配電システムにおける高圧開閉装置の仕組み

生成と消費の間のバックボーン

近代的な都市を歩けば、何十もの施設の前を通るでしょう。高圧開閉装置一度も見ずに。彼らは、標識のない建物内、変電所のフェンスの後ろ、商業タワーの地下、工業団地の端に座っています。これらは、電力が送電レベルの電圧から工場、データセンター、病院、集合住宅が実際に使用する電圧に移行する電気ノードです。

中圧開閉装置は、配電チェーン内の特定の場所を占めます。これは、長距離にわたって電力を運ぶ高電圧送電ネットワーク (110 kV、220 kV、または 400 kV 線) と、エンドユーザー機器に接続する 400 V または 230 V の低電圧配電ネットワークの間に設置されます。中電圧範囲は、通常、適用される規格に応じて 1 kV を超え、最大 40.5 kV または 52 kV の電圧として定義され、大容量電力が分割され、施設または地理的領域全体のさまざまな負荷に配線されます。

この記事では、中電圧開閉装置がシステム レベルでどのように動作するのか、どのような機能を実行するのか、開閉装置仕様の選択が下流の配電ネットワーク全体の安全性、信頼性、運用コストに影響を与える理由について説明します。

高圧開閉装置がシステム内に設置される場所

中電圧開閉装置の動作を理解するには、グリッドから負荷までの電力の経路を追跡することが役立ちます。

一般的な産業施設または商業施設は、地域の電力会社から中電圧で電力を受け取ります。国によっては、10 kV、11 kV、20 kV、または 33 kV が一般的です。この電力は、地下ケーブルまたは架空線を通って到着し、中電圧開閉装置アセンブリである施設の主配電盤に入ります。そこから、回路ブレーカーとバスバーを通って、いくつかの目的地に流れます。一部のフィーダは、施設内の一般配電用に電圧を 400 V に降圧する変圧器に送られます。負荷が大きすぎて低電圧では経済的に供給できないため、他のフィーダは大型モーター、チラー、またはコンプレッサーに中電圧で直接供給する場合があります。さらに他のフィーダは、ガス タービンやバックアップ ディーゼル発電機などのオンサイト発電機、または屋上の太陽光インバータなどの再生可能エネルギー源に接続する場合があります。

中圧開閉装置は、これらすべての電力の流れの制御ポイントです。各フィーダを個別に接続または分離できます。各フィーダを障害から保護できます。バスを個別のセクションに分割して、信頼性を向上させることができます。また、施設のオペレーターが電気システムがその時点で何を行っているかを理解するために使用する測定および監視ポイントを提供します。

のコア機能高圧開閉装置

中圧開閉装置は、配電システムにおいて 4 つの基本的な機能を実行します。それぞれを理解することで、なぜ機器がそのように設計されているかが説明されます。

機能 1: 通常の状態での切り替え

開閉装置の最も基本的な機能は、通常の負荷下で回路を接続および切断することです。生産ラインへのフィーダーは、ラインの稼働中は通電し、メンテナンス時には電源を切る必要があります。発電機の回路ブレーカーは、発電機がオンラインになったときに閉じ、オフラインになったときに開く必要があります。変圧器が使用停止になった場合、バス カプラーはバスバーの 2 つのセクションを接続する必要があり、残りの変圧器は両方のセクションに電力を供給する必要があります。

これらの切り替え操作は日常的なものですが、簡単ではありません。スイッチング デバイスは、過剰なアーク放電や接点の腐食を発生させることなく、全負荷電流を遮断できなければなりません。耐用年数にわたってこの操作を何千回も実行できなければなりません。また、パネルの前に立っているオペレータの安全を損なわない方法でこれを行う必要があります。

真空サーキットブレーカーは、今日のほとんどの中電圧アプリケーションでこの役割を果たします。真空遮断器は、イオン化するガス、劣化する油、メンテナンスが何もない密閉されたセラミックボトル内のアークを消します。スイッチング周波数が低いアプリケーションでは、フルサーキットブレーカよりもシンプルで安価な負荷遮断スイッチを、故障電流の遮断が期待されないフィーダに使用できます。

機能 2: 障害保護

通常の状態でのスイッチングが開閉装置の日常業務である場合、障害保護はその重要な使命です。故障（相間または相とアース間の短絡）は、視覚化するのが難しい規模でエネルギーを放出する可能性があります。障害点の電流はミリ秒単位で数万アンペアまで上昇する可能性があります。この電流によって発生する熱力と機械力により、機器が破壊され、火災が発生し、人員が負傷する可能性があります。

開閉装置は、これらの結果が発生する前に、障害を検出し、電流を遮断し、障害が発生したセクションを隔離する必要があります。これには、異常電流を感知する保護リレー、異常電流を遮断できる回路ブレーカー、ネットワークの健全な部分への巻き添え被害を制限するシステム設計の 3 つが連携して機能する必要があります。

中電圧保護リレーはますます洗練されています。最新の数値リレーは、さまざまな種類の故障を区別し、保護されたフィーダの故障と下流の故障を区別し、エンジニアがイベント後に何が起こったかを理解するのに役立つ波形データを記録できます。ただし、リレーが送信できるのはトリップ信号のみです。次に、回路ブレーカーは、故障電流の完全な電磁力に抗して接点を物理的に分離し、接点間に形成されるアークを消し、再点火を防ぐのに十分な速さで絶縁耐力を回復する必要があります。これは、定格短絡遮断電流が 25 kA または 31.5 kA の真空サーキット ブレーカーが設計され、テストされることを目的としています。

機能 3: 安全のための絶縁

障害保護により、危険な状態が自動的に解消されます。隔離は、人々が作業できる機器を安全にするために取られる意図的な措置です。

保守チームが変圧器、ケーブル終端、または回路ブレーカー自体にアクセスする必要がある場合、回路に目に見えて検証可能な遮断が必要です。彼らは、回路が誤って再通電されることがないことを知っておく必要があります。また、残留電圧や誘導電圧が危険を及ぼさないように、機器をアースに接続する必要があります。

中電圧開閉装置は、回路ブレーカー、断路器、接地スイッチの組み合わせによってこれを実現し、すべてがインターロックされているため、操作は安全なシーケンスに従う必要があります。オペレータは、最初に回路ブレーカーを開き、次に断路器を開いて目に見える絶縁ギャップを作成し、次に接地スイッチを閉じて絶縁セクションを接地する必要があります。機械的インターロックにより、これらの手順が順番どおりに実行されることが防止されます。これが現代の車に標準装備されている「5つの予防」連動システムです。高圧開閉装置.

機能 4: 測定と監視

データなしでは配信システムを管理することはできません。電流測定により、システムが何を行っているかが保護リレーに通知されます。電圧測定により、電力品質の監視と同期チェックが可能になります。エネルギー測定は、請求とコスト配分の基礎となります。そして、開閉装置自体からの状態監視データ (温度、部分放電、機構の移動時間) を使用して、故障が発生する前にメンテナンスが必要な時期を予測することが増えています。

高圧開閉装置には、これらの測定機能がすべて統合されています。変流器と電圧変圧器は、ケーブル コンパートメントまたはバスバーに取り付けられます。二次出力は、低電圧コンパートメント内の保護リレー、メーター、トランスデューサーに配線されています。最新の設備では、これらのデバイスは、IEC 61850、Modbus、Profibus などのデジタル プロトコルを介して施設の中央 SCADA またはエネルギー管理システムと通信します。開閉装置パネルは、電源デバイスであると同時にデータ ソースでもあります。

配電システムの開閉装置構成

配電システムにおける開閉装置パネルの物理的な配置は任意ではありません。これは、施設の運用哲学と、供給される負荷の信頼性要件を反映しています。

シングルバスバー

最も単純な構成は、すべての入力フィーダーと出力フィーダーが接続された 1 つのバスバーです。単一の変圧器がバスに電力を供給します。変圧器が故障した場合、またはメンテナンスのためにサービスが停止された場合、そのバス上のすべての負荷は電力を失います。この構成はコストが低く、操作が簡単ですが、冗長性はありません。これは、小規模な商業ビル、重要ではない産業プロセス、または建設用の仮設供給など、供給中断の結果が許容できる場合に使用されます。

分割された単一バスバー

バス セクションのサーキット ブレーカーを追加すると、独立して動作するか、一緒に結合できる 2 つのバスバー セクションが作成されます。各セクションには独自のトランスが供給されます。 1 つの変圧器が故障すると、バス カプラーが閉じ、正常な変圧器が両方のセクションに電力を供給します。転送中に負荷が短時間中断されますが、サービスはすぐに復元されます。これは、メンテナンスのためのある程度のダウンタイムは許容されますが、完全な供給の喪失は許容されない、中規模の産業プラントや商業施設で最も一般的な構成です。

メイン-タイ-メイン

メイン - タイ - メイン構成では、2 つの別個のバス セクションの間にバス カプラーが配置され、それぞれに独自のメイン受電ブレーカーと変圧器が備えられます。カプラーは通常はオープンです。いずれかの変圧器が失われた場合、カプラーは自動的に、またはオペレーターの操作によって閉じます。この構成は、カプラーの操作を自動化し、オペレーターの介入なしで転送を実行できるため、単純な区分バスよりも高い信頼性を提供します。病院、データセンター、連続プロセス産業プラントなどの重要な施設で使用されています。

リングメインユニット（RMU）の構成

大学のキャンパス、都市部の配電ネットワーク、風力発電所の集電システムなど、地理的に分散した複数の負荷に対応する配電ネットワークの場合、リング メイン ユニット構成が標準ソリューションです。複数の RMU パネルがリング状に接続されており、各パネルには通常、リング フィーダ用の 2 つの負荷遮断スイッチと、ローカル変圧器用の 1 つのサーキット ブレーカーまたはヒューズ スイッチが含まれています。力はリングの周りのどちらの方向にも流れることができます。リング上のどこかでケーブル障害が発生した場合、障害に隣接する 2 つの RMU パネルによって損傷部分が隔離され、他のすべての負荷はリングの正常な側から電力を受け取り続けます。このアーキテクチャは、供給インフラストラクチャ全体を複製するよりもはるかに低いコストで、ラジアル システムでは達成できないレベルの供給信頼性を提供します。

COTENELE は、永久密閉ステンレス鋼タンク内の断熱媒体として乾燥空気を使用し、リングの主用途向けに 24 kV SF₆ フリー RMU を供給しています。 RMU モジュール (入力、出力、変圧器保護、バス カプラー、および直接計量) は、プロジェクトの単線図に一致するように構成できる、標準化され型式テスト済みのサブアセンブリから構築されています。

配電開閉装置におけるSF₆フリーへの移行

過去 10 年間の中圧開閉装置における重要な進歩は、絶縁および消弧媒体としての SF6 ガスからの移行でした。これは、ガス絶縁開閉装置およびリングのメインユニットに特に当てはまります。従来、SF6 はすべての充電部を囲む密閉タンクを満たすために使用されていました。

この移行の原動力は環境規制であり、特に注目すべきは欧州市場で最大 24 kV までの新しい SF₆ 開閉装置を禁止する EU F ガス規制です。しかし、この移行は健全なエンジニアリング ロジックによってもサポートされています。乾燥した空気と窒素には地球温暖化係数がゼロであり、寿命末期に特別な処理を必要とせず、F-ガスの記録保持や漏れ報告といった管理上の負担がありません。真空遮断は、何十年にもわたってサーキットブレーカー用途の標準となっており、ガスをまったく使用せずに消弧機能を提供します。

施設オペレーターにとって、SF₆RMU とドライエア RMU の実際的な違いは、電気的性能の点では最小限であり、どちらも同じ IEC 62271-200 規格に基づいて型式テストされています。違いは運用手順に現れます。密閉型寿命タンクを備えたドライエア RMU では、ガス圧力を監視したり、補充スケジュールを維持したり、使用済みガスの回収を手配したりする必要がありません。何百もの変電所を管理する電力会社や産業運営者にとって、この簡素化には真の価値があります。

配電システムの設計: 開閉装置の仕様

中電圧開閉装置を指定するエンジニアにとって、最終的なシステム構成はいくつかの決定によって決まります。

電圧と障害レベル。システム電圧は開閉装置の誘電設計を決定します。利用可能な故障電流によって、必要な短絡遮断容量が決まります。どちらも上流の系統接続と変圧器のインピーダンスによって確立されます。故障定格を低く指定すると危険です。過剰に指定すると、不必要なコストが追加されます。正しい数値は短絡の研究から得られます。

バスバー構成。単一バスバー、分割バスバー、メイン - タイ - メイン構成のいずれを選択するかは、信頼性の要件と予算によって異なります。信頼性の高い構成では、パネルの数、コスト、複雑さが増加しますが、長時間にわたる停止の最も一般的な原因である変圧器の故障から保護されます。

サーキットブレーカーとヒューズ付きコンタクタ。変圧器に電力を供給するフィーダには、回路ブレーカーが過負荷と短絡保護の両方を提供します。モーターに電力を供給するフィーダーの場合、ヒューズ付きコンタクターの方が経済的で、モーター固有の障害状態に対する保護が強化される可能性があります。決定は、負荷のタイプと必要な保護調整のレベルによって異なります。

固定と引き出し可能。固定開閉装置はよりシンプルで低コストですが、サーキットブレーカーのメンテナンスにはバスセクション全体の電源を切る必要があります。引き込み可能な開閉装置により、バスに通電したままメンテナンスのためにブレーカーを取り出すことができます。ダウンタイムが非常に高くつく重要な施設では、通常、撤回可能な構成が正当化されます。

統合とコミュニケーション。開閉装置は、施設の保護および制御システムと接続する必要があります。通信プロトコル、変流器と電圧変圧器の種類と数量、保護リレーと制御回路用の補助電源はすべて仕様で定義する必要があります。