真空遮断器におけるベローズの役割
真空断路器和波纹管の紹介
技術の進歩と地球温暖化への懸念が高まる中、真空遮断器は電気工学分野において重要な考慮事項となっています。
将来の電力網では、遮断器のスイッチング性能に対する要求がますます厳しくなり、特に高速スイッチングと長寿命動作に重点が置かれています。中圧遮断器において、真空遮断器（VIs）は広く好まれています。これは、特定の用途範囲内で真空を遮断媒体として使用することで、類を見ない利点があるためです。真空遮断器は真空回路ブレーカーの中心的な部品であり、波紋管は真空遮断器内での重要な役割を果たしています。
金属製の波紋管は、超高真空シールを維持しながら同時に遮断室内の可動電極の移動を可能にするように設計されています。しかし、真空遮断器の機械的寿命は、いわゆる真空用波紋管によって主に制約されます。将来の遮断器において、より高速なスイッチング速度の追求は、必然的により高い動的衝撃型負荷を引き起こします。これらの負荷は、波紋管の振動を大きくし、その結果、波紋管の寿命を大幅に短縮します。さらに、将来の電力網におけるスイッチング操作の頻度の増加が予想されることから、真空用波紋管のシミュレーションは、その設計を最適化し、結果として真空遮断器の機械的寿命を向上させるために不可欠となります。
真空遮断器における波紋管の役割
波紋管は通常、薄いステンレス鋼板で製造され、接触部の開閉を可能にしながら遮断器内部の真空環境を維持するように設計されています。
波紋管の疲労耐久性は、真空遮断器の機械的寿命を決定する主要な要因です。各接触部の開閉操作により、特に端部近くの折り目部分にストレスがかかります。操作中の直接的な機械的ストレスに加えて、接触運動が停止した後も波紋管は振動を経験します。これらの振動は、時間とともに波紋管の摩耗を加速させます。
図1はSigma-Netics社が製造する特定のタイプの真空遮断器用波紋管を示しています。
図1：Sigma-Netics社製の真空遮断器用波紋管
真空遮断器の機械的寿命は、以下の重要な接触運動パラメータによって大きく影響されます：
定常状態の接触ストロークまたはギャップ：これは、動作中に接触部が分離する距離を決定し、電気絶縁と消弧能力に影響を与えます。
開閉速度：高速化はスイッチング性能を向上させますが、波紋管を含む部品に大きな動的負荷を課します。
開閉行程終了時の動きの減衰：適切な減衰は、振動を最小限に抑え、波紋管や他の部品の機械的ストレスを軽減するために必要です。
開き時のオーバーシュートとリバウンド：これらは接触部と波紋管に追加の摩耗を引き起こし、全体的な寿命を短縮する可能性があります。
取り付けの弾性：真空遮断器の取り付け方法は、動作中の力の分布に影響を与え、波紋管の機械的寿命に影響します。
閉じ時の接触跳ね：過度の接触跳ねはアーク発生と波紋管へのストレス増大を引き起こし、時間をかけてその性能を低下させます。
波紋管は真空遮断器内で二つの役割を果たします。それは移動接触部の動きを可能にしながら真空密閉を維持することです。厚さ約150 µmのステンレス鋼で構成されており、遮断器内の厳しい動作条件に耐えるように設計されています。以下のような3種類の波紋管が真空遮断器の設計に成功裏に組み込まれています：
シームレス水圧成形波紋管：これらの波紋管は可視的な接合部がなく、潜在的に整合性と性能が向上します。
溶接シーム付き水圧成形波紋管：水圧成形後に接合部を溶接して製造され、コストと性能の要件をバランスさせます。
エッジ溶接された薄いステンレス鋼ワッシャーから作られた波紋管：薄いワッシャーを溶接して構築され、特定の用途にはコスト効率の高いソリューションを提供します。
波紋管の設計と性能に関する詳細情報はEJMA規格で見つけることができます。
波紋管の一端はブラジングによって真空遮断器の端板に固定され、もう一端は可動端子にブラジングされ、接触部の開閉に合わせて一緒に動きます。真空遮断器では、波紋管は接触操作中に脈衝運動を受けることになります。可動接触部の開き速度は0 m/sからわずか100 µs以内に最大2 m/sまで急速に上昇することがあります。接触行程の終わり、開いたり閉じたりする際に、波紋管の可動端は急停止します。
これらの開閉操作の頻度は、使用サイクルによって異なります。場合によっては数多く発生することもあり、まれにしか発生しないこともあります。波紋管に与えられる動きは均一ではなく、単一の開閉操作中に波紋管が複数回振動することは一般的です。この波紋管の動きを分析したい人向けに、脈衝運動下での波紋管の動的ストレスを決定するための一般的な解析アプローチが開発されています。
多くの真空遮断器製造業者は、確立された波紋管製造業者から波紋管を調達し、望ましい波紋管の寿命を達成するために協力しています。これは通常、実用的な真空遮断器に波紋管を組み込み、統計的に有意な数の真空遮断器サンプルに対して機械的寿命テストを行うことで達成されます。その後、ワイブル解析を使用して、その波紋管を使用する真空遮断器に指定された機械的寿命を割り当てることができます。通常、真空遮断器の機械的寿命の限界は、波紋管が疲労破壊する前に耐えられる操作回数によって決まります。
真空遮断器を機械的にテストする際には、波紋管をスイッチング装置で遭遇するのと同じ動作パラメータにさらすことが重要です。これらのパラメータには、全行程（動作ギャップとオーバートラベル）、最大開き速度、最大閉じ速度、加速と減速の影響が含まれます。真空遮断器内で波紋管をテストすることで、完成品が経験するすべての製造工程を経ることになります。たとえば、真空遮断器の製造に必要なすべての加熱冷却サイクルに曝されるべきです。これらの過程は、波紋管の金属を退火させ、その粒状微細構造を変化させ、結果としてその性能特性を変化させます。
特定の波紋管の機械的寿命は、上記の動作パラメータだけでなく、その物理的属性にも依存します。これらには、使用されるステンレス鋼の種類、長さ、直径、厚さ、折り目の数、そして接触が止まった後の動きの減衰能力が含まれます。真空遮断器や真空再閉器に必要な通常の30,000回の操作を信頼性高く実行できる波紋管を設計することは可能であり、真空コンタクターの場合には10^6回以上の操作を越えることも可能です。しかし、真空遮断器製造業者がさまざまなスイッチング装置の指定された機械的寿命を満たすように製品を設計しようとしても、ほとんどの真空遮断器は現場でその指定された機械的寿命に達しません。真空遮断器（VIs）の故障理由については、関連記事をご参照ください。
真空遮断器の設計者は、ユーザーが真空遮断器を機構に取り付ける際に波紋管をねじらないようにするための予防措置を講じる必要があります。ねじれた波紋管は、設計寿命の1%未満まで機械的寿命が大幅に短縮される可能性があります。真空遮断器の薄壁波紋管に永久的なねじれを与える前に適用できるトルクは比較的低く、約8.5〜11.5 Nmです。波紋管のねじれを避けるために、設計者は反ねじりブッシングを挿入する必要があります。このブッシングは、遮断器の端板に取り付けて固定することができます。ブッシングの内面は形状が形成されているか、キー溝があり、波紋管に取り付けられた可動銅端子の回転を防止します（図2参照）。ブッシングの材料は金属またはナイロンなどのプラスチックでもよいです。ナイロンやバリオックスなどのプラスチック材料を使用する場合は注意が必要です。これらの材料は、許容される最大温度が制限されている用途でのみ使用できます。例えば、ナイロンの場合、100,000時間後に引張強度が50%に減少する温度は約125℃（ガラス繊維含有により短期間であればより高い温度でも変形しません）、バリオックスDR48の場合、約140℃です。また、「Ultem 2310 R」など、より高価で高温に対応可能なプラスチックもあります。
図2：波紋管保護用の反ねじりブッシングの例
これらの反ねじりブッシングに使用される材料の許容最大温度は約180℃です。この限度を超えた温度に短期間（約1時間）さらされても、大きな変形なしに耐えることができます。
より高電圧の回路遮断器で動作する真空遮断器では、長い接触ストロークが必要です。たとえば、72.5 kVでは約40 mmのストロークが必要です。この延長されたストロークを収容するため、波紋管は比例して長くしなければなりません。しかし、非常に長い波紋管は均一に開閉しません。代わりに、動きの中でうねるように動きます。その結果、波紋管の内側の折り目が銅（Cu）端子と擦れ合い、これにより波紋管の寿命が大幅に短縮される可能性があります。
この問題に対処するために、内部パッドを備えた特殊な波紋管が開発されました。これらのパッドはCu端子に沿って滑走し、摩耗を最小限に抑えます。このような波紋管の設計の一例を図3に示します。
