固体絶縁開閉装置技術とは

はじめに

何十年もの間、高圧スイッチギヤの絶縁媒体は、空気か空気圧かの二者択一でした。 SF6ガス¹. .空気絶縁開閉装置は、大きな設置面積と定期的なメンテナンスが必要だった。SF6ガス絶縁開閉装置はコンパクトで高性能だったが、地球温暖化係数がCO₂の23,500倍という強力な温室効果ガスを導入した。.

固体絶縁開閉器技術は、エアギャップとSF6ガスの両方を鋳造に置き換えます。 エポキシ樹脂² 一次絶縁媒体として、活線導体、バスバー、スイッチング素子を固体誘電体材料で封止することで、優れた耐汚染性を実現し、ガス管理要件を排除し、AISと比較して設置面積を最大50%削減し、30年の耐用年数を評価されたメンテナンスフリーの絶縁システムを提供します。.

二次変電所、産業用電力システム、再生可能エネルギーのMVインフラを設計する電気エンジニアにとって、SIS技術は高圧絶縁の設計方法における根本的な転換を意味します。それは既存のガスや空気技術の漸進的な改善ではなく、明確な性能特性、環境的信頼性、およびライフサイクル経済性を備えた異なる絶縁哲学です。固体絶縁スイッチギヤ技術とは何か、どのように機能するのか、そしてどこが他の技術より優れているのかを理解することは、最新のMVスイッチギヤを調達する際の基礎となります。.

この記事では、絶縁物理学や材料科学から、MV配電の全範囲にわたるシステムアーキテクチャ、アプリケーションの選択、メンテナンス要件まで、固体絶縁スイッチギア技術に関する完全な技術リファレンスを提供します。.

目次

• MV開閉器における固体絶縁技術とその仕組みとは？
• SISスイッチギヤの性能は、AISやGISと比較して主要なパラメータでどのように違うのか？
• 用途に合わせた固体絶縁開閉器の仕様と選択方法とは？
• SISスイッチギアの設置、メンテナンス、ライフサイクル要件とは？

MV開閉器における固体絶縁技術とその仕組みとは？

固体絶縁スイッチギア技術は、スイッチギアアセンブリー内のすべてのMV導体、バスバー、およびスイッチングエレメントインターフェースを取り囲む一次絶縁媒体として、主にエポキシ樹脂化合物である鋳造固体誘電材料を適用するものです。空気絶縁（物理的なクリアランス距離に依存）やガス絶縁（絶縁強度を達成するために加圧SF6に依存）とは異なり、固体絶縁はカプセル化材料自体の固有の分子構造によって絶縁性能を達成します。.

固体誘電絶縁の物理学

絶縁システムにおいて絶縁耐力とは、材料が絶縁破壊（電荷キャリアが材料を通過して加速し、導電経路が形成され、致命的な故障が発生する点）するまでに耐えられる最大電界のことです。絶縁媒体の絶縁耐力は、活線導体を接地された構造物や互いにどれだけ近づけることができるかを決定し、これは機器の物理的サイズを直接支配します。.

誘電強度の比較：

• 空気（1バール、均一なフィールド）： 30 kV/cm
• SF6（3バール）： ~220 kV/cm
• キャストエポキシ樹脂（APG）： 180～200kV/cm（バルク）；適切なフィールドグレーディングにより、表面では効果的に無制限

鋳造エポキシ樹脂のバルク絶縁耐力は、加圧SF6に近づきます。これが、SISスイッチギアが加圧ガスシステムを必要とせずにGISに匹敵するコンパクト性を実現する理由です。さらに重要なことは、固体絶縁は、汚染された環境で空気絶縁機器を制限する表面フラッシュオーバー故障モードを排除することです。固体エポキシ表面は、エアギャップ絶縁表面のように、空気中の粒子、湿気、または結露によって汚染されることはありません。.

自動加圧ゲル化（APG） - 製造技術

SISスイッチギアの固体絶縁体は、自動圧力ゲル化（APG）-導体アセンブリを含む加熱された金型に制御された圧力下で液体エポキシ樹脂化合物を注入し、その後、正確な温度と圧力プロファイルの下で樹脂を硬化させる精密鋳造プロセス-によって製造され、ボイドフリーで気泡のない固体絶縁体を生成します。.

APGプロセスのクリティカルパラメータ：

• 樹脂システム： 無水物硬化剤とアルミナ三水和物（ATH）フィラーを配合し、耐アーク性と熱安定性を高めたシクロ脂肪族エポキシ樹脂
• 金型温度： ゲル化中130～160℃；熱応力割れを防ぐために制御される
• 射出圧力： 3～8バールでボイドを除去し、導体の完全な封止を実現
• キュアサイクル： 高温で4～8時間；寸法安定性のために140℃でポストキュアする。
• 品質管理： 各鋳造部品は、次の工程を経る。 部分放電³ ボイドのない絶縁を確認するための試験（1.5 × Umで5 pC未満

直径0.1mm程度のボイドが部分放電の起点となり、動作電圧下で周囲の絶縁体を徐々に侵食し、最終的に絶縁不良を引き起こします。APGプロセスは適切に制御され、ゲル化を通して陽圧を維持することでボイドを除去し、樹脂が硬化する際の収縮空洞の形成を防ぎます。.

固体絶縁システムにおける電界等級

幾何学的な不連続面（導体端、接続界面、絶縁境界など）では、平均電界が制限内に収まっていても、電界が局所的な誘電強度を超えるレベルまで集中します。固体絶縁のSIS設計では、電界集中を管理するために2つの技術を使用します：

ジオメトリック・フィールド・グレーディング：
導体端と終端界面は、電界をより広い表面積に分散させ、ピーク電界強度を部分放電開始しきい値以下に抑えるため、半径を制御して設計されている（MV用途では最小3～5mm）。.

抵抗性または容量性フィールドグレーディングレイヤー：
バスバー接合部、ケーブル終端部、インターラプタ接続部など、固体絶縁部品間の界面では、半導電性または容量性勾配材料の電界勾配層が適用され、界面全体に電界勾配を均一に再分配し、接合境界での電界集中を防ぎます。.

SISスイッチギア・システム・アーキテクチャ

完全なSISスイッチギヤパネルは、すべての主要絶縁機能にわたって固体絶縁技術を統合しています：

• エポキシ封止バスバー： 三相バスバーを鋳造エポキシで完全に封止し、相間エアークリアランスの必要性を排除
• 固体絶縁変流器（CT）： トロイダルCTをカプセル化されたバスバーに直接鋳造 - CTの取り付けやエアークリアランスが不要
• エポキシ封止ケーブル終端： あらかじめ成形されたストレスコーンにより、ケーブルからバスバーまで現場グレードの強固な絶縁を提供するプラグイン式またはボルト式のケーブルインターフェース
• 真空遮断器⁴ アセンブリー スイッチング・エレメント（各相真空遮断器）は、強固な絶縁構造内に取り付けられ、エポキシ封止により機械的支持とアースへの一次絶縁の両方を提供する。
• 磁気アクチュエーター機構： 永久磁石アクチュエータ（PMA）操作機構により、密閉されたメンテナンスフリー構造でM2の機械的耐久性を実現

固体断熱材の主な特性

プロパティ	キャストエポキシ（APG）	空気（参考値）	SF6（3バール）
絶縁耐力（バルク）	180-200 kV/cm	30 kV/cm	~220 kV/cm
比誘電率 (εr)	3.5-4.5	1.0	1.006
サーマルクラス	F (155°C)	—	—
耐汚染性	エクセレント（シール面）	悪い（表面汚染）	エクセレント（密封）
部分放電の開始	> 1.5 × Um（ボイドなし）	該当なし	> 1.5 × Um
熱伝導率	0.2-0.8 W/m-K	0.026 W/m-K	0.014 W/m-K
アーク抵抗 (IEC 61621)	> 180秒	該当なし	該当なし
GHGへの影響	なし	なし	GWP 23,500

SISスイッチギヤの性能は、AISやGISと比較して主要なパラメータでどのように違うのか？

固体絶縁開閉装置は、AISやGISと比較して明確な性能の位置を占めています。真空技術の環境面での信頼性とメンテナンスの簡素さを、GISに近いコンパクトさと組み合わせることで、12～40.5kVの範囲のMV配電用途において、ライフサイクルコストは通常、両方の選択肢を下回ります。.

フットプリントとスペース効率

SISスイッチギアは、エアクリアランスの距離をなくすことで、コンパクトな設置面積を実現しています。AISでは、12kVでIEC 62271-1が要求する最小の相間および相と接地間のクリアランスは以下の通りです：

• 対地間クリアランス（空気）： 120mm以上
• 位相間クリアランス（空気）： 160mm以上

SISでは、これらのクリアランスは180-200kV/cmの絶縁耐力を持つ固体エポキシ絶縁に置き換えられ、必要な絶縁厚さは12kVで8-15mmに減少します。その結果、同等のAISと比較してパネル幅が40-60%、奥行きが30-50%減少します。.

典型的なパネル寸法の比較（12kV、630A、25kA）：

パラメータ	会計情報システム	地理情報システム	戦略情報システム
パネル幅	800-1,000mm	500-650mm	400-550mm
パネルの奥行き	1,200-1,600mm	800-1,000mm	600-800mm
パネルの高さ	2,200mm	2,000mm	1,800-2,000mm
パネル1枚当たりの床面積	0.96-1.60 m²	0.40-0.65 m²	0.24-0.44 m²
相対的フットプリント	100%（参考）	~45%	~30%

メンテナンス要件

SIS開閉器の密閉構造（汚染する空隙のない強固なエポキシ絶縁体、監視すべきSF6ガスなし、内部保守にアクセスできない真空遮断器）は、AISやGISとは根本的に異なる保守プロファイルを生み出す：

AISのメンテナンス要件：

• 毎年絶縁体表面洗浄、接触抵抗測定
• 3年アークシュート点検・清掃、機構部注油
• 5年フルオーバーホール、コンタクト交換査定
• 故障後：アークシュートの即時点検、絶縁体表面の汚染除去

GISメンテナンスの要件：

• 6ヶ月SF6圧力チェック、リーク検査
• 1年ガス水分および純度分析
• 3年完全ガス分析、接触抵抗チェック
• 故障後ガス品質分析、再通電前の分解生成物チェック

SISのメンテナンス要件：

• 年間：接触抵抗測定、動作時間チェック、目視検査
• 3年電源周波数ハイポット試験、部分放電測定
• 5年コンタクトトラベル測定、完全電気検証
• 故障後：ハイポットテスト＋PD測定＋接触抵抗

アークシュートのメンテナンス、SF6ガスの管理、断熱材の表面洗浄が不要になることで、SISの年間メンテナンスコストは、耐用年数25年で、AISと比較して60～75%、GISと比較して40～55%削減される。.

環境パフォーマンス

SISスイッチギヤの環境に対する信頼性は、その技術選択の直接的な結果である：

• SF6はゼロ： 温室効果ガス含有量なし、Fガス規制義務なし、ガス取扱資格者要件なし、使用済みガス回収コストなし
• アークガスは使用しない： 真空アーク消弧により有毒な分解生成物が発生しない - スイッチング動作中にSOF₂、SO₂F₂、HFの発生がない
• 材料量の削減： コンパクトな設計で、定格MVAあたりの鋼材、銅、絶縁材の使用量はAISより少ない
• 使用後はリサイクル可能： エポキシ樹脂封止材は、銅導体から機械的に分離して材料回収が可能。

完全な性能比較：SIS対AIS対GIS

パラメータ	会計情報システム	GIS (SF6)	SIS（真空）
電圧範囲	12-40.5kV	12-1,100kV	12-40.5kV
相対的フットプリント	100%	~45%	~30%
アーク冷却媒体	空気	SF6	真空
断熱材	空気	SF6	ソリッド・エポキシ
耐汚染性	貧しい	素晴らしい	素晴らしい
メンテナンス頻度	高い	ミディアム	低い
SF6 GHG含有量	なし	はい（GWP 23,500）	なし
電気的耐久性	E1規格	E1-E2	E2規格
機械的耐久性	M1規格	M1-M2	M2規格
ライフサイクルコスト（25年）	ミディアム	ミディアム-ハイ	低い
適した環境	室内清掃	屋内/屋外	屋内/厳しい

お客様事例：SISスイッチギアがスペースと環境コンプライアンスの課題を解決

西ヨーロッパにある製薬会社のキャンパスで24kV二次変電所のアップグレードを監督する調達マネージャーは、2つの制約を同時に抱えてBeptoに連絡しました：利用可能な変電室が、交換される既存のAIS機器の設置面積より35%小さいこと、キャンパスの環境方針が、新規設置においてSF6を含む機器を禁止しており、GISが選択肢から除外されていること。.

エポキシ固体絶縁と真空遮断器を備えたBeptoのSISスイッチギアを指定した後、エンジニアリングチームは24kVスイッチギア一式（8つのフィーダーパネルとバスセクション）を、15%のクリアランスを空けて、利用可能な部屋のフットプリント内に設置しました。ゼロSF6設計は、妥協することなくキャンパスの環境ポリシーを満たし、密閉された固体絶縁構造は、接触抵抗測定以外の年次メンテナンス介入を必要としないよう指定された。.

用途に合わせた固体絶縁開閉器の仕様と選択方法とは？

SISスイッチギアを正しく仕様化するには、電気的要件、環境条件、スペース制約、メンテナンス能力、規制義務を体系的に評価する必要があり、特に、本物の強固な絶縁性能とマーケティング上の主張を区別する絶縁システムの検証要件に注意を払う必要があります。.

ステップ1：電気的要件の定義

• 定格電圧： 12kV、24kV、または 40.5kV - BIL (75 / 125 / 185kV) がシステム絶縁調整と一致していることを確認する。
• 定格通常電流： 630A、1250A、または 2500A - 最大周囲温度での熱定格を確認 (標準 40°C; 上記で軽減)
• 短絡定格： 16kA、20kA、25kA、または31.5kA - 短絡破壊電流（真空遮断器）と短時間耐電流（バスバーとエンクロージャ）の両方を確認する。
• 耐久クラス： すべての自動アプリケーションまたは頻繁に切り替わるアプリケーションには M2/E2 を指定する。
• 特別なスイッチング業務： 容量性、誘導性、モーターのスイッチング要件を特定し、真空遮断器の特殊デューティ定格を確認する。

ステップ2：断熱システムの品質を確認する

• 部分放電試験： 1.5×Um/√3のエポキシ樹脂部品に工場でのPD試験証明書が必要。
• 誘電タイプ試験： IEC 62271-1に基づく電源周波数および雷インパルス耐量試験が、個々の部品ではなく、パネルアセンブ リ一式に対して実施されたことを確認すること。
• 絶縁抵抗： 工場受入時に、相間および相-接地間DC2.5kVでIR測定>1,000MΩが必要
• 熱サイクル試験： 温度変化の大きい設置の場合、断熱システムが指定された温度範囲でクラックや層間剥離がないことを確認する。

ステップ3：規格と認証の一致

• IEC 62271-200⁵: メタル・クローズドMVスイッチギヤ - SISパネル・アセンブリの主要規格
• IEC 62271-100： 真空遮断器型式試験 - 短絡破壊、負荷破壊、耐久性
• IEC 62271-1： 共通仕様 - 絶縁耐力、温度上昇、機械的耐久性
• IEC 61641： 内部アーク試験 - 作業員の安全のためにIAC分類（AFL / AFLR）を指定する。
• IEC 60270： 部分放電測定 - 絶縁品質検証のためにPD許容レベルを指定します。
• gb/t 11022 / gb/t 3906： HV開閉装置アセンブリの中国国家規格

アプリケーション・シナリオ

• 都市部の二次変電所： スペースに制約のある都心部でのコンパクトな設置面積を実現するSIS、環境コンプライアンスのためのゼロSF6
• 産業用MV変電所： 化学、製薬、食品加工、セメントプラント用SIS - 侵食性雰囲気に強い密閉断熱材
• 再生可能エネルギーMV集： 太陽光発電所および風力発電所のフィーダスイッチング用SIS - 再生可能資産のライフサイクルに適合する25年間メンテナンスフリーの設計寿命
• データセンターMV配信： 重要な電力インフラ向けSIS - 最高の信頼性、計画外メンテナンスゼロ、ガス管理の複雑さなし
• マリンとオフショア プラットフォーム配電用IP65+エンクロージャ付きSIS - SF6環境リスクを伴わない耐塩霧・耐湿性
• 建物一体型変電所： 商業ビル、病院、空港内の変電所向けSIS - コンパクト、静音、ガス放出ゼロ

SISスイッチギアの設置、メンテナンス、ライフサイクル要件とは？

SISスイッチギヤの密閉された強固な絶縁構造は、AISやGISと比較して設置やメンテナンスを簡素化しますが、絶縁システムの検証、バスバー接合部の品質、状態監視に関する特定の要件が発生します。.

試運転前設置チェックリスト

1. バスバー・ジョイントのトルク検証 - すべてのバスバーのボルト接続は、校正されたトルクレンチを使用して、メーカーの仕様にしたがってトルクをかける必要がある。
2. ケーブル終端ストレスコーン検査 - 不適切な取り付けは、ケーブルとバスバーの界面に電界集中を引き起こす。
3. パネルのアライメントとレベリング - SISパネルは、バスバー結合の前に、メーカーの許容範囲内でアライメントとレベリングを行う必要があります。アライメントがずれていると、エポキシ製バスバー結合部にストレスがかかり、熱膨張によりクラックが発生する可能性があります。
4. 部分放電受入試験 - 通電前に、IEC 60270に基づき1.2×Um/√3で取り付けたパネル全 体についてPD測定を実施する。
5. 絶縁抵抗試験 - 相間および相-接地間のIRをDC2.5kVで測定；通電前にIR>1,000MΩが必要
6. 真空遮断器ハイポットテスト - IEC 62271-100に従い、オープン接点に電源周波数試験電圧を印加；輸送および設置後、すべての遮断器の真空完全性を確認

SISスイッチギア・メンテナンス・スケジュール

インターバル	アクション	合格基準
年間	接触抵抗; 動作時間; 目視検査	< 100 μΩ；ベースラインの±20%；損傷なし
3年	電源周波数ハイポット（オープン接点）；PD測定	フラッシュオーバーなし、PD < 10 pC設置
5年	コンタクトトラベル測定、完全な電気的検証	ストローク＞最小摩耗限度、全パラメーターが規格内
10年	総合評価；メカニズム検査	メーカープロトコルによる
故障後	ハイポット＋PD＋接触抵抗；絶縁サーマルスキャン	完全な受け入れ基準

SISの導入と運用でよくある間違い

• 不適切なバスバー・ジョイント・トルク - トルク不足の接合部は、接触抵抗の増大と熱暴走を引き起こす。常に校正されたトルク工具を使用し、最初の負荷時にサーモグラフィで確認すること。
• 設置後のPDテストの省略 - 輸送時の振動や設置時の取り扱いによって、エポキシ部品が損傷したり、ケーブルのストレスコーンが乱れたりする可能性がある。
• エポキシ表面へのサーマルスプレーや塗料の塗布 - エポキシ絶縁表面への現場塗布コーティングは、表面抵抗率を変化させ、部分放電の開始点を作る可能性があります。工場で仕上げられたエポキシ絶縁体には、絶対にコーティングを施さないでください。
• 定格短絡電流を超える場合 - 真空遮断器の定格は、特定のピーク動作電流（2.5 × Isc）です。この値を超えると、接点が溶着し、その後のトリップ動作ができなくなる危険性があります。

結論

固体絶縁スイッチギヤ技術は、鋳造エポキシ絶縁、真空アーク消弧、永久磁石作動という3つの独立したエンジニアリングの進歩を、現代のMV配電におけるスペース制約、メンテナンス負担、環境義務、信頼性要求に同時に対応するスイッチギヤシステムアーキテクチャに収束させたものです。SIS技術が使用される12～40.5kVのアプリケーション範囲では、コンパクトな設置面積、ゼロSF6環境影響、E2/M2耐久クラス性能、25年間のメンテナンス最小化耐用年数という魅力的な組み合わせが実現され、AISもGISもすべてのパラメータで同時に匹敵することはできません。.

固体絶縁技術では、鋳造されたエポキシの品質がスイッチギヤの品質となるため、定格電圧だけでなく、部分放電試験によって絶縁品質を確認します。.

固体絶縁開閉装置技術に関するFAQ

1. CO2と比較したSF6ガスの高い地球温暖化係数に関する技術的洞察 ↩

2. 鋳造エポキシ樹脂の絶縁耐力と熱安定性に関する材料科学データ ↩

3. 絶縁ボイドを検出し、長期的な誘電信頼性を確保するための診断方法 ↩

4. 真空環境におけるアーク焼入れ技術と電気的耐久性に関する技術的詳細 ↩

5. 中電圧金属密閉スイッチギヤアセンブリの公式安全・性能要件 ↩