12kV空気絶縁RMUにおける放電リスクの軽減：グレーディングシールド設計を使用して
本論文は、ある種類の12kV空気絶縁リングメインユニット（RMU）の一次隔離ブレーキを研究対象として、その周囲の電界分布と均一性を分析し、この位置での絶縁性能を評価し、構造最適化を通じて放電リスクを低減し、絶縁性能を向上させることで、同様の製品の絶縁設計に参考となる。
1 空気絶縁リングメインユニットの構造
本論文で研究した空気絶縁RMUの3次元構造モデルは図1に示す。主回路は真空スイッチと三位置スイッチを組み合わせた構成を採用しており、三位置スイッチはバスバー側に配置されている—つまり、三位置スイッチはRMUの上部にあり、真空スイッチは固体密封ポール構造で下部に取り付けられている。真空スイッチがポール内に封入されているため、その外部はエポキシ樹脂で絶縁されており、これは空気よりも大幅に優れた絶縁特性を持っているため、絶縁要件を満たしている。
また、固体密封ポールの密封点にある接続バスバーには、角丸と弧形デザインを組み合わせ、シリコーンゴムによる密封を行い、この領域での部分放電問題を効果的に軽減している。バスバー間および地線までの絶縁クリアランスは関連する絶縁基準に基づいて設計され、規制要件を満たしている。
三位置スイッチの隔離ブレードは空気を絶縁媒体としている。可動接続部品であるその構造にはピン、ばね、ディスクばね、クリップなどの金属部品が含まれており、隔離接触部の接触圧力を高めている。しかし、これらの金属部品の複雑な形状により、電界分布が非常に非均一になり、部分放電や破壊リスクが生じ、この位置での絶縁性能に悪影響を与える可能性がある。
したがって、この構造の電気設計は特に重要である。製品設計要件によれば、隔離ブレーキは50kVの定格短時間交流耐電圧を耐えられる必要があり、最小設計電気クリアランスは100mmである。隔離ブレード構造の複雑さを考慮して、ブレードの両側にグレーディングシールドを追加し、電界均一性を改善し、部分放電を減少させる。三位置スイッチの3次元モデルは図2に示す。本論文では、この隔離ブレーキに対して電界シミュレーション分析を行っている。
2 シミュレーション分析
有限要素法ソフトウェアを使用して、リングメインユニットの電界シミュレーションを行い、指定された50 kVの定格短時間交流耐電圧下での隔離ブレーキの電界強度分布を分析した。以下の2つの静電場シミュレーションケースを考慮した：
ケース1：バスバー側（隔離固定接触側）が低電位（0 V）、ライン側（隔離ブレード先端側）が高電位（50 kV）。
ケース2：バスバー側（隔離固定接触側）が高電位（50 kV）、ライン側（隔離ブレード先端側）が低電位（0 V）。
シミュレーションを通じて、両ケースにおける最大電界強度の位置での電界分布を得た。ケース1における隔離ブレード先端での電界強度分布は図3に、ケース2における隔離固定接触での電界強度分布は図4に示す。ケース1では、最大電界強度はグレーディングシールドの端で7.07 kV/mmに達し、ケース2では隔離固定接触の角丸部分で4.90 kV/mmとなった。
空気の典型的な臨界破壊電界強度は3 kV/mmである。図3と図4に示すように、隔離ブレーキの大部分の領域での電界強度は3 kV/mm未満であり、破壊を引き起こすほど高くないが、局所的な領域ではこの閾値を超えて部分放電が発生する。空気が乾燥状態から湿潤状態に変化すると、その絶縁能力が低下し[10]、臨界均一破壊電界強度が3 kV/mm以下になる。さらに、高度に非均一な電界分布は空気の臨界破壊強度をさらに低下させ、破壊の可能性とリスクを増大させる。外部環境要因による空気絶縁媒体への影響を軽減し、電界均一性を改善するために、本研究では隔離ブレーキ全体の電界均一度と耐電圧レベルを評価し、ブレーキの絶縁能力を向上させるための基礎とする。
3 空気絶縁特性
3.1 電界非均一係数の決定
実際には、完全に均一な電界は存在せず、すべての電界は本質的に非均一である。電界非均一係数fに基づいて、電界は2つのタイプに分類される：f ≤ 4の場合、電界は微少非均一とされる；f > 4の場合、高度非均一とされる。非均一係数fはf = Eₘₐₓ/Eₐᵥで定義され、ここでEₘₐₓはシミュレーション結果のピーク値から得られる最大局所電界強度、Eₐᵥは適用電圧を最小電気クリアランスで割った平均電界強度である。
図3からEₘₐₓ = 7.07 kV/mm、Eₐᵥ = 0.5 kV/mmであるため、隔離ブレーキの電界非均一係数はf = 14.14 > 4となり、高度非均一な電界である。高度非均一な電界では安定した部分放電が発生し、非均一度が高いほど部分放電が顕著になり、放電量も大きくなる。12 kVのリングメインユニットでは、キャビネット全体の総部分放電量は20 pC未満であることが要求される[5,11]。したがって、電界非均一係数を減らすことは部分放電レベルを低下させるのに役立つ。
3.2 空気耐電圧の決定
電界非均一係数は乾燥空気の耐電圧に影響を与える。電界が微少非均一な場合、耐電圧は次の式で表される：
ここでUは耐電圧、dは電極間の最小電気クリアランス、kは信頼係数（通常は経験則に基づいて1.2〜1.5の範囲）、E₀はガスの絶縁破壊電界強度を示す。実際には、この破壊電界強度は2つの電極の具体的な構成に依存し、空気の破壊強度は異なる電極構造やクリアランス距離によって変わる。比較分析のために本論文ではE₀ = 3 kV/mmと仮定する。式(1)から、最小電気クリアランスdを増加させ、電界非均一係数fを減少させることで、空気絶縁媒体の耐電圧を向上させることができる。
高度非均一な電界に対処する場合、最小電気クリアランスが100 mm範囲内の電極について、耐電圧は以下の式で計算される：
この式においてU50%(d)は特定の電気クリアランスdにおける雷衝撃試験での50%破壊電圧を示す。高度非均一な電界では、破壊電圧に大きな分散があり、放電遅延時間が長いため、破壊電圧は非常に不安定である。実際のエンジニアリングアプリケーションでは、U50%(d)は複数の雷衝撃試験を行い、50%の破壊確率となる適用電圧を特定することで決定される。この値は製品の構造と電界の均一性に密接に関連している。低い電界非均一係数は破壊電圧の分散を減少させ、高い破壊電圧をもたらし、結果として高い耐電圧を達成する。したがって、電界非均一係数を減少させることは、隔離ブレーキの耐電圧を向上させるのに有益である。
4 構造最適化
隔離ブレード先端周辺の電界均一性を改善し、電界非均一係数を減少させるために、グレーディングシールド構造の最適化を行った。最適化前後のグレーディングシールドのモデルは図5に、断面図は図6に示す。図6から明らかなように、最適化前の設計と比較して、最適化されたグレーディングシールドは端が厚く丸みを帯びており、コーナー半径が0.75 mmから4 mmに増加している。この改良により曲率半径が増加し、電界の分布がより均一になる。最適化された隔離ブレード先端周辺の電界強度分布は図7に示す。この図から、最大電界強度が3.66 kV/mmに減少し、約半分にまで減少していることが明らかであり、顕著な改善が確認できる。
前述の式f=Emax/Eavによると、最適化後の電界非均一係数は7.32となり、最適化前の約半分に減少した。
これは、隔離ブレード先端周辺の電界均一性が大幅に改善されたことを示しており、構造最適化が有効であったことを示している。グレーディングシールドの最適化前後でのデータの比較は表1に示す。表1から明らかなように、最適化されたグレーディングシールド構造は実際に隔離ブレーキ間の破壊放電リスクを減少させている。ただし、隔離ブレーキ間の電界は依然として高度に非均一であり、その耐電圧は依然としてU50%(d)によって決定される。耐電圧の改善程度は、現場試験を通じてさらに確認できる。
この翻訳は、原文で提供された技術的詳細と文脈を維持し、英語話者向けに明瞭かつ正確なものとなっている。
5 実験検証
シミュレーション分析の有効性を検証するために、12 kV空気絶縁リングメインユニットに対する部分放電試験を行った。プロトタイプユニット3台（No. 1〜No. 3）を準備し、最初に全てのユニットの隔離ブレードにオリジナル（最適化前）のグレーディングシールドを取り付けて部分放電試験を行った。その後、最適化されたグレーディングシールドを取り付け、試験を繰り返した。結果の部分放電データは表2に示す。
表からわかるように、最適化前の部分放電レベルは全て20 pCを超えていたが、最適化後は4.5 pC未満に減少した。これは、最適化されたグレーディングシールド構造がリングメインユニットの絶縁性能を効果的に向上させることを示し、先行したシミュレーションと分析の妥当性を確認するものである。
6 結論
12 kV空気絶縁リングメインユニットの隔離ブレーキの電界分析に基づき、以下の結論が導かれる：
空気の絶縁能力はSF₆に劣るため、空気を絶縁媒体として使用するリングメインユニットの三位置スイッチにおいて、絶縁性能を向上させるためには電界分布の改善が不可欠である。
空気絶縁リングメインユニットの三位置スイッチの可動部品（隔離ブレード）の構造が複雑なため、特定の場所での電界強度分布は高度に非均一になることがある。この非均一性を減少させるために、隔離ブレードの両側にグレーディングシールドを追加し、ブレードの接続部近傍の高電界領域を遮蔽することで、ピーク電界強度の位置をグレーディングシールドの端に移動させる。本研究では、シールドの端の曲率半径を0.75 mmから4 mmに増加させることで、最大局所電界強度と電界非均一係数を約半分に減少させ、目的の最適化効果を達成した。
電界分布の均一性、または電界非均一係数は、部分放電と破壊放電に大きく影響する。高度に非均一な電界は安定した部分放電（コロナ放電）を生じやすい。微少非均一な電界でも高度非均一な電界でも、非均一係数が高いほど、電極間の耐電圧は低くなる。
