屋外柱上真空遮断器の性能特性と構造設計
2009年から2010年にかけて、国電網はスマートグリッド計画の試行段階にあり、強力なスマートグリッド開発計画の策定、主要技術の研究開発、設備製造、および各分野でのパイロットプロジェクトの実施に焦点を当てていた。2011年から2015年までの期間は全面的な建設段階であり、この時期にはスマートグリッドの運用制御とインタラクティブサービスシステムが初期形成され、主要技術と設備において重要な突破が達成され、それらが広範囲にわたって応用された。
2016年から2020年には、統一かつ強力なスマートグリッドが完全に確立され、技術と設備が国際的に先進的なレベルに達した導入・高度化段階に入った。これにより、グリッドの資源配分最適化能力が大幅に向上する。国のスマートグリッドの発展目標に対応するために、主要電力網に設置される屋外ポールマウント型真空遮断機は、高感度なマイクロコンピュータベースの保護機能を持つ必要があり、これは最小一次動作電流値が低いことを意味する。
そのため、3つのフェーズそれぞれに差動保護用の個別の電流変換器を装備するだけでなく、屋外ポールマウント型真空遮断機にはマイクロコンピュータ保護用の残余電流変換器も装備する必要があり、これによりマイクロコンピュータに対する正確な漏洩保護が提供される。従来の残余電流変換器はサイズが大きく重量があり、精度も低い。
設置空間の制約や二次リード回路が長いなどの要因により、屋外ポールマウント型真空遮断機のマイクロコンピュータ保護の適用要件を満たすことが難しい。現在、国のスマートグリッドの要件を満たすすべての屋外遮断機は外国資本企業によって生産されており、コストが高い。国のスマートグリッドの発展要件に対応するためには、国のスマートグリッドの要件を満たす屋外遮断機を開発する必要がある。
現在、我々が解決すべき主な技術的課題は、これらの遮断機と組み合わせて使用できるマイクロコンピュータ保護用の残余電流変換器を開発し、狭いスペースでの設置、高感度な漏洩マイクロコンピュータ保護、正確な動作を満たし、まずマイクロコンピュータ保護用の残余電流変換器の地元化を達成することである。
マイクロコンピュータ保護用の残余電流変換器の用途と性能要件
残余電流変換器（ゼロ相電流変換器）は、残余電流（ゼロ相電流）を変換する専用の電流変換器である。中性線絶縁システムにおける単相接地保護に使用される。三相導体は同時に変換器コアウィンドウを通る。
システムが正常に動作しているとき、三相電流のベクトル和はゼロであり、残余電流変換器の二次側には出力がない。ある線路で単相接地障害が発生すると、残余電流変換器の一次電流はリレーまたはマイクロコンピュータ保護の最小動作電流に達し、保護装置が動作する。そうでなければ、無反応のままである。
従来の残余電流変換器では、二次側は直接リレーに接続されている。変換器の一次巻線のターン数は通常1であるため、二次巻線のターン数は非常に少ない。従来の残余電流変換器の最小一次動作電流は大部分が2.4Aから10Aの間であり、従来の残余電流変換器の額定一次電流は一般的に15Aから300Aの範囲で選択される。精度要件を満たすために、変換器コアの断面積は比較的大きく設計され、その結果、サイズが大きく重くなり、精度が低く、二次負荷が小さい。
故障電流が2.4A未満の場合、従来の変換器からの電流出力はリレーを起動するのに十分ではなく、「死区間」が生じる。そのため、広範囲の動作電流で「死区間」なく正確な保護をマイクロコンピュータに対して提供するためには、マイクロコンピュータ保護と組み合わせて使用できる特別な残余電流変換器を設計する必要がある。
遮断機の設置空間の制約により、マイクロコンピュータ保護と組み合わせて使用する特別な残余電流変換器は、小型軽量であるだけでなく、高精度な二次出力と大きな二次負荷を必要とする。一般に、変換器の一次動作電流は0.2Aから10Aの間であることが求められる。変換器が大規模な二次負荷出力下でも良好な直線性と感度を確保できる場合、マイクロコンピュータ保護の要件を満たし、「死区間」の発生を避けることができる。
マイクロコンピュータ保護用の残余電流変換器の構造設計
変換器の定格負荷パラメータの選択
屋外ポールマウント型真空遮断機は一般的に屋外に設置され、補助自動化装置からは遠い。しかし、マイクロコンピュータ保護自体が必要とする負荷は非常に低い。残余電流変換器の設計では、定格負荷は主に変換器の二次リード回路の負荷を考慮する。マイクロコンピュータ保護装置は通常、屋外に設置されたポールマウント型遮断機から遠いため、変換器の定格負荷は一般的に比較的大きく選択され、最大で約200Ωとなる（この負荷はユーザーの実際の状況に基づいて決定される）。
一次巻線と二次巻線のターン数、コア形状、および材料の選択
マイクロコンピュータ保護用の残余電流変換器は極めて高い感度を必要とし、迅速かつ正確に応答しなければならない。感度とは、変換器の二次巻線が漏洩電流に対して応答する能力を指し、次のように説明できる：一定量の漏洩電流に対して、異なる変換器の誘導起電力が高いほど、その感度が高い。
感度は変換器の一二次巻線のターン数に関連している。二次巻線のターン数が多いほど、感度が高い。残余電流変換器は直接三相一次導体に設置され、一次ワイヤは保護線であり、一次巻線のターン数は1である。一次巻線のターン数を増やすことは実際的ではない。
二次巻線の誘導起電力 U2=4.44f⋅N2⋅μ⋅I1⋅S ただし：
I1は額定一次電流を表す。
Sは鉄心の断面積である。
μは磁気透過率である。
fは周波数である。
N2は二次巻線のターン数である。
式からわかるように、変換器の設置位置の制約により、変換器の外部寸法は大きくすることはできない。そのため、変換器の鉄心の断面積は比較的小さい。変換器の感度を高めるためには、二次巻線のターン数を増やすか、あるいは変換器の鉄心の磁気透過率を改善する必要がある。
屋外遮断機の額定一次電流は基本的に630A以下である。変換器の鉄心の断面積が小さいことを考慮し、高感度を確保するために、実験により二次巻線のターン数は一般的に1500から2000ターンの間で最初に設定される。具体的なターン数は、変換器の二次負荷とマイクロコンピュータに必要な二次出力電圧に基づいて決定される。
鉄心の断面積、ターン数、および二次負荷が決定されると、変換器の二次誘導起電力（つまり感度）に影響を与えるパラメータは鉄心の磁気透過率のみに関連する。したがって、変換器に使用する鉄心の材料を決定することは非常に重要である。後述する変換器の直線性と残留特性も鉄心の材料と密接に関連している。
表1のデータを分析すると、ナノ結晶合金とメトラスの両方とも最も高い磁気透過率を持っている。しかし、メトラスは比較的低い飽和誘導密度を持ち、市場でも高価である。総合的に考慮すると、ナノ結晶合金を優先的に選択する。変換器の感度は鉄心の磁気透過率に比例するだけでなく、鉄心の形状と磁気回路の長さにも直接関係がある。
一般に、鉄心の磁気透過率が高い材料を使用して変換器の感度を高めるだけでなく、可能な限り鉄心の磁気回路を短縮して磁気リークを減らし、鉄心の利用率を確保する。通常、円形の鉄心は最も短い磁気回路を持つ。しかし、屋外ポールマウント型遮断機の三相一次導体は直線状に並んでいるため、スペースが許す限り、鉄心は遮断機の三相一次導体の配置形状と間隔に基づいて楕円形に設計されるべきである。変換器の形状と一次導体との位置関係は図1に示されている。
残余電流変換器は、回路内の異常な漏洩状態に対して迅速に応答し、マイクロコンピュータ保護装置に行動可能な電圧信号を提供する必要がある。変換器は、回路の動作状態を正確に反映するため、良好な直線性を持つ必要がある。直線性とは、変換器の入力電流の変化に対する出力電圧の変化の比が一定であること、図2に示されている。
変換器の二次誘導起電力（つまり感度）は鉄心の磁気透過率のみに関連する。したがって、変換器に使用する鉄心の材料を決定することは非常に重要である。後述する変換器の直線性と残留特性も鉄心の材料と密接に関連している。
回路内では、遮断機の最小一次動作電流は一般に10A以下であることが求められる。したがって、変換器の一次電流が10A以下のときに、変換器の入力電流の変化に対する出力電圧の変化の比が直線的であればあるほど、使用要件を満たすことができる。変換器の直線性要件は繰り返しテストする必要がある。
鉄心の一定の磁気透過率と二次負荷の条件下で、鉄心の断面積または二次巻線のターン数を調整することで、変換器の出力電圧が直線的に変化するように保証することができる。しかし、実際の回路では、しばしば他の要因が変換器がマイクロコンピュータ保護装置に正確な電圧信号を提供するのを妨げる。
変換器を設置するとき、それは直線状に並んだ三相導体にスリーブとして取り付けられる。一次導体が定格電流を通過すると、残余電流変換器は三相電流によって同時に生成された磁場によって干渉を受け、鉄心の局所磁束密度が上昇する。鉄心の一部が過飽和になると、変換器の直線性が悪化し、二次出力電圧の大きさに深刻な影響を与える。その結果、マイクロコンピュータ保護が誤動作または動作しない可能性がある。
実際の運転中に、残余電流変換器が大規模な接地障害電流によって衝撃を受け、保護動作が完了し、電源供給が再開されて運転が継続された場合、変換器の技術パラメータが衝撃前の状態に戻らない場合、つまり変換器の鉄心に残留磁気が存在する場合、次の漏洩保護器の正確な動作に深刻な影響を与える。
この残余電流変換器の設計には、以下の点に注意する必要がある：
鉄心は、高磁気透過率と低残留磁気を持つナノ結晶合金を使用することが望ましい。この材料は良い過負荷特性を持ち、過電流の衝撃下でも容易に初期磁気状態に戻ることができる。変換器の残留電圧は、一次側で様々な接地障害電流を通過させることでシミュレートして制御および検出することができる。しかし、変換器の残留電圧は一般に額定一次電流の増加とともに増加する。しかし、鉄心が磁気飽和に達すると、変換器の二次側の残留電圧は急激に増加する。
変換器の設計では、一次電流が残余電流変換器の残留電圧値に与える影響を最小限に抑えるために、高磁気透過率と低残留磁気を持つナノ結晶合金を使用して鉄心を作る際、鉄心の断面積を適切に増加させたり、二次巻線の内部抵抗を減らしたりするなどの措置を共同で講じることで、残余電流変換器の残留電圧を減少させる。
