HECI GCB for Generators – 高速SF₆遮断器
1.定義と機能
1.1 発電機回路遮断器の役割
発電機回路遮断器（GCB）は、発電機と昇圧変圧器の間に位置する制御可能な切断点であり、発電機と電力網とのインターフェースとして機能します。その主な機能には、発電機側の障害を隔離し、発電機の同期および電網接続時の操作制御を行うことが含まれます。GCBの動作原理は標準的な回路遮断器と大きく異なりませんが、発電機の障害電流に存在する高DC成分により、GCBは非常に迅速に動作して障害を速やかに隔離する必要があります。
1.2 発電機回路遮断器付きと無しのシステムの比較
図1は、発電機回路遮断器なしのシステムで発電機障害電流を遮断する状況を示しています。
図2は、発電機回路遮断器（GCB）を備えたシステムで発電機障害電流を遮断する状況を示しています。
上記の比較から、発電機回路遮断器（GCB）を設置する利点は以下の通りです：
発電ユニットの通常の起動と停止時に補助電源の切り替えは必要なく、発電機回路遮断器の操作だけで十分であり、発電所サービス電力の信頼性が大幅に向上します。
発電機内部（つまりGCBの発電機側）に障害が発生した場合、発電機回路遮断器のみをトリップするだけで済み、ユニット障害時の操作複雑さが大幅に減少します。
主変圧器と高圧サービス変圧器に対する保護が向上します。これらのいずれかの変圧器内で内部障害が発生した場合でも、主変圧器の高圧側回路遮断器が保護リレーによって開かれた後も、発電機はフィールド（励磁）電流の減衰期間中に障害電流を供給し続けます。GCBを設置することで、発電機を迅速に切断し、主変圧器への損傷を最小限に抑えることができます。これは大型発電ユニットにとって重要な利点です。
さらに重要な利点として、高圧回路遮断器の非同時操作（極不一致）による発電機への損傷を軽減または排除することができます。発電機-変圧器ユニット接続では、高圧回路遮断器は高定格電圧で動作し、開放型スイッチギアでは大きな相間距離のために機械的な三極連鎖が困難です。そのため、通常のスイッチング時にも非同時操作が発生することがあります。このような状況では、発電機スターターに負の順列電流が誘導され、ロータは負の順列磁界に対して非常に限られた耐性しか持たないため、深刻なロータ損傷につながる可能性があります。しかし、現代のGCBは三相機械連鎖を設計・製造されており、非同時操作を効果的に防止します。
GCBの発電機側で障害が発生した場合、主変圧器の高圧側ブレーカーを開くことなく、発電機回路遮断器のみをトリップするだけで済み、全体的な電網構造への影響を最小限に抑え、システムの安定性に貢献します。
発電所のレイアウトが単純化され、経済的になり、設置、調整時間、コストが削減されます。サービス変圧器とその関連の中高圧スイッチギアが不要になります。GCBの導入により、平均的なプラント利用率が0.3%～0.6%増加し、発電機の高い利用率は直接エネルギー収益の増加に繋がります。
2. 構造と機能
2.1 全体構造
回路遮断器システムは基本的に以下の部品と設備で構成され、これらは共通の支持フレームに取り付けられています。注文仕様により、特定のリストされた部品は除外される場合があります。
HEC/HECIタイプのスイッチギアの標準設計には以下が含まれます：
SF₆回路遮断器
分離装置（隔離スイッチ）
接地スイッチ
コンデンサ
電流変換器（CTs）
電圧変換器（VTs）
避雷器、ショートリンク、および起動スイッチ（静止周波数コンバータ、SFC用）はオプションアイテムとして利用可能です。
1 – 回路遮断器 2 – 分離装置（隔離スイッチ） 3a – 接地スイッチ 3b – 接地スイッチ 4 – ショートリンク 5 – 起動スイッチ（SFC） 6 – コンデンサ
7 – 電流変換器 8 – 電圧変換器 9 – 避雷器 10 – 外装
サーキットブレーカーは、消弧媒体としてSF₆ガスで満たされています。主接触点とアーチング接触点は分離されています。接触点はスプリング駆動機構によって操作されます。サーキットブレーカーの3つの極は機械的に連携しています。
1 – 柔軟な接続 2 – 分離スイッチ (絶縁スイッチ) 3 – 消弧室 4 – 絶縁 5 – ケース 6 – 接地スイッチ 7 – 分離相バスバー接続
8 – 電流変換器
GCBケース内の内部コンポーネントは以下の図に示されています。
2.2 コンポーネント構成と機能
1) 駆動機構
HECI5型GCBスイッチはAHMA 4駆動機構を使用しています。この駆動機構の物理写真は以下の通りです。
1 – 組合せモーター (オイルポンプモーター) 2 – 制御弁補助接点 3 – 補助接点
① 駆動モジュール：
このモジュールは定圧差構造を採用しており、高圧油が常にピストンロッドの上端に作用します。開閉速度はそれぞれ対応するスロートねじによって個別に調整できます。
② エネルギー貯蔵モジュール：
油圧油の作用により、蓄圧器ピストンが円板ばねを圧縮し、エネルギー貯蔵ピストンシリンダー内に長期的に油圧エネルギーを貯蔵し、開閉動作に必要なエネルギーを備えます。
③ 制御モジュール：
メイン制御室からの電気コマンド信号により、開閉ソレノイドバルブが作動し、方向制御バルブが切り替わり、サーキットブレーカーの開閉が実現されます。
④ アダプタ (リンク) モジュール：
ピストンロッドの動き中、連結クランクアームが補助スイッチを回転させ、開閉位置信号を切り替えます。
⑤ 油圧ポンプモジュール：
電動モーターが油圧ポンプを駆動してオイルを蓄圧器に注入し、電気エネルギーを油圧エネルギーに変換します。
⑥ 監視モジュール：
円板ばねの圧縮により、リミットスイッチ上のカムが回転し、マイクロスイッチの接点を開閉します。これにより、メイン制御室に警報信号と自動連鎖機能が提供されます。（圧力が規定値を超えた場合、安全弁が自動的に開き、過圧保護が達成されます。）
2) サーキットブレーカー
サーキットブレーカーはGCBの主要コンポーネントです。その構造原理は複雑ではなく、機能ブロック図は以下の通りです。
S1 – スプリングリミットスイッチ S0 – 補助スイッチ SA – 位置インジケータ Y1 – 閉鎖コイル Y2, Y3 – 開放コイル1および2 M0 – エネルギー貯蔵モーター R10 – ヒーター DI – 密度インジケータ
F6 – 密度モニター
3) SF₆ガスシステム
GCBにおいて、SF₆ガスはサーキットブレーカー、密度リレー、密度計、および連続ガスパイプのみに存在します。
密度モニターは温度補償圧力監視装置であり、三極（三相）サーキットブレーカー内のSF₆ガス密度を監視するために使用されます。ガス圧力は圧力計で直接観察できます。圧力が指定された閾値以下に低下した場合、密度モニターは「ガス補充」信号を送信します。SF₆圧力がさらに低下すると、2つの独立したマイクロスイッチが連鎖を活性化し、スイッチング操作を防ぎます—サーキットブレーカーは機械的および電気的にロックアウトされます。
密度モニターの設定ポイントは、関連する制御図とSF₆ガス密度特性曲線に記載されています。
制御盤の制御パネルは主に以下の4つの部分から構成されています。
連鎖スイッチ
操作カウンタ
操作および警報インジケータ
ローカル操作モードボタン
4) 制御盤
遮断器の操作機構のすべての機能が制御盤に統合されています。最終的な構成と機能配置は、関連する制御図で詳細に説明されています。以下の制御部品はすべて制御盤内に収納されています。
S2 – ローカル/リモート選択スイッチ：動作モードはスイッチS2で選択されます。
リモート位置では、コマンドはメイン制御室からのみ発行できます。
ローカル位置では、コマンドは遮断器の制御盤からのみ開始できます。
ローカル位置にある場合、選択スイッチS2のキーは取り外せません。キーを制御室内に保管することをお勧めします。
S11/S12 – 遮断器操作用の点灯プッシュボタンスイッチ。
5) 圧力開放（爆発保護）システム
破裂ディスク：内部アーク障害（長時間の短絡電流によって引き起こされる）の場合、エンクロージャ内のガス圧力がアクティベーション閾値に達すると、破裂ディスクが破れて過剰な圧力を即座に放出します。この急速な放散により、過圧のSF₆ガスを安全に排出し、エンクロージャの重大な故障を防ぎます。
