SF6ガス密度リレーの現場試験：関連する問題

紹介

SF6ガスは、優れた絶縁性、消弧特性、化学的安定性により、高電圧および超高電圧の電気機器における絶縁および消弧媒体として広く使用されています。電気機器の絶縁強度と消弧能力はSF6ガスの密度に依存しています。SF6ガスの密度が低下すると、主に以下の2つの危険が発生します：

• 機器の絶縁強度の低下；

• 遮断器の切断能力の低下。

さらに、ガス漏れはしばしば湿気の侵入を引き起こし、SF6ガスの湿度を増加させ、絶縁性能をさらに劣化させます。したがって、安全な機器運転を確保するためには、SF6ガスの密度を監視することが不可欠です。

SF6ガス密度リレー（また、密度モニタ、コントローラー、または密度計とも呼ばれます）は、SF6電気機器に設置され、内部ガス密度の変化を反映します。これは圧力の変動を検出して密度の変化を示し、密度が事前に設定された警報レベルに下がると警報信号を発し、さらに低下すると操作をロックアウトします。その性能は直接機器の安全性に影響を与えるため、信頼性と精度の定期的なテストが重要です。

1. SF6ガス密度リレーの種類と動作原理

1.1 機械式ガス密度リレー

機械式リレーは構造によってベルウォ型とボルドン管型に分類され、機能によっては圧力表示付きとなしに分かれます。どちらのタイプも温度補償を使用してガス密度を監視します。

典型的なベルウォ型を例に挙げます（図1参照）：

• 予め充填されたチャンバーには、監視対象のチャンバーと同じ圧力のSF6ガスが充填されています；

• 金属製のベルウォは監視対象のチャンバーに接続されています；

• 漏れが発生すると、ベルウォ内の内部圧力が低下し、圧力差が生じてベルウォが圧縮されます。この動きはメカニカルリンクを介してマイクロスイッチを作動させ、警報またはロックアウト信号をトリガーします。

予め充填されたチャンバーは同じ環境にあるため、温度変化は両側に等しく影響を与え、自動的に温度補償が行われます。

図1. 機械式ガス密度リレーの原理
（注：4—マイクロスイッチ；3—バイメタルストリップ；2—金属製ベルウォ；1—予め充填されたチャンバー）

1.2 デジタルガス密度リレー

これらのリレーは、SF6分子の強い電子負性を利用するものです。イオン化室にアルファ粒子源があり、これがガスをイオン化します。直流電界を適用するとイオン電流が形成され、この電流はガス密度に比例します。密度が低下すると出力電流も低下するため、リアルタイムでの監視が可能になります。

デジタル密度リレーの利点は以下の通りです：

• 圧力、20°Cでの相当圧力、機器の温度の直接的なデジタル表示；

• コンピューターシステムとの互換性によるオンライン監視；

• 漏れ傾向曲線の描画、状態ベースのメンテナンスのサポート；

• レンジ切り替え無しの全範囲測定、フィールドで調整可能なパラメータ；

• ガス補充警報および低圧ロックアウト接触信号の出力。

図2. デジタルガス密度リレーの原理
（注：イオン化室内のアルファ粒子がSF6ガスをイオン化し、電子は陽極に移動し、正イオンはエミッターに戻り、生成された電流は増幅されて出力される）

2. 密度リレーの現場試験の必要性

密度リレーは、現場または実験室で試験することができます。実験室での試験は高い精度を提供しますが、いくつかの欠点があります：

• 分解することで元のシールが破れ、再組み立てとシールの保証が困難になる；

• 精密機器は輸送中の衝撃でキャリブレーションを失う可能性がある；

• 緊密なメンテナンススケジュールでは、分解と再組み立てが時間のかかる作業となる。

したがって、可能な場合は現場試験が推奨されます。これはより効率的かつ安全です。

3. 現場試験に使用する機器

SF6電気機器は油や他のガスで汚染されてはならないため、試験媒体としてはSF6ガスのみを使用できるという制約があります。理想的な校正装置は以下の特徴を持つべきです：

• 内蔵のSF6ガスボンベ；

• 可変圧力；

• 自動温度補償および変換。

本記事では、JMD-1A SF6ガス密度リレーキャリブレーションユニットを紹介します。この装置の特長は以下の通りです：

• 内蔵のSF6ガスボンベと圧力調整システム；

• 試験中に機器のガス回路を切り離し、独自のガス供給を使用する；

• 測定値を20°Cでの標準圧力に自動的に変換する；

• 年間工場再校正が必要で、正確さを確保する；

• 精度クラス0.5であり、「標準機器の誤差は試験対象の機器の誤差の1/3を超えてはならない」（試験対象のリレーは通常クラス1.5未満）という要件を満たし、現場要件を完全に満たす。

4. ガス密度リレーの試験内容

4.1 試験基準と頻度

GB50150-1991およびDL/T596-1996によれば：

• 新規設備は運用開始前に密度リレーの試験を行うこと；

• 既存設備は毎年または大規模メンテナンス後、または必要に応じて、1〜3年ごとに試験を行うこと；

• 動作値はメーカーの技術仕様に準拠すること；

• 圧力計の指示誤差およびヒステリシスは、指定された精度クラスの許容範囲内であること。

4.2 試験項目

主な試験項目は以下の通りです：

• 警報（ガス補充）の起動圧力；

• ロックアウトの起動圧力；

• ロックアウトの復帰圧力；

• 警報の復帰圧力；

• 圧力計が装備されている場合、その表示も試験すること。

圧力計の試験要件：

• 範囲全体に均等に分布する少なくとも5つの試験点；

• 2回のフルサイクルの加圧と減圧；

• 各ポイントでゆっくりかつ一定に圧力をかけ、読み取りを行う；

• 2回のサイクルからの最大の表示誤差を最終結果とする。

動作値の要件：

• メーカーの仕様に準拠すること；

• 起動圧力と復帰圧力の差は、0.02 MPa未満であること；

• すべての圧力値は、20°Cでの標準値に変換すること；

• 周囲温度、測定圧力、変換後の20°C圧力を記録すること。

5. 密度リレーと機器間の接続方法

一般的な接続タイプは以下の4つです：

• 隔離弁付き
       リレーと機器の間に弁（FA）が設置されています。試験時にはFAを閉じ、試験ヘッドを接続し、FBを開いて試験を開始します。

• 逆止弁付き
       リレーを取り外すと、逆止弁が自動的に機器側をシールし、試験装置を外部ポートに直接接続できます。

• 逆止弁 + プランジャボルト付き（図3参照）
       分解不要です。W2のプランジャボルトを緩めると、逆止弁F1が自動的にガスパスを遮断し、試験ヘッドを直接接続できます。

図3. 逆止弁とプランジャボルト付き密度リレーの概略図
（ラベル：B1—密度リレー；W1—ガス充填ポート；W2—試験ポート；MA—圧力計；F1—逆止弁）

• 隔離なしの直接接続
       これは不合理な設計です。リレーが故障すると、オンラインでの交換や試験ができず、大規模オーバーホールまで待たなければなりません。今後のメンテナンスのために、オーバーホール時に隔離弁を設置することをお勧めします。

結論：最初の3つの接続タイプは現場試験が可能です；4番目のタイプは不可能です。

6. 現場校正時の注意事項

• 停電操作：試験は機器が非励磁状態で行う必要があります。制御電源を切断し、端子台で警報/ロックアウト接点を切り離して、二次回路の意図しない動作を防ぎます。

• 接続タイプの確認：機器ごとに接続構造が異なります。分解前にタイプを確認し、誤操作やガス漏れを防ぎます。

• 隔離弁の復元：試験後、すべての隔離弁が正しい位置に戻っていることを確認し、検証します。

• コネクタの清掃：試験前後にすべてのパイプコネクタを清掃します。必要に応じて少量のSF6ガスでフラッシュし、汚染や湿気の侵入を防ぎます。

• シール保護：シール面を保護し、新しいガスケットに交換し、再組み立て後に漏れ検査を行います。

• 圧力単位の変換：JMD-1A試験装置はゲージ圧を表示します。リレーが絶対圧を使用している場合（例：ABB LTB145D遮断器）、比較前に単位を変換します。

7. 結論

SF6ガス密度リレーは、SF6電気機器の安全な運転を確保する重要な部品です。その動作性能は直接システムの信頼性に影響を与えます。したがって、関連規則に従って定期的な現場試験を行い、正確さと信頼性を確保する必要があります。試験中は、規定の試験サイクル、手順、および注意事項を厳格に遵守し、安全上の危険を排除し、誤った結論を防ぐことが重要です。