電力インフラの老朽化がどのようにして最新の中電圧ソリューションの必要性を高めているのか

はじめに: 送電網に隠れた危機

先進国全体で、中圧開閉装置の金属キャビネット内で静かな危機が展開しています。都市、工場、重要な施設に電力を供給する電力インフラの多くは、数十年前に設置されました。ヨーロッパでは、現在使用されている中圧開閉装置のかなりの部分が 30 年以上前のものです。北米では、変電所設備の平均使用年数は 20 年間着実に上昇しています。アジアや中東の一部地域では、急速な都市化により、古い機器が当初の設計限界を超えています。

問題は単に設備が古いというだけではありません。問題は、その周囲のグリッドが、元の設計者が予期しなかった方法で変更されていることです。障害レベルが増加しました。再生可能発電では、双方向の電力潮流と高調波成分が導入されています。環境性能と安全性に関する規制要件が強化されています。また、老朽化し​​た機器の維持にかかる運用コスト（スペアパーツの検索、SF₆ 漏洩の管理、修理のための停止のスケジュール設定など）は年々増加しています。

この記事では、電力インフラの老朽化が現代の中電圧ソリューションの緊急事態をどのように生み出しているか、時代遅れの開閉装置が今日の送電事業者にどのような技術的課題を提示しているか、最新の真空およびSF₆フリー技術への移行が信頼性だけでなくコンプライアンス、運用コスト、将来の柔軟性にどのように対処するかを検討します。

問題の規模: 設計寿命を超えたインフラストラクチャ

ほとんどの中圧開閉装置は 25 ～ 35 年の耐用年数を想定して設計されています。先進国で現在稼働しているかなりの量の機器がすでにその閾値を超えています。影響は機器のタイプによって異なりますが、根本的なパターンは同じです。異なる時代に設計されたシステムは、構築されたものとは異なるグリッドをサポートするよう求められます。

石油サーキットブレーカーは、かつては中電圧アプリケーションの標準でしたが、今でもヨーロッパと北米の古い変電所で使用されています。これらのブレーカーは、絶縁媒体と消弧媒体の両方として鉱油を使用します。時間の経過とともに、オイルは水分を吸収し、酸化し、絶縁耐力を失います。障害による遮断による接点侵食により、オイル中に導電性粒子が堆積し、性能がさらに低下します。最も重要なことは、オイルは可燃性であるということです。石油サーキットブレーカーの内部アークはタンクの破裂や火災を引き起こす可能性があり、現代の安全基準では屋内設置ではこのリスクは許容できないと考えられています。

もう 1 つのレガシー技術である空気磁気サーキットブレーカーは、アークが消えるまでアークを伸ばして冷却するために大きなアークシュートに依存しています。これらは物理的に大きく、機械的に複雑であり、中断するたびに侵食される接触面の定期的なメンテナンスが必要です。これらのブレーカーのスペアパーツの入手はますます困難になっています。多くの場合、元のメーカーが存在しないか、製品ラインのサポートが終了しています。

導入当時は石油や空気に比べて大きな進歩を遂げたSF₆ガス絶縁開閉装置も、現在では時代遅れに直面しています。 EU の F ガス規制により、2026 年 1 月以降、24 kV までの新しい SF₆ 開閉装置の欧州市場への供給が禁止されており、他の地域でも同様の規制が進んでいます。既存の SF₆ 機器は引き続き稼働できますが、未使用の SF₆ による保守は 2032 年から禁止され、リークチェックの義務が強化されました。

共通しているのは、開閉装置の老朽化は、テクノロジーに関係なく、保守コストの上昇、予備品やサービスの調達の困難さ、規制や安全性のリスクの増大という 3 つの負担をオペレーターに課すということです。

老朽化した開閉装置を中心に送電網はどのように変化したか

陳腐化の問題は機器そのものだけの問題ではありません。それは、機器が処理できるように設計されたものと、現代の電力網が実際に要求しているものとの間の不一致についてです。

多くの配電ネットワークで障害レベルが増加しています。都市の高密度化は、同じ地理的エリア内でより多くの変圧器、より多くの給電線、より多くの接続負荷を意味し、これらすべてにより、任意の地点で利用可能な短絡電流が増加します。 35 年前に設置されたときの開閉装置パネルの定格は 20 kA でしたが、現在は故障電流が 25 kA 以上に達する可能性があるシステムに接続されている可能性があります。定格遮断容量を超えてサーキットブレーカーを動作させると、致命的な故障が待っています。保護装置がアークを消すことができず、機器の破壊や長時間の停止につながる可能性があります。

再生可能エネルギーの統合により、配電ネットワークの性質が根本的に変わりました。従来のラジアルフィーダは、変電所の変圧器から負荷まで一方向に電力を伝送しました。故障電流は単一の発生源、つまり上流の送電網から発生します。大規模な太陽光発電、風力発電、および蓄電池を備えた最新の配電ネットワークには、複数の故障電流源と双方向電力の流れがあります。単方向フロー用に設計された保護調整スキームは、この環境では正しく動作しない可能性があります。これは、中電圧開閉装置をアップグレードせずにオンサイト発電を追加した産業施設や商業キャンパスで特に深刻です。

電力品質の要件が厳しくなりました。現代の産業プロセスは、電圧低下や高調波歪みを許容しない高感度のパワー エレクトロニクスに依存しています。データセンター、半導体工場、製薬工場は、保護リレーが遅く監視機能が限られている従来の開閉装置では保証できないレベルの電力品質を指定しています。

負荷プロファイルも変更されました。電気自動車の充電インフラ、ヒートポンプ、データセンターは、ほとんどの既存の中電圧開閉装置が仕様化されていたときには予想されなかった負荷パターンを課します。頻繁な負荷サイクル、高調波成分、および元の設計マージンが対応できないほど定格に近いストレスでサーキット ブレーカーが継続的に動作する場合。

メンテナンスの罠: 古い機器を維持すると、交換するよりもランニングコストが高くなります

資産管理者にとって、老朽化し​​た開閉装置を維持するための財務上のケースは、紙の上では簡単に見えることがよくあります。設備はすでに減価償却済みです。更新のための資本予算の確保が困難です。メンテナンス費用は増加していますが、年々吸収できる運営費です。

この会計ロジックは、老朽化し​​た機器の維持にかかる実際のコストが完全に計上されると破綻します。

スペアパーツの入手が当面の課題です。従来のブレーカー設計用の真空遮断器ボトルは、現在生産されていない可能性があります。エアマグネティックブレーカー用のアークシュートには特殊な鋳造作業が必要ですが、これを実行しているサプライヤーはまだほとんどありません。製造中止された製品ラインの保護リレー モジュールは、流通市場でのみ入手可能です。重要なスペアパーツが調達できない場合、1 つのブレーカーの故障により、カスタム交換品の製造中 (製造が可能な場合でも) の間、変電所セクション全体が数週間にわたってオフラインになる可能性があります。

SF₆ の取り扱いコストが上昇しています。厳格化された EU の F-ガス規制の下では、既存の SF₆ 機器であっても、より頻繁な漏れチェックとより厳密な文書化が必要です。 SF₆ ガス自体のコストは、生産量の減少と規制手数料の上昇に伴い増加しています。 2032 年以降、バージン SF₆ による整備が禁止されると、事業者は再生ガスに依存することになりますが、その供給は不確実で、コストも予測できません。

停電窓口の手配はますます困難になっています。多くの産業施設や商業施設では、生産スケジュール上、長期間のシャットダウンは許容されなくなりました。データセンターは契約上の稼働時間保証のもと、24 時間年中無休で稼働します。財務目標を達成するには、再生可能エネルギー資産の発電時間を最大化する必要があります。ブレーカーのメンテナンスのためにバス セクションを休止することは、機器が新しく、ダウンタイムのコストが低かった頃は日常的に行われていたかもしれませんが、現在では広範な計画と正当化が必要な重要な運用上のイベントとなっています。

その結果、メンテナンスのトラップが発生します。機器が古くなればなるほど、より多くのメンテナンスが必要になります。メンテナンスが必要であればあるほど、必要な停止時間も長くなります。必要な停止時間が長くなるほど、停止する余裕のない施設ではスケジュールを立てるのが難しくなります。最終的には、メンテナンスを行う場合の運用コストが、メンテナンスを行わない場合の認識されるリスクを上回るため、メンテナンスは延期されます。これは、機器の故障につながり、メンテナンスにかかる費用よりもはるかに高価な結果を招く可能性があるギャンブルです。

安全性と環境に対する責任

老朽化した開閉装置には安全上のリスクが伴いますが、最新の機器はそれを排除するように特別に設計されています。これらの中で最も深刻なものは、内部アーク故障の封じ込めです。

絶縁不良、湿気の侵入、メンテナンス中の偶発的な接触によって開閉装置パネル内で内部アークが発生すると、爆発的なエネルギーが放出されます。アークは金属を蒸発させ、周囲の空気やガスを非常に強い力で膨張させるため、パネルが吹き飛ばされ、高温のガスや溶融金属が噴出し、周囲にいる人に重傷を負わせる可能性があります。最新の中電圧開閉装置は、内部アーク分類を使用して設計されており、人員を危険にさらすことなく、指定された期間にわたって指定された障害レベルを抑制することがテストされています。従来の機器は、この基準に従って設計またはテストされることはほとんどありませんでした。

石油サーキットブレーカーには火災や爆発のさらなる危険性があります。オイル内の内部アークにより可燃性ガスが発生します。圧力解放装置が十分な速度で圧力を排出できない場合、タンクが破裂する可能性があります。変電所での油火災は消火が難しいことで知られており、隣接する機器に延焼する可能性があります。

環境責任は問題の別の側面です。老朽化した SF6 が充填された RMU はゆっくりとした漏れを生じ、地球温暖化係数が CO2 の 24,300 倍のガスを放出します。現在の EU の規制では、オペレータはその漏れを検出、報告、修理する責任があります。これを怠ると、金銭的な罰金や風評被害が生じる可能性があります。複数のサイトにまたがる大規模な SF₆ 機器を保有するオペレータにとって、管理上の負担だけでも相当なものになります。

近代化の経路: 代替ソリューションとはどのようなものなのか

資産管理者や系統計画担当者にとって朗報なのは、老朽化し​​た中圧開閉装置を置き換える技術が成熟し、実証されており、利用可能であることです。移行経路は研究プロジェクトではなく、十分に理解されたオプションを使用した調達とプロジェクト管理の実践です。

真空サーキットブレーカーは、中電圧アプリケーションにおけるオイルおよびエア磁気ブレーカーの標準的な代替品です。真空遮断器は、密閉されたセラミックボトル内のアークを消します。オイルをテストしたり、濾過したり、交換したりする必要はありません。ガスが漏れることはありません。インタラプタは、その耐用年数全体にわたりメンテナンスフリーであり、通常の動作条件下では 30 年を超える可能性があります。 M2 クラスのスプリング機構を備えた最新の VCB は 10,000 回の機械的動作に耐える定格があり、再生可能エネルギーの統合や現代の産業プロセスで要求される頻繁なスイッチングに適しています。

SF6フリーガス絶縁開閉装置は、SF6を絶縁媒体として乾燥空気または窒素に置き換えたものです。密閉されたステンレススチールタンクは、ガスの監視、補充、使用済みのガスの回収を必要としません。老朽化した SF₆ RMU を交換する公益事業者や産業事業者にとって、ドライエアの代替品は、環境問題やコンプライアンスコストの上昇を招くことなく、同じコンパクトな設置面積と同じ電気的性能を提供します。

デジタル統合は、従来の開閉装置にはまったく備わっていない機能です。最新の保護リレーは IEC 61850 経由で通信し、スイッチの位置、障害記録、および機器の状態に関するリアルタイムのデータを提供します。部分放電センサーは、故障につながる前に絶縁劣化を検出できます。重要な接続点での温度監視により、ボルト締結部が過熱する前に緩みを特定できます。複数の変電所を管理するオペレータは、このデータを利用して状態に応じたメンテナンスが可能になります。つまり、カレンダーのスケジュールに基づいてではなく、すでに障害が発生した後ではなく、修正が必要なときに修正することができます。

COTENELE は、12kV ～ 40.5kV の真空サーキット ブレーカーと SF₆ フリーのリング メイン ユニットを、インフラ近代化プロジェクトに取り組む公益事業、産業プラント、再生可能エネルギー開発会社に供給しています。当社の VCB はエポキシ樹脂ポール絶縁とメンテナンスフリーの真空遮断器を使用しています。当社の RMU は、永久密閉ステンレスタンクの断熱媒体として乾燥空気を使用します。どちらの製品ラインも、適用される IEC 規格に基づいて型式テストされており、入札段階で完全な文書が提供されます。

交換の経済的ケース

老朽化した開閉装置を交換するかどうかの決定は、最終的には財政的な問題であり、財政的な問題は近年かなり強化されています。

最も単純な比較は、古い機器の維持コストの上昇と新しい機器の設置にかかる資本コストの比較です。老朽化した開閉装置のメンテナンスコストは直線的ではありません。機器の使用年数が 30 年、35 年、40 年になると、メンテナンスの頻度が増し、複雑になり、費用も高くなります。供給が減少するにつれて、スペアパーツのコストは高騰します。専門サービスプロバイダーは、旧式の機器に関する専門知識に対して割増料金を請求します。

独立系コンサルタント会社による 2024 年のライフサイクル コスト分析では、老朽化し​​た SF₆ RMU の集団を維持する場合と、それらを乾燥空気相当物に置き換える場合を 20 年間にわたって比較しました。 SF6 漏れ検出、ガス補充、報告義務、予測炭素価格を含めると、乾燥空気置換は 12 年以内に総コスト同等に達し、その後節約が蓄積されました。大規模な機器フリートを所有するオペレータにとって、累積的な節約額は大幅に増加しました。

直接的なメンテナンスコストを超えて、回避される障害コストは、従来の ROI 計算では見落とされがちな重要な要素です。保護されていない開閉装置パネルで 1 つの内部アークが発生すると、パネルが破壊され、隣接する機器が損傷し、数日または数週間にわたる停電が発生する可能性があります。データセンターの場合、1 日のダウンタイムのコストは 7 桁を超える場合があります。産業プラントの場合、生産損失によるコストは、開閉装置自体のコストに比べて小さくなる可能性があります。内部アーク分類と包括的な状態監視を備えた最新の開閉装置は、そのようなイベントの可能性を減らします。

コンプライアンス違反によるコストも発生します。厳格化されたSF₆漏れチェックおよび報告要件を満たさない事業者は、管轄区域によって異なりますが、全般的に増加している規制上の罰則に直面します。 EUのFガス規制には、加盟国が「効果的で、相応で、抑止力のある」罰金を課す規定が含まれている。

インフラストラクチャ評価の実践的な手順

開閉装置の最新化プログラムを検討している資産管理者は、いくつかの実践的な手順を実行することで、範囲、緊急性、ビジネス ケースを明確にすることができます。

状態評価を実施します。すべての中圧開閉装置を年数、技術タイプ、および動作履歴ごとに一覧表にします。既知の問題、最近の障害、メンテナンスの頻度を文書化します。 30 年以上経過した機器、旧式の保護リレーを備えた機器、および漏れの履歴がある SF₆ 機器を優先する必要があります。

障害レベルの調査を実行します。各開閉装置の場所で利用可能な短絡電流は、現在のグリッド構成と予測される将来の発電量に基づいて再計算する必要があります。計算された障害レベルを下回る遮断定格を持つブレーカーは、優先的に交換されます。

SF₆ 在庫と漏れを監査します。F ガス規制の対象となるオペレータにとって、SF₆ 在庫、漏れ率、メンテナンス介入の正確な記録がコンプライアンス要件になりました。監査自体によって、対処する必要のあるデータのギャップが明らかになる場合があります。

メンテナンス費用の傾向を評価します。老朽化した機器のメンテナンス費用が年々増加している場合は、その傾向の将来を予測し、それを交換の償却コストと比較します。計算には停止期間のコストを含めます。

サプライヤーと早めに連携してください。大規模な近代化プログラムの場合、開閉装置のリードタイムはかなり長くなる可能性があります。特に SF₆ フリー機器の場合は、需要の増大に対応するために生産能力が増強されています。認定メーカーとの早期の連携により、生産枠が確保され、プロジェクトの遅延が回避されます。

結論

電力インフラの老朽化は、段階的なメンテナンスによって自動的に解決される問題ではありません。中電圧配電システムの中心となる機器 (サーキット ブレーカー、リング メイン ユニット、バスバー接続など) には耐用年数があります。その耐用年数を超えると、古い機器を稼働し続けるコストが、最新のテクノロジーに交換するコストを最終的に上回ります。

最新の中圧開閉装置への移行は、複数の課題に同時に対処する機会となります。油サーキットブレーカーを真空サーキットブレーカーに置き換えると、火災の危険がなくなり、メンテナンスの手間がほぼゼロになり、30 年間の信頼できるサービスが提供されます。 SF₆ RMU をドライエア RMU に置き換えると、環境に対する責任がなくなり、コンプライアンスの負担が軽減され、将来の規制強化に対しても設置が保証されます。デジタル監視と IEC 61850 通信を追加すると、開閉装置は受動的コンポーネントからグリッド管理への積極的な参加者に変わります。

COTENELE にとって、インフラストラクチャの最新化をサポートするということは、型式テストされ、文書化され、連続生産されている真空サーキット ブレーカーと SF₆ フリー RMU を提供することを意味します。これは、電力会社、産業運営者、EPC 請負業者と協力して各アプリケーションに適切な機器を指定し、コンサルタントや規制当局が必要とする文書パッケージとともに提供することを意味します。

グリッドが変化しています。それを制御する機器も変化する必要があります。テクノロジーは存在します。経済的なケースは明らかです。残された唯一の変数は、最新化プログラムの実装速度です。そして、待機コストは年々増加しています。

最新の中電圧ソリューションをお探しですか?COTENELE は、インフラストラクチャの近代化、電力供給、産業プラント、および再生可能エネルギー用途向けに、12kV ～ 40.5kV の真空サーキット ブレーカー、SF₆ フリーのリング メイン ユニット、および完全な金属被覆開閉装置を提供しています。すべての製品は、適用される IEC 規格に基づいて型式テストされており、入札段階で完全な文書が提供されます。

コテネレについて

COTENELE は、SF₆ フリーの環境に優しいガス絶縁開閉装置、真空サーキットブレーカー、リングメインユニット、12 kV ～ 40.5 kV 用途向けの金属被覆パネルなどの中電圧開閉装置の専門メーカーです。当社の製品は、ヨーロッパ、アジア、中東全域でインフラの近代化に取り組む公益事業者、データセンター運営者、再生可能エネルギー開発者、産業バイヤーにサービスを提供しています。すべての製品は、適用される IEC 規格に基づいて型式テストされており、入札提出とプロジェクトの納品については完全な文書が提供されています。