10kV真空断路器の応用
真空の絶縁特性
真空は非常に強力な絶縁特性を示します。真空遮断器において、ガスは極めて希薄であり、ガス分子の平均自由行程が長いため、相互衝突の確率は非常に低くなります。そのため、真空ギャップでの破壊は、衝突によるイオン化が主な原因ではありません。代わりに、高強度電界下で電極から放出される金属粒子が絶縁失効の主な要因となります。
真空ギャップの絶縁強度は、ギャップの大きさと電界の均一性だけでなく、電極材料の特性や表面状態にも大きく影響されます。真空ギャップが比較的小さい（2 - 3ミリメートルの範囲）場合、高圧空気やSF6ガスよりも高い絶縁特性を持ちます。これが真空遮断器の接触ギャップが一般的に大きくない理由です。
電極材料が絶縁強度に与える影響は、主に材料の機械的強度（引張強度）と金属材料の融点に反映されます。引張強度と融点が高いほど、真空における電極の絶縁強度も高くなります。
実験により、真空度が高いほどガスギャップの破壊電圧が高いことが示されています。しかし、10⁻⁴ Torr以上では基本的に一定になります。したがって、真空消弧室の絶縁強度を維持するためには、真空度が10⁻⁴ Torr以下にならないようにすることが重要です。
真空におけるアークの形成と消滅
真空アークは、以前に研究したガスアーク放電現象とは大きく異なります。ガスイオン化はアーク生成の主要な要因ではありません。代わりに、真空アーク放電は接触電極から放出された金属蒸気内で形成されます。さらに、アークの特性は切断電流の大きさによって異なるため、通常、低電流真空アークと高電流真空アークに分類されます。
低電流真空アーク: 真空中で接触が切れるとき、高濃度のカソードスポットが生成され、これらのスポットから大量の金属蒸気が発生します。金属原子と帯電粒子の密度が非常に高く、アークはこの環境で燃えます。同時に、アーク柱内の金属蒸気と帯電粒子は継続的に外側に拡散し、電極は新しい粒子を蒸発させて補充します。電流がゼロ通過すると、アークのエネルギーが減少し、電極温度が下がり、蒸発効果が弱まり、アーク柱内の粒子密度が減少し、最終的にカソードスポットが消失してアークが消滅します。時折、蒸発効果がアーク柱の拡散速度を維持できない場合、アークは突然消滅し、電流切断が発生します。
高電流真空アーク: 大電流を切断するとき、真空アークのエネルギーが増加し、アノードも重度に熱せられて、強い収束アーク柱が形成されます。同時に、電磁力の効果が顕著になります。したがって、高電流真空アークの場合、接触間の磁場分布がアークの安定性と消弧性能に決定的な影響を与えます。電流が制限切断電流を超えると、切断失敗が発生します。このとき、接触が重度に熱せられ、電流がゼロ通過後も蒸発が続き、絶縁回復が難しく、電流を切断することが困難になります。
遮断器の構造と動作原理
ZW27-12を例にとって、その構造と動作原理について詳しく説明します。
遮断器の本体は導電回路、絶縁システム、シール、およびハウジングで構成されています。三相共箱構造になっています。導電回路は、入出力導電棒、入出力絶縁支持部、導電クリップ、フレキシブル接続、および真空消弧室で構成されています。この機構は電気エネルギー貯蔵と電動開閉機能を持ち、手動操作機能もあります。全体の構造は、閉鎖ばね、エネルギー貯蔵システム、過電流トリップ装置、開閉コイル、手動開閉システム、補助スイッチ、エネルギー貯蔵表示器などの部品で構成されています。
真空遮断器は、高真空環境で電流がゼロ通過するとプラズマが急速に拡散することでアークが消滅し、電流を切断するという現象を利用しています。
遮断器の調整
開距離とオーバートラベル
遮断器の開距離とオーバートラベルの測定：遮断器が開状態と閉状態にあるときの測定値の差が開距離であり、測定値の差がオーバートラベルです。調整は、絶縁操作棒または機構と主軸間の連結棒を延長または短縮することで行います。
開閉機構の調整
遮断器の制御回路
多くの農村電力網の標準化された35kV変電所では、制御母線と閉鎖母線を分離する原則が採用されています。山岳地帯では雷、雨、強風が頻繁に発生し、多重トリップとスイッチの閉鎖操作回数が増加するため、スイッチの閉鎖コイルが焼損しやすいです。ここでは、制御回路に小さな改善を提案します。
遮断器のエネルギー貯蔵トラベルスイッチの常時開放接点を遮断器の補助常時閉接点と閉鎖コイルの間に直列に挿入します。これにより、遮断器がエネルギー貯蔵されていないときは閉鎖操作ができなくなります。これにより、遮断器がエネルギー貯蔵されていないときに閉鎖操作が行われるのを防ぎ、閉鎖回路がオンのままになり閉鎖コイルが焼損するのを避けられます。
配線時に、エネルギー貯蔵トラベルスイッチの接点における閉鎖母線と制御母線の極性が一致していることを確認する必要があります。これは、スイッチがエネルギー貯蔵されているときに閉鎖回路のアークがトラベルスイッチを貫通し、制御ヒューズがブローしたり制御エアスイッチがトリップしたりするのを防ぐためです。この点は統合自動化変電所で特に注意が必要です。
運転、保守、検査試験
真空遮断器はアーク時間短く、絶縁強度が高く、電気寿命が比較的長いです。接触開距離とオーバートラベルが小さく、動作エネルギーが少ないため、機械寿命も長いです。日常的な運転では、保守作業は比較的少なく、主に機構の可動部の摩耗を確認し、固定部が緩んでいないか、絶縁面の塵埃を掃除し、可動部に潤滑脂を塗布する必要があります。
予防試験では、スイッチの直流抵抗試験結果を過去のデータと比較します。問題が見つかった場合は、適切に交換または修正する必要があります。遮断器の電力周波数耐電圧試験は、真空遮断器のリークをチェックする有効な方法です。（室内真空遮断器の場合、負荷を切断したときに真空遮断器内のフラッシュの色を用いて真空度を初步的に評価できます。暗赤色は真空度が低下していることを示し、淡い青色は良好な真空度を示します。）
保護設定の確認では、低電圧閉鎖試験を行い、母線が故障状態で電圧が低下したときにスイッチが信頼性を持って動作するかを確認します。
