短絡電流下のスイッチギアの条件作り
スイッチギアにおける電流の流れとプリストライク現象の詳細な説明
スイッチギア、特に遮断器（CB）や負荷開閉スイッチ（LBS）において、電流の流れとは、接触点が閉じ始めると同時に電弧が発生するプロセスを指します。このプロセスは、物理的に接触点が触れ合う瞬間に始まるわけではなく、プリストライクという現象により数ミリ秒前に発生することがあります。以下に、この現象とその影響について詳細に説明します。
プリストライク：接触前での電弧の開始
絶縁破壊：接触点が閉じる動作中に接近すると、それらの間の絶縁媒体（空気、SF6、真空など）は絶縁破壊を起こします。これは、接触点間のギャップの電界が近づくにつれて増大するためです。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、スイッチングアークが開始されます。
電界の蓄積：接触点が互いに近づくにつれて、それらの間の電界が蓄積します。この電界は、接触点間の電圧に比例し、距離に反比例します。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。
アークの開始：アークは接触点が実際に触れ合う前に、通常は数ミリ秒前に開始されます。この早期のアークの開始をプリストライクと呼びます。プリストライク中、アークは接触点間の小さなギャップで形成され、電流は接触点が物理的に接触するのを待たずにアークを通って流れ始めます。
プリストライクの影響
接触面の過剰溶融：プリ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。特に短絡条件下では、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、接触点が溶接される可能性があり、両表面が融合します。
接触点の溶接：溶接された接触点は、次の開放命令に対して適切に応答できない可能性があります。スイッチギアの操作機構が溶接点を破るのに十分な力を提供しない場合、装置は正常に開かず、潜在的な安全上の危険や設備の損傷につながる可能性があります。
短絡電流の特性：短絡電流にはしばしば直流成分が含まれており、これにより純粋な交流短絡電流よりもピーク値が大幅に高くなることがあります。このピーク電流の増加はプリストライクの影響を悪化させ、より深刻な接触点の損傷や溶接につながります。
アーク電圧の依存性：アーク間の電圧（アーク電圧）は、スイッチギアで使用される切断媒体によって大きく依存します。非常に短いアーク長でも、電極近くで大きな電圧降下が発生する可能性があります。これは、アーク抵抗が長さに沿って均一ではなく、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。
短絡条件での閉鎖動作
遮断器（CB）：遮断器において、短絡条件での閉鎖動作は特に困難です。高電流レベルと直流成分の存在により、激しいアークと接触点の損傷が生じることがあります。現代の遮断器は高度な材料と冷却機構を用いてこれらの影響を軽減するように設計されていますが、プリストライクは依然として懸念事項です。
負荷開閉スイッチ（LBS）：負荷開閉スイッチも閉鎖動作中にプリストライクを起こしやすいです。特に高電流アプリケーションでは顕著です。しかし、LBSデバイスは通常、遮断器と比較して低電圧および低電流アプリケーションで使用されるため、深刻な接触点損傷のリスクは一般的に低いです。
スイッチギアの閉鎖動作の段階
スイッチギアの閉鎖動作は、以下の図に示すようにいくつかの段階に分けられます：
ステージ1：接触点の初期接近：接触点が互いに近づき始め、それらの間の電界が蓄積し始めます。この段階では電流は流れませんが、プリストライクの可能性は増しています。
ステージ2：プリストライクアークの形成：接触点がさらに近づくと、電界が絶縁媒体の絶縁強度を超えて絶縁破壊が起こります。プリストライクアークが形成され、接触点が触れ合う前に電流がアークを通って流れ始めます。
ステージ3：接触点の接触とアークの移行：接触点がついに物理的に接触し、アークは接触点間のギャップから接触面に移行します。現在閉じた回路を通って電流が流れ続けます。
ステージ4：定常状態動作：接触点が完全に閉じた後、システムは定常状態動作に入り、アークなしで閉じた接触点を通って電流が流れます。
緩和策
プリストライクと接触点の溶接の影響を最小限に抑えるために、いくつかの設計および運用戦略を採用することができます：
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、ブレイクダウンを開始するための電界が高くなるため、プリストライクの可能性を減らすことができます。
高度な接触材料：高融点と良好な熱伝導性を持つ接触材料を使用することで、プリストライク中の接触点の損傷を減らすことができます。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ています。
冷却機構：パッファー系や強制ガスフローなどの冷却機構を取り入れることで、アークからの熱を放散し、接触面の温度を低下させ、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：開放動作中に溶接点を破るのに十分な力を提供するように動作機構を確保することで、スイッチギアが正常に開かないことを防ぐことができます。
保護システム：オーバーカレントリレーや故障検出メカニズムなどの保護システムを実装することで、短絡条件をより迅速に検出し対応し、アークの持続時間と強度を減らすことができます。
結論
接触点が物理的に触れ合う前にアークが開始されるプリストライク現象は、スイッチギアの閉鎖動作において重要な側面です。これは、過剰な接触点の損傷、溶接、およびスイッチング装置の潜在的な故障につながる可能性があります。プリストライクに貢献する要因、例えば電界の蓄積や絶縁媒体の特性を理解することは、信頼性の高いスイッチギアの設計と運用に不可欠です。高絶縁強度の絶縁媒体、高度な接触材料、冷却機構などの適切な緩和策を採用することにより、プリストライクの影響を最小限に抑え、遮断器や負荷開閉スイッチにおけるスイッチギアの安全かつ信頼性の高い動作を確保することができます。
