トランスファースイッチの動作を理解する

Jul 01, 2023

学習目標：

商用電源が遮断された場合、多くの施設では電力システムの障害は避けられません。 待機電源システムには、正しく設計する必要がある転送スイッチなど、多くのコンポーネントがあります。 電源遷移中、適切なシステム動作を保証するには、転送スイッチのタイミングとシーケンスが重要です。 コンサルティング エンジニアは、転送スイッチのタイプ、タイミング要件、定格、およびバックアップ電源への転送に転送スイッチが使用されるスタンバイ システムの種類を理解する必要があります。 この記事の基礎は、特に断りのない限り、NFPA 70-2014: National Electrical Code (NEC) です。

トランスファースイッチの基本操作

転送スイッチは、一次電源の中断、メンテナンス、または障害が発生した場合に、電力を一次電源から二次電源に切り替える役割を果たします。 最も一般的な主なソースはユーティリティ サービスで構成されます。 二次電源は通常、バックアップまたは非常用電源で構成されます。 通常、一連の操作は次のように行われます。

スタンバイシステムの種類

スタンバイ システムの種類には、緊急システム、法的に必要なスタンバイ システム、オプションのスタンバイ システム、重要運用電源システム (COPS)、医療施設をサポートするシステムなどがあります (図 1 を参照)。

緊急システム (NEC 第 700 条): 緊急システムは、NFPA によって「通常の供給に障害が発生した場合、または要素に事故が発生した場合に、指定されたエリアおよび機器に照明、電力、またはその両方を自動的に供給することを目的としている」と定義されています。人命の安全に不可欠な電力と照明を供給、分配、制御することを目的としたシステムです。」 これらのシステムには、火災検知および警報システム、エレベーター、消火ポンプ、出口照明などが含まれる場合があります。

転送スイッチを含む転送装置は自動である必要があり、緊急使用用として識別され、管轄当局 (AHJ) によって承認されている必要があります。 転送装置は、一次電源と二次電源の不注意による同時接続を防止するように設計および設置されなければなりません。 転送装置は緊急システム負荷のみを供給するものとします。 電力は 10 秒以内に二次電源に転送する必要があります。

法的に必要なスタンバイ システム (NEC 第 701 条): 法的に必要なスタンバイ システムは、NFPA によって「通常の電源に障害が発生した場合に、選択された負荷 (緊急システムとして分類されるものを除く) に自動的に電力を供給することを目的としている」と定義されています。 これらのシステムには、加熱および冷却システム、通信システム、換気および排煙システム、および一次電源の遮断時に停止すると危険が生じたり、救助や消火活動が妨げられる可能性のあるその他のプロセスが含まれる場合があります。

転送スイッチを含む転送装置は自動である必要があり、スタンバイ用途として識別され、AHJ ​​によって承認されている必要があります。 転送装置は、一次電源と二次電源の不注意による同時接続を防止するように設計および設置されなければなりません。 電力は 60 秒以内に二次電源に転送する必要があります。

オプションのスタンバイ システム (NEC 第 702 条): オプションのスタンバイ システムは、NFPA によって「人命の安全がシステムのパフォーマンスに依存しない公共または民間の施設または財産に電力を供給することを目的としている」と定義されています。 これらのシステムには、データ処理および通信システム、および AHJ によって法的に要求されていないミッション クリティカルなシステムが含まれる場合があります。

オプションのスタンバイ システム用の転送スイッチを含む転送装置は、緊急時および法的に必要なシステム転送装置と同じ要件に制限されません。 ただし、転送装置は、一次電源と二次電源の不注意による同時接続を防止するように設計および設置する必要があります。 特定の時間枠内で二次電源に電力を伝送するためのコード要件はありません。

重要業務電源システム (COPS) (NEC 第 708 条): 指定された重要業務領域の中断または停止は、国家安全保障、経済、公衆衛生、または安全に悪影響を与える可能性があります。 NEC 第 708 条に準拠するための要件は、管轄権を有する政府機関、またはそのようなシステムの必要性を確立する文書を提供する施設によって提供されます。 これらのシステムには、電力システム、HVAC、火災警報器、セキュリティ、およびこれらの分野の通信が含まれる場合があります。 NFPA 1600-2013: 災害/緊急事態管理および事業継続プログラムに関する標準には、このトピックに関する詳細情報が含まれています。

転送スイッチを含む転送装置は自動であり、スタンバイ用に識別される必要があります。 転送装置は、一次電源と二次電源の不注意による同時接続を防止するように設計および設置されなければなりません。

トランスファースイッチの種類

トランスファー スイッチのタイプには、オープン、クローズ、ファスト クローズ、ソフト クローズ遷移、およびバイパス/絶縁が含まれます。

オープン遷移転送スイッチ: オープン遷移転送は、一般に「ブレーク ビフォア メイク」と呼ばれます。 これは、転送スイッチが二次ソースへの接続を確立する前に一次ソースから切断されることを意味します (図 2 を参照)。 この移行中に、短時間の電気システムの停止が発生します。 さらに、オープン トランジションでは、設計上、2 つのソースを同時に並列接続することはできません。 オープン遷移トランスファー スイッチは最も一般的に使用されるタイプです。 他のオプションよりも安価です。

クローズド・トランジション転送スイッチ: クローズド・トランジション転送は、一般に「メイク・ビフォア・ブレーク」と呼ばれます。 これは、転送スイッチがプライマリ ソースに接続されている間に、セカンダリ ソースへの接続を作成することを意味します (図 3 を参照)。 セカンダリ ソースへの接続が確立されると、プライマリ ソースは切断されます。 これにより、2 つの電源が並列接続されるため、電気システムへの継続的な電源供給が可能になります。 並列 (または相互接続) 電源は、NEC 第 705 条: 相互接続された電力生産電源に準拠するものとします。これは、発電機と通常/一次電源 (通常は公共サービス) の並列運転に関連する基本的な安全要件に対処するものです。

閉遷移スイッチは、両方のソースの位相、電圧、周波数が同期しているときに転送します。 両方のソースが並列される同期期間の長さは、通常、電力会社の相互接続契約と要件によって制限されます。

高速クローズ遷移トランスファー スイッチ: 高速クローズ遷移トランスファー スイッチは、オープン遷移トランスファー スイッチ システムと同様の制御システムを使用して、ソースの瞬間的な並列化 (通常は 100 ミリ秒未満) を使用します。 一部の高速クローズ遷移転送スイッチは、パッシブ同期を使用して 2 つのライブ ソース間の位相関係 (並列の場合) を検出し、同期時にソースの相互接続を可能にします。 発電機の周波数を直接制御することができず、電源が非常に短い期間並列されるため、これは受動的であると考えられます。 目的は長時間電源を並列させないことですが、公益事業サービス プロバイダーは一般に、持続的な並列動作からシステムを保護するために逆電力リレー保護を必要とします。 高速クローズド遷移スイッチはオープン遷移スイッチより高価ですが、ソフトクローズド遷移スイッチよりは安価です。

ソフト クローズ トランジション トランスファ スイッチ: ソフト クローズ トランジション トランスファ スイッチは、自動シンクロナイザを使用して、発電機が公共サービスと同期して負荷を転送できるようにします。 転送時間は数秒から数分まで異なりますが、通常は電力会社の要件によって異なります。 このプロセス中、2 つのソース間の並列動作が持続します。 そのため、電源間で負荷が徐々に移行するため、電圧と周波数の中断は通常減少します。 高速閉遷移スイッチと同様に、公共サービス プロバイダーは一般に、このタイプのシステムを実装するためにより高いレベルのリレー保護と承認を必要とします。

バイパス/分離転送スイッチ: 名前が示すように、施設への電力を中断することなく主転送スイッチ コンポーネントをバイパスするために、上記の転送システムにバイパスまたは分離機能を提供できます。 二次スイッチング コンポーネントは固有の冗長性を提供し、信頼性を高めます。 これにより、機器を停止することなく、トランスファースイッチのメンテナンスが可能になります。 バイパス/絶縁機能は通常、電力損失が施設や運用のパフォーマンスに悪影響を与える非常に重要な機器や連続負荷に対して指定されます。

ただし、バイパス/分離機能は通常、システムに大幅なコストを追加し、追加の機器を収容するために追加のスペース要件を追加します。

並列開閉装置

並列開閉装置は通常、複数の電源 (通常は 2 つ以上の発電機) を組み合わせ、共通バスに接続して電源の総容量を使用するために使用されます (図 4 を参照)。 電源は、周波数、電圧、位相角、および位相回転が規定の制限内にある場合に同期する必要があり、電源を並列接続することができます。 並列開閉装置では、電動サーキットブレーカーとプログラマブルロジックコントローラーを使用して、分配負荷を操作し優先順位を付けることができるため、この構成では負荷を転送するためにスタンドアロンの転送スイッチを必要としない場合があります。 ただし、一部の AHJ では、システムを完全に分離するために、NEC 第 700 条および第 701 条で規定されている負荷用に別個の転送スイッチが必要になる場合があります。 許容され承認されたシステム構成については、AHJ ​​に問い合わせる必要があります。 負荷のメンテナンスと優先順位を確立して、緊急負荷、法的に必要な負荷、およびオプションのスタンバイ負荷などの最も優先度の高い負荷に、転送要件に準拠するために指定された時間枠内でスタンバイ/バックアップ電力が供給されるようにすることができます。

前述のより高い優先順位に対処した後、バックアップ システムに追加の利用可能な容量がある場合には、非必須の負荷にも優先順位を与えることができます。 並列開閉装置システムは通常、負荷制限、発電機のオフロード、ユーティリティのソフト転送、高レベルの計量、負荷維持機能など、多くの高度な機能を提供するようにプログラムできます。 ただし、これらの機能によりコストが大幅に増加する可能性があり、通常、それらの機能を耐用年数にわたって維持するには、より高レベルの技術運用担当者が必要になります。

トランスファースイッチの動作

転送スイッチの動作は、開始プロセスと転送プロセスに基づいて行われます。 開始プロセスは、転送を行う必要があることを識別するものです。 このイベントは、一次電源の損失、または一次電源からの電圧の不一致で構成されている可能性があります。 転送は、二次ソースまたは代替ソースから負荷をシフトするプロセスであり、その逆も同様です。

自動: 自動モードでは、転送スイッチ コントローラーがプロセス全体を管理し、コントローラーがプライマリ ソースの喪失を感知すると開始が開始されます。 コントローラーは電源電圧を監視し、電圧が所定の時間枠内で事前に設定された制限値を下回った場合に発電機を稼働させるコマンドを送信します。 コントローラは二次電源の電圧と周波数も監視し、これらの値が許容範囲内にある場合、スイッチは負荷を一次電源から二次電源に転送します。 安定性を確保するために主電源が所定の時間再確立されると、スイッチは自動的に負荷を主電源に戻します。 ほとんどの重要な負荷および生命安全負荷には、NEC の定義に従って自動操作が必要です。

非自動: 非自動モードでは、切換スイッチはオペレータによって手動で開始され、その後、切換装置内の内部デバイスが電気操作によって切換スイッチを操作します。 オペレータは荷重移送をいつ開始するかを決定できますが、実際の移送操作は電気的に作動します。

手動: 手動モードでは、プロセス全体がオペレーターによって手動で完了します。 通常、負荷伝達を操作するために使用されるコントローラー、電圧検出装置、または電気機構はありません。 手動スイッチは最も基本的なタイプの転送スイッチであり、重要ではない施設やアプリケーションで一般的です。

トランスファースイッチの構造、性能要件

UL 1008-8: 伝送スイッチ装置、UL 1008A-1: 中電圧伝送スイッチの規格、NFPA 110-2016: 緊急および待機電力システムの規格などの規格および規格により、伝送スイッチの構造と性能要件が規定されています。

UL 1008: UL 1008 は、米国で転送スイッチの構造とテストに対処するために最も一般的に適用および採用されている規格です。この規格は、自動、手動または非自動、閉遷移、ハイブリッド、消火ポンプ転送スイッチ、バイパス/絶縁スイッチ、およびいくつかのスイッチに適用されます。その他。 ただし、この規格は定格 600 V を超えるスイッチについては特に取り上げていません。

UL 1008 には、転送スイッチ装置の構造と性能に対処する要件が含まれています。 規格内の構造要件には、エンクロージャ機器、コンポーネントのフィールドおよび内部配線、および機器の設置が含まれますが、これらに限定されません。

性能およびテスト要件には、耐力および閉路定格、過電圧/不足電圧、過負荷、温度、および耐久性テストが含まれますが、これらに限定されません。 これらのテストと構築要件は、転送操作が必要な場合に、転送スイッチ装置が信頼性と信頼性を備えている必要があることを示しています。

UL 1008A: 同様に、UL 1008A には、750 V を超え、最大 46 kV で動作する自動、非自動、および手動のトランスファー スイッチの要件が含まれています。 この規格内の要件には、転送スイッチと関連する制御デバイスおよびリレーが含まれます。

NFPA 110: NFPA 110 は、米国内で一般的に適用および採用されています。この規格の第 6 章には、転送スイッチ装置の要件が含まれています。 自動転送スイッチ (ATS) 機能に関連する規格の要件では、その機能に次のものが含まれる必要があると指定されています。

第 6 章では、「切替スイッチは設置時点での利用可能な故障電流に耐えることができること」も要求しています。 さらに、「転送スイッチは、供給されるすべてのクラスの負荷に対して連続電流定格と遮断定格を備えていなければなりません。」 転送スイッチの電気定格は、接続されている負荷の総量に応じて適切に設定されなければなりません。

NFPA 110 には、一次電源のすべての非接地線を監視する不足電圧検出装置、1 つの非接地線を監視する電圧および周波数検出装置、電圧が上がるまで二次電源への転送が確実に禁止されることを保証するための電源監視の要件が含まれています。および周波数が指定された制限内にあること。

一時的な電力低下や一次電源への瞬間的な外乱に基づく迷惑な始動や負荷転送を回避するために、転送プロセスを遅延させるための時間遅延デバイスが提供されています。 装置の動作の失敗が人身傷害や人命の損失につながる可能性がある場合に使用するために、過度のシステム電圧降下を避けるために負荷伝達プロセスを遅らせる調整可能な時間遅延装置を提供するものとします。 さらに、二次電源（通常は非常用電源）から一次電源への移行を遅らせ、一次電源が再安定化できるようにするために、別の調整可能な時間遅延装置（自動バイパス付き）を設けるものとします。

権力を維持する

転送スイッチの構造と性能要件を理解することは、適切な転送スイッチのタイプと、サービスを提供する特定のスタンバイ システムに必要な動作を選択することに加えて、必要なときに重要なシステムや機器に信頼性の高いバックアップ電力が供給されるようにするのに役立ちます。

ライアン・イシノは、カリフォルニア州アーバインにある JBA コンサルティング エンジニアのオレンジ郡オフィスの電気部門のアソシエート ディレクターです。彼は、ホスピタリティ、商業、ヘルスケア、教育、中央プラントの設計など、複数の市場分野での経験を持っています。

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