大電流保護に気中遮断器が適切な選択である理由は何ですか?

気中遮断器とは何ですか?またどのように機能しますか?

アン 気中遮断器（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デバイスであり、通常は最大 1,000V AC の電圧および 630A ～ 6,300A 以上の定格電流で動作する回路に使用されます。 ACB の特徴は、その名前が示すように、消弧媒体として大気圧の空気を使用することです。故障状態でブレーカーが開くと、分離接点間に形成されるアークがアーク シュート (アークを分割して冷却する一連の金属製の分割板) に引き込まれ、アークが消えるまで抵抗が急速に増加します。この消弧機構には絶縁油、真空遮断器、圧縮ガスが必要ないため、ACB の保守と検査が他の多くの技術に比べて簡単になります。

ACB の内部では、作動機構が機械エネルギーを手動またはモーターで充電される閉鎖スプリングのセットに蓄えます。過負荷、短絡、地絡、その他の保護機能を検出する電子トリップユニットからトリップ信号を受信すると、ラッチが蓄えられたバネエネルギーを解放し、主接点が高速で分離します。接点の分離速度は非常に重要です。接点が早く開くほど、アーク時間は短くなり、アーク シュートや周囲のコンポーネントに蓄積されるエネルギーは少なくなります。最新の ACB は、トリップ信号から接点分離まで 10 ミリ秒未満で接点分離を実現し、短絡故障の場合の総解除時間 (アーク消滅を含む) は通常 25 ～ 40 ミリ秒未満です。

気中遮断器が使用される場所

ACB は、低電圧配電階層内の最高電流レベル、つまり主分電盤 (MDB) の主受電サーキット ブレーカー、大規模なサブ配電盤への一次フィーダ、低圧開閉装置アセンブリのインマーおよびバス カプラの位置に設置されます。高電流定格、堅牢な消弧能力、広範な保護機能により、熱損傷、火災の危険、機器の破壊、人員の安全といった障害の結果が最高レベルの保護と選択性を必要とする場合には、標準的な選択肢となります。

一般的な設置環境には、工業用製造工場、商業用高層ビル、データセンター、病院、発電所、変電所、水処理施設、海洋電気システムなどがあります。これらの各環境において、ACB は変圧器の 2 次側と下流の配電網の間のゲートキーパーとして機能し、障害時の ACB の正しい動作は、電気事故の範囲と継続時間を制限する上で最も重要な単一イベントです。

気中遮断器の種類

固定取り付け型ACB

固定 ACB は開閉装置パネルまたは配電盤に直接ボルトで固定されており、バスバーとケーブルを外さないと取り外すことはできません。この設計は、引き出し式の同等品よりもコンパクトでコストが低くなりますが、メンテナンス、テスト、またはブレーカーの交換の際には、回路の電源を切り、パネルを開ける必要があります。固定 ACB は、供給の継続性に許容できない影響を与えることなく、メンテナンスのために回路を停止できる設備、つまり小規模な産業設備、二次配電盤、または適切なメンテナンス スケジュールの柔軟性を備えたシステムに適しています。

引き出し式（引出し式）ACB

引出し ACB はクレードル機構に取り付けられており、主バスバーやケーブル接続を妨げることなく、ブレーカーを開閉装置パネルからテスト位置または切断位置に引き出すことができます。接続位置では、ブレーカーの一次および二次切断接点がパネル内の固定接点と係合します。ブレーカーをテスト位置に引き出すと、制御回路と補助回路の接続を維持しながら主電源接点が分離され、パネルが稼働している状態で模擬故障状態でトリップ ユニットと保護機能をテストできるようになります。切断位置に完全に引き込むとすべての接続が分離され、分電盤の残りの部分に通電したままメンテナンスまたは交換のためにブレーカーを取り外すことができます。この機能により、引出し ACB は、病院、データセンター、継続的に稼働する産業プロセスなど、メンテナンス中に他の回路への供給の継続が要件となる重要なアプリケーションの標準仕様になります。

電動ACB

固定 ACB と引き出し ACB は両方とも、盤での手動介入なしで遠隔からブレーカーを電気的に開閉できるモーター駆動機構を指定できます。電動 ACB は、ビル管理システム (BMS)、SCADA プラットフォーム、または専用の電源管理リレーから制御でき、電気技師をパネルの場所に派遣することなく、負荷管理スキーム、供給源間の自動転送、遠隔障害のクリアランスと再閉鎖が可能になります。また、モーターのスプリング充電機構により、閉動作直後に投入スプリングが常に再充電されるため、手動でスプリングを充電しなくてもブレーカーを迅速に再閉路できるようになります。

主要な評価とその意味

特定の用途向けの ACB を選択するには、ブレーカーの銘板とメーカーの技術データシートに指定されている主要な定格を理解する必要があります。これらの定格の誤適用は、故障状態で ACB が故障する最も一般的な原因の 1 つです。

短時間耐電流定格 (Icw) は、ACB アプリケーションでは特に重要であり、一定の定格を下回るノーヒューズ回路ブレーカー (MCCB) には存在しない能力を表します。 Icw により、ACB はトリップせずに、定義された期間 (通常は 1 秒) 閉じたままになり、故障電流が流れるようになります。この機能は、配電システムで選択性 (識別) を実現するために不可欠です。下流のブレーカーが障害を解消している間、上流の ACB は閉じたままであり、設備のより広い範囲の電源を遮断する上流のトリップを引き起こすのではなく、障害が発生した回路のみへの供給中断の範囲を制限します。

電子トリップユニット: 最新の ACB のインテリジェンス

電子リリースまたはインテリジェント トリップ ユニットとも呼ばれる電子トリップ ユニット (ETU) は、ACB の各極を流れる電流を監視し、定義された保護しきい値を超えたときにトリップ コマンドを実行するマイクロプロセッサ ベースの制御モジュールです。最新の ETU は、初期の熱磁気トリップ機構を、ハードウェア コンポーネントを交換することなく、各設置の特定の要件に合わせて構成できる、完全に調整可能で正確に特徴付けられた保護機能に置き換えています。

過負荷保護 (長時間遅延 — LTD)

長時間遅延機能は、短絡レベル未満の継続的な過負荷電流からケーブルと機器を保護します。過負荷電流が継続すると熱損傷を引き起こします。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% で、保護しきい値をブレーカーの最大定格にデフォルト設定するのではなく、実際のケーブル電流容量に一致させることができます。時間遅延 (tr) も調整可能で、逆時間特性を特徴としており、持続的な過負荷から保護しながら、短期間の過負荷電流 (モーター始動突入電流など) をトリップすることなく通過させることができます。

短絡保護 (短時間遅延 - 標準および瞬間)

短時間遅延 (STD) 機能は、高レベルの故障電流を検出し、意図的な時間遅延 (ほとんどの ETU では 0.05 ～ 0.4 秒に調整可能) の後にブレーカーをトリップし、下流の保護装置が最初に動作できるようにします (選択性)。瞬時関数 (I) は、故障電流が非常に高いしきい値 (通常、定格電流の 10 ～ 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。これは、遅延が許容できないほど損傷の可能性が深刻な近接故障を表します。調整可能な STD と瞬時設定の組み合わせにより、保護エンジニアはブレーカーの応答曲線を調整して、下流のデバイスとの選択性と重大な障害の迅速な解消の両方を達成できます。

地絡保護

地絡保護 (EFP) は、アース導体を流れる残留電流、つまり相導体から出たものの中性線を通って戻らなかった電流を検出し、意図しないアース経路を流れていることを示します。 TN-S および TT 接地システムでは、ACB の地絡保護は、短絡保護を動作させるのに十分な電流を生成しない可能性がある高インピーダンス地絡に対するバックアップ レベルの保護を提供します。地絡検出しきい値 (Ig) は個別に調整可能で、時間遅延 (tg) は下流の残留電流装置 (RCD) と調整するように設定できます。

ACB と MCCB: 適切なテクノロジーの選択

気中遮断器とノーヒューズ遮断器 (MCCB) の境界は、よく誤解されます。どちらの技術も過電流および短絡保護を提供しますが、定格電流範囲、遮断容量、保護調整機能、保守性、およびコストが大きく異なります。これらの違いを理解することで、アンダースペック（ACB 機能が必要な位置で MCCB を使用する）とオーバースペック（MCCB が低コストで同等の性能を発揮する ACB を選択する）の両方を防ぐことができます。

• 現在の評価: MCCB は、標準製品ラインで最大約 1,600A まで入手可能です。このレベルを超えると、ACB が唯一の現実的な選択肢となります。 630A ～ 1,600A の定格については、両方のテクノロジーが利用可能であり、決定には他の要素が関係します。
• 短時間耐電流(Icw): この評価が最も明確な差別化要因となります。 ACB には、高い故障電流レベルでの時間段階的な選択性を可能にする Icw 定格が定義されています。約 800A 未満の標準 MCCB には通常、意味のある Icw 定格がありません。高い故障電流で瞬時にトリップするため、近接故障に対する下流のデバイスとの選択性を達成することが不可能になります。
• プロテクション調整機能: ACB 電子トリップ ユニットは、すべての機能にわたって完全に調整可能な保護パラメータを提供します。 MCCB の保護設定は通常より制限されており、一部の低定格ユニットでは固定の熱磁気特性のみが提供されます。
• 保守性: ACB は検査とメンテナンス向けに設計されており、接点、アーク シュート、操作機構は現場で検査および修理できます。 MCCB は大部分が密閉されたユニットであり、耐用年数が終了すると保守ではなく交換されます。
• 費用: ACB は、同等の電流定格の MCCB よりも大幅なコストプレミアムをもたらします。このプレミアムは、上記の追加機能によって正当化されますが、アプリケーションがそれらの機能を必要としない場合には支払うべきではありません。

選択基準と実際の仕様手順

ACB を正しく指定するには、メーカーのカタログから製品を選択する前に完了する必要がある、定義された一連の計算と決定が必要です。このプロセスのステップをスキップすると、誤った使用につながり、迷惑なトリップから安全に障害を遮断できなくなるまで、さまざまな結果が生じます。

まず、回路の最大連続負荷電流に基づいて定格電流 (In) 要件を確立し、周囲温度と設置方法に該当するディレーティング係数を適用します。変圧器のインピーダンス、ケーブルのインピーダンス、およびシステム障害レベルのデータを使用して、設置場所での予想短絡電流 (PSCC) を計算します。この数値は、ACB の Icu 定格を超えてはならず、理想的には障害解消後の日常の保守性のための Ics 定格を超えてはなりません。ダウンストリームデバイスとの選択性に Icw 定格が必要かどうか、必要な場合はどのような時間遅延と電流レベルを達成する必要があるかを決定します。 ETU 保護要件 (どの保護機能がどのような設定で必要か) を確立し、選択したトリップ ユニットのバリエーションでこれらの要件が利用可能であることを確認します。最後に、機械的要件を確認します。固定式か引き出し式か、電動か手動か、BMS または SCADA システムとの統合に必要な補助接点と信号出力、開閉装置アセンブリと互換性のあるバスバー接続の方向です。

ABB、Schneider Electric、Siemens、Eaton、Chint などの大手 ACB メーカーは、システム障害レベルとデバイス定格を入力すると、選択性と識別の計算を自動化する詳細な選択ソフトウェアと調整ツールを公開しています。経験則の推定に頼るのではなく、設計段階でこれらのツールを使用することは、実際の障害状況下で保護システムが意図したとおりに動作することを保証する最も信頼性の高い方法です。最終的に、障害発生時に重要となるのはこれだけです。