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電気設備で使われている真空遮断器について質問です。
真空って完全な絶縁体なんでしょうか?
もし、完全な絶縁体とし、完全な絶縁体は電流を流さない?(自由電子が移動できない?)とすれば、真空遮断器で負荷電流を遮断すると、接点でアーク放電は生じないのでしょうか?(現実は、消弧が必要と思いますが?)
そもそも、アークが生じる条件は?何でしょうか?自分なりには、
1)接点を切り離した瞬間の接点間の距離と接点間の電位差が接点間の絶縁物の耐電圧を越えることにより絶縁破壊が生じ電流が流れる?
2)急激な電流値の変化によりdi/dtにより異常電圧が生じ1)の現象が生じやすくなる。
以外に思いつきません?
どなたか、詳しく教えていただけないでしょうか?
宜しくお願いします。

A 回答 (3件)

 


 
>> 真空って完全な絶縁体なんでしょうか? 完全な絶縁体は電流を流さない?(自由電子が移動できない?) <<

 真空には自由電子はありません、その通りです。 だがしかし、電界はよく通すでしょ?これをお忘れなく。(磁界もよく通ります。この意味で絶縁体(何も通さない)では無いんです。)
 電界を通すから、空間にイオンや電子があれば 引っ張られます。(真空管やブラウン管がそうですね。)



>> 真空遮断器で電流を遮断すると 接点アークは生じないのでしょうか? <<

 接点が開く瞬間に、金属が蒸発してイオンと電子が湧き出し、それが種になって太いアークに成長します。 種ができるメカニズムは;
 接点が離れ始める→接触面積が減る→凸部に電流が集中→発熱→沸点を超えて蒸発→高温ゆえ電離イオン化→これが種、です。
 もし接点が蒸発せずに離れても→直後は空隙が狭い→電界=電圧/距離が強大→金属内の自由電子が引かれる→母体の正イオン力より強いと→電子が空間に出る→これが種、です。
前者が圧倒的ですね。



>> 自分なりには、1)接点を切り離した瞬間の接点間の距離と接点間の電位差が 接点間の絶縁物の耐電圧を越えることによ <<

 「接点間の絶縁物の耐電圧を越える」ではなく、接点金属中の電子を強制引き抜ける電界になったところで、です。 (真空は電界をスカスカ通してます、全然耐えてません。)



>> り絶縁破壊が生じ電流が流れる? <<

 その通り、一種の絶縁破壊です。いわゆる「真空の耐圧」という現象ですね。その実体は 真空ではなく 金属が負けて電子を手放すことなんですね。 詳しくは金属の種類や形状によるんでしょうが数十kV/mmと言われてます。
( なお、溶けなくとも、高温なら電子の動きが激しく、引っ張る電界が無くとも自発的に飛び出て雲のようにたむろします。材質による差が大きいです。)



>> 2)急激な電流値の変化によりdi/dtにより異常電圧が生じ <<

 アーク無しで切れた場合の誘起電圧ですね、そのとおり、上記の電子強制引き抜きを増強する方向に生じます。



 あと、接点が遠退いてもアークが維持される理由は、電子やイオンが相手側の電極に激突して熱を補給し高温が維持され、新たな電子やイオンが出てくるからです。激突で直接弾き出されるものもあります。 ぶつかる勢いが激しいと;ぶつかった数より多く出て アークは加速度的に太ります。 いっぽう勢いが弱くてぶつかった数より少ない場合は;やはり加速度的に細くなって一瞬で消えます。
ぶつかる勢いのもとは 電極間の電位差による加速です。
 
 
(空気の絶縁破壊も同じメカニズム。種は汚いイオンなどです。清浄な空気1気圧で3kV/mmとよく言われます。これも形状次第なんでしょうが。 分子がスカスカなほど互いにぶつからず長距離加速されるので、上記の 数の増倍 が起きやすく 気圧が低いほど放電しやすいです。真空遮断器が半端な真空度ではいけない理由です。)
 
 
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 定格電圧7.2KVのVCBの場合、開路状態では、固定接触子と可動接触子の空隙は10mm位あります。

アークが完全に消えた状態での真空の絶縁耐圧は AC30kV/mm 程度だそうですから、10mmの空隙は充分な絶縁間隔を持っています。

 上記VCBの接触子は直径30~50mm程度の円盤状ですが、閉路状態でも全面で接触している訳では無く、ほんの数mm径の部分で導通しています。真空中なので酸化膜もできず、ほとんど裸の金属面同士の接触です。ここに流れる負荷電流を遮断するとき、接触面が離れる瞬間に接触部の金属が蒸発し、金属蒸気アークを発生します。このアーク電圧はかなり低いので、電流のゼロ点が来るまでアークが継続します。電流ゼロ点でアークが消えると、金属蒸気は数μ秒のオーダーで真空中に拡散し、遮断が完了します。

 アークが生じる条件と言うと、やはりインダクタンス負荷により、接点間に高電圧が印可されることでしょう。例えばAC100V回路のリレーコイルの電流を遮断すれば、1000V以上の異常電圧が発生し、接点間に小さなアークが発生するというのは、よくある話です。しかし、6.6kV回路に使用するVCBとなると、遮断時の電流変化で接点間に1000Vが印可されてアークが発生しても、6600Vから見れば少しも異常電圧とは言えないでしょう。VCBは送電線や変圧器のように比較的大きなインダクタンスを負荷にしますから、ちょうど電流がゼロの時に遮断する場合は例外として、その他の場合は当然のようにアークが発生すると思います。
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(電極がある場合の)アーク放電の場合には、電極が放電による電流で局所的に加熱されて温度上昇し熱電子(や陽極材料由来のイオンもかな)が放出され、これが放電維持に重要な役割をもっています。



で、真空中だと電極周辺に気体がありませんが、上記の電極加熱によって電流を担うキャリアが供給されます。
これが「真空アーク」 と呼ばれる状態です。
真空アークの場合には、「電極の加熱(と陽極でのスパッタもかな?)」がキーになりますので、放電を維持するにはある程度以上の電流が必要です。(電流がある値を切ると、スパッと放電が切れます)

他にも、高電界中での電子の電界放出もあり、これが放電の起点になったりします。

このように、真空中でも電極に起因する放電がおきます。
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こんにちわ!
いつも質問ばかりしていては、皆さんに申し訳ないので、微力ながら知っている範囲でお答えします。
ご参考にして頂ければ幸いです。

定格電流は、その遮断器に連続的に電流が流れ続けた時の動作の限界値を表していると思います。
限界値である定格電流値になった場合の動作は、日本の規格(JISなど)では、不動作の状態を維持する最大値を表しています。
しかし、諸外国では、動作する値を表す場合も多いようです。(例えば、アメリカ製など)
具体的に言うと、日本製の225AF/225ATの遮断器に225Aの電流を流したとしても遮断器はOFF動作しません。
しかし、アメリカ製の250AF/225AT(フレームという概念についての説明は、割愛します)の遮断器に225Aの電流を流すと遮断器はOFF動作を起こします。
これは、規格の考え方の違いでどちらが正しいとかという問題ではありません。しかし、一つの電気設備で、複数の規格を採用しなければならない場合などは、保護協調上注意を要する点であります。
この定格電流値以下で遮断器を利用している限り、遮断器の開閉操作を行ったとしてもメーカーが保証する回数まで(一般に数千回~数十万回)は、操作が可能である値という意味もあります。

一方、遮断容量は、その遮断器が、流れている電流を遮断できる最大の容量を表していると思います。
一般的に電気的な容量とは、電圧×電流×時間で表されます。これは、エネルギーの容量を表し、遮断容量の場合も同じです。よって、容量であるにも関わらず電流値であると捉えらえることは間違いだと思います。
しかし、現実には、遮断容量が、電流値で表されていることが多いのも事実です。
その理由は、日本の(多分全世界でそうだと思いますが?)電源事情が、定電圧送電方式となっているからです。即ち、電圧の項は、定数として扱えるため、変数となる電流値で表せば事実上問題がないのと、実用上合理的となるからだと思います。
実際の遮断器に書かれている、遮断容量の記載を見ると判るのですが、使う電圧によって遮断できる電流値が変わります。これは、遮断容量が変わるのではなく、遮断容量は同じであるため、遮断できる電流値が変わることを意味しています。
同じ型の遮断器を異なる電圧で使用する場合など勘違いし易いので、注意が必要です。また、動作時間が変更できる機能がある場合も遮断できる電流値は変わってきますので注意のほど。
電流を遮断すると言うことは、アーク電流によるエネルギー放出(一般的に、熱、音、光の形で放出される)を、遮断器構部分で絶えうる必要があります。
定格以上の容量を遮断しようとすると熱により接点が溶着したり、溶断してしまうことがあるようです。

最後に、遮断容量の大きいものの方が良いのかどうかと言う点については、必要な遮断容量が確保されていらば、最小値でかまわないと思います。
皆さんもご指摘している通り、遮断容量が大きくなると、値段、寸法、納期(受注生産品になったり)が大きく(高く、長く)なります。
必要な容量とは、その回路に流れる最大の電流値(容量を電流値で表した場合)で決まります。一般的に、最大電流値となるのは、短絡時となります。
ただし、エネルギーの供給源は、電源だけとは、限りません。例えば、三相誘導電動機が接続されていると電動機の運動エネルギーがエネルギー供給源となり数サイクルの間電源となりますので注意が必要です。
さらに、定格電流を超える電流値を、遮断した場合は、メーカーの保証動作回数までの動作が保証されるわけではありません。
短絡電流の遮断については、動作特性をよく調べて使用してください。経済性を無視すれば、一度短絡電流を遮断した遮断器は、交換すべきだという人もいます。

以上、だらだらと述べましたが、少しでも参考になればと思います。

こんにちわ!
いつも質問ばかりしていては、皆さんに申し訳ないので、微力ながら知っている範囲でお答えします。
ご参考にして頂ければ幸いです。

定格電流は、その遮断器に連続的に電流が流れ続けた時の動作の限界値を表していると思います。
限界値である定格電流値になった場合の動作は、日本の規格(JISなど)では、不動作の状態を維持する最大値を表しています。
しかし、諸外国では、動作する値を表す場合も多いようです。(例えば、アメリカ製など)
具体的に言うと、日本製の225AF/225ATの遮断器に...続きを読む

Qしゃ断器VCB、ACBのしゃ断原理、構造について教えて下さい

原子力発電全般について勉強しています。
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しゃ断の原理・構造や、使い分けの条件について教えて下さい。
構造について書かれている図書やWEBがありましたら併せてご教示願います。

Aベストアンサー

高圧・低圧の種類は「電気設備技術基準」の第二条で次のように決められています。

(電圧の種別等)
第二条 電圧は、次の区分により低圧、高圧及び特別高圧の三種とする。
一  低圧 直流にあっては七百五十ボルト以下、交流にあっては六百ボルト以下のもの
二  高圧 直流にあっては七百五十ボルトを、交流にあっては六百ボルトを超え、七千ボルト以下のもの
三  特別高圧 七千ボルトを超えるもの

真空遮断器の一般的な構造はURLを参照してください。
http://www.tepco.co.jp/kanagawa/setsubi/letter/letter22.pdf#search='%E7%9C%9F%E7%A9%BA%E9%81%AE%E6%96%AD%E5%99%A8%20%E9%9B%BB%E6%A5%B5%E6%A7%8B%E9%80%A0'
● 真空容器の一部にベローズを使って可動電極を動かし 遮断します。
● 電極構造は 遮断すべき電流によって変わります。
気中遮断器の概念図は見つけられませんでした。
大気中で可動電極を動かしますので その移動距離(ストローク)は
真空遮断器に比べてはるかに大きくとらないといけません。

高圧・低圧の種類は「電気設備技術基準」の第二条で次のように決められています。

(電圧の種別等)
第二条 電圧は、次の区分により低圧、高圧及び特別高圧の三種とする。
一  低圧 直流にあっては七百五十ボルト以下、交流にあっては六百ボルト以下のもの
二  高圧 直流にあっては七百五十ボルトを、交流にあっては六百ボルトを超え、七千ボルト以下のもの
三  特別高圧 七千ボルトを超えるもの

真空遮断器の一般的な構造はURLを参照してください。
http://www.tepco.co.jp/kanagawa/set...続きを読む

Q三相電力のUVWとRSTの違いについて

三相電力にはU相V相W相がありますよね?これはR相S相T相とどこが
違うのですか?
また、各相は発電したときから決まっているのですか?
素人の考えですが相というのは単に波形の順番に過ぎないと思いますのでどのケーブルが何相であってもかまわないような気がするのですが。
どなたか教えてください。よろしくお願いします。

Aベストアンサー

もともとは、RST、UVWに意味は無かったはずです。

有効電力がPowerから、P となった後
単にアルファベット順から、Qが無効電力、 Rは抵抗なので飛ばして
Sが皮相電力を表すようになったと記憶してます。
・・・P、Q、(R)、S、T、U、V、W、X、Y、Z

相の呼称に関しても、アルファベットの終わりより3つ1組として
 XYZ、UVW、RST が利用されるようになったと記憶してます。
XYZは何かと登場するため、利用は避けられているようですが
既にご回答されているUVWやRSTに対する意味づけは、後付けルールみたいなものだと思います。
1次側は大文字、2次側は小文字と区別しているケースも見かけます。

Q低電圧での絶縁破壊について

空気の絶縁破壊は一般に1mmで3kvと言われていますが、
2mm離した(鋭利でないただの鉄板と仮定)電極をわずか500v程度で強制的に絶縁破壊を起こさせたいのですが、強制的に絶縁破壊を起こさせる方法はあるでしょうか?

Aベストアンサー

気体の絶縁破壊電圧(火花電圧)は一般にパッシェン(Paschen)の法則に従います。
平行平板電極などの平等電界条件におけるパッシェン曲線は高電圧工学の教科書等によく掲載されています。
具体的には、絶縁破壊電圧は、気圧pと電極間距離dの積(pd)の関数となります。
空気の場合、大気圧=10^5 Pa×0.1 cm = 10^4 Pa・cmの絶縁破壊電圧は約3 kVとなります。
この状態からpdを減少させていく(電極間距離dが一定の場合は気圧pを下げる)と、絶縁破壊電圧は減少(両対数グラフに描くとほぼ直線的に減少)します。そして空気の絶縁破壊電圧の極小値は約300 Vで、このときのpd値は約10^2 Pa・cmです。
なお、それ以上にpdを下げると逆に絶縁破壊電圧は急上昇します。
問題の電極間距離d=2 mmの平板電極の場合、上記絶縁破壊電圧の極小を与える気圧pは約500 Pa (=100/0.2)です。
500 V程度で絶縁破壊を起こすならもう少し気圧を高くしてもOKです。

ということで、低電圧で絶縁破壊を起こすには、まず気圧を下げる方法があります。
なお、これは気体を空気に限定した場合のことで、特定の気体を封入すると著しく絶縁破壊電圧が減少します。

詳しくは、絶縁破壊が起こるには気体中の原子・分子が何らかのエネルギーにより電離され、得られた自由電子が外部電界により加速し、別の原子・分子に衝突して二次電子放出を起こし、累積的に自由電子数が増大する(電子雪崩を起こす)必要があります。
この「何らかのエネルギー」とは、一般には宇宙から降り注いでいる放射線などです。
この状態でさらに外部から強制的に光を照射するなどすると、さらに気体原子・分子の光電離により自由電子数が増大し、絶縁破壊が生じやすくなります。
また先ほど言いかけた話ですが、ペニング(Penning)効果などがあります。
これは、例えばNe中にArを0.1%混合すると、放電開始電圧は約1/4に減少するといった現象です。
これは準安定準位を持った原子・分子による寄与です。

ということで、結論としては絶縁破壊電圧を下げる方法は次のようになります。
(1) 気圧を特定値まで下げる。
(2) 光照射などの外部刺激を与える。
(3) 混合気体などの気体効果を考える。

ちなみに、針電極などの不平等電界下では絶縁破壊電圧は著しく減少します。

気体の絶縁破壊電圧(火花電圧)は一般にパッシェン(Paschen)の法則に従います。
平行平板電極などの平等電界条件におけるパッシェン曲線は高電圧工学の教科書等によく掲載されています。
具体的には、絶縁破壊電圧は、気圧pと電極間距離dの積(pd)の関数となります。
空気の場合、大気圧=10^5 Pa×0.1 cm = 10^4 Pa・cmの絶縁破壊電圧は約3 kVとなります。
この状態からpdを減少させていく(電極間距離dが一定の場合は気圧pを下げる)と、絶縁破壊電圧は減少(両対数グラフに描くとほぼ直線的に減少)します。そして空気...続きを読む

Q直流負荷による接点溶着について

直流バルブをオムロン製リレー:LY2Nで動作させているのですが、接点が溶着し故障する事が多発しています。
OFFする際に接点間でアークが飛ぶ事が多いので、それが原因かと思われます。
その対策として、1個のリレーの中の接点を直列に配線すると分圧され効果があると聞きましたが、その理由がわかりません。
接点を並列に配線して分流させても効果がありそうな気もするのですが・・・
アークに対しては電圧を下げる方が効果があるのか、電流を下げる方が効果があるのか、それも知らないからですが。

直流負荷による接点溶着を削減するには、実際どうするのが良いのでしょうか?
もし参考サイトをご存知であれば、それも教えていただけると助かります。

Aベストアンサー

通常は電磁接触器(==電磁開閉器、コンタクタ)を使用します。
例えば次を参照下さい。
http://www.fujielectric.co.jp/fcs/pdf/catalog/CDDC11a_A11.pdf

#1,#2で挙げられている例は自動車用特殊品や手動操作用等で、質問されている用途には適していないようてす。

先ず余っている接点がある場合、直列に使用してください。各接点のスパーク電圧が1/2(1/3)近くになり各接点の分担アークエネルギーが少なくなり融着が少なくなる筈です。
これで解決出来れば一番簡単です。

並列接続では早く離れた接点は電流無しの状態となり、一番遅く離れた接点が全ての電流を受持ちアークを発生し、結局一個の接点のみの場合と変らないのではないかと思われます。

#2に挙げられているスパークキラーは確かに解決策の一つです。
http://www.okayaelec.co.jp/product/noise/index3.html
しかしここでのコイルサージ吸収用は電磁接触器コイル用で適していません。
主回路サージ吸収用もC,Rの値が直流バルブに対応しているとは言えないようです。

実は次のLY2-D:ダイオード内蔵形に取り替えれば良いのかなとも思ったのですが、此処でのダイオードもLY2-Dリレー本体のコイルと並列に入れられており、コイルのトランジスタ駆動時の切断時サージ発生を防ぐ為のもののようで、直流バルブ対応ではありまぜん。
http://www.fa.omron.co.jp/data_pdf/cat/ly_ds_j_3_6.pdf

直流バルブと並列にダイオードを接続し、回路切断時にコイル電流がダイオードに流れるようするのが簡単ではないかと思われます。
但し他の配線他からの誘導電圧、回りこみ電圧等の対策としてダイオードと並列にペーパーコンデンサを取り付けたりする必要があるのではと思われます)

簡単にダイオード等が取り付けられれば良いのですが、そうでない場合は電磁接触器を追加するのが確実です。

不明な点が有る場合、直流バルブの定格電圧電流、或いはメーカー形名等と共に問題点をお知らせ下さい。

通常は電磁接触器(==電磁開閉器、コンタクタ)を使用します。
例えば次を参照下さい。
http://www.fujielectric.co.jp/fcs/pdf/catalog/CDDC11a_A11.pdf

#1,#2で挙げられている例は自動車用特殊品や手動操作用等で、質問されている用途には適していないようてす。

先ず余っている接点がある場合、直列に使用してください。各接点のスパーク電圧が1/2(1/3)近くになり各接点の分担アークエネルギーが少なくなり融着が少なくなる筈です。
これで解決出来れば一番簡単です。

並列接続では早く離れた接点は電流無しの...続きを読む

Q静電容量って何ですか?

各電線メーカーの電線便覧等にKm当たりの静電容量が記載されておりますが、静電容量とはどういう原理で存在するのでしょうか?
ケーブルの静電容量は、ケーブルが長くほど、太いほど多いとされていますが、どうしてなのでしょうか?

Aベストアンサー

>>5で回答した者です。
>>2補足欄については>>7の方が触れていますが、そもそもケーブルにはシースアース(接地のシールド層)がある
ため、懸架位置は影響しません。導体とシースアースの位置関係、絶縁体の特性によってKm当たりの静電容量を
掲載されているということです。
裸線であれば、絶縁体である空気がコンデンサの誘電体にあたりますから、懸架位置によって静電容量が変動します。
そのため電線メーカーの電線便覧にはKm当たりの静電容量は掲載されていないと思います。

電極間の距離(絶縁体=誘電体の厚さ)を>>5の例で考えれば、「水槽の深さ」が妥当かと思います。
 ・厚さ(深さ)を薄くすると容量(体積)が減る
 ・電圧(水圧)を上げて耐用値を超えると絶縁破壊(水槽が破壊)
   ※この場合の水槽は上面開放でなく密閉構造で想像していただいた方が分かり易いです。

Qアーク放電に必要な電圧は?

アーク放電について調べています
他の記述では「高い電圧」「条件によって変わる」という記述で具体的な数字や算出の仕方が書かれていませんでした

電極間隔が200μmを予定しているので、絶縁破壊をする600Vの定電圧源に電極をつなげばできるのではないかと考えています
算出方法など知っている方、経験上知っている方などいましたらご教授願います

Aベストアンサー

アーク放電ならば 数Vでも可能です

例えば 自動車のバッテリを電源にアーク熔接できます

放電電極が 空気中ならば 絶縁耐力は 1000V/mm 程度ですから 0.2mmのギャップならば 数百Vで放電します(電極の形状によっても異なる、針状電極が 放電し易い)


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