スイッチギア

高電圧開閉装置
大型配電盤の一部
路面電車の配電装置
この遮断器は SF 6と空気の両方を絶縁体として使用します。

電力システムにおいて、配電装置は電気機器の制御、保護、および遮断に使用される断路器、ヒューズ、または遮断器で構成されています。配電装置は、作業を行うために機器への通電を停止するだけでなく、下流の故障を解消するためにも使用されます。この種の機器は、電力供給の信頼性に直接関係しています。

初期の中央発電所では、大理石やアスベストの絶縁パネルに設置されたシンプルなオープンナイフスイッチが使用されていました。電力レベルと電圧が急速に上昇したため、手動スイッチを開くことは、通電されていない回路を遮断する以外には危険すぎました。油入開閉装置は、アークエネルギーを封じ込め、安全に制御することを可能にします。20世紀初頭までに、開閉装置は金属で囲まれた構造になり、油入遮断器を用いた電動開閉素子が備えられていました。今日では、油入装置は主にエアブラスト、真空、またはSF 6ガス式装置に置き換えられ、大電流と大電力を自動装置で安全に制御できるようになりました。

高電圧開閉装置は、 19世紀末にモーターやその他の電気機械を動作させるために発明されました。[ 1 ]この技術は時とともに改良され、現在では最大1,100 kVの電圧で使用できます。[ 2 ]

通常、変電所の配電盤は、大型電力変圧器の高電圧側と低電圧側の両方に設置されます。変圧器の低電圧側の配電盤は、配電回路用の中電圧遮断器、計測機器、制御機器、保護機器などとともに、建物内に設置されることがあります。産業用途では、変圧器と配電盤が一体となったユニット型変電所（USS）と呼ばれる1つの筐体に統合されることもあります。市場調査会社Visiongainの最新調査によると、世界の配電盤市場は2029年までに年平均成長率5.9%で1,525億ドルに達すると予想されています。再生可能エネルギーへの投資拡大と、安全で安心な配電システムへの需要の高まりが、この増加を後押しすると予想されています。[ 3 ]

コンポーネント

スイッチギアアセンブリには、次の 2 種類のコンポーネントがあります。

  • スイッチ、回路ブレーカー、ヒューズ、避雷器などの電力の流れを伝導または遮断する電力伝導コンポーネント。
  • 制御パネル、変流器、計器用変圧器、保護リレー、関連回路などの制御システム。電力伝導コンポーネントを監視、制御、保護します。

機能

スイッチギアの基本的な機能の一つは保護であり、これは短絡や過負荷による故障電流を遮断しながら、影響を受けていない回路への供給を維持することです。また、スイッチギアは回路を電源から分離する役割も担います。さらに、スイッチギアは複数の電源から負荷に電力を供給できるようにすることで、システムの可用性を向上させるためにも使用されます。

歴史

初期のスイッチギア（1910年頃）

配電装置は発電と同じくらい古い歴史を持っています。初期のモデルは非常に原始的で、すべての部品は単に壁に固定されていました。後に木製のパネルに取り付けられるようになりました。防火上の理由から、木材はスレートや大理石に置き換えられました。これにより、開閉装置と計測装置を前面に取り付け、配線を背面に配置できるようになり、さらなる改良が行われました。[ 4 ]

ハウジング

低電圧用の配電盤は、建物内に完全に収納される場合があります。高電圧（約66kV以上）の場合、配電盤は通常屋外に設置され、空気絶縁されますが、これには大きなスペースが必要です。ガス絶縁配電盤は空気絶縁配電盤に比べてスペースを節約できますが、設備コストは高くなります。油絶縁配電盤は油漏れの危険性があります。

スイッチは手動で操作することも、モーター ドライブを備えてリモート制御できるようにすることもできます。

回路ブレーカーの種類

スイッチギアは、単純な開放型遮断スイッチの場合もあれば、他の物質で絶縁されている場合もあります。効果的ではあるもののコストが高いのがガス絶縁スイッチギア（GIS）で、導体と接点は加圧された六フッ化硫黄ガス（SF 6）で絶縁されています。その他の一般的なタイプとしては、油絶縁スイッチギアや真空絶縁スイッチギアがあります。

配電盤筐体内の機器の組み合わせにより、数千アンペアの事故電流を遮断することが可能です。遮断器（配電盤筐体内）は、事故電流を遮断する主要なコンポーネントです。遮断器が接点を引き離す（回路を切断する）際にアークを消弧させるには、慎重な設計が必要です。遮断器は以下の6種類に分類されます。

油

油入高電圧遮断器の断面図

油遮断器は、油の一部を気化させてアークの経路に沿って油のジェットを噴射します。アークによって放出される蒸気は水素ガスです。 鉱油は空気よりも優れた絶縁性があります。油中で電流が流れる接点が分離すると、遮断器内のアークが分離の瞬間に初期化され、このアークによって油が気化して主に水素ガスに分解され、最終的に電気アークの周囲に水素の泡が生成されます。ターン周囲のこの高度に圧縮されたガスの泡は、電流がサイクルのゼロクロスに達した後、アークの再点弧を防ぎます。油遮断器は、最も古いタイプの遮断器の1つです。

空気

気中遮断器は、圧縮空気（パフ）またはアーク自体の磁力を利用してアークを延長します。持続可能なアークの長さは印加電圧に依存するため、延長されたアークは最終的に消滅します。あるいは、接点を小さな密閉室に急速に押し込み、押し出された空気を逃がすことでアークを消弧させます。

回路ブレーカーは通常、すべての電流の流れを非常に速く終了できます。デバイスの古さや構造に応じて、通常は 30 ミリ秒から 150 ミリ秒の間です。

ガス

ガス (SF 6 ) 遮断器は、磁場を使用してアークを引き伸ばし、その後 SF 6ガスの絶縁強度を利用して引き伸ばされたアークを消弧する場合があります。

ハイブリッド

ハイブリッドスイッチギヤは、従来の気中絶縁スイッチギヤ（AIS）とSF6ガス絶縁スイッチギヤ（GIS）の技術要素を組み合わせたタイプです。コンパクトなモジュール設計を特徴とし、複数の異なる機能を1つのモジュールに統合しています。

真空

真空遮断器を備えた遮断器は、アーク特性が最小限に抑えられています（接点材料以外にイオン化するものがないため）。そのため、アークはわずかに伸びるだけで（2～8mm未満）、消弧します。電流がゼロに近づくと、アークはプラズマを維持するのに十分な熱を持たなくなり、電流は停止します。これにより、ギャップは電圧の上昇に耐えることができます。真空遮断器は、40,500ボルトまでの最新の中電圧開閉装置で頻繁に使用されています。他のタイプの遮断器とは異なり、真空遮断器は本質的に直流故障の遮断には適していません。真空遮断器が高直流電圧の遮断に適さない理由は、直流には「電流ゼロ」期間がないからです。プラズマアークは、接点材料をガス化し続けることで自らアークを供給します。

二酸化炭素

二酸化炭素を絶縁媒体および消弧媒体として使用する遮断器は、六フッ化硫黄（SF 6）遮断器と同じ原理で動作します。SF 6 はCO 2よりも強力な温室効果ガスであるため、SF 6からCO 2に切り替えることで、製品ライフサイクル全体で温室効果ガスの排出量を10トン削減できます。[ 5 ]

保護回路

回路ブレーカーとヒューズ

回路遮断器とヒューズは、電流が所定の安全レベルを超えると遮断します。しかし、変圧器の巻線が接地した場合など、不平衡電流などの重大な故障は検知できません。回路遮断器とヒューズだけでは、短絡と高レベルの電力需要を区別することはできません。

メルツ・プライス循環電流方式

差動保護はキルヒホッフの電流法則に基づいています。この法則は、回路ノードに出入りする電流の合計がゼロでなければならないというものです。この原理を用いて差動保護を実装すると、導電経路の任意の部分をノードと見なすことができます。導電経路としては、送電線、変圧器の巻線、モーターの巻線、オルタネーターの固定子の巻線などが挙げられます。この保護方式は、導電経路の両端が物理的に近接している場合に最も効果的です。この方式は、イギリスでチャールズ・ヘスターマン・メルツとバーナード・プライスによって発明されました。[ 6 ]

変圧器、固定子、その他の機器の各巻線には、同一の変流器が2つ使用されます。変流器は巻線の両端に配置されます。両端に流れる電流は同一である必要があります。保護リレーは電流の不均衡を検知し、遮断器をトリップして機器を遮断します。変圧器の場合、一次側と二次側の両方の遮断器が開きます。

距離リレー

長い送電線路の終端で発生する短絡は、送電線路のインピーダンスによって故障電流が制限されるため、通常の負荷と同じような現象となります。距離リレーは、送電線路上の電圧と電流を比較することで故障を検出します。大きな電流と電圧降下は故障の発生を示します。

分類

スイッチギアにはいくつかの異なる分類がある：[ 7 ]

  • 現在の評価によります。
  • 遮断定格（装置が安全に遮断できる 最大短絡電流kAIC）
    • 遮断器は故障電流に応じて開閉する
    • 負荷遮断/負荷投入スイッチは通常のシステム負荷電流を切り替えることができます
    • アイソレータは、遮断器の後に作動するオフロード断路器であり、負荷電流が非常に小さい場合にも作動する。
  • 電圧クラス別:
    • 低電圧（1 kV AC未満）
    • 中電圧（1 kV ACから約75 kV ACまで）
    • 高電圧（75 kV～約230 kV AC）
    • 超高電圧、超高電圧（230 kV以上）
  • 絶縁媒体別:
    • 空気
    • ガス（SF 6または混合物）
    • 油
    • 真空
    • 二酸化炭素（CO 2）
  • 建設タイプ別:
    • 屋内（IP（侵入保護）クラスまたはNEMAエンクロージャタイプによってさらに分類されます）
    • 屋外
    • 産業
    • ユーティリティ
    • 海洋
    • 引き出し要素（多くの工具なしで取り外し可能）
    • 固定要素（ボルト留め具）
    • ライブフロント
    • デッドフロント
    • 開ける
    • 金属密閉型（ME） — 全ての側面と上部が金属板で完全に覆われた配電装置アセンブリ。[ 8 ]
    • メタルクラッド（MC） — 取り外し可能なタイプの主開閉器および遮断装置、区画を分離しすべての主要回路と部品を囲む接地された金属障壁、機械式インターロック、絶縁されたバス導体などの機能を備えた、より高価な金属密閉型スイッチギア。[ 9 ] [ 10 ]
    • キュービクル
    • 耐アーク性
  • IEC内部分離度による[ 11 ]
    • 分離なし（フォーム1）
    • 機能ユニットから分離されたバスバー（フォーム2a、2b、3a、3b、4a、4b）
    • バスバーから分離された外部導体用端子（フォーム2b、3b、4a、4b）
    • 外部導体用の端子は機能ユニットからは分離されているが、互いには分離されていない（様式3a、3b）
    • 互いに分離された機能単位（フォーム3a、3b、4a、4b）
    • 互いに分離された外部導体用端子（様式4a、4b）
    • 関連する機能ユニットから分離された外部導体用の端子（フォーム4b）
  • デバイスを中断することにより:
    • ヒューズ
    • 空気遮断器
    • 最小油量遮断器
    • 油遮断器
    • 真空遮断器
    • ガス（SF 6）遮断器
    • CO2サーキットブレーカー
  • 操作方法別：
    • 手動操作
    • モーター/蓄電式
    • ソレノイド作動
  • 電流の種類別:
    • 交流
    • 直流
  • 用途別:
    • 伝送システム
    • 分布
  • 目的別

単一のラインナップに複数の異なるタイプのデバイスが組み込まれる場合があります。たとえば、空気絶縁バス、真空遮断器、手動操作スイッチなどがすべて同じキュービクル列内に存在する場合があります。

スイッチギアの定格、設計、仕様、および詳細は、多数の規格によって定められています。北米では主にIEEEおよびANSI規格が使用され、その他の地域ではIEC規格が使用され、場合によっては各国独自の派生規格や派生規格が採用されています。

安全性

空気絶縁変電所の245 kV遮断器
420 kVガス絶縁開閉装置

開閉装置の安全な操作シーケンスを確保するため、トラップキーインターロックは、事前に定義された操作シナリオを提供します。例えば、2つの電源のうち1つしか接続できない場合、インターロック機構は、2つ目のスイッチを閉じるためのキーを解放するために、最初のスイッチを開く必要があることを要求します。複雑な機構も可能です。

屋内開閉装置は、内部アーク封じ込めに関する型式試験（例：IEC 62271-200）を受けることができます。現代の開閉装置は大電流を開閉できるため、この試験はユーザーの安全にとって重要です。[ 14 ]

配電装置は、システムの状態を評価し、故障を事前に予測するために、熱画像検査が頻繁に行われます。その他の検査方法としては、固定式または可搬式の試験装置を用いた部分放電（PD）試験、表面実装型トランスデューサ（石油設備用）または屋外開閉所で使用される超音波検出器を用いたアコースティックエミッション試験などがあります。配電装置へのケーブルに取り付けられた温度センサーは、温度上昇を常時監視できます。SF 6機器には、圧力低下を警告し、圧力が低すぎる場合に作動を停止するための警報装置とインターロックが必ず設置されています。

高レベルの故障に伴う危険性に対する意識の高まりから、ネットワーク事業者は接地開閉器と遮断器のラック設置作業において、閉扉作業を指定するようになりました。多くの欧州の電力会社は、操作中の操作員の配電室への立ち入りを禁止しています。遠隔ラック設置システムでは、アークフラッシュ防護服を着用することなく、遠隔地から配電装置をラックに取り付けることができます。配電装置は、安全に使用でき、このような高電圧を供給できるように完全に最適化された状態を維持するために、継続的な保守と点検が必要です。[ 15 ]

参照

参考文献

  1. ^英国特許パターン GB 20069高電圧・大電流の適用または使用を制御する装置の改良（1893年）、espacenet.com
  2. ^ Lin Jiming他「 1 100 kV遮断器の過渡特性」、超高電圧国際規格に関する国際シンポジウム、北京、2007年7月。
  3. ^ "Visiongainのレポートによると、「世界のスイッチギア市場は2029年までに1,525億ドルに達すると予想されている」。Visiongain。2019年9月5日。 2019年9月6日閲覧。
  4. ^ (ドイツ語) Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft (編) AEG Hilfsbuch für elektrische Licht- und Kraftanlagen 6th Ed.、W. ジラルデ、エッセン 1953
  5. ^ 「スイス：ABB、環境に優しい高電圧遮断器で新境地を開く」 。 2019年12月24日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2013年7月9日閲覧。
  6. ^ロバート・モンロー・ブラック（1983年1月）『電線とケーブルの歴史』 IET、pp. 101–、ISBN 978-0-86341-001-7。
  7. ^ Robert W. Smeaton (ed) Switchgear and Control Handbook 3rd Ed.、McGraw Hill、ニューヨーク、1997 ISBN 0-07-058451-6
  8. ^ IEEE Std C37.20.2-1999. 金属被覆スイッチギアのIEEE規格。
  9. ^ IEEE Std C37.100-1992. 電力スイッチギアのIEEE標準定義。
  10. ^ 「金属被覆 vs 金属密閉」電気技術者・マスター電気技術者ポータル、2008年11月4日。2016年8月27日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2016年6月28日閲覧。
  11. ^ IEC規格EN 60439パート1表6A
  12. ^ (フランス語) Norme CEI 60265-1 Interrupteurs pour resistance assignée supérieure à 1 kV et inférieure à 52 kVアーカイブ: 2007 年 9 月 30 日、ウェイバック マシンに保存
  13. ^ (フランス語) Norme CEI 60265-2 52 kV の張力を適用する中断装置
  14. ^ 「中電圧アーク故障封じ込め」（PDF）シーメンス。2009年3月18日時点のオリジナルよりアーカイブ。2023年7月29日閲覧。
  15. ^ 「Switchgear Systems and Services」johnsonphillips.co.uk . 2018年5月15日閲覧。
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