SF6サーキットブレーカーにおけるガス微量水分の試験と分析についての簡単な議論

SF₆遮断器は優れた物理的、化学的、絶縁性、および消弧特性を持っています。連続的な遮断回数が多く、騒音が少なく、火花の危険性がありません。また、小型軽量で容量が大きく、メンテナンスがほとんど必要ないかまたは全く必要ありません。そのため、従来の油充填遮断器や圧縮空気遮断器に代わって徐々に普及しています。さらに、中電圧配電において、これらの遮断器はキャパシティブ電流を遮断する際の再着火のリスクがなく、インダクティブ電流を遮断する際に過電圧が発生しないなどの利点があり、広く使用されています。

1 SF₆ガスの特性
1.1 物理的特性

SF₆ガスの分子量は146.07であり、その分子直径は4.56×10⁻¹⁰ mです。通常の温度と圧力下では気体状態で存在します。20℃と1気圧での密度は6.16 g/L（空気のおよそ5倍）です。SF₆ガスの臨界温度は45.6℃であり、圧縮により液体化することができます。通常、鋼製の容器に液体状態で輸送されます。純粋なSF₆ガスは無色、無臭、無味、非毒性、非可燃性です。

1.2 電気的特性

(1) SF₆は負電性ガス（自由電子を吸着できる）であり、優れた消弧および絶縁特性を持っています。均一な電界下で1標準大気圧におけるSF₆ガスの耐電圧強度は、窒素の約2.5倍です。
(2) 純粋なSF₆ガスは不活性ガスです。アーク作用により分解します。温度が4000Kを超えると、大部分の分解生成物は硫黄とフッ素の単原子となります。アークが消滅した後、大部分の分解生成物は安定したSF₆分子に再結合します。そのうちごく少量の分解生成物は、再結合過程で自由金属原子、水、酸素と化学反応し、金属フッ化物や酸素および硫黄のフッ化物を生成します。

2 SF₆遮断器ガスの微量水分試験
2.1 微量水分試験の意義

ガス中の微量水分の検出は、SF₆遮断器にとって重要な試験項目です。新しいSF₆ガスまたは微量の水分を含む運転中のガスは、ガスの特性に直接影響を与えます。水分量が一定レベルに達すると、加水分解反応が起こりやすく、酸性物質が生成され、設備を腐食します。特に高温やアーク作用下では、有毒な低フッ化物が容易に生成されます。生成されたフッ硫酸化合物は水と反応して、強烈な腐食性を持つフッ化水素酸、硫酸などの高毒性化学物質を形成し、メンテナンス作業員の生命を脅かし、遮断器の絶縁材料や金属を腐食し、絶縁劣化を引き起こします。遮断器が屋外に設置されている場合、気温が急激に低下すると、SF₆ガス中の過剰な水分が固体媒体の表面に凝結し、フラッシュオーバーを引き起こす可能性があります。深刻な場合には、遮断器の爆発を引き起こすこともあります。

2.2 試験方法

(1) 重量法：脱水剤を通じて、その重量変化を正確に測定します。しかし、この方法は操作要件が高く、恒温、恒湿、塵埃のない環境で大量のガスを消費します。
(2) 露点法：サンプルガス中の水蒸気の飽和温度（露点）よりも若干低い温度で試験システムの温度を設定すると、試験システムは電気信号を提供します。これを増幅・出力し、露点値に基づいて水分量を決定します。現在、この方法はSF₆の微量水分測定において重要な手段であり、国内外で露点計が製造されています。

3 SF₆遮断器ガスの湿度源と制御
3.1 ガス中の湿度源

(1) 新しいガスの場合、主な湿度源は：ガス製造工場での検査が十分に行われていないこと；輸送中の保管環境が適切でないこと；保存期間が長すぎること。
(2) SF₆ガスを充填した電気機器の場合、主な湿度源は：SF₆ガス自体が持つ湿度；充填前のガスの浄化が不完全であるための微量の残留湿度；絶縁材料、溶接部品、電気機器の部品から時間とともに放出される湿度；外部からの漏れによる侵入する湿度。

3.2 SF₆遮断器におけるSF₆ガスの水分量制御措置

新ガス受入時の厳格な品質検査を行うこと；絶縁部品の処理を制御すること；シール部品の品質を制御すること；吸着剤の品質を制御すること；ガス充填時の操作を制御すること；運転中のガス漏れ検知を強化すること；運転中のガス微量水分の監視と測定を強化すること。

4 SF₆ガスの毒性

SF₆ガスが電気機器で使用される場合、故障時や通常のアーク遮断時にも、酸素および硫黄のフッ化物や金属フッ化物粉末を生成することがあります。SF₆ガス中の加水分解可能なフッ化物の含有量が一定濃度に達すると、SF₆ガスは毒性を持つようになり、電気機器内のSF₆ガスの絶縁強度と消弧性能にも影響を与えます。

火花放電やアーク作用下で、SF₆ガス遮断器は分解とイオン化によって高度に有毒なガスを生成します。これらのガスは無色無臭であり、検出が困難です。また、密度が6.16 g/L（空気の約5倍）であるため、モニタリング中に生成される一部の有毒有害ガスは開閉室の床近くに蓄積し、遮断器の分解、大規模修理、またはガスの微量水分試験時に作業者が中毒する可能性があります。これは、作業者の身体的・精神的健康と設備の安全運転に大きな脅威となります。

たとえば、SF₆開閉室内にSF₆ガス漏れ監視警報システムと定量的なSF₆ガス漏れ検出器が設置されていない場合、SF₆濃度が安全基準範囲内かどうかを知ることは不可能です。経験則によれば、非常に微量の分解生成物であっても、作業者は刺激的なまたは不快なガスを感じることがあり、鼻、口、目に対して明確な刺激を引き起こすことがあります。一般的に、中毒後には涙目、くしゃみ、鼻水、鼻腔と喉の焼けるような感覚、声のかすれ、咳、めまい、吐き気、胸の締め付け感、首の不快感などの症状が現れます。重度の場合にはショックを起こすこともあります。

したがって、SF₆ガス漏れのオンライン監視は現在の技術研究における主要な課題となっています。たとえば、排気ファンをSF₆ガス漏れ警報システムと有機的に制御することで、SF₆ガス漏れ濃度が基準を超えたときに自動的に排気ファンが作動し、人員と設備の安全性を確保することができます。

SF₆遮断器の最も重要な監視項目は水分量と漏洩検知です。これらが信頼性を損なうと、環境汚染につながる可能性があります。そのため、運用中のSF₆遮断器の微量水分と漏洩検知の監視には多くの注目が集まっています。

(3) 電解法：ガス中の湿度を間欠的または継続的に測定することができます。他のSF₆ガスの微量水分試験方法としては、ピエゾ水晶振動法、吸着熱量法、ガスクロマトグラフィーなどがありますが、装置のコストが高いことや技術的な制限により、広く普及・適用されていません。