信頼性の高い24kV空気およびガス絶縁装置の設計

現在、中国の中圧配電網は主に10kVで動作しています。急速な経済発展に伴い、電力負荷が増加し、既存の供給方法の限界が明らかになっています。24kV高圧スイッチギアは高い負荷容量に対する要求を満たす優れた特性を持ち、業界内で静かに注目を集めています。国家電網公司の「20kV電圧レベルの推進に関する通知」により、20kV電圧クラスの採用が急速に進んでいます。

この電圧レベルの重要な製品である24kV高圧スイッチギアの構造と絶縁設計は、業界内の焦点となっています。電力業界標準「高圧スイッチギアおよび制御装置の一般的技術要件」（DL/T 593-2006）によると、スイッチギアの具体的な絶縁要件が明確に定義されています。24kV製品の絶縁要件は以下の通りです：

最小空気間隔（相間、相対地）：180mm；工頻耐電圧（相間、相対地）：50/65 kV/min、（絶縁接合部間）：64/79 kV/min；雷衝撃耐電圧（相間、相対地）：95/125 kV/min、（絶縁接合部間）：115/145 kV/min。

注：スラッシュの左側のデータは堅実に接地された中性点システムに適用され、右側のデータは消弧コイルまたは非接地を通じて接地されたシステムに適用されます。

24kV高圧スイッチギアは、絶縁方式によって空気絶縁金属密閉型スイッチギアとガス絶縁SF6環状ユニットに分類できます。特に24kV中置き引き出し型スイッチギア（以下、24kV中置きスイッチギアと呼ぶ）は重要な設計焦点となっています。本記事では、24kV中置きスイッチギアとガス絶縁SF6環状ユニットの構造と絶縁設計に関するいくつかの提案について議論します。

1. 24kV中置きスイッチギアの設計

24kV中置きスイッチギアの技術は主に3つのソースから来ています：第1に、12kV KYN28-12製品からのアップグレードで、絶縁に関連する部品を直接交換することです。第2に、ABBやEaton Senyuanなどの外国の中置き製品が国内市場に参入しています。第3に、中国で独自に開発された24kV中置きスイッチギアがあります。第3のカテゴリーは、中国の現行の技術条件と要件に特化して設計されており、市場で最も競争力があります。したがって、その設計には全体的な製品構造と絶縁設計を十分に考慮する必要があります。詳細は以下の通りです：

1.1 等高キャビネット構造と三角形バスバー配置

ほとんどの12kV中置きスイッチギアは、前方が高く後方が低く、三相バスバーが三角形（デルタ）配置で、計器室が取り外し可能な独立構造になっています。この方法を24kV中置きスイッチギアに使用すると、最小空気間隔180mmの要件を満たすことができません。そのため、24kV中置きスイッチギアは等高キャビネット設計を採用し、計器室をメインキャビネットに統合する必要があります。

キャビネットの高さは適切に2400mmに増やし、バスバーと遮断器室に余裕のあるスペースを提供します。バスバーウォールブッシングは三角形配置にするべきです。これにより、空気間隔の要件を満たすだけでなく、電磁力の抑制と耐えられるようにし、バスバーの放熱を改善し、絶縁信頼性を向上させることができます。

1.2 スイッチギア幅の合理的な設計

絶縁信頼性の観点からは、空気絶縁が最も信頼できる方法であり、最小絶縁間隔が保証されれば、絶縁は完全に確保されます。完全な空気絶縁設計を考えると、理論的には24kVスイッチギアの幅は1020mmになるべきです。しかし、実際の生産では、多くのメーカーがキャビネット幅を1000mmに選択しており、これは複合絶縁を使用する必要があることを意味します。通常、バスバーには熱収縮チューブを適用し、相間と相対地間にSMC（シート成形化合物）絶縁バリアを設置して絶縁を強化します。

1.3 均一な電場分布の設計

テスト結果によると、電圧レベルが高いほど、工頻耐電圧試験中の局所電場強度が高くなり、時に明らかなコロナ放電音が聞こえることがあります。規定によれば、破壊的放電が発生しなければ、試験は合格とみなされます。しかし、高い局所電場強度は、通常運転中の過電圧耐性に影響を与える可能性があります。

したがって、製品設計では、可能な限り均一な電場分布を達成し、局所的な電場集中を避けることが重要です。実践経験から、導体を成形して均一な電場を実現することは効果的です。バスバーの切断端には、丸い角に加工するための形成ミリングカッターを使用します。接触箱内のバスバー端子は、まず半円形に形成し、その後丸い角にミリングします。可能であれば、回路遮断器の梅の花触点の外側に金属シールドカバーを設置するか、接触箱の鋳造中に金属シールドメッシュを埋め込むと良いです。これらの措置により、電場分布を均一化し、電場ピークを抑制し、さらに絶縁レベルを向上させることができます。

1.4 長い爬電距離を持つ絶縁材料の使用

壁ブッシング、接触箱、支持絶縁子などの絶縁材料は、24kVの絶縁要件を満たすために、拡大された傘と十分な爬電距離を持つ必要があります。特に接触箱の設計では、金属シールドメッシュを追加し、内部空洞には舌状構造を使用することで、リング構造固有の問題、つまり運転中の凝結と汚染蓄積を効果的に抑制できないという問題を避けることができます。

2. 24kVガス絶縁SF6環状ユニットの設計

海外の24kVガス絶縁SF6環状ユニットは早期から始まっており、シーメンスやABBなどは1980年代初頭に導入しました。これは、多くの海外国が24kVを主要な中圧配電電圧として使用しているためです。彼らの製品は技術的に高度で、性能が高く、信頼性が高いです。一方、国内の24kVガス絶縁SF6環状ユニットは最近になって開発が始まったばかりで、様々な条件の制約により、製品はまだ研究・開発・試験段階にあります。

24kVガス絶縁SF6環状ユニットの技術は先進的であり、その構造と絶縁設計は成熟した海外の経験を参考にしなければなりません。以下は、製品構造と絶縁設計に関するいくつかの提案です：

2.1 構造の合理性への重点

24kVガス絶縁SF6環状ユニットでは、すべての帯電部分とスイッチがSF6ガスで満たされたステンレス鋼製のエンクロージャ内に密封されているため、コンパクトです。構造設計では、絶縁ガスの絶縁強度と湿度を十分に考慮し、キャビネットの寸法を合理的に設計する必要があります。ユニットは完全な機能を持ち、操作が容易で、構造が単純であるべきです。

2.2 構成の拡張性

構成設計には拡張性が必要です。製品の品質と広範な採用の可能性は、ある程度までその構成の柔軟性に依存します。標準化されたモジュラー設計により、左右の拡張が可能です。

2.3 絶縁設計の信頼性

24kVガス絶縁SF6環状ユニットの主要なリスクは、絶縁性能の劣化です。絶縁劣化の原因には、SF6ガスの漏れ、ポリマー絶縁材やシール材が異なるガス（例えば水蒸気）に対して一定の透過性を持つことによる容器内壁での許容できない凝結、SF6ガス中の水分量の制御、絶縁部品の亀裂があります。

絶縁劣化を防ぐためには、以下の措置を講じる必要があります：ガス容器は全溶接でステンレス鋼製とし、密封開口部を残さない；ケーブル接続ブッシングはエポキシ樹脂で成形し、容器と一体的に溶接する；ガス容器の密封性を強化し、水蒸気の透過を最小限に抑える；定期的にSF6水分計で水分量を測定し、密封エンクロージャに適量の乾燥剤を設置し、すべての部品を指定された温度と時間で厳格に焼成する；SF6スイッチギアの排気および充填時には、充填ラインを高純度N2またはSF6ガスで清掃する；絶縁部品の内部機械ストレスを最小限に抑え、老化や亀裂を防ぐ。これらの措置により、絶縁信頼性を大幅に向上させることができます。

3. 結論

24kV高圧スイッチギアの構造と絶縁設計は12kVスイッチギアに基づいていますが、要件ははるかに高いです。また、実際の運転経験が不足しているため、設計プロセスにおいてすべての影響因子を十分に考慮し、製品基準を満たす必要があります。