ガス絶縁開閉装置 (GIS) はどのように機能しますか?

はじめに: 数千ボルトを制御する金属の箱

近代的な変電所、風力発電所の集電プラットフォーム、または都市の超高層ビルの地下に足を踏み入れると、電気の世界で最も危険な仕事の 1 つを静かにこなしている、控えめな金属キャビネットの列が見つかるでしょう。これらはガス絶縁開閉装置パネル—またはGISそしてそれらは、金属を蒸発させて近くにいる人を危険にさらす可能性がある電気アークを封じ込め、制御し、消すように設計されています。

電気技術者にとって、GIS がどのように機能するかを理解することは学術的な作業ではありません。これにより、変電所のレイアウト方法、メンテナンスのスケジュール、および機器が稼働開始から 30 年後も確実に動作するかどうかが決まります。調達専門家にとって、あるパネルのコストが他のパネルよりも高い理由と、その追加投資によって安全性、設置面積、ライフサイクル コストの観点から何が得られるのかが明確になります。

この記事では、高電圧導線を隔離する密閉ガスタンクから、回路を遮断する真空遮断器、致命的なミスにつながる危険なミスを防ぐ機械的インターロックまで、ガス絶縁開閉装置がどのように機能するかをコンポーネントごとに説明します。

ガス絶縁開閉装置とは何ですか?

ガス絶縁開閉装置は、一次側が金属で密閉された開閉装置です。中電圧コンポーネントバスバー、回路ブレーカー、断路器、接地スイッチ、計器用変圧器は、密閉されたガス充填コンパートメント内に収容されています。ガスは、充電部間、および充電部とアース間の絶縁媒体として機能します。

従来の空気絶縁開閉装置は物理的距離に依存しています。導体は十分に離れた間隔で配置されているため、周囲の空気は破壊することなく電圧ストレスに耐えることができます。ガス絶縁開閉装置は、その物理的距離を、空気よりもはるかに高い絶縁耐力を持つ加圧ガスで置き換えます。これにより、アセンブリ全体を大幅に縮小できます。場合によっては、GIS が占める床面積は、同等の空気断熱設備の 4 分の 1 以下になります。

ガスタンク自体は通常、ステンレス鋼またはアルミニウム合金で作られ、機器の耐用年数にわたるガス漏れを防ぐために溶接および密閉されています。内部の雰囲気は管理され、監視されています。最新の設計では、業界を再構築する規制への対応として、SF₆ の代わりに乾燥空気または窒素を使用することが増えています。

GIS パネルの構築方法: 内部アーキテクチャ

GIS は外側からは 1 つの金属キャビネットのように見えますが、内部ではいくつかの機能コンパートメントに分割されており、それぞれが気密バリアまたはブッシングによって他のコンパートメントから隔離されています。これらのコンパートメントを理解すると、機器が運用の柔軟性と安全性の両方をどのように実現するかがわかります。

1. バスバーコンパートメント

バスバーは、開閉装置アセンブリのバックボーンです。 GIS では、バスバーはパネルの上部または背面にある専用のガスコンパートメントを水平に通過します。バスバーは隣接するパネルを相互に接続するため、多くの場合、複数のパネルのバスバー コンパートメントは気密ブッシングを介して接続され、配電盤全体に連続したガス ゾーンを形成します。

バスバーは、設備の最大定格電流 (多くの場合 1250 A、2000 A、またはそれ以上) を流し、絶縁を劣化させたり接点の酸化を促進したりする温度制限を超えないようにする必要があります。 GIS では、周囲のガスがバスバー導体から熱を伝導するのに役立ち、空気絶縁よりも小さな断面積でより高い電流定格が可能になります。

2. サーキットブレーカーコンパートメント

バスバーがバックボーンであれば、サーキットブレーカーはマッスルです。障害が発生したときに回路を中断する必要があるのはデバイスであり、それに課せられる要求は非常に厳しいものになります。中電圧サーキットブレーカーは、25,000 アンペア以上を遮断し、太陽の表面に匹敵する温度に達するアークを数ミリ秒以内に消す必要がある場合があります。

最新の GIS 設計では、回路ブレーカー機能はほぼ普遍的に真空遮断器によって実行されます。真空遮断器は、内部に一対の接点 (1 つは固定、もう 1 つは可動) を備えた密閉されたセラミック ボトルです。接点が分離すると、形成されるアークがほぼ完全な真空内に引き込まれます。イオン化するガスが事実上存在しないため、アークは最初の電流ゼロ交差で消滅します。 GIS タンク内の周囲のガスは、遮断器とタンク壁の間の誘電絶縁を提供しますが、アーク消弧には何の役割も果たしません。

コテネレ の GIS パネルは、最大定格 25 kA または 31.5 kA の真空サーキット ブレーカーを使用しており、10,000 回の操作に耐える機械的耐久性を備えています。真空遮断器は生涯メンテナンスフリーで、オイルもガスも補充する必要もありません。

3. 断路器と接地スイッチのコンパートメント

サーキットブレーカーは電流を遮断できますが、保守担当者が命を賭けて信頼できる目に見える絶縁ギャップを提供することはできません。その関数は断路器(アイソレータとも呼ばれます)。断路器には消弧機能がありません。回路ブレーカーがすでに電流を遮断した後でのみ操作できます。その役割は、視覚的、機械的、電気的に確実な物理的な空気またはガスのギャップを作成することです。

接地スイッチは逆の機能を実行します。つまり、絶縁された導体を意図的にアースに接続し、残留容量性電圧または誘導電圧を放電します。これは、機器に触れても安全にするためのステップです。

GIS では、多くの設計で断路器と接地スイッチが 1 つの 3 ポジション スイッチに統合されています。 1 つの位置は「閉」(バスバーに接続)、1 つは「開」(絶縁)、もう 1 つは「接地」です。この 3 ポジション設計により、機械的インターロックが簡素化され、必要なガス シールの数が減ります。

4. 計器用変圧器とケーブルコンパートメント

いいえGIS測定なしで完了です。変流器 (CT) と電圧変圧器 (VT) は、保護リレー、メーター、SCADA システムが電力システムを監視および制御するために必要な信号を提供します。 GIS では、CT は多くの場合、サーキット ブレーカーがケーブル コンパートメントに接続するブッシングの周囲に取り付けられたトロイダル コアです。 VT は誘導性または容量性であり、保護および計測方式に応じてバスバーまたはフィーダ側に接続されます。

ケーブル コンパートメントは、外部高電圧ケーブルがパネルに入り、内部導体に接続される場所です。乾燥空気を使用する SF6 フリー GIS では、設計に応じて、ケーブル コンパートメントは開閉装置と同じ密閉ガス容積の一部であるか、気密ブッシングによって分離されています。ケーブル終端は通常、ケーブルと開閉装置の間に完全に絶縁され、完全にシールドされたインターフェイスを提供するエラストマー コネクタを使用するプラグイン タイプです。

5. 低電圧制御コンパートメント

フロント パネル ドアの後ろには、保護リレー、制御スイッチ、端子台、補助接触器、通信ゲートウェイなどの GIS のインテリジェンスが配置されています。この区画は接地電位にあり、密封されたブッシングによって高圧ガス区画から隔離されています。トリップ、投入、表示、通信用の二次配線はすべてここに配線されます。

低電圧コンパートメントの仕上がりの品質は、メーカーの全体的な品質の信頼できる指標です。きちんと配線された配線、明確にラベルが貼られた端子、および適切に設定された保護リレーは、顧客が簡単に検査できないパネルの部分にも同様の注意が払われていることを示しています。

ガス絶縁の物理 そもそもなぜガスを使用するのでしょうか?

 答えは、物質の基本的な特性である絶縁耐力にあります。

空気、油、固体エポキシ、ガスなど、あらゆる絶縁材料には、破壊して導通するまでに耐えられる電界の限界があります。大気圧の空気の場合、その制限は 1 ミリメートルあたり約 3 kV です。適度な圧力の SF₆ の場合、それはおよそ 3 倍高くなります。これは、SF₆ で満たされたタンク内の導体を、フラッシュオーバーの危険なしに、空気中よりもはるかに近づけて配置できることを意味します。その結果、開閉装置パネル全体が縮小します。

そのメカニズムは分子的なものです。 SF6 は電気陰性ガスです。その分子は自由電子を容易に捕捉し、電場内でゆっくりと移動する重い陰イオンを形成し、電子なだれを維持するのが苦手です。この特性により、SF6 には高い絶縁耐力と優れた消弧能力が与えられます。

乾燥空気と窒素は、より単純な原理で機能します。絶縁耐力は、同じ圧力では SF6 よりも低くなりますが、タンクの形状が適切なクリアランスを持って設計されている場合、中電圧用途には十分です。トレードオフは、同じ電圧定格でタンク容積が若干大きくなることであり、現在ほとんどのメーカーとユーザーが、CO₂ の 23,500 倍である SF₆ の地球温暖化係数を除去する代償として受け入れている技術的な妥協です。

インターロックの仕組み

GIS の特徴の 1 つは、「5 防止」インターロックと呼ばれることが多い機械的インターロック システムです。これらのインターロックは純粋に機械的なものであり、電力、ソフトウェア、人間の記憶には依存しません。

ロジックは単純ですが、容赦がありません。

1.断路器が全開または全閉になっていないと遮断器を投入できません。

2.遮断器が投入されている間は断路器の操作はできません。

3.回路が通電している間は、接地スイッチを閉じることはできません。

4.接地開閉器が作動している間は、サーキットブレーカーを閉じることはできません。

5.アーススイッチが閉じられていない限り、ケーブル収納部のドアを開けることはできません。

これらの規則は、条件が満たされない場合に操作ハンドルやドア ラッチを物理的にブロックするカム、レバー、およびスライド ボルトによって強制されます。これは、パネルの前に立っているオペレータにとって、危険な一連の動作が単に禁止されるだけでなく、機械的に不可能であることを意味します。

SF₆ フリー GIS: 同じ原理、より安全なガス

SF6 フリー GIS の動作原理は、従来の SF6 GIS の動作原理と同じです。同じコンパートメント、同じ真空遮断器、同じ断路器と接地スイッチ、同じインターロック。変化するのは密閉タンク内のガスだけです。

コテネレ の高圧 GIS は、絶縁媒体として乾燥空気を使用します。工場でガスを精製、除湿し、ステンレスタンクに封入します。タンクは漏れがないかテストされ、その後 30 年の設計寿命全体にわたって密閉されたままになります。オペレーターが読み取るための圧力計も、補充ポートも、従うべきガス関連のメンテナンス手順もありません。ガスシステムはユーザーの視点からは目に見えません。

このアプローチには、エンド ユーザーにとって 3 つの実際的な利点があります。

• 環境コンプライアンス。SF₆ がないということは、F ガス報告義務がないこと、漏れ検出プログラムがないこと、および使用済みガスの回収がないことを意味します。この機器は、例外や回避策なしで EU F-ガス規制に準拠しています。
• メンテナンスの簡素化。メンテナンス技術者がパネル ドアを開けると、他の最新の GIS と同じ真空回路ブレーカー、同じ断路器機構、および同じ保護リレーが配置されていることがわかります。理解できるガス処理装置はありません。
• 将来性のある投資。SF₆ 規制が世界的に強化されているため、SF₆ を含まない機器はサービス制限の強化、ガスコストの上昇、または強制的な改修要件に直面することはありません。

GIS が使用される場所

GIS テクノロジーは、スペースが限られている場合、信頼性が重要である場合、または環境条件によって空気絶縁機器が実用的でない場合に導入されます。

• 不動産コストがかかる都市部の変電所では、コンパクトな設備が経済的に必要になります。
• 風力発電所の集電変電所では、保守アクセスが限られた遠隔地で、場合によっては過酷な環境で開閉装置が確実に動作する必要があります。
• 稼働時間の保証と ESG への取り組みにより、SF₆ フリーでメンテナンスの手間がかからない機器が求められるデータセンター。
• 露出した空気絶縁導体を劣化させる可能性のある、腐食性雰囲気、高い粉塵レベル、または高湿度のある産業プラント。
• 防火性とコンパクト性が交渉の余地のない空港、地下鉄、トンネルなどのインフラストラクチャ。

よくある質問

Q: ガスが漏れた場合、GIS は修理できますか?

A: 永久密閉型ドライエア GIS の場合、タンクは工場で溶接およびテストされており、現場で開けられるように設計されていません。タンクが損傷した場合、通常はパネル全体が交換されます。このため、製造中のタンクの完全性テストが重要です。ただし、適切に製造された密閉タンクからのガス漏れは、機器の耐用年数を通じて非常にまれです。

Q: 真空遮断器がまだ動作していることはどのようにしてわかりますか?

A: 真空の完全性は、工場での日常的なテスト中に、オープン接点間の高電位テストによって検証されます。真空遮断器は稼働中はメンテナンス不要で、時間が経っても劣化しません。唯一の摩耗メカニズムは、障害遮断中の接点の浸食であり、これは遮断器の定格電気的耐久性で考慮されます。

Q: ドライエア GIS は SF₆ GIS よりも物理的に大きいですか?

A: 最大 40.5 kV の中電圧レベルでは、サイズの差は最小限であり、標準パネル寸法内に収まります。メーカーは、乾燥空気設計の設置面積を最小限に抑えるために、長年の開発を通じてタンクの形状を最適化してきました。

Q: GIS にはどのような標準が適用されますか?

A: 金属で囲まれた GIS は、IEC 62271-200 に準拠して型式テストされています。内部のサーキットブレーカーは IEC 62271-100 に従ってテストされています。内部アーク分類 (IAC) は、IEC 62271-200 付属書 A に従ってテストされます。COTENELE は、すべての見積書とともに、独立した IEC 認定研究所からの完全なタイプテスト証明書を提供します。

結論: 基本をマスターする

ガス絶縁開閉装置は、高電圧導体をガス雰囲気中で封止し、相互および大地から絶縁することで動作し、空気絶縁された同等品よりもアセンブリ全体をはるかに小さくすることができます。その密閉された環境内では、真空遮断器が回路を遮断し、断路器が目に見える分離を提供し、接地スイッチが機器に触れても安全にし、機械的インターロックのネットワークによってこれらの操作が正しい順序でのみ実行できるようにします。

SF₆ から乾燥空気への移行によって、この基本的なアーキテクチャは変わっていません。ガスを何千年にもわたる環境責任を負わないガスに置き換えただけです。エンジニアや購入者にとって、GIS の仕組みを理解することは、適切な機器を指定し、メーカーの主張を検証し、現在設置されている開閉装置が 30 年後もネットワークを保護していることを確認するための基礎となります。

コテネレ は、乾燥空気絶縁と真空遮断を使用し、IEC 62271-200 に準拠して型式テストされた SF6 フリーのガス絶縁開閉装置を製造しています。当社のエンジニアリング チームは、入札段階で型式試験証明書や日常試験報告書を含む完全な文書パッケージを提供し、お客様が自信を持って指定できるようにします。次のプロジェクトに SF₆ フリー GIS をお探しですか? COTENELE は、公共事業、再生可能エネルギー、データ センター、産業用アプリケーション向けに 12 kV ～ 40.5 kV SF₆ フリー ガス絶縁開閉装置、リング メイン ユニット、および真空サーキット ブレーカーを供給しています。

コテネレは、SF₆ フリーガス絶縁開閉装置、真空遮断器、リングメインユニット、および 12 kV ～ 40.5 kV 用途向けの金属被覆パネルを含む高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、中東の公益事業者、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。