短絡電流下でのスイッチギアの条件
スイッチギアにおける電流の流れとプレストライク現象の詳細説明
スイッチギア、特に遮断器（CB）および負荷開閉装置（LBS）において、電流の流れは、接触部が閉じ始める際に電弧が発生する過程を指します。この過程は、接触部が物理的に触れ合うタイミングではなく、プレストライクと呼ばれる現象により数ミリ秒前に開始されることがあります。以下に、この現象とその影響について詳細に説明します。
1. プレストライク：接触前での電弧の発生
• 絶縁破壊：接触部が閉じる操作中に近づく際、それらの間の絶縁媒体（空気、SF6、真空など）が絶縁破壊を起こします。これは、接触部間のギャップの電界が増加するためです。電界強度が絶縁媒体の絶縁強度を超えると、ギャップが破壊され、スイッチングアーチが発生します。
• 電界の蓄積：接触部が互いに近づくにつれて、それらの間の電界が蓄積されます。この電界は、接触部間の電圧に比例し、距離には反比例します。電界が十分に強くなると、ギャップ内のガス分子がイオン化し、電流が流れる導電路が形成されます。
• アーチの発生：アーチは接触部が実際に触れ合う前に、通常は数ミリ秒前に発生します。この早期のアーチの発生をプレストライクと呼びます。プレストライクでは、アーチは接触部間の小さなギャップで形成され、電流は接触部が物理的に触れ合うのを待たずにアーチを通って流れ始めます。
2. プレストライクの影響
• 接触面の過剰溶融：プレストライクに関与するエネルギーが大きい場合、接触面の過剰な溶融を引き起こす可能性があります。特に短絡状態では、電流が非常に高くなるため問題となります。接触面上の溶融金属は、接触部が溶接し、両表面が融合する可能性があります。
• 接触部の溶接：溶接された接触部は、次の開放コマンドに対して適切に応答できなくなります。スイッチギアの動作機構が溶接点を破壊するのに十分な力を提供しない場合、デバイスは適切に開かず、潜在的な安全上の危険や機器の損傷につながります。
• 短絡電流特性：短絡電流はしばしば直流成分を含み、これが純粋な交流短絡電流よりもピーク値が高くなります。このピーク電流の増加はプレストライクの影響を悪化させ、より深刻な接触部の損傷と溶接を引き起こす可能性があります。
• アーチ電圧依存性：アーチ間の電圧（アーチ電圧）は、スイッチギアで使用される遮断媒体に大きく依存します。非常に短いアーチ長でも、電極近くで大きな電圧降下が見られることがあります。これは、アーチ抵抗が長さ全体で均一ではなく、電極近くの領域が熱とイオン化粒子の集中により高い抵抗を持つためです。
3. 短絡条件での電流の流れ
• 遮断器（CB）：遮断器において、短絡条件での電流の流れは特に困難です。高電流レベルと直流成分の存在により、激しいアーチングと接触部の損傷が引き起こされます。現代の遮断器は、これらの影響を軽減するために高度な材料と冷却機構で設計されていますが、プレストライクは依然として懸念事項です。
• 負荷開閉装置（LBS）：負荷開閉装置も、特に高電流アプリケーションでは、作動中のプレストライクに脆弱です。しかし、負荷開閉装置は通常、遮断器と比較して低電圧・低電流アプリケーションで使用されるため、深刻な接触部の損傷リスクは一般的に低いです。
4. スイッチギアでの電流の流れの段階
スイッチギアでの電流の流れは、以下の図に示すようにいくつかの段階に分けられます：
• 段階1：接触部の初期接近：接触部が互いに近づき始め、それらの間の電界が蓄積されます。この段階では電流は流れませんが、プレストライクの可能性が高まります。
• 段階2：プレストライクアーチの形成：接触部がさらに近づくと、電界が絶縁媒体の絶縁強度を超えて絶縁破壊が発生します。プレストライクアーチが形成され、接触部が触れ合う前にアーチを通って電流が流れ始めます。
• 段階3：接触部の接触とアーチの移行：接触部が物理的に触れ合い、アーチが接触部間のギャップから接触面に移行します。電流は今や閉回路を通って流れ続けます。
• 段階4：定常運転：接触部が完全に閉じると、システムは定常運転に入り、アーチなしで閉じた接触部を通って電流が流れます。
5. 対策
プレストライクと接触部の溶接の影響を最小限にするために、いくつかの設計および運用戦略が採用できます：
• 高絶縁強度の絶縁媒体の使用：SF6ガスや真空などの高絶縁強度の絶縁媒体を使用することで、絶縁破壊を引き起こすための電界を高め、プレストライクの可能性を低減できます。
• 高度な接触部材：高融点と良好な熱伝導性を持つ接触部材を使用することで、プレストライク時の接触部の損傷を軽減できます。銅-タングステン合金のような材料は、高電圧スイッチギアで一般的に使用されます。
• 冷却機構：パッファーシステムや強制ガスフローなどの冷却機構を組み込むことで、アーチからの熱を放散し、接触面の温度を低減し、溶接のリスクを最小限に抑えることができます。
• 機械設計の改善：動作機構が開放操作中に溶接点を破壊するのに十分な力を提供することを確認することで、スイッチギアが適切に開かないことを防ぐことができます。
• 保護システム：過電流リレーや故障検出機構などの保護システムを実装することで、短絡状態をより迅速に検出し対応し、アーチの持続時間と強度を減らすことができます。
結論
プレストライク現象、つまり接触部が物理的に触れ合う前にアーチが発生することは、スイッチギアでの電流の流れの重要な側面です。これにより、接触部の過剰な損傷、溶接、そしてスイッチングデバイスの故障につながる可能性があります。電界の蓄積や絶縁媒体の特性などのプレストライクに寄与する要因を理解することは、信頼性のあるスイッチギアの設計と運用にとって不可欠です。高絶縁強度の絶縁媒体、高度な接触部材、冷却機構などの適切な対策を講じることで、プレストライクの影響を最小限に抑え、遮断器および負荷開閉装置での安全かつ信頼性の高い運転を確保することができます。
