ロードブレークスイッチの仕組み

はじめに

中電圧配電ネットワークでは、サーキットブレーカの完全な故障遮断機能を使用せずに、負荷電流を安全に遮断する能力が日常的な運用要件となっています。リングメインユニット、フィーダスイッチング、トランスアイソレーション、およびセクショナリゼーションはすべて、1つのデバイスが耐用年数の間に何千回も確実に機能するかどうかにかかっています。.

ロードブレークスイッチ（LBS）は、通電している接点を機械的に分離すると同時に、アーク消弧媒体として空気、SF6ガス、または真空を使用して、負荷電流の遮断によって発生するアークを消弧します。.

しかし、あまりにも多くのエンジニアがLBSの選定を商品として扱い、定格電圧だけに注目し、それを無視しています。 アーク急冷機構¹, その結果、30年の耐用年数で設計された配電網が、早期の接点侵食、開閉器の故障、計画外の停電を引き起こしている。その結果、30年の耐用年数を想定して設計された配電網で、早期の接点侵食、スイッチング操作の失敗、計画外の停電が発生している。.

この記事では、ロードブレークスイッチが機械的および電気的にどのように機能するのか、また、MV配電システムにおける選定、適用、信頼性にどのような意味があるのかについて説明します。.

目次

• ロードブレークスイッチとは何か？
• LBS内部のアーク消弧メカニズムはどのように働くのか？
• アプリケーションに適したロードブレークスイッチを選ぶには？
• よくあるLBS設置の間違いとメンテナンスの必要性とは？

ロードブレークスイッチとは何か？

ロードブレークスイッチは、通常の回路条件下（指定された過負荷条件を含む）で電流を作り、運び、遮断することができる機械的なスイッチング装置であるが、短絡故障電流を遮断するようには設計されていない。この区別は基本的なものである。LBSはサーキットブレーカではなく、定格遮断容量を超えて使用することは重大な安全違反である。.

コアの電気的定義

• 定格電圧： 通常、12kV、24kV、または40.5kV (IEC 62271-103²)
• 定格通常電流： 連続400 A、630 A、または1250 A
• 定格負荷破壊電流： 定格通常電流に等しい
• 定格短時間耐電流 ($I_k$): 16kA、20kA、または25kA（耐量のみ - 遮断は不可）
• 定格電流（ピーク）： $2.5倍 I_k$
• 機械耐久クラス： M1（1,000回）またはM2（10,000回）³ IEC 62271-103による
• 電気耐久クラス： E1（ロードブレーク100回）またはE2（1,000回）⁴

LBS対サーキットブレーカー：決定的な違い

パラメータ	ロードブレークスイッチ	真空遮断器
負荷電流遮断	はい	はい
故障電流遮断	いいえ	はい
ショートサーキット作り	はい	はい
代表的なアプリケーション	セクショナリゼーション、隔離	保護、障害クリア
アーク冷却媒体	空気/SF6/真空	真空/SF6
コスト	より低い	より高い
機械的複雑性	より低い	より高い

ベプトのLBS製品バリエーション

Beptoのロードブレークスイッチ製品群は、3つの主要構成をカバーしています：

• 屋内LBS： スイッチギヤパネル、リングメインユニット、二次変電所（12～24kV）用
• アウトドアLBS： ポールマウントまたはパッドマウント配電スイッチング（12～40.5kV）
• SF6 ロードブレークスイッチ： ハーメチックシールされたメンテナンスフリー設計で、過酷な環境やスペースに制約のある環境にも対応

LBS内部のアーク消弧メカニズムはどのように働くのか？

アーク消弧機構は、すべての負荷ブレークスイッチの心臓部です。負荷電流により接点が分離すると、分離した接点間に瞬時に電気アークが形成されます。このアークが最初の電流ゼロ交差内で消弧されないと、接点の侵食が加速し、絶縁が劣化し、スイッチング動作が失敗します。アーク消弧媒体と接点形状がすべてを決定します。.

アーク形成と消滅の物理学

LBS接点が分離し始めると、接点抵抗が急激に上昇し、周囲の媒体をイオン化して導電性プラズマ（アーク）にする強烈な局所的熱が発生します。アークは、自然電流ゼロで消滅するまで、全負荷電流を流します。アーク消弧システムには以下の条件があります：

1. アークを急激に伸ばす アーク電圧をシステム電圧より高くする
2. アーク柱を冷やす プラズマの伝導率を下げる
3. コンタクトギャップの脱イオン 次の電圧の半サイクルがアークを再点火する前に

アーク焼入れ法の比較

エアアーク焼入れ（屋内LBS）：
アークは電磁力（アークランナー形状）により、アークシュート（金属製スプリッタープレートのスタック）へ押し込まれる。アークは直列の複数の短いアークに分割され、アーク総電圧がシステム電圧より高くなり、強制的に消滅します。適度なスイッチング周波数を持つ屋内12～24kVアプリケーションに効果的。.

SF6ガスアーク焼入れ（SF6 LBS）：
SF6ガス⁵ SF6は、空気の約2.5倍の絶縁耐力と、高い電気陰性度による卓越したアーク消弧特性を持つ。接触分離の際、パファーピストンがSF6ガスを圧縮し、アーク柱全体に高速ガスブラストを向け、急速に冷却し脱イオンします。SF6 LBSは、1電流サイクル未満でアーク消滅を達成し、接点侵食を最小限に抑えます。.

真空アーク焼入れ（真空LBS）：

真空遮断器では、アークは接点材料の蒸発による金属蒸気プラズマとして形成されます。アークを維持するガス分子がないため、プラズマは急速に拡散し、電流ゼロの接点表面で凝縮し、マイクロ秒で消滅します。真空LBSは最高の電気的耐久性を提供し、屋内MV用途にますます好まれています。.

性能比較：アーク消光メディア

パラメータ	エアアーク・シュート	SF6ガス	真空
誘電回復速度	中程度	速い	非常に速い
作業ごとの接触侵食	中程度	低い	非常に低い
メンテナンスの必要性	定期検査	密閉、最小限	密閉、最小限
環境適合性	屋内のみ	屋内・屋外	屋内が望ましい
SF6ガス（温室効果ガスの懸念）	なし	はい	なし
電気耐久クラス	E1	E2	E2
代表的なアプリケーション	二次変電所	リングメインユニット、屋外	最新のMV開閉装置

お客様事例：SF6 LBSの沿岸環状主機における信頼性

東南アジアのある地域電力会社の調達マネージャーは、沿岸の環状メインユニットに設置された空気絶縁LBSユニットのメンテナンス要請を繰り返した後、当社に連絡しました。塩分を含んだ湿った空気がアークシュートの汚染と接点の酸化を促進し、スイッチングの信頼性を低下させ、40台以上のユニットで毎年メンテナンスが必要でした。.

環状メインネットワーク全体でBeptoの密閉型SF6ロードブレークスイッチに移行した後、この電力会社は24ヶ月の監視期間中に予定外のスイッチング故障がゼロであったことを報告し、毎年のアークシュート保守を完全に廃止しました。密閉型SF6設計は、腐食性の高い沿岸環境で決定的な効果を発揮しました。.

アプリケーションに適したロードブレークスイッチを選ぶには？

LBSの選定は、価格だけでなく、電気的要件、環境条件、運用プロファイルの体系的評価によって行わなければなりません。ここでは、経験豊富なMV配電エンジニアが使用する構造化された選択プロセスを紹介します。.

ステップ1：電気的要件の定義

• システム電圧： 定格電圧（12kV/24kV/40.5kV）と絶縁レベル（BIL）の確認
• 負荷電流： 定格電流（400 A / 630 A / 1250 A）を最大負荷より余裕を持って選択する。
• 短時間耐える： 確認 $I_k$ 定格は上流の保護協調（16 kA / 20 kA / 25 kA）に適合
• スイッチング周波数： 必要な電気的耐久性クラスを決定する（頻度が低い場合はE1、頻度が高い場合はE2）

ステップ2：環境条件を考慮する

• 屋内設置か屋外設置か： スイッチギアパネル用屋内LBS、ポールマウントまたはパッドマウント用屋外LBS
• 汚染レベル： IEC 60815クラスI～IV；沿岸および産業環境ではクラスIIIまたはIVの沿面距離が必要
• 周囲温度の範囲： 標準-25°C～+40°C、寒冷地用と熱帯用あり
• 湿度と結露： 密閉型SF6または真空設計により、湿気の侵入リスクを排除
• 地震ゾーン： 地震が発生しやすい地域については、IEC 60068-3-3 に準拠した機械的耐性を指定する。

ステップ3：規格と認証の一致

• IEC 62271-103： 定格電圧1kV以上52kV以下のACスイッチの一次規格
• IEC 62271-200： 金属で密閉されたスイッチギヤアセンブリに取付けられたLBS用
• GB/T 3804： HV ACスイッチの中国国家規格
• IP等級： 最低IP65（屋外用）、IP67（洪水危険地域用

アプリケーション・シナリオ

• 送電網の分断化： 架空配電フィーダー上の屋外LBSによる故障隔離と負荷移動
• リング・メイン・ユニット（RMU）： コンパクトな二次変電所RMUの標準スイッチング素子としてのSF6 LBS
• 産業用変電所： 12-24kV工場変電所における変圧器HVスイッチングおよびバス・セクショナリゼーション用屋内LBS
• ソーラー/再生可能MVコレクション： 大規模太陽光発電所におけるストリングコンバイナーMV切り替えのための屋内LBS
• マリンとオフショア 塩霧環境でのプラットフォーム配電用密閉型SF6 LBS

よくあるLBS設置の間違いとメンテナンスの必要性とは？

正しい設置と規律正しいメンテナンスは、正しい製品選択と同じくらい重要です。MV配電プロジェクトの現場経験に基づくと、これらは最も頻繁に、そして最も未然に防ぐことができる故障パターンである。.

設置チェックリスト

1. 銘板定格の確認 - 定格電圧、定格電流を確認する、, $I_k$, 取り付ける前に、電流を設置設計と一致させる。
2. 位相シーケンスと極性のチェック - 三相LBSの不適切な相接続は、不均衡なスイッチングとアーク放電の加速を引き起こす
3. 機械的リンケージの点検 - 操作機構が全開/全閉トラベルを通じて自由に動くことを確認する。
4. アース導通の確認 - LBSフレームは、IEC 62271-1に従ってしっかりと接地する必要があります。
5. 通電前絶縁抵抗試験の実施 - 通電前の相間および相-接地間、2.5 kV DCでIR > 1000 MΩ
6. インターロック機能の確認 - 試運転前に機械的および電気的インターロックが正しく動作することを確認する。

よくある設置・運用上の誤り

• 定格破壊電流を超える： LBS を使用して故障電流を遮断しようとすると、壊滅的なアーク故障が発生します。
• 機械耐久クラスは無視： 頻繁に切り替わるフィーダー・アプリケーションにM1（1,000回動作）を指定すると、機構の早期摩耗につながる。
• 誤った取り付け方向： LBSのデザインによっては、コンタクトの落下が重力に依存するものがある。承認されていない方向で取り付けると、コンタクトのバウンスや再ストライクの原因となる。
• SF6圧力監視の怠慢： 最低定格圧力以下のSF6 LBSユニットはアーク消弧能力を失います。

メンテナンス・スケジュール

インターバル	アクション
6ヶ月	接点、アークシュート、絶縁表面の目視検査
1年	機械的動作試験（開閉サイクル）、絶縁抵抗測定
3年	接触抵抗測定（＜100μΩ）；アークシュート検査とクリーニング
5年	フルオーバーホール：メーカーの制限を超えるエロージョンが発生した場合、コンタクト交換
障害発生時	サービス復帰前のアーク焼入れ部品の即時検査

結論

ロードブレークスイッチは、単なる機械的なオン／オフ装置ではありません。それは精密なアーク管理システムであり、その信頼性は適切なアーク消弧媒体、機械的耐久性クラス、環境保護、および設置規律によって決まります。リングメインユニット、産業用変電所、または架空配電フィーダのいずれに指定されるかにかかわらず、電気的および機械的レベルでLBSがどのように機能するかを理解することは、信頼性の高いMVスイッチングアプリケーションの基礎となります。.

ご使用の環境に適したアーク消弧媒体を指定し、スイッチング周波数に対する耐久性クラスを検証し、サーキットブレーカの仕事をロードブレークスイッチに求めないこと。.

ロードブレークスイッチの仕組みに関するFAQ

1. 接触分離時に電気アークを消滅させる方法と媒体。. ↩

2. 定格電圧1kV以上52kV以下の高圧スイッチの主要国際規格。. ↩

3. 機器がメンテナンスなしで実行できる機械的動作サイクルの回数を示す分類。. ↩

4. 電気的ストレス下でデバイスが実行できる定格負荷遮断動作の回数を分類したもの。. ↩

5. 中高圧スイッチギアに使用される、非常に効果的な絶縁およびアーク消弧ガス。. ↩