屋外真空回路遮断器の模擬環境下での挙動
屋外真空遮断器は主に中高電圧（MHV）セグメントで使用されています。これらは特に11kVと33kVの電力網において、配電部門の重要な構成要素となっています。これらの遮断器の製造にはさまざまな複合材料が使用されますが、その中でも真空遮断部が最も重要なコンポーネントです。屋外遮断器の場合、真空遮断部は通常、磁器製のハウジングに収められています。
これらの遮断器は、ガラス繊維強化樹脂製の操作ロッドを介して操作機構に接続され、この操作ロッドはさらに金属鋼製の共通操作ロッドに連結されます。屋外真空遮断器の操作機構は一般的に、板金製の箱内に収められたバネ式デザインを採用しています。複数の材料を使用しているため、これらの材料の互換性、および設計と仕上げが、遮断器が動作する様々な環境条件下で評価されることが重要です。この評価により、トラブルのない性能が確保され、結果としてそれらが一部である電力ネットワークの安定性も確保されます。
遮断器の環境試験、特に低温試験と高温試験については、IEC 62271-100[1]の条項6.101.3で規定されています。寒冷な気候では、最小値と最大値の好ましい温度範囲は-50℃から+40℃であり、非常に暑い気候では-5℃から+50℃です。標高1000メートルまでの低温試験における好ましい最低周囲温度は-10℃、-25℃、-30℃、-40℃です。屋外での応用では、真空遮断器の設計は急激な温度変化を考慮する必要があります。インドでは、カシミール、ヒマチャルプラデーシュ、ウッタラーカンド、シッキムなどの地域の多くの場所でこのような温度変動が見られます。
温度は-25℃まで下がることがあります。このような場所では、寒さに関連する問題が風冷効果や吹雪などの頻繁な現象によって悪化します。夏には、インドの多くの地域で温度が50℃に達することがあります。極端に低いまたは高い温度を経験する国々に遮断器を輸出するメーカーは、これらの極端な気候条件下での製品の性能を決定する必要があります。
本論文では、IEC 62271-100に従って模擬環境条件下で36kVクラスの屋外真空遮断器（VCB）の性能について詳しく検討しています。ここでは、(a)低温試験と(b)高温試験について議論しています。また、36kVクラスの屋外VCBの操作時間、極間の時間差、操作機構の充電時間を検討しています。
低温試験
屋外VCBの低温条件での性能を理解するために、IEC-62271-100で規定された手順を参考にしました。このIEC標準では、共通の操作機構を持つ単一筐体の遮断器に対しては三相試験を行うことが規定されています。独立した極を持つ多筐体の遮断器の場合、1つの完全な極の試験が許可されています。試験施設の制限がある場合、多筐体の遮断器は以下のいずれかの代替方法を使用して試験を行うことができますが、試験セットアップでの遮断器の機械的操作条件が通常の条件よりも有利であってはなりません：
試験中は、遮断器のメンテナンス、部品交換、または再調整は禁止されています。遮断器の設計が熱源を必要とする場合を除いて、遮断器の液体またはガス供給は試験空気温度でなければなりません。
次の遮断器の操作特性を試験しなければなりません：
閉鎖時間
開放時間
極間の時間差
1つの極のユニット間の時間分散（多極試験の場合）
操作装置の再充電時間
制御回路の消費電力
トリップ装置の消費電力とシャントリリースの記録
閉鎖および開放コマンドインパルスの持続時間
適用可能な場合は密閉性試験
適用可能な場合はガス圧力
主回路抵抗
時間-移動チャート
これらの特性は以下の状態で記録されます：
VCBの場合、接触子が真空ボトルに収められており、この真空遮断アセンブリーは屋外用途のために空気絶縁磁器製ハウジングに封入されているため、圧力によるパラメータの変更は適用されません。
低温試験の試験手順は、IEC 62271-100の条項6.101.3.3で定義されています。初期操作特性[1.4]は、遮断器を20±5℃に暴露した後に特徴付けられます。初期検査では遮断器を閉じた位置にしてから、温度カテゴリーに基づく最低周囲空気温度まで温度を下げます。遮断器は24時間閉じた位置に保ち、防結露ヒーターをオンにします。24時間後、遮断器は供給電圧の定格値で開閉します。開閉時間は記録され、低温操作特性を確立します。その後、防結露ヒーターへの供給電力を、メーカーが指定した期間（t₁）、最低2時間間隔で切断します。この間隔中、警報は許容されますが、ロックアウトは許容されません。t₁時間後、遮断器を開き、開閉時間を記録します。可能であれば、機械的な移動特性も測定し、遮断能力の評価を行います。
遮断器は24時間開いた位置に保ち、その後閉じて開きます。その後、最初の3回のCO操作を遅延なしに行い、残りのCO操作はC-tₑ-O-tₑの形式で行います。tₑは操作間の時間間隔です。各サイクルまたはシーケンスごとに3分間の間隔を設けます。50回のCO操作が完了したら、気候試験室の温度を1時間あたり10Kの速度で上昇させます。遷移期間中、C-tₑ-O-tₑおよびO-tₑ-C-tₑ-O操作を行い、操作シーケンス間で遮断器が30分間閉じた位置と開いた位置に保たれます。遮断器が周囲温度に安定したら、20±5℃での操作特性の再測定を行い、初期特性と比較します。
CPRIは、過去10年以上にわたり、最高36kVの中高電圧（MHV）スイッチギアの低温・高温試験を実施しています。図1は、高低温試験用の試験室内に設置された典型的な36kVクラスの屋外真空遮断器（VCB）の試験配置を示しています。
36kVクラスの屋外VCBの低温・高温試験中の実験結果を提示します。試験されたVCBはすべてバネ式操作機構を装備していました。
高温試験は+55℃で行われ、低温試験は-10℃と-25℃で行われました。VCBの性能を分析するために、以下の特性が検討されました：
閉鎖時間と開放時間（操作時間）：閉鎖時間は、遮断器が開いた位置にあるときに閉鎖回路を励起してから、全ての極で接触子が触れ合う瞬間までの時間間隔として定義されます。開放時間は、遮断器が閉じた位置にあるときに開放リリースを励起してから、全ての極でアーク接触子が分離する瞬間までの時間間隔として定義されます。
体積データを得るため、比較のために全ての3つの極の操作時間の平均値が考慮されます。極間の時間分散が比較されたため、個々の極の最大時間と最小時間の間の最大変化が自動的に表されます。
a) 極間の時間分散
b) 再充電装置の特性、例えば再充電時間と消費電流。
c) 初期操作特性に対する操作特性の変化。
高温・低温試験中の遮断器の性能は、上記の特性を基準に比較され、結果は以下で議論されます。
高温での性能評価
高温試験の結果は表1に示されています。初期特性は20℃で測定されました。IEC 62271-100では、操作時間や閉鎖時間の値は規定されていません。測定された初期開放時間は約36ms、閉鎖時間は約44msでした。同様に、操作装置の再充電時間は9.6秒から11.3秒の範囲で、再充電電流は2.8Aから3.1Aの範囲でした。
55℃に24時間暴露した後、遮断器が閉じた位置にあった場合、開放時間と閉鎖時間は約5%均一に増加しました。さらに24時間55℃に暴露した後、遮断器が開いた位置にあった場合、閉鎖時間は約2.5%、開放時間は約4%増加しました。
全ての3つの試験サンプルで、試験全体を通じて極間の時間分散に大きな変化はありませんでした。したがって、VCBの全ての極で同じ挙動が推察されます。再充電時間は11.3秒から9.6秒に減少しましたが、電流は2.9Aから3.4Aに変化しました。
初期値と最終値の間の開放時間と閉鎖時間を常温で比較すると、操作時間の変化は1%未満であり、これは無視できるものです。
初期操作特性は20℃で測定されました。測定された開放時間の初期値は約36ms、閉鎖時間は44msでした。同様に、操作装置の再充電時間は10.6秒、再充電装置の電流は2.8Aでした。
-10℃に24時間暴露した後、遮断器が閉じた位置にあった場合、開放時間は約0.7%減少し、閉鎖時間は約2%増加しましたが、大きな変化はありませんでした。
防結露ヒーターなしの2時間間隔中、開放時間は1.36%減少しました。さらに-10℃に24時間暴露した後、遮断器が開いた位置にあった場合、閉鎖時間は約3%増加し、開放時間は約2%減少しました。
常温での最終試験では、変化は1%未満でした。-10℃での低温試験期間全体を通じて、極間の時間分散に大きな変化はありませんでした。
+55℃、-10℃、-25℃での遮断器の性能は表1に示されています。
-25℃の低温で遮断器が動作した際には、操作時間に大きな変化が観察されました。表3の結果は、-25℃で遮断器が開閉時に鈍重になったことを示しています。-25℃での操作時間の変化率は顕著でした。24時間の暴露後、開放時間は30%増加し、閉鎖時間は約25%増加しました。同様に、防結露ヒーターが2時間停止した後、開放時間は46%増加しました。さらに-25℃で24時間遮断器が開いた位置にあり、防結露ヒーターの供給が復活した後、開放時間は44%増加し、閉鎖時間は21%増加しました。試験中に記録された閉鎖時間と開放時間のタイミンググラフは、これらの変化を明確に示しています。
20℃の常温での試験は図2に示されています。-25℃で50時間暴露後の閉鎖時間のタイミンググラフは図3に示されています。比較すると、-25℃での遮断器の鈍重さが明確に分かります。
-10℃での性能と比較すると、操作時間の変化は約0.5%〜3%でしたが、-25℃での遮断器の特性は大幅に劣化しました。-25℃では、試験の様々な段階での操作時間の変化は約45%に達しました。
本論文では、IEC 62271-100に従って、36kVクラスの屋外真空遮断器（VCB）の低温・高温試験中の性能を比較する実験結果を提示します。
本論文の主要な発見は以下の通りです：
55℃での高温試験では、屋外VCBは良好な性能を示しました。操作時間と極間の時間分散の変化は微小でした。
-10℃での低温試験では、操作時間と極間の時間分散の変化は微小でした。
-25℃での低温試験では、操作時間に大きな変化が観察されました。開閉時間の変化率は20%から46%、閉鎖時間の変化率は25%から43%の範囲でした。
実施された試験は、屋外VCBが-10℃で正常に動作しても、-25℃のようなより寒い条件下で同じように動作する保証はないことを示しています。したがって、必要な低温での性能を確認することが重要です。
