アークフラッシュ保護 | -アクティブアーク消去技術

アークフラッシュは、遭遇する可能性のある最も破壊的な工業事故の一つです。瞬時にスイッチギアが破壊され、下流の設備に深刻な損傷を与え、運転が数日から数週間停止し、作業員が重傷を負ったり死亡したりする可能性があります。

特定の施設や用途では、アークフラッシュの潜在リスクは非常に低く、従来型（アークフラッシュ保護なし）のスイッチギアを使用しても最小限のリスクで済みます。しかし、ほとんどの用途では、アークフラッシュの危険を軽減するための機能を備えた設備に依存することがより理にかなっています。これは、アーク事故の悲惨な結果に対する賢明な「保険」です。

その破壊力は莫大です。11kVスイッチギアでのアークフラッシュで放出されるエネルギーは、6つのスペースシャトルを打ち上げるのに必要なエネルギーと同等です。温度は最大20,000℃に達し、太陽表面の5倍の熱さになり、金属を蒸発させる能力があります。

アーク障害は稀ですが、スイッチギアシステムで発生する故障の中で最も深刻なタイプです。原因は多岐にわたり、人為的エラー（最も一般的）、技術的な機器の故障、環境要因などが挙げられます。

アークフラッシュによる損傷や怪我のリスクを減らす方法はいくつかあります。以下に最も一般的な3つを説明します。

パッシブ内部アーク保護

パッシブ内部アーク保護では、アーク障害が発生した後に従来の保護リレーによって遮断されます。アーク発生からリレートリップまでの平均時間は100〜1,000ミリ秒（ms）であり、瞬きの時間（通常100〜400ms）よりも短い場合もあります。

この期間は非常に短いですが、アークイベントはスイッチギアの修理または部品の交換を必要とするほど十分な損傷を引き起こすでしょう。スイッチギアに依存する生産プロセスも深刻な中断を被る可能性があります。

パッシブ内部アーク保護を備えたスイッチギアには、高圧、高温、そして潜在的に有毒なガスの「逃げ道」を提供するダクトシステムが組み込まれています。一部のスイッチギアには外部エリアにつながるダクトが含まれており、これは小さなスイッチギアルームで一般的に使用されます。スイッチギアが大きな部屋または外壁から離れた場所にある場合は、ダクトはスイッチギアが設置されている部屋に排気されることがあります。

これらの換気戦略は、スイッチギアの前面からのアークガスの噴出を減らしたり排除したりすることで、潜在的な怪我を最小限に抑えます。また、爆発圧力を分散させることで、スイッチギアの内部損傷を減少させます。

アクティブ内部アーク遮断

アクティブ内部アーク遮断を装備したスイッチギアでは、保護回路が保護リレーとは独立して動作します。典型的なアーク遮断時間は約60〜80msで、アークの検出、サーキットブレーカーの起動、およびブレーカー操作の完了にかかる時間の合計です。

センシング技術は、アークを非常に迅速に検出し、上流のサーキットブレーカーに信号を送り、回路を遮断します。2つの一般的なアーク検出方法は、電流センシングデバイスと/または光センサーで、「フラッシュ」を見ることができます。応答時間はパッシブ内部アーク保護よりも速いですが、依然として重大な損傷や怪我を防ぐには不十分です。

バネ式サーキットブレーカーは、経年とともにトリップ時間が長くなることで知られており、これによりアーク消火時間が長くなります。長いトリップ時間は直接アークフラッシュの損傷増加に関連しています。これは磁石式サーキットブレーカーでは問題ではなく、時間と共に遅くなることはありません。

アクティブアーク消去

上記の2つの方法はアークによる潜在的な損傷と怪我を減らすのに役立ちますが、両方とも反応的であり、アークが発生した後に対応するだけです。第3の方法であるアクティブアーク消去は、アークをほとんど完全に消去するほど迅速に応答するように設計されています。

技術的には、前の方法と同様にアークが発生した後に反応しますが、その応答は非常に速いため、スイッチギアへの損傷は通常最小限に抑えられ、作業員の怪我のリスクは無視できるか存在しません。それは大幅に速い応答を達成し、通常1.5ms未満で、決して4msを超えることはありません。アーク障害が発生したときに上流のサーキットブレーカーをトリップする代わりに、超高速接地スイッチ（UFES）を使用して三相接地ショートサーキットを開始します。

UFESと様々なセンシング方法による迅速かつ信頼性の高い障害検出との組み合わせにより、アーク障害が発生した直後にほぼ即座に消去されることが保証されます。これにより、熱と圧力が大幅に減少します。スイッチギアのリセットには通常、内部を拭き取って主要な切り替え要素を交換するだけであり、これらは通常数時間以内に完了できます。

まとめ

自宅で火事が発生した場合、すぐに消防署に通報する検知・警報システムがあるのは安心です。しかし、火事が発生する前にそれを防ぐシステムがある方がさらに安心です。これがアクティブアーク消去が他のアーク障害管理方法と異なる点です。

アクティブアーク消去は、アークフラッシュの危険を減らす最も効果的な方法と言えますが、他の保護方法と比較して若干コストが高くなります。何らかのアーク保護設計がないスイッチギアの場合、アクティブアーク消去はスイッチギアを保護する価値に対して比較的小さい投資となります。コスト対効果を評価する際には、アークイベント後の生産またはプロセスの中断に伴う追加コストも考慮する必要があります。

作業員とスイッチギアに最高レベルの保護を提供し、運転中断のリスクを最小限に抑えるために、超高速接地スイッチによるアクティブアーク消去が適切な選択です。