解説

大容量真空遮断器の開発−真空アークの制御−
丹 羽 芳 充，金 子 英 治１）（㈱東芝 電機応用システム開発部，１）琉球大学電気電子工学科）

Development of High Interruption Capability Vacuum Circuit Breaker− Technology of Vacuum Arc Control −NIWA Yoshimitsu and KANEKO Eiji1)Electrical & Mechanical Application Systems R&D Dept., Toshiba corporation, 1, Toshiba-cho, Fuchu-shi, Tokyo, 183-8511, Japan1)

Depertment of Electrical and Electronics Engineering, University of the Ryukyus, 1, Senbaru, Nishihara, Okinawa, 903-0213, Japan(Received 12 October 2004)

Vacuum circuit breakers (VCB) have been widely used for power distribution systems. Vacuum Interrupters,
which are the current interruption unit, have been increased its interruption capability with the development ofvacuum arc control technology by magnetic field. There are three major type electrodes: disk shaped electrodes,
radial magnetic field electrodes, axial magnetic field (AMF) electrodes. In the disk shaped electrode, the vacuumarc between the electrodes is not controlled. In the AMF electrode, the vacuum arc is diffused and stabilized byan axial magnetic field, which is parallel to the arc current. In the last type of electrodes, the vacuum arc column isrotated by magnetic force generated by the current flowing in the electrodes. The interruption current and thevoltage of one break VCB is increased to 100 kA, 144 kV respectively.
This paper describes basic configurations and functions of VCB, vacuum arc control technology in vacuum
interrupters, recent researches and applications of VCB.
Keywords:
vacuum arc, vacuum circuit breaker, vacuum interrupter, magnetic field, current interruption, insulation

１．はじめにる．VCB は安全性の高さや保守点検の容易さなどの利点を遮断器は短絡などの事故が発生した際に，事故電流を遮活かして，実用開始から約３０年の間に急速な発展を遂げ，断するため用いられている．遮断器には，様々な媒体を用

現在では定格電圧 3.6〜36 kV の範囲の遮断器では主流といたものがある．主なものとしては，六フッ化硫黄（SF６），なっている．また，真空バルブの電極間に生じるアークに空気，真空の３種類がある．SF６ガスは優れた絶縁性能を磁界を印加し，アークを制御する電極が広く用いられるよ持つことから，送電系統など高電圧の系統で広く用いられうになって，VCB の大容量化が飛躍的に進んだ．磁界によている．空気は SF６ガスや真空より絶縁性能が劣るため，るアーク制御の手法により，真空バルブの電極は大きく３数 kV 以下の低い電圧の機器で用いられることが多い．そ種類に分類される［１］．１つは磁界による制御を行わない

れに対し，真空は数 10 kV 以下の受配電系統などで広く用平板電極であり，遮断電流の小さい VCB に用いられていいられている．真空は環境負荷の少ない媒体として，適用る．２つ目は，縦磁界と呼ばれるアークと平行な磁界を印範囲の拡大が期待されている．

加 し，ア ー ク を 電 極 間 に 均 一 に 拡 散 す る 方 法 で あ る

真空遮断器（Vacuum Circuit Breaker: VCB）は，遮断部［２‐４］．３つ目は，アークに直角の磁界を印加し，ローレンに真空中で電極を開閉する「真空バルブ」と呼ばれるユニッツ力によりアークを特定の位置に停滞しないように駆動すトを用いている．真空バルブは，セラミックなどの絶縁物る方法である［５‐７］．また，縦磁界方式を改良し，より遮断−4製の容器内に一対の電極を設け，容器内を 10Pa 以下の性能を向上した自発拡散と呼ばれる方式が開発された真空としている．通電中に真空バルブの電極を遮断器の操［８，９］．さらに，外部回路により強制的に電流を零として遮作機構により開くと，電極間にアーク放電が生じる．アー

断する VCB の研究開発が進められており［１０，１１］，重要負クは電極の接触部に設けられた接点が蒸発し，金属蒸気と荷や自家発電機を持つ系統や，電車に電力を供給する直流なり電極間で電離することで維持されている．電極より放系統に適用されている．

電の媒体が供給される点が，ガス中での放電と異なってい

本解説では，一般的な VCB とその適用状況，最近の研

author’s email: yoshimitsu.niwa@toshiba.co.jp, kaneko@eee.u-ryukyu.ac.jp

５J. Plasma Fusion Res. Vol.81, No.1 (200５)５‐１１

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.81, No.1 January 2005

［２‐４］．電極に流れる電流により電極間にアーク中を流れ究，大容量化，高電圧化技術を紹介する．

る電流と平行な向きの磁界を印加することにより，電極間

２．真空遮断器の基礎のアークを拡散させ均一な分布とする．アークによる電極

一般的な３相交流用の VCB の一例を Fig. 1 に示す．真空への熱入力が均一となり，電極の損傷や温度上昇を低減で遮断器は，遮断部である真空バルブと，真空バルブの電極きるため，大電流の遮断が可能であることから，大容量のを開閉する操作機構，回路と接続する導体からなる．真空真空バルブに用いられている．３つ目は，アークを特定のバルブは Fig. 2 のような構造となっている．外形は円柱形

位置に停滞しないように電磁力により駆動する磁気駆動電で，セラミックスなど絶縁物の円筒内に一対の電極が設け極である［５‐７］．Fig. 3(c)では一例としてカップ型の電極にられている．一方の電極は回路を開閉できるように，導体スリットを設けたコントレート電極と呼ばれるものを示しにベローズが設けられており，電極が軸方向に動かせる構た．縦磁界電極ではアークを拡散させ均一な分布としたの造となっている．電流遮断のためにロッドを動かし，電極に対し，ピンチ力により集中状態にあるアークをローレン間の接触を開放した際に電極間に生じるアークは，電極かツ力により駆動する．このようにすると，アークによる電ら生じた金属蒸気により構成されている．この金属蒸気の極の局所的な損傷や加熱を防げるため，温度上昇を低減で一部が容器の内壁に付着すると，電極間の絶縁耐力が低下きる．磁気駆動電極には主にコントレート型，スパイラルするため，電極の周囲をシールド呼ぶ金属円筒で蔽い，絶型と呼ばれるものがある．どちらの電極においても，電極縁耐力の低下を防止している．に流れる電流により電極間のアークに半径方向の磁界を印電極にはアークの制御方法により大きく分けて３種類がある．３種類の電極の概略図を Fig. 3 に，それぞれの電極でのアークの画像を Fig. 4 に示す．平板電極と縦磁界電極
では，電流ピークでのアークの画像を，磁気駆動電極ではアークが電磁力により駆動される様 子 が わ か る ように
0.5 ms ごとで３コマの画像を示す．３種類の電極のうち１つ目は，アークを制御しない平板電極である［１］．ピンチ力により集中したアークによる電極の損傷が生じやすく，大電流が遮断できないため，遮断容量が小さい真空バルブの電極として用いられている．２つ目は，縦磁界電極である

Fig. 1(a)

3 phase VCB.

(b)

(c)
Fig. 2

Fig. 3

Inner view of vacuum interrupter.

６Electrode configuration. (a) Disk shaped electrode, (b) axial
magnetic field electrode, (c) contrate electrode.

CommentaryDevelopment of High Interruption Capability Vacuum Circuit Breaker

Y. Niwa and E. Kaneko

(a)

(b)
Fig. 684/72kV Cubicle type Gas Insulated Switchgear(C-GIS).

Fig. 7

DC VCB for Tokamak nuclear fusion system JT-60.

(c)Fig. 4

Arc appearances. (a) Disk shaped electrode, (b) axial magnetic field electrode, (c) contrate electrode.

Fig. 8Fig. 5

13.8kV−100kA VCB.

Prototype DC250kV circuit breaker.

を Fig. 6 に示す［１３］．スイッチギヤは，VCB，断路器，接地装置といったスイッチが収められた受配電機器である．

加し，この磁界とアークに流れる電流によるローレンツ力

このスイッチギヤは，工場やビルなど大口需要家の受電用により，アークを電極の円周方向に駆動する．に広く用いられている．SF６ガス絶縁，絶縁物と SF６ガスに

次に各種 VCB を紹介する．まず，遮断電流の大きい３相よる複合絶縁の適用により小型化を図っている．さらに高交流 VCBの例として定格電圧13.8 kV定格遮断電流100 kA

電圧の遮断器への適用例としては，定格電圧 145 kV のの大容量の VCB を Fig. 5 に示す［１２］．真空バルブに縦磁界VCB がある［１４］．

電極を用いることで大電流遮断が可能となった．

遮断器では，電流が零とならないと電流を遮断すること絶縁技術の進歩によりVCBの高電圧化が進んでいる．高ができない．そこで，直流電流を遮断する場合は，外部回電圧VCBでは，これまで複数の真空バルブを直列接続して路により，遮断する電流と逆向きの電流を真空遮断器に注いたが，１本の真空バルブで対応できるようになりつつあ入することにより，電流を零として遮断している．核融合

る．84 kV クラスでも３相交流のそれぞれの相を１本の真実験装置用の直流 VCB で，DC44 kV−130 kA の遮断に成空バルブとした VCB がよく用いられるようになっている．

功している．日本原子力研究所の核融合実験装置 JT- 60

定格電圧 84/72 kV のキュービクル型ガス絶縁スイッチギで用いられている直流 VCB の写真を Fig. 7 に示す［１５］．電ヤ（Cubicle type Gas Insulated Switchgear: C-GIS）の写真

力系統で用いられている直流遮断器の一例として，本州−７

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.81, No.1 January 2005

Fig. 9Circuit of high speed VCB.

(a)Fig. 10

Typical current wave forms.

北海道間の 250 kV 直流送電系統で用いられている直流VCB を Fig. 8 に示す［１６］．高電圧に耐えられるように VCBと SF６ガス遮断器を直列接続している．
このように VCB は，交流の大容量，高電圧遮断器だけではなく，直流遮断器などへ適用範囲が広がっている．

３．真空アークの最新研究動向
重要負荷を持つ需要家は，ガスタービンなど自家発電機を設置するようになっている．このような発電機をもつ系
統では，発電機の保護のため，事故が発生し，事故電流が流れ始めてから遮断までの時間を商用周波数の 1/2〜1/4サイクル以内と短くすることが望ましい．また，電車に電力を供給する電鉄の直流系統では，直流であるため電流は零とならない．一般的な遮断器では，電流が零となるまで，電流を遮断できないため，事故発生から遮断までの時間短縮には限界があり，直流電流が遮断できないといった欠点がある．そこで，遮断器を高速で開極し，外部回路により真空遮断器に遮断電流と逆向きの高周波電流を注入し，電(b)流を零とする遮断器が検討されている［１０，１１］．遮断器構Fig. 11成の一例と，電流波形はそれぞれ Fig. 9，Fig. 10 のようになる．このような遮断方法を採用した VCB は，重要負荷やArc appearance. (a)Axial magnetic field electrode, (b) diskshaped electrode.

自家発電機の保護用や，電鉄の直流系統用として使用されている．

撮影した．左側に開極からの時間を示した．縦磁界電極で遮断までの時間を短縮する場合，電極開極から遮断までは，はじめアークは集中しているが，縦磁界の効果によりの時間が短くなることから，真空バルブの電極開極直後に電極間全域に拡散している．平板電極では，アークは狭いおけるアーク状態の把握が重要である．電極間のアークの領域に集中した状態が継続している．

変化を Fig. 11 に示す．事故を想定した電流を通電している

電極開極直後のアークの輝度分布をこの２種類の電極で際に，電極を開極し，高速度ビデオカメラによりアークを比較した．アークの画像ではどちらの電極でもアークが狭８Commentary

Development of High Interruption Capability Vacuum Circuit Breaker

Y. Niwa and E. Kaneko(a)Fig. 12Distribution of arc luminosity.

(a)(b)
Fig. 14

Axial magnetic flux density distribution between electrodes.
(a)Axial magnetic field electrode, (b)Self Arc Diffusion byElectrode (SADE).

(b)
Fig. 13

Arc appearances. (a)Axial magnetic field electrode, (b)Self
Arc Diffusion by Electrode (SADE).

い領域に集中しているように見えるが，Fig. 12 より縦磁界電極では縦磁界の効果によりアークの集中が抑制されていることがわかる．これより，強制的に電流を零として短時(a)間で電流を遮断するVCBには，縦磁界電極が適しているといえる．

４．真空遮断器の大電流化技術
電極間のアークの磁界制御による大電流遮断性能の向上について述べる．真空バルブの電極として用いられている縦磁界電極はアークを縦磁界により均一に拡散することができるため，高い遮断性能が得られる．ところが，遮断電(b)流をさらに高くしていくと Fig. 13(a)のように，磁界の高い電極中央部でアークが集中していく．そこで，縦磁界電極

Fig. 15においてもアークが集中する大電流で，アークを Fig. 13(b)のように均一に拡散することができる方法が検討された［８，９］．縦磁界電極では Fig. 14(a)のように電極中央で磁界Arc luminosity distribution between electrodes at current
peak of interruption limit. (a)Conventional AMF (Interruption current: 12.5 kArms), (b) Self Arc Diffusion by Electrode(SADE) (Interruption current: 25 kArms).

が高いのに対し，磁界分布を Fig. 14(b)のように電極端部では電極間の全域に広がっている．同一の電極サイズでの遮高く，中央で低くなるようにする電極が考案された．この

断性能は，自発拡散電極では従来の縦磁界電極の約２倍を電極は自発拡散電極（Self Arc Diffusion by Electrode:達成した（Interruption current 12.5→25 kA）．

SADE）と呼ばれている．縦磁界電極と自発拡散電極の５．真空遮断器の高電圧化技術

アークの発光強度分布を Fig. 15 に示す．遮断電流は自発拡散電極のほうが大きいが，縦磁界電極ではアークがアノー

VCB の高電圧化には，真空バルブ内部と，外部の絶縁性ド側で電極中央に集中しているのに対し，自発拡散電極で能の向上が必要である．まず，真空バルブ内部の真空中の９Journal of Plasma and Fusion Research Vol.81, No.1 January 2005

製品に適用されている．

絶縁技術について，次に真空バルブ外部の絶縁技術につい固体絶縁と気中絶縁を複合した絶縁方法の基礎研究の一て述べる．
真空バルブ内部で絶縁性能が要求される箇所は，電極例を紹介する［１９］．金属電極の先端をエポキシでモールド間，シールド−電極・通電軸間などの真空ギャップ，絶縁し，空気中で電極間にギャップを設けた Fig. 18 のような装物製の容器表面である．これらのうち，真空ギャップにつ置で，絶縁特性を調べた．絶縁破壊時の 放 電 の 写 真 をいての絶縁破壊について紹介する．真空中の絶縁破壊でFig. 19 に示す．金属電極，絶縁物沿面，気中ギャップ，絶は，絶縁破壊を繰り返していくと破壊電圧が上昇するコン

縁物，金属電極の経路で放電が生じている．金属電極先端

ディショニング効果という特徴的な現象が知られているのエポキシモールドの効果を調べるため，電極間のギャッ［１７，１８］．真空バルブの製造工程において，この効果を利用プと絶縁破壊電圧，部分放電発生開始電圧の関係を Fig. 20した処理が用いられている．絶縁破壊を繰り返すことによに示す．エポキシモールドを設けると絶縁破壊電圧と部分り，電極表面の一部が溶融し，吸着ガスや付着物が除去さ放電開始電圧の両方が向上することがわかる．このことれ，表面が清浄化される．さらに，溶融されることにより，は，固体絶縁と気中絶縁を複合することにより，絶縁性能微小突起が除去され表面が平滑化され，電界放射による電が向上することを示している．

子放出が抑制される．表面加工方法が異なる電極での絶縁固体絶縁と複合絶縁を適用した固体絶縁スイッチギヤ

破壊の回数と破壊電圧の関係を Fig. 16 に示す．加工方法に（Solid Insulated Switchgear: SIS）の断面図を Fig. 21 に示すより表面粗さが異なっており，複合電界研磨の方が機械加［１９，２０］．SIS は，絶縁媒体として SF６ガスを全く使用して工より表面が滑らかである．表面が滑らかな方が，コンいない．SF６ガスを用いている C-GIS と比較して，重量半ディショニングが早く完了することがわかる．

減，体積４０％縮小を達成した．VCB，真空断路器（Vacuum高電圧真空バルブの小型化の一例として 84 kV 用真空バ

Disconnect Switch: VDS）や導体をエポキシで絶縁し，表面ルブの変遷を Fig. 17 に示す．真空中の絶縁技術，大電流遮を接地電位としている．VCB と VDS の真空バルブとこれ断技術の向上により，真空バルブの小型化が進んだ．

らを開閉する操作機構の接続部分に固体絶縁と気中絶縁の

次に真空バルブ外部の絶縁について紹介する．SF６ガス

複合絶縁が適用されている．SF６ガスは地球温暖化係数がは温暖化効果が高いことから，他の絶縁方法が検討されている．その一つとして，固体絶縁技術，固体絶縁と気中絶縁を組み合わせた絶縁技術の研究開発が進められ，すでにFig. 18

Fig. 16

Fig. 17

Fig. 19

Discharge channel of molded electrode (gap length L = 30mm).

Fig. 20

Relationship between partial discharge inception voltage,dielectric breakdown voltage and gap length.

Conditioning effect for breakdown voltage.

Size reduction history of vacuum interrupter for 84kV−31.5kA.

１０

Composite Insulation configuration.

CommentaryDevelopment of High Interruption Capability Vacuum Circuit BreakerY. Niwa and E. Kaneko参考文献

Fig. 21［１］A. Greenwood, "Vacuum switchgear", IEE Power Series
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Inner configuration of 24 kV solid insulated switchgear.

炭酸ガスの 23,900 倍と高いことから，１９９７年に開催された地球温暖化防止会議（COP３）にいおいて，排出規制ガスに指定された．SISは脱SF６ガスに成功したスイッチギヤの一つである．

(1989).
［１６］T. Senda et al., IEEE PES Summer Meeting 83, SM5014 (1983).
［１７］T. Shioiri et al., 8th ISH (1993) p.473.
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［１９］J. Sato et al., IEEE PES T&D Conference 2002, Yoko-６．まとめ
VCB は，真空アークの磁界による制御技術や絶縁技術の研究開発により，大容量化，高電圧化が進み，さらに適用範囲が広がっている．また，外部回路により強制的に電流hama, Japan (2002) p.1791.
［２０］J. Sato et al., IEEJ ED-03-170 (2003).

を零とすることにより交流電流や直流電流を事故発生から短時間で遮断する新しいVCBの普及も進んでいる．真空は環境負荷の少ない媒体として期待されているが，適用範囲の拡大には真空中の放電現象の解明が重要である．

よしみつ

１９６８年８月１９日生．１
９９４年３月東京工業大学大学院修士課程修了，同年４月株式会社
東芝入社，現在に至る．電力・社会システ
ム技術開発センター，電機応用システム開発部に所属．真空放電，真空遮断器の研究開発に従事．電気学会会員．

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丹 羽 芳 充!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
かねこえいじ金 子 英 治
１９５２年９月１６日生．１
９７７年４月名古屋大学
大学院博士課程前期課程修了．同年４月東京芝浦電気株式会社（現株式会社東芝）入社，真空放電，真空遮断器の研究開発に従事．２００
２年４月琉球大学工学部助教授，現在に至る．電磁エネルギー工学講座に所属，電気エネルギーシステムの総合的な研究，教育に従事．放電学会，電気設備学会，応用物理学会，IEEE 会員．工学博士．

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