高電圧SF₆遮断器は、変電所で最も広く使用されるスイッチギアです。それらの定期的な点検とメンテナンスは、電力システムの安定した運転を確保するために不可欠です。しかし、特に高電圧SF₆遮断器のメンテナンス中に、多くの危険点(例えば中毒、感電など)があり、作業者の個人安全に深刻な脅威となっています。この論文では、位置と安全制御技術の観点から分析し、変電所のメンテナンス作業の安全性を向上させ、事故率を低減することを目指しています。
1 動作原理と特性の分析
1.1 SF₆ガスの物理的・化学的性質
SF₆分子は1つの硫黄原子と6つのフッ素原子で構成され、原子量は146.06で、空気の5.135倍重いです。150℃以下では、SF₆ガスは良好な化学的不活性性を持ち、一般的な金属やプラスチックなどの材料とは化学的に反応しません。そのため、無色、無臭、非毒性、透明で燃えないガスとして認識されており、一般的には分解しにくい(変圧器油には溶けにくく、水にはわずかに溶ける)です。しかし、スイッチの開閉操作により、放電やアークの作用下でSF₆ガスは部分的に分解し、金属フッ化物、SOF₂、SO₂F₄などのガス状または粉状の分解生成物が形成され、これらは人体にとって非常に有害です。その中でも、アークの作用下でSF₆ガスが分解・解離(多原子構造を持つ分子が単原子または荷電粒子ガスに分解)し、内部の変化により熱伝導率と電気伝導率が強化されます。
1.2 高電圧SF₆遮断器の動作原理
SF₆遮断器は3つの垂直ポーセリン絶縁ユニットで構成され、それぞれにガス吹き付け消弧室があります。この設計により、遮断器はコンパクトでありながら、優れた絶縁性能と消弧性能を持っています。ガス吹き付け消弧室は高電圧SF₆遮断器の核心部品であり、パイプを通じて3つの消弧室にSF₆ガスが充填されています。遮断器が開くとき、制御可能接触が固定接触から分離し、アークが発生します。このとき、消弧室内のSF₆ガスがパイプを通じて急速にアークに向かって吹き付けられ、ガスの絶縁および消弧特性を利用して迅速にアークを消去します。さらに、ばね駆動機構とその単箱制御装置は、高電圧SF₆遮断器の接触部の動きを駆動および制御するための重要な部品です。通常、ばね、連結棒、伝達機構、マイクロプロセッサまたはプログラマブルロジックコントローラで構成されています。遮断器を開閉する必要があるとき、制御装置は指令を発し、ばね駆動機構が動作して可動接触を適切に動かします。
1.3 高電圧SF₆遮断器の性能特性
空気や変圧器油と比較して、SF₆ガスは高い絶縁強度、優れた消弧性能、小さな体積を持ち、高電圧電力分野での幅広い応用可能性があります。
- ブロッキング効果:ガス流の消弧効果を最大限に活用します。消弧室はサイズが小さく、構造が簡単で、切断電流が大きく、アーク時間も短く、容量性またはインダクティブ電流の切断時に再着火がなく、過電圧も低いです。
- 長寿命:50kAの全容量で19回連続して切断でき、累積切断電流は4200kAで、メンテナンス周期が長く、頻繁に操作される場面に適しています。
- 高い絶縁強度:0.3MPaで様々な絶縁試験を大差なしに通過できます。累積切断電流が3000kAに達した後でも、0.3MPaで各切断口は1分間250kVの商用周波数電圧を耐えられます。また、SF₆ガス圧がゼロゲージ圧まで低下しても、まだ商用周波数電圧166.4kVを耐えられます。
- 優れた密封性能:SF₆ガスの水分含有量は比較的少ないです。消弧室、抵抗器、支持部は独立したガス室に分割できるため、汚れや湿気が遮断器内部に入ることが防げます。
- 小規模な操作電力と滑らかなバッファリング:機構の作動シリンダーと消弧接点の伝達比は1:1で、機構の特性は安定しています。機構の特性の安定性は3000回(試験環境では10000回)に達し、動作音は90dB未満です。
2 変電所メンテナンス現場の危険点の分析
2.1 危険点の種類と特性
変電所メンテナンス現場の危険点は主に4種類に分けられます:電気的危害、機械的危害、化学的危害、環境要因。これらの危険点は直接または間接的にメンテナンス作業者の個人安全を脅かす可能性があります。
- 電気的危害:設備の絶縁損傷や操作ミスによって引き起こされ、主に高電圧とアークの形で現れます。遮断器は動作中に高電圧を帯びており、容量性およびインダクティブ効果があるため、開路状態でも残留電荷が存在し、感電による怪我につながる可能性があります。アークは高温を発生させ、火災を引き起こす可能性もあります。
- 機械的危害:主に設備の機械部品からの危害です。適切に操作やメンテナンスを行わなければ、回転または移動する部品によって挟まれたりぶつけられたりする可能性があります。
- 化学的危害:SF₆ガスは常温では安定していますが、アークやコロナ放電などの影響で分解を始めます。生成されたガスを吸い込むと、めまい、肺浮腫、さらには死亡につながる可能性があります。
- 環境的危害:雷雨や強風などの天候下でのメンテナンス作業は、メンテナンス作業の難易度を増すだけでなく、メンテナンス作業者にとって予測不能なリスクをもたらします。また、換気が悪くスペースが狭いメンテナンス環境では、現場でのメンテナンスの危陎性が高まります。
2.2 危険点の原因の分析
変電所メンテナンス現場の危険点の主な原因は、設備関連、人間関連、環境要因に分けられます。メンテナンス作業の回数が増えるにつれて、設備の摩耗が進み、電気性能が低下し、事故のリスクが高まります。
メンテナンス作業者の品質が均一でないため、一部の作業者は設備の構造や動作原理について十分な理解を持っておらず、実際の操作中に不注意となることがあります。たとえば、十分な警戒心がないと、作業者が意図せず帯電部に触れてしまったり、工具を使用する方法が不適切であったりすると、直接的に安全上の事故を引き起こす可能性があります。
SF₆遮断器の場合、危険は主にその化学的性質から生じます。特定の条件下で生成される有毒物質は、環境の制約により室内に蓄積しやすく、危険性がさらに高まります。
3 危険点の位置特定と安全制御技術
3.1 危険点の位置特定方法
- 光ファイバセンシング技術:光ファイバセンシング技術は優れた絶縁性能と電磁干渉耐性を持っています。SF₆遮断器の構造健康と電気パラメータを効果的に監視し、リアルタイムでデータを収集・分析し、潜在的な故障や安全上の危険を迅速に検出することができます。
- ワイヤレスセンサーネットワーク:多数のセンサーノードで構成されるワイヤレスセンサーネットワークは、主に環境パラメータ、設備状態、メンテナンス作業者の位置情報をリアルタイムで監視します。ネットワークは自己組織化、自己適応、干渉耐性の特徴を持ち、複雑かつ変化する現場環境に対応し、リアルタイムでの危険点の監視と位置特定を実現します。
- 機械ビジョンと赤外線熱画像技術:機械ビジョン技術は、現場の画像をキャプチャして分析することで、露出したケーブルや損傷した設備などの潜在的な危険点を識別および位置特定することができます。一方、赤外線熱画像技術は、設備の温度分布をリアルタイムで監視し、故障点や潜在的なリスク点を正確に位置特定することができます。
3.2 データ分析に基づく危険点予測モデル
現在、中国の電力網における主要なトレンドは、知能化、デジタル化、自動化、統合化であり、人工知能とビッグデータ技術の適用により、この発展過程が加速されています。SF₆遮断器のメンテナンスにおいて、データ分析に基づく危険点予測モデルが確立され、主に以下の4つのステップで構成されています:データ収集、データ前処理、特徴エンジニアリング、モデル訓練。
- データ収集:各種センサー、監視装置の運転記録などから取得されます。モデルの精度を向上させるために、可能な限り大量の包括的なデータを収集することが重要です。
- データ前処理:元のデータ(外れ値の検出と処理、データ変換など)を前処理し、データの品質を向上させ、後続の特徴エンジニアリングとモデル訓練の基礎を築きます。
- 特徴エンジニアリング:前処理が完了したら、大量のデータから危険点予測に有用な特徴を選択します。これらの特徴は、良好な判別力と予測力を有し、モデルの精度を向上させる必要があります。
- モデル訓練:SVM(サポートベクターマシン)は一般的に使用される分類と回帰分析の手法です。異なるカテゴリのデータを最適な超平面で分離し、二つのタイプのデータ間の分類間隔を最大化します。
3.3 安全制御技術戦略
位置特定技術の精度と実用性を向上させるため、ビッグデータと人工知能技術を活用し、機械学習アルゴリズムを適用して、変電所メンテナンス現場の危険点を知能的に識別および予測し、メンテナンス作業者により正確な位置情報を提供し、事故のリスクを低減する必要があります。変電所メンテナンス現場では、各種センサーからのデータを融合させることで、位置特定の精度とモデルの精度を向上させることが求められます。拡張現実(AR)技術を適用し、仮想情報と現実世界を統合することで、メンテナンス作業者が設備の構造をよりよく理解し、操作ミスの問題を解決することができます。関係者は、現場でのメンテナンス作業の管理を強化し、メンテナンス手順を厳格に遵守する必要があります(図1参照)。同時に、メンテナンス作業者の位置情報をリアルタイムで取得し、リアルタイムで監視して安全を確保するためのスマートウェアラブルデバイスを開発すべきです。
4 結論
変電所メンテナンス現場において、危険点を正確に識別および位置特定することは、SF₆遮断器メンテナンス現場の安全性を確保する鍵です。SF₆遮断器の動作原理と特性に関する深層研究により、メンテナンス過程における主な看過できない危険点が化学的因素であることが明らかになりました。リスクを効果的に対処するためには、新たな技術、新たな概念、新たな方法を用いて事前防止を行い、潜在的なリスクを事前に予測し、メンテナンス作業者に早期警告情報を提供し、メンテナンス作業の円滑な進行を確保する必要があります。