真空遮断器における機械的圧力監視法による真空状態測定

真空遮断器内の真空状態監視

真空遮断器（VIs）は、中電圧パワーシステムの主要な回路遮断媒体として機能し、低電圧、中電圧、高電圧システムでますます使用されています。VIsの性能は、内部圧力を10 hPa（1 hPaは100 Paまたは0.75 torrに等しい）以下に保つことに依存しています。出荷前にVIsは内部圧力が10^-3 hPa以下であることを確認するテストを受けています。
VIの性能はその真空レベルと関連していますが、単純に内部圧力に比例するわけではありません。むしろ、VI内の圧力は以下の3つのグループに分類できます：

•    低圧：10^-6 hPa以下
•    中間圧：約10^-3 hPaからパッシェン最小圧力まで
•    高圧：通常、空気への露出を示す故障を意味します

低圧範囲では、VIsは効果的に機能します。しかし、中間圧範囲では、絶縁強度と遮断能力が低下し、この劣化は「空気へ」の範囲まで続きます。興味深いことに、中間圧での絶縁性能が最も低いにもかかわらず、「空気へ」の範囲では若干改善しますが、低圧範囲で観察されるレベルにはなりません。
ここで重要なのは、議論された監視技術のいずれも、低圧から空気までのVI内の全圧力範囲をカバーしていないことです。各技術は特定の範囲に適用され、テキストで詳細に説明され、表1で要約されています。また、特定の方法の有効性はVIの設計によって異なり、一部の出力は大気やGISスイッチギアで使用されるSF6ガスなどの潜在的な漏れガスの組成と圧力によって影響を受けます。

VIsの中電圧スイッチギアにおける広範な導入は、特に長年にわたる運用後のフィールドでの真空の完全性の確認という課題を浮き彫りにしています。20年以上使用したVIの検査では混合的な結果が出ています。VIはより大きなシステムの一部であり、メカニズムの機能、制御回路、回路設計、その他の要素もVIの効果的な動作に同様に重要です。

表1は、これらの監視技術の一般的な応用をSF6環境で要約し、GISスイッチギアでの使用に関する実用的な考慮事項を提供します。この表はまた、さまざまなテスト方法の結果を概観し、多様な運用コンテキストにおけるVIの長期的な信頼性を確保するための複雑さを強調しています。これらの微妙な点を理解することは、真空遮断器技術に依存する電気システムの性能と寿命を最適化するために不可欠です。

機械的圧力監視を使用した真空遮断器の状態測定

真空遮断器（VIs）の可動端子には大気圧が大きな閉鎖力を及ぼします。サーキットブレーカーで使用されるVIsの場合、この力は通常数百ニュートンに達します。VI内の真空が完全に失われると、内部圧力は外部の大気圧と均等になり、閉鎖力が大幅に減少し、VIの機械的挙動が変化します。この変化を検出する診断法は、VIが完全に真空を失い「空気へ」になったときにのみ識別できます。注目すべきは、パッシェン最小圧力近辺の高い圧力でも、VI内には十分な圧力があり、完全な閉鎖力を維持することができます。

機械的圧力監視の主な方法

機械的圧力監視の主要なアプローチは、ベルオーや類似の機構を使用してVIに追加の可動部品を取り付けることです（図1参照）。真空が完全に失われると、この追加部分は内部圧力と外部圧力の均等化により動き始めます。サーキットブレーカーのメカニズムによって制約される可動接触とは異なり、この追加部分は自由に動くことができます。検出システムはこの追加部分の位置変化を監視し、それに応じて反応します。使用する検出システムによって、この設定はVIの継続的な監視を可能にします。追加部分の動きは、全体のVI設計ではなくその自身の設計によって決定されるため、この方法は低電圧、中電圧、高電圧のVIsに適用可能です。
実用的な考慮事項

理論的には可能ですが、VIの可動端子の閉鎖力を使用して真空の損失を検出することは困難があります。通常、大気圧はVIの可動端子に数百ニュートンの力を及ぼしますが、サーキットブレーカー自体は数千ニュートンの閉鎖力を及ぼします。そのため、VIの閉鎖力の減少をサーキットブレーカーの機械的挙動を通じて識別することは、VIの閉鎖力がサーキットブレーカーの閉鎖力と比較して相対的に小さいため難しくなります。一方、真空コンタクターでは、コンタクター機構からの適用力が低いため、機械的挙動を通じた完全な真空損失の診断がより実現可能です。

追加の可動部品と検出システムを使用することで、機械的圧力監視はVIの真空状態を継続的に評価するための実用的な解決策を提供します。この技術は完全な真空損失を検出するための信頼性のある手段を提供しますが、VI内の部分的な圧力上昇を識別することはできません。それでも、これは様々な電圧レベルと用途でVIの整合性と機能を確保するための貴重なツールです。

この方法は、重要な真空損失が迅速に検出されることを確実にし、タイムリーなメンテナンスまたは交換アクションを可能にし、VIに依存する電気システムの信頼性と安全性を向上させます。

機械的圧力監視法を使用した真空遮断器監視の背景

機械的圧力監視技術は、大気圧による可動端子の閉鎖力の喪失による機械的挙動の変化を検出して、真空遮断器（VI）の真空整合性を評価します。この方法は、VIが真空を失って「空気へ」になったかどうかを二値的な合格/不合格の測定で示します。パッシェン最小圧力周辺やVIの性能が劣化し始める他の重要なポイントでは、この方法を使用して検出可能な機械的変化はほとんどありません。

機械的圧力監視法の利点と欠点

利点：
•    互換性：この方法は、スペース制約や検出装置への光の導入などの実用的な問題が管理できる場合、SF6、油、固体絶縁など、さまざまな絶縁タイプと一般に互換性があります。
•    光学的手法の利点：光学的手法を使用することで、非光学的な部品をスイッチギアの低電圧コンパートメントに移動させることができ、これにより安全性とメンテナンスの容易さが向上します。
欠点：
•    設置要件：圧力監視に必要な可動部品は、VIの初期製造時に取り付けられる必要があります。既存のVIには後付けできません。この機能を備えたVIを既存のサーキットブレーカーに統合し、必要な監視装置を追加することは理論的には可能かもしれませんが、追加部品の延長を既存のインストールに適合させる実際の課題により、これが実用的ではないことが多いです。
•    信頼性の懸念：測定装置の信頼性がVI自体よりもリスクが高い可能性があります。VIに追加されたブラジング部品は、新たな漏れ経路を導入し、取り付け中に損傷しやすく、真空損失につながる可能性があります。

部品の脆弱性：

• 光学的手法：検出システムで使用されるファイバーオプティクスは、取り付け時のずれ、損傷、凝結水や塵による詰まりに対して脆弱です。

• 電気接触法：電気接触による動き検出は、VI近くに電源供給されたマイクロ回路が必要であり、電気的に絶縁する必要があります。これにより、マイクロ回路の信頼性、信号伝送の成功、回路の電源供給、電気絶縁の維持など、いくつかの潜在的な故障モードが生じます。

要約すると、機械的圧力監視法はVIが完全に真空を失ったかどうかを確認する簡便な方法を提供しますが、顕著な制限もあります。これらには、既存のVIへの後付けの不可能性、追加部品の信頼性に関する懸念、および設置と操作に関連する実際の課題が含まれます。これらの要素を慎重に考慮することが、特定の用途でのこの方法の適切性を決定する上で重要です。堅牢な設計と実装により、これらのリスクを軽減し、真空遮断器監視システムの全体的な信頼性と効果性を向上させることができます。