高電圧真空遮断器の過去と現在の簡単な歴史
高圧真空遮断器：概要
序論
高圧真空遮断器（HV VCBs）は、頻繁なスイッチングと低いメンテナンスコストが重要なアプリケーションにおいて、従来のSF6ガス絶縁遮断器の代替手段として台頭しています。2014年以降、HV VCBsは高圧ガス遮断器の代替品として採用され始め、強力な温室効果ガスであるSF6を使用しないことで、より環境に優しく持続可能なソリューションを提供しています。
真空スイッチギアは、過去30年以上にわたり配電システムで広く使用されており、主に故障電流の開閉や様々な種類の負荷の切り替えに使用されています。中圧範囲（最大52 kV）での真空スイッチング技術の信頼性と性能は非常に高く、配電システムでの主流となっています。しかし、送電電圧レベルへの真空スイッチング技術の拡張は1960年代から始まり、1980年頃には日本で最初の高圧真空遮断器が設置されました。2010年までに約10,000台のHV VCBsが稼働しており、主に工業用途で、また一部は公共事業でも使用されています。真空技術がSF6よりも選ばれる理由は、頻繁なスイッチング操作に対応でき、メンテナンス要件が低いことです。
アメリカでは、数十年間にわたり最大242 kVの電圧で真空コンデンサバンクスイッチが使用されています。2008年頃、中国とヨーロッパでHV VCBsの研究開発（R&D）プログラムが行われ、SF6の使用を削減または排除することを目指しました。これにより、最大145 kVの電圧で動作する製品が導入されました。中国では、商用アプリケーションでのHV VCBsの急速な採用が継続すると予想されており、すでに最大126 kVの電圧レベルで数百台が稼働しています。ヨーロッパでは、市場投入前に型式試験済みデバイスの性能を検証するためのフィールドテストが進行中です。
技術と設計
すべてのHV VCB製品は、長年にわたって改良されてきた確立された中圧真空遮断技術に基づいています。この技術をより高い電圧レベルに拡張するためには、根本的に新しい技術的特徴は必要ありませんでした。主な課題は、遮断器の幾何学的なスケーリングを調整して、より高い電圧評価に対応することです。たとえば、直径と接触間隙長を増やすことで、52 kV以上の電圧を処理できます。126 kVを超える電圧の場合、信頼性の確保のために2つの真空ギャップを直列に配置することがあります。
運用上の特徴
通常電流の取り扱い: 最大2,500 Aまでの通常電流については、HV VCBsとSF6遮断器の間には大きな違いはありません。しかし、HV VCBsで2,500 Aを超える電流評価を達成することは、接触構造からの熱生成と遮断器の限られた熱伝導能力により困難です。
監視: SF6遮断器では中断媒体の品質を監視しやすい一方、HV VCBsでは真空度を実際のサービス中に監視することは実質的に不可能です。
スイッチング操作: HV VCBsは、真空接触システムの優れた耐久性により、SF6遮断器よりも多くのスイッチング操作を行うことができます。これは、日常的な操作など頻繁なスイッチングが必要なアプリケーションで特に魅力的です。
駆動エネルギー: 典型的な72.5 kV評価では、真空遮断器に必要な駆動エネルギーは、同等のSF6遮断器の約20%です。両タイプのデバイスの物理的なサイズはほぼ同じです。
遮断器構成: 145 kVを超える場合、HV VCBsは複数の遮断器を直列に配置する必要があるかもしれません。一方、SF6技術では1994年以来、最大550 kVの単一遮断遮断器が成功裏に実装され、多くの国で広く使用されています。
アーク特性: HV VCBsのアーク電圧は、通常数十ボルトであり、SF6遮断器の数百ボルトと比較してはるかに低いです。さらに、障害スイッチング中のアークの持続時間は、真空スイッチギアの方が短く、最小アーク時間は5〜7ミリ秒に対して、SF6遮断器は10〜15ミリ秒です。これにより、HV VCBsはより多くのスイッチング操作が可能になります。
X線放出: 定格電圧が最大145 kVのHV VCBsは、通常の運転条件下で標準化された制限値5 µSv/h以下のX線を放出します。SF6遮断器はX線を放出しません。
電気的特徴
故障電流の遮断: HV VCBsは、高速な誘電回復により、SF6遮断器よりも速く過渡回復電圧（TRV）の急激な上昇率を持つ故障電流の遮断に優れています。
破壊統計: 理論的には真空ギャップは非常に高い破壊電圧を持っていますが、比較的適度な電圧で破壊する小さな確率があります。真空ギャップはまた、電流遮断後数百ミリ秒以内に自発的な遅延破壊を起こすこともあります。しかし、そのようなイベントの影響は限定的です。なぜなら、真空ギャップはすぐに絶縁を回復するからです。遅延破壊のシステムへの影響はまだ完全には理解されていません。
インダクティブ負荷のスイッチング: シャントリアクタースイッチングなどのインダクティブ負荷に関連するアプリケーションでは、HV VCBsは再点火後の高周波電流を遮断する真空の能力により、一つの電源周波数電流ゼロで多くの再点火を経験する傾向があります。これらの再点火過渡現象がRCスナッバーや金属酸化物アレスターなどの相互作用装置に及ぼす影響は現在調査中です。
コンデンサバンクのスイッチング: コンデンサバンクのスイッチングでは、非常に高いインラッシュ電流を避けることが重要です。なぜなら、それらはプリストライクアークによって接触システムの誘電特性を劣化させる可能性があるからです。この課題は、HV VCBsとSF6遮断器の両方に適用されます。緩和策としては、シリーズリアクターや制御スイッチングを使用することがありますが、HV VCBsの後者のフィールド経験は限られています。
将来の展望と市場の認識
高圧スイッチギアユーザーの調査によると、外部絶縁もSF6フリーである場合、SF6の不在は真空スイッチギアの主要な利点と見なされています。しかし、送電電圧レベルでの長期的なサービス経験が不足しているため、HV VCBsの広範な採用には大きな躊躇があります。それでも、環境的利益と運用上の利点により、真空技術に対する関心と開発は継続しています。
高圧真空遮断器（HV VCBs）の潜在的なユーザーは、しばしば電流チョッピングによる過電圧の発生とスイッチング操作中のX線放出の可能性について懸念を表明します。これらの問題は、特に送電電圧アプリケーションでの考慮が増える中、HV VCBsの安全かつ信頼性の高い運転を確保するために重要です。
X線放出
定格電圧が最大145 kVまでの単一遮断デバイスの場合、HV VCBsのX線放出は通常の運転条件下で標準化された制限値5 µSv/h以下に保たれます。複数遮断デバイスはさらに低いレベルのX線放出を示します。これは規制適合と安全性にとって重要な考慮事項であり、HV VCBsが人員や環境に重大な放射線リスクをもたらさずに展開できるようにします。
パイロットプロジェクト
大部分の回答者は、HV VCB技術に関する実践的な経験を得るためにパイロットプロジェクトを開始する強い興味を示しました。このようなプロジェクトは、ユーティリティやシステムオペレーターが実際の条件でのHV VCBsの性能、信頼性、および運用特性を評価する機会を提供します。接地ネットワークでのパイロットプロジェクトが推奨されるのは、中圧システムのネットワーク条件が常に送電電圧ネットワークの条件、特に接地条件とは比較できないためです。このアプローチにより、得られる経験が送電レベルのアプリケーションに適切かつ適用可能であることが保証されます。
標準化
現在のIEC遮断器標準であるIEC 62271-100は、SF6スイッチング技術に重点を置いていますが、真空スイッチングの独自の特性と課題を完全にカバーしていない可能性があります。たとえば、SF6にとって挑戦的な短線路障害試験のような試験項目は、真空技術にとってはそれほど重要ではないかもしれません。逆に、合成試験における連続回復電圧の適用は、SF6にはあまり関係ないかもしれませんが、真空遮断器での遅延破壊の欠如を示すためにより重要となるかもしれません。HV VCBsがますます普及するにつれて、既存の標準を改訂または補完して真空技術をより適切に収容する必要が出てくるかもしれません。
SF6無し設計の技術的意味
SF6が外部絶縁媒体として存在しない場合、他の技術的な意味合いを考慮する必要があります。たとえば、代替絶縁方法は、より高い圧力、重量、占有面積、または異なる設計上の考慮が必要になるかもしれません。メーカーはこれらの代替手段を積極的に探求し、SF6の代わりとなる実用的な代替品を開発していますが、すべての電圧評価をカバーする新しい技術が見つかるまでは、SF6は特定の送電ネットワークアプリケーションで必要とされる可能性が高いです。
メーカーのコミットメント
メーカーは、SF6技術の産業的に実用的な代替品を開発し、提供することにコミットしています。SF6は、その優れた誘電特性により、高圧アプリケーションで支配的な絶縁ガスでしたが、SF6の環境問題、特にその高い地球温暖化ポテンシャルにより、より環境に優しい解決策の探求が進められています。HV VCBsはそのような解決策の一つであり、頻繁なスイッチングと低メンテナンスが要求されるアプリケーションで持続可能な代替手段を提供します。しかし、SF6からの移行は徐々に行われ、メーカーは新たな技術を継続的に革新し、改善することで、電力業界の多様なニーズに対応していくことでしょう。
