高圧SF6サーキットブレーカーの現状と発展動向

高圧遮断器、または高圧スイッチとも呼ばれる装置は、十分な切断能力と消弧能力を備えています。これは、高圧回路の無負荷電流や負荷電流を切断・閉じることができ、またシステムに障害が発生した場合、保護装置や自動装置と協調して素早く障害電流を切断し、停電範囲を減らし、事故の拡大を防ぐことができます。これは、電力システムの安全な運転を確保する上で非常に重要な意義があります。

高圧遮断器は、油遮断器、圧縮空気遮断器、真空遮断器、SF₆遮断器を経て進化してきました。その中で、最初の2種類は徐々に淘汰され、残りの2種類と比較してSF₆遮断器がより一般的に使用されています。SF₆遮断器は1970年代初頭から広く採用されました。これは六フッ化硫黄を消弧媒体として使用しています。このタイプの遮断器は大きな切断能力を持っています。自由切断条件下では、他の遮断器と比べて約10倍の切断能力があります。これは電力システムの安定かつ安全な運転において重要な役割を果たしており、また経済的および社会的利益の面でも大きな意義があります。

1. SF₆遮断器の性能

SF₆遮断器は、SF₆ガスを絶縁媒体および消弧媒体として使用する無油切替装置です。その絶縁性能と消弧特性は油遮断器よりも大幅に高いです。六フッ化硫黄遮断器には以下の特徴があります：

• 強力な消弧能力、高い絶縁強度、単位破断口の高い耐電圧値。そのため、同じ定格電圧レベルでも必要な直列破断口の数が減少し、製品の経済性が向上します。

• 長い電気寿命。50kAの全容量で19回連続切断でき、累積切断電流は4200kAに達します。メンテナンス周期が長く、頻繁な操作に適しています。

• 優れた切断性能。SF₆ガスの電子親和力により、自由電子を吸着する能力が強く、SF₆内で形成されるアークは「アーク柱構造」（アーク芯とアーク鞘）の形成に有利です。イオン化プラズマの拡散が制限され、効果的なイオン再結合が可能になります。切断電流は80-100kA、さらには200kAに達し、消弧時間は通常5-15msです。同時に、逆相切断、近傍障害、無負荷長距離線路、変圧器の無負荷条件での切断性能も良好です。

• 高い絶縁性能。SF₆の絶縁強度は空気の約5-10倍です。

• SF₆ガスは無色、無臭、無毒、非可燃性であり、非常に安定したガスで、他の物質と反応しにくいです。また、遮断器が開いた際のアーク加熱による圧力上昇は極めて小さく、信頼性のある動作を保証し、爆発事故を防止します。

2. 高圧SF₆遮断器の発展
2.1 二重圧力型SF₆遮断器

遮断器内部には2つのSF₆ガスシステム（高圧システムと低圧システム）が設置されています。開閉過程中にのみ、ブローバルブの制御によって高圧室から低圧室へ高圧ガス流れが形成されます。切断完了後、ブローバルブが閉じられます。消弧室の原理は、高圧室と低圧室間にガスコンプレッサーとパイプが接続されており、高圧室のガス圧力が低下したり、低圧室のガス圧力が一定の限界まで上昇すると、ガスコンプレッサーが起動し、低圧室のSF₆ガスを高圧室に送り込み、自動閉ループガスシステムを形成します。

2.2 単一圧力型SF₆遮断器

単一圧力構造はシンプルで幅広い環境温度に対応できます。ガス圧縮型も発展過程を経ています：消弧吹き付けに関して、第一世代の単一圧力型は単吹き構造で、切断電流が小さい（通常31.5kA）且つ破断口電圧も低い（通常170kV）。第二世代の単一圧力型は双吹き構造で、切断電流が（40-50kA）に増加し、破断口電圧は依然として低い。通常252kV製品は双破断口を持っています。第三世代の単一圧力型は双吹き構造に熱膨張効果（混合消弧）を補完しており、切断電流が大きく63kAに増加し、破断口電圧が高い。単一破断口で252kV、363kV、420kV、さらには550kVに達します。

単一圧力型の発展は、消弧室の観点からは小さなガス圧縮ピストンを採用しました。消弧室内のピストンの縮小により以下のような利点があります：

• 製品の切断過程における全体運動系の質量が減少します。

• 製品の動作パワーが減少します。

• 製品のバッファリングが容易になり、機械寿命が長くなります。

2.3 自己エネルギー型SF₆遮断器

自己エネルギー型SF₆遮断器には2つの消弧原理があります：熱膨張原理とアーク回転原理。現在、ほとんどの自己エネルギー型遮断器は熱膨張原理を利用しています。自己エネルギー原理とは、アークエネルギーを利用して拡張室内のSF₆ガスを加熱し、圧力を生成し、ガス流れを形成し、アークを消去することです。ただし、小電流の切断時には、アークエネルギーが小さいため、ガスを圧縮して補助吹きを行うために小さなピストンが必要です。動作パワーの大幅な削減により、シンプルな構造のスプリング駆動機構を使用できます。熱膨張型は現在第二世代に発展しています。第一世代の製品は、消弧に必要なガス圧縮エネルギーを削減することで動作パワーを削減しています。ガス圧縮ピストンの直径は最大障害電流の30%の切断に設計され、運動質量も小さく、動作パワーを削減しています。第二世代の製品はさらに熱膨張効果と切断性能を改善し、キャパシティブ電流の切断性能を向上させるとともに、動作パワーをさらに削減しています。

2.4 知能型SF₆遮断器

現代の高圧遮断器のもう一つの特徴は、知能化であり、伝統的な電気機械システムからコンピュータを中心とした現代的な知能システムへと進化しています。現在、高圧遮断器のオンライン検出内容は以下の通りです：

• SF₆ガス;

• 動作機構システム;

• リリース;

• 制御および補助回路;

• 電力伝送チェーン。

これらの検出により、障害の90%以上を発見することができます。オンライン検出により、遮断器の定期的なメンテナンスをリアルタイムの状態ベースメンテナンスに変えることができます。

3. 磁器支柱型とタンク型SF₆遮断器とその応用

中国は1970年に初めてSF₆遮断器を導入しました。東北電力管理局が国外からSiemens製のH-912型220KV二重圧力磁器支柱型SF₆遮断器3台を輸入し、瀋陽の胡石台一次変電所に設置しました。これらは現在も良好に稼働しています。

高圧六フッ化硫黄遮断器は、その構造により磁器支柱型とタンク型に分類されます。両者を比較すると、それぞれ独自の特徴があります：

• 磁器支柱型とタンク型の高圧SF₆遮断器はどちらも高電圧および大容量の要求を満たすことができます。磁器支柱型の消弧室は絶縁支持体に設置され、消弧室を直列に接続し、適切な高さに設置することで任意の定格電圧値を得ることができます。絶縁支持体は主に磁器支柱ですが、有機複合支持体も登場しています。タンク型の消弧室は接地電位に接続された金属タンク内に設置され、高電圧下では各相ごとに複数の消弧室を直列に接続し、同一タンク内に設置する必要があります。

• 電流変換器の設置。電流変換器の設置に関して、磁器支柱型遮断器は不利です。磁器支柱型の消弧室は絶縁子内に設置され、絶縁支持体の上部にあるため、電流変換器は別の絶縁支持体に個別に設置する必要があります。しかし、タンク型遮断器のブッシング型電流変換器はタンク型遮断器のブッシングに設置できます。一部の応用シーンでは、遮断器には電流変換器を装備する必要がなく、特にキャパシタバンクや並列リアクトルの切り替えスイッチとして使用する場合、磁器支柱型の価格はタンク型遮断器の60%程度であり、多破断口を使用することで再突入に対する耐性が向上します。

• 外部耐電圧能力。外部耐電圧の観点から、磁器支柱型遮断器の複数直列消弧室は任意の定格電圧値を満たすことができますが、その外部絶縁耐電圧能力は消弧室自体の長さに制限されます。一方、タンク型遮断器は必要な耐電圧能力を持つための破断口数を削減することができれば、絶縁ブッシングを製造することができます。したがって、タンク型遮断器は単一破断口で550kV/63kA、二重破断口で1100kV/50kAを達成できます。

• SF₆ガスの消費量。SF₆ガスの消費量に関して、磁器支柱型はタンク型に優れています。タンク型遮断器のガス消費量は磁器支柱型よりも大幅に多いです。

• 環境適応性。環境適応性の観点から、大容量のタンク型遮断器はその利点を示します。タンク型遮断器にはヒーターを設置できますが、磁器支柱型には設置できません。

• 耐震性。耐震性の観点から、タンク型遮断器は磁器支柱型よりもはるかに優れています。磁器支柱型遮断器は重心が高いため、耐震性が劣ります。

• 価格比較。価格に関して、同じ容量の場合、磁器支柱型遮断器はタンク型よりも優れています。一般に、タンク型遮断器の価格は磁器支柱型遮断器（SF₆変圧器などの外部電流変換器付き）の約20%高いです。

4. SF₆遮断器の運転と保守に注意すべき事項

ガス漏れを厳密に制御し、湿気や水分が箱内に入らないようにするために、加工技術と材料要件は一般的な高圧電気機器よりも高い水準が求められます。同時に、特別なSF₆ガスシステムが必要となります。これには密封性能の良いバルブ、漏洩検出装置、ガス回収装置、圧力監視装置などが含まれます。また、金属の大量消費により、製造の複雑さも増します。

純粋なSF₆ガスは無色、無臭、無毒、非可燃性です。しかし、六フッ化硫黄の合成過程で低フッ素化合物が生成され、これらは有毒です。遮断器内のガスはアークの高温により分解され、解離とイオン化を通じて高度に有毒なガスを生成します。したがって、遮断器には吸着剤が設置され、活性アルミニウムが充填され、これらの有毒ガスを吸収します。

それでも、保守時に中毒を防ぐため特別な注意が必要です。作業前にガスを完全に排出しなければなりません。不快な臭いがまだ感じられる場合は、ガスマスクとゴム手袋を着用してください。また、アーク分解産物には金属フッ化物も含まれており、粉末状で遮断器内に散在しています。これらの粉末は高毒性の物質ではありませんが、清掃時に吸入しないよう注意が必要です。

5. 結論

電力システムの電圧が継続的に増加するにつれて、磁器支柱型もタンク型もSF₆遮断器は技術の進歩とともに進化しています。特に近年、自己エネルギー消弧原理が開発され適用され、つまり高圧を用いてガス吹きを形成してアークを消去します。破断口の数が減少し、材料の消費量も削減されます。

SF₆ガスの相対的に高い価格とその適用、管理、運転に対する高い要求により、中圧（35kV、10kV）では広く適用されていません。一般的に、高圧SF₆遮断器には広い応用可能性があり、技術の研究開発と製品のアップグレードは大きな経済的および社会的利益をもたらします。