完全絶縁管状バスバーとは何ですか?またどこで使用されますか?

完全絶縁管状バスバーとは何ですか?またどこで使用されますか?

A 完全に絶縁された管状バスバー 連続的な誘電絶縁システム内に封入された剛性の円筒形の導電体で、安全性が強化され、設置面積が最小限に抑えられ、環境ストレスや機械的ストレスから確実に保護されながら、高レベルの電流を伝送できるように設計されています。従来のオープンエアバスバーとは異なり、完全に絶縁されたバリアントは、各導体を堅牢な絶縁層 (通常は架橋ポリエチレン (XLPE)、エポキシ樹脂、またはシリコーンゴム) で包みます。これにより、偶発的な接触が防止され、部分放電が抑制され、狭い設置場所での導体の間隔を狭くすることができます。つまり、現代の高密度電気インフラストラクチャの誘電要件を満たしながら、従来のバスバーの電力伝送能力を提供します。

これらのシステムは、都市部の変電所や産業プラントからデータセンター、海洋プラットフォーム、大量輸送鉄道ネットワークに至るまで、コンパクトで信頼性が高く、安全な配電が交渉の余地のない場所に導入されています。都市の高密度化と再生可能エネルギーインフラの急速な成長に伴い、絶縁管状バスバーの世界的な設置ベースは大幅に拡大しており、電気エンジニアやプロジェクト開発者にとって、その設計、性能特性、アプリケーションロジックを深く理解することがますます重要になっています。以下のセクションでは、構造の詳細、電気的性能ベンチマーク、設置環境、ライフサイクル管理、代替バス システムとの比較分析、および主要な仕様基準について説明します。

管状バスバー絶縁システムの構造とコアコンポーネント

特定の用途への適合性を評価する前に、管状バスバー絶縁システムの構造を理解することが不可欠です。アセンブリ内のすべてのコンポーネントは個別の電気的または機械的機能を果たし、システム全体のパフォーマンスは最も弱い個々の要素と同じくらい優れています。

導体コア

内部導体は、電解グレードの銅 (EN 1977 に準拠した純度 99.9%) またはアルミニウム合金 (ASTM B317 に準拠した 6101-T6 シリーズ) から製造されています。電流密度が最も重要な場合には、銅の導電率が約 58 MS/m であるのに対し、アルミニウムの導電率は 35 MS/m です。ただし、アルミニウムはシステム全体の重量を約 50 ～ 60% 削減します。これは、長い水平ラン、地震に敏感な建物、または構造荷重が制限されている海上の上部設置にとって決定的な利点です。導体の外径は通常 40 mm ～ 250 mm の範囲で、管状 (中空) の形状は意図的に設計されています。電源周波数 (50 Hz または 60 Hz) では、表皮効果により電流が導体の外表面近くに集中します。 50 Hz における銅の表皮深さは約 9.3 mm です。これは、直径が約 18 mm を超える固体導体がそのコアで提供する追加の通電利点が最小限であることを意味します。余分なコア材料を取り除くことで、電流容量を犠牲にすることなく質量と材料コストが削減されます。

断熱層

絶縁層は、完全に絶縁された管状バスバーの特徴的な要素です。その厚さと材料クラスは、製品の電圧定格、使用環境、および期待寿命を直接決定します。一般的な断熱材とその工学的特性は次のとおりです。

• XLPE (架橋ポリエチレン): 絶縁耐力 ~20 kV/mm、最大連続導体温度 90°C、優れた耐湿性および耐薬品性。最大 36 kV の中電圧アプリケーション向けの標準的な選択肢です。
• エポキシ樹脂キャスト絶縁: 機械的剛性、優れた表面トラッキング耐性 (IEC 60112 に基づくグレード I 樹脂の比較トラッキング指数 600 以上)、および寸法安定性。屋内のGIS接続バスシステムやガス絶縁開閉装置に広く使用されています。
• シリコーンゴム: 汚染後に自己回復する優れた疎水性表面特性、摂氏 -60 度までの柔軟性、耐紫外線性を備えています。高湿度の海岸線や熱サイクルの高い砂漠環境での直接屋外サービスに最適な選択肢です。
• 熱収縮ポリマースリーブ (ジョイントキット): 制御された熱を使用して、事前に製造されたジョイントと終端に適用され、バスバーの最も脆弱な点でシームレスな絶縁連続性を提供します。
• EPDM (エチレン・プロピレン・ジエン・モノマー): 優れた耐オゾン性と長期的な弾性により、一部の中電圧用途、特にフレキシブル接続部や伸縮継手などに使用されます。

絶縁体の厚さは、指定されたインパルス耐電圧 (BIL) と導体表面の電界分布から計算されます。 12 kV システム (Um = 12 kV、BIL = 75 kV) の場合、XLPE 絶縁体の厚さは通常 3.5 ～ 5 mm です。 36 kV システム (Um = 36 kV、BIL = 170 kV) の場合、これは 8 ～ 12 mm まで伸びます。これらの厚さは均一なフィールド形状を想定しています。導体接続部の不規則性は、早期の部分放電活動を引き起こす可能性のある電界強化を避けるために、慎重に平滑化する必要があります。

サポート構造、エンクロージャ、およびアクセサリ

絶縁された導体は、エポキシまたはガラス強化ポリマー (GRP) の支持絶縁体によって所定の位置に保持され、短絡耐力の計算によって決定された間隔で配置されます。定格 40 kA/1 秒の三相システムの場合、導体の重量と相間の計算されたピーク電磁力に応じて、支持間隔は通常 1.5 ～ 2.5 メートルになります。外側の金属製エンクロージャ (アルミニウム (EN AW-6061) または溶融亜鉛めっき鋼板) は、屋外またはケーブル ダクトの設置に使用され、機械的保護、紫外線シールド、および遮蔽設計では近くの計器や制御ケーブルに影響を与える浮遊電界放射や電磁干渉 (EMI) を低減する接地された電磁シールドを提供します。

完全な管状母線絶縁システムの標準付属品には、90 度および 45 度のエルボ、リング主構成用の T 分岐ユニット、フレキシブル編組コネクタ付きの拡張継手、位相変換セクション、変圧器または開閉装置の終端点の密閉エンド キャップが含まれます。これらの各コンポーネントは、主要な直線セクションと同じ誘電体および短絡規格に基づいて型式テストされており、システム レベルの完全性が保証されています。

断熱材の特性: 並べて比較

適切な絶縁材料を選択するには、誘電性能、機械的特性、熱定格、耐環境性のバランスをとる必要があります。以下の表は、完全に絶縁された管状バスバーシステムに使用される 4 つの主要な絶縁材料の定量的比較を示しています。

高電圧管状母線システムの電気的性能パラメータ

の電気的性能 高電圧管状バスバーシステム は、エンジニアが調達および設置前にプロジェクト仕様に照らして検証する必要がある、いくつかの相互依存パラメータによって特徴付けられます。設計段階でこれらのパラメータのいずれかを見落とすと、通常は試運転中、さらにはサービス中に表面化するリスクが生じます。

通電容量（アンパシティ）

完全に絶縁された管状バスバーは、導体断面積と絶縁システムの熱特性に応じて、1,000 A から 8,000 A 以上の範囲の連続電流を流すように設計されています。絶縁ジャケットは、自由空気中の裸の導体と比較して周囲の空気への熱放散を低減するため、設計者は、密閉トランキングまたは地下設備で電流容量を計算する場合、ディレーティング係数 (通常は 0.85 ～ 0.95) を適用する必要があります。 強制空気またはウォータージャケットシステムによるアクティブ冷却により、連続電流定格を 20 ～ 40% 延長できます。 電解プロセスに使用される発電機出力バスバーまたは大電流整流器フィーダのピーク需要シナリオ向け。

短絡耐量定格

短絡耐量は、定義された継続時間 (通常は 1 秒または 3 秒) にわたるキロアンペア (kA) で表されます。中圧絶縁管状バスバーの標準定格には、25 kA/1 秒、31.5 kA/1 秒、40 kA/1 秒などがあります。三相ボルト故障中に発生する機械的力は、ピーク電流の二乗に比例し、相間隔に反比例します。 X/R 比が低い回路では、非対称故障電流のピークは RMS 対称値の 2.5 ～ 2.7 倍に達する可能性があります。したがって、より狭い位相間隔を可能にする絶縁システムは、最大ピーク電磁力に耐えることができるサポート クランプとタイ バーを使用して設計する必要があります。この計算は、絶縁体自体が導体を適切に覆っている場合でも省略できません。

耐電圧性と部分放電性

工場での定期的なテストには、電源周波数耐電圧テスト (通常、IEC 62271-1 に従って 2U0 1 kV で 1 分間) および U0 の 1.73 倍での部分放電 (PD) 測定が含まれます。 許容可能な PD レベルは、指定されたテスト電圧で 10 pC 未満でなければなりません このしきい値を超えるシステムは、導体と絶縁の界面に絶縁ボイド、汚染物質、または層間剥離があることを示しています。これらの欠陥は、誘電劣化を促進し、動作寿命を短縮する可能性があります。指定されたピーク電圧で 1.2/50 マイクロ秒の波形を印加する雷インパルス耐電圧 (LIWV) テストも型式テストとして必要であり、接続されたネットワーク上の雷またはスイッチング イベントによる過渡過電圧に耐えるバスバーの能力を確認します。

温度上昇限界

IEC 62271-1 および IEEE C37.20.2 によれば、銀メッキ表面のボルト接続点における絶縁バスバーの最大許容温度上昇は、周囲温度 40°C より 65 K 高く、導体の絶対温度上限は 105°C となります。 XLPE 絶縁体の最大導体温度は、連続負荷下で 90°C、最大 5 秒間の短絡熱ストレス下で 130°C と評価されています。これらの制限を超えると、たとえ一時的であっても、ポリマー鎖構造の不可逆的な化学劣化が始まり、絶縁体の有効残存耐用年数が短くなります。

単位長さあたりの抵抗と電力損失

75°C で外径 100mm、壁厚 8 mm の銅管状導体の場合、50 Hz での単位長さあたりの AC 抵抗は、表皮効果と近接効果の補正を考慮して、1 メートルあたり約 0.035 ミリオームになります。 3,000 A の連続電流では、これは三相システムの約 315 W/m のジュール加熱損失に相当します。この数値は、変電所の冷却負荷と 30 年の耐用年数にわたるエネルギー効率の計算に直接関係します。同等の電流容量のアルミニウム導体は、銅よりも 1 メートルあたりの抵抗が約 1.6 倍高くなりますが、設置重量が軽くなり、構造負荷が軽減されることで相殺されます。

導体直径別連続定格電流：参考表

以下のグラフは、周囲温度 40°C で自由空気中に設置された完全に絶縁された管状バスバーの導体の外径、導体の材質 (銅とアルミニウム)、および一般的な連続電流定格の関係を示しています。これらの値は代表的なものであり、特定の設置条件に対するメーカーの熱計算と照らし合わせて確認する必要があります。

図 1: 周囲 40°C、自由空気設置における、5 つの導体直径クラスにおける銅およびアルミニウムの XLPE 絶縁管状バスバーの連続電流定格 (A) を示します。値は代表的なものです。各プロジェクトには、IEC 60287 に基づく詳細な熱計算が必要です。

比較: 完全に絶縁された管状バスバーと他のバスバー技術

適切なバスバー技術を選択するには、複数の性能側面を明確に比較する必要があります。以下の表は、完全に絶縁された管状バスバー、従来の裸のリジッド バスバー、およびサンドイッチ (積層) バスバー システム (配電プロジェクトで最も一般的に指定される 3 つのリジッド バスバー テクノロジ) の主な違いを体系的にまとめたものです。

上記のデータは、完全に絶縁された管状バスバーが明確な性能ニッチ分野を占めていることを示しています。これは、スペースに制約がある環境や人がアクセスできる環境で、高電流容量と高い電圧の両方が必要な場合に最適な技術です。サンドイッチ型バスバーは、高密度の LV パワー エレクトロニクス アセンブリで適切に機能しますが、立ち入り禁止区域やクリアランスが制限的な制約にならない、換気の良い大規模な屋外変電所構造では、ベア リジッド バスバーが依然として簡単なソリューションです。

主なアプリケーション分野と設置環境

管状バスバー絶縁システムの設計上の利点は、幅広い業界にわたる強い需要に直接つながります。以下は、完全に絶縁された管状バスバーが推奨または標準ソリューションとなっている 6 つの主要なアプリケーション環境の詳細なレビューです。

都市部および屋内変電所

都市部の変電所は、地下または高層ビルの地下に建設されることが増えていますが、そこではスペースが非常に限られており、一般の人々がすぐ近くにいる可能性があります。 完全に絶縁された管状バスバーにより、裸導体システムと比較して、必要な相クリアランスが最大 70% 削減されます。 により、同等の屋外構成よりも 30 ～ 50% 小さい床面積で変電所を設計できるようになります。 11 kV 配電セクションで絶縁された管状母線を使用する代表的な 33/11 kV 都市屋内変電所では、わずか 600 mm 幅の廊下に 2,500 A の三相母線を配線できます。これは、その電圧レベルの裸導体では幾何学的に不可能です。また、密閉断熱システムにより、地下環境で塵や湿気が蓄積する断熱材表面の定期的な清掃の必要性がなくなり、都市ネットワーク事業者の継続的なメンテナンスの負担が軽減されます。

産業プラント: 製鉄所、石油化学施設、アルミニウム精錬所

重工業では、アーク炉、電解槽、大型モーター駆動始動回路に 4,000 A ～ 8,000 A を連続供給できるバスバーを求めています。製鉄所の炭素粉塵、石油化学精製所のコークス微粉、製錬所のアルミナ粉末など、浮遊導電性粒子が存在する環境では、裸のバスバーは汚染や表面トラッキングの危険があります。 IP54 以上 (IEC 60529 準拠) 定格の完全に絶縁された管状バスバーが標準の産業用ソリューションです。また、密閉構造は、振動環境での安全な動作のために裸導体システムに必要な広い分離距離を必要とせず、重回転機械や往復コンプレッサーの近くでの一般的な最大 2g の振動レベルにも耐えます。

データセンターとミッションクリティカルな施設

ハイパースケール データ センターには、商用変圧器から主配電盤までの高密度で信頼性の高い中電圧配電が必要です。現在、最大規模のキャンパスでは設備の総負荷が日常的に 100 MW を超えており、主フィーダは、高感度の制御および電力調整装置も備えた高密度に配線されたケーブル トレイを介して 11 kV または 33 kV で数千アンペアを伝送する必要があります。絶縁された管状バスバーにより、これらのフィーダは、偶発的なフラッシュオーバーや EMI 干渉のリスクなしに他のインフラストラクチャと配線通路を共有できます。密閉構造は、Tier III および Tier IV のデータセンター可用性基準への準拠もサポートします。これらの基準では、IT 機器の稼働中に配電機器のメンテナンスを実行できることが要求されます。これは本質的にタッチセーフで完全に密閉された導体を必要とする要件です。

海洋石油およびガスプラットフォーム

海洋プラットフォームは、塩水噴霧、最大 100% の相対湿度、硫化水素ガス、爆発性雰囲気、波の作用や回転機械による激しい構造振動など、最も過酷な電気設備環境にさらされます。シリコーンゴム絶縁体とステンレス鋼または GRP エンクロージャを備えた完全に絶縁された管状バスバーは、FPSO および固定プラットフォームの上面配電の標準となっています。密閉構造により塩分の浸入が防止され、アクセス可能な通電導体表面がないため、ATEX/IECEx 爆発性雰囲気の枠組みの下で IEC ゾーン 1 またはゾーン 2 に分類されるエリアにおけるアークフラッシュのリスクが軽減されます。このエリアでは、アーク点火イベントが人員と資産の完全性に対して壊滅的な結果をもたらす可能性があります。

大量輸送鉄道システム

地下鉄、ライトレール、および高速鉄道の牽引変電所では、25 kV AC 配電セクションと 1.5 kV/3 kV DC 配電セクションの両方で完全に絶縁された管状バスバーが使用されています。これらの設備は、電車の通路からの振動や衝撃荷重に耐える必要があります。開削式の地下構造物では、最大 5 Hz、ピーク加速度 3g の振動が一般的です。土木建設コストがトンネル断面積に応じて比例するトンネルでは、コンパクトな設置プロファイルが非常に重要です。トンネルの長さのキロメートルにわたるバスバー アセンブリの直径が 1 センチメートル節約されるごとに、土木工事コストが目に見えて削減されます。断熱システムのメンテナンスフリーの耐用年数は、メンテナンス活動へのアクセスが運用上制限されている地下鉄環境においても特に価値があります。

再生可能エネルギーの発電と送電網の統合

大規模な太陽光発電所や洋上風力プロジェクトでは、送電網に接続する前に中電圧 (33 kV または 66 kV) で電力を収集します。構造の総重量が支持基礎のコストと実現可能性に影響を与える洋上変電所プラットフォーム内では、33 kV 集電バスおよび 132/220 kV HV バスセクションの完全に絶縁された管状バスバーにより、ガス絶縁開閉装置 (GIS) と比較して大幅な重量とスペースの節約が実現します。また、加圧ガスシステムを使用せずに高湿度の海洋環境で動作できるため、メンテナンスの複雑さが軽減され、地球温暖化係数が非常に高いため規制の監視が厳しくなっているSF6ガスに関連した取り扱いのリスクが排除されます。

規格、テスト要件、および認証の枠組み

公共インフラや安全性が重要な産業用途で使用されるすべての完全に絶縁された管状バス バー システムには、国際規格および地域規格への準拠が必須です。設計、テスト、設置を管理する主な標準は次のとおりです。

• IEC 62271-209: 定格 52 kV 以上のガス絶縁金属密閉開閉装置のケーブル接続 - GIS と統合された HV 管状バス システムに適用可能。
• IEC 62271-203: 定格電圧 52 kV を超えるガス絶縁金属密閉開閉装置 - 高電圧変電所で使用される絶縁母線ダクト部分をカバーします。
• IEC 62271-1: 高電圧開閉装置および制御装置の一般規則 - 温度上昇制限、短絡定格、接続されたバスバー アセンブリの絶縁試験。
• IEEE C37.23: 金属密閉バスに関する北米規格 - 中電圧絶縁バス システムの構造要件、試験手順、およびサービス条件。
• IEC 60529: 侵入保護 (IP) 分類 — 屋内産業用は IP54、屋外用は IP65、地下または水中設置用は IP67。
• IEC 60270: 部分放電測定技術 — 出荷前のすべての絶縁バスバーセクションの重要な工場受け入れテスト。
• IEC 60287: 電線 - 定格電流の計算。この方法は絶縁管状バスバーに直接適用され、指定された設置条件下での電流容量を決定します。
• IEC 60815: 絶縁体の汚染性能 — 屋外絶縁バスバー設計の汚染重大度クラス (I ～ IV) と最小固有沿面距離を定義します。

認定された独立研究所によって代表的な製造サンプルに対して実施される型式試験には、絶縁耐力 (電源周波数および雷インパルス)、定格連続電流下での温度上昇、定格 kA および継続時間での短絡耐力、振動および耐震認定を含む機械的耐久性、安全性が重要な経路に配線されたシステムの IEC 60331 に基づく火災挙動が含まれます。工場での定期テストは、製造されたすべてのユニットに対して実行され、少なくとも電源周波数耐性テストと部分放電測定が含まれます。特定の管轄区域におけるプロジェクトでは、IEC タイプの試験証拠を超える追加の国家認証マークが必要な場合があるため、プロジェクト仕様の段階の早い段階で現地の規制要件を確認することで、調達および通関段階での遅延を回避できます。

設置、接合、長期メンテナンスの実践

管状バスバー絶縁システムを適切に設置することが、その動作寿命に直接影響します。適切に設計されたシステムも、不適切にインストールされるとパフォーマンスが低下します。控えめな仕様のシステムであっても、正しく設置および保守されていれば、40 年の耐用年数を達成できます。

接合方法と結線方法

ボルト接合は、絶縁バスバーの実行において最も重要なポイントです。銀メッキまたは錫メッキの銅接触面には、メーカー指定の値 (通常、M12 A4 ステンレス鋼ボルトの場合は 60 ～ 80 Nm) でトルクがかけられ、ジョイントあたり 10 マイクロオーム未満の接触抵抗が達成されます。次に、常温収縮または熱収縮スリーブ キット、または室温加硫 (RTV) シリコーンを充填した工場で成形されたジョイント ハウジングを使用して、ジョイント ゾーン全体に絶縁が復元され、バスバー配線の最も幾何学的に複雑な部分での完全な誘電導通が保証されます。接合部の施工が不十分だと、局所的なホットスポットが発生し、公称設計耐用年数の数倍の速度で断熱材が劣化する可能性があります。そのため、接合部の仕上がりトレーニングと品質検証は、プロジェクトの品質計画において交渉の余地のない要素となります。

熱膨張補償

銅は摂氏 1 度あたり約 17 掛ける 10 からマイナス 6 で膨張します。冷温停止から全負荷までの温度上昇が 60 K になると、10 メートルの銅バスバーが約 10 mm 伸びることになります。適切な間隔 (通常は 15 ～ 20 メートルごと) で伸縮継手やスライド式サポート クランプがないと、この動きによって機械的応力が固定接続点に伝わり、ボルトで締められた接合部が緩んだり、導体とクランプの界面で疲労亀裂が発生したりする可能性があります。エンジニアは、最低設置周囲温度 (高緯度気候では -40°C 程度) から、持続定格負荷下での最高導体温度までの全熱サイクルに、30 年の設計寿命にわたって予想される毎日の負荷サイクル数を乗じたものを考慮する必要があります。

稼働状態の監視

最新の完全に絶縁された管状バスバー システムには、容量結合またはアコースティック エミッション タイプの埋め込みオンライン部分放電監視センサーがますます組み込まれており、SCADA または資産管理プラットフォームに継続的な誘電状態データを提供します。 50 ～ 100 pC を超える PD の上昇傾向は、絶縁破壊が発生する前に数週間から数か月前に警告を発します。 、計画外の強制停止ではなく、計画的なメンテナンス停止が可能になります。専用に設計されたアクセス パネルを使用した赤外線サーモグラフィー調査は、定格負荷条件下で実施され、発生中のジョイント ホット スポットを特定するための最も費用対効果の高いツールです。ベストプラクティスのメンテナンス スケジュールでは、通常、年に一度のサーモグラフィー調査、隔年での部分放電測定、および 5 年間隔でのジョイント トルクの検証が組み合わされます。

寿命後のリサイクル可能性

銅またはアルミニウムの導体は、サービス終了後も金属としての価値を完全に保持し、確立された製錬ルートを通じてリサイクルされます。ポリマー絶縁体はリサイクルする前に金属から分離する必要があり、機械的な破砕とその後のエネルギー回収または専門的な解重合によって処理されます。持続可能性目標を掲げたプロジェクトでは、ライフサイクル評価において、アルミニウム導体バスバーは、特に導体材料として使用済みリサイクルアルミニウム（一次生産では14～17kWh/kgしか必要ない）が使用されている場合、アンペアメートル当たりの炭素含有量が銅よりも大幅に低いことに留意する必要があります。

設計選択基準: 完全に絶縁された管状バスバーを指定する方法

高電圧管状バスバーシステムを指定する場合、エンジニアは完全かつ明確なアプリケーションパラメータのセットを定義する必要があります。不完全な仕様は、プロジェクト現場での誤適用、納期の遅れ、コストのかかる再エンジニアリングの主な原因です。

• 定格電圧（Um）と絶縁レベル： 機器の最高電圧、電源周波数耐電圧、雷インパルス耐電圧をご指定ください。 12 kV システムの場合: Um = 12 kV、28 kV (1 分間の PF 耐性)、75 kV BIL。
• 定格連続電流 (Ir) と周囲条件: 設置方法を含む最悪の周囲条件（自由空気中、密閉されたトランク内、または地下）における最大連続電流。
• 短絡電流と持続時間: RMS 対称故障電流 (Isc) とピーク非対称電流 (ip = k 倍ルート - 2 倍 Isc) の両方。ピーク係数 k は、50/60 Hz で通常 1.7 ～ 2.0 です。
• 環境クラス: 屋内または屋外、動作温度範囲、湿度クラス、IEC 60664 に基づく汚染度、地震地帯、および化学物質への曝露 (塩霧、H2S、UV、攻撃的な蒸気)。
• 導体材質： 重量、電流容量、接続機器の端子との接続適合性を考慮し、銅またはアルミニウムを選択します。
• 実行ジオメトリ: 全長、エルボ (90 度、45 度、またはカスタム) の数、T 分岐、伸縮継手、および構造の動きや地震による変位に対応するために必要な柔軟なセクション。
• 適用される規格と部分放電の許容基準: どの IEC、IEEE、または国家規格が設計、テスト、設置を管理するかを明示し、PD 許容レベル (通常は U0 の 1.73 倍で 10 pC 未満) を確認します。

この完全な情報を技術仕様文書で提供することで、メーカーは顧客の承認のために設計を提出する前に、短絡電磁力解析、IEC 60287 に基づく温度上昇シミュレーション、IEC 60071-1 に基づく絶縁調整を含む完全なエンジニアリング計算を実行できるようになります。これらのパラメータが仕様で完全に定義されていないプロジェクトでは、事前の仕様を徹底していれば防げた範囲の変更、リエンジニアリングコスト、納期スケジュールへの影響が常に発生します。

一般的な故障モードと絶縁設計によるそれらへの対処方法

適切に設計されたバスバー システムであっても、設計範囲外の条件にさらされたり、適切な製造管理が行われずに設置されたりすると、故障する可能性があります。主要な故障モードと、断熱管設計がそれらを緩和またはシフトする具体的な方法を理解することは、資産の長期的な信頼性を担当する運用および保守チームにとって貴重です。

汚染によるトラッキングとフラッシュオーバー

裸のバスバー システムでは、表面の汚染 (導電性の塵、結露、または塩分の堆積物) により、導体間または導体から接地までの抵抗電流経路が形成され、最終的には表面フラッシュオーバーが発生する可能性があります。完全に絶縁された管状バスバーの連続絶縁ジャケットにより、露出した導体表面が完全に排除され、主導体本体での汚染によるトラッキングが不可能になります。残存する脆弱性は、開閉装置接続の露出した終端点に再配置されます。そこでは、高 CTI 定格材料と適切な沿面距離を備えた適切に取り付けられたジョイント キットが、設置品質検査中に指定および検証される必要がある防御線となります。

熱過負荷と接合部の劣化

トルクが不十分なボルト締結部や接触面の準備が不十分なボルト締結部では、接触抵抗が増加します。 2,000 A が流れる 100 マイクロオームの接触抵抗 (許容限界の 10 倍) を持つ接合部は、狭い領域で局所的に 40 W を放散し、熱暴走サイクルを開始します。加熱により酸化が発生し、抵抗がさらに上昇して、より多くの熱が発生します。アレニウス モデルによれば、接合部の周囲の断熱材は温度とともに急激に劣化し、定格温度より 8 ～ 10℃上昇するごとに劣化速度が約 2 倍になります。定格負荷条件下で年に一度の赤外線サーモグラフィー調査は、強制停止を引き起こす前に進行中の接合部の問題を特定するための実証済みの費用対効果の高い対策です。

断熱材の劣化と水の浸入

ポリマー絶縁体は、時間の経過とともに、熱、電気、環境ストレスが組み合わさって劣化します。終端または機械的に損傷した絶縁体からの水の浸入は、電気化学的な水トリー現象を加速させます。これは、持続的な電界勾配の下で水分を含んだマイクロチャネルが絶縁体を通って導体に向かって成長するプロセスです。 5 mm の絶縁壁の中に 2 ～ 3 mm もの短い木が伸びていると、利用可能な絶縁耐力が大幅に低下します。エンド シールとジョイント キットの機械的完全性を維持し、PD 活動の上昇を監視し、機械的損傷が見つかった絶縁体を速やかに交換することは、使用年数 15 年を超えて動作する絶縁バスバー システムの予防的なメンテナンス戦略の重要な要素です。

完全絶縁管状バスバーに関するよくある質問

Q1: 完全に絶縁された管状バスバーで利用可能な最大電圧定格はどれくらいですか?

A1: 固体ポリマー絶縁を使用した完全に絶縁された管状バスバーは市販されており、最大 145 kV (公称電圧システム 132 kV の機器の最高電圧) までの電圧クラスに対して型式テストされています。このレベルでは、XLPE 断熱材の厚さは 20 ～ 25 mm に達し、その肉厚でボイドのない断熱材を製造することは、厳しい品質管理の課題です。 145 kV を超えると、絶縁媒体として SF6 または圧縮清浄空気を使用するガス絶縁バスダクトが業界標準のアプローチになります。これは、加圧ガスが均一で欠陥のない誘電体を提供し、非常に厚い固体ポリマーよりも製造規模での品質保証が大幅に向上するためです。 6 kV ～ 36 kV で動作する配電プロジェクトの大部分では、固体ポリマー絶縁管状バスバーが十分に適切であり、コンパクトな寸法とメンテナンス要件の低さがプロジェクトの主要な優先事項である場合、技術的に好ましいソリューションとなります。

Q2: 完全絶縁管状バスバーと絶縁バスダクト (バスウェイ) はどう違うのですか?

A2: どちらも絶縁配電システムですが、電圧能力、絶縁機能、適用範囲が根本的に異なります。商業ビルや低圧産業施設に一般的に設置されている絶縁バスダクト (バスウェイ) では、板金ハウジングに囲まれた比較的薄い絶縁体を持つ平角または長方形の導体が使用されます。その絶縁は主に接触安全性と湿気の排除を提供するものであり、1 kV を超える持続的な相対接地間電圧ストレスに必要な高い絶縁耐力を提供するものではありません。完全に絶縁された管状バスバーは、雷インパルス過渡現象を含む中電圧および高電圧システムの完全な電気ストレスに耐えられるように、特別に寸法設定され、型式テストされた絶縁体を備えています。管状導体の形状により、表皮効果電流分布が最適化され、導体の質量が削減され、単位重量あたりの優れた機械的剛性が実現します。これらは、単に低電圧導体の周りの保護機械ハウジングとしてではなく、IEC 開閉装置規格に基づく主要な高電圧機器として設計および認定されています。

Q3: 完全に絶縁された管状バスバーは、保護筐体なしで屋外に設置できますか?

A3: はい、断熱材と表面プロファイルが屋外での直接耐候サービス用に選択されている場合に限ります。交互のシェッドプロファイルを備えたシリコーンゴム断熱材を使用したシステムは、ポリマーサスペンションやポスト断熱材で使用されているものと幾何学的に類似しており、追加のエンクロージャーなしで直接屋外に設置できるように設計されています。シェッドの形状により表面沿面経路が延長され、大雨や産業汚染が発生した場合でも連続的な漏れ電流トラックの形成が防止されます。屋外システムは、最も厳しい産業環境および沿岸環境に対応する、IEC 60815 に準拠した汚染度クラス III または IV に対してテストされています。アルミニウム合金またはガラス強化ポリマー (GRP) の外側ハウジングは、UV 保護、機械的耐衝撃性、または破壊行為の防止を強化するために追加できますが、外側の絶縁が屋外サービス向けに正しく指定されている場合、誘電は必須ではありません。

Q4: 完全に絶縁された管状バスバーシステムの予想耐用年数はどれくらいですか?

A4: 適切に設計され、正しく設置され、適切に保守された XLPE 絶縁管状バスバー システムの工学設計寿命は 30 ～ 40 年で、これは、それが使用する変電所、開閉装置、または発電所のインフラストラクチャの設計寿命と一致します。この寿命は、次の 3 つの主要な条件によって決まります。動作導体の温度を常に絶縁体の熱クラス制限である 90°C 未満に保つことです。定期的な再トルク検証とサーモグラフィー検査により、ボルト接合部を良好な接触状態に維持します。エンドシールと終端ジョイントの機械的完全性を維持して湿気の侵入を防ぎます。熱天井近くで定期的に動作するシステムや、高エネルギーの障害イベントが繰り返し発生するシステムでは、使用開始から 10 ～ 15 年という早い時期に検出可能な絶縁劣化が見られることがあります。これは、日常的な状態監視中の部分放電傾向の上昇によって特定できるため、サービスに影響を与える障害が発生する前に計画的に交換することが可能になります。

Q5: 部分放電試験はどのように行われるのですか?また、なぜ受け入れ試験が義務付けられているのですか?

A5: 部分放電 (PD) 試験は、IEC 60270 に従って、正確に制御された AC 電圧 (通常、位相対地間動作電圧 U0 の 1.73 倍) を組み立てられたバスバー部分に印加し、校正されたカップリング コンデンサを使用して放電の見かけの電荷量を測定し、試験片と直列に接続されたインピーダンスを測定することによって実行されます。測定回路は各テストの前に既知の電荷注入信号を使用して校正され、SI 単位へのトレーサビリティが保証されます。必須の合格基準は、通常、指定されたテスト電圧で 10 pC 未満です。このテストが必要なのは、単純な絶縁耐電圧テストでは検出されずに合格してしまうような、絶縁体の微小なボイド (数十マイクロメートルほどの小さな空気の混入) を検出するためです。このような空隙は、使用中に持続的な部分放電活動を発生させ、周囲の絶縁体を内側から外側に向かって炭化および化学分解し、最終的には外部検査からは予測できなかった絶縁破壊につながります。 10 pC 基準を満たしたすべてのセクションは、本質的にボイドのない絶縁構造を実証しており、通常の動作条件下で完全な設計寿命を達成することが期待できます。

Q6: 既存のオープン裸バスバー設置を完全に絶縁された管状バスバーで改造することは可能ですか?

A6: 改修は技術的には可能であり、変電所資産の寿命延長プロジェクト、安全性向上プログラム、限られたスペースでの容量増加プロジェクトなどでますます一般的になっています。改修には計画的な停止が必要で、その間に既存の裸導体、サポート絶縁体、およびクリアランスバリアが取り外され、その場所に絶縁された管状システムが設置されます。絶縁バスバーにより、元の裸導体設置と比較して相間隔を最大 70% 縮小できるため、土木支持構造を新しい形状に部分的に再構成する必要がある場合があります。場合によっては、特に元の建物が 11 kV の空間距離に合わせて設計されていた屋内変電所を 11 kV から 33 kV にアップグレードする場合、物理的空間の減少に絶縁バスバーを設置できるため、既存の構造内での電圧アップグレードが可能になります。これは、はるかに大きな 33 kV の空間距離を必要とする裸導体では技術的に不可能です。最新の潮流解析、短絡計算、既存の土木構造物の耐荷重能力の詳細な調査を含む徹底的な工学的実現可能性調査は、改修設計と停止スケジュールに取り組む前に常に必要となります。