ノズル空間内における各種ガス吹付けアーク減衰過程の電磁熱流体解析および実験的検討

摘要

遮断器では，大電流遮断時に電極間に高い導電性を持つアークプラズマが発生する。SF_6ガス遮断器(GCB)では，発生したアークプラズマにSF_6ガスを高速で吹付けることでアークを素早く冷却させ，消弧している。SF_6は不活性であり，約500度まで安定している絶縁性ガスである。加えて，空気の100倍という極めて高いアーク消弧性能および高い絶縁性能を有しており，その応用機器としてGCB,ガス絶縁変圧器(GIT),ガス絶縁開閉装置(GIS)等が挙げられる。一方で，SF_6はCO_2の約22800倍と極めて高い地球温暖化係数(GWP)を持つ温室効果ガスである。1997年京都で開催された気候変動枠組条約第3回締約国会議(COP3)において，排出削減対象ガスの一つに指定された。そのため，SF_6使用量の削減が急務となっている。SF_6使用量の削減を実現するためには，代替ガスの使用や遮断器の小型化に向けた試みがなされてきた。しかしながら，候補ガスである高気圧CO_2,N_2)CF_3I単体やその混合ガスでは現在のところ十分な遮断性能が得られておらず，より優れた消弧ガスの探索が必要となっている。後者においても，現在ではSF_6を使用した遮断方式はすでに確立されつつある。さらなる高性能化のためには，ブレークスルーが必要となっているのが現状である。そのため，これらの実現には，アーク遮断現象のメカニズムを詳細に把握することが極めて重要である。しかし，SF_6ガスアーク遮断現象は，非常に複雑な現象である。μsオーダの高速現象であり，乱流，放射·吸収，非平衡性，電離·解離等の反応，電極·ノズル材料のアブレーションや電極からの電子放出等の影響もあり，遮断現象は十分に解明されていない。アーク遮断現象のメカニズムの解明には精度良い数値解析と非常に詳細な実験の両面による検討が極めて重要である。