キュービクル式高圧受電設備 の温度上昇対策と 最新の技術動向について

キュービクル式高圧受電設備
の温度上昇対策と
最新の技術動向について
一般社団法人 日本配電制御システム工業会
優良工場審査センター 木賊勝信
URL：http://www.jsia.or.jp/
2013年7月17日 東京会場
2013年8月 2日 北九州会場
2013年8月23日 札幌会場
2013年8月28日 高松会場
2013年9月 5日 名古屋会場
2013年9月11日 大阪会場
温度上昇対策の必要性
配電盤に収納される機器、部品、材料
などはその許容温度範囲を超えて使用
した場合、性能が保証されないばかり
ではなく、誤動作を生じたり、寿命を
短くし、最終的に破損に至るものもあ
り、信頼性の低下を引き起こす要因の
一つとなる。このため、温度上昇対策
は配電盤の信頼性を確保するための重
要な問題である。
2
キュービクル内の温度上昇によるトラブル

キュービクル内の温度上昇が直ちに重大事故の要因となったという事例は、
一般的には見受けられないように思われるが、機器の電子化が進んでいる
昨今は、温度上昇による影響は拡大されるものと考えられる。
3
キュービクル内の温度上昇によるトラブル
（１）機器寿命の低下
キュービクルに収納される機器の多くは、最高周囲温度
が40℃とされており、これを超える場合は寿命の低下、
絶縁物の劣化による事故の発生が予想される。
例えば、油入変圧器の寿命はJEC-2200：1995によれば、
冷却媒体温度（周囲温度）25℃一定、定格負荷で連続使
用の条件下で30年程度の寿命が期待できるとされている
が、冷却媒体温度（周囲温度）が上昇すると絶縁物の劣
化を招き寿命は低下する。
4
キュービクル内の温度上昇によるトラブル
（２）機器の誤動作
配線用遮断器（MCCB）の周囲温度は40℃以下とされ、動
作特性も40℃を基準に調整されている。周囲温度が上昇
すれば動作時間が早くなり、誤動作を引き起こす要因と
なるため使用電流の低減が必要となってくる。
また、最近では過電流継電器等、計器の多くは電子化が
進み温度上昇による誤動作などが懸念される。
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キュービクル内の温度上昇によるトラブル
（３）計測機器類の誤差
指示計器の周囲温度の基準値は、20℃、23℃、27℃又は
27℃のいずれかとされている。階級指数が0.5以上の計器
は周囲温度が40℃以下では損傷なく動作することとなっ
ているが、電子式計器の場合、機能異常などのトラブル
が予想される。
電力量計の場合は、温度変化に対する誤差の累積にも考
慮が必要である。
6
参考資料：電子部品と温度
半導体・電子部品の寿命
盤内温度の高い盤内では、電子機器に使
われるコンデンサの寿命が大幅に縮まる。
「10℃-2倍則」
温度30℃では、寿命はほぼ8万時間だが、
温度が40℃になると4万時間と、半分にな
るという結果がでている。さらに温度が
60℃では、そのまた約半分の約1万時間と
いう結果になる。このように半導体・電
子部品の寿命は熱によって大きく縮めら
れている。
電解コンデンサの周囲温度と寿命
株式会社アピステ 技術情報より抜粋
http://www.apiste.co.jp/enc/technology_
enc/detail/id=1262
7
参考資料：電子部品と温度
温度による部品の寿命予測に使用される、
アレニウス式により作成された「半導体に
おける周囲温度と故障率」を示す右図は、
縦軸が故障率の加速度で示されている。
これによると、30℃以下の温度では故障率
はごくわずかである。温度40℃では故障率
が1であり、それが60℃になると10倍から30
倍近くまで増え、80℃では一挙に100倍から
300倍近くまで増大してしまう。
このことから、温度によって半導体・電子
部品の故障率が飛躍的に増加することがよ
くわかる。
「アレニウスの法則」：
物質の化学反応速度の温度依存性の法則
半導体の周囲温度と故障率
株式会社アピステ 技術情報より抜粋
http://www.apiste.co.jp/enc/technology_
enc/detail/id=1262
アレニウスの法則に基づき作成。
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キュービクル内の温度上昇によるトラブル
エコ（EM）電線
EM電線の絶縁体はポリエチレンが使用
されているが、ポリエチレンは紫外線
により劣化するので注意が必要である。
耐燃性ポリエチレンの許容温度75℃で
あるが、90℃を超えると加熱変形率が
大きくなる。布設方法や周囲温度に注
意が必要である。
日本電線工業会資料より
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キュービクル内の温度上昇によるトラブル
キュービクル内機器の最高周囲温度例
機器名称
規
格
最高周囲温度
屋内用高圧断路器
JIS C 4606
40
限流ヒューズ付高圧交流負荷開閉器
JIS C 4611
40
JIS Ｃ 1731-1、-2
40
高圧受電用過電流継電器
JIS C 4602
50
高圧交流遮断器
JIS C 4603
40
配電用6kV油入変圧器
JIS C 4304
40
配電用6kVモールド変圧器
JIS C 4306
40
JIS C 4902-1
40
JIS C 8201-2-1
40
計器用変成器：変流器・計器用変圧器
高圧及び特別高圧進相コンデンサ及び
附属機器
配線用遮断器及びその他の遮断器
℃
コンデンサは温度種別A（屋外使用）の場合を示す。
10
冷却の手段

冷却の手段
盤の冷却手段としては主に1)∼3)が用いられているが，4)，5)のような
方法もある。
1)
2)
3)
4)
5)
放射と盤外面の自然対流を利用した自然空冷
換気口を設け，これによる自然対流を利用した自然換気
換気扇などによる強制換気
空調機器による冷房
送風機などによる強制対流
給気
給気
キュービクル
キュービクル
排気
排気
自然換気
強制換気
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キュービクルの温度上昇対策例
（１）断熱材の取付け
箱体天井の内部を断熱材
で覆い、太陽の輻射熱に
よるキュービクル内部の
温度上昇を抑制する。
断熱材
二重天井
（２）屋根部の二重化（天井部分の二重構造）
屋根部を二重化し天井板を設けることで、箱体外被と天井板との
間に隙間を設けて、太陽の輻射熱によるキュービクル内部の温度
上昇を抑制する。
何れの対策もコストは高くなる。
12
キュービクルの温度上昇対策例
箱体の二重化の採用
箱体外被を断熱用カバーで二重に覆い、太陽熱による内部温度上昇を抑制する。
箱体外被とカバーとの間に隙間を設けることで、空冷効果を得ることもでき、一
般的な箱体構造に比べ、内部温度は外気温度により5℃程度低くなることが期待で
きるが、コストは高くなる。
13
キュービクルの温度上昇対策例
盤用熱交換器
（盤用ク−ラ−）
盤用熱交換器を取付け、
キュービクル内に発生
する熱量は熱交換器を
用いて排気する。
コストは高くなる。
14
キュービクルの温度上昇対策例
雑誌OHM（昭和38年12月号）に報告されている、直射日光による盤内各部
の高さに対する温度上昇の割合を示したものである。
盤高さに対する温度上昇の割合（参考）
℃
天井板
（二重天井構造）
H
20
断熱材
二重天井構造
（断熱材構造）
10
断熱材構造
H
盤内温度上昇値
15
5
0
50
100％
盤高さHに対する割合
15
一般的なキュービクルの構造と換気

自然換気を基本としたキュービクルは、給気口と排気口を備えているが、
その構造は屋内盤と屋外盤とで異なる。ここでは屋外盤について述べる。
屋外盤の場合、給気口としては
背面扉に通気ガラリを設けてい
るのが一般的であるが、基礎
ベースに通気口を施設して場合
もある。基礎ベースに通気口が
ある場合は、当該有効開口面積
以上の開口部を床面に設ける必
要がある。排気口は屋根の庇部
に設けられるが、防水措置との
兼ね合いがポイントである。
16
自然放熱

配電盤には放熱現象に対し、次に示す現象及び特質がある。これらを踏まえ換気
の放熱量算出を行い、換気方式の決定をする。
1)
配電盤の自然放熱は、熱伝導、熱対流及び熱放射の組合せによる自然の熱移動現
象で、その温度差が僅かなため伝熱流量は大略温度差に比例すると見なせる。
2)
放熱経路は、一部は外箱を通して放熱、残りは換気による放熱に集約される。
3)
盤内空気は定常的な対流が生じていて、温度分布は大略高さに比例していると見
なせる。
4)
各収納機器・配線の温度上昇性能は周辺空気温度がその機器などの基準周囲温度
以下であれば十分その性能は維持される。また、これらの基準周囲温度は大略統
一されている。
17
自然換気方式給・排気口例
床面通気口例
18
強制換気方式例

強制換気
自然換気の不足分のみを換気扇で補う考え
方を採用する。なお、換気扇の風量を決定
する際は次の項目に注意すること。
1) 換気扇風量に見合った吸気口（給気風
量）を確保する。
2) 吸気口にフィルタを取り付けた時の抵
抗係数による風量減衰。
3) 換気フードを設けた場合の風量減衰。
ここでは換気フードの風量係数を0.8と
する。
19
温度上昇の基本

温度上昇の基本検討事項
温度上昇を検討する場合は次に示されるような基本事項がある。
1)
2)
3)
4)

伝熱の形態にかかわらず，温度差により伝熱の量が決定される。
温度が平衡状態に達したとき，熱平衡は常時維持される。
熱設計を行うには，温度と熱の発生率を決定しなければならない。
発生熱量は通常消費電力から求めることができる。
ここでは、技術資料「JSIA-T1016配電盤類の換気計算」を
基に概要を述べる。
20
温度上昇の基本



伝達
（自然対流）
放射
配電盤類

伝熱の形態
盤の温度上昇は，盤内部の発熱量と盤から外部への放熱
量との相関関係によって定まる。伝熱の形態を次に示す。
熱伝導
静止している物体の内部で，熱のみが移動する現象。
熱伝達
固体の表面と，これに接触する流体間で熱移動する現象。
このうち，固体の表面に接触する流体が熱とともに移動
することを対流という。
また，この対流を送風機などの外力で行うのを強制対流，
流体自身の温度差による対流を自然対流という。
熱放射
物体がその温度に応じて発散している電磁波として熱を
移動する現象。
伝導
伝導の形態
21
機器の内部発熱





盤内発熱源
盤に使用される機器において，発熱するものは次のようなものがある。
変圧器の発熱
変圧器メーカの資料（カタログ等）を基に，次式により熱損失を計算する。
変圧器の損失（発熱）＝無負荷損＋負荷損×（負荷率％／100)2（W）
コンデンサ，リアクトルの発熱
コンデンサメーカの資料（カタログ等）を基に，熱損失を計算する。
コンデンサの発熱＝ コンデンサ容量 kvar×損失率 ％（W）
リアクトルの発熱＝ リアクトル容量 kvar×損失率 ％（W）
開閉器類，導体の発熱
低圧機器類の発熱
22
直射日光による盤内温度上昇
屋外キュービクルでは、日射
による受熱量を考慮する必要
があるが、入射角度と受熱面
との関係をどのように把握す
るかがポイントである。
すなわち水平面（天井面）の
受熱が最大になる時は、垂直
面の受熱量が最小となる。
Ｎ（北）
太陽
Ｗ（西）
Ｅ（東）
45℃
ＳＷ
Ｓ（南）
23
日射量の吸収率
盤の鋼板外被の吸収率ａは、外被の色によって異なり、日本建築学会編
「建築設計資料集成1」によると次のように記載されている。
塗
装
色
日射吸収率
ａ
長波放射率
黒色ペイント
0.93
0.88
明るい緑色ペイント
0.5
0.9
クリーム色ペイント
0.4
0.9
白色ペイント
0.2
0.9
ε
新編 建築学ポケットブック（昭和59年オーム社）より
24
日射による受熱量


「空気調和・衛生工学便覧Ⅱ」の設計用日射量から，幅，高さ，奥行き，
が共に1 mの立方体を想定した場合，水平面及び前面，側面の受熱量の合
計値が最大となる15時の向きを採用する。
盤の鋼板の吸収率を0.4（クリーム色ペイントの場合）とし，日射による
受熱量を計算する。
単位 W/m2
東京の設計用日射量
方
位
時刻
NW
W
WS
S
SE
E
NE
水平面全天
15時
409.5
628.7
508.1
119.5
49.9
49.9
49.9
685.6
注記）時刻は中央標準時である。太陽位置計算値は空気調和・衛生工学便覧Ⅱより
25
日射による受熱量
受熱量＝0.4×[（15時水平面日射量）
×屋根面積
＋ （15時WS向き垂直面日射量）×前面面積
＋ （15時SE向き垂直面日射量）×側面面積
＋ （15時NW向き垂直面日射量）×前面面積］
：[屋根面積日射量］
：[正面日射量］
：[左側面日射量］
：[右側面日射量］
受熱量＝0.4×［（685.6×屋根面積）＋（508.1×前面面積）
＋（49.9×左側面面積）＋（409.5×右側面面積）］（W）
26
日射による受熱量
相当外気温度上昇換算
日射による受熱量は「日射によって盤表面が外気温度以上に加熱される
ために生じる現象」であり、受熱量を計算する場合、その温度上昇分を
「相当外気温度」として扱うことができる。
地域別１５時における相当外気温度上昇 単位℃
屋根面ｔＳＨ 東南面ｔＥＳ 南西面ｔＳＷ 西北面ｔＷＮ 北東面ｔＮＥ
東京
12.0
0.9
8.9
7.1
0.9
札幌
11.3
0.8
9.6
6.4
0.8
鹿児島
13.7
0.9
8.0
6.2
0.9
27
換気計算
換気計算の概要
所定の負荷で運転されているキュービクルでは、内部発熱量ＱＣと外箱外面
からの放熱量ＱＢ、盤内外の温度差による自然換気量ＱＶとが、一定の温度
を介して熱的平衡状態を保ち自然換気が行われていると推測される。
屋外盤の場合は、日射による受熱量ＱＳが付加され熱的平衡状態として、
が成り立つ。
ＱＣ＋ＱＳ＝ＱＢ＋ＱＶ
盤内外温度条件の設定
盤内温度は、収容機器の許容温度を考慮し、４０℃とする。
盤外温度は、理科年表から８月の全国８０地点の平均値３０℃とする。
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換気計算の一例
盤周囲温度 ｔｏ＝３０℃
盤内天上部付近の空気温度
ｔｔ＝５０℃
盤内部空気温度の平均値
ｔｉ＝４０℃
内部発熱量の合計
QC＝9 550.5 W
機器名称
容量
負荷率 ％
損失＝発熱 Ｗ
油入式単相変圧器
50 kVA
100
856
油入式三相変圧器
300 kVA
100
4 902
油入式三相変圧器
200 kVA
100
3 490
高圧進相コンデンサ
100 kvar
25
高圧進相コンデンサ
50 kvar
12.5
高圧リアクトル
6 kvar
175
高圧リアクトル
3 kvar
90
29
換気計算の一例
盤表面面積（盤の設置は南西向きと想定）
盤垂直面面積の合計 SSO＝25.18m2
盤屋根面面積
SRO＝ 7.5 m2
東南垂直面面積 SES＝ 5.39m2
南西垂直面面積
SSW＝ 7.35m2
西北垂直面面積 SWN＝5.39m2
北東垂直面面積
SNE＝ 7.05m2
1. 自然放熱
1.1 盤外面の放出熱流 QBO
QBO＝URO(tt−to)SRO＋USO(ti−to)SSO−URO×tSH×SRO
−USO(tES×SES＋tSW×SSW＋tWN×SWN＋tNE×SNE)＝1 231.2 W
盤屋根面鋼板の総合熱貫流率URO＝6.6 W/m2・K
盤垂直面鋼板の総合熱貫流率USO＝6.1 W/m2・K
30
換気計算の一例
扉面給気口面積（ガラリ使用）
Ai＝0.168m2
前面庇部排気口面積（パンチングメタル使用）Ao＝0.117m2
実効換気口面積αxAｘ
＝0.061 06m2
ただし、αi及びαo＝0.65
31
換気計算の一例
1.2 自然換気放熱量
＝1 645.2 W
ただし、空気の定圧比熱 CP＝1.018 kJ/kg・K
空気の密度
ρE＝1.154 kg/m3
1.3 判定
(QC＝9 550.5 W)＞[(QBO＋QV)＝2 876.4 W］となり強制換気を要する。
32
換気扇の選定
計算結果より、必要な強制換気熱量QKを算出し、換気扇を選定する。
QK＝QC−(QBO＋QV)＝6 674.1 W
強制換気の風量WK（フィルタ無）は
＝2 556.5 m3/h
ただし、フードの風量係数 X＝0.8
換気扇はWKを満足するような機種を選定し、台数を決定する。
2 556.5 ÷ 2 = 1278.25 m3/h
ここでは換気扇風量1 680(m3/h)の換気扇を2台とする。
33
換気扇の選定
換気の静圧計算は、次の計算式を用い、管部の計算と流路断面変化部の計算
を別々に行う。
1 円形直管部
静圧 △Ｐ1 ＝λ×(I÷d)×(γ÷2g)×V2 (kg/㎡)
λ：管摩擦係数
I：ダクトの直管長 (m)
d：ダクト径 (m)
γ：空気密度 30ﾟC で 1.2kg/m3
g：重力加速度 9.8m/s2
V：風速 (m/s)
これをパスカルの単位に直すには 9.8 を掛ければよいので
静圧 △Ｐ1 ＝λ×(I÷d)×(γ÷2)×V2 (Pa)となる。
34
換気扇の選定
2 流路断面変化部
静圧 △Ｐ2 ＝ζ×(γ÷2g)×V2 (kg/㎡)
＝ζ×(γ÷2)×V2 (Pa)
ζ：局部損失係数
γ：空気密度 30ﾟC で 1.154kg/m3
g：重力加速度 9.8m/s2
V：風速 (m/s)
3 総静圧
1及び2径路での総静圧は
△Ｐ＝△Ｐ1＋△Ｐ2となる。
35
換気扇の選定
4 配電盤の静圧計算例
条件：給気口の総面積（開口率0.63のパンチングメタル）＝0.796 95(m2)
形状は直角端オリフィス入口とし、
条件A0÷A2＝0.6より損失係数は0.96とする。
換気扇は2台使用するものとし、給気口の風速は1台の排気用換気扇風量
1 680(m3/h)と同じ風量として
【風量(m3/h)÷流路の断面積(m2)÷3600】で換算する。
流路断面変化部の計算式を用いて
静圧 △Ｐ2 ＝ζ×(γ÷2)×V2 (Pa)
ζ：局部損失係数＝0.96
γ：空気密度 30ﾟC で＝1.154kg/m3
V：風速(m/s)
風量(m3/h)÷流路の断面積(m2)÷3 600＝1 680÷0.796 95÷3600＝0.6(m/s)
静圧 △Ｐ2 ＝ζ×(γ÷2)×V2 (Pa) ＝0.96×(1.154÷2)×0.62＝0.2(Pa)
36
換気扇の選定
断面変化による損失係数
換気扇の選定例
37
最近の技術動向：太陽光発電設備の概要
38
最近の技術動向：太陽光発電設備
（太陽光発電協会hpより）
39
最近の技術動向：太陽光発電設備
（太陽光発電協会hpより）
40
最近の技術動向
太陽光発電パワーコンディショナシステム例 （富士電機カタログより）
41
最近の技術動向
太陽光発電パワーコンデショナ
システム例
（富士電機カタログより）
系統連系用保護継電器例
42
課題
JIS C 4620キュービクル式高圧受電設備では、屋内形、屋外形ともに標準使
用状態として40℃以下（24時間の平均値は、35℃を超えないこと）と規定さ
れている。
機器の電子化が拡大する中では、次のような対策、注意を考慮する事も重要
である。
（１）電子機器などの熱に弱い機器は、できるだけ盤下部へ配置する。
（２）給気口と排気口の高度差をできるだけ大きくする。
（３）屋外盤の天井に断熱材の施設、又は断熱塗装の使用等で日射入力の低
減を図る。
（４）盤用熱交換器（盤用ク−ラ−）を装備する。
（５）給気口と排気口の目詰まりが出ないよう、保守点検をする。
43
最後に
キュービクル内の温度上昇が直ちに重大事故の要因と
なったという事例は、一般的には見受けられないように
思われるが、機器の性能を満足させるには温度管理は重
要事項である。
ここで紹介した内容、計算事例は温度管理に対する一つ
の考え方であるが、温度と換気ついて再認識いただき、
電気設備の信頼性向上に寄与できれば幸いである。
44
防振ゴム付モールド変圧器の揺れ防止対策例（参考）
防振ゴム付モールド変圧器の上部に揺れ防止用ストッパを設け、
揺れによる変位量（揺れ幅）を押えることを目的としている。
45
防振ゴム付モールド変圧器の揺れ防止対策例（参考）
全体の取付け状態
下部から見た状態
46