《機械》〈電気機器〉[R06:問3]交流遮断器の種類と各遮断器の特徴に関する空欄穴埋問題

Contents

1 【問題】
2 【ワンポイント解説】
3 【解答】

【問題】

【難易度】★★☆☆☆（やや易しい）

次の文章は，交流遮断器の種類に関する記述である。文中の$ \ \fbox{$\hskip3em\Rule{0pt}{0.8em}{0em}$} \ $に当てはまる最も適切なものを解答群の中から選べ。

交流遮断器の歴史的な経過としては，電圧の上昇，大容量化に伴い油遮断器，空気遮断器，磁気遮断器などが開発され，近年$ \ 66 \ \mathrm {kV} \ $以上では，ガス遮断器や真空遮断器が主流となっている。

油遮断器は最も古くから使用され，消弧媒体の絶縁油がアークに触れると分解してアークの持つエネルギーを奪うとともに，生成した水素ガスの高い$ \ \fbox {　（１）　} \ $率によりアークを冷却して遮断する。火災の危険が伴うことと保守点検における省力化の点で難がある。

空気遮断器は極間に発生したアークに対して圧縮空気を用いて高速の空気流を吹き付け，アークを冷却して消弧を行う。保守は容易で火災の危険が少ないなどの利点がある一方で，動作時の$ \ \fbox {　（２）　} \ $が大きいことが欠点である。

ガス遮断器は$ \ \fbox {　（３）　} \ $を消弧媒体として利用した遮断器である。$ \ \fbox {　（３）　} \ $は，空気と比較すると$ \ \fbox {　（４）　} \ $が空気の$ \ 100 \ $分の$ \ 1 \ $以下という特性を利用して，極めて優れた遮断性能を実現している。しかし，$ \ \fbox {　（３）　} \ $は温室効果ガスに指定されている。

真空遮断器は，接点の開閉を真空のバルブの中で行う遮断器で，高真空中の急速なアークの$ \ \fbox {　（５）　} \ $作用と絶縁回復特性により高い消弧能力を有している。電極の局部加熱を防ぐため，電極構造を工夫してアークに横方向の磁界を加えることでアークに回転運動力を与え，電極表面の$ \ 1 \ $点へのアークの集中を抑えて電極の溶融を防ぐ。また，アーク電圧が低いので電極消耗が少ない特長がある。

〔問3の解答群〕
\[
\begin{eqnarray}
&（イ）&　比重　　　　　&（ロ）&　熱伝導　　　　　&（ハ）&　分離 \\[ 5pt ] &（ニ）&　拡散　　　　　&（ホ）&　圧力　　　　　&（ヘ）&　フロンガス \\[ 5pt ] &（ト）&　絶縁耐力　　　　　　　&（チ）&　騒音　　　　　&（リ）&　凝縮 \\[ 5pt ] &（ヌ）&　火花　　　　　&（ル）&　\mathrm {CO_{2}} \ ガス　　　　　&（ヲ）&　熱膨張 \\[ 5pt ] &（ワ）&　熱変動　　　　　&（カ）&　アーク時定数　　　　　　　&（ヨ）&　\mathrm {SF_{6}} \ ガス \\[ 5pt ] \end{eqnarray}
\]

【ワンポイント解説】

交流遮断器の種類とその特徴に関する問題です。
電験ではガス遮断器と真空遮断器の出題が圧倒的に多いですが，本問は油遮断器や空気遮断器についても出題されました。
満点は取る必要はない試験ですので，(1)及び(2)に関しては問われている内容程度を覚えておけばよいかと思います。

1.遮断器の種類
遮断器はアークの消弧媒体により，以下の通りに分類できます。このうち，現在主として扱われているのは真空遮断器（$ \ 154 \ \mathrm {kV} \ $程度まで）とガス遮断器になり，電験では主にこの二種類から出題されます。（古い設備では磁気遮断器や空気遮断器が使われている所もあります。）
　①油遮断器$ \ \left( \mathrm {OCB}\right) \ $
　②磁気遮断器$ \ \left( \mathrm {MBB}\right) \ $
　②空気遮断器$ \ \left( \mathrm {ABB}\right) \ $
　④真空遮断器$ \ \left( \mathrm {VCB}\right) \ $
　⑤ガス遮断器$ \ \left( \mathrm {GCB}\right) \ $

2.真空遮断器の特徴
・高真空に保った真空バルブ内で電極を開閉するため，高い絶縁耐力と拡散作用で遮断性能が高い。
・構造が簡単であるため，小形で軽量となり，メンテナンスも容易である。
・電極の消耗が少ないため，寿命が長い。
・密閉構造であり，遮断時の騒音が小さい。（空気遮断器は動作時爆発音のような騒音が発生します。）
・$ \ 22 \ \mathrm {kV} \ $以下の系統で主流となっている。（さらに上の電圧階級でも採用はあります。）

出典：一般財団法人　中部電気保安協会　ＨＰ
https://www.ces.or.jp/security/technology/deterioration.html

3.ガス遮断器の特徴
消弧能力が高い$ \ \mathrm {SF_{6}} \ $ガスを用いた遮断器で，遮断時に発生するアークを$ \ \mathrm {SF_{6}} \ $ガスで吹き付け消弧します。特徴は以下の通りです。
　・アーク消弧能力が高く，$ \ 187 \ \mathrm {kV} \ $以上の超高圧系統でも使用可能
　・$ \ \mathrm {SF_{6}} \ $ガスが化学的に安定で不活性である
　・絶縁耐力が高い
　・絶縁耐力が金属粉等に異物により大きく低下する
　・アークで$ \ \mathrm {HF} \ $等の分解生成物ができるので，吸着剤での除去が必要
　・低温で$ \ \mathrm {SF_{6}} \ $ガスが液化するのでヒータ等の対策が必要
　・温室効果ガスに指定されているので，構造を密閉式にし，圧力の管理を行う必要がある。

出典：プラズマ・核融合学会予備原稿　大電流遮断用ガス遮断器のCAE技術としての利用を目指した電磁流体シミュレーション技術の構築
http://www.jspf.or.jp/jspf_annual2018/JSPF35/pdf/3Bp06.pdf

【解答】

(1)解答：ロ
題意より解答候補は，（ロ）熱伝導，（ヲ）熱膨張，（ワ）熱変動，等になると思います。
油遮断器は絶縁油がアークに触れると分解してアークの持つエネルギーを奪うとともに，生成した水素ガスの高い熱伝導率の冷却作用により遮断します。

(2)解答：チ
題意より解答候補は，（チ）騒音，（ヌ）火花，（カ）アーク時定数，等になると思います。
空気遮断器は火災の危険が少ないなどの利点がありますが，動作時の騒音が大きいという欠点があります。

(3)解答：ヨ
題意より解答候補は，（ヘ）フロンガス，（ル）$ \ \mathrm {CO_{2}} \ $ガス，（ヨ）$ \ \mathrm {SF_{6}} \ $ガス，になると思います。
ワンポイント解説「3.ガス遮断器の特徴」の通り，ガス遮断器は$ \ \mathrm {SF_{6}} \ $ガスを消弧媒体として利用した遮断器です。

(4)解答：カ
題意より解答候補は，（イ）比重，（ホ）圧力，（ト）絶縁耐力，（カ）アーク時定数，等になると思います。
ワンポイント解説「3.ガス遮断器の特徴」の通り，ガス遮断器はアーク消弧能力が高く，アーク時定数は空気の$ \ 100 \ $分の$ \ 1 \ $以下となります。

(5)解答：ニ
題意より解答候補は，（ハ）分離，（ニ）拡散，（リ）凝縮，等になると思います。
ワンポイント解説「2.真空遮断器の特徴」の通り，高真空中の急速なアークの拡散作用と絶縁回復特性による高い消弧能力でアークを消弧します。