低電圧配電システムに適した気中遮断器を選択するにはどうすればよいですか?

気中遮断器とは何ですか?なぜ低電圧配電に使用されるのですか?

エアサーキットブレーカー (ACB) は、低電圧配電システムで使用されるスイッチングおよび保護装置で、通常は最大 1,000 V AC の電圧と 630 A ～ 6,300 A 以上の電流容量の定格があります。コンパクトな絶縁ハウジングを使用するモールドケース回路ブレーカ (MCCB) とは異なり、ACB は周囲の空気にさらされた消弧機構で動作するため、この名前が付けられました。ブレーカーが故障電流を遮断すると、開放接点間に引き出されたアークは、絶縁および急冷媒体として空気を使用して、一連のアーク シュートまたはスプリッター プレートによって引き伸ばされ、冷却され、消滅します。

ACB は、低電圧配電階層の最上位にある推奨保護デバイスです。通常は、産業プラント、商業ビル、データ センター、病院、公共変電所の主受電盤、バス カプラー位置、および大規模な給電回路に使用されます。非常に高い連続電流を流し、最大 100kA 以上の短絡電流を遮断し、高度な電子トリップ ユニットを備えているため、信頼性が高く、調整可能で、保守可能な過電流保護が必要な場合には不可欠です。ヒューズとは異なり、ACB はトリップ後にリセットすることができ、小型の回路ブレーカーとは異なり、使用中に交換することなく保守、テスト、および再テストすることができます。

気中遮断器が故障電流を遮断する仕組み

ACB 内のアーク遮断プロセスを理解することは、低電圧配電アプリケーションにおいて適切な選択とメンテナンスがなぜそれほど重要であるかを理解するために不可欠です。短絡や持続的な過負荷などの障害状態が発生すると、トリップユニットは動作機構に信号を送り、主接点を迅速に切り離します。負荷がかかっている状態で電流が流れている接点が離れるとすぐにアークが発生し、接点が物理的に離れた後でも電流が流れ続ける可能性があります。

ACB 内では、故障電流自体によって発生する磁気吹き出し力によって、アークがアーク シュート アセンブリ内に上向きに押し込まれます。アーク シュートは、単一のアークを一連の複数の短いアークに分割する一連の鋼製スプリッター プレートで構成されています。各アークセグメントは、それ自体を維持するために最小限の電圧を必要とします。すべてのアークセグメントの合計電圧要件が利用可能なシステム電圧を超えると、アークが消えて電流が止まります。最新の ACB の遮断プロセス全体は、AC 波形の 1 ～ 2 半サイクル内 (通常は 10 ～ 20 ミリ秒) で発生し、障害状態時に下流の機器にかかる熱的および機械的ストレスを制限します。

低電圧 ACB を選択するための主要な定格とパラメータ

正しいものを選択する 低圧配電用ACB アプリケーションには、関連する電気定格を十分に理解する必要があります。過小なブレーカーを指定すると、障害時に致命的な障害が発生する危険があります。サイズを大きくしすぎると、不必要なコストが発生したり、下流のデバイスとの調整が不十分になったり、迷惑なトリップ動作が発生したりする可能性があります。

低電圧配電設計において特に注意が必要なパラメータの 1 つは、定格短時間耐電流 (Icw) です。選択性 (識別とも呼ばれます) が設計目標であるシステムでは、上流の ACB は、下流のデバイスが障害を解消するのに必要な時間にわたって全障害電流を流すことができなければなりません。 Icw 定格が高い ACB は、内部損傷を受けることなく自身のトリップ応答を意図的に遅らせることができ、下流のブレーカーが動作している間、影響を受けない回路への供給継続を維持できます。

電子トリップユニット: 最新の ACB を支えるインテリジェンス

トリップ ユニットは、現代の気中遮断器の頭脳です。初期の ACB は、熱磁気トリップ機構 (過負荷検出用のバイメタル ストリップと短絡応答用の電磁コイル) を使用していましたが、これでは調整機能が制限され、データ出力がありませんでした。最新の ACB には、正確で個別に調整可能な保護機能、データ ロギング、およびビル管理および電力監視システムと直接統合される通信機能を提供する電子トリップ ユニット (ETU) が装備されています。

電子トリップユニットの標準保護機能

低電圧 ACB の完全に仕様化された電子トリップ ユニットには、通常、次の独立して調整可能な保護ゾーンが含まれています。

• 長時間保護（LT / Ir）： 設定されたしきい値を超える過電流が継続した後にトリップすることで、過負荷保護を提供します。ピックアップ電流 (Ir) は調整可能で、通常はブレーカーの定格電流の 40% ～ 100% の間で調整でき、時間遅延は調整要件に応じて反時間特性または定時間特性に設定できます。
• 短時間保護 (ST / Isd): 長時間のピックアップを超えるが瞬間的なしきい値を下回る中程度の故障電流に応答します。意図的な時間遅延 (通常は 0.1 ～ 0.5 秒) により、下流のデバイスが最初に低レベルの障害を解決できるようになり、上流の ACB が分電盤全体を不必要にトリップさせることなく、選択的な調整を実現できます。
• 瞬間保護(INST/Ii): 故障電流が高しきい値 (通常は定格電流の 2 ～ 15 倍に設定) を超えると、意図的な遅延なくブレーカーをトリップします。この機能は、致命的な機器の損傷を防ぐためにできるだけ早く解消する必要があるボルトによる短絡に対するバックアップ保護を提供します。
• 地絡保護 (GF / Ig): 絶縁不良、アーク故障、または機器の故障を示す可能性がある、アースに流れる残留電流を検出します。 ACB の地絡保護はシステム レベルで構成され、配電ヘッドでバックアップ保護を提供することで下流の残留電流装置 (RCD) を補完します。

プレミアム旅行ユニットの先進機能

上位層の電子トリップ ユニットは、基本的な保護を超えてゾーン選択インターロック (ZSI) を組み込み、配電階層のさまざまなレベルにある ACB が相互に通信し、トリップ タイミングを動的に最適化できるようにします。 ZSI では、下流のブレーカーが障害を検出し、上流の ACB に抑制信号を送信すると、上流のデバイスは短時間の遅延を延長し、下流のブレーカーが最初に障害を解消するようにします。下流のブレーカーが遅延期間内に障害を解消できなかった場合、上流の ACB は完全な遅延時間が経過するのを待たずに直ちにトリップします。このアーキテクチャは、迅速な障害除去と最大の選択性を同時に実現し、影響を受けないフィーダへの供給を維持しながらアーク フラッシュ エネルギーを削減します。

固定 ACB 構成と引き出し可能な ACB 構成

低電圧配電用のエアサーキットブレーカーには、固定式と引き出し式の 2 つの主な設置構成があり、どちらを選択するかは、メンテナンス能力、システムの可用性、総設置コストに大きく影響します。

固定 ACB は配電盤または分電盤に直接ボルトで固定されており、電源を切ってバスバーを外さない限り、盤から取り外すことはできません。これらはコストが低く、メンテナンスへのアクセスが頻繁ではなく、計画的な停止が許容されるアプリケーションに適しています。引き出し可能な ACB はキャリッジ機構に取り付けられており、バスバーに通電したままブレーカーを通電接点から引き出すことができます。これは、電力の継続が不可欠な施設では重要な機能です。引き戻された位置では、配電盤をシャットダウンすることなく、ACB をテスト、検査、および保守することができます。計画外の停止を許容できない病院、データセンター、およびプロセス産業では、ほぼ例外なく、メインおよびバスカプラーの位置に引き出し可能な ACB が指定されています。

低電圧配電における選択的調整の実現

選択的調整 - 上流のすべてのデバイスが閉じられたままで、障害に最も近い保護デバイスのみが動作することを保証する - は、低電圧配電システムの基本的な設計目標です。システムの調整が不十分な場合、下流の障害に反応して上流のブレーカーが作動し、たとえ障害が単一の回路に局所的であったとしても、分電盤全体が停電し、施設の大部分が停電状態になります。

低電圧配電階層内の ACB 間の完全な選択性を達成するには、あらゆる障害レベルでの各デバイスの時間電流特性を注意深く評価する必要があります。システム内の各点で、公称過負荷から予想される短絡電流までの故障電流の全範囲にわたって、下流側デバイスの最大トリップ時間と上流側デバイスの最小非トリップ時間とを比較することによって、調整が確認されます。 Schneider Electric、ABB、Siemens などのメーカーが提供する最新の電力システム設計ソフトウェアには、このプロセスを自動化し、規制や試運転の文書化のための調整マージンを確認する選択性テーブルを生成する選択性分析ツールが含まれています。

インストール、テスト、メンテナンスのベスト プラクティス

障害発生時に気中遮断器が仕様どおりに動作するようにするには、適切な設置と継続的なメンテナンスが不可欠です。設置以来一度もテストまたはメンテナンスされていない ACB は、機構の磨耗、接点の酸化、または電子トリップ ユニットのドリフトにより、正しい電流レベルでトリップできない、またはまったくトリップしない可能性があります。

• 試運転前の検査: 通電する前に、校正済みのトルク レンチを使用して、すべてのボルト接続がメーカー指定のトルクで締め付けられていることを確認してください。高電流ジョイントの接続が緩んでいると抵抗熱が発生し、接点の摩耗が促進され、通常の負荷条件下で熱トリップが発生する可能性があります。輸送中または設置中にアーク シュート アセンブリに物理的損傷が生じていないかどうかを検査してください。
• 一次注入試験: 設置後、ブレーカーの主電流経路に実際の電流を注入する、校正済みのテスト セットを使用して一次注入テストを実行します。これにより、設定された過負荷および短絡しきい値でトリップ ユニットが正しく応答することが検証されます。一次注入テストは、変流器の入力からトリップユニットのロジックを経て、トリップコイルと機械的ラッチに至るまで、完全な保護チェーンを検証する唯一の方法です。
• 機械的動作試験: ACB を複数の開閉サイクルで操作し、操作機構がスムーズに機能していること、および接触移動量と接触圧力がメーカーの許容範囲内であることを確認します。動作が遅い場合は、機構コンポーネントが磨耗しているか潤滑が不足していることを示しており、ブレーカーを稼働状態に戻す前に整備する必要があります。
• 定期メンテナンススケジュール: IEEE 規格 3007.2 と IEC 62271-200 は両方とも、低電圧開閉装置の定期的なメンテナンス間隔を推奨しています。重要な配電アプリケーションの ACB については、年に 1 回の検査とテストが推奨され、3 ～ 5 年ごと、または重大な障害中断イベントの後には、接点の交換やアーク シュートの清掃を含む、より詳細なオーバーホールが行われます。
• 接点摩耗の監視: ACB の主接点は遮断イベントごとに侵食され、接点の侵食が蓄積するとブレーカーが大電流を確実に遮断する能力が低下します。最新の ACB には、機械的接点摩耗インジケータまたは電子操作カウンタが組み込まれており、障害による中断の回数を追跡し、接点の交換が近づくと保守担当者に警告します。

低電圧配電用の主要 ACB メーカーの比較

低電圧気中遮断器の世界市場は、いくつかの大手メーカーによって提供されており、その製品は産業および商業配電プロジェクトで広く仕様化されています。これらのブランドの違いを理解することは、電気エンジニアや調達チームが、パフォーマンス、現地サポート、長期的な部品の入手可能性のバランスを考慮した情報に基づいた意思決定を行うのに役立ちます。

シュナイダーエレクトリックのMasterPact MTZシリーズは、現在入手可能な最も高度なACBプラットフォームの1つであり、EcoStruxure Powerを介して直接アクセスできる熱負荷、接点摩耗、トリップ履歴の継続的なリアルタイム監視を提供する組み込みIoTモジュールを備えています。 ABB の Emax 2 シリーズは、Ekip Connect エコシステムを通じて同等のモニタリング深度を提供し、特に高電流範囲での高い Icw 定格とコンパクトなフォームファクターで高く評価されています。 Siemens 3WL エアサーキットブレーカは、堅牢な短絡耐性性能を必要とする産業用途での強力な選択肢であり、1 秒間最大 85kA の Icw 定格と、システム保護要件の進化に応じた簡単なフィールドアップグレードをサポートするモジュール式電子トリップユニットプラットフォームを備えています。アジア市場のプロジェクト向けに、Chint Electric と Delixi は、IEC 60947-2 規格を満たし、プレミアム監視機能が必要とされない標準的な産業配電アプリケーションに十分なパフォーマンスを提供する、競争力のある価格の ACB プラットフォームを提供します。