待在排气方向上的流体能量损失比进气效率的降低更大的情况比较有效。

实施方式3.

图10是表示本发明的实施方式3所涉及的开关装置所使用的非可逆性通气构件的立体图，图11是表示变形例1的立体图，图12是表示变形例2的立体图。此外，在本实施方式3中，在图7所示的多片板状体18的相互之间安装有翅片。在图10中，在非可逆性通气构件17中，隔开间隔地设置有多片沿通气方向延伸地配置于两片板状体18的相互之间的板状的翅片20，所述两片板状体18与实施方式1相同，并且隔开间隔地沿进气方向配设。此外，翅片20的材质没有特别的限定，但可以优选使用例如铁、铝、铜等金属、或这些金属类的合金、或多孔烧结金属、或泡沫合金等。其他结构与实施方式1相同。

在采用如上所述的结构的实施方式3中，开关装置在发生内部电器事故时所产生的高温高压气体在通过设有具有相对于排气方向的流体能量损失大于相对于进气方向的流体能量损失的形状系数的贯通孔18a的板状体18时，其能量减少，在通过翅片20的间隙时，通过使翅片20的表面熔融，高温高压气体的能量进一步减少，由进气部16排出。因此，流体损失效果进一步提高，其结果是，可以提高在发生内部短路事故时所排出的高温高压气体的能量减少效果。

此外，也可以将上述翅片20如图11的变形例1所示换成形成为波浪形的翅片20A，在这种情况下，可以在高温气体通过翅片20A时，通过增加翅片20A的面积，来进一步提高高温气体的冷却性。此外，如图12所示出的变形例2所示，在翅片20上设置多个孔20a从而制成翅片20B的方法、或设置多个突起(省略其图示)、或使翅片的表面粗糙度***等方法在提高冷却效果上也比较有效。另外，在翅片的表面覆盖氢氧化镁等氢氧化金属化合物(氢氧化物)的皮膜、或在燃烧时会产生较多水分子的材料的皮膜、或含有较多水分子的不燃性高分子材料的皮膜，对高温高压气体的能量减少也比较有效。

此外，上述实施方式1～3所示的非可逆性通气构件17的结构并不局限于举例示出的板状体18、18A，另外，不言而喻，对其固定方法、或贯通孔18a、18b的形状、大小、设置个数、设置密度、设置方式等进行适当变更而获得的结构也同样适用。

Claims (11)

1.一种开关装置，包括设置有用于将外界气体引入对电气设备进行收纳的内部空间的进气部的壳体(1)，其特征在于，

设置有具有相对于排气方向的流体能量损失大于相对于进气方向的流体能量损失的形状系数的贯通孔(18a)的板状体(18)设置于所述进气部，

形成所述贯通孔(18a)，使其周围向所述壳体(1)的内部空间一侧突出，

所述贯通孔(18a)的外界气体一侧的周面形成为具有光滑的曲面的凹面。

2.如权利要求1所述的开关装置，其特征在于，

将一片或多片呈矩阵形地设置有多个所述贯通孔(18a)的所述板状体(18)沿进气方向设置。

3.如权利要求2所述的开关装置，其特征在于，

包括多片沿进气方向隔开间隔地设置的所述板状体(18)，所述贯通孔(18a)的中心位置交错地配设于相邻的所述板状体(18)的相互之间。

4.如权利要求2所述的开关装置，其特征在于，

在沿进气方向隔开间隔地设置的多片所述板状体(18)的相互之间，设有沿通气方向延伸的翅片(20)。

5.如权利要求4所述的开关装置，其特征在于，

所述翅片(20)形成为波浪形状。

6.如权利要求4所述的开关装置，其特征在于，

所述翅片(20)上形成有多个孔。

7.如权利要求4所述的开关装置，其特征在于，

所述翅片(20)的表面上形成有多个突起。

8.如权利要求1所述的开关装置，其特征在于，

所述板状体(18)使用金属板。

9.如权利要求8所述的开关装置，其特征在于，

所述板状体(18)使用多孔烧结金属板。

10.如权利要求8所述的开关装置，其特征在于，

所述板状体(18)使用泡沫金属板。

11.如权利要求1所述的开关装置，其特征在于，

所述板状体(18)的表面具有由氢氧化物、或在燃烧时会产生较多水分子的材料所形成的被膜。