従来の永久磁石機構が 126kV 真空遮断器の大きな接点ギャップに苦戦するのはなぜですか? - ブログ

として真空遮断器送電電圧レベルに向けて技術が進歩するにつれ、126kV 単遮断真空遮断器が開発の焦点として浮上しました。しかし、多くの業界専門家は、中電圧アプリケーションで非常に優れた性能を発揮する永久磁石 (PM) メカニズムには、126kV クラスのブレーカーを動作させる能力が欠けていることが多いことに気づいています。これはコイル電流を増やすだけで解決できる単純な問題ではありません。根本的な原因は、従来の PM メカニズムの磁気回路アーキテクチャと、大きな接触ギャップによって課せられる動作要件との間の固有の矛盾にあります。

I. 接点ギャップと速度: 126kV での動作メカニズムに突きつけられる課題

2 つのデータセットを考えてみましょう。で高圧真空遮断器、接触ギャップは通常 30 mm 未満で、最も一般的には 8 ～ 22 mm の範囲内にあります。対照的に、126kV の接点ギャップは真空遮断器約80mmまで伸びます。工学仕様によれば、126kV 遮断器の定格接点ギャップは通常約 50mm です。コンタクトワイプ（オーバートラベル）を加えると、可動コアの総ストロークは約60mmに達します。
接触ギャップは増加していますが、速度要件は依然として厳しいままです。 126kVの場合真空遮断器、接点は開動作の 6 ～ 7 ミリ秒以内に 18 ～ 20 mm の間隔に達する必要があり、約 2.5 ～ 3.3 m/s の開速度が必要です。 12 ～ 13 ミリ秒までに、速度は 2.7 ～ 3.3 m/s に維持されたまま、ギャップは 36 ～ 40 mm に達する必要があります。つまり、機構は極めて短期間で「最初から高速」を実現しなければなりません。
Traditional PM mechanisms were originally designed for-and are well-established within-the medium-voltage sector. Research has clearly indicated that PM mechanisms based on traditional structural designs are ill-suited to meet the high-speed requirements of vacuum circuit breakers at transmission-voltage levels (>72kV）。問題は磁気回路自体にあります。

II.中心的な問題: 共有磁気回路により、可動アーマチュアが最初から「下に引きずられる」

従来の双安定永久磁石機構の構造上の特徴は、永久磁石と開閉コイルが同じ磁気回路を共有していることです。この設計によりコンパクトな設置面積が可能になりますが、大きな接触ギャップと高い動作速度が必要な条件では、その欠点が明らかになります。
開放動作が開始されるまさにその瞬間に、通電されたコイルによって生成される電磁力が、閉位置にある永久磁石によって及ぼされる保持力を最初に克服しなければなりません。電磁力の残りの部分のみが可動アーマチュアを加速するために利用できます。文献にも「開弁動作の初期段階では、永久磁石の磁力がコイルの電磁力を部分的に相殺してしまい、初期の離脱速度を上げることが困難になる。」と記載されています。
この初期分離速度は、高電圧の重要な性能指標です。真空遮断器。開始直後に永久磁石の保持力によって「抑制」されると、ストロークの後半で必要な速度プロファイルに追いつくことが非常に困難になります。

Ⅲ．ロングストローク動作の連鎖反応: 電流の増加、温度の上昇、制御の課題

ストロークを増やすと、別の実際的な課題が生じます。可動アーマチュアが開始位置にあるとき、エアギャップの磁気パーミアンスは非常に低くなります。従来の設計では、十分な電磁吸引力を生成するには、かなりのコイル電流が必要です。分析によれば、これが「温度上昇と制御の困難」を含むさまざまな問題につながることが示されています。
言い換えれば、速度要件を脇に置いたとしても、コイル電流を増加させて長いストロークにわたってアーマチュアを駆動するという「強引な」動きだけに依存することは、持続可能な工学的解決策ではありません。コイルの加熱、コンデンサ容量、制御コンポーネントの電流処理限界などの要因はすべて、新たなボトルネックとして浮上します。
シミュレーションデータはこの相違を浮き彫りにしています。126kV のアプリケーションでは、従来の永久磁石機構は平均開口速度約 2.5 m/s を達成しますが、分離された磁気回路を利用した新しい設計では 3.0 m/s に達する可能性があります。開路動作開始時の重要な 6 ～ 7 ms ウィンドウ内では、この 0.5 m/s の差が、時間内にコンタクトを安全な距離まで分離できるかどうかの決定要因となります。

IV.今後の方向性: 磁気回路の分離

核心的な問題は「磁気回路の共有」に起因するため、論理的な改善策は、磁路を分離し、永久磁石保持回路を電磁駆動回路から切り離し、それぞれが特定の機能を実行できるようにすることです。
回路が分離されると、開放コイルに通電したときに永久磁石がプロセスを「妨げ」なくなります。代わりに、電磁力をより直接的に加えて可動アーマチュアを加速することができます。さらに、非作動エアギャップを組み込むことにより、アーマチュアが初期位置を離れるとすぐに永久磁石の保持力が急速に低下し、ストローク中の干渉が最小限に抑えられます。プロトタイプのテストでは、このアプローチがすでに検証されています。分離された磁気回路を備えた永久磁石機構は、2.8 m/s の初期開路速度と 2.9 m/s の平均開路速度を達成でき、126kV 真空遮断器の性能要件を満たしています。
さらに、3 コイル構成の使用など、その他の改善も現在検討中です。目標は、開く速度を高めると同時に、閉じるストロークの終わりにクッションを提供してコンタクトのバウンスを防ぐことです。技術的なアプローチに関係なく、中心となるロジックは変わりません。つまり、永久磁石の保持力が動作の障害になってはなりません。

V. メーカー向けの実践的なガイダンス

126kVの選定や機構統合に関わるメーカー様へ真空遮断器、いくつかの基準に注意が必要です。

まずは磁気回路の構造を調べます。サプライヤーの永久磁石機構が依然として従来の共有磁気回路設計を採用している場合、たとえ名目上の仕様が優れているように見えても、接点分離の瞬間に必要な開放速度を達成するのは困難になります。 126kV アプリケーションの要件を満たすには、分離された磁気回路または同様のデカップリング設計が必須です。
次に、単一のピーク値だけに焦点を当てるのではなく、測定された速度プロファイルを評価します。 126kV 機器の場合、要件は最大瞬間速度ではなく、特定の時間枠内の変位に関するものです。接触分離後の 6 ミリ秒と 12 ミリ秒の変位データを要求することは、「ピーク速度」を調べるよりもはるかに意味があります。
第三に、開口部保持力の設計に細心の注意を払ってください。従来の永久磁石機構では、開位置と閉位置の保持力を個別に最適化することが困難なことがよくあります。分離された磁気回路構造の主な利点は、開路側の保持力を最小限に抑え、開路ストロークの終わりでのリバウンドのリスクを軽減できる一方で、閉路側の保持力はコンタクトスプリングの反力に耐えるのに十分なままであることです。

環境政策によって推進され、SF6サーキットブレーカー126kVまで真空遮断器ますます明らかになってきています。デバイスの「心臓部」である動作メカニズム、およびその動作メカニズムとインタラプタとの動的互換性によって、ユニットが正常に展開できるかどうかが決まります。従来の永久磁石機構が「負荷に対処する」ことができないのは、永久磁石技術そのものに固有の欠陥ではなく、特定の動作条件下での特定の磁気回路構造の制限によるものです。この違いを認識することは、製品の選択や研究開発の際に不必要な後退を避けるのに役立ちます。

Starting in 2026, The Use Of SF6 in Medium-voltage Electrical Equipment Below 24 KV Will Be Prohibited.