回路遮断器における抵抗スイッチング
抵抗スイッチング
抵抗スイッチングとは、固定抵抗を回路ブレーカーの接触ギャップまたはアークと並列に接続する技術です。この技術は、接触空間内の高後方アーク抵抗を持つ回路ブレーカーで主に適用され、再着火電圧と過渡電圧の急上昇を軽減するために使用されます。
電力システムにおける厳しい電圧変動は、主に2つのシナリオから生じます：低い誘導電流の遮断と容量電流の切断。これらの過電圧はシステムの動作にリスクをもたらしますが、抵抗スイッチングにより効果的に管理できます。これは、ブレーカーの接触間に抵抗を接続することで達成されます。
その基本原理は、中断中に並列抵抗が一部の電流を迂回させることで、電流変化率（di/dt）を制限し、過渡回復電圧の上昇を抑制することです。これにより、アークの再着火確率が低下するとともに、アークエネルギーの放出がより効率的になります。抵抗スイッチングは特に、無負荷送電線の脱エネルギー化やコンデンサバンクの切り替えなどの過渡電圧に敏感な応用において、超高圧（EHV）システムで重要です。
障害が発生すると、回路ブレーカーの接触が開き、それらの間にアークが生じます。アークが抵抗Rによって迂回されると、アーク電流の一部が抵抗を通って迂回し、アーク電流が減少し、アークチャネルの脱イオン化率が加速します。
これは自己強化サイクルを引き起こします：アーク抵抗が増加するにつれて、より多くの電流がシャント抵抗Rを通過し、アークのエネルギーダイエットが進みます。このプロセスは、電流がアーク維持の臨界値以下になるまで続き、アークが消滅し、回路ブレーカーが回路を正常に遮断します（下図参照）。
このメカニズムは、シャント抵抗が電流分布を動的に制御し、アークを「電流減少 → 加速脱イオン化 → アーク抵抗上昇」という悪循環に追い込むことに依存しています。これにより、アークチャネルの絶縁強度が迅速に回復し、しばしば電流ゼロクロス以前に回復します。これは特に、高周波再着火過電圧の抑制に有効であり、EHV回路ブレーカーでの容量電流の遮断や小さな誘導電流の遮断において重要です。
また、抵抗は、アキシャルブラスト回路ブレーカーのように、主接触から探査接触へアークを移すことで自動的に稼働させることができます。この動作は非常に短時間で行われ、金属パスウェイにアークパスを置き換えることで、抵抗を通る電流を制限し、容易に遮断することができます。
シャント抵抗はまた、再着火電圧過渡現象の振動的な成長を抑制する重要な役割を果たします。数学的には、示された回路の自然振動数（fn）は、抵抗要素を導入することで制御され、ダンピング特性が向上し、振動振幅が減少し、電圧上昇率が遅くなります。これは、LC振動ループに散逸枝を導入することで、減衰しない振動を減衰振動に変えるのと同様であり、ブレーカーの遮断安定性を大幅に改善します。
アキシャルブラスト構成では、急速なアーク転送により、電流ゼロ前に抵抗が稼働し、過渡過程の開始時にダンピング制御が提供されます。この設計は特に、切替過電圧制限が必要なEHV応用に適しており、抵抗とアークの相乗効果により、遮断中の電磁エネルギーの順序立てた放出が可能になります。
抵抗スイッチング機能の要約
要約すると、回路ブレーカーの接触間に抵抗を配置することで、以下の一つまたは複数の機能を実現することができます：
回路ブレーカーの再着火電圧上昇率（RRRV）を低減する
アーク電流を迂回させ、アークチャネルの脱イオン化を加速することで、抵抗は過渡回復電圧（TRV）の上昇率を抑制し、ブレーカー遮断器の絶縁強度回復負担を軽減します。
誘導／容量負荷の切り替え時の高周波再着火電圧過渡現象を軽減する
無負荷トランスフォーマーや充電ケーブルなどの誘導電流または容量電流を遮断する際、シャント抵抗はエネルギー散逸により振動過電圧振幅を制限し、絶縁破壊のリスクを防ぎます。
多段ブレーカーでのTRV分布を均一にする
複数の遮断ギャップを持つブレーカーでは、抵抗は電圧分割により接触ギャップ全体でTRV分布を均一に保ち、単一のギャップでの電圧集中による再着火を回避します。
抵抗スイッチングが不要なシナリオ
接触空間内の後方アーク抵抗が低い従来の回路ブレーカー（中・低圧空気ブレーカーなど）には、追加のシャント抵抗は必要ありません。これらのアークチャネルは、外部抵抗なしでも遮断要件を満たす十分な速度で自然に脱イオン化します。
技術原理分析
抵抗スイッチングの核心価値は、「インピーダンスマッチング−エネルギー散逸−振動ダンピング」の相乗メカニズムにあり、設備の耐えられる限度内でスイッチング過渡現象を制御します。この技術は特に、EHVシステム（110kV以上）で重要であり、以下の問題を効果的に解決します：
これらのソリューションは、従来のアーク消去方法の制限を克服し、過渡過電圧制御を改善します。
