六フッ化硫黄遮断器

六フッ化硫黄遮断器は、保護リレーによって作動すると電流を遮断して発電所や配電システムを保護します。六フッ化硫黄遮断器は、油、空気、真空の代わりに六フッ化硫黄(SF ₆ ) ガスを使用して、回路を開くときにアークを冷却して消弧します。他の媒体に比べて動作音が小さく、高温ガスが排出されず、メンテナンスが比較的少ないという利点があります。1950 年代以降に開発された SF ₆遮断器は、最大 800 kV の送電電圧の電力網、発電機遮断器、および最大 35 kV の配電システムで広く使用されています。

六フッ化硫黄遮断器は、屋外の空気絶縁変電所で自己完結型装置として使用したり、高電圧でのコンパクトな設置を可能にするガス絶縁開閉装置に組み込んだりすることができます。

高電圧遮断器における電流遮断は、優れた誘電特性と消弧特性を持つ六フッ化硫黄（SF ₆）などの媒体内で2つの接点を分離することによって実現されます。接点分離後、電流はアークを通って流れ、このアークが十分な強度のガスブラストによって冷却されると遮断されます。^[1]

SF ₆ガスは電気陰性で、自由電子を吸収する傾向が強いです。ブレーカーの接点は高圧の六フッ化硫黄ガスの流れの中で開き、接点間にアークが発生します。ガスはアーク内の伝導自由電子を捕らえて、比較的動かないマイナスイオンを形成します。アーク内の伝導電子が失われると、すぐに十分な絶縁強度が高まり、アークが消えます。

アークに適用されるガスブラストは、電流遮断後に接点間に印加される過渡回復電圧に耐えることができるように、接点間のガス温度を数百マイクロ秒で 20,000 K から 2000 K 未満に下げるようにアークを急速に冷却できなければなりません。現在の高電圧遮断器では、定格電圧が 52 kV を超える場合に六フッ化硫黄が一般的に使用されています。

1980 年代まで、アークを爆発させるために必要な圧力は、主にアークエネルギーを使用したガス加熱によって生成されていました。現在では、低エネルギーのスプリング式メカニズムを使用して、最大 800 kV の高電圧遮断器を駆動することが可能です。

高電圧遮断器は1950 年代半ばに導入されて以来変化しており、いくつかの遮断原理が開発され、動作エネルギーの大幅な削減に次々に貢献してきました。これらの遮断器は屋内または屋外で使用できます。屋外では、構造物に取り付けられたセラミック絶縁体に遮断器ポールが収められています。遮断媒体として SF _{6を使用する最初の特許は、1938 年にドイツで Vitaly Grosse (} AEG )によって出願され、その後、1951 年 7 月に米国で HJ Lingal、TE Browne、および AP Strom ( Westinghouse )によってそれぞれ独立して出願されました。

_{SF 6}が電流遮断用に初めて産業応用されたのは 1953 年のことです。遮断容量 600 A の 15 kV ～ 161 kV の高電圧負荷スイッチが開発されました。ウェスティングハウス社が 1956 年に製造した最初の高電圧 SF ₆遮断器は、115 kV で 5 kA を遮断できましたが、極ごとに直列に 6 つの遮断室がありました。

_{1957 年に、SF 6}遮断器にパッファー型技術が導入されました。この技術では、可動部に連結されたピストンとシリンダーの相対運動を利用して、絶縁材料で作られたノズルを介してアークを吹き飛ばすために必要な圧力上昇を発生させます。この技術では、圧力上昇は主にガスの圧縮によって得られます。

高い短絡電流容量を持つ 最初の高電圧 SF _{6遮断器は、1959 年にウェスティングハウス社によって製造されました。接地タンク (デッド タンクと呼ばれる) 内のこの遮断器は、138 kV (10,000 MV·A) で 41.8 kA、230 kV (15,000 MV·A) で 37.6 kA を遮断できました。この性能はすでに優れていましたが、極ごとに 3 つのチャンバーと、爆発に必要な高圧源 (1.35} MPa ) が、その後の開発で回避しなければならない制約でした。

_{SF 6}の優れた特性により、1970 年代にこの技術は急速に普及し、最大 800 kV の高い遮断能力を備えた遮断器の開発に使用されるようになりました。

1983 年頃に、極ごとにそれぞれ 2、3、4 つのチャンバーを備えた最初の単断 245 kV と、対応する 420 kV から 550 kV および 800 kV が実現され、高電圧の全範囲で SF ₆遮断器が主流になりました。

SF ₆回路遮断器の成功の理由は、いくつかの特性から説明できます。

• 補助遮断室を必要としない遮断室のシンプルさ
• パファー技術による自律性
• 遮断室の数を減らしながら、最大63kAの最高性能を得る可能性
• 2～2.5サイクルの短い休憩時間
• 高い電気的耐久性により、再調整なしで少なくとも25年間の動作が可能
• ガス絶縁開閉装置またはハイブリッド開閉装置に使用する場合のコンパクトなソリューション
• スイッチング過電圧を低減するための統合された閉鎖抵抗器または同期動作
• 信頼性と可用性
• 低騒音レベル

極あたりの遮断室の数の減少により、遮断器が大幅に簡素化され、必要な部品とシールの数も減りました。直接的な結果として、遮断器の信頼性が向上しました。これは、後に国際大規模電気システム評議会(CIGRE) の調査で検証されました。

革新的な遮断原理を実装した新しいタイプの SF ₆遮断室は、過去 30 年間にわたって開発されてきました。 ^{[いつ? ]遮断器の動作エネルギーを削減することを目的としています。この進化の目的の 1 つは、ポールの動的力を低減することで信頼性をさらに高めることでした。1980 年以降の開発では、SF} ₆遮断室の遮断に自己爆破技術が使用されるようになりました。

これらの開発は、遮断室の形状と極と機構間の連結を最適化するために広く使用されたデジタル シミュレーションの進歩によって促進されました。

この技術は非常に効率的であることが証明されており、550 kV までの高電圧遮断器に広く適用されています。これにより、低エネルギーのスプリング作動機構で動作する新しい種類の遮断器の開発が可能になりました。

動作エネルギーの削減は、主にガス圧縮に使用されるエネルギーを下げ、アークを消弧して電流を遮断するために必要な圧力を生成するためにアークエネルギーをより多く利用することで達成されました。定格短絡電流の最大約 30% までの低電流遮断は、パッファブラストによって得られます。利用可能な広範なエネルギーもより多く含まれています。

熱ブラスト技術は、膨張容積と圧縮容積の間にバルブを導入することでさらに発展しました。低電流を遮断する場合、圧縮容積で発生した過圧の影響でバルブが開きます。アークの吹き消しは、ピストン動作によって得られたガスの圧縮により、パッファー遮断器のように行われます。高電流を遮断する場合、アークエネルギーによって膨張容積に高い過圧が発生し、バルブが閉じて膨張容積が圧縮容積から分離されます。遮断に必要な過圧は、熱効果と、アークの断面積によってノズル内のガス排出量が大幅に減少するときに発生するノズル詰まり効果を最適に利用することで得られます。ガス圧縮による過剰なエネルギー消費を回避するために、ピストンにバルブが取り付けられ、圧縮時の過圧を低短絡電流の遮断に必要な値に制限します。

「セルフブラスト」として知られるこの技術は、1980 年以降、さまざまなタイプの遮断室の開発に広く使用されています。デジタル シミュレーションと遮断テストによる検証によって得られるアーク遮断に関する理解の深まりは、これらのセルフブラスト遮断器の信頼性の向上に貢献しています。さらに、セルフブラスト技術によって動作エネルギーが削減されるため、耐用年数が長くなります。

トリップ動作中に消費される運動エネルギーを削減することで、動作エネルギーを大幅に削減することもできます。 1 つの方法は、2 つのアーク接点を反対方向に移動させて、アーク速度を従来の 1 つの可動接点のレイアウトの半分にすることです。

熱および自己爆発の原理により、高電圧遮断器の動作に低エネルギーのスプリング機構を使用できるようになりました。1980 年代には、最初は 72.5 kV 遮断器で、その後 145 kV から 800 kV まで、パッファ技術が徐々に置き換えられました。

ダブルモーション技術により、可動部のトリップ速度が半分になります。原理的には、総可動質量が増加しなければ、運動エネルギーを 4 分の 1 にすることができます。ただし、総可動質量が増加すると、運動エネルギーの実際の削減は 60% 近くになります。総トリップエネルギーには圧縮エネルギーも含まれますが、これは両方の技術でほぼ同じです。したがって、総トリップエネルギーの削減は約 30% と低くなりますが、正確な値はアプリケーションと動作メカニズムによって異なります。具体的なケースによっては、ダブルモーション技術またはシングルモーション技術のいずれかが安価になる場合があります。回路遮断器範囲の合理化など、その他の考慮事項もコストに影響を与える可能性があります。

この遮断原理では、アークエネルギーは、一方では熱膨張による爆風を発生させ、他方では高電流を遮断する際に遮断器の可動部を加速するために使用されます。遮断ゾーンの下流のアークエネルギーによって生成される過圧は、可動部と連結された補助ピストンに適用されます。結果として生じる力によって可動部が加速され、トリップに利用できるエネルギーが増加します。この遮断原理により、高電流遮断時に、操作機構によって供給されるトリップエネルギーを約 30% 増加させ、電流とは無関係に開放速度を維持することができます。これは明らかに、発電機遮断器などの高遮断電流の遮断器に適しています。

発電機用遮断器 (GCB) は、発電機と昇圧変圧器の間に接続されます。これらは通常、高出力発電機 (30 MVA ～ 1800 MVA) の出口で使用され、信頼性、迅速性、経済性を確保しながら発電機を保護します。このような遮断器は、定格電流が高く (4 kA ～ 40 kA)、遮断容量も高くなっています (50 kA ～ 275 kA)。

これらは中電圧範囲に属しますが、IEC/IEEE 62771-37-013 で要求される過渡回復電圧耐性能力は、特別に開発された遮断原理を使用する必要があります。熱ブラスト技術の特定の実施形態が開発され、発電機遮断器に適用されています。上記の自己ブラスト技術は、接触システムが低エネルギーのスプリング作動機構によって駆動される SF ₆発電機遮断器でも広く使用されています。このようなデバイスの例を下図に示します。この遮断器の定格は 17.5 kV および 63 kA です。

高電圧遮断器の短絡遮断能力は、必要な電力を生成できる単一の電源では実証できないほどです。電流遮断まで短絡電流を供給する発電機を使用した特別な方式が使用され、その後、電圧源が遮断器の端子間に回復電圧を印加します。テストは通常​​単相で実行されますが、三相でも実行できます^[2] また、小さな電力制御もあります。

_{SF 6}回路ブレーカー には以下の問題が関連しています。

有毒低級ガス

_{SF 6}ガスでアークが形成されると、少量の低次ガスが生成されます。これらの副産物の一部は有毒であり、目や呼吸器系に刺激を与える可能性があります。これは、遮断器をメンテナンスのため、または遮断器を廃棄するために開ける場合に懸念されます。

酸素置換

SF ₆は空気より重いため、酸素置換の危険があるため、低い密閉空間に入るときは注意が必要です。

温室効果ガス

SF _6は、気候変動に関する政府間パネルが評価した最も強力な温室効果ガスであり、その地球温暖化係数はCO ₂の23,900倍である。^[3]

一部の政府は大気中へのSF6の排出を監視・制御するシステムを導入している。_[ 4 ^]

_{遮断器は通常、絶縁媒体に基づいて分類されます。次のタイプの遮断器は、SF 6}タイプ の代替として使用できます。

• エアブラスト
• 油
• 真空
• 二酸化炭素_​

エアブラスト遮断器と比較すると、SF ₆を使用した場合の動作は静かで、通常動作時に高温のガスが排出されません。ブラスト空気圧を維持するために圧縮空気設備は必要ありません。ガスの誘電強度が高いため、エアブラスト遮断器と同じ相対サイズで、よりコンパクトな設計やより大きな遮断定格が可能になります。また、遮断器のサイズと重量を最小限に抑え、基礎と設置のコストを削減するという望ましい効果もあります。動作メカニズムはより単純で、メンテナンスの必要性が少なく、通常、検査またはメンテナンスの間により多くの機械操作が可能です。ただし、SF ₆ガスのチェックまたは交換には、偶発的な放出を防ぐための特別な装置とトレーニングが必要です。空気と異なり、屋外温度が非常に低いと、SF ₆ガスは液化することがあり、遮断器の故障電流遮断能力が低下します。

油入遮断器には、ある程度の量の鉱油が含まれています。最小油入遮断器には、送電電圧で数百リットルの油が入っています。デッドタンクバルク油入遮断器には、数万リットルの油が入っています。故障時に遮断器からこの油が放出されると、火災の危険があります。油は水道システムにも有毒なので、漏れは注意深く封じ込める必要があります。

真空遮断器は、最大 800 kV まで使用できる SF ₆遮断器とは異なり、利用可能範囲が限られており、送電電圧用に製造されていません。

• サーキットブレーカー
• 真空遮断器