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電力システムでは、スイッチギアは電気機器の制御、保護、および分離に使用される電気切断スイッチ、ヒューズ、または回路ブレーカーで構成されています。スイッチギアは、作業を行うために機器の電源を切るためと、下流の障害を解消するために使用します。このタイプの機器は、電力供給の信頼性に直接関係しています。
最も初期の中央発電所では、大理石またはアスベストの絶縁パネルに取り付けられた単純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、手動で操作するスイッチを開くことは、電源が切れた回路を隔離する以外の目的では危険すぎました。油入開閉装置により、アークエネルギーを封じ込めて安全に制御できます。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、油入遮断器を使用して電気的に動作するスイッチング要素が備えられました。今日では、油入装置は主にエアブラスト、真空、またはSF 6装置に置き換えられ、大電流と電力レベルを自動装置で安全に制御できます。
高電圧開閉装置は、モーターやその他の電気機械を動作させるために19世紀末に発明されました。 [1]この技術は時とともに改良され、現在では最大1,100kVの電圧で使用できます。[2]
通常、変電所のスイッチギアは、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ています。変圧器の低電圧側のスイッチギアは、配電回路用の中電圧遮断器、計測、制御、保護機器とともに建物内に設置される場合があります。産業用途では、変圧器とスイッチギアのラインナップが 1 つのハウジングに統合され、ユニット化された変電所(USS) と呼ばれます。市場調査会社 Visiongain の最新の調査によると、世界のスイッチギア市場は 2029 年までに 5.9% の CAGR 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の増加と、安全でセキュリティの高い配電システムに対する需要の高まりが、この増加を生み出す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、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、および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 1 つは保護です。これは、影響を受けていない回路へのサービスを維持しながら、短絡および過負荷故障電流を遮断することです。スイッチギアは、回路を電源から分離する機能も提供します。スイッチギアはさらに、複数の電源が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高めるために使用されます。
歴史
スイッチギアは発電と同じくらい古いものです。最初のモデルは非常に原始的で、すべてのコンポーネントが単に壁に固定されていました。後にそれらは木製のパネルに取り付けられました。防火上の理由から、木材はスレートまたは大理石に置き換えられました。これにより、スイッチと測定デバイスを前面に取り付け、配線を背面に取り付けることができるため、さらに改良されました。[4]
ハウジング
低電圧用のスイッチギアは、建物内に完全に収納できます。高電圧 (約 66 kV 以上) の場合、スイッチギアは通常屋外に設置され、空気で絶縁されますが、これには大きなスペースが必要です。ガス絶縁スイッチギアは空気絶縁装置に比べてスペースを節約できますが、装置のコストは高くなります。油絶縁スイッチギアは油漏れの危険があります。
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、単純なオープンエアの絶縁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。スイッチギアの効果的でコストの高い形式は、導体と接点が加圧された六フッ化硫黄ガス(SF 6 ) で絶縁されているガス絶縁スイッチギア (GIS) です。その他の一般的なタイプは、油絶縁スイッチギアまたは真空絶縁スイッチギアです。
スイッチギア エンクロージャ内の機器の組み合わせにより、数千アンペアの故障電流を遮断できます。回路ブレーカー(スイッチギア エンクロージャ内) は、故障電流を遮断する主要なコンポーネントです。回路ブレーカーが接点を引き離す (回路を切断する) ときにアークを消すには、慎重な設計が必要です。回路ブレーカーには、次の 6 つのタイプがあります。
油
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。 鉱油は空気よりも絶縁性に優れています。油内で電流が流れる接点が分離すると、遮断器内のアークが接点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大部分が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発生します。ターンの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の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
空気遮断器は、圧縮空気（パフ）またはアーク自体の磁力を使用してアークを延長します。持続可能なアークの長さは利用可能な電圧に依存するため、延長されたアークは最終的に消耗します。または、接点が小さな密閉されたチャンバーに急速にスイングされ、押しのけられた空気が逃げることでアークが吹き消されます。
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停止することができます。デバイスの古さや構造にもよりますが、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ガスの誘電強度を利用して引き伸ばされたアークを消弧することがあります。
ハイブリッド
ハイブリッド スイッチギアは、従来の空気絶縁スイッチギア (AIS) と SF 6ガス絶縁スイッチギア (GIS) 技術のコンポーネントを組み合わせたタイプです。 1 つのモジュールに複数の異なる機能を組み込んだ、コンパクトなモジュール設計が特徴です。
真空
真空遮断器を備えた遮断器は、アーク特性が最小限であるため (接点材料以外にイオン化するものがないため)、アークが少し伸びると (<2～8 mm) 消えます。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さにならず、電流が止まります。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スイッチギアでよく使用されます。他のタイプとは異なり、真空遮断器は本質的に DC 障害の遮断には適していません。真空遮断器が高 DC 電圧の遮断に適さない理由は、DC では「電流ゼロ」期間がないためです。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供給することができます。
二酸化炭素
二酸化炭素を絶縁・消弧媒体として使用するブレーカーは、六フッ化硫黄（SF6 ）ブレーカーと同じ原理で動作します。SF6はCO2よりも強力な温室効果ガスであるため、 SF6からCO2に切り替えることで、製品のライフサイクル中に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
回路ブレーカーとヒューズは、電流が所定の安全レベルを超えると切断します。ただし、変圧器の巻線が接地したときなど、不平衡電流などの他の重大な障害は検知できません。回路ブレーカーとヒューズだけでは、短絡と高レベルの電気需要を区別できません。
メルツ・プライス循環電流方式
差動保護は、回路ノードに出入りする電流の合計がゼロにならなければならないというキルヒホッフの電流法則に基づいています。この原理を使用して差動保護を実装すると、導電経路の任意のセクションをノードと見なすことができます。導電経路は、送電線、変圧器の巻線、モーターの巻線、またはオルタネータの固定子の巻線である可能性があります。この形式の保護は、導電経路の両端が物理的に互いに近い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、またはその他のデバイスの各巻線には、同一の変流器が 2 つ使用されます。変流器は、巻線の反対側の端に配置されます。両端を流れる電流は同じである必要があります。保護リレーは、電流の不均衡を検出し、回路ブレーカーをトリップしてデバイスを分離します。変圧器の場合、一次側と二次側の両方の回路ブレーカーが開きます。
距離リレー
長い送電線の終端での短絡は、送電線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状態になります。距離リレーは、送電線の電圧と電流を比較して故障を検出します。大きな電流と電圧降下は故障を示します。
分類
スイッチギアにはいくつかの異なる分類がある：[7]
- 現在の評価による。
- 遮断定格（装置が安全に遮断できる
最大短絡電流kAIC）
- 回路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、遮断器の後に操作されるオフロード切断装置であり、負荷電流が非常に小さい場合に
- 電圧クラス別:
- 低電圧（1kV 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
- マリン
- 引き出し要素（多くのツール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）—すべての側面と上部が金属板で完全に覆われたスイッチギアアセンブリ。[8]
- メタルクラッド（MC） — 取り外し可能なタイプの主開閉器と遮断装置、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バリア、機械式インターロック、絶縁されたバス導体、およびその他の機能を備えた、より高価な金属密閉型スイッチギアの一種。[9] [10]
- キュービクル
- アーク耐性
- 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分離されているが、互いに分離されていない（フォーム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（フォーム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
- エアサーキットブレーカー
- 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/蓄電エネルギー駆動
- 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
- 遮断スイッチ（断路器）
- 負荷遮断スイッチ[12] [13]
- 接地スイッチ
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、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、その他の国ではIEC規格が使用され、場合によっては各国の派生規格やバリエーションが使用されています。
安全性
スイッチギアの安全な操作シーケンスを確保するために、トラップ キー インターロックは、定義済みの操作シナリオを提供します。たとえば、特定の時間に接続できる電源が 2 つある場合、インターロック スキームでは、2 番目のスイッチを閉じるためのキーを解放するには、最初のスイッチを開く必要がある場合があります。複雑なスキームも可能です。
屋内スイッチギアは、内部アーク封じ込めの型式試験も受けることができます（例：IEC 62271-200）。現代のスイッチギアは大電流をスイッチングできるため、この試験はユーザーの安全にとって重要です。[14]
スイッチギアは、システムの状態を評価し、故障が発生する前に予測するために、熱画像を使用して検査されることがよくあります。その他の方法には、固定式またはポータブル テスターを使用した部分放電(PD) テスト、および表面実装型トランスデューサー (石油機器用) または屋外スイッチヤードで使用される超音波検出器を使用したアコースティック エミッションテストがあります。スイッチギアへのケーブルに取り付けられた温度センサーは、温度上昇を永続的に監視できます。SF 6機器には、圧力低下を警告し、圧力が低すぎる場合は動作を防止するアラームとインターロックが必ず取り付けられています。
高レベルの故障に伴う危険性に対する認識が高まるにつれ、ネットワークオペレータはアーススイッチとラックブレーカーの閉鎖操作を指定するようになりました。多くのヨーロッパの電力会社は、オペレータが操作中にスイッチルームに入ることを禁止しています。リモートラックシステムがあり、オペレータは保護アークフラッシュハザードスーツを着用することなく、離れた場所からスイッチギアをラックに収納できます。スイッチギアシステムは、安全に使用でき、このような高電圧を提供するために完全に最適化された状態を維持するために、継続的なメンテナンスとサービスが必要です。[15]
参照
参考文献
- ^ 英国特許 GB 20069 高圧かつ大量の電流の適用または使用を制御する装置の改良 (1893 年)、espacenet.com より
- ^ Lin Jiming 他「1 100 kV 遮断器の過渡特性」、超高電圧の国際規格に関する国際シンポジウム、北京、2007 年 7 月。
- ^ 「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ます」。Visiongain。2019年9月5日。 2019年9月6日閲覧。
- ^ (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
- ^ “スイス：ABBが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。
- ^ 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。
- ^ Robert W. Smeaton (編)スイッチギアと制御ハンドブック第3版、McGraw Hill、ニューヨーク、1997 ISBN 0-07-058451-6
- ^ IEEE Std C37.20.2-1999. 金属被覆スイッチギアの IEEE 規格。
- ^ IEEE Std C37.100-1992. 電力スイッチギアのIEEE標準定義。
- ^ 「Metal-Clad vs Metal-Enclosed」。Electrical Engineers and Master Electricians Portal。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。
- ^ IEC規格EN 60439パート1表6A
- ^ (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
- ^ (フランス語) Norme CEI 60265-2 中断装置は 52 kV の張力を割り当てます [デッドリンク]
- ^ 「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。
{{cite web}}: CS1 メンテナンス: 不適切 URL (リンク) - ^ 「Switchgear Systems and Services」. johnsonphillips.co.uk . 2018年5月15日閲覧。
外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、スイッチギアに関連するメディアがあります。