表面シールド技術についてエンジニアが誤解していること

はじめに

固体絶縁スイッチギヤの表面シールド技術は、中電圧変電所エンジニアリングにおいて最も重要であり、最も理解されていない設計要素の1つである。 エポキシ樹脂¹ カプセル化されたバスバーと、それを制御するスイッチング・モジュール。 電界分布² SISスイッチギアは、固体絶縁境界において、タッチセーフでゼロ電圧の外面を提供し、人員の安全性という点で、他のあらゆる高圧スイッチギア技術とは根本的に異なっています。しかし、何百もの変電所アップグレードプロジェクトで検討されたプロジェクト仕様書、選定ガイド、調達評価では、表面シールドに関する同じ工学的誤解のクラスタが繰り返し出現しています。この誤解が、誤ったSISスイッチギヤ仕様、不十分な安全評価、表面シールドシステムが設置ミスによって損なわれた現場設置を生み出し、この技術が提供するように設計された安全性と絶縁性能の利点を排除しているのです。. SISスイッチギヤの表面シールドに関してエンジニアが最も一貫して間違っているのは、接地された外側スクリーンを、その完全性、導通、正しい接地接続がスイッチギヤの誘電性能と人員の安全にとって一次絶縁そのものと同じくらい重要な能動的な電界制御システムではなく、受動的な機械的コーティングとして扱うことです。. 本書は、高圧変電所におけるSISスイッチギヤの選定と設置に責任を持つ変電所設計技術者、電気安全担当者、調達管理者のために、選定ガイドの文献ではほとんど提供されていない技術的な正確さをもって、表面シールド技術に関する最も重大な5つの誤解を正すものである。.

目次

• SISスイッチギアの表面シールド技術と電界分布の制御方法とは？
• 表面遮蔽性能に関する工学的に最も重大な5つの誤解とは？
• 高圧変電所プロジェクトにおけるSISスイッチギヤの表面シールド要件を正しく指定するには？
• どのような設置ミスやメンテナンスミスが、サービス中の表面シールドの完全性を損なうのか？

SISスイッチギアの表面シールド技術と電界分布の制御方法とは？

SIS開閉器における表面シールドとは、エポキシ樹脂で封止されたモジュールの外面に施された導電層または半導電層のシステムであり、2つの同時かつ相互依存的な機能を果たす。すなわち、固体絶縁体内の電界分布を制御してエポキシ-空気境界での応力集中を防ぐとともに、高電圧時にシールドされていない固体絶縁体モジュールの外面に現れるであろう容量性結合電圧を除去するために、連続的に接地された外面を提示する。.

表面シールドが解決する電界問題

表面シールドがなければ、24kVの固体エポキシ樹脂絶縁モジュールの外表面は、高電圧導体と接地されたスイッチギア筐体との間に形成された容量性分圧器によって決定される容量結合表面電圧を伝えることになる：

$U_{surface} = U_{phase}\(相) = U_{相｝ = U_{相｝ = U_{相｝ = U_{相｝ = U_{ 相C_{surface-earth}} + C_{surface-earth}}$

典型的な形状の24kV相電圧（13.9kV）エポキシモジュールでは、この容量結合表面電圧は2～6kVに達し、外面に触れる人員に危険な感電を生じさせるのに十分であり、局所電界がエポキシ表面の空気の部分放電開始電圧を超える表面の凹凸で部分放電を開始させるのに十分である。.

表面遮蔽システム・アーキテクチャ

SISスイッチギアの表面シールドは、主に2つの構成で実施される：

• 半導電性コーティング³ シールド 表面抵抗率10³-10⁶ Ω/square、半導電層を通してアースと連続的に容量結合します。
• メタリックなスクリーンシールド： エポキシモジュールの外面に埋め込まれた、または外面に塗布され、スイッチギアのアースバーに接続された連続した銅箔またはアルミ箔またはメッシュスクリーン - 外面のゼロインピーダンスアースを提供する。40.5kV以上で、半導電性コーティングの容量結合表面電圧が安全タッチ電圧制限を超える場合に必要。

表面遮蔽システムの主要技術パラメーター

パラメータ	半導電性コーティング	メタリック・スクリーン
表面抵抗率	10³-10⁶Ω/スクエア	< 0.1 Ω/平方
アース接続	静電容量式（分散型）	ダイレクト（保税）
定格電圧時のタッチ電圧	< 50 V AC (IEC 61140)	< 1 V AC
電圧クラス適合性	12-24 kV	12-40.5 kV
損傷感受性	磨耗 - コーティングの除去	機械的 - スクリーンの不連続性
IEC 62271-200準拠	コーティングをそのままにテストしたタイプ	スクリーン接着タイプ

安全基準

IEC 61140⁴ - 感電防止 - SISスイッチギヤモジュールの外面において、表面シールドシステムがすべての通常動作条件下で維持しなければならないAC50Vのタッチ電圧制限を定義しています。表面シールドシステムは、固体絶縁スイッチギヤのIEC 61140準拠を実現するエンジニアリングコントロールです。これがないと、SISスイッチギヤの外面は中電圧定格ではタッチセーフではありません。.

表面遮蔽性能に関する工学的に最も重大な5つの誤解とは？

これら5つの誤解は、あらゆる地域の変電所プロジェクトにおいて、プロジェクトの仕様書、設置手順書、保守点検記録などに見られ、それぞれが、表面シールド技術を正しく理解していれば防げたであろう、特定の予測可能な故障モードを生み出している。.

誤解1：「サーフェス・シールドは単なる塗装である“

最も広く浸透している誤解は、半導電性または金属表面シールドを、一次絶縁と同様に完全性が重要な機能的電気部品としてではなく、開閉器パネル筐体の塗装と同じような、化粧的または機械的な保護コーティングとして扱っていることである。.

その結果だ： メンテナンス担当者は、定期的なメンテナンスの際に、半導電性コーティングの損傷部分に砂をかけたり、研磨したり、非導電性のタッチアップ塗料を塗ったりする。 部分放電⁵ 開始電圧が発生し、パッチ境界でPD活動が開始する。24 kVのSISモジュール表面上の50 mm²の非シールドパッチでは、パッチエッジに4～8 kV/mmの局所電界応力が発生し、これはエポキシ表面における空気のPD開始しきい値1～2 kV/mmをはるかに上回る。.

誤解2 「低電圧クラスでは表面シールド・アーシングはオプションである“

エンジニアの中には、12kVのSISスイッチギアを指定し、表面シールドアースをスイッチギアアースバーに接続することを要求しない者もいる。“

その結果だ： IEC 61140にはタッチ電圧制限の電圧クラス免除規定がなく、システム電圧に関係なくAC50Vが制限となります。接続されていない半導電性被覆シールドを持つ12 kVのSISモジュールは、通常の動作条件下で0.8～2.5 kVの表面電圧を発生します-IEC 61140のタッチ電圧制限の16～50倍です。十分に安全であろう」という評価は工学的な計算ではなく、表面シールドシステムの主要な人的安全機能を排除する仮定である。.

誤解3 「不連続の金属スクリーンでも十分な遮蔽効果がある“

40.5kVの金属スクリーンSISスイッチギアを指定するエンジニアは、スクリーンが表面の「大部分」を覆い、シールド効果の「大部分」を提供するという理由で、モジュールの継ぎ目、ケーブルの入口、機械的損傷箇所などのスクリーンの導通ギャップを受け入れることがある。.

その結果だ： 電界シールドはスクリーンの被覆率に比例する関数ではなく、連続金属スクリーンの10mmのギャップは、シールドされていない電界をギャップの位置に完全に集中させます。40.5kVのSISモジュールのスクリーン・ギャップでの電界応力は15～25kV/mmに達し、ギャップでの空気中の部分放電を開始するのに十分で、エポキシ表面を侵食し、500～2,000時間の運転でトラッキング不良に進行する。.

あるクライアントのケース： 中国の江蘇省にあるEPCコントラクターの変電所設計エンジニアは、35kV SISスイッチギアパネルが試運転開始後8ヶ月以内に、封止バスバーモジュール表面に目に見えるトラッキングマークが発生したため、Beptoに連絡しました。故障後の検査で、2つの封止バスバーセクション間の接合部に15mmのスクリーン導通ギャップがあることが確認されました。このギャップは、設置時に設置チームがモジュール接合部のスクリーンボンディングテープを省略したために生じたものでした。トラッキング・チャネルは、ギャップの端からケーブル終端に向かって35mm進んでいました。Beptoの技術チームは、正しいスクリーン導通ボンディング手順を指定し、交換用のボンディングテープと導電性接着剤を供給して修理しました。修理された設備は30ヶ月間、再発することなく稼動しています。.

誤解4「表面シールドは部分放電試験の必要性をなくす“

SIS開閉器の調達仕様の中には、表面遮蔽システムが「PDを防止する」という理由で部分放電試運転試験を省略するものがあるが、これは表面遮蔽機能（外部電界分布の制御）と一次絶縁機能（エポキシ鋳物内の内部PDの防止）を混同している。.

その結果だ： 表面遮蔽はエポキシと空気の境界における電界を制御するものであり、エポキシ鋳物内部の空隙、剥離、介在物内での部分放電を防止するものではない。SIS開閉器の内部PDは目視検査では検出できず、表面遮蔽の完全性でも防止できない。検出には1.5×U0でのIEC 60270部分放電測定が必要である。表面遮蔽の有無に基づいてPD試運転試験を省略すると、鋳物内部の欠陥が検出されないままとなる。.

誤解5 「すべてのSISスイッチギア表面シールドシステムは同等である“

異なるメーカーのSISスイッチギヤ製品を選択するエンジニアは、表面遮蔽を標準化された機能として扱うことがある。「表面遮蔽」と表示された「SIS」製品であれば、同等の電界制御とタッチセーフティ性能を提供すると考えるからだ。.

その結果だ： 表面シールドシステムの設計、材料仕様、および IEC 型式試験の検証は、メーカーによって大きく異なります。表面抵抗率が 10 Ω/□（許容範囲の上限）の半導電性コーティングでは、10³ Ω/□のコーティングよりも電界制御が大幅に低下し、モジュールの接合部で不連続に接合された金属スクリーンでは、連続的に接合されたスクリーンよりも保護が大幅に低下します。遮蔽システムを設置した状態での表面電圧測定を含むIEC 62271-200型式試験報告書の提出を製造者に義務付けなければ、仕様書では、製品がIEC 61140のタッチ電圧に適合していることを検証することはできません。.

高圧変電所プロジェクトにおけるSISスイッチギヤの表面シールド要件を正しく指定するには？

ステップ1：電気的要件と安全要件の定義

プロジェクトの電気的要件と安全要件から、表面シールドの仕様パラメーターを設定する：

• システム電圧： 12～24kVでは半導電性コーティング、40.5kVでは金属スクリーンが必要。
• タッチ電圧制限： IEC 61140 準拠を明記 - 定格動作電圧において、アクセス可能なすべての外面で最大 AC50V
• 人員のアクセス頻度： 高周波の人員アクセス（稼動しているSISモジュールに隣接する日常点検ルート）には、すべての電圧クラスで金属スクリーンシールドが必要です。

ステップ2：変電所の環境条件を考慮する

• 屋内空調変電所： 半導電性コーティングの遮蔽が可能 - 安定した温度と湿度でコーティングの劣化を防止
• 屋外または非管理環境の変電所： 金属スクリーンの遮蔽指定 - 紫外線、熱サイクル、湿気は、金属スクリーンよりも早く半導電性コーティングを劣化させる。
• 高公害変電所（SPSクラスIII/IV）： モジュール接合部が密閉された金属スクリーン - モジュール接合部のスクリーンの隙間からの導電性汚染を防止

ステップ3：規格と認証の一致

評価のために提出されたすべてのSIS開閉装置製品について、以下の検証を要求する：

認定要件	仕様条項	検証文書
IEC 62271-200 タイプ試験	表面電圧測定を含む完全な型式試験	試験報告書の原本 - 概要証明書ではない
IEC 61140 タッチ電圧準拠	定格電圧における表面電圧 ≤ 50 V AC	型式試験報告書の測定データ
半導電性コーティングの抵抗率	10³-10⁶Ω/スクエア	メーカーの材料試験証明書
金属スクリーンの連続性	モジュール接合部の不連続面ゼロ	工場検査記録
部分放電試験	< 10 pC at 1.5× U0	IEC 60270試験報告書

サブアプリケーション・シナリオ

• 都市型配電変電所： 金属スクリーンSIS - 人員のアクセス頻度が高く、コンパクトな設置面積が重要。
• 産業プラントの変電所： 12～24kVの半導電性コーティングSIS - アクセス制御、安定した屋内環境、大型パネル数に最適化されたコスト
• 再生可能エネルギー集電変電所： 35kVの金属スクリーンSIS - 屋外または半屋外設置、メンテナンス間隔が長い、25年の資産寿命にわたるスクリーンの耐久性
• 高地変電所（1,000m以上）： メタリックスクリーンSIS - 空気密度の低下により、コーティングの不連続面における表面PDリスクが高まる。

どのような設置ミスやメンテナンスミスが、サービス中の表面シールドの完全性を損なうのか？

インストールとメンテナンスの手順

1. 設置前の遮蔽完全性検査： 設置前に、すべての封止されたモジュール表面のコーティングの損傷やスクリーンの不連続性を検査する - 目に見えるコーティングの磨耗が25mm²を超えるか、スクリーンの隙間が5mmを超えるモジュールは不合格とする。
2. モジュール接合部のスクリーン接合： すべてのモジュール間の接合部にメーカー指定の導電性ボンディングテープを貼る - 接合部の両側でテープの重なり≥50 mmを確認する。パネル組立前に、校正済み低抵抗オーム計で接合部の抵抗値<1 Ωを測定する。
3. アース接続の確認： スイッチギアのアースバーへの表面シールドアースの接続が、メーカー指定の導体で行われ、規定値までトルクが加えられていることを確認する - アース接続抵抗 < 0.5 Ω を測定する。
4. 試運転時のタッチ電圧測定： 定格動作電圧で、高インピーダンス電圧計を使用して、アクセス可能なすべての封止されたモジュール表面の表面電圧を測定する。

排除すべき一般的なエラー

• エラー1 - 損傷した半導電性被膜を非導電性塗料またはエポキシ充填剤で補修する： 補修材は、表面抵抗率が10³～10⁶ Ω/squareの範囲内でなければなりません。導電性でない補修材は、PDを引き起こすシールドのないパッチを作ります。
• エラー2 - 設置時にモジュール接合部のスクリーンボンディングテープを省略した： モジュールジョイントボンディングテープはオプションのハードウェアではなく、スクリーンギャップPDの故障モードを防止する導通要素であり、このテープの省略は、初期のSISスイッチギアの表面トラッキング故障を引き起こす最も一般的な設置ミスです。
• エラー3 - 標準的なマルチメータでタッチ電圧測定を行う： 標準的なマルチメータの入力インピーダンスは10 MΩで、半導電性コーティング・シールドの容量結合表面電圧を正確に測定するには不十分です。半導電性コーティング・シールド・モジュールのタッチ電圧測定には、高インピーダンスの静電電圧計（> 1 GΩの入力インピーダンス）を使用してください。

2番目のクライアントのケース： 中国の山東省にある地域送電網運営会社の調達マネージャーは、10kV都市配電変電所のアップグレードのために、競合する2つのSISスイッチギヤの提案を評価するためにBeptoに連絡しました。Beptoの評価では、両製品のIEC 62271-200型式試験報告書を要求したところ、一方のメーカーの報告書には、定格電圧でAC38Vを確認する表面電圧測定データが含まれており、IEC 61140に準拠していることがわかりました。2つ目のメーカーの報告書には表面電圧測定データが含まれておらず、型式試験は表面シールドのアース接続が行われていない状態で実施されていたため、タッチセーフティ性能は検証されていませんでした。Beptoは認証された製品を推奨し、グリッドオペレータはIEC 61140の表面電圧測定要件を、今後購入するすべてのSISスイッチギヤの必須調達仕様条項として採用しました。.

結論

SISスイッチギヤの表面シールド技術は受動的なコーティングではありません。それは能動的な電界制御システムであり、その完全性、導通、および正しい接地接続は、固体絶縁の誘電信頼性と、変電所で働くすべての人のスイッチギヤの接触安全性の両方を決定します。このガイドで修正された5つの誤解-遮蔽を化粧品として扱うこと、低電圧クラスでのアースを省略すること、スクリーンの不連続性を受け入れること、遮蔽をPD試験に代用すること、すべてのSIS遮蔽システムが同等であると仮定すること-はそれぞれ、正しい仕様と設置規律が排除する特定の予防可能な不具合を発生させます。. IEC61140への準拠を確認する表面電圧測定データを含むIEC62271-200型式試験報告書を要求し、40.5kVおよび高アクセス周波数アプリケーション用の金属スクリーン遮蔽を指定し、すべてのモジュール接合部にスクリーンボンディングテープの設置を強制し、試運転時にアース接続抵抗を検証し、作業員のアクセスを許可する前にアクセス可能なすべての表面のタッチ電圧を測定します。.

SISスイッチギアの表面シールド技術に関するFAQ

1. SISモジュールに使用されるキャスト樹脂の誘電特性と機械特性を理解する。. ↩

2. 接地シールドが絶縁境界における電気的応力集中をどのように制御するかを学ぶ。. ↩

3. 中電圧アプリケーションにおける効果的なフィールド制御のための電気抵抗要件を探る。. ↩

4. 電気設備における感電防止に関する国際安全規格にアクセスしてください。. ↩

5. 気体環境において局所的な電気絶縁破壊が始まる電圧レベルを研究する。. ↩