高圧SF6回路遮断器のエネルギーストア障害による閉鎖コイルの焼損の分析と改善

高電圧SF₆遮断器は、三相交流50Hzの屋外高電圧電気設備です。自己エネルギー消弧室構造を採用し、スプリング操作機構を装備しています。これらの遮断器は構造が単純で操作が便利、安全性と信頼性が高いという特徴があり、広く送電線路と配電線路の制御と保護に使用され、また連絡型遮断器としても使用できます。

ある変電所の110kVシステムでは、このタイプの遮断器を使用していますが、運用年数が増えるにつれて二次回路の欠陥が徐々に明らかになっています。特に、エネルギーストア回路の問題により閉鎖コイルが焼損する故障が頻繁に発生しています。本記事では、このタイプの遮断器の運転中に発生した特殊な故障を例に分析を行い、対応する改善策を提案します。

1 故障現象

220kV変電所の110kV SF₆遮断器は、エネルギーストア装置としてスプリング操作機構を使用しています。遮断器が開状態で、閉鎖電気回路が正常であることを示す場合、運転員は閉鎖操作信号を送ります。しかし、遮断器は閉鎖せず、さらに閉鎖コイルが焼損します。すべての閉鎖条件が満たされているときに、なぜこのような特殊な故障が発生するのでしょうか？同様の故障の再発を防ぐためには、真剣な研究と分析が必要です。

2 故障分析

このタイプの遮断器の閉鎖制御回路において、YFは「ローカル/リモート」転換スイッチ（図1参照）です。リモート閉鎖が必要な場合、操作電源の正極はC7→YF接点3-4→反跳防止補助リレー52Yの常時閉接点31-32→スプリングエネルギーストアリレー99CNの常時閉接点21-22→リレー49MXの常時閉接点31-32→閉鎖スプリング状態監視リレー33HBXの常時閉接点31-32→遮断器の常時閉補助接点1-2および5-6→閉鎖コイル52C→SF₆ガス低圧ロックリレー63GLXの常時閉接点31-32→操作制御電源の負極へとつながります。閉鎖コイル52Cに電源電圧が加えられると、電磁石が動作して遮断器が閉鎖されます。

上記回路分析に基づいて、閉鎖コイル52Cに電力が供給されるには以下の4つの条件を満たす必要があります：

•  52Y、49MX、33HBXのコイルが非励磁であり、その常時閉接点31-32が閉鎖制御回路に接続されていること；

• 99CNのコイルが非励磁であり、その常時閉接点21-22が閉鎖制御回路に接続されていること；

• 52Bが開位置にあり、その常時閉補助接点1-2および5-6が閉鎖制御回路に接続されていること；

• SF₆ガスリレー63GLXの常時閉接点31-32が閉じて、閉鎖制御回路に接続されていること。

分析によれば、上記すべての条件が満たされた場合、制御電圧がコイルに供給され、閉鎖コイルが焼損することがわかります。シャーシを最初に検査すると、SF₆ガス圧力計は正常を示しているものの、閉鎖スプリングの機械的表示はエネルギーストアがないことがわかります。エネルギーストアがないのに、なぜ閉鎖回路が導通するのでしょうか？そのため、閉鎖スプリングエネルギーストア回路のさらなる検査が必要です。

図1のモーターエネルギーストア回路から、この遮断器の閉鎖スプリングが非励磁の場合、遮断器機構の背面に設置されたエネルギーストアリミットスイッチ33HBの常時閉接点C-NCが99CNおよび33HBXリレーを同時に制御し、直流制御電源の正極に接続します：

• スプリングエネルギーストアリレー99CNが励磁して動作し、その電源がモータ回路に接続され、閉鎖スプリングが電気的にエネルギーストアされます。同時に、99CNの常時閉接点21-22が閉鎖制御回路で切断され、スプリングエネルギーストア中の遮断器の誤閉鎖を防ぎます。

• 閉鎖スプリング状態監視補助リレー33HBXのコイルが励磁すると、閉鎖制御回路に接続された33HBXの常時閉接点31-32が切断されます。これにより、スプリングエネルギーストア中の遮断器の二次閉鎖回路が開位置となり、99CNの常時閉接点21-22との確実な二重ロック機能を確保します。

エネルギーストアが完了すると、エネルギーストア機構の機械部品がエネルギーストアリミットスイッチ33HBの常時閉接点C-NCを切断します。99CNおよび33HBXのコイルが非励磁になり、エネルギーストアが終了します。99CNの常時閉接点21-22と33HBXの常時閉接点31-32が閉鎖制御回路に接続されます。部品配線図の接点の機能から、99CNおよび33HBXリレーが励磁かつ動作している場合にのみ、閉鎖回路がロックされます。したがって、上記分析に基づき、エネルギーストアリミットスイッチ33HBの常時閉接点C-NCの故障がモーターのエネルギーストア不能の原因であると判断されます。

メンテナンス担当者は現場で遮断器機構の後部カバーを開け、エネルギーストアリミットスイッチを取り外しました。検査と測定の結果、エネルギーストアプロセス中にエネルギーストアリミットスイッチ33HBの内部接点が破損し、その常時閉接点C-NCを通じて電源が通過しなくなったことがわかりました。そのため、99CNおよび33HBXのコイルに電源が供給されず、99CNコンタクターが動作せず、エネルギーストアモーターへの電源接続ができませんでした。一方、99CNの常時閉接点21-22と33HBXの常時閉接点31-32が長期間閉鎖回路に接続されました。遮断器のスプリング機構が非励磁であり、二次閉鎖回路が導通していたため、遮断器は正常に閉鎖できず、閉鎖コイルも焼損しました。

3 対処と改良

エネルギーストアリミットスイッチの単純な交換だけでは、本記事で述べられている特殊な故障を根本的に解決することはできません。設計が不合理で連動機構が不完全なため、エネルギーストアリミットスイッチが故障すると、閉鎖回路に故障が生じます。そのため、以下のようにエネルギーストアおよび閉鎖制御回路を改良します：
(1) エネルギーストアリミットスイッチ33HBは、一組の常時閉接点と一組の常時開接点で構成され、両方の接点が機械的に連動しています。トラベルスイッチの特性に基づき、以下の改良を行います：33HBの常時閉接点C-NCを99CNのコイルに接続します（図2参照）。この改良により、エネルギーストア中の遮断器の閉鎖回路が切断され、閉鎖できない機能が維持されます。33HBの常時開接点O-NOを33HBXのコイルに接続します。スプリングエネルギーストアが完了すると、33HBの常時開接点O-NOが閉じて33HBXのコイルに接続されます。同時に、閉鎖制御回路に接続された33HBXリレーの常時閉接点31-32を除去し、代わりに33HBXの常時開接点43-44を使用します。この改良により、一組の接点が二つのリレーを制御する方式から、各一組の接点が一つのリレーを制御する方式に変わります。これにより、非エネルギーストアおよびエネルギーストア中には閉鎖制御回路が導通しないようにします。スプリングエネルギーストアが完了し、33HBXのコイルが励磁して常時開接点43-44が閉じた場合にのみ、閉鎖制御回路が接続されます。同時に、エネルギーストアリミットスイッチの長期負荷を減らし、寿命を延ばします。
(2) 時間リレーTを追加します。33HBXリレーの常時閉接点31-32を時間リレーのコイルと直列に接続し、時間リレーの動作時間限界を15秒に設定します。これは、遮断器のスプリングエネルギーストア時間よりも少し長いものです。時間リレーを追加することで、以下の効果が得られます：スプリングが非励磁の15秒間およびエネルギーストア中の間、33HBXのコイルは非励磁で、常時閉接点31-32が閉じ、時間リレーがエネルギーストアなしの信号を送信します。スプリングエネルギーストアが完了すると、33HBXが励磁して動作し、常時閉接点31-32が切断され、時間リレーはエネルギーストアなしの信号を停止し、エネルギーストア成功を示します。

4 結論

本記事では、110kV SF₆遮断器の制御回路の欠陥を修正することに焦点を当てています。エネルギーストアリミットスイッチの常時開接点を99CNのモータ制御回路に直列に接続し、閉鎖制御回路に直列に接続された33HBXリレーの常時閉接点を常時開接点に置き換えます。これにより、機械部品がエネルギーストアリミットスイッチ33HBを押すとき、つまりスプリングエネルギーストアが完了し33HBXリレーが動作したときにのみ、閉鎖制御回路が接続されます。

また、時間リレーの追加により、エネルギーストア信号の警報機能が提供されます。改良後の遮断器の閉鎖制御回路は、配線が簡潔かつ信頼性が高く、運転員がエネルギーストアの有無を迅速に判断できるようになります。これにより、エネルギーストア不足によるコイル焼損の故障を効果的に防止できます。改良と試運転後、このタイプの遮断器の二次回路のすべての指標が正常に動作し、パラメータテストが正確で、開閉操作中に異常な故障は発生しませんでした。