サーキットブレーカー: LV、高圧および電気保護ガイド

サーキットブレーカーの機能と適切なサーキットブレーカーの選択が重要な理由

サーキットブレーカーは、異常な電気状態 (過電流、短絡、地絡) を検出し、機器が損傷したり人員が危険にさらされる前に電流の流れを遮断する自動保護スイッチングデバイスです。 動作後に交換する必要があるヒューズとは異なり、サーキット ブレーカーはリセットされ、障害が解消された後にサービスに戻ることができます。この再利用性と正確に調整可能な保護設定を組み合わせることで、回路ブレーカーは家庭用の 240 V 設備から商用規模の 1,200 kV 送電システムに至るまで、あらゆる電圧クラスにおける主要な電気保護デバイスになります。

産業用および商業用の電気工学に最も関連する 2 つのカテゴリは次のとおりです。 低電圧サーキットブレーカー (LVCB) 、最大 1,000 V AC または 1,500 V DC の電圧で動作し、 中電圧サーキットブレーカー (MVCB) 、1 kV から約 52 kV の範囲をカバーします。各カテゴリには、異なるテクノロジー、規格、選択基準が含まれています。仕様を誤ると、遮断容量が過小であっても、保護特性が負荷に適合していなくても、安全上の問題、迷惑なトリップ、または真の故障の解消の失敗が発生します。

サーキットブレーカーがどのように電気的保護を提供するか: 中心的なメカニズム

すべての回路ブレーカーは同じ基本的な動作シーケンスを共有しています。つまり、異常状態を検出し、トリップを開始し、接点を切り離し、接点が開くときに形成されるアークを消し、手動または自動でリセットされるまで開回路位置を保持します。ブレーカーのタイプ間の違いは、これらの各ステップがどのように実行されるかにあります。

過電流検出: 熱、磁気、電子

トリップ ユニットは、サーキット ブレーカーの感知および意思決定要素です。次の 3 つのテクノロジーが使用されています。

• 熱磁気式トリップユニット (モールドケースサーキットブレーカーの標準): 負荷電流によって加熱されるバイメタルストリップは、逆時間過負荷保護を提供します。過負荷が大きいほど、トリップは速くなります。磁気ソレノイドは、通常以上の高故障電流の磁場に応答して瞬間的な短絡保護を提供します。 10～20×定格電流 。外部電源は必要ありません。完全に自己完結型です。
• 電子トリップユニット (ETU) (気中遮断器および高仕様 MCCB の標準): 変流器は負荷電流を連続的に測定します。マイクロプロセッサは、プログラムされた保護曲線に対して信号を評価します。 ETU は、完全に調整可能な長時間 (過負荷)、短時間 (時間遅延短絡)、瞬間 (瞬時短絡)、および地絡保護、いわゆる地絡保護を提供します。 LSIG保護機能 。設定の精度は ±5% ですが、熱磁気ユニットでは ±20% です。
• マイクロプロセッサベースの保護リレー (中電圧): これらのリレーは、ブレーカー機構自体とは別に、外部 CT を介して電流を測定し、制御ケーブルを介してブレーカーのトリップ コイルにトリップ コマンドを伝達します。保護機能は、差動、距離、方向性過電流など、非常に高度なものであり、ハードウェアを交換することなくファームウェアで更新できます。

アーク遮断: 電圧クラスによって異なる理由

負荷がかかって接点が離れるとアークが形成され、遮断が完了する前にアークを消す必要があります。アークエネルギーは電流の二乗に比例して電圧に比例して増加するため、中電圧でのアーク遮断は低電圧とは根本的に異なる工学的課題となります。低電圧ブレーカーは、アーク シュートを使用します。アーク シュートは、アークを短いセグメントに分割し、ブレーカー ハウジング内でアークを冷却して消火する一連の金属スプリッター プレートです。中電圧ブレーカーは、真空、SF₆ ガス、または (歴史的には) オイルとエアブラストなどの個別のアーク遮断媒体を使用します。 真空遮断は現在、中電圧の主流の技術です 、10-6 mbarの真空環境での金属蒸気プラズマのほぼ瞬時の凝縮により、単一の半サイクル（8〜10ミリ秒）でアーク消滅を達成します。

低電圧サーキットブレーカー: 種類、定格、および選択

低電圧サーキットブレーカー（規制対象） IEC 60947-2 ほとんどの市場では UL 489、北米では UL 489 に準拠）、4 つの主要なフォーマットで製造されており、それぞれが異なる電流範囲とアプリケーション コンテキストを対象としています。

小型サーキットブレーカー (MCB)

MCB は最小かつ最も数の多い回路ブレーカーのタイプであり、世界中で数十億個が住宅用および小規模商業用の分電盤に設置されています。現在の定格では、以下から入手できます。 0.5A～125A 遮断容量は通常、 6kA～25kA (IEC 60898)。トリップ特性は次のように標準化されています。

• タイプB: 3～5×インチで瞬時トリップ。突入電流がない場合の抵抗負荷およびケーブル保護に使用されます。
• タイプC: 5～10×インチで瞬時トリップ。一般商業および軽工業用負荷に最も一般的なタイプで、適度なモーター突入電流に耐えます。
• タイプD： 10～20×インチで瞬間トリップ。起動電流が非常に高い重誘導負荷（変圧器、大型モーター、溶接装置）向けに仕様化されています。

配線用遮断器 (MCCB)

MCCB は以下の範囲をカバーします。 16A～3,200A 遮断容量は 10 kA ～ 200kA (Icu) です。成形ケース (ガラス繊維強化熱硬化性ハウジング) には、アーク シュート、トリップ機構、端子などのすべてのコンポーネントが含まれています。 MCCB は、モーター コントロール センター (MCC)、サブ配電盤、フィーダー保護など、産業用配電の主力製品です。

MCCB 仕様における重要な違いは次のとおりです。 Icu (究極遮断容量) そして Ics (サービス遮断容量) 。 Icu は、ブレーカーが 1 回遮断できる最大故障電流で、その後ブレーカーの交換が必要になる場合があります。 Ics は、ブレーカーが遮断して完全に使用可能な状態を維持できる障害電流です。通常、 ICU の 50 ～ 100% 。ブレーカーが繰り返し発生する故障を確実に遮断する必要がある設置場所では、IC は設置箇所で予想される故障電流を超える必要があります。

気中遮断器 (ACB)

ACB は、低電圧での最大電流範囲をカバーします。 630A～6,300A 、最大遮断容量 150kA これらは、大規模な低電圧主配電盤 (MDB) の主受電器およびバスタイ位置の標準保護デバイスです。すべての ACB は、完全な LSIG 保護スイートを備えた電子トリップ ユニットを使用しており、最新のユニットのほとんどは、建物管理およびエネルギー監視システムとの統合のために、Modbus、Profibus、または IEC 61850 プロトコルを介した通信を提供します。 ACB は標準で引き出し式 (引き出し可能) であるため、隣接する回路に通電したまま安全に交換やメンテナンスが可能です。

過電流保護機能付き残留電流サーキットブレーカー (RCBO)

RCBO は、MCB 過電流保護と残留電流 (漏電) 検出を 1 つのデバイスに組み合わせています。残留電流要素は、活電流と中性電流の間の不均衡を検出します。これは、電流が障害または人を介してアースに流れることを示します。標準のトリップしきい値は次のとおりです。 個人保護用 30 mA (5× I∆n でトリップ時間 <40 ms) および 防火用300mA 。 RCBO は、ほとんどの国の配線規定でコンセントに電力を供給する回路で必須となっており、EV 充電回路でもその必要性が高まっています。

高圧遮断器: 技術と応用

中電圧サーキットブレーカー (以下で定義されています) IEC 62271-100 ) の範囲で動作します。 3.6kV～52kV 、電力変圧器、フィーダ、モーター、コンデンサバンク、および公共配電ネットワークおよび産業用電力システムのバスセクションを保護します。これらの電圧では、アーク遮断には専用の消弧媒体が必要です。実際の開閉装置の物理的寸法内でアークを確実に消すには空気だけでは不十分です。

真空遮断器 (VCB): 業界標準

VCB は、世界中の新しい中電圧設備の大半を占めています。真空遮断器 - 密閉されたセラミック金属ボトルを真空にします。 10⁻⁶～10⁻⁴ミリバール — ほぼ瞬時に消弧し、優れた電気的耐久性を実現します ( 定格短絡電流で 100 回の障害遮断 ）、10 ～ 20 年間のメンテナンスフリーの運用寿命を誇ります。遮断ごとの接触侵食はマイクロメートル単位で測定され、密閉設計により消弧剤が消費されたり、補充が必要になったりすることがありません。 VCB は 3.6 kV ～ 40.5 kV の定格で入手可能で、短絡遮断電流は 16 kA ～ 50 kA、通常電流定格は 630 A ～ 4,000 A です。

SF₆ サーキットブレーカ: 規制圧力下での高電圧の主力製品

六フッ化硫黄 (SF₆) ガスは優れた絶縁耐力を持っています - 約 等圧空気の2.5倍 - 高い電気陰性度による優れた消弧特性。 SF6 ブレーカーは高電圧アプリケーション (72.5 kV 以上) で主に使用され、ガス絶縁開閉装置 (GIS) の中電圧でも引き続き使用されます。しかし、SF₆ には次のような地球温暖化係数があります。 CO₂の23,500倍 EU の F ガス規制 (EU 2024/573) により、EU では 2031 年から新しい中電圧 SF₆ 機器が禁止され、業界の真空および代替ガス技術への移行が加速しています。

石油サーキットブレーカー: 現在も使用されているレガシー機器

1990 年代以前は、バルク オイルおよびミニマム オイル サーキット ブレーカーが標準の中電圧保護技術でした。オイルは蒸発と分解によってアークを絶縁し、消滅させます。オイルブレーカーは新規設置用に製造されなくなりましたが、世界中の老朽化した配電ネットワークで多数のオイルブレーカーが引き続き使用されています。彼らの主な責任は、油による火災や爆発のリスク、高いメンテナンス要件 (1 ～ 3 年ごとの油のサンプリング、濾過、交換)、および大きな物理的サイズです。 VCB への交換は、変電所の大規模な改修の際の標準的な手法です。

最新のサーキットブレーカーの電気保護機能

回路ブレーカーに組み込まれた、または関連付けられた保護機能は、電気ネットワーク内のあらゆる種類の異常状態に選択的かつ正確に対応する機能を定義します。最新の電子トリップユニットとデジタル保護リレーは、指定された標準化された保護機能を実装しています。 ANSI/IEEE デバイス関数番号 そして IEC protection relay designations.

LSIG: 標準低電圧保護スイート

ACB および高仕様 MCCB の電子トリップ ユニットは、総称して LSIG と呼ばれる 4 つの保護機能を実装しています。

• L — 長時間 (過負荷): 定格電流を超える継続的な過電流に対する逆時間保護。調整可能なしきい値 (Ir、通常 0.4 ～ 1.0 × In) と時間遅延 (tr)。持続的な過負荷による熱損傷から導体を保護します。
• S — ショートタイム: 明らかに障害であるが、瞬間的なイベントではない高過電流に対する時間遅延保護。選択性を提供します。下流のブレーカーが上流のブレーカーよりも先にトリップし、影響を受ける回路への停止を制限します。調整可能なしきい値 (Isd、2 ～ 15× In) および意図的な遅延 (tsd、0.1 ～ 0.5 秒)。
• I — 瞬時: 非常に高い故障電流 (通常は 15 × In 以上) での遅延のないトリップ。故障エネルギーが 100 ミリ秒でも膨大になるブレーカー近くのボルトによる短絡から保護します。ダウンストリームの選択性が必要なインマー ACB では無効にできます。
• G — 地絡: 地絡を示す残留電流の検出。相過電流要素（通常は 0.2～1.0×インチ ）、過電流要素だけでは検出できない高インピーダンス地絡に対する保護を提供します。

高圧保護機能

中電圧では、回路ブレーカーにトリップコマンドを送信する個別の数値リレーによって保護が実行されます。 MV フィーダおよび変圧器の保護に適用される一般的な保護機能には次のものがあります。

• ANSI 50/51 — 過電流 (瞬間 / 逆時間): 基本的なフィーダと機器の保護機能。標準の時間電流特性には、IEC ノーマル インバース (NI)、ベリー インバース (VI)、およびエクストリーム インバース (EI) が含まれており、下流のヒューズおよびブレーカーと調整するために選択できます。
• ANSI 50N/51N — アース障害: 単相地絡を検出する残留電流測定。絶縁またはピーターセンコイル接地ネットワークでは、高感度地絡要素 (ANSI 64) が次のような低い地絡電流を検出できます。 1～2A .
• ANSI 87 — 差動保護: 保護ゾーン (変圧器、バスバー、またはモーター) に出入りする電流を比較します。内部故障が発生すると瞬時にトリップします。非常に高速 (<30 ms) で、貫通故障電流の影響を受けません。高価な機器や重要な機器を最高級の保護します。
• ANSI 79 — 自動再クローズ: 架空線の一時的な故障によってトリップが発生した後、リレーは、定義された不感時間 (通常は 瞬時再クローズの場合は 0.3 ～ 1 秒、遅延再クローズの場合は 15 ～ 60 秒 ）。架空線障害の約 80% は一時的なもの (樹木との接触、鳥、または落雷が原因) であるため、自動再閉路は継続的な停止を最小限に抑えるのに非常に効果的です。
• ANSI 27/59 — 不足電圧/過電圧: バス電圧を監視し、設定されたしきい値を下回るか上回った場合にトリップします。これにより、敏感な負荷を保護し、分散型発電アプリケーションでの単独運転を検出します。
• ANSI 46 — 逆相過電流: 不平衡負荷または単相を検出し、逆相電流成分によって引き起こされる激しいローター加熱からモーターを保護します。

選択性と識別: 適切なブレーカートリップを行う

選択性 (または識別) は、すべての正常な回路が稼働したままで、障害が発生した回路のみを分離する保護システムの能力です。 選択性の低下 (下流の障害が発生したときに上流のブレーカーが不必要にトリップする) は、産業プラントや商業ビルで最も一般的でコストのかかる保護システムの故障の 1 つです。

カスケード接続されたサーキット ブレーカー間の選択性を実現するには、次の 4 つの方法が使用されます。

• 電流選択性 (アンペア識別): 上流ブレーカーの瞬間トリップしきい値は、下流ブレーカーに流れる最大故障電流よりも高く設定されています。 2 つのブレーカー間のインピーダンスが、近くの故障と遠くの故障の間に意味のある電流差を生み出すのに十分な場合にのみ達成可能ですが、低インピーダンスのバスバーではそうならないことがよくあります。
• 時間選択性 (時間と電流の区別): 上流ブレーカーの短時間保護には意図的な遅延 (tsd) があり、下流ブレーカーに障害を最初に解決する時間を与えます。少なくとも次の採点間隔 0.25～0.3秒 隣接するブレーカー間には必須です。これは最も一般的な方法ですが、上流のブレーカーが遅延期間中の故障電流に耐える必要があり、適切な短時間耐性定格が必要です。
• ゾーン選択性連動（ZSI）： 配線された抑制信号を介した隣接するブレーカー間の通信。障害が発生した下流のブレーカーは、上流のブレーカーに遮断信号を送信し、自身のトリップを遅らせます。ブロッキング信号が受信されない場合 (障害が上流ブレーカーの背後にある場合)、ブレーカーは直ちにトリップします。 ZSI は、選択性を維持しながらほぼ瞬時の上流動作を実現し、時間遅延動作に伴うエネルギーの通過を排除します。
• エネルギーベースの選択性 (バックアップ保護): 電流制限に依存する - 動作時間が非常に速い (5 ミリ秒未満) 電流制限 MCCB は、ピーク故障エネルギーを非常に厳しく制限するため、調整設定ではなく純粋にデバイスの物理学に基づいて、上流のブレーカーが応答する前に故障を解消します。

サーキットブレーカーの主要な選択パラメータ

サーキットブレーカーを指定するには、すべての定格パラメータが設置環境の要求を満たすかそれを超えていることを確認する必要があります。パラメータが 1 つでも検証されないと、危険な不備が生じる可能性があります。

標高には特に注意が必要です。標高 2,000 m を超えると空気密度が減少し、空気の絶縁耐力と熱定格コンポーネントの冷却能力の両方が低下します。 IEC 60947-2 では、電圧定格を約 30% ディレーティングする必要があります。 2,000m以上では100mごとに1.5% 。標高 3,500 m に設置された 415 V 定格の MCCB は、約 395 V の実効定格までディレーティングする必要があり、多くの場合、次に高い電圧クラスを指定する必要があります。

サーキットブレーカー規格: IEC、ANSI、および調達におけるそれらの意味

該当する規格により、サーキットブレーカーの定格方法、テスト要件、およびマーキング義務が決定されます。同じ配電盤内に IEC 定格の機器と ANSI 定格の機器を混在させる場合は、定格が真に同等であることを慎重に検証する必要があります。2 つのシステムは、互換性のない数値を生成する異なるテスト方法を使用しています。

• IEC 60947-2: 低圧サーキットブレーカー (AC 1,000 V まで)。ヨーロッパ、アジア、中東、アフリカ市場の主要な標準。 Icu (究極遮断容量)、Ics (サービス遮断容量)、利用カテゴリー (選択性の A および B)、および電気的耐久要件を定義します。
• IEC 60898-1: 家庭用および同様の設備用の MCB (最大 125 A、440 V)。 IEC 60947-2 よりもシンプルな規格で、調整オプションが少なく、最終的な回路保護にのみ適しています。
• UL 489: モールドケースサーキットブレーカーの北米規格。 IEC 60947-2 とは異なるテスト シーケンスと力率を使用し、Icu と直接同等ではない AIC (アンペア遮断容量) 定格を生成します。 65 kAIC 定格の UL 489 デバイスは、65 kA Icu の IEC デバイスとは異なるテストに合格しています。
• IEC 62271-100: 1 kV を超える AC サーキットブレーカー。世界的な中電圧規格。定格電圧、通常電流、短絡遮断電流、TRV (過渡回復電圧) 要件、動作シーケンス、機械的耐久クラス (M1: 10,000 回動作、M2: 30,000 回動作) を含むすべての定格パラメータを定義します。
• ANSI/IEEE C37.04 および C37.09: 北米の中電圧サーキットブレーカー規格。異なる定格電圧と MVA ベースの定格システムを使用してください。最新の北米の機器は、IEC と ANSI の両方に対する二重定格がますます高まっています。

安全性が重要な設置または高価値の設置では、常に次のことが要求されます。 認定研究所からのサードパーティタイプのテスト証明書 (KEMA、CESI、DNV、または UL など) 特定のブレーカー モデルが、主張されている規格および定格に従ってテストされていることを確認します。独立したテスト証拠のないメーカーの自己宣言は、保護の失敗が安全性や財務上の重大な影響を与える公益事業、産業、またはデータセンターの用途には不十分です。