中圧スイッチギアの安全性と信頼性保証の分析
電力システムの運用に携わる専門家として、中圧（MV）スイッチギアが電力分配、計測、保護において重要な役割を果たしていることを認識しています。その動作の安全性と信頼性を確保することは極めて重要であり、故障が発生すると全体の電力システムに深刻な影響を与える可能性があります。信頼性を高めるためには、設計レベルでの最適化を優先し、MVスイッチギアがその機能を果たし、電力網の安定性を維持できるようにすることが必要です。
1. 中圧スイッチギアの定義
私の実践では、MVスイッチギアはGB 3906—2020 交流金属製キャビネット型スイッチギアおよび制御装置 額定電圧3.6 kVから40.5 kVで定義されている金属製キャビネット型スイッチギアを指します：金属製ケースで完全に囲まれており、入出力導体を除くすべての部分が金属製ケースで覆われています。
電力システムにおいて、MVスイッチギアは発電、送電、配電の各段階で切り替え、計測、電力分配、保護などの主要な機能を果たします。運用中に、電力網の要求に基づいて構成を調整し、機器やフィーダーの接続または切断を行い、安定性を維持します。電力網の機器や線路に障害が発生した場合、MVスイッチギアを使用して迅速に故障部位を隔離し、未影響地域への電力供給を継続します。
2. MVスイッチギアの信頼性確保の重要性
MVスイッチギアは電力システムで広く使用されています。中国の電力網の拡大と複雑化により、社会的な需要に対応するための負荷が重くなっています。私の経験から、MVスイッチギアの信頼性を確保することで、効果的に電力分配、計測、保護を管理し、全体的な電力網の安定性を維持することができます。
MVスイッチギアにおける安全上の事故や運用上の障害は、配電システムの不安定化につながり、電力供給に影響を与えます。重度の場合、大規模な停電を引き起こし、社会的生産に大きな経済的損失をもたらす可能性があります。したがって、MVスイッチギアの信頼性を多面的な対策によって強化し、安定した機能と電力網のサポートを確保することを強調します。
3. MVスイッチギアの信頼性向上の戦略
3.1 ケース構造の合理的な設計
科学的なケース設計は、MVスイッチギアの信頼性を確保する上で基本的であり、技術的な実践において優先的に取り組んでいます。例えば：
これらの設計最適化は業界のベストプラクティスに準拠しており、MVスイッチギアが実際の運用において安全および性能要件を満たすことを保証します。
3.2 絶縁構造の合理的な設計
中低圧スイッチギアの安全性と信頼性を高めるためには、絶縁設計の強化が不可欠です。実際の設計においては、絶縁要件を満たすだけでなく、設計コストや環境保護などの要素も考慮する必要があります。
3.2.1 絶縁ガスの合理的な選択
中圧スイッチギアにおいて、SF₆ガスは主な絶縁媒体として使用されてきました。しかし、SF₆ガスは有毒であり、非常に高いGWP（地球温暖化係数）を持っています。CO₂は温室効果ガスですが、SF₆ガスのGWPはCO₂の23,900倍であり、自然環境に対する重大な危害を示しています。非重要な遮断性能要件を持つ中低圧スイッチギアの場合、設計上、SF₆ガスをN₂または乾燥空気で置き換えることができます。N₂と乾燥空気の絶縁性能はSF₆ガスの約30%に達します。N₂、乾燥空気、およびSF₆ガスの性能比較は表1に示されています。
表1によれば、N₂と乾燥空気は温室効果ガスではなく、生態環境に脅威を与えることはありません。また、沸点が低いことから、通常の使用状況下で液化する心配がなく、極寒地でも問題ありません。特にN₂は空気の主成分であり、化学的に安定していますが、過剰な濃度になると酸素不足による窒息の危険があります。N₂を絶縁ガスとして使用する場合、換気設備や保護装置を設置する必要があります。一方、乾燥空気を絶縁ガスとして使用することで、このような問題を回避できます。総合的な比較を通じて、乾燥空気をSF₆ガスの代替としてスイッチギアの絶縁設計に採用することができます。
乾燥空気を絶縁ガスとして使用する場合、最小空気間隙の設計を考慮する必要があります。関連規格によると、額定電圧12 kVの場合、相間および相対地間の最小空気間隙は125 mmであるべきです。凝結試験に合格した場合は、最小空気間隙を125 mmより小さくすることができます。乾燥空気を絶縁ガスとして使用することで、最小空気間隙を適切に縮小することができます。
3.2.2 気体間隙の破壊電圧の強化
設計プロセスにおいて、中低圧スイッチギアの安全性と信頼性を確保するためには、気体間隙の破壊電圧も強化する必要があります。具体的な方法は以下の通りです：
中低圧スイッチギアの電界分布の改善。これは実際の状況に応じて電極形状を最適化したり、空間電荷を十分に活用して電界の一様性を高めたりすることで達成できます。電界の一様性が極端に悪い場合、バリアを追加することも選択肢の一つです。
乾燥空気のイオン化過程の抑制。中圧スイッチギアで高圧を適用することで、乾燥空気のイオン化過程を弱めることができます。あるいは、中圧スイッチギアで高真空を使用することで同じ効果を得ることもできます。
高圧または高真空を使用する場合、ガスタンクの強度が非常に高くなければならず、実際の応用では漏れの問題が発生しやすく、深刻な結果を招く可能性があります。したがって、実際の設計では、電極形状の改善と極端に不均一な電界におけるバリアの追加が、気体間隙の破壊電圧を上げるためのより現実的な方法となります。
3.3 部品の合理的な選択
中圧スイッチギアのコア部品、つまり真空遮断器、真空遮断器、および接触部は、設備の動作安全性と信頼性に直接影響を与えるため、厳格な品質管理が必要です。
ABBスイッチギアを例にとります。その真空遮断器は、出荷前の厳格な検査を受けます：自動高電圧試験で絶縁強度を確認し、スパイラルマグネトロンデバイスで不活性ガスで満たされたチャンバー内の内部圧力を測定します。指定された隔離期間後、再度圧力試験を行い、結果を比較してシール性能が基準を満たしていることを確認します。
製造において、ABBの真空遮断器は厳格な環境と工程管理を必要とします。ドイツのCalorEmag工場で生産され、地域の中圧スイッチギア企業によって専門的に組み立てられ、集中供給されます。部品材料としては、耐久性を確保するためにCu-CrやW-C-Agといった高性能合金が優先的に使用されます。組み立ては専用のクリーンルームで行われ、「一度密封・排気」プロセスを使用します：800℃の高温下で高真空を達成し、同時に溶接と密封を行ってプロセスの信頼性を確保します。
真空遮断器のR&Dの進化は、性能の継続的な最適化を反映しています：初期の組み立てでは空気に曝露され、絶縁パーティションのみで隔離していました。その後、絶縁スリーブを遮断器と接触部に追加することで電界をバランスさせ、さらに遮断器と接触部を一体成型することで相間絶縁と衝撃抵抗性を高め、環境に配慮した材料を採用することで性能と環境の両方を考慮しています。
3.4 設計検証試験の合理的な計画
中圧スイッチギアの設計が完了した後、実験的な検証が重要な段階となります。実際の検証は、関連規格に厳格に従うことが必要です。例えば、GB 3906—2020 交流金属製キャビネット型スイッチギアおよび制御装置 額定電圧3.6 kVから40.5 kV、GB/T 11022—2020 高電圧交流スイッチギアおよび制御装置標準の共通技術要件、GB/T 1984—2014 高電圧交流遮断器などです。
型式試験の要点
中圧スイッチギアの電気部品および補助要素について包括的な性能検証を行い、技術的パラメータが要件を満たしていることを確認する必要があります。設計プロセスや生産条件が変更された場合、型式試験を再実施し、設備の安全性と信頼性を確保しなければなりません。通常生産される設備に対しては、一般的に8年ごとに温度上昇試験が必要であり、機械操作試験を実施して動作性能を検査します。また、短時間耐電流試験やピーク耐電流試験などの安全検証項目も必要です。
ABBの中圧スイッチギアを例にとると、これまで最も厳しい基準に基づいて複数の国で実験的な検証を通過しており、卓越した安全性と信頼性を示しています。内部アーク試験を例にとると、以下を検証します：
4 結論
電力システムの核心的な構成要素である中圧スイッチギアの動作信頼性は、電力網の安全性に直接影響します。したがって、設備の安全性と信頼性の設計を強化し、基準に従って技術パラメータを厳格に最適化し、体系的な検証試験を通じて堅固な安全防御を構築し、中圧スイッチギアが電力システムで安定的に分配、保護、制御の機能を果たせるようにすることが重要です。
