窒素絶縁リングメインユニットの故障の理解と管理

1. ガスシステムの故障

環境に優しいガス絶縁リングメインユニットで最も重要な故障タイプは、ガスシステムに関連しており、主にガス漏れと圧力異常が含まれます。窒素絶縁リングメインユニットでのガス漏れは、主にシール材の劣化と溶接プロセスの欠陥によって引き起こされます。統計によると、約65%のガス漏れ故障はOリングの劣化に関連し、30%は不十分な溶接によるものです。ガス漏れは絶縁性能に影響を与えるだけでなく、極端な条件下では安全上の問題を引き起こす可能性もあります。窒素濃度が上昇し、環境中の酸素濃度が19.5%以下になると窒息が発生し、作業員の安全に脅威となる可能性があります。

圧力異常は別の一般的な故障であり、主にソレノイドバルブの制御失敗またはシールの故障によって引き起こされます。窒素絶縁リングメインユニットの動作圧力は通常、0.12〜0.13MPaの間で維持され、定格絶対圧力は0.2MPaを超えないようにします。圧力が定格値の90%（約0.11MPa）以下になると、システムの絶縁性能が大幅に低下するため、すぐに充填またはメンテナンスが必要となります。高電圧インパルス条件下では、窒素の絶縁強度は「ヒューム現象」を示し、圧力と絶縁強度の関係は均一またはやや非均一な電界でしか線形にならないため、圧力制御はより複雑になります。

ガスシステムの故障に対処するために、現代の環境に優しいリングメインユニットには通常、圧力センサー、ガス漏れ検出器、湿度監視モジュールを含む高度なガス監視システムが装備されています。たとえば、無線センシング技術を使用すると、ガス室内の温度、圧力、漏れ、湿度含量を多面的にリアルタイムで監視でき、故障警告機能を大幅に向上させることができます。実際のアプリケーションでは、このような監視システムを設置することで、ガス漏れ故障率を75％以上削減し、設備のメンテナンスサイクルを3〜5年に延ばすことができます。

2. 電界関連の故障

非均一な電界分布による部分放電と破壊は、環境に優しいガス絶縁リングメインユニットにおける第二の主要な故障カテゴリーです。これは主に、窒素の絶縁強度がSF₆ガスの約1/3であるためです。非均一な電界では、窒素の絶縁性能が大幅に低下し、放電現象が生じやすくなります。

電界関連の故障の具体的な表現には、ブッシング接続ねじでの放電、フランジ周囲の電界歪み、絶縁体表面のフラッシュオーバーが含まれます。研究によれば、これらの故障点での最大電界強度は5.4kV/mmに達し、安全基準を大幅に超えています。たとえば、ボルトヘッドにシールドカバーを設置することで、電界強度を2.3kV/mmにまで低減し、放電リスクを大幅に低下させることができます。

電界故障の主な原因は以下の3つです：第一に、窒素の低い絶縁強度（SF₆の約1/3）により、より精密な電界設計が必要となります；第二に、ガス室の複雑な内部構造により、電界集中点が形成されやすくなります；第三に、環境に優しいリングメインユニットのコンパクトな設計により、伝統的な設備よりも相間距離が小さくなるため、電界の非均一性が悪化します。環境に優しいリングメインユニットでは、導体と相間または接地までの空気距離は通常125mm以下であり、SF₆絶縁ユニットの350mm以上とは大きく異なり、電界制御が特に重要となります。

電界問題への対処には設計最適化が必要です。等電位絶縁スリーブの採用と、電界シミュレーションを通じてブッシング形状とフランジ設計の最適化を行うことで、部分放電リスクを低減することができます。また、電極のフィレット半径（R角度）を増加させ、円形のバスバーを使用して電界の非均一係数を低減する方法も効果的です。製造時には、帯電部品と絶縁体の表面電界強度が標準要件を満たすことが必要であり、特にエポキシ樹脂部品の部分放電制御が重要です。

3. 放熱問題による故障

環境に優しいガス絶縁リングメインユニットが直面する第三の主要な故障タイプは、放熱不足による過熱です。窒素の放熱性能はSF₆ガスよりも大幅に弱く、特に高負荷運転条件下で顕著です。電流が2100Aを超えると、窒素絶縁リングメインユニットの放熱能力が不足し、絶縁材料の劣化や接続不良を引き起こしやすくなります。

放熱不足の具体的な表現には、ケーブルジョイントの過熱、バスバー接続部の温度上昇、絶縁材料の炭化が含まれます。たとえば、ケーブルジョイントの焼損という深刻な事故が分析された結果、不適切な設置と放熱不足の組み合わせが原因であることが判明しました。長期運転では、過熱により絶縁材料の性能が低下し、最終的にはショートサーキットや爆発につながる悪循環が生じます。

放熱問題の主な原因は以下の3つです：第一に、窒素の熱伝導率はSF₆の1/4であり、熱伝導が不良です；第二に、環境に優しいリングメインユニットのコンパクトな設計により、ガス室空間が制限され、自然対流冷却が制限されます；第三に、高負荷運転時の発熱が効果的に放出されず、局所的な温度上昇が生じます。

近年、放熱問題に対する様々な革新的な解決策が登場しています。放射冷却コーティングは、日中のリングメインユニットの表面温度を30.9℃低減し、良好な機械特性、耐老化性、耐食性を提供します。開発されたスマート冷却・除湿装置は、ファンと除湿器の協調動作により、リングメインユニットの温度を40%、湿度を58%低減し、放熱不足問題を効果的に解決します。また、ガス室の通風設計の最適化と高熱伝導性絶縁材料の使用も一般的な改善方法です。

4. 機械部品の故障

環境に優しいガス絶縁リングメインユニットで第四に一般的な故障は、機械部品の故障であり、主に操作機構の詰まり、伝動部の摩耗、シール部品の劣化が含まれます。ガス室の密封設計は、機械部品に対する湿潤環境の影響を減らしますが、長期的な密封は内部の湿気蓄積を引き起こし、操作機構の信頼性に影響を与える可能性もあります。

機械故障の具体的な表現には、開閉不能、バネの詰まり、伝動軸ピンの摩耗が含まれます。たとえば、機械部品の劣化による操作機構の詰まりが複数記録されており、通常、長期間の不稼働や不十分なメンテナンスに関連しています。環境に優しい設備では、機械故障はガス室のコンパクトな内部スペースと複雑な部品配置にも関連している場合があります。

機械故障の主な原因は以下の通りです：第一に、長期的な密封は操作機構の潤滑状態に影響を与える可能性があります；第二に、コンパクトな設計は機械部品の取り付け難易度とメンテナンスの複雑さを増大させます；第三に、環境に優しい設備はガス室の変形リスクに対応するため、機械強度に対して高い要求があります。

機械部品の故障に対処するための鍵は潤滑戦略の最適化です。ポリアウレア系グリース（例：Klグリース）を使用することをお勧めします。これは、優れた高温・低温適応性（-40℃〜+120℃）、アーク抵抗性、長寿命（10年以上）を提供します。また、定期的なメンテナンス（例：3年ごとのグリース交換）と互換性のない潤滑剤（例：カルシウム系またはナトリウム系グリース）の使用を避けることも、機械故障を防ぐ重要な措置です。