遮断器による小さなインダクティブ電流の遮断時の過渡回復電圧(TRV)
線形システムにおける過渡現象の解析：重ね合わせの原理を用いて
線形システムにおけるスイッチング操作による過渡現象の解析において、重ね合わせの原理は強力なツールです。開回路操作前の定常解と短絡電圧源および開回路電流源によって引き起こされる過渡応答を組み合わせ、スイッチ接点を通じて注入される電流を考慮することで、スイッチングプロセスの包括的な説明を得ることができます。
開回路操作の過渡解析
開回路操作中、スイッチ端子を通る電流は操作後にゼロになる必要があります。したがって、システムに注入される電流は、開回路操作前のスイッチ端子を通る電流と同じでなければなりません。スイッチ接点が分離し始めるとき、接点間に過渡復帰電圧（TRV）が即座に発生します。TRVは電流がゼロになった直後に現れ、実際のシステムでは通常ミリ秒単位で持続します。実際の電力システムでは、TRVの特性は回路遮断器の性能と信頼性にとって重要です。
過渡復帰電圧（TRV）の重要性
電力システムにおける回路遮断器操作に関連する過渡現象を十分に理解することは、テスト手法を大幅に改善し、スイッチング装置の信頼性を高めることができます。標準では、TRVのシミュレーションに推奨される特性値が指定されており、これによりエンジニアはスイッチングデバイスの動作をより正確に予測し設計することができます。
さまざまなタイプの回路スイッチング
以下の図は、非常に単純な回路で電流を遮断する際に回路遮断器端子に発生するTRVを示しています。各ケースは、回路の性質に応じて異なる波形になります：
抵抗負荷: 純粋な抵抗負荷の場合、スイッチング操作後すぐに電流がゼロに落ち、相対的に滑らかなTRV波形になります。
インダクティブ負荷: インダクティブ負荷の場合、電流がゼロになるときにインダクタ間の電圧が最大値に達します。インダクタはエネルギーを蓄積しており、他のコンポーネント（例：コンデンサ）を通じて放出する必要があるため、振動が発生します。これらの振動は、インダクタとコンデンサ間でのエネルギートランスファーによって引き起こされます。
キャパシティブ負荷: キャパシティブ負荷の場合、スイッチング操作後、電流は徐々に減少し、電圧は急速に上昇します。TRV波形は通常、急速に上昇する電圧パルスを示します。
小電流遮断と電流チョッピング現象
電力システムでは、小電流の遮断は電流チョッピングや仮想チョッピングと呼ばれる現象を引き起こすことがあります。これらの現象は、過渡復帰電圧（TRV）に大きな影響を与え、過電圧や再着火の問題につながります。
通常の遮断と電流チョッピング
通常の遮断: 電流が自然にゼロクロス点で遮断される場合、これが理想的なスイッチング操作です。この場合、TRVは通常、指定された範囲内に保たれ、過電圧や再着火は発生しません。
電流チョッピング: 電流がゼロに達する前に遮断される場合、この現象は電流チョッピングと呼ばれます。電流の突然の遮断により、過渡的な過電圧が発生し、高周波での再着火を引き起こします。この種の異常な遮断は、回路遮断器とシステムに潜在的な危険をもたらします。
電流チョッピングの結果
回路遮断器が電流のピーク近くで遮断すると、電圧はほぼ即座に上昇します。この過電圧が回路遮断器の絶縁強度を超えると、再着火が発生します。このプロセスが複数回繰り返されると、高周波での再着火により電圧が急速に上昇します。この高周波振動は、関連回路の電気パラメータ、回路構成、および回路遮断器の設計によって制御され、実際の電力周波数電流がゼロになる前にゼロクロスが発生します。
電流チョッピングと仮想チョッピングの違い
電流チョッピング: 電流がゼロに達する前に遮断され、過渡的な過電圧と高周波での再着火が発生します。
仮想チョッピング: 電流がゼロに達する直前、非常に近いタイミングで遮断される場合、これはまだ軽微な過電圧と再着火を引き起こす可能性があります。
負荷側電圧とTRVの比較
以下の図は、2つの異なるシナリオ下での負荷側電圧とTRVを比較しています：
電流のゼロポイントでの遮断: この場合、負荷側電圧は安定して上昇し、TRVは指定された範囲内に保たれ、正常なシステム動作が確保されます。
電流のゼロポイント以前での遮断（電流チョッピング）: ここでは、負荷側電圧が急速に上昇し、TRVが大幅に増加し、過電圧と再着火の可能性があります。この例から、2番目のシナリオの方が深刻であることが明らかです。
電流チョッピングの理解の重要性
電流チョッピングの影響をよりよく理解するには、負荷側損失の影響を無視することを考えてみましょう。電流がゼロポイントで遮断された後、負荷側に蓄えられたエネルギーは主にコンデンサにあり、電圧が最大値に達します。しかし、電流がゼロに達する前にチョッピングされた場合、コンデンサのエネルギーは完全に放出されず、電圧が急速に上昇し、その後過電圧と再着火の問題が発生します。
(a) 相当回路 (b) 電流ゼロポイントでのアーク遮断 (c) 電流ゼロポイント以前でのアーク遮断
電流チョッピングと高周波過渡現象
電流チョッピングの場合、電流ゼロポイント付近でのアークの不安定性は、隣接ネットワークコンポーネントに高周波過渡電流が流れ込む可能性があります。この高周波電流は、小さな電力周波数電流に重ね合わされ、効果的にゼロに切断されます。具体的には：
電流ゼロ付近でのアークの不安定性: 電流がゼロに近づくと、アークは不安定になり、高周波過渡電流を生成します。これらの電流はすでに小さい電力周波数電流に重ね合わされ、システムの過渡応答をさらに複雑にします。
高周波過渡電流の影響: 高周波過渡電流の存在は、特にインダクティブ負荷において過電圧と再着火を引き起こす可能性があります。これらの電流の急激な変化により、短時間で非常に高い電圧ピークが発生し、システム内の絶縁材料に脅威を与える可能性があります。
仮想チョッピングとその影響
仮想チョッピングの場合、アークの不安定性は隣接相との振動によって悪化し、電流がゼロに達する前に高周波電流が生成されます。具体的には：
仮想チョッピングのメカニズム: 仮想チョッピングは通常、電流がゼロに近いがまだ到達していないときに発生します。この時点で、アークは隣接相からの振動と相互作用し、高周波電流を生成します。これにより、システムの不安定性が増し、再着火のリスクが高まります。
観察された現象: 仮想チョッピングは、空気、SF6、油中のガスアークで観察されています。真空アークも電流チョッピングに対して非常に敏感であり、真空環境下のアークは外部条件に影響されやすく、不安定性が増します。
チョッピングと再着火の原因
チョッピングと再着火、およびそれに関連する高周波振動過電圧の現象は、主に回路遮断器の設計に起因します。具体的には：
高故障電流向けの設計: 回路遮断器は通常、高故障電流に対応できるように設計されています。設計が高電流に対する効果的な性能に焦点を当てている場合、小さな電流についても同様に効果的であり、自然なゼロクロス以前に遮断しようとすることがあります。
不利な結果: この設計アプローチは、電流チョッピングと再着火を引き起こし、過電圧やその他の望ましくない影響をもたらす可能性があります。例えば、過電圧はシステムの絶縁を損傷させ、機器の故障や寿命の短縮につながります。
回路遮断器設計の最適化
小電流と大電流の両方に対応するために、回路遮断器の設計にはさまざまな条件下で信頼性のある性能を確保するための複数の機能を組み込む必要があります。具体的な推奨事項は以下の通りです：
小電流と大電流の性能バランス: 回路遮断器の設計は、小電流と大電流の両方を考慮し、一方の最適化のために他方を犠牲にしないようにすべきです。例えば、接触部材の調整、消弧室の設計、制御戦略の最適化により、異なる電流レベルでの性能バランスを取ることができます。
高周波振動の低減: 設計は、特に電流ゼロポイント付近での高周波振動を最小限に抑えるべきです。適切なダンピング要素の導入や、高周波過渡電流を抑制するための回路パラメータの最適化により、これを達成することができます。
絶縁性能の向上: 潜在的な過電圧に対処するため、回路遮断器の絶縁設計には十分な絶縁強度が必要です。高性能の絶縁材料の選択と絶縁構造の最適化により、極端な条件下でも信頼性の高い絶縁を確保することができます。
