真空遮断器を正しく選択する方法？

01 序章

中圧システムにおいて、遮断器は不可欠な一次部品です。真空遮断器が国内市場を主導しています。したがって、正しい電気設計は真空遮断器の適切な選択から離れることはできません。このセクションでは、真空遮断器をどのように正しく選択するか、およびその選択における一般的な誤解について議論します。

02 短絡電流の遮断容量は過剰に高くする必要はない

遮断器の短絡遮断容量は過剰に高くする必要はありませんが、将来的な電力網の容量拡大により短絡電流が増加する可能性があるため、ある程度の余裕を持つべきです。しかし、実際の電気設計では、選択された遮断器の遮断容量がしばしば過剰に高いことがあります。

例えば、10kVシステム内のエンドユーザー変電所では、母線の短絡電流は通常10kA程度で、大容量システムでは最大でも16kA程度です。しかし、電気設計図では、真空遮断器の遮断容量が31.5kAまたは40kAと指定されることがよくあります。このような高い遮断容量は投資の無駄となります。上記の場合、20kAまたは25kAの遮断容量で十分です。現在、31.5kAの遮断容量を持つ真空遮断器は需要が高く大量生産されており、製造コストと価格が下がり、より広く採用されています。

電気設計において計算された短絡電流は一般的に高めに設定されます。これは、回路ループ内のシステムインピーダンスや接触抵抗が計算時にしばしば無視されるためです。もちろん、遮断器の遮断容量は可能な最大の短絡電流に基づいて選択する必要がありますが、短絡保護の設定値は最大の短絡電流に基づいてはなりません。

これは、短絡時にはアーチが発生しやすく、アーチ抵抗は非常に高いからです。設計計算では、短絡は純粋な金属三相短絡として扱われ、アーチや接触抵抗がないと仮定されます。実際の故障統計によると、80%以上の短絡は単相であり、短絡イベント中にアーチが存在することが多いです。そのため、実際の短絡電流は理想的な計算値よりも大幅に低くなります。

保護設定値が高すぎると、保護の感度が低下したり、瞬時保護が動作しないことがあります。実際には、遮断器が遮断できないという問題ではなく、設定値が高すぎるために保護要素が動作しないという問題がよく起こります。また、純粋な金属三相短絡はほとんど発生せず、メンテナンス後に接地線を取り外さずに遮断器を閉じた場合にのみ発生します。しかし、接地は通常接地スイッチや接地トロリーを使用して行われ、連鎖機能も設けられているため、純粋な金属短絡は極めて稀です。

電気施工図では、主入力遮断器の遮断容量がフィーダー遮断器よりも一段階高いことがよく見られます。これは不要です。主遮断器は母線の短絡故障を処理し、フィーダー遮断器はそれぞれの回路の故障を処理します。しかし、フィーダー遮断器の負荷側近くでは、母線に近いため、短絡電流は母線の短絡電流と大きく変わりません。したがって、主遮断器とフィーダー遮断器の遮断容量は同じであるべきです。

03 電気寿命と機械寿命の要求は過剰に高くする必要はない

ここで述べる電気寿命とは、定格または部分負荷電流での一定間隔での開閉回数ではなく、維持保全なしで短絡電流を遮断できる回数を指します。これに関する国標準はありません。一般的にメーカーは30回の遮断を設計しています。一部のメーカーの製品は50回まで対応しています。ユーザープロジェクトの入札書類では、短絡遮断回数に対する過剰な要求がよく見られます。例えば、ある入札書類では、12kVライン保護用真空遮断器に対して、定格短絡電流を100回遮断し、機械寿命が10万回、定格電流遮断が2万回と要求していました。これらの要求は不合理です。

過剰な短絡遮断回数は不要です。短絡障害は重大な電気事故です。各回の発生は深刻な事故として扱い、根本原因分析と再発防止措置が必要です。したがって、遮断器の有効使用期間中、短絡障害を遮断する回数は数回程度です。系統電圧が高いほど短絡による損傷は大きくなりますが、発生確率は低くなります。従って、中圧遮断器が30回の短絡遮断をこなせれば十分です。短絡遮断試験は高コストがかかります。12kV真空遮断器の場合、現在の短絡遮断試験1回あたり約10,000元かかります。過剰な試験は高コストがかかり、不要です。

成功した遮断回数が多い方が遮断能力が高いと考えるのは別の誤解です。真空遮断器の短絡遮断試験の鍵は最初の10回の操作にあります。最初の10回の試験で規定の電流を遮断できれば、その後の性能は一般的に信頼できます。型式試験の統計データによると、最初の10回の遮断で失敗する確率が最も高く、遮断回数が増えるにつれて徐々に減少します。30回の遮断後、その後の試験で失敗する確率はほぼゼロです。したがって、30回遮断できることは50回遮断できないことを意味するわけではなく、さらに試験する必要がないということです。

真空遮断器の機械寿命については、過剰な要求は不要です。M1クラスは本来2,000回以上、M2クラスは1万回です。現在、メーカーは機械寿命を競っています。一つは2万5千回、別の一つは10万回と主張しています。入札プロセスでは、参加者が機械寿命の値を比較しますが、配電用真空遮断器にとっては意味がありません。ただし、モーターやアーク炉、自動コンデンサ補償回路の頻繁な切り替えなど特定の用途では、真空コンタクタの方が適しています（中圧コンデンサバンクの切り替えにはSF6遮断器が一般的です）。コンタクタの機械寿命と電気寿命は100万回以上で、電気寿命は定格電流遮断で測定され、短絡電流ではありません。遮断器では機械寿命を競う必要はありません。

04 他の電気パラメータに対する過剰な要求

遮断器の短時間耐えられる電流とは、故障時の短絡電流の熱ストレスに耐えられる能力を指します。これは温度上昇とは異なります。温度上昇試験では、遮断器に定格または規定の電流を長時間通し、各点での温度上昇が規定値を超えないことを確認します。遮断器の短時間耐えられる電流は通常3秒間テストされます。

この時間内に、短絡電流によって発生する熱が遮断器を損傷しないようにしなければなりません。3秒間の熱耐えられる能力は十分です。これは、短絡が発生した後、選択性を確保するために意図的な遅延が含まれることがあります。時間ベースの保護では、隣接する遮断器間で0.5秒の遅延が選択性を確保します。レベルが2つ異なる場合は遅延が1秒、3つ異なる場合は1.5秒です。3秒間の耐えられる能力はすでに十分です。しかし、一部のユーザーまたは設計者は5秒間の熱耐えられる能力を要求することがありますが、これは本当に必要ありません。

遮断器の閉鎖過程で可動接点と固定接点がバウンスする可能性があります。バウンス時間が長すぎたり、三相の閉鎖非同期が大きすぎると、接点間にブレイクダウンと再起動が発生する可能性があります。再起動は回路内で充放電過程を引き起こし、過電圧の急峻さと振幅を増加させます。この過電圧は接点再起動過電圧と呼ばれています。

その危陞性は真空遮断器の電流切断過電圧を超え、変圧器やモーターの巻線間絶縁を脅かすこともあります。したがって、接点バウンス時間と三相非同期は2msを超えてはなりません。現在の遮断器パラメータはこの要件を満たすように製造されています。しかし、一部のユーザーは2ms未満、さらには1ms未満を要求することがありますが、これは現在の技術能力を超えています。

05 真空遮断器の開始電流が過剰に高いことによるネガティブな問題

中圧真空遮断器の開始定格電流は630Aです。現在、一部のメーカーは630A版を生産せず、最小の開始電流が1250Aに増加しています。これは真空遮断器の製造に関連していますが、一連のネガティブな結果をもたらします。真空遮断器の開始電流が高すぎると、これらの遮断器を組み込んだ真空遮断器は遮断器の電流定格に合わせなければなりません。

その結果、ポール柱、ポール柱上のプラグイン接点、スイッチギア内の固定接点などの関連部品すべても遮断器の電流定格に合わせなければなりません。これにより、多くの場合、非鉄金属材料の浪費が生じます。例えば、12kV真空遮断器が1000kVAの変圧器に供給する場合、10kV側の定格電流はわずか57.7Aです。しかし、真空遮断器の開始電流が1250Aであるため、遮断器は1250Aの定格を持たなければならず、遮断器のアクセサリも少なくとも1250Aの定格を持たなければならず、スイッチギア内の固定接点も1250A以上の定格を持たなければならないため、非鉄金属の浪費が大きくなります。

さらに悪いことに、ユーザーまたは設計者はスイッチギアの主導体の電流容量が遮断器の電流容量と一致する必要があると主張します。つまり、導体の電流容量は1250Aで設計されます。実際には、60Aの容量で十分であり、回路導体の最小断面積が動的および熱安定性チェックを通過すれば、材料の節約に大きな余地があります。