遮断器の選択と設定：基本パラメータから選択的保護までの完全ガイド

回路遮断器の分類

(1) エアブレーカー (ACB)
エアブレーカーは、モールドフレームまたはユニバーサルブレーカーとも呼ばれ、すべてのコンポーネントが絶縁金属フレーム内に収められています。通常、オープンタイプで、様々なアクセサリーのインストールが可能であり、接触部や部品の交換も容易です。主電源スイッチとして一般的に使用されます。過電流トリップユニットには、電磁式、電子式、およびインテリジェントタイプがあります。ブレーカーは4段階の保護を提供します：長時間遅延、短時間遅延、瞬時、接地故障保護。各保護設定はフレームサイズに基づいて範囲内で調整可能です。

エアブレーカーは、50Hzの交流、定格電圧380Vまたは660V、配電ネットワークにおける定格電流200Aから6300Aの範囲で適しています。主に電力の分配と、過負荷、低電圧、ショートサーキット、一相接地その他の障害から回路と電力設備を保護するために使用されます。これらのブレーカーは複数のインテリジェントな保護機能を提供し、選択的な保護を可能にします。正常条件下では、回路の頻繁ではない切り替えにも使用できます。定格1250A以下のACBは、50Hz、380Vのネットワークにおいて、モーターの過負荷とショートサーキットからの保護に使用できます。

エアブレーカーはまた、変圧器の400V側のメインスイッチ、バスタイスイッチ、大容量フィーダースイッチ、および大型モータ制御スイッチとしても広く使用されています。

(2) モールドケースブレーカー (MCCB)
プラグインブレーカーとも呼ばれるモールドケースブレーカーは、端子、接触部、消弧室、トリップユニット、操作機構がプラスチック製の筐体内に収められています。補助接点、低電圧トリップユニット、シャントトリップユニットはしばしばモジュラーです。構造はコンパクトで、通常メンテナンスは考慮されません。支線保護に適しています。モールドケースブレーカーには通常、熱磁気トリップユニットが含まれており、大型モデルには固体状態トリップセンサーが装備されることがあります。

MCCB用の過電流トリップユニットは、電磁式と電子式が利用可能です。通常、電磁式MCCBは非選択性であり、長時間遅延と瞬時の保護のみを提供します。電子式MCCBは4つの保護機能を提供します：長時間遅延、短時間遅延、瞬時、接地故障保護。一部の新しく導入された電子式MCCBにはゾーン選択性連携機能もあります。

モールドケースブレーカーは一般に、給電回路の制御と保護、小型配電変圧器の低電圧側のメインスイッチ、末端電力分配制御、および各種生産機械の電源スイッチとして使用されます。

(3) ミニチュアブレーカー (MCB)
ミニチュアブレーカーは、建築物の電気終端配電システムで最も広く使用される終端保護装置です。単相および三相回路でのショートサーキット、過負荷、過電圧保護に使用され、最大125Aまでの定格電流に対応し、単極（1P）、二重極（2P）、三重極（3P）、四重極（4P）の構成があります。

MCBは、操作機構、接触部、保護装置（各種トリップユニット）、および消弧システムで構成されています。主接触部は手動または電気的に閉じられます。閉じた後、フリートリップ機構により接触部が閉じた位置にロックされます。過電流トリップユニットのコイルと熱トリップユニットのヒーティング要素は主回路と直列に接続され、低電圧トリップユニットのコイルは電源と並列に接続されます。

民間建築の電気設計では、ミニチュアブレーカーは主に過負荷、ショートサーキット、過電流、電圧消失、低電圧、接地、漏れ電流、二重電源の自動切り替え、および頻繁ではないモータ起動などの保護と操作目的で使用されます。

回路遮断器の基本特性パラメータ

(1) 定格動作電圧 (Ue)
定格動作電圧は、ブレーカーの名目上の電圧であり、この電圧下でブレーカーは指定された通常の使用条件と性能条件下で継続的に動作することができます。

中国では、220kV以下の電圧レベルの場合、最大動作電圧はシステム定格電圧の1.15倍であり、330kV以上の場合は1.1倍です。ブレーカーはシステムの最大動作電圧下で絶縁を維持し、閉鎖および切断を行う必要があります。

(2) 定格電流 (In)
定格電流は、周囲温度が40°C未満の条件下でトリップユニットが継続的に負荷できる電流です。調整可能なトリップユニットを持つブレーカーの場合、これはトリップユニットが継続的に負荷できる最大電流を指します。

周囲温度が40°C以上だが60°C以下の場合、ブレーカーは長期的に軽減された負荷で動作することができます。

(3) 過負荷トリップ電流設定 (Ir)
電流がトリップユニットの設定値Irを超えると、ブレーカーは時間遅延後にトリップします。これもブレーカーがトリップせずに負荷できる最大電流を表します。この値は最大負荷電流Ibよりも大きく、回路の最大許容電流Izよりも小さい必要があります。

熱磁気トリップユニットの場合、Irは通常0.7–1.0Inの範囲で調整可能です。電子トリップユニットの場合、調整範囲は通常0.4–1.0Inです。調整不可能な過電流トリップユニットを持つブレーカーの場合、Ir = Inです。

(4) ショートサーキットトリップ電流設定 (Im)
ショートサーキットトリップユニット（瞬時または短時間遅延）は、高障害電流が発生したときにブレーカーを迅速にトリップさせます。そのトリップしきい値はImです。

(5) 定格短時間耐えられる電流 (Icw)
これは、指定された期間内に導体を通る電流値であり、過熱による損傷なしに許可されるものです。

(6) 切断能力
ブレーカーの切断能力とは、故障電流を安全に遮断する能力を指し、必ずしも定格電流に関連しているわけではありません。一般的な評価は36kAと50kAです。通常、究極の短絡切断能力（Icu）とサービス短絡切断能力（Ics）に分けられます。

ブレーカー選択の一般的な原則

まず、用途に応じてタイプと極数を選択し、次に最大動作電流に基づいて定格電流を選択し、最後にトリップユニットとアクセサリーのタイプを選択します。具体的な要件は以下の通りです：

• ブレーカーの定格動作電圧 ≥ 回路の定格電圧。

• ブレーカーの定格短絡作動/切断能力 ≥ 回路の計算負荷電流。

• ブレーカーの定格短絡作動/切断能力 ≥ 回路の最大可能な短絡電流（通常、有効値で計算されます）。

• 回路の末端の一相対地短絡電流 ≥ ブレーカーの瞬時（または短時間遅延）トリップ設定の1.25倍。

• 低電圧トリップユニットの定格電圧 = 回路の定格電圧。

• シャントトリップユニットの定格電圧 = 制御電源電圧。

• 電動操作機構の定格動作電圧 = 制御電源電圧。

• 照明回路で使用する場合、電磁気トリップユニットの瞬時トリップ設定は通常、負荷電流の6倍です。

• 単一のモーターのショートサーキット保護のためにブレーカーを使用する場合、瞬時トリップ設定はモーターの起動電流の1.35倍（DWシリーズの場合）または1.7倍（DZシリーズの場合）です。

• 複数のモーターのショートサーキット保護のためにブレーカーを使用する場合、瞬時トリップ設定は最大のモーターの起動電流の1.3倍と残りのモーターの動作電流の合計です。

• 配電変圧器の低電圧側のメインスイッチとしてブレーカーを使用する場合、その切断能力は変圧器の低電圧側の短絡電流を超える必要があります。トリップユニットの定格電流は変圧器の定格電流以下であってはなりません。ショートサーキット保護設定は通常、変圧器の定格電流の6～10倍であり、過負荷保護設定は変圧器の定格電流に等しいです。

• ブレーカーのタイプと定格を予備的に選択した後、上流および下流の保護装置との協調が必要であり、カスケードトリップを避けて事故の範囲を最小限に抑えることができます。

ブレーカーの選択性

配電システムにおいて、ブレーカーは保護性能に基づいて選択性または非選択性に分類されます。選択性の低い電圧ブレーカーは、2段階または3段階の保護を持っています。瞬時および短時間遅延特性はショートサーキット保護に使用され、長時間遅延特性は過負荷保護に使用されます。非選択性ブレーカーは通常、瞬時特性のみを使用してショートサーキット保護を行ったり、長時間遅延特性のみを使用して過負荷保護を行います。

配電システムでは、上流ブレーカーが選択性であり、下流ブレーカーが非選択性または選択性である場合、選択性は短時間遅延トリップユニットの時間遅延または時間遅延設定の違いを利用して達成されます。上流ブレーカーが時間遅延で動作する場合、以下を考慮します：

• 下流ブレーカーが選択性または非選択性であるかに関わらず、上流ブレーカーの瞬時過電流トリップ設定は通常、下流ブレーカーの出力での最大三相短絡電流の1.1倍以上にする必要があります。

• 下流ブレーカーが非選択性である場合、ショートサーキット時に下流の瞬時トリップユニットの感度不足により上流の短時間遅延過電流トリップユニットが最初に動作することを防ぐため、上流ブレーカーの短時間遅延過電流トリップ設定は通常、下流ブレーカーの瞬時トリップユニットの1.2倍以上にする必要があります。

• 下流ブレーカーも選択性である場合、選択性を確保するために、上流ブレーカーの短時間遅延動作時間が下流ブレーカーの少なくとも0.1秒以上長くなるようにする必要があります。

一般に、上流と下流の低電圧ブレーカー間の選択性動作を確保するためには、上流ブレーカーには短時間遅延過電流トリップユニットを搭載することが望ましく、その動作電流は下流のトリップユニットよりも少なくとも1段階高い必要があります。最低でも、上流の動作電流Iop.1は下流の動作電流Iop.2の1.2倍以上である必要があります、すなわちIop.1 ≥ 1.2Iop.2。

ブレーカーのカスケード保護

配電システム設計では、上流と下流のブレーカー間の協調によって「選択性、速度、感度」を達成する必要があります。選択性はブレーカー間の協調に関連し、速度と感度は保護装置の特性と回路の動作モードに関連しています。

上流と下流のブレーカー間の適切な協調により、故障回路の選択的な遮断が可能になり、他の非故障回路の正常な動作が保証されます。協調が不十分な場合、システムの信頼性に影響します。

カスケード保護は、ブレーカーの電流制限特性の実際の適用です。その主要な原理は、上流ブレーカー（QF1）の電流制限効果を利用することで、低コストで下流ブレーカー（QF2）を低切断能力で選択できることです。電流制限の上流ブレーカーQF1は、設置点での最大予想短絡電流を遮断できます。上流と下流のブレーカーが直列に接続されているため、下流ブレーカーQF2の出力でショートサーキットが発生した場合、QF1の電流制限効果により実際の短絡電流は大幅に減少し、そのポイントでの予想短絡電流よりもはるかに小さくなります。従って、QF2の切断能力はQF1によって効果的に強化され、その定格切断能力を超えることができます。

カスケード保護には一定の条件があります。例えば、隣接する回路には重要な負荷があってはならず（QF1がトリップするとQF3の回路も停電するため）、QF1とQF2の瞬時設定は適切にマッチする必要があります。カスケードデータは実験的にしか決定できませんし、上流と下流のブレーカー間の協調はメーカーによって提供される必要があります。

ブレーカーの感度

最小システム動作条件下および保護範囲内の最も軽微なショートサーキット障害時に、瞬時または短時間遅延過電流トリップユニットの信頼性のある動作を確保するためには、ブレーカーの感度が「低電圧電気配電設計規程」（GB50054-95）の要求を満たす必要があります。これは、感度が少なくとも1.3以上であることを規定しており、Sp = Ik.min / Iop ≥ 1.3となります。ここで、Iopは瞬時または短時間遅延過電流トリップユニットの動作電流、Ik.minは最小システム動作条件下の保護線路の末端での一相または二相ショートサーキット電流、Spはブレーカーの感度です。

ブレーカーを選択する際には、その感度も確認する必要があります。短時間遅延と瞬時過電流トリップユニットの両方を持つ選択性ブレーカーの場合、短時間遅延トリップユニットの感度のみをチェックすればよく、瞬時トリップユニットの感度は確認する必要はありません。

ブレーカートリップユニットの選択と設定

(1) 瞬時過電流トリップユニットの動作電流設定
ブレーカーによって保護される一部の電気機器は、起動時に定格電流の数倍のピーク電流を発生させるため、ブレーカーは短時間に高ピーク電流を経験します。瞬時過電流トリップユニットの動作電流Iop(o)は、回路のピーク電流Ipkを超える必要があります、すなわちIop(o) ≥ Krel·Ipk、ここでKrelは信頼係数です。ブレーカーを選択する際には、その瞬時過電流トリップ設定がピーク電流を超えることを確認し、誤トリップを防ぎます。

(2) 短時間遅延過電流トリップユニットの動作電流と時間設定
短時間遅延過電流トリップユニットの動作電流Iop(s)も、回路のピーク電流Ipkを超える必要があります、すなわちIop(s) ≥ Krel·Ipk、ここでKrelは信頼係数です。短時間遅延トリップ時間は通常0.2s、0.4s、または0.6sであり、上流および下流の保護装置との選択性に基づいて決定され、上流の装置が下流の装置よりも一つのタイムステップ遅れて動作するようにします。

(3) 長時間遅延過電流トリップユニットの動作電流と時間設定
長時間遅延過電流トリップユニットは主に過負荷保護に使用されます。その動作電流Iop(l)は、回路の最大負荷電流（計算電流I30）を超えるだけでよい、すなわちIop(l) ≥ Krel·I30、ここでKrelは信頼係数です。動作時間は短期間の許容オーバーロード時間を超えるべきであり、誤トリップを防ぎます。

(4) 過電流トリップユニットの動作電流と保護回路間の協調要件
ブレーカーがトリップしないまま過負荷またはショートサーキットにより絶縁破壊や火災を防ぐために、過電流トリップユニットの動作電流Iopは次の条件を満たす必要があります：Iop ≤ Kol·Ial。ここで、Ialは絶縁ケーブルの許容電流容量であり、Kolは許容短期間オーバーロード係数—瞬時および短時間遅延トリップユニットの場合通常4.5、短絡保護用の長時間遅延トリップユニットの場合1.1、過負荷保護専用の場合1.0です。この協調要件を満たさない場合、トリップユニットの設定を調整するか、導体またはケーブルの断面積を適切に増やす必要があります。