真空回路遮断器の焼損事故の原因分析と予防措置
1. 真空断路器の故障メカニズム解析
1.1 開閉時のアーク生成過程
回路ブレーカーの開閉を例にとると、電流が動作機構をトリップさせると、可動接点が固定接点から分離し始めます。可動接点と固定接点の距離が増えるにつれて、接触分離、アーク生成、およびアーク後の絶縁回復という3つの段階を経ます。分離がアーク生成段階に入ると、真空遮断器の健康状態は電弧の状態によって決定的な役割を果たします。
アーク電流が増加すると、真空アークはカソードスポット領域とアーク柱からアンオード領域へと進化します。接触面積が減少し続けると、高電流密度により高温が発生し、カソード金属材料が蒸発します。電場の影響下で初期ギャッププラズマが形成され、カソード表面にカソードスポットが現れ、電子を放出しフィールドエミッション電流を形成し、金属材料を継続的に侵食し金属蒸気とプラズマを維持します。この段階では、比較的低いアーク電流のため、カソードのみが活性化しています。
アーク電流がさらに増加すると、プラズマがアンオードにエネルギーを注入し、アンオードアークモードが拡散アークから収束アークへと移行します。この移行は、電極材料や電流の大きさなどの要因によって影響されます。
1.2 接触部の摩耗による故障解析
接触部の摩耗は遮断電流に直接関連しています。定格周波数電流下では、接触部の溶融度はほとんど無視できる程度です。接触部の摩耗は高電流・高温条件下で発生します。回路ブレーカーが定格電流を超える短絡電流を遮断すると、材料の摩耗度が急激に増加し、材料損失の条件が整います。
接触部の表面粗さは、表面突起部での電流集中を強め、局所的な熱発生をより深刻なものにします。また、アーク電流の持続時間も重要です。短絡電流であっても、その持続時間が短すぎると、材料の摩耗量は小さくなります。
接触部の故障の根本原因は、アーク生成過程での質量損失です。接触部の損傷は以下の2段階で発生します：
材料の摩耗：アンオード材料の摩耗はプラズマによって駆動されます。アンオード表面のエネルギーフラックス密度は、プラズマがアンオードに及ぼす影響を測る重要なパラメータです。研究によれば、アーク電流が高く、接触ギャップが大きく、接触半径が小さいほど、アンオードフラックス密度が増加し、アンオードスポットの形成と材料の摩耗を促進します。
材料の損失：アーク消滅後、プラズマ圧力により、溶けた金属滴が接触表面から排出されます。この過程は主に材料の特性によって影響を受け、アークからの影響は最小限です。
2. 真空断路器の焼損事故の原因
(1) 電気摩耗と接触ギャップの変化による接触抵抗の増大
真空断路器は真空遮断器内に密封されており、可動接点と固定接点が直接対向して接触しています。遮断時に接触部の摩耗が発生し、接触部の厚さが減少し、接触ギャップが変化します。摩耗が進行するにつれて、接触表面が劣化し、可動接点と固定接点間の接触抵抗が増大します。摩耗により接触ギャップも変化し、接触間のバネ圧力が減少し、さらに接触抵抗が増大します。
(2) 相間操作による障害相の抵抗増大
真空断路器の機械性能が悪ければ、機械的な問題により反復操作によって相間操作が発生することがあります。これにより開閉時間が延長され、効果的なアーク消滅が妨げられます。アークにより接触部が溶接（融着）され、可動接点と固定接点間の接触抵抗が大幅に増大します。
(3) 真空度の低下による接触部の酸化と抵抗増大
真空遮断器のベルローズは薄いステンレス鋼製で、導電棒の動きを可能にするシール要素として機能します。ベルローズの機械寿命は、ブレーカー操作中の伸縮力によって決定されます。導電棒からベルローズへの熱伝導により、ベルローズの温度が上昇し、疲労強度に影響を与えます。
ベルローズの材料や製造過程に欠陥がある場合、または輸送、設置、メンテナンス中に振動、衝撃、損傷が発生した場合、漏れや微細な亀裂が発生します。これは時間とともに真空度の低下を引き起こします。真空度が低下すると、接触部が酸化し、高抵抗の銅酸化物が形成され、接触抵抗が増大します。
負荷電流下では、接触部が継続的に過熱し、ベルローズの温度がさらに上昇し、ベルローズの故障を引き起こす可能性があります。また、真空度が低下すると、回路ブレーカーは定格アーク消火能力を失います。負荷または障害電流を遮断する際、十分なアーク消火能力がないと、持続的なアークが発生し、最終的にはブレーカーの焼損につながります。
3. 真空断路器の焼損事故防止策
3.1 技術的対策
真空度の低下の原因は複雑です。輸送、設置、メンテナンス中に振動や衝撃を避けることが重要ですが、工場段階での製造および組立品質も真空度に影響を与える重要な要因です。
(1) ベルローズの材料と組立品質の向上
真空遮断器はベルローズを使用して機械的な動きを行います。反復的な開閉操作により、微細な亀裂が形成され、真空度が低下する可能性があります。そのため、メーカーはベルローズの材料強度と組立品質を向上させ、シールの信頼性を確保する必要があります。
(2) 機械特性と接触抵抗の定期的な測定
年次メンテナンス停電期間中に、接触部の電気摩耗とギャップ変化を定期的に検査します。同期性、オーバートラベルその他の機械特性に関するテストを行い、直流電圧降下法を使用してループ抵抗を測定します。抵抗値に基づいて接触部の酸化と摩耗を評価し、問題を迅速に対処します。
(3) 定期的な真空度テスト
プラグイン型の真空断路器の場合、巡回中に遮断器の外部放電を視覚的に検出することは困難です。実際には、周波数耐電圧試験が一般的に使用され、定期的に真空度を評価します。これは破壊試験ですが、真空度の欠陥を効果的に識別できます。代替方法として、真空度計を使用して定量的な真空度測定を行うのが最も適切な方法です。真空度の低下が検出された場合は、直ちに真空遮断器を交換する必要があります。
(4) オンライン真空監視装置の設置
電力ネットワークにおける無線通信とSCADAシステムの広範な使用により、オンライン真空監視が可能になりました。方法には、圧力センシング、容量結合、電光変換、超音波検出、非接触マイクロ波センシングがあります。
圧力センシング：製造時に遮断器に圧力センサーを埋め込みます。真空度が低下すると、ガス密度と内部圧力が増加します。圧力の変化は制御システムに送られ、リアルタイムで監視されます。
非接触マイクロ波センシング：パッシブセンシングを使用してマイクロ波信号を検出し、真空度が低下したときに特有のフィードバック信号をキャプチャし、リアルタイムでのオンライン監視を可能にします。
3.2 管理対策
過去の事例では、運転者が回路ブレーカーの故障を正しく認識できず、焼損と事故の拡大につながりました。これは、SCADAシステム、現場設備、操作手順に対する十分な理解不足、および緊急対応意識の欠如を示しています。したがって、主要変電所での運転管理を強化する必要があります。
厳格な点検制度を実施し、早期に問題を検出します。
運転者に対してSCADAシステム、スイッチギアの操作・メンテナンス、および緊急対応手順に関する訓練を強化します。
事故防止および緊急対応計画の定期的な訓練を実施します。
3.3 中央設置スイッチギアの「五防」連鎖機能の改善
中央設置スイッチギアの「五防」連鎖機能を技術的にアップグレードし、標準要件を完全に満たすようにします。完成した高圧スイッチギアは、信頼性の高い全「五防」機能を持つべきです。
スイッチギアの出力側に帯電表示器を設置します。これらの表示器は自己診断機能を持ち、線路側接地スイッチと連鎖します。
バックフィード可能な設置では、コンパートメントドアに帯電表示器制御の必須ロックを装備します。
真空度の低下による接触部の酸化、接触抵抗の増大、過熱、最終的な故障を引き起こす真空断路器の焼損事故について分析し、ベルローズの材料と組立品質の向上、およびオンライン真空監視装置の設置など、具体的な対策を提案しました。これらの対策は、真空度の低下をリアルタイムで防止および監視し、同様の事故の再発を防ぐのに役立ちます。
