産業用サーキットブレーカーに関する総合ガイド
産業用サーキットブレーカーは、過負荷や短絡によって生じる過電流による損傷から電気回路を保護するように設計された自動電気スイッチです。
ヒューズとは異なり、産業用サーキットブレーカーはトリップ後にリセットできます。このユニークな機能は、工場、データセンター、発電所などの場所での運用を安全に保ち、ダウンタイムを削減する上で重要になります。
この技術ガイドは、産業用サーキットブレーカーの動作段階的なメカニズム、さまざまなタイプ、重要な選択基準を詳しく説明することで、産業用サーキットブレーカーを明確に理解できるようにすることを目的としています。
サーキットブレーカーが必要な理由
産業用サーキットブレーカーは、過熱、機器の損傷、電気火災、さらには怪我を引き起こす可能性のある過電流から電気システムを保護する重要な役割を果たします。これらのデバイスは、電流が安全なレベルを超えると自動的に電源を遮断し、回路を保護して動作の安全性を確保します。システム設計で適切な回路ブレーカーを選択すると、コストのかかるやり直しの発生を防ぎ、セットアップ全体の耐久性と性能が向上します。
産業用サーキットブレーカーの動作メカニズム
サーキットブレーカーは、保護リレーに障害が発生するとトリップして、過負荷回路の電流を自動的に遮断します。すべてのサーキットブレーカーの動作メカニズムには、次の5つの共通コンポーネントが含まれます。
- フレーム：これらの成型フレームは、外部の材料から回路ブレーカーの内部コンポーネントを保護する外部保護ケースとして機能します。
- 動作機構：これにより、必要に応じてブレーカーを開閉することで保護の役割を果たすことができます。
- 接点：通常の状態では、電流が回路ブレーカーを流れることを許可します。それらは主にアーク接点、補助接点、主接点の3つのタイプに分けられます。
- アーク消弧器：このシステムは、ブレーカーの接点が開いて障害を遮断するときに形成される電気アークを消弧するように設計されています。アークシュートを使用して熱を安全に放散し、アークを迅速に消弧し、安全で信頼性の高い回路遮断を保証します。
- トリップユニット：これにより、電気的な障害が発生すると動作機構を作動させます。
図1：サーキットブレーカーの部品（ソース）
産業用サーキットブレーカーの種類
サーキットブレーカーは、住宅、商業、産業、航空電子工学、軍事、その他の電気設備で広く使用されています。本稿では、産業タイプに焦点を当てます。これらは、動作機構、電圧レベル、アーククエンチング媒体に応じてさまざまなタイプに分けられます。
- 成形ケースサーキットブレーカー（MCCB）
- ミニチュアサーキットブレーカー（MCB）
- 磁気流体サーキットブレーカー
- サーマルサーキットブレーカー
- 電子サーキットブレーカー
- エアサーキットブレーカー（ACBS）
成形ケースサーキットブレーカー- MCCBは、過負荷や短絡時に自動的に電源を遮断してシステムの損傷を防ぎ、電気回路を保護する安全装置です。過負荷と短絡の違いを検出できます。電気機器を重大な損傷から保護するために、MCCBは少量の過電流を短時間許容し、電流レベルが上昇するとサイリスタが回路を開いて損傷を防ぎます。低電圧と高電圧の両方のアプリケーションに幅広く対応し、調整可能なトリップ設定を備えています。
| タイプ | アプリケーション | 特性 |
|---|---|---|
| タイプB：定格電流の3～5倍でトリップ（0.04～13秒）。 | 低サージ負荷および抵抗負荷に最適です。 | 安全性を高めるために調整可能なトリップ機構を備えた、単極、2極、3極、4極バージョンが用意されています。 定格電流は10～200アンペアです。 高電力需要に対応できるように設計されており、産業用の大電流回路に最適です。 |
| タイプC：定格電流の5～10倍のトリップ（0.04～5秒）。 | 産業用の小型モーターや変圧器によく使用されます。 | |
| タイプD：定格電流の10～20倍（0.04～3秒）に対応。 | 大型モーターや大きな誘導負荷に最適です。 | |
| タイプK：定格電流の10～12倍でトリップ（0.04～5秒）。 | 誘導負荷がついているモーターに最適です。 | |
| タイプZ：高感度で、定格電流の2～3倍でトリップ。 | 医療機器などの精密な電子機器に使用されます。 |
図2：EATON製成形ケースサーキットブレーカー（EATON CUTLER HAMMER EGH3060FFG）（ソース）
ミニチュアサーキットブレーカー(MCB)-電力サージを検出すると電源をオフにする自動スイッチです。MCBには、過負荷保護用の遅延サーマルトリップ機構と短絡保護用の磁気トリップ機構の2つのトリップ機構が装備されています。トリップ容量に基づいて、各種産業用途に合わせてさまざまなタイプのMCBが用意されています。
| タイプ | アプリケーション |
|---|---|
| タイプCおよびタイプD | 1.電気パネル：MCBは一貫した配電と変動の制御を実現します。 2.照明システム：照明の電力を調整し、電球の寿命を延ばします。家のさまざまな場所にさまざまな照明を取り付けると、住宅の安全が確保されます。 3.産業用機器：MCBは重負荷（最大30 kA）に対応します。スーパーマーケット、ホテル、ショッピングモールなどで、重要な産業機器を保護するためによく使用されています。 4.地絡保護：自動的に電源を遮断することで、地絡によるサージを防ぎ、危険な事故のリスクを低減します。 |
図3：ABB製ミニチュアサーキットブレーカー（ソース）、製品- ABB S202-C20（ソース）
磁気流体サーキットブレーカー-油圧磁気サーキットブレーカーは、ソレノイドベースのメカニズムを使用して、正確な過負荷および障害保護を提供します。油圧磁気サーキットブレーカーのメカニズムには、一連の接点と対になった電流検出コイルが含まれます。通常の動作中は、これらすべての接点は閉じられたままです。過負荷（電流が定格容量を超える）の場合、直列コイルは磁束を生成し、液体で満たされたチューブ内のコアが移動してブレーカーがトリップします。より大きな磁力によって引っ張られるコアは、ロックを解除して回路を切断します。これらのブレーカーは、温度に敏感なコンポーネントに依存することなく、電流サージに対して高速で信頼性の高い保護を提供します。
| 特性 | 応用分野 |
|---|---|
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図4：SENSATA / AIRPAX IELK111-1REC5-62-100.-A-01-V（ソース）
サーマルサーキットブレーカー-サーマルサーキットブレーカーは、過熱すると曲がって電気の流れを遮断するバイメタルストリップを使用して回路を保護します。電流が増加するとストリップが熱くなり、設定された制限値を超えるとブレーカーがトリップします。ストリップが冷めたら、手動でリセットできます。サーマルブレーカーは信頼性が高く、多くの場合はメインのオン/オフスイッチとして機能しますが、周囲温度に敏感で、暖かい条件では不必要なトリップを引き起こし、寒い条件ではトリップが遅れることがあります。これらは通常、自動車の配線やその他の低電圧回路に取り付けられます。サーマルアクチュエータと機械式ラッチが連携して、短時間の高電流バーストと長時間の過負荷を区別します。これは、システムがトリップすることなく一時的なサージを処理できることを意味します。ただし、電流が高すぎる状態が長時間続くと、ラッチが作動して機器を損傷から保護します。
| タイプ | 特性 | メカニズムのリセット | アプリケーション |
|---|---|---|---|
| 自動リセット | 故障が修正されるまで、サイクルまたは継続的にリセットされます。ワイパーモーターやヘッドランプ回路など、瞬間的に過負荷が発生する回路に使用されます。 | 自動 | ワイパーモーター、ヘッドランプ |
| 変更済リセット | 非サイクル。トリップ後も回路は開いたままです。電源を切るとリセットされます。パワーウィンドウやサンルーフ回路などのアプリケーションでよく使用されます。 | 変更済リセット（電源オフ） | パワーウィンドウ、シート、サンルーフ |
| 手動リセット | 非サイクル。ボタンまたはレバーを押して手動でリセットするまで開いたままになります。通常、安全な診断が必要な場合に使用されます。 | マニュアル | 手動による故障診断が必要な回路 |
| 手動リセット - 押してトリップ | ユーザーはリセット後に手動でボタンを押して回路を開くことができます。手動トリップ機能を提供します。 | トリップボタンで手動 | 手動トリップオプションが必要なシステム |
| 手動リセット - 切り替え可能 | ユーザーは外部レバーを使用して回路のオン/オフを切り替えることができます。スイッチのように機能します。 | レバースイッチで手動 | 回路におけるスイッチのような機能 |
図5：サーマルサーキットブレーカーETA 3120-N521-H7T1-W01D-20A、オン/オフ、3120-Nシリーズ、20 A、2極、50 V、240 V、スナップイン（ソース）
電子サーキットブレーカー-電子サーキットブレーカーは、特殊なコンポーネントを使用して回路内の電流と電圧を監視します。過電流状態になると、ブレーカーは即座にソリッドステートデバイス（サイリスタなど）のゲートに信号を送信し、回路をすぐに開きます。これらのブレーカーはさまざまな設定に合わせてカスタマイズできます。電子サーキットブレーカー。ECBは複雑なシステムでよく使用され、高いスイッチオン容量と電子リレーを組み合わせることで効率を高めています。
| 主な特長 | 主な利点 |
|---|---|
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図6：電子サーキットブレーカー（ソース）
エアサーキットブレーカー（ACBS）-エアサーキットブレーカー（ACB）は、低電圧電気システムの重要なコンポーネントです。過電流や短絡から回路を保護するように設計されています。ACBは、アークを消弧する媒体として空気を使用し、450 V未満のシステムで800～10,000アンペアの電流を処理できます。蓄えられたエネルギーで動作し、必要に応じてスプリングを使用して接点を素早く開閉します。ACBは配電盤の安全な回路遮断に広く使用されており、金属製のアークシュートがアークを冷却して分割し、効果的な保護を実現します。
| タイプ | 利点 | アプリケーション |
|---|---|---|
| プレーンブレーク型ACB（クロスブラストACB） | シンプルな設計、低電圧アプリケーションに適しており、アークシュートで冷却します。 | 低電圧アプリケーションで使用されます。 |
| 磁気ブローアウト型ACB | アーク消弧用磁気制御、最大11 kVまで使用可能 | 最大11 kVまで利用可能、中電圧システムに最適 |
| エアシュートエアブレーキサーキットブレーカー | 接触抵抗が低く、アーク接点に耐熱性があり、耐久性に優れています。 | システムのメイン接点を保護するために使用され、中電圧アプリケーションに適しています。 |
| エアブラストサーキットブレーカー | 高速動作、アーク消弧が速く、メンテナンスが少なく、火災の危険がありません。 | 245 kVを超えるシステムに使用され、大規模プラントでのブレーカーの急速操作に最適です。 |
図7：エアサーキットブレーカー（ソース）
産業用サーキットブレーカーを選択する際の重要な考慮事項
電気の安全性とシステム効率は、そのアプリケーションの特定のニーズが満たされた場合にのみ実現され、適切な選択によってのみ最適な回路保護が得られます。その結果、
定格電圧-サーキットブレーカーを選択する際には、電圧定格がシステム要件と一致していることを確認することが重要です。電圧定格とは、ブレーカーがすべての終端およびポートにわたって安全に処理できる最大電圧レベルを指します。この定格は、システムの配電タイプとブレーカーの統合方法によって影響を受けます。サーキットブレーカーの電圧容量とシステムの電圧レベルが一致しない場合、安全上のリスクが発生する可能性があります。そのため、特定の用途に適した電圧容量を持つブレーカーを選択することが重要です。
電圧範囲 サーキットブレーカーの種類 使用エリア 1 KV以内 MCBとMCCB 一般産業と商業部門 1 KV～72 KV 空気、真空、六フッ化硫黄（SF6） 発電と配電、工場、オフィスビル、データセンター。 72 KV超 電磁式、エアブラスト、オイルサーキットブレーカー 電力伝送ネットワークと回路 連続電流定格-ブレーカーが校正された周囲温度（製造時の標準周囲温度は104 °F/40 °C）の下で安全に連続的に処理できる最大電流です。システム負荷に適合する定格電流のブレーカーを選択することが重要です。したがって、ブレーカーのアンペア定格は回路の最大負荷と一致する必要があります。定格が高すぎると、過負荷時にブレーカーがトリップせず、過熱や機器の損傷の危険があります。逆に、ブレーカーの定格が低すぎるとブレーカーが落ち、不要な中断が発生することもあります。信頼性の高いシステムを構築するためには、最適な保護が必要です。
最大遮断容量-遮断容量（AKA遮断容量）は、特に高い故障電流が発生する可能性が高いシステムでは、サーキットブレーカーを選択する際に重要な要素となります。ブレーカーが損傷することなく安全に遮断できる最大の故障電流を表します。安全性と信頼性を確保するため、ブレーカーの遮断容量は、ブレーカーの適用点における潜在的な故障電流以上でなければなりません。大型の家電製品や産業システムではより高い故障電流保護が求められるため、十分な遮断容量を持つブレーカーを選択すると、繰り返しトリップしたり機器が故障したりするリスクなしに、システムが故障状態に対処できるようになります。以下の表は、800アンペアおよび1600アンペアのフレームのMCCB、ICCB、およびLVPCBの一般的な定格を示しています。
デバイスのタイプ MCCB ICCB LVPCB 低IC 高IC 低IC 高IC CL 低IC（内部インスタントトリップ） 高IC（内部インスタントトリップ） CL（内部インスタントトリップ） 低IC（インスタントトリップなし） 高IC（インスタントトリップなし） 遮断容量（kA @ 480 V） 50 100 50 150 150 30 100 200 30 85 瞬時オーバーライドまたは最大短時間電流定格（kA） 6～9 6～9 25 25 30 30 85 30 30 85 短時間の遅延 18 18 30 30 30 30 30 30 30 30 周波数-サーキットブレーカーを選択するとき、非効率性や損傷の可能性を避けるために、ブレーカーの周波数定格を電気システムの周波数定格と一致させることが重要です。定格50～120 Hzのサーキットブレーカーはほとんどの用途に対応できますが、より高い周波数（120 Hz以上）では、渦電流や鉄損による発熱の増加を考慮して定格を下げる必要があります。特に600アンペアを超える高いアンペア定格の場合、ディーゼル発電機などの50 Hzまたは60 Hzシステムを使用するプロジェクトでは特に、安全な操作を確保するために適切なキャリブレーションが不可欠です。最適な性能と寿命を確保するには、ブレーカーの周波数互換性を確認する必要があります。
極の数-サーキットブレーカー内の極の数によって、保護できる個別の回路の数が決まります。住宅環境では単極ブレーカーが一般的ですが、産業用途では通常、三相システム用の多極ブレーカーが使用されます。3極ブレーカーは、このようなシステムの3つの相すべてを保護するために使用されますが、4極ブレーカーは中性線も切断することで保護層を追加します。これは、不平衡負荷や高調波電流のあるシステムでは重要です。正しい数の極を選択すると、電気システムの複雑さとニーズに基づいた適切な保護が確保されます。たとえば、3極、600 Aのブレーカーがあり、1極に800 Aが流れ、他の2極に負荷がかかっていない場合、1極が制限を超えるとブレーカーがトリップします。
一方、3極すべてにそれぞれ500 Aがある場合、合計が1500 Aであってもブレーカーはオンのままになります。これは、個々の極のいずれもが600 A定格を超えていないためです。
特定の動作条件-信頼性の高い性能を得るには、特定の動作条件と環境抵抗を考慮する必要があります。ブレーカーの機能は、高温、腐食、衝撃、高度、ほこりなどの影響を受ける可能性があります。たとえば、一般的なブレーカーは最高122 °F/50 °Cまで動作できますが、それ以上の温度では定格出力の低減や再調整が必要になる場合があります。湿気や腐食性の高い環境では、損傷を防ぐために湿気処理されたブレーカーや耐薬品性ブレーカーが必要です。船舶用途のような高衝撃エリアのブレーカーには耐衝撃装置が必要ですが、6,000フィートを超える高度で使用されるブレーカーは、空気が薄いために放熱が減少するため、定格出力を下げる必要があります。これらの要素を考慮することで、過酷な条件に耐え、安全性と効率性を確保するのに適したブレーカーを選択できます。
コンプライアンスと規格-サーキットブレーカーを選択する際には、IEC、ANSI、ULなどの必要な業界標準と規制を満たしていることを確認することが重要です。これらの基準を遵守していることで、選択したサーキットブレーカーの品質と有効性に自信を持つことができます。表2に主要なものの一部を示します。
規格 カバー UL489 成形サーキットブレーカー、成形スイッチ、サーキットブレーカーエンクロージャー UL1077 電気機器用補助保護装置 UL60950-1 情報技術装置一般的な要件 NFPA70 米国電気工事規程（米国） CSA22.2 国家電気規格（カナダ） BS7671 英国電気規格（英国） IEC60364 建物用電気設備（EU） IEC60947-2 産業用途向けサーキットブレーカー IEC60898-1 AC低電圧サーキットブレーカー IEC60934 家電製品を含む家庭用のサーキットブレーカー SAEJ553 輸送用途におけるサーキットブレーカーのテスト条件、手順、および性能要件 表2：適用されるサーキットブレーカー規制基準（ソース）
結論
サーキットブレーカーは、ほとんどの設計上の課題に対して、正確で信頼性が高く、コスト効率に優れたソリューションを提供します。これらは温度安定性があると考えられており、過電流検出機構は保護対象の回路の電流の変化にのみ反応します。複数の構成オプションが用意されており、多くの製品が今日の主要なアプリケーション要件を満たす高度な機能と最先端の設計を備えています。世界的なディストリビューターとして、Farnellはさまざまな要件に対応し、複数の業界で高い性能を確保するために、さまざまな回路ブレーカーを提供しています。
