MVAからkA/kVへ：ブレーカー定格が変わった理由

遮断器定格 ― 遮断容量、投入容量、電圧・電流定格、デューティサイクル、短時間耐量

500MVAや1000MVAの遮断器という話を聞いたことがあるかもしれませんが、これらの定格は最近のモデルには表示されません。かつてのロジックであり、現在は変更されています。基本概念を整理し、ルールがどう変わったかを解説します。実は、遮断器の遮断容量（遮断電流ではない）が、以前のMVA表記からkA表記に変更されたのです。

詳細に入る前に、遮断器が何をする装置で、どんな定格があるかを確認しましょう。

遮断器は、スイッチング機構とシステム保護のための制御・保護装置で、以下の機能を持ちます：

• 正常時・故障時に手動または自動で回路を開閉する。
• 故障時に自動で回路を開き、短絡電流・過電流の流れる経路を遮断する。
• 直列接続された他の遮断器が接続回路の故障を除去している間、故障電流を非常に短時間流し続ける。

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上記3つの役割に基づき、遮断器には以下の6つの定格があります：

• 遮断容量
• 投入容量
• 遮断器のデューティサイクル（定格動作順序）
• 電圧定格
• 短時間耐量
• 定格電流（正常電流定格）

遮断容量（旧MVA、現kA）

遮断容量とは、定格回復電圧において、遮断器が閉じた接点を開いて耐えられる、または遮断できる最大故障・短絡電流（実効値）のこと。遮断器本体と接続機器を損傷させずに遮断できる値です。

遮断容量は、故障時のリップルや直流成分による対称・非対称要因があるため、実効値（RMS）で表されます。

かつて遮断容量は、遮断器の定格遮断電流と定格動作電圧を考慮してMVAで表されていました。計算式は以下の通り：

遮断容量 ＝ √3 × V × I × 10⁻⁶ … MVA

または

遮断容量 ＝ √3 × 定格線電圧 × 定格線電流 × 10⁻⁶ … MVA

例：

遮断容量100MVA、定格電圧11kVの遮断器の遮断電流は？

解答：

遮断電流 ＝ 100 × 10⁻⁶ / (√3 × 11kV) ＝ 52.48 kA

なぜ遮断容量をMVAではなくkAで表すのか？

短絡故障時には電圧が非常に低く、電流が最大になります。遮断器が接点を開いて故障電流を遮断するとき、定格電圧が遮断器接点間に現れます。つまり、故障電流中には同じ定格値が継続して現れるわけではありません。そのため、遮断容量をMVAで表すのは不合理です。

この理由から、メーカーは改訂された国際規格に従い、遮断容量をMVAではなく、定格電圧における対称遮断電流のkA値で表すようになりました。遮断器の遮断容量定格（アンペアまたはkA）は、遮断電流と過渡回復電圧（TRV）を伴って示され、短絡故障時には対称・非対称の両方があり得ます。

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投入容量

遮断器の投入容量とは、遮断器接点が閉じた後の故障電流波形の最初のサイクルにおける、短期的なリップル要因と直流成分を含む電流のピーク値です。

遮断器投入容量はkAで表されますが、遮断容量が実効値（RMS）であるのに対し、ピーク値で表されます。これは、故障電流投入時に電磁力やアークの発生・消弧を処理し、遮断器と回路を損傷させずに接点を閉じる可能性に関わるためです。

これらの有害な力は、閉路時の電流最大瞬時値の2乗に比例します。これが投入容量がピーク値で、遮断容量が実効値で表される理由です。

短絡電流の値は、遮断器に接続された相での最大非対称性の場合、最初の位相・波で最大になります。簡単に言えば、投入電流は非対称電流の最大値に等しく、遮断器投入容量は常に遮断器遮断容量より大きいです。

定格短絡投入電流は、理論上故障電流が初期段階で対称故障レベルの2倍まで上昇し得ることから、定格遮断電流のAC成分実効値の2.5倍とされます。

遮断器投入容量の計算式：

対称遮断電流を実効値からピーク値に変換：

遮断器投入容量 ＝ 対称遮断電流 × √2

最大非対称性の倍加効果（第1四半期サイクルでのわずかな電流低下を考慮）を含めるため、上式に1.8を乗じます：

遮断器投入容量 ＝ √2 × 1.8 × 対称遮断電流 ＝ 2.55 × 対称遮断電流

遮断器投入容量 ＝ 2.55 × 対称遮断電流

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遮断器のデューティサイクル（定格動作順序）

遮断器スイッチング機構の機械的デューティ要件を示します。

デューティサイクルまたは定格動作順序は以下で表されます：

O ― t ― CO ― t' ― CO

各記号の意味：

• O ＝ 遮断器の開放動作
• t ＝ 最初の自動再投入デューティで0.3秒（未指定時）
• t' ＝ 2動作間の時間（初期状態復帰とCB接点の不適切な加熱防止）
• CO ＝ タイムラグなしで開放動作直後に閉路動作

定格電圧

遮断器が損傷なく動作できる安全な最大電圧限界を定格電圧といいます。

遮断器の定格電圧は、構造に使用される絶縁厚と絶縁材料に依存します。無負荷時や負荷急変時の電圧上昇により、システム最高電圧に関連します。これにより、システム電圧上昇を最高定格容量まで対応できます。例えば、40kVシステムでは定格システム電圧の10%、400kVシステムでは5%上昇まで耐えられる必要があります。したがって、6.6kV線路用遮断器は約7.2kV定格、といった具合に対応する最高システム電圧に合わせて定格されます。

一方で、400V AC定格遮断器を1000V以上で動作させることはできませんが、1000V AC定格遮断器なら400Vシステム電圧で使用可能です。定格電圧レベルで使用すれば、接点で発生するアークを消弧できます。定格より高い電圧で使用すると、過渡回復電圧（TRV）がアーク消弧媒質の誘電強度を超え、アークが消えず遮断器や絶縁の損傷につながります。

一般に、遮断器定格電圧は電力システムの母線・負荷定格より高く設定されます。電圧レベルにより、主に低圧遮断器と高圧遮断器の2種類があり、特徴は以下の通り：

• 低圧遮断器：1kV AC、1.2kV DCまで使用可能。高圧遮断器はこれを超える。
• 高圧遮断器：高圧システムの屋内・屋外制御で使用。低圧遮断器は屋内用途。
• 低圧遮断器は、相間・対地クリアランスが小さいため、高圧遮断器より複雑で頻繁に動作。試験方法も電圧レベルごとに異なる。

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上記電圧定格以外に、遮断器の電圧レベル検討時に考慮される2つの追加電圧定格があります：

1. インパルス電圧定格
2. 工頻耐電圧定格

遮断器のインパルス電圧定格は、落雷や開閉サージによる過渡インパルスを処理する能力を示します。インパルス・過渡電圧定格の持続時間はマイクロ秒オーダー。そのため、接点の絶縁設計は非常に短時間の過渡ピーク電圧に耐えられるようになっています。

遮断器の工頻耐電圧定格は、最高システム電圧より遥かに高い突然の電圧上昇を管理する能力を示します。負荷の急変や大容量負荷の一括切り離しが原因です。この工頻過電圧は一般に60秒程度の短時間ですが、遮断器はこれを確実に処理できなければなりません。

以下のチャートは、遮断器の様々な電圧定格レベル（公称システム電圧、最高システム電圧、工頻耐電圧、インパルス電圧レベル）を示しています。

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短時間耐量

遮断器の短時間耐量とは、遮断器が閉路状態で故障電流を流し続けられる指定された短い期間です。

非常に短時間の故障電流や負荷の急変・減少による不要動作を防ぐため、故障が自動的に消滅すれば遮断器はトリップせず、電磁力と温度上昇に耐えます。指定時間（秒またはミリ秒）を超えると、接点を開いて接続負荷・機器を最大限保護します。

B、C、Dクラスやクラス1、2、3と関連曲線が使用されます。クラス3が最良で、IS 60898準拠で最大1.5Lジュール/秒を許容。例えば油遮断器は3秒の時間耐量があり、短絡電流を流し続ける時間は正確に3秒を超えてはなりません。定格短時間電流耐量は遮断器の定格遮断容量と等しくなければなりません。したがって、感度の高い機器を考慮する際は、遮断器の時間耐量定格に注意が必要です。

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定格電流（正常電流定格）

遮断器の定格電流とは、定格電圧・周波数で連続して流せる電流の実効値であり、正常動作時の温度上昇によって動作が変化しない値です。

定格電流は回路の定格電流の125%であるべきです。例：負荷電流24Aの場合、遮断器定格は：

= 24A × 125%

= 24A × 1.25

遮断器電流サイズ ＝ 30A

別の見方：遮断器電流定格を0.8で割って負荷電流を求めることもできます。例：25A遮断器は20A照明負荷に使用可能。

負荷電流 ＝ 遮断器電流定格 × 0.8

負荷電流 ＝ 25A × 0.8 ＝ 20A