110kV磁器柱SF6サーキットブレーカー用ガスヒーティング装置の設計と実装

高電圧遮断器は、電力システムにおいて最も重要な制御装置の一つです。高電圧遮断器の動作状態は、電力システムの安全かつ安定した運転に直接影響します。その中でも、屋外磁器支柱型SF₆遮断器は主なタイプの高電圧遮断器の一つです。SF₆は高い電気耐え強度と優れた消弧性能、絶縁能力を持っていますが、実際の応用では、河北省張家口市巴上地区のような極寒地域で低温によりSF₆ガスが液化しやすいことが判明しており、これによりSF₆ガスの圧力が低下する可能性があります。これは遮断器の低圧アラームを引き起こす可能性があり、さらにはロックアウト（遮断器の開閉が不可能になる状態）を引き起こすこともあります。これにより遮断器の切断能力と絶縁性能が大幅に影響を受けます。この問題に対処するために、本論文では110kV磁器支柱型SF₆遮断器用のガス加熱装置を設計しました。

1 磁器支柱型SF₆遮断器の低圧アラームとロックアウト状況

張家口市巴上地区では冬の気温が-30℃に達することがあります。巴上地区の変電所では、SF₆遮断器の低圧アラームやロックアウト障害が複数回発生しています。わずか1ヶ月間で低圧アラームが30回以上、ロックアウト障害が10回以上発生しており、電力網の安全かつ安定した運転に大きな潜在的な脅威となっています。研究によると、110kV磁器支柱型SF₆遮断器のアラームとロックアウト障害の主な原因は、SF₆ガス加熱装置がないことです。SF₆ガス室が外部環境に直接露出しているため、周囲温度が一定レベルまで下がると、SF₆ガスが液化し、ガス室の圧力が規定のアラームおよびロックアウト圧力値以下になります。

2 伝統的な解決策の問題点

現在、磁器支柱型SF₆遮断器の低圧アラームとロックアウト問題を解決する主な方法は以下の通りです：
(1) 遮断器に充填してガスタンク内のガス分子量を増やし、SF₆ガスの圧力を上げる方法です。しかし、この方法は極寒の天候では適用できません。補充されたSF₆ガスは低温高圧環境下で急速に液化し、圧力を上げることが難しいからです。遮断器内のSF₆の定格圧力は通常0.6MPaであり、-20℃でのSF₆の飽和蒸気圧も0.6MPaです。周囲温度が下がるとSF₆の飽和蒸気圧も下がります。つまり、極低温環境では、遮断器に充填してもSF₆ガスの飽和蒸気圧により充填ガスが急速に液化し、圧力を上げることは困難です。したがって、周囲温度が-20℃未満の場合、この方法では遮断器内の定格圧力を復元することはできません。
(2) 手動で遮断器のロックアウト回路を切り離し、遮断器を正常に開閉できるようにする方法です。しかし、この方法は遮断器が電気的ロックアウトの保護を失うことを意味し、遮断器内部のガス圧力が消弧または絶縁に必要な要件を満たさない場合、重大な事故が発生する可能性があります。また、労働コストも相対的に高いです。
(3) SF₆ガスを加熱することで寒冷地におけるSF₆遮断器の消弧媒体の液化問題を解決する方法です。遮断器の具体的な構造に基づいて対応する加熱装置をカスタマイズし、加熱によってSF₆ガスの動作温度を上げることで、低温環境でのSF₆ガスの液化を防ぎます。遮断器のガス加熱装置は一般的に周囲温度の変化に応じて自動的に加熱機能をオンオフすることができます。運用メンテナンス担当者は実際の周囲温度に応じて自動オンオフの温度設定値を設定できます。遮断器のロックアウト回路を手動で切断する方法と比較して、この方法は運用メンテナンスの労働コストを削減します。ただし、加熱装置の設置には高い人件費と物質費が必要であり、熱利用効率も比較的低いです。

3 磁器支柱型SF₆遮断器用の加熱装置

磁器支柱型SF₆遮断器の構造特性に基づいて、磁器支柱型SF₆遮断器用の加熱装置を設計しました。この装置は加熱モジュール、温度制御モジュール、電源モジュールの3つの部分から構成されています。

3.1 加熱モジュール

加熱装置の設置位置は非常に重要で、直接SF₆ガスの加熱効率に影響します。磁器支柱型遮断器は消弧室、支持磁器貫通部、操作機構、支持フレームなど複数の基本ユニットで構成されています。消弧室の下には2つの相互接続された支持磁器貫通部があり、これらはSF₆ガスで満たされています。支持磁器貫通部の主な機能は接地に対する絶縁を達成することです。そのため、磁器支柱型遮断器の設計時には一定の絶縁距離を維持し、セラミック材料の機械強度を確保する必要があります。これは磁器貫通部の外表面に導電性の加熱装置を設置できないことを意味します[5]。本論文では、加熱部として伝送室を選択しました。しかし、伝送室は不規則な形状をしており、従来の加熱装置は固定するのが難しく、また伝送室は磁器支柱型遮断器の基部に位置し、スペースが狭いため、従来の加熱装置は大きすぎて遮断器の伝送機構の正常な動作に影響を与える可能性があります。

張家口市巴上地区の磁器支柱型遮断器の特性に基づいて加熱モジュールを設計しました。加熱モジュールは加熱テープと抵抗線で構成されています。加熱テープは絶縁シリコーンゴム製で、背面には3M耐熱接着剤を使用し、前面に出口があります（図1）。抵抗線は加熱テープ内に巻き込まれています。絶縁シリコーンゴム製の加熱テープと3M耐熱接着剤は高温（AC220V）に耐えられ、形状と長さは現場の遮断器の伝送室の形状に応じて柔軟に選択できます。

図1は加熱モジュールの表裏面を示しています

3.2 温度制御モジュール

温度制御モジュールはセンサーと温度制御器で構成されています。具体的には、センサーは磁器支柱型遮断器のB相の加熱テープに設置され、磁器支柱型遮断器の伝送室の温度を測定し、温度データを温度制御器に送信します（図2）。温度制御器はJY-260マイクロコンピュータ温度制御器を使用し、この位置の温度を受信表示し、予め設定された温度閾値に基づいて加熱モジュールの起動停止を制御します（図3）。

図2 温度センサー

図3 サーモスタット

3.3 電源モジュール

電源モジュールには温度制御電源と強制起動電源が含まれており、図4に示されています。温度制御電源は温度制御器を通じて加熱モジュールに接続され、巴上地区の周囲温度に基づいて動作閾値が設定され、この閾値内で正常に動作します。強制起動電源は直接加熱モジュールに接続され、温度が温度制御電源の動作閾値以下の場合に起動します。

図4 温度制御電源

3.4 加熱装置の動作モード

磁器支柱型SF₆遮断器用の加熱装置には2つの加熱モードがあります。
(1) 温度制御モード：加熱装置は磁器支柱型遮断器のB相の加熱テープに設置されたセンサーを使用して、磁器支柱型遮断器の伝送室の温度を取得し、温度制御器に送信します。温度制御器は磁器支柱型遮断器の加熱テープの温度を受信表示し、予め設定された温度閾値に基づいて加熱モジュールを制御します。
(2) 強制起動モード：温度制御器をバイパスして、伝送室への連続加熱を行い、磁器支柱型遮断器内のSF₆ガスを加熱します。これにより、磁器支柱型遮断器の低圧アラームや液化したSF₆ガスによる切断能力の低下などの問題を回避できます。

4 結論

張家口市巴上地区で極寒の天候下で頻繁に発生する遮断器の低圧アラームやロックアウト問題に対処するために、本論文では110kV磁器支柱型SF₆遮断器用のガス加熱装置を設計しました。この装置は遮断器の安全かつ安定した運転を保証することができます。さらに、設置コストが低く設置時間が短いという利点があり、良好な普及価値があります。