110kV変電所における高圧遮断器の開閉不良時の故障処理

関連する規則によれば、高圧遮断器は以下の操作を許可されています：

• 通常運転中の電圧変換器（PT）および避雷器の切り替え（開閉）；

• 通常運転条件での主変圧器の中性点接地遮断器の切り替え；

• 循環電流のバランスを取るために小電流ループの切り替え。

高圧遮断器は消弧能力を持たない電気部品です。そのため、開位置にある場合にのみ操作が可能です。負荷下—つまり、関連する回路遮断器が閉じているかまたは機器が帯電している状態で—遮断器を操作すると強烈な電弧が発生します。深刻な場合には、これが相間短絡を引き起こし、機器を損傷し、さらには作業員の安全を危険にさらす可能性があります。

遮断器が開いている状態では、動触点と静触点の間に明確かつ信頼性のある分離があり、必要な絶縁距離を満たしている必要があります。逆に、閉じている場合には、正常な負荷電流と短絡電流の両方を確実に通すことが求められます。遮断器の主な機能は、高圧帯電部と電源またはバスバーとの間に信頼性のある絶縁点を提供し、停電ラインの安全なメンテナンスのために明確な切断点を確保することです。

高圧遮断器はまた、変電所の送電線と組み合わせて切り替え操作を行い、変電所の運用構成を変更するためにも使用できます。例えば、二重バスバー運転を行う変電所では、動作中のバスバーを待機中のバスバーに移行したり、あるいは一方のバスバー上の電気部品を他方に切り替えるために、バスタイブレーカーとその両側の高圧遮断器を使用することができます。しかし、頻繁な切り替え操作により、遮断器が開けられないまたは閉じられないなどの故障が発生することがあります。これらの障害は体系的に診断および分析する必要があります。遮断器自体に固有の欠陥がある場合は、設計の改善が必要となります。

1. 遮断器の特性

一般的に、一つの回路遮断器の両側にそれぞれ一つずつ遮断器が設置され、明確な切断点を作り出し、安全性を高めるとともにメンテナンスを容易にします。電力は上部のバスバーからスイッチギアキャビネットを通じて出力フィーダーへ供給されます。回路遮断器の上流にある遮断器は主に電源を隔離します。ただし、時折、他の回路やコンデンサーからの逆方向の電力供給などにより、下流側から電力が供給されることもあり、このため回路遮断器の下流にももう一つの遮断器が必要となります。

ある110kV変電所では、GW16B/17B-252型高圧遮断器が採用されています。その技術仕様は表1にリストされています。この遮断器は、110kV変電所における無負荷切り替え操作用の三極式屋外高圧装置であり、メンテナンス中の設備と帯電回路との間の電気的絶縁を提供します。

この分離器の主要な特徴は、コンパクトな構造、高い酸化抵抗性、安定した動作、および強力な耐震性能です。その機械的な接触システムは単純な単腕フレキシブル設計を採用しており、伝導管内に配置された伝動部品は外部環境からの干渉から保護されています。伝導管内には、一対のバランススプリングと一組のクランプスプリングが設置されています：前者は開閉操作中の信頼性のある機械的なバランスを確保し、後者は確実なクランプのために十分な接触圧力を提供します。

分離器は通常屋外に設置されるため、風や地震などの外部影響を受けます。動作の信頼性を高めるために、分離器本体にはロック機構が統合され、安定して安全な閉鎖が確保されます。分離器と接地スイッチの両方にはアルミニウム合金製の伝導管が使用され、移動および固定接触部には銀または金メッキが施されており、摩耗耐性、機械的堅牢性、および回転接続部での電気的安定性を保証します。

接地スイッチは単腕スイング構造を特徴としています。閉鎖時には、可動接触部がまず回転し、次に垂直に上昇して固定接触部と接続され、接触部のバウンスや反発を防ぎます。この設計により、定格短絡電流条件での信頼性のある閉鎖と一貫した動的および熱的安定性が確保されます。

2. 分離器の構造と動作原理

分離器の動作過程は、曲げ動作とクランプ動作という2つの主要な動作で構成されています。

2.1 曲げ動作

水平回転メカニズムのガイドに従って、回転磁器絶縁体に取り付けられた一対のギアが2組の四連桿機構を駆動して平面運動を行います。この駆動により、下部伝導管が前方に回転して閉鎖（閉鎖動作）または後方に回転して開放（開放動作）します。操作ねじの上部にあるヒンジ式アクチュエーターロッドは、これにより下部伝導管に対する軸方向の変位を生成します。

このヒンジ式アクチュエーターロッドの上端は、ギアチェーンアセンブリに接続されています。ロッドが動くと、チェーンが回転し、それがギアを駆動します。これにより、ギアシャフトに固定された上部伝導管が下部伝導管に対して直線化（閉鎖）または曲がる（開放）動きをします。

同時に、ヒンジ式アクチュエーターロッドが軸方向に動くと、伝導管内のバランススプリングはエネルギーを継続的に蓄積し解放します。これにより、重い制動トルクを効果的に相殺し、全切替サイクルを通じて滑らかで安定した動作が確保されます。

2.2 クランプ動作

分離器が開放位置から閉鎖位置へ移動し、完全に整列する（つまりほぼ直線状態になる）に近づくと、ギアがギアボックスの傾斜面に噛み合い、そこを引き続き滑ります。この時点で、リターンスプリングの反力によって、ギアチェーンに連結されたヒンジ式アクチュエーターロッドが前進します。

この前進動作は、移動接触アセンブリを通じて伝えられ、押しがねが直線運動を接触指のクランプ動作に変換します。固定接触棒がしっかりと把持されると、ギアは傾斜面を少し上向きに滑り、完全な機械的な閉鎖を達成します。

この段階で、伝導管内のクランプスプリングはさらに圧縮され、押しがねに力を加え、接触指と固定棒との間の一貫した信頼性のある接触圧力を維持する安定した駆動力を確保します。

開放動作中、ギアは傾斜面に沿って外側に引き続き動いて完全に離脱します。その後、リターンスプリングが押しがねを引っ張り、接触指が「V」字形に開き、電気接続が切断されます。

3. 事例研究

3.1 故障観察と分析

ある年の110 kV変電所での切り替え操作中に、一つの高電圧分離器が開かなかったことがありました。接地システム、主伝導システム、機械的インターロック、上下の伝導管、およびモータードライブ機構についてすぐに総合的な検査が行われました。調査の結果、モーターメカニズムボックス内の伝動ギアが損傷し、シャフトピンやジョイントなどの部品が破断していることが明らかになりました。運用および保守担当者は欠陥を報告し、年間メンテナンス計画に基づいて是正措置が実施されました。

3.2 改善措置

(1) 補助部品のアップグレード
シャフトピンとジョイントは、長期運転中の腐食を防ぐため、高品質のステンレス鋼に交換されました。石墨浸漬および複合ブッシング—腐食に耐え摩擦係数が低い—は伝送効率を向上させるために採用されました。すべての露出した鉄部品は溶融亜鉛めっき処理され、耐食性が大幅に向上しました。現場の経験によれば、溶融亜鉛めっきは屋外用途に適しています。

(2) モータードライブ機構の強化
元のCJ7Aモーターメカニズムは新しいCJ11モデルに交換されました。アップグレードされたCJ11メカニズムの写真は図1に示されています。

(3) 先進的な補助スイッチ設計
補助スイッチはオープン/クローズ状態信号を提供する重要な二次部品です。故障すると誤った信号や操作の不具合につながる可能性があります。新しい設計では、国際的に先進的なカム駆動マイクロスイッチ機構を採用し、信頼性のあるスイッチング、滑らかな回転、およびオープン/クローズ遷移中の故障防止を確保しています。

(4) モーター制御保護
オープンまたはクローズ操作が完了すると、補助スイッチによって最初にモーターパワーが遮断されます。補助スイッチが故障した場合、オープン側とクローズ側の両方の終端限界スイッチがモーターを切断します。これらのスイッチも故障した場合、両側の機械的なストッパーが熱リレーを活性化して電源を遮断します。この三層保護システムにより、各操作後にモーターを確実に停止し、制御不能な動きと潜在的な機械的損傷を防ぎます。

(5) 機械伝達システム
ワームギア連動システムが使用されています。ワームギア、リンク機構、およびその他の減速部品は精密加工され、アルミニウム合金製のハウジング内に密封されています。この設計により、滑らかな動作、低騒音、衝撃ショックのない性能が確保されます。

(6) 二次制御システム
制御パネルは理性的で美しく、ヒンジドア構造を採用しており、配線や現場でのメンテナンスを容易にしながら、安全かつ信頼性の高い二次システムの運転を保証します。

(7) ケースシーリング
メカニズムケースのドアにはエアクッションシーリングを使用しています。ドアと上部カバーは2.5mm厚のステンレス鋼製で、本体は2mm厚のステンレス鋼製です。これにより、風、砂、腐食に対する優れた耐性が得られます。

4. 結論

この110kV変電所における隔離スイッチモーターメカニズムの長年の運用経験と故障分析に基づいて、元のメカニズムは平高グループによって開発されたCJ11モデルにアップグレードされました。これは新しく設計され、独自に開発されたワームギア型モーター駆動メカニズムです。この改良された設計は、エンジニアリングと製造の両方の以前の欠点を克服し、高い運転信頼性、滑らかな動き、高効率の伝達、慣性衝撃の無さ、低騒音、強力な互換性、そして魅力的な外観を提供します。

さらに、CJ11メカニズムはローカル操作とリモート電気操作だけでなく、手動操作もサポートします。定格負荷条件での実際のテストでは、1万回以上の機械的操作を確実に行う能力が示されています。