高圧スイッチギア

フィールド: 基本電気

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高電圧スイッチギアとは

電力システムは電圧が36kVを超える場合、高電圧スイッチギアと呼ばれます。電圧レベルが高いほど、スイッチング操作中に発生するアークも非常に大きくなります。そのため、高電圧スイッチギアの設計には特別な注意が必要です。高電圧遮断器はHVスイッチギアの主要な部品であり、安全かつ信頼性の高い動作を確保するために、高電圧遮断器（CB）には特別な機能が必要です。高電圧回路の故障トリッピングやスイッチング操作は非常に稀です。多くの場合、これらの遮断器はON状態で長期間動作せず、必要に応じて操作されます。したがって、CBは必要時に安全な動作を確保するのに十分な信頼性を持つ必要があります。過去15年間で、高電圧遮断器技術は大きく変化しました。少量油遮断器（MOCB）、空気爆風遮断器、およびSF6遮断器が主に高電圧スイッチギアに使用されています。

真空遮断器は、現在まで真空技術が非常に高い電圧の短絡電流を遮断するのに十分でないため、この目的にはほとんど使用されません。SF6遮断器には2種類あり、単一圧力型SF6遮断器と二重圧力型SF6遮断器があります。単一圧力システムは現在の高電圧スイッチギアシステムの最先端技術です。現在、SF6ガスは、高電圧および超高電圧電力システムにおいて最も人気のあるアーク消火媒体となっています。ただし、SF6ガスは温室効果に寄与します。CO2よりも23倍強い影響があります。したがって、遮断器の寿命中におけるSF6ガスの漏れを防ぐ必要があります。SF6ガスの排出を最小限に抑えるために、N2 - SF6およびCF4 - SF6ガス混合物が将来、純粋なSF6の代わりに遮断器で使用される可能性があります。メンテナンス中に大気中にSF6ガスが漏れないように常に注意する必要があります。

一方、SF6遮断器は低メンテナンスという大きな利点があります。
高電圧スイッチギアは以下のカテゴリに分類されます。

ガス絶縁屋内型（GIS）、
空気絶縁屋外型。

また、屋外型空気絶縁遮断器は以下のようになります。

デッドタンク型遮断器
ライブタンク型遮断器

デッドタンク型CBでは、切替装置（遮断器の組み立て）は適切な絶縁支持体と共に接地電位の金属容器内に配置され、絶縁媒体で満たされます。ライブタンク型遮断器では、切替装置（遮断器の組み立て）はシステム電位にある絶縁ブッシング上に配置されます。ライブタンク型遮断器は安価で設置スペースが少なくて済みます。

前述のように、高電圧スイッチギアシステムでは主に3つの遮断器の種類が使用されます。空気爆風遮断器、SF6遮断器、油遮断器であり、真空遮断器はほとんど使用されません。

空気爆風遮断器

この設計では、高圧の圧縮空気の爆風を使用して、電流ゼロ時のアーク柱のイオン化が最少であるときに、2つの分離接触点間のアークを消去します。

油遮断器

これはさらに大量油遮断器（BOCB）と少量油遮断器（MOCB）に分類されます。BOCBでは、遮断ユニットは接地電位の油タンク内に配置されます。ここでは油が絶縁媒体と遮断媒体として使用されます。一方、MOCBでは、遮断ユニットを絶縁室に配置することで、絶縁油の需要を最小限に抑えることができます。

SF6 遮断器

SF6ガスは、今日の高電圧用途において広くアーク消火媒体として使用されています。六フッ化硫黄ガスは高電負性ガスであり、優れた絶縁性とアーク消火特性を持っています。SF6の高い絶縁性と絶縁特性により、より小さな全体寸法と短い接触ギャップを持つ高電圧遮断器の設計が可能になります。優れた絶縁性は、高電圧システムにおける屋内型スイッチギアの設計と構築を助けます。

真空遮断器

真空中では、電流ゼロ後の2つの分離された電流キャリーコンタクト間にさらなるイオン化はありません。初期のアークは次のゼロクロス時点で消えますが、一度電流が最初のゼロを越えた後はイオン化の余地がないため、アーク消火が完了します。しかし、アーク消火方法はVCBで非常に速いですが、高電圧スイッチギアにはまだ適していない解決策です。なぜなら、非常に高電圧レベルのVCBは全く経済的ではないからです。

高電圧遮断器の基本的な特徴

高電圧遮断器には、安全かつ信頼性の高い動作を確保するために以下の特徴を提供する必要があります。

端子障害。
短距離線路障害。
トランスフォーマーまたはリアクターの磁束電流。
長い送電線路の充電。
コンデンサバンクの充電。
相位の異なるシーケンスの切り替え。

端子障害

一般的に、電力システムに接続されている負荷は感応性のものです。このインダクタンスにより、短絡電流が遮断器によって中断された直後に、数百Hzの高周波振動を伴う高再起電圧が発生する可能性があります。この電圧には2つの部分があります。

アーク消滅直後の高周波振動を伴う過渡回復電圧。
この高周波振動が収束した後、CB接触点間に電源周波数の回復電圧が現れます。

過渡回復電圧

アーク消滅直後に、高周波の過渡回復電圧がCB接触点間に現れます。この過渡回復電圧は最終的に開回路電圧に近づきます。この回復電圧は以下の式で表すことができます。

振動の周波数は回路パラメータLとCによって制御されます。電力回路に存在する抵抗は、この過渡電圧を減衰させます。過渡回復電圧は単一周波数ではなく、電力ネットワークの複雑さにより多くの異なる周波数の組み合わせです。