負荷要件を満たすDCスイッチ/ディスコネクタの選択方法

世界は電気革命の真っただ中にある。太陽光発電（PV）設備や蓄電池システム（BESS）の普及から電気自動車（EV）充電インフラの急速な成長まで、直流（DC）電力はもはやニッチな技術ではありません。直流電力は、分散型の再生可能エネルギーの未来を支える基幹技術となりつつあります。しかし、この変化は、直流回路の安全な遮断という、過小評価されがちな重要な工学的課題をもたらします。.

1秒間に100回または120回（50/60Hzで）ゼロボルトを自然に通過し、電気アークを消す一瞬の機会を提供する交流（AC）とは異なり、直流は容赦ない。直流回路のスイッチを開けると、電流は止まろうとしない。電流はエアギャップを飛び越えようとし、連続的な高温プラズマアークを発生させ、何かが溶けたり、燃えたり、壊滅的な故障を起こすまで持続します。このため、直流スイッチングは交流スイッチングよりも基本的に危険で厳しいものとなっています。AC定格のスイッチをDCアプリケーションで使用することは、火災の危険性をはらんでいます。.

正しい選択 直流開閉器 この記事では、エンジニアや設計者、技術者が、システムの安全性と信頼性、および国際規格への準拠を保証する適切なDCスイッチを選択するための包括的な5ステップガイドを提供します。この記事では、エンジニア、設計者、技術者が、システムの安全性、信頼性、および国際規格への準拠を保証する適切なDCスイッチを選択するための包括的な5ステップガイドを提供します。.

規格を理解するIEC 60947-3

選択プロセスに入る前に、これらの機器に適用される主要規格を理解することが重要である： IEC 60947-3「低電圧開閉器および制御装置-第 3 部：スイッチ、断路器、開閉器-断路器およびヒューズ 組み合わせユニット」。“ この規格は、直流回路の絶縁または切替に使用される装置の性能要件と試験手順を規定している。.

IEC 60947-3における最も重要な概念の1つは、次のとおりである。 利用カテゴリー. .この分類システムは、スイッチが処理するように設計された電気負荷の種類を定義するものです。アプリケーションに不適切な使用カテゴリのスイッチを使用すると、早期故障や機能を安全に実行できなくなる可能性があります。直流回路の場合、主なカテゴリの詳細は下表のとおりです。.

表1：DC利用カテゴリの説明

太陽エネルギーやバッテリー・ストレージのような最新のアプリケーションでは、以下の定格のスイッチを指定します。 DC-21B または DC-PV2システムの運用上の要求を確実に処理できるようにすることが重要である。.

5ステップの選択ガイド

適切なDCスイッチを選択するプロセスを簡素化するには、この体系的な5ステップの方法論に従ってください。このアプローチにより、すべての重要なパラメータが考慮され、安全で信頼性の高い設計につながります。.

体系的な5段階の選考プロセスを視覚的にまとめたもの。.

ステップ1：最大システム電圧（Ue）の決定

まず、最も基本的なパラメータはシステム電圧です。選択したスイッチの定格動作電圧(Ue)は、以下の値でなければなりません。 以上 が経験する最大電圧。.

バッテリーシステムの場合、これは比較的簡単で、公称バッテリー電圧に充電電圧の許容誤差を加えたものです。しかし、太陽光発電システムの場合はもっと複雑です。クリティカル値は 開放電圧 PVストリングの動作電圧（Vmp）ではない。さらに、このVocは温度によって補正されなければならない。.

太陽光発電パネルは直観に反する挙動をする。 増加 周囲温度として 減少. .暖かい日に800Vdcを発生する太陽電池アレイが、凍てつく冬の朝には950Vdcを超えるかもしれない。この「寒冷地効果」を考慮しないと、スイッチの定格を超える電圧が発生し、重大な安全上のリスクが生じます。PVモジュールのデータシートに記載されている温度補正係数を必ず使用して、ワーストケース（最低温度）のシステム最大電圧を計算してください。.

経験則： 堅牢な安全マージンを提供するために、計算された最大システム電圧よりも少なくとも15-20%高い定格電圧を持つDCスイッチを選択します。.

ステップ2：負荷電流（Ie）の計算と熱ディレーティングの適用

スイッチの定格動作電流（Ie）は、負荷の連続動作電流より大きくなければならない。PVシステムの場合、これはストリングの短絡電流（Isc）に安全係数（通常、NEC要件に従って1.25）を掛けたものになる。.

しかし、スイッチの公称定格電流が、実際の設置における真の容量になることはほとんどありません。そこで 温度ディレーティング が不可欠になる。電流を流すスイッチの能力は、放熱能力によって制限される。この能力を低下させる要因はいくつかある：

• 周囲温度： 標準40°C（104°F）定格は基準値である。これを1度超えるごとに、通電容量は低下します。高温の砂漠環境で動作するスイッチは、30%以上のディレーティングが必要な場合があります。.
• エンクロージャーのサイズと材質： 小型で密閉されたプラスチック製エンクロージャ内に設置されたスイッチは、大型で通気性のある金属製キャビネット内に設置されたスイッチよりも冷却効果が大幅に低下します。メーカーは、エンクロージャのタイプに基づくディレーティングカーブを提供しています。.
• デバイスのグループ化： 複数のスイッチやその他の熱を発生するコンポーネントを並べて設置すると、ローカルの周囲温度が上昇するため、さらにディレーティングが必要になります。.
• 高度： 高度2000メートル（6500フィート）以上では、空気が薄くなるため冷却効果が低下します。この冷却能力の低下と絶縁耐力の低下により、電流と電圧のディレーティングが必要になります。.

具体的なディレーティングカーブについては、常に製造業者のデータシートを参照し、それを真摯に適用すること。100Aのスイッチは、すべてのディレーティング係数を適用すると、65Aの負荷にしか適さない場合があります。.

ステップ3：短絡耐量（Icw）の検証

スイッチ・ディスコネクタはサーキッ ト・ブレーカではなく、高レベルの短絡回路を 遮断するようには設計されていないため、上流 の保護装置（ヒューズやサーキット・ブレーカ など）が動作するのに十分な時間、故障の電気機械 的な力や熱応力に耐える必要がある。この定格は 定格短時間耐電流（Icw）.

Icw定格は通常、特定の持続時間、最も一般的には1秒間（「12kA for 1s」など）に対して与えられます。これは、12,000Aの故障が1秒間発生しても、接点が破裂、溶融、または溶着することなく、スイッチが構造的に耐えられることを意味します。スイッチのIcw定格は、システムに設置された時点で予想される短絡電流よりも高くなければなりません。これは、短絡による激しい影響から機器と作業員を保護する重要な安全パラメータです。.

ステップ4：環境条件（IP/NEMAと材料）の評価

スイッチは、その設置環境に適していなければなりません。これは主に、IP（Ingress Protection）定格、または北米ではNEMAエンクロージャタイプ定格によって定義されます。IP定格システムは、2桁の数字で固体（1桁目）と液体（2桁目）に対する保護レベルを分類します。.

表4：一般的なIP定格とその用途

屋外用、特にソーラー用、, 耐紫外線性 も必須である。一般的なプラスチックは、長期間日光にさらされるともろくなり、故障の原因になる。UV安定化ポリカーボネート（PC）または同様の耐久性のある素材で作られたスイッチを探してください。.

ステップ5：認証とコンプライアンスを主張する

最後に、スイッチのデータシートは、信頼できる第三者によって検証されるまでは、単なる主張でしかありません。独立機関による認証は、そのデバイスがテストされ、主張する安全性と性能基準を満たしているという信頼性を提供します。探すべき主なマークは以下の通りです：

• CEマーク 製品がEUの健康、安全、環境保護基準に適合しているという宣言。.
• ULリスティング： Underwriters Laboratoriesが北米の安全規格に照らして製品をテストしたことを示す。.
• テュフ ラインランド 世界的に評価の高い試験・認証機関であり、ソーラー業界では特に著名。テュフの認証は、品質と信頼性の強力な指標です。.

重要な電源システムには、認定を受けていないコンポーネントを絶対に使用しないでください。致命的な故障、火災、および潜在的な法的責任のリスクに比べれば、コスト削減はごくわずかです。.

DCスイッチ・タイプのビジュアル・ガイド

DCスイッチにはいくつかの物理的形式があり、それぞれ異なる設置ニーズに適しています。最も一般的なものは、パネルマウント、DINレール、および完全密閉型スイッチです。.

キャプションパネルマウントDCスイッチは、オペレータに堅牢なスルードアインターフェースを提供し、多くの場合、安全分離（LOTO）のためにロック可能なハンドルを備えています。.

キャプションDINレールマウントスイッチは、制御盤や分電盤内に素早くモジュール式で設置できます。.

表2：スイッチ取り付けタイプの比較

サイエンス・インサイド材料とアーク消光

高品質のDCスイッチと標準以下のDCスイッチを真に分けるものは、ボックスの内部で起こっている科学です。接点材料とアーク消弧メカニズムです。.

コンタクト素材：銀と銅の比較

銅は優れた導体ですが、酸化しやすいという重大な欠点があります。この酸化銅の層は導電性がはるかに低く、ホットスポットや抵抗の増加、そして最終的な故障につながります。銀が優れているのは、その酸化物（酸化銀）が高い導電性を保つからです。.

高性能のDCスイッチには、メーカーが銀合金を使用しています。純銀をニッケル（AgNi）や酸化スズ（AgSnO2）などの材料と合金化することで、アーク放電時の材料浸食や溶接に対する耐性が劇的に向上します。.

キャプション銀合金接点（図はAgNi）は、標準的な銅接点に比べ、優れた耐久性と耐アーク性。.

表3：コンタクト素材の比較

アーク消火メカニズム

接点が開くとアークが発生する。スイッチの仕事は、このアークをできるだけ早く消すことです。高品質のDCスイッチは、複数のメカニズムを同時に採用しています：

1. 速いオープニング・スピード： バネ仕掛けの「スナップ・アクション」機構により、接点が素早く離れ、ほぼ瞬時に広いエアギャップが形成されます。これにより、アークの発生を防ぐことができます。.
2. ダブルブレイク・コンタクト： 単一のブレークポイントではなく、この機構は回路を一度に2箇所で開きます。これにより、電圧とアークエネルギーが2つの別々のアークに分割され、それぞれのアークは小さくなり、消滅しやすくなります。これにより、所定のコンタクト・ギャップに対する遮断能力が実質的に2倍になります。.
3. アークシュート 接点は、アークシュートと呼ばれる一連の平行な金属板を含むチャンバー内に収容される。アークが発生するとシュートに押し込まれ、そこで引き伸ばされ、複数の小さなアークに分割され、脱イオンして消滅するまでプレートによって冷却される。.
4. マグネティック・ブローアウト より高度なスイッチでは、永久磁石がアークシュートの横に配置されます。磁場はアークを流れる電流と相互作用し、アークを貴重な接点からアークシュートの奥深くへ積極的に押しやる（または「吹き飛ばす」）ローレンツ力を発生させ、消火プロセスを加速させます。.

これらの機能、特にダブルブレイク接点と磁気アークシュートを組み合わせたスイッチは、非常に優れた直流負荷破壊性能と長い動作寿命を提供する。.

よくある質問（FAQ）

1.ACスイッチをDCアプリケーションに使用できますか？
絶対に違う。ACスイッチは、AC波形のゼロクロス点を頼りにアークを消火します。直流電流は連続的であるため、ACスイッチは回路を遮断できない可能性が高く、アークが持続し、過熱し、重大な火災の危険があります。.

2.スイッチ」と「ディスコネクト」の違いは？
ディスコネクタ（またはアイソレータ） は、メンテナンスのために安全な絶縁ギャッ プを提供するために、無負荷状態で回路を開 くためだけに設計されている（カテゴリDC-20）。スイッチは、通常の負荷条件下で回路を開閉 するように設計されている（カテゴリDC-21）。スイッチ・ディスコネクタ」は、両方の機能の要件を満たす。.

3.なぜ温度ディレーティングが重要なのですか？
電気部品にとって熱は大敵です。スイッチの定格電流は、その電流によって発生する熱を放散する能力に基づいています。周囲温度が高くなると、この能力が低下し、同じ負荷に対してスイッチがより高温で動作することになり、温度限界を超え、絶縁を劣化させ、早期故障につながる可能性があります。.

4.DC-PV2利用区分の「PV2」とはどういう意味ですか？
DC-PV2は、太陽光発電システムのスイッチングという課題のために作られたIEC規格の中の特定のカテゴリーです。これは、標準的な抵抗負荷よりも消火が困難な、負荷がかかったPVアレイ特有の電流／電圧特性を安全に遮断できるスイッチであることを認証するものです。.

5.スイッチの定格電圧が低すぎる場合はどうなりますか？
システム電圧（特に低温PVシステムのピークVoc）がスイッチの定格を超える場合、内部のエアギャップが電圧を絶縁するのに十分でない可能性があります。これにより、開路時にアークが消火しなかったり、最悪の場合、スイッチ内部で電流がフラッシュオーバーして致命的な故障を引き起こしたりする可能性があります。.

6.IP等級は高ければ高いほど良いのですか？
必ずしもそうではありません。IP定格（IP67など）が高いほど密閉度が高くなることが多く、熱がこもりやすくなり、温度ディレーティングを大きくする必要があります。最善の方法は、過剰なエンジニアリングを行わずに、特定の設置環境に適切に適合するIP定格を選択することです。多くの場合、屋外ではIP65のスイッチで十分です。.

7.高度は直流スイッチにどのような影響を与えますか？
高度が高くなると（2000m以上）、空気の密度が低くなる。これには2つの影響がある：1) 冷却能力が低下するため、電流のディレーティングが必要になる。2) 絶縁耐力が低下するため、より高い電圧がギャップを飛びやすくなり、電圧ディレーティングが必要になる。.

8.ダブルブレイク」コンタクトとは何ですか？
これは、単一のスイッチング動作が回路経路を2つの別々の場所で同時に開く設計です。これにより、アークエネルギーがより小さく管理しやすい2つのアークに分割され、消火が容易かつ迅速になり、スイッチの直流遮断能力が大幅に向上します。.

結論方法的選択による安全性

適切なDCスイッチ・ディスコネクタを選択す ることは、簡単な作業ではありません。これは、電力システム全体の安全性、信頼性、および寿命に直接影響する重要な技術的決定です。単に銘板の電圧と電流に合わせるだけでは不十分であり、危険です。.

温度補正によるシステム電圧の評価、負荷電流への厳密な温度ディレーティングの適用、短絡耐性の検証、環境ニーズの評価、および第三者認証の要求という5段階のプロセスに従うことで、エンジニアと設計者は、単純な部品選択から堅牢なシステム設計へと移行することができます。接点材料とアーク消弧メカニズムの内部科学を理解することで、単なる準拠ではなく、真に優れた製品を指定できるようになります。.

最終的には、選択されたデバイスが最も重要な機能である、毎回安全かつ確実に電力を切断するという機能を完璧に果たすことを、計画的なアプローチが保証します。.

キャプション選定プロセスの目標は、安全性を損なうことなく、性能、コンプライアンス、費用対効果のバランスをとりながら、「最適化された信頼性の高い」四分円のスイッチを見つけることである。.

参考文献

1. 国際電気標準会議。(2020). IEC 60947-3：低圧開閉装置および制御装置. 
2. ソーラー・エナジー・インターナショナル(2022). PVシステムの設計と設置. 
3. “「DC Switching Explained,” Eaton Corporation, White Paper WP012001EN. 
4. 全米防火協会。(2020). NFPA70（米国電気工事規定.