SF₆代替ガスを用いた高圧遮断器の最新開発動向

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フィールド: 変圧器解析

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1. はじめに
SF₆は電力送配電システム、例えばガス絶縁スイッチギア（GIS）、遮断器（CB）、および中圧（MV）負荷スイッチなどにおいて広く使用されています。これは独特の電気絶縁性と消弧能力を持っています。しかし、SF₆は強力な温室効果ガスであり、100年間の時間枠で約23,500の地球温暖化ポテンシャルを持つため、その使用は規制され、制限に関する継続的な議論の対象となっています。そのため、約20年前から電力用途の代替ガスについての研究が行われています。

「Club Zéro」（CZC）は最近、CIGREとの協力のもと、スイッチング用途のSF₆代替ガスの最新状況を評価するためのイニシアチブを開始しました。このトピックに関するすべての入手可能な最新文献を集めるための調査が行われました。その結果は2016年のCIGREセッションでの合同セッションで発表され、議論されました。この論文では、その調査の主要な結果を紹介しています。真空スイッチング技術は別の進行中の活動であるため、本レビューでは取り上げません。

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2. 代替ガス

1997年の京都議定書採択以降、代替ガスに関する研究が強化され、過去10年間でさらに増加しています。代替ガスに対する主な要件は以下の通りです：低地球温暖化ポテンシャル（GWP）、オゾン層破壊ポテンシャル（ODP）ゼロ、低毒性、非可燃性、高い誘電強度、高い消弧および熱散逸能力、化学的安定性、材料適合性、および市場での利用可能性。

様々な自然由来のガスの中で、CO₂は最も有望な消弧ガスとして証明されており、O₂やCF₄などの添加剤によって性能が向上する可能性があります。ただし、CO₂の切断性能と絶縁性能はSF₆よりも劣ることが示されています。他の興味深い候補としては、CF₃I、フッ素化オレフィン（HFO-1234zeおよびHFO-1234yf）、フルオロケトン（例：C₅F₁₀O）、フルオロニトリル（C₄F₇N）、フッ素化エーテル（HFE-245cb2）、フッ素化エポキシド、および塩素フッ素化オレフィン（HCFO-1233zd）などが挙げられます。

すべての要件を考慮すると、現在最も有望な候補はC₅フルオロケトン（CF₃C(O)CF(CF₃)₂またはC₅-PFK）およびiso-C₄フルオロニトリル（(CF₃)₂CF-CNまたはC₄-PFN）です。純粋なガスの場合、誘電性能は沸点に比例します—つまり、高い誘電強度を持つガスは通常、高い沸点も持っています。0.1 MPaにおけるC₅-PFKとC₄-PFNの沸点はそれぞれ26.5°Cと–4.7°Cです。したがって、低温動作要件を満たすために十分に低い沸点を必要とするスイッチング機器のアプリケーションでは、緩衝ガスを追加する必要があります。高電圧アプリケーションでは、優れた消弧能力を持つCO₂が緩衝ガスとして選ばれます。中電圧アプリケーションでは、C₅-PFKと組み合わせて絶縁目的で使用される空気も報告されています。

3. 純粋なガスおよびガス混合物の特性

表1は、選択された代替ガスの特性をSF₆と比較して示しています。これらのガスのGWPは大きく異なります：C₄-PFNはCO₂やC₅-PFKよりもはるかに高いGWPを持ち、両者は約1のGWPを持っています。関心のあるすべての候補ガスは非可燃性であり、ODPゼロであり、化学メーカーが提供する技術データシートおよび安全データシートによると非毒性と報告されています。純粋なC₄-PFNとC₅-PFKの誘電強度はSF₆のほぼ2倍です。CO₂の誘電耐電圧は空気と同等であり、これはSF₆よりも大幅に低いです。

表1：純粋なガスの特性とSF₆との比較

Gas	CAS Number	Boiling Point / °C	GWP	ODP	Flammability	Toxicity LC50(4h) ppmv	Toxicity TWA ppmv	Dielectric Strength / pu at 0.1 MPa
SF₆	2551-62-4	-64	23500	0	No	-	1000	1
CO₂	124-38-9	-78.5	1	0	No	>300000	5000	≈0.3
C5-PFK	756-12-7	26.5	<1	0	No	≈20000	225	≈2
C4-PFN	42532-60-5	-4.7	2100	0	No	12000…15000	65	≈2

表2は、スイッチギアで使用される際のガスおよびガス混合物の特性を示しています。バッファガスと混合したC₄-PFNおよびC₅-PFKの濃度は第2列に示されており、通常13%（モル濃度）以下です。C₅-PFKをCO₂で使用する場合、酸素添加剤についても報告されていることに注意してください。これは、酸素の存在が有害な副生成物（COなど）や固体副生成物（スOOTなど）の形成を減らすことができるためです。

表2：中・高電圧スイッチギアアプリケーションにおける純粋なガスおよびガス混合物の特性/性能

Gas	Concentration	Minimum Pressure / MPa	Minimum Temperature / °C	GWP	Dielectric Strength	Toxicity LC50 ppmv
SF₆	-	0.43…0.6	-41…-31	23500	0.86…1	-
CO₂	-	0.6…1	≤-48	1	0.4…0.7	>3e5
CO₂/C5-PFK/O₂ (HV)	≈6/12	0.7	-5…+5	1	≈0.86	>2e5
CO₂/C4-PFN(HV)	≈4…6	0.67…0.88	-25…-10	327…690	0.87…0.96	>1e5
Air/C5-PFK(MV)	≈7…13	0.13	-25…-15	0.6	≈0.85	1e5

混合物の絶縁耐電圧が同じ圧力下でSF₆よりも低いこと（列6）から、高電圧用途におけるCO₂をバッファガスとするC₅-PFKおよびC₄-PFNの最小動作圧力を約0.7-0.8 MPaに増加させる必要があります。中電圧用途で空気/C₅-PFK混合物を使用する場合、0.13 MPaの圧力を維持することで、SF₆に近い絶縁耐電圧を達成することができます。

相対的に低い混合比でのC₄-PFNまたはC₅-PFKによる高い絶縁耐電圧は、シナジー効果によって説明できます。つまり、添加剤濃度に対して絶縁強度が非線形に増加する現象であり、これは以前にSF₆/N₂混合物で観察されていました。C₅-PFK混合物のGWPは無視できるほど小さいですが、これはより高い最低動作温度を必要とする代償があります。低温用途（例えば-25°C）には、純粋なCO₂またはCO₂ + C₄-PFN混合物を使用することが可能ですが、それぞれトレードオフがあります：純粋なCO₂の場合には絶縁耐電圧が大幅に低下し、C₄-PFN混合物を使用する場合にはGWPが大幅に高くなります。

4. 代替ガスの切り替え性能
表3は、純粋なCO₂およびCO₂ベースの混合物の切り替え性能に関する初期情報をまとめています。比較のためにSF₆の性能も提供されています。SF₆に対する動作圧力を増加させることで、例えば静電容量スイッチング性能の指標として使用される冷間絶縁強度をSF₆のレベルまで引き上げることができます。

表3：高電圧用途における昇圧動作条件下でのガス及びガス混合物の切り替え性能とSF₆との比較

ガス	動作圧力 [MPa]	絶縁強度 / pu	SLF パフォーマンス vs SF₆ / pu
SF₆	0.6	1	1	1
CO₂	0.8…1	0.5…0.7	0.5…0.83	≥0.5
CO₂+C5-PFK/O₂	0.7…0.8	SF₆に近い	0.8…0.87	SF₆に近い
CO₂/C4-PFN	0.67…0.82	SF₆に近い	0.83…(1)	SF₆に近い

文献レビューでは、C₄-PFNとC₅-PFK混合物の切り替え性能に関する定性的な記述しか見つかりませんでした。CO₂については、いくつかの定量的比較が可能です。一般的に、純粋なCO₂で充填圧力を約1 MPaに増加させると、絶縁性と短絡線障害（SLF）の遮断性能はSF₆のおよそ2/3程度となることが期待できます。

CO₂にO₂を添加すると（混合比は最大30%まで）、SLFの遮断性能と微小な絶縁強度の向上が期待されます。CO₂にC₄-PFNまたはC₅-PFKを添加することで、SF₆に近い絶縁性能を達成することができます。研究によると、CO₂/O₂/C₅-PFK混合物のSLF切替性能はSF₆よりも約20%低いと報告されています。一方、CO₂/C₄-PFN混合物専用に設計された遮断器は、SF₆と同等のSLF性能を達成できると主張されています。

しかし、純粋なCO₂とCO₂/C₄-PFNおよびCO₂/C₅-PFK混合物を同じ形状と圧力条件で直接比較した研究では、添加剤の有無に関わらず、CO₂の近傍領域（熱）遮断性能が類似していることが示されています。微細な設計変更や適度な降格により、新しい混合物はIEC試験仕様L90（SLF）およびT100（100%端子障害）を成功裏に通過しており、その切替性能がSF₆に大きく劣ることはありません。これは遮断器の遮断機能についても示されています。

今後、専門的な設計最適化を通じてさらに切替性能の向上が期待されます。重要な問題は、アーク後のガスの毒性です。C₅-PFKとC₄-PFNは複雑な分子であり、C₄-PFNの場合、約650℃以上で分解を始めます。分解時にこれらの分子は元の構造に戻らず、小さなフラグメントとなります。CO₂/O₂/C₅-PFK混合物の高電流遮断時の分解率は0.5 mol/MJと報告されています。部分放電の場合、この値より一桁以上低い分解率が観察されています。

これらの新しいガスの分解挙動は、主にアブレーションされた接触部材やノズル材料との化学反応によるSF₆の分解とは直接比較できません。新しいガスの場合、装置の寿命における分解は重大な問題とは考えられていませんが、装置内のガス濃度は監視または定期的にチェックする必要があります。高圧アプリケーション（つまりCO₂混合物）での最も有毒な分解生成物はCOとHFです。これらの混合物のアーク副生成物の毒性は、アーク分解されたSF₆と同等またはそれ以下と考えられています。そのため、アーク暴露後のSF₆と同様の取り扱い手順が推奨されます。

ただし、上記の記述は新しいガスの毒性に関する知識が限られていることに基づいています。SF₆の代替物としての潜在的なアーク後の毒性に関するさらなる経験が必要です。他の報告された懸念事項には、材料適合性（例えばシールやグリースへの影響）、ガス密封性、およびガス取り扱い手順があります。従って、適切な設計または材料の変更なしに既存の高圧設備がこれらの新しいガスで安全に動作することは期待できません。

すべての混合物に対して内部アーク試験が行われましたが、深刻な問題は報告されていません。混合物の熱伝導率はSF₆に比べてわずかに劣るため、電流負荷能力のための適度な降格または設計調整が必要となる場合があります。CO₂生タンク遮断器は数年前から導入が始まり、現在市販されています。

スイスとドイツでは2015年以降、C₅-PFK混合物を使用した高・中圧パイロット設置が成功しています。CO₂/C₄-PFN混合物を使用したパイロットプロジェクトは、いくつかのヨーロッパ諸国で計画中または進行中であり、スイスの145 kV室内GIS、ドイツの245 kV屋外電流変換器、イギリスとスコットランドの屋外420 kV GILシステムなどが含まれています。

5. 結論と展望
スイッチングアプリケーション向けのSF₆代替ガスに関する公表情報がレビューされました。現時点では、この研究はまだ初期段階であり、SF₆に関する長年にわたる研究とは比較にならないほど少ないです。利用可能な製造業者のデータによると、C₅-PFKやC₄-PFNのような新しいガスは、CO₂をバッファガスとしてブレンドすることで、SF₆の性能を部分的に匹敵させることが可能ですが、SF₆のすべての能力を完全に再現することは難しいかもしれません。

主な違いは、絶縁性と遮断性能、沸点（スイッチギアの最低動作温度を決定する）にあります。純粋なCO₂では、低温度（例えば–50 °C）での動作が可能です。しかし、CO₂は一般に遮断性能が低いとされ、特に回復電圧ピーク耐え得力と遮断能力において、C₄-PFNまたはC₅-PFK含有ガス混合物と比較して劣ることが指摘されています。

CO₂/C₅-PFK混合物の利点は、CO₂/C₄-PFN混合物（GWP：427/600）と比較して非常に低い地球温暖化係数（約1）を持つことです。一方、CO₂/C₄-PFN混合物は、CO₂/C₅-PFK混合物（約–5 °C）と比較して低い最低動作温度（約–25 °C）を提供します。

6. 40.5kV 72.5kV 145kV 170kV 245kV 生タンク真空遮断器

説明：

40.5kV、72.5kV、145kV、170kV、および245kVの生タンク真空遮断器は、高圧電力システムにとって重要な保護装置です。真空をアーク消去および絶縁媒体として使用し、優れたアーク消火能力を持ち、故障電流を迅速に遮断し、アークの再燃を効果的に防ぎ、安定した電力システムの運転を確保します。生タンク設計によりコンパクトなフットプリントと堅牢な機械的安定性を提供し、設置とメンテナンスを容易にします。高信頼性のばね駆動機構を備えており、機械的寿命は10,000回以上の動作を達成し、高速かつ正確な応答を提供します。優れた環境適応性により、厳しい屋外条件下でも安定して動作します。変電所、送電線、その他の場面で広く使用され、さまざまな電圧レベルでの効率的かつ安全な電力スイッチング制御と信頼性のある保護を提供します。