エアブラスト回路遮断器：動作原理、利点、および種類

エアブラスト回路遮断器は圧縮空気またはガスを消弧媒体として使用します。圧縮空気はタンクに貯蔵され、必要に応じてノズルから放出されて高速ジェットを生成します。このジェットは、回路遮断器が電流を遮断する際に形成されるアークを消去するために重要な役割を果たします。

エアブラスト回路遮断器は、中高電圧範囲での屋内用途に広く使用され、中程度の切断能力を持っています。通常、15 kVまでの電圧と2500 MVAの切断容量に適しています。さらに、現在では220 kVの線路用の高電圧屋外開閉所でも使用されています。

二酸化炭素、窒素、フロン、水素などの様々なガスが消弧媒体として使用できる可能性がありますが、圧縮空気がガスブラスト回路遮断器の選択肢として優先されています。その理由は以下の通りです：

• 窒素：圧縮空気と同等の遮断能力を持ち、パフォーマンス面で特に優れた利点はありません。

• 二酸化炭素：その主要な欠点は流量制御の難しさです。バルブや他の狭い通路で凍結する傾向があり、これが回路遮断器の正常な動作を妨げることがあります。

• フロン：高い絶縁強度と優れた消弧特性を持ちますが、非常に高価です。また、アークにさらされると酸性物質に分解し、設備や周囲環境にリスクをもたらす可能性があります。

エアブラスト回路遮断器は以下の望ましい特徴を持っています：

• 高速動作：大規模な相互接続された電力網において、システムの安定性維持が最も重要です。エアブラスト回路遮断器はトリガーインパルスの放出と接触部の分離までの時間間隔が非常に短いため、この点で優れています。この迅速な反応により、障害が全体的な電力網に与える影響を最小限に抑えることができます。

• 頻繁な操作への適合性：油を使用する回路遮断器とは異なり、エアブラスト回路遮断器は繰り返しの切り替えに耐えられます。油がないため、電流を通す接触面の摩耗も最小限です。ただし、頻繁な切り替えが必要な場合は、圧縮空気の連続的かつ十分な供給を確保することが重要です。

• メンテナンスの軽減：繰り返しの切り替えにも対応できるため、メンテナンス要件が減少します。これによりメンテナンスコストが削減され、回路遮断器の信頼性と可用性が向上します。

• 火災危険の排除：エアブラスト回路遮断器には油が含まれていないため、油充填回路遮断器に関連する火災のリスクが完全に排除され、電気設置にとってより安全な選択肢となります。

• 小型化：エアブラスト回路遮断器における絶縁強度の急速な増加により、アーク消去に必要な最終ギャップが大幅に小さくなります。このコンパクトな設計により、装置のサイズが小さくなり、電力システムに容易に統合でき、スペースを節約することができます。

アーク消去の原理

エアブラスト回路遮断器は追加の圧縮空気システムに依存して、エアレシーバーに空気を供給します。回路遮断器を開く必要がある場合、圧縮空気はアーク消去室に導かれます。この高圧の空気は可動接触部に力を及ぼし、それらを分離させます。接触部が引き離されるにつれて、エアブラストはアークによって形成されたイオン化ガスを吹き飛ばし、効果的にアークを消去します。

アークは通常、1つ以上の周期内で消去されます。アーク消去後、アーク室内には高圧の空気が満たされ、再着火を防ぎます。エアブラスト回路遮断器は外部消去エネルギー型に分類されます。アークを消去するために使用されるエネルギーは、遮断される電流とは独立して高圧の空気から得られます。

エアブラスト回路遮断器の種類

すべてのエアブラスト回路遮断器は、ブラストバルブを開くことによって作られるアーク形成風流中に接触部を分離する原理で動作します。形成されたアークはすぐにノズルを通じて中心に固定され、一定の長さで最大の風力を受けます。圧縮エアブラストの方向に基づいて、エアブラスト回路遮断器は3つのタイプに分類されます：

• 軸流式エアブラスト回路遮断器：このタイプでは、風流はアークに対して並行であり、その長さに沿って長手方向に流れます。軸流式エアブラスト回路遮断器は単一ブラスト式または二重ブラスト式にさらに分類できます。一部の二重ブラスト式では、エアブラストがノズルまたは接触部間の空間に放射状に流れ込む配置もあり、主に軸流式デザインの概念ですが、これらの配置は時に放射ブラスト回路遮断器と呼ばれます。

上記の図は、エアブラスト回路遮断器の基本構造と動作を示しています。通常の運転条件下では、固定接触部と可動接触部はスプリングによって押さえられた閉鎖状態にあります。エアレシーバータンクはエアバルブを介してアーク室内に接続されています。このバルブは三重インパルス機構によって動作し、障害または電流遮断が必要なときに開きます。

電力系統に障害が発生すると、トリッピングインパルスが行動の触媒となります。このインパルスはエアバルブを活性化し、エアレシーバーをアーク室内に接続するバルブを開きます。レシーバーからの高圧の空気がアーク室内に流入すると、可動接触部に大きな力が及びます。空気圧が通常接触部を閉じているスプリング力よりも大きくなると、可動接触部が分離し始め、電流遮断とアーク消去のプロセスが始まります。

高速の空気圧により接触部が分離すると、接触部間にアークが形成されます。この高速の空気はアークの長さに沿って軸方向に流れ、アーク周辺の熱を効果的に取り除きます。電流がゼロに近づくにつれて、この継続的な熱抽出によりアークの直径が大幅に縮小します。電流がゼロになる瞬間にアークが遮断されます。その後、新しい空気がノズルを通じて接触部間に満たされます。この新鮮な空気の流れにより、接触部間に存在していた高温のイオン化ガスが除去され、接触部間の絶縁強度が急速に回復し、アークの再着火を防ぎます。

横流式エアブラスト回路遮断器

横流式エアブラスト回路遮断器では、アーク消去機構の動作が異なります。ここでは、アークブラストがアーク自体に対して直角に向けられます。下の図は、このタイプの回路遮断器で使用される横流式の原理を模式的に示しています。可動接触アームが密閉空間内で駆動されると、アークが生成されます。すぐに横方向のエアブラストがアークをスプリッタープレートに向かって推進します。スプリッタープレートはアークを小さなセグメントに分割し、そのエネルギーを分散します。この過程によりアークが弱まり、電流がゼロ通過後に再着火するエネルギーがなくなるため、電気回路の遮断が成功します。

抵抗切替とエアブラスト回路遮断器の欠点

抵抗切替

通常、エアブラスト回路遮断器では抵抗切替は絶対的に必要ではありません。アークが消去されると、それ自体がある程度の抵抗を作り出し、一時的な再着火電圧を制御します。ただし、特定の用途で追加の抵抗が必要と判断された場合は、アークスプリッター部に抵抗を接続することで組み込むことができます。この追加抵抗により、電圧過渡に対する追加の制御層が提供され、特定の条件下での回路遮断器の性能が向上します。

エアブラスト回路遮断器の欠点

エアブラスト回路遮断器の主要な制約の一つは、正確な圧力での圧縮空気の連続供給が必要であることです。この供給を確保するためには、多くの場合、2台以上の圧縮機を備えた大規模な設備が必要です。この複雑な圧縮プラントの維持管理は簡単ではなく、圧縮機の効率的な稼働と機械的な問題の対応に定期的なメンテナンスが必要です。

さらに、パイプ接続部での空気漏れは永続的な問題です。微小な漏れでも徐々に空気圧が低下し、回路遮断器の性能に悪影響を与える可能性があります。これらの漏れの検出と修復は時間がかかり、労力も必要です。これらのメンテナンス上の課題と高度な空気供給システムの必要性により、運用コストが高くなります。

オイルや他のタイプの空気遮断回路遮断器と比較して、エアブラスト回路遮断器は低電圧用途では特に高価です。圧縮空気生成のための広範なインフラと関連するメンテナンス費用により、低電圧が関わるシナリオではコスト効果が低く、そのような文脈での広範な使用が制限されます。