高所地域向けに最適化されたガス絶縁開閉装置設計

ガス絶縁リングメインユニットは、中圧電力分配自動化システムに適したコンパクトで拡張可能なスイッチギアです。これらの装置は12〜40.5kVのリングネットワーク給電、二重放射状給電システム、および終端給電アプリケーションに使用され、電気エネルギーの制御と保護装置として機能します。また、パッドマウント型変電所への設置にも適しています。

電気エネルギーの配分とスケジューリングにより、電力システムの安定稼働を確保します。これらの装置の主要な構成要素には、遮断器または負荷開閉器とヒューズの組み合わせが採用されており、構造が単純で小型、低コストであり、供給パラメータと性能が向上し、供給安全性も高まるなどの利点があります。都市住宅地、高層ビル、大規模公共施設、工業企業など、負荷中心の配電所やパッドマウント型変電所で広く使用されています。様々な絶縁ガス（SF₆、乾燥空気、窒素、または混合ガス）が絶縁媒体として使用され、高い絶縁性能と環境上の利点を提供し、電力システムでの広範な応用につながっています。

このタイプのリングメインユニットの主な構成部品は、絶縁ガス（以下「ガス室」という）で満たされた密封溶接タンク内に設置されます。ガス室はガス絶縁リングメインユニットの主要な構成要素です。その主な機能は、汚染、湿度、腐食などの外部環境要因から内部の高電圧部品が影響を受けないようにすることです。同時に、部品の動作環境と正常な電気性能を保証します。すべての内部部品は密封されたガス室内で保護されています。ガス室内外の圧力差を測定するための圧力計や密度計などの圧力またはガス密度監視装置が装備されています。

本記事では、高高度環境におけるリングメインユニットの機械的および電気的性能に影響を与える問題について主に取り上げます。

1. ガス絶縁リングメインユニットの一般的な高高度設計スキームと既存の問題

ガス絶縁リングメインユニットは完全に絶縁された設計を特徴とし、主導体回路は密封されたガス室、完全に絶縁された入出力ブッシング、完全に絶縁されたケーブル端子によって構成される完全に絶縁されたシステムに囲まれています。ガス室の内部環境は外部条件の影響を受けないため、ガス密度と湿度は一定です。理論的には、湿度、汚染、腐食性ガスなどの外部要因による絶縁性能への影響はありません。同様に、エポキシ樹脂やシリコーンゴムなどの絶縁材料で設計されたブッシングやケーブル端子の絶縁性能も外部環境の影響を受けません。表面上、従来の設計に基づくガス絶縁リングメインユニットは高原環境に適しており、多くの製造業者はそれが高高度動作要件を満たすと信じて直接そのような地域に展開しています。

現在、ガス絶縁リングメインユニットを高高度環境に適用する際には、主に以下の2つの技術的なスキームが使用されています：

1.1 高高度地域への直接展開

設計概念：このアプローチは、主導体回路が完全に絶縁されたシステム（密封されたガス室、完全に絶縁されたブッシング、ケーブル端子）によって完全に囲まれているため、高高度条件による絶縁性能への影響がないという原理に基づいています。
既存の問題：実際の運用では、高高度での外部大気圧の低下により、ガス室内外の圧力差が増加します。これにより、ガス室の膨張変形が大きくなり、遮断器や隔離スイッチなどの電気部品の機械的性能に影響を与えます。これは動作の詰まりや機械特性の変化につながる可能性があります。

1.2 工場でのガス圧設定の低下

設計概念：高高度での内外圧差の増大に対処するために、このスキームでは工場でガス室内部の圧力を下げます。ユニットが高高度の現場に到着すると、大気圧の低下により圧力差が技術仕様に必要な値に上昇し、圧力計が必要な動作圧力を表示します。
既存の問題：この設計はガス室内の絶縁ガスの密度を効果的に減らします。高高度で圧力計が設計値を示すものの、ドイツの物理学者フリードリヒ・パッシェンによって定式化されたパッシェン曲線によれば、ガスの絶縁性能はガス密度と密接に関連しています（図1参照）。パッシェン曲線は、パッシェンの法則から導かれる関数を表しています。その物理的意味：破壊電圧U (kV) は、電極間距離 d (cm) とガス圧 P (Torr) の積の関数であり、U = apd / [ln(Pd) + b] と表されます（図1参照）。ここで a と b は定数です。

この曲線の主要な意義：固定された絶縁距離において、圧力を増加させたり、真空（例えば10⁻⁶ Torr）に近づけたりすると、ギャップの破壊電圧が上がります。真空に近い圧力では、真空度が下がると（つまり、空気密度が増すと）電極間の電気的破壊が容易になります。ある圧力閾値を超えると、圧力が上昇するにつれて絶縁性能が徐々に改善されます。この段階（図1の点 a を超えた部分）では、圧力を下げることでガス密度が低下し、破壊電圧が下がり、つまり絶縁性能が悪化します。ガス絶縁リングメインユニットの動作圧力範囲は、完全にこの領域（図1の点 a を超えた部分）にあります。

1.3 従来の高高度設計の問題のまとめ

• ガス室内外の圧力差の増大により、ガス室の変形が大きくなり、スイッチの機械的動作と性能に影響を与える。

• 内部外圧差が増大する条件下では、圧力開放装置がより頻繁に作動しやすい。

• 圧力計はガス室の内部と外部の相対的な圧力差を測定します。ガス密度計は温度補償機能を圧力計に追加しています。どちらも高高度では室内の実際のガス密度を正確に表示することはできませんが、ガス密度は絶縁性能と密接に関連しています。

• 高高度での大気密度の低下により、ガス室の外部絶縁部品の包括的な絶縁性能が同時に低下します。

2. 高高度向けガス絶縁リングメインユニットの設計スキーム
上記の分析に基づき、ガス絶縁リングメインユニットの完全な絶縁構造（主導電回路が密封されたガス室で完全に囲まれ、完全に絶縁されたブッシングとケーブル端子を持つ）は理論的には絶縁性能が影響を受けないものの、高高度での要因により影響を受けます：ガス室内外の圧力差の増加、室内の絶縁ガス密度を減らすことができず、正確なガス密度表示の必要性。したがって、高高度向けガス絶縁リングメインユニットの設計の鍵は、ガス室と圧力開放装置の設計にあり、高高度環境要件に適合するガス室圧力計と、高高度での外部絶縁部品の包括的な絶縁能力の低下を解決することです。

2.1 高高度向けガス室と圧力開放装置の設計
上記の技術的問題に対処するために、本論文では特別な設計や単純な圧力減少を使用しない一般的なユニットとは異なる新しい高高度向けガス絶縁リングメインユニットの設計概念を提案します。このリングメインユニットは以下の点でターゲット設計を特徴としています：

(1) ガス室の構造強度の強化
高高度による内外圧力差の増加に対抗するために、ガス室の構造強度を強化します。これにより、高高度での変形が技術仕様内に保たれ、高電圧部品の機械的性能が影響を受けないようにします。

国際標準大気モデルによれば、特定の高度における標準大気圧は以下の式で計算できます：
P = P₀ × (1 – 0.0065H/288.15)^5.256
ここで P は特定の高度での大気圧；P₀ は海面レベルでの標準大気圧；H は高度。

4000 m の高度を例にとって：
P = P₀ × (1 – 0.0065 × 4000 / 288.15)^5.256 ≈ 0.064 MPa。

典型的な10 kV SF₆ガス絶縁リングメインユニットを例にとって、非高高度地域でのガス室の設計圧力は通常0.07 MPaです。高高度での大気圧の低下を考慮すると、4000 m の高度でのガス室の実際の設計圧力は以下の通り計算されます：
P₁ = P₀ – 0.064 + 0.07 = 0.107 MPa。

(2) 高高度向け圧力開放装置の設計
最新の国家标准GB/T 3906—2020 "交流金属閉鎖型開閉器および制御装置 設計電圧3.6 kV以上40.5 kV以下" 第7.103条では、ガス絶縁リングメインユニットのガス室は、圧力開放装置が作動せずに1分間1.3倍の設計圧力 (P₁) を耐えられることが規定されています。圧力が1.3倍 (P₁) から3倍 (P₂) の設計圧力の間に上昇し続ける場合、圧力開放装置が作動しても構いませんが、製造業者の設計仕様を満たしている必要があります。試験後、ガス室は変形しても破裂してはなりません。

これらの要件に従ってガス室と圧力開放装置の強度を設計することで、国家标准を満たします。異なる高度でのガス室と圧力開放装置はすべてこの方法で計算・設計することができます：
P₁ = 0.107 × 1.3 = 0.139 MPa
P₂ = 0.107 × 3 = 0.321 MPa

ガス室の構造強化（例えば、厚い鋼板の使用やリブの追加など）により、高高度での内外圧力差の増加による強度要件を完全に満たします。これにより、変形による高電圧スイッチの機械的および電気的性能への影響を避け、定格ガス圧下での安定動作を確保し、平原地域と同等の機械的および電気的性能を高高度環境でも発揮します。

設計計算と実験検証を通じて、圧力開放膜の厚さと強度を増やすことで、その圧力耐性を高めることができます。これにより、ガス室の圧力開放範囲が指定された圧力範囲要件に適合し、高高度環境での内外圧力差の増加による圧力開放装置の早期作動を防ぎ、内部の絶縁レベルを維持し、リングメインユニットの電気的性能を確保します。

2.2 高高度向けガス密度表示装置の設計
絶縁ガス密度表示装置には密封型密度計が使用されます。その表示値は温度変化や外部大気圧の変動に影響されません。

高高度向けガス絶縁リングメインユニットの場合、ガス室に選択される密度計は温度や高度の影響を受けない密封型全条件密度計です。その動作原理は、密度計内部の補償要素が温度補償を行う（温度の影響を受けない）ことです。同時に、メーターヘッドは密封構造で、密封室は標準大気圧を維持しています。密度計の表示圧力値は、ガス室内と標準大気圧との圧力差を表しています。

この設計は、リングメインユニットのガス室に設置された密度計が常に室内の実際のガス密度を正確に表示するようにしています。表示値は温度や高度の影響を受けず、高地での運用要件を完全に満たしています。2.3 高地向けガス絶縁リングメインユニットの全絶縁ブッシングの設計

高地はガス室と測定機器だけでなく、外部に取り付けられた全絶縁部品（例えば入出力線用ブッシングやケーブル端子接続部）にも影響を与えます。これらの外部全絶縁部品の絶縁性能は、絶縁材料の絶縁強度と地に対する這い距離絶縁強度によって影響されます。高地では空気密度が低下し、地に対する這い距離絶縁強度が減少します。実際の応用では、従来の設計によるガス絶縁リングメインユニットは、高地で展開後、外部絶縁部品（例えば絶縁ブッシングまたはトップエクスパンションバスバー）の商用周波数耐電圧試験に合格できないことがよくあります。

これを解決するために、本稿では高地向けガス絶縁リングメインユニットの全絶縁ブッシングに対して新しい設計案を提案します：このような絶縁部品の外表面に接地シールド層を追加することです。この設計により、電界の一様性が向上し、主回路バスバーからの接地放電を防ぎます。

チベット自治区ナクチュ市にある屋外10kV切替所プロジェクトにおいて、ある会社は受入れ試験中に設備が地に対する商用周波数耐電圧試験29kV/1分しか通過できなかったという状況に遭遇しました。その後、入出力ブッシングとガス室の外部バスバーの外絶縁部に接地シールド層を追加することで、設備は地に対する商用周波数耐電圧試験42kV/1分の国標準要件を満たすことができました。

2.4 技術的要点のまとめ
高地向けガス充填絶縁リングメインユニットの重要な設計点は以下の通りです：

• 高地での内外圧差による圧力耐容範囲と変形制限の要件を満たすために、ガス室の構造強度を鋼板の厚さを増やすか補強材を追加することで強化します。

• ガス室の圧力開放装置の圧力開放膜の強度設計を強化します。補強後、高地での内外圧差による圧力開放装置の圧力耐容範囲要件を満たします。

• 圧力表示装置には密封型密度計を採用します。その表示値は温度変化や外部大気圧の変動の影響を受けず、高地環境に適しています。

• ガス室の外部絶縁部品の外表面に接地シールド層を設計して、電界の一様性を改善し、主回路バスバーからの接地放電を防止します。

3. 高地向けガス絶縁リングメインユニット設計の意義
この設計案は、真正に高地運用要件を満たすガス絶縁リングメインユニットを提供することを目指しています。ガス室の強度を強化し、圧力開放装置の圧力耐容能力を改善し、内部ガス密度の正確な測定を可能にし、関連絶縁部品の合理的な設計を行うことで、リングメインユニットは高地環境への完全な技術適応性を達成します。これにより、リングメインユニットの機械的および電気的な性能が確保され、高地環境でのガス絶縁リングメインユニットの正常な動作が可能になります。

中国の高地地域は広大であり、高地条件に適応した電力設備に対する需要は非常に大きいです。製品設計の標準化と合理性の改善が急務となっています。高地地域の実際の環境変動は製品設計に新たな要件を課しています。この技術案は新しい設計理論と方法論を提供し、有意義な探求を示しています。