(57)【要約】【課題】少ない計算コスト、かつ高い解析精度で近距離線路故障時などのガス遮断器の遮断成否を予測する技術を提供する。【解決手段】ガス遮断器の内部現象を解析する高次元の演算処理を行う高次元解析部１２と、ガス遮断器を含む回路現象を解析する低次元の演算処理を行う低次元解析部１４と、低次元解析部１４における演算処理で使用するパラメータのうち、少なくとも一種を、高次元解析部により求める特定のパラメータに基づいて演算するパラメータ算出部１３と、を有する。【選択図】図１
2015220083.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス遮断器の内部現象を解析する高次元の演算処理を行う高次元解析部と、
ガス遮断器を含む回路現象を解析する低次元の演算処理を行う低次元解析部と、
前記低次元解析部における演算処理で使用するパラメータのうち、少なくとも一種を、前記高次元解析部により求める特定のパラメータに基づいて演算するパラメータ算出部と、
を有することを特徴とするガス遮断器の性能評価装置。
【請求項２】
前記低次元解析部における演算処理で使用するパラメータのうち、少なくとも他の一種をあらかじめ算出したものを記憶した記憶部を有することを特徴とする請求項１記載のガス遮断器の性能評価装置。
【請求項３】
前記低次元解析部による演算処理を繰り返すことにより、ガス遮断器の電流遮断性能裕度を判定する判定部を有することを特徴とする請求項１又は請求項２記載のガス遮断器の性能評価装置。
【請求項４】
前記高次元解析部は、２次元または３次元の数値流体力学解析を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のガス遮断器の性能評価装置。
【請求項５】
前記低次元解析部は、アークモデルを用いた０次元または１次元の回路解析を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のガス遮断器の性能評価装置。
【請求項６】
前記高次元解析部により求める特定のパラメータは、アーク電圧であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のガス遮断器の性能評価装置。
【請求項７】
前記特定のパラメータに基づいて演算するパラメータは、アーク損失であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のガス遮断器の性能評価装置。
【請求項８】
前記記憶部に記憶されるパラメータは、アーク時定数であることを特徴とする請求項２〜７のいずれか１項に記載のガス遮断器の性能評価装置。
【請求項９】
コンピュータ又は電子回路が、
ガス遮断器の内部現象を解析する高次元の演算処理を実行することにより、特定のパラメータを演算し、
前記特定のパラメータに基づいて、低次元解析における演算処理で使用するパラメータのうち、少なくとも一種を演算し、
前記特定のパラメータに基づいて演算されたパラメータに基づいて、ガス遮断器を含む回路現象を解析する低次元の演算処理を実行することを特徴とするガス遮断器の性能評価方法。
【請求項１０】
コンピュータに、
ガス遮断器の内部現象を解析する高次元の演算処理を実行することにより、特定のパラメータを演算する処理と、
前記特定のパラメータに基づいて、低次元解析における演算処理で使用するパラメータのうち、少なくとも一種を演算する処理と、
前記特定のパラメータに基づいて演算されたパラメータに基づいて、ガス遮断器を含む回路現象を解析する低次元の演算処理を実行させることを特徴とするガス遮断器の性能評価用プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電力用ガス遮断器の近距離線路故障発生時などの電流遮断性能を、シミュレーションにより予測する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、ガス遮断器の開発には、遮断試験による性能検証の繰り返しが必須となる。このため、開発に多大な期間とコストを要している。また、解析を用いて高い精度でガス遮断器の遮断性能を予測することが求められている。
【０００３】
ガス遮断器の電流遮断現象を解析するために、電極間に発生するアーク放電の模擬を含めた熱流体解析がしばしば用いられる。この電流遮断現象を精度よく模擬するためには、様々な物理現象をモデリングして、熱流体解析に組み込むことになる。
【０００４】
このような熱流体解析においては、例えば、開極動作に伴う電極等の構造物の動きを模擬する構造解析との連成や、アーク放電による内部エネルギーの変化などを考慮する必要がある。
【０００５】
高電圧のガス遮断器においては、近距離線路故障時の事故電流の大きさは、規格で決められており、５６．７ｋＡにも及ぶ。このため、アーク放電による内部エネルギーの変化は、数ＭＰａ、数万度という過酷な環境を作り、複雑な化学反応を生じるようになる。
【０００６】
また、近年、ガス遮断器の小型化、低駆動力化を達成するため、アークのエネルギーを取り込んで消弧性ガスの圧力上昇に利用する自力型の消弧室の開発が進められている（例えば、特許文献１）。この方式のガス遮断器は、アークのエネルギー自体を利用する。このため、アーク電流の時間変化や、電流遮断動作とともに時々刻々と変化する消弧室の形状変化により、プラズマや熱ガスの移動や圧力波の往来の影響が電流遮断性能に大きく影響する。従って、より一層高度な解析が要求される傾向にある。
【０００７】
熱流体解析によるガス遮断器の電流遮断性能を予測する方法の例として、非特許文献１がある。この文献では、電流遮断前後のミリアンペアの小さなポストアークカレントを化学反応や流体場と電磁場の連成を考慮しながら解析し、過渡回復電圧上昇率に対する電流遮断成否を予測している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特公平７−９７４６６号公報
【非特許文献１】Q Zhang, J D Yan, and M T C Fang, “Current zero behavior of an SF6 nozzle arc under shock conditions”, Journal of Physics D: Applied Physics, 46 (2013) 165203.
【非特許文献２】腰塚正、新海健、宇田川恵佑、河野広道：「３直列アークモデルによるＳＦ６ガス遮断器のＳＬＦ遮断性能評価」、電気学会論文誌Ｂ、Ｖｏｌ．１２９、Ｎｏ．７、２００９、ｐｐ９３５−９４０．
【非特許文献３】腰塚正、宇田川恵佑、新海健、森正：「３直列アークモデルのパラメータについての検討」、２０１２年度  放電学会年次大会、Ｃ−２−１、２０１２年１２月１日、東京．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、フィラメント状に細く絞られるミリアンペアのポストアークを精度良く解析するためには、細かく膨大な量の解析格子を用意せねばならない。また、ポストアークカレントによるジュール加熱と熱伝達による放熱現象をバランスよく解析するために、高度なアークモデルを連成して解かねばならない。
【００１０】
かかる高度な解析は、演算量が膨大となってしまうため、現状では、電極移動の無い小型で簡素なモデルを用い、電極周囲の限られた領域を対象とすることにより、解析対象を絞っている。また、小型・簡素なモデルで行われる遮断試験を想定するため、遮断電流も１０００Ａという一定条件に過ぎない。
【００１１】
結局、大型になる高電圧用のガス遮断器の消弧室全体を解析対象とし、開極動作にともなう構造物の移動を模擬しながら、５６．７ｋＡにも及ぶ大電流アークの生み出す非定常・非線形現象を捉えて、電流遮断時の性能評価を行うことは、現状では不可能である。
【００１２】
また、近距離線路故障を対象とした遮断試験では、ガス遮断器内のアークやガスの状態だけでなく、ガス遮断器を取り巻く回路条件や、ガス遮断器内のアークと回路の相互作用が、遮断性能に大きな影響を及ぼすことが知られている。このような回路の影響を考慮して、近距離線路故障時の電流遮断性能、およびその性能裕度を調べる方法の一つに、アークモデルを用いた回路計算がある。
【００１３】
アークモデルとは、ガス遮断器の電流遮断時に発生するアーク放電の特性を数学的なモデルに表わす方法である。例えば、電流零点近傍におけるアークの特性を模擬するモデルとしてＭａｙｒモデルがあり、以下の式で表わされる。
2015220083.tif 000003
【００１４】
ここで、上記の式におけるパラメータのうち、ｇはアークコンダクタンス、ｖはアーク電圧、ｉは電流、θｍはＭａｙｒモデルアーク時定数、ＰはＭａｙｒモデルアーク損失である。このモデルでは、アーク時定数、アーク損失というアークの特性を表わす２つのパラメータを与えることで、電圧や電流、アークコンダクタンスが関係づけられる。
【００１５】
このようなアークに関する数学モデルを利用して、回路計算を実施することで、回路全体で起こる非定常現象を含めたガス遮断器の電流遮断の成否やその裕度を推定することができる。
【００１６】
一方、先に示した式から分かるように、アークモデルを用いて回路解析を行うためには、アーク時定数、アーク損失というアークの特性を表わすアークパラメータの値が必要になる。例えば、非特許文献２では、アークパラメータを遮断試験で得られるアーク電圧の値から算出する。このように、アークモデルを利用した回路解析では、実施した遮断試験からアークパラメータを算出することで、その消弧室の遮断性能の裕度等を精度良く算出することはできる。しかし、試験未実施の消弧室の遮断性能を推定することはできない。従って、遮断器開発に対する活用方法は、限定されてしまうことになる。
【００１７】
本発明の実施形態は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、少ない計算コスト、かつ高い解析精度で近距離線路故障時などのガス遮断器の遮断成否を予測する技術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】
【００１８】
本発明の実施形態であるガス遮断器の性能評価装置は、上記のような目的を達成するために提案されたものであり、ガス遮断器の内部現象を解析する高次元の演算処理を行う高次元解析部と、ガス遮断器を含む回路現象を解析する低次元の演算処理を行う低次元解析部と、前記低次元解析部における演算処理で使用するパラメータのうち、少なくとも一種を、前記高次元解析部により求める特定のパラメータに基づいて演算するパラメータ算出部と、を有することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施形態のガス遮断器の性能評価装置を示すブロック図である。
【図２】実施形態のガス遮断器の性能評価手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本実施形態のガス遮断器の性能評価装置を、図面を参照して具体的に説明する。
［構成］
まず、本実施形態の構成を説明する。本実施形態は、コンピュータを所定のプログラムで制御することによって、若しくは専用の電子回路によって実現できる。この場合のプログラムは、コンピュータのハードウェアを物理的に活用することで、以下に述べるような各部の処理を実現するものである。なお、各部の処理を実行する方法、プログラム及びプログラムを記録した記録媒体も、実施形態の一態様である。また、ハードウェアで処理する範囲、プログラムを含むソフトウェアで処理する範囲をどのように設定するかは、特定の態様には限定されない。
【００２１】
図１に示すように、本実施形態のガス遮断器の性能評価装置１は、ガス遮断器の遮断性能を評価するシミュレーション装置であり、演算処理部１０、記憶部２０、入力部３０、出力部４０を有する。演算処理部１０は、本実施形態の性能評価に必要な演算処理を行う処理部である。この演算処理を実現するため、演算処理部１０は、設定部１１、高次元解析部１２、パラメータ算出部１３、低次元解析部１４、判定部１５を有する。
【００２２】
設定部１１は、対象とする解析モデルおよび条件を設定する処理部である。高次元解析部１２は、ガス遮断器の内部現象を解析する高次元の熱流体解析を行う処理部である。高次元解析は、２次元又は３次元等の多次元の数値流体力学解析である。但し、本実施形態における高次元解析部１２の処理は、アーク電圧の値を求める処理に限定することができる。ここでいうアーク電圧は、アーク電圧の最大値、つまり、消弧ピークの値である。
【００２３】
パラメータ算出部１３は、後述する低次元解析部１４における演算処理で使用するパラメータのうち、少なくとも一種を、高次元解析部１２により求める特定のパラメータに基づいて演算する処理部である。つまり、パラメータ算出部１３は、低次元の演算処理で定数または変数として使用するパラメータを算出するために、高次元の解析結果から得られるパラメータを求める。
【００２４】
特定のパラメータは、例えば、アークパラメータである。アークパラメータは、上記のように、アーク時定数、アーク損失を含む。但し、本実施形態においては、アーク時定数は、後述するように、記憶部２０から得ることができる。このため、パラメータ算出部１３は、高次元解析部１２から得たアーク電圧に基づいて、アーク損失を算出する。
【００２５】
低次元解析部１４は、ガス遮断器を含む回路現象を解析する低次元の演算処理を行う処理部である。低次元解析は、アークモデルを利用した０次元又は１次元の回路解析である。低次元解析部１４は、パラメータ算出部１３が算出したアーク損失と、記憶部２０から取得したアーク時定数、その他の定数及び変数に基づいて、回路解析を行う。
【００２６】
判定部１５は、低次元解析部１４による回路解析の結果に基づいて、ガス遮断器の性能裕度を判定する処理部である。なお、低次元解析部１４は、性能裕度判定部１４が性能裕度を決定するまで、アークパラメータ以外の回路定数を変更することで、回路解析を繰り返すことができる。
【００２７】
記憶部２０は、演算処理部１０の処理に必要なデータ、演算結果等、各種の情報を記憶する記憶部である。本実施形態の記憶部２０は、低次元解析部１４における演算処理で使用するパラメータのうち、少なくとも一種を記憶している。このパラメータは、パラメータ算出部１３により算出されるパラメータとは異なるパラメータである。
【００２８】
記憶部２０は、ガス遮断器のモデル形状と条件に応じて、パラメータのうち１つまたは複数を、あらかじめ実験より求めたものを記憶しておくことができる。例えば、Ｍａｙｒモデル、Ｃａｓｓｉｅモデルのアーク時定数は、ガス遮断器に使用される消弧性ガスの種類や消弧室内の特定のパラメータによって決定できる（非特許文献３参照）。このため、あらかじめ実施した種々の遮断試験結果を用いて、アーク時定数をデータベース化して、記憶部２０に記憶しておく。
【００２９】
このアーク時定数は、あらかじめ外部において算出され、入力部３０から入力されたものを記憶してもよい。つまり、本実施形態では、演算処理部１０が処理可能な状態となるように、アーク時定数が記憶されていればよい。
【００３０】
なお、記憶部２０には、上記の他にも、演算処理部１０の処理に必要な各種の情報が記憶されている。この情報には、設定部１１、高次元解析部１２、パラメータ算出部１３、低次元解析部１４、判定部１５の処理に必要となる各種の解析モデル、条件に応じた演算式、演算式に用いるパラメータ等の情報が含まれる。ガス遮断器のモデル形状、条件、実験結果等も、記憶部２０に記憶される情報に含まれる。これらの記憶部２０に記憶される情報も、例えば、入力部３０を介して外部から入力された情報とすることができる。
【００３１】
このような記憶部２０は、典型的には、内蔵された若しくは外部接続された各種メモリ、ハードディスク、光ディスク等により構成できるが、現在又は将来において利用可能なあらゆる記憶媒体を利用可能である。演算に用いるレジスタ等も、記憶部２０として捉えることができる。既に情報が記憶された記憶媒体を、読み取り装置に装着することにより、演算処理部１０において利用可能となる態様でもよい。
【００３２】
入力部３０は、演算処理部１０の演算に必要な情報の入力、処理の選択や指示を入力する構成部である。この入力部３０としては、たとえば、キーボード、マウス、タッチパネル（表示装置に構成されたものを含む）等が考えられる。但し、現在又は将来において利用可能なあらゆる入力装置を含む。また、入力部３０には、通常の監視用の配線や通信ネットワークからの入力を受け付けるインタフェース等も含まれる。
【００３３】
出力部４０は、各種パラメータ、演算結果及びこれを視覚化したグラフ等を、管理者、操作者等を含むユーザが認識可能となるように出力する構成部である。この出力部４０としては、たとえば、表示装置、プリンタ等が考えられる。但し、現在又は将来において利用可能なあらゆる出力装置を含む。
【００３４】
［性能評価手順］
以上のような本実施形態によるガス遮断器の性能評価手順を、図２のフローチャートを参照して説明する。まず、入力部３０からの指示入力に応じて、設定部１１は、対象とする解析モデルおよび条件の設定を行う（ステップ２１）。
【００３５】
そして、高次元解析部１２は、ガス遮断器の内部現象を解析する高次元の熱流体解析において、アーク電圧の値を求める（ステップ２２）。
【００３６】
パラメータ算出部１３は、高次元解析部１２が求めたアーク電圧の値を利用して、Ｍａｙｒモデルのアーク損失を算出する（ステップ２３）。このアーク損失の算出方法は、非特許文献３に示されている。
【００３７】
低次元解析部１４は、記憶部２０からアーク時定数を取得するとともに（ステップ２４）、このアーク時定数と、パラメータ算出部１３が算出したアーク損失とに基づいて、回路解析を行う（ステップ２５）。
【００３８】
判定部１５は、回路解析後、ガス遮断器の遮断性能の判定を行う（ステップ２６）。つまり、回路解析の結果に基づいて、ガス遮断器の性能裕度を決定する（ステップ２７のＹＥＳ）。なお、ガス遮断器の性能裕度を決定するまで（ステップ２７のＮＯ）、アークパラメータではない回路定数を変更することで（ステップ２８）、回路解析を繰り返してもよい。
【００３９】
［作用効果］
以上のような本実施形態によれば、高次元の熱流体解析と、アークパラメータを算出する処理と、アークモデルを利用した低次元の回路解析とを組み合わせることにより、小さな計算コストによって高い精度で近距離線路故障時などの遮断性能予測、つまり、電流遮断成否の予測及びその性能裕度の推定を行うことができる。
【００４０】
上述のように、熱流体解析のみを利用して電流遮断成否を直接評価する場合には、ミリアンペアの小さなポストアークを精度良く解析する必要があり、膨大な数の解析格子と計算時間を必要としていた。
【００４１】
一方、本実施形態においては、高次元の熱流体解析では、電流遮断の成否を直接解析せずに、特定のパラメータを求めることに注力する。つまり、高次元解析部１２は、電流遮断過程におけるアーク電圧の最大値（消弧ピークの値）を求めることに注力すればよい。このため、パラメータ算出部１３は、アーク電圧の最大値からアークパラメータの一つであるＭａｙｒモデルのアーク損失を求めればよい。
【００４２】
非特許文献３によると、アーク電圧が最大となる消弧ピークにおける電流瞬時値は、消弧室のタイプや定格、吹き付け方法などに依存せず、近距離線路故障の条件である６３ｋＡ−９０％の下では、約１００Ａであることが示されている。従って、多次元の熱流体解析では、最大５６．７ｋＡから１００Ａまでのアークを精度良くモデリングできればよい。
【００４３】
つまり、本実施形態では、１００Ａのアークを精度良く解析できればよいため、解析格子数を十分に減らした計算でも、アーク電圧を求めることが可能となる。従って、計算コストを大幅に削減できる。
【００４４】
アークモデルを利用した低次元の回路解析では、一般に、アークモデルとして、ＭａｙｒモデルやＣａｓｓｉｅモデル、またはそれらのモデルを直列、並列につなげて利用することが多い。
【００４５】
本実施形態の低次元解析部１４の解析は、ＣａｓｓｉｅモデルとＭａｙｒモデルを直列に接続したアークモデルを想定している。このため、Ｍａｙｒモデルのアーク損失、アーク時定数、Ｃａｓｓｉｅモデルのアーク時定数をアークパラメータとして与える必要がある。
【００４６】
ここで、本実施形態においては、Ｍａｙｒモデルのアーク損失を、高次元解析によるアーク電圧から求め、両モデルのアーク時定数は、データベースから得ることができる。これにより、高精度の解析と演算の簡素化を実現している。
【００４７】
［他の実施形態］
本発明は、上記の実施形態には限定されない。本実施形態で想定する熱流体解析は、アーク電圧を精度良く解析できるのであれば、２次元解析、３次元解析のいずれを利用してもよい。また、電流遮断過程におけるアーク電圧、つまり消弧ピークの値を算出することが可能であれば、熱流体解析以外の手法を用いてもよい。
【００４８】
また、本実施形態では、アークモデルを利用した回路解析で電流遮断成否を解析しているが、遮断成否を精度良く解析することが可能であれば、他の方法を用いてもよい。この方法の選択に制限は無いが、膨大な計算コストを要する熱流体解析による電流遮断成否予測を、回路解析で置き換えることが目的であるため、０次元もしくは１次元の低次元解析を用いることが望ましい。また、他の方法を用いて電流遮断成否の予測を行う場合、熱流体解析等の高次元の解析との橋渡しを行うパラメータは、必ずしもアーク電圧の値を用いなくてもよい。
【００４９】
アークパラメータを含む各種のパラメータのいずれを演算処理とするか、あらかじめデータベース化しておくかも自由である。
【００５０】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００５１】
１…ガス遮断器の性能評価装置
１０…演算処理部
１１…設定部
１２…高次元解析部
１３…パラメータ算出部
１４…低次元解析部
１５…判定部
２０…記憶部
３０…入力部
４０…出力部
【図１】
2015220083.tif 000004
【図２】
2015220083.tif 000005