APDahlen Applications Engineer
シャントトリップ回路ブレーカとは？
シャントトリップは、回路ブレーカをトリップさせるために設計されたエレクトロメカニカル装置です。この補助装置は、回路ブレーカの本体に追加されるか、または一体型で組み込まれています。ソレノイドのような機構が電気的に作動して回路ブレーカをトリップさせます。
代表的な例を図1に示します。ここでは、Phoenix Contactの2908222が、TMC 71C 01A補助保護装置の側面に固定されています。
図1は、利用可能な最も小型のシャントトリップの組み合わせの1つを示しています。その対極にあるのは、図2に示す400AのSiemens 3VA63405HL310AA0などの大型の三相デバイスです。120V ACの3VA99780BA22シャントトリップモジュールも画像に示されています。
図1： サイドマウント型シャントトリップとPhoenix ContactのTMC 71C補助保護装置の外観。回路ブレーカはトリップ（オフ）位置で表示されています。赤いフラグは、シャントトリップが作動したことを示します。
技術的なヒント： シャントトリップ機構は、装置の定期的な予防保守の一環として試験する必要があります。これにより、システムが必要に応じて確実に機能するという高い信頼性が確保されます。
図2： シャントトリップ、低電圧保護モジュールと共にSiemensの大型回路ブレーカを示します。
産業用途におけるシャントトリップ回路ブレーカの利点
シャントトリップ回路ブレーカは、プラントの安全に欠かせない要素となります。最大のメリットは、シャントトリップ回路ブレーカは手動でリセットする必要があることです。これにより、技術者は状況を調査し、機器のオペレーターと話し合い、適切な措置を講じることができるようになります。
シャントトリップのシンプルさには、評価すべき点があります。シャントトリップは回路ブレーカに直接作用するため、機械の全負荷電流を遮断することができます。独立した絶縁型2線式インターフェースを採用しています。24V DCや120、208、277、480V ACなどの一般的な電圧に対応するため、さまざまなシャントトリップ電圧が用意されています。
技術的なヒント： 現実世界の制御および安全哲学について考えるとき、日常的な（制御された）機器の停止と緊急時の即時停止との、微妙ですが重要な違いを認識せざるを得ません。緊急停止によりメインの回路ブレーカが作動する場合があります。また、緊急遠隔装置によるトリップが適切な場合もあります。
リスク分析およびUL 508Aコードの遵守については、本記事の範囲外です。
産業用途におけるシャントトリップ回路ブレーカの欠点
図1に示すPhoenix Contactのブレーカには、シャントトリップが作動したことを示す赤いフラグが付いています。ただし、この便利な機能はすべての製品には備わっていません。シャントトリップと過電流故障トリップを区別することは難しいので、微妙な曖昧さが発生してしまい、技術者が根本原因を調査する際に、トラブルシューティングにかなりの時間を要する場合があります。これは、PLCによるシャントトリップイベントの検出と記録によって軽減することができます。
また、ほとんどのシャントトリップブレーカは、制御電圧をかけることで作動します。そのため、断線による故障に対して脆弱です。
関連する例として、機器を停止するための押ボタンから得られる停止信号を考えてみましょう。ほとんどの場合、これらのボタンはノーマリクローズの接点で配線されているため、配線が断線すると機器が即座に停止します。これが一般的な故障によって機器がシャットダウンする、伝統的なフェイルセーフ哲学です。対照的に、ノーマリクローズの接点でスタートボタンを配線することは決してありません。
このフェイルセーフロジックに準拠するため、シャントトリップは制御信号の喪失時にトリップするように設計されます。これにより、断線や制御電源の喪失が発生した場合に、機械を確実に停止させることができます。残念ながら、このデフォルトのトリップ安全機構はめったに見られません。これは、スプリング装填機構を継続的に保持するために必要な消費電力が大きいためと考えられます。
技術的なヒント： 制御電圧の喪失時のフェイルセーフトリップオプションは、多くの大型回路ブレーカで利用可能です。例えば、前述のSiemensのブレーカには、低電圧保護装置3VA99780BB24をオプションで搭載可能です。
シャントトリップ回路は自己電源式で作動できますか？
この場合、「自己電源式」という用語はトリップ電圧が、トリップする回路ブレーカから得られることを意味します。はい、これは可能です。なぜなら、シャントトリップ電圧が失われる前の時点では、ブレーカはもう少しのところでトリップ（オープン）する状態に近づいてはいますが、まだクローズドの状態だからです。
ただし、これが妥当かつ安全運用であるかどうかを判断するには、完全なリスク評価を行う必要があります。ここでもまた、設計哲学に直面します。機械の操作は、あらゆる条件下で予測可能かつ一貫性があるべきである、という基本理念があります。
反例として、設計もシャントトリップの統合も不十分なマシンを考えてみましょう。では、次のような一連の不幸な事象を考えます。
- 工場が商用電源を失いました。
- 工場の予備発電機（750kVA）は、現在起動中および安定化中です。
- オペレーターは、マシンの回路ブレーカを作動させるために、緊急停止ボタンを押します。
- オペレーターは、緊急停止アクチュエータをリセットします。
- バックアップ発電機の回路ブレーカが閉じて、工場への電力が復旧します。
- 機器が突然動き出し、財産や身体に損傷を与えます。
この状況ではシャントトリップ保護装置よりも、電源が失われた時点で確実にブレーカが作動する低電圧保護装置の方がより適切な選択肢だったかもしれません。
一般的なシャントトリップ回路ブレーカの問題
このセクションでは、産業用途でシャントトリップ回路ブレーカを使用する際に発生する可能性のある問題をリストしています。
不適切な電圧
シャントトリップは、24V DCや、120、208、277、480V ACなどの一般的な制御電圧に対応しています。修理技術者は、シャントトリップ付属品のコイル電圧を確認する必要があります。不適切な取り付けは、（低電圧による）トリップの失敗またはシャントトリップコイルの破損を引き起こす可能性があります。
シャント電圧がまだ印加されている状態でリセットを試みる
この間違いは一度限りにしてください！
シャント電源がまだ供給されている場合、ブレーカは直ちにトリップします。これは、バネの張力が突然解放されたり、メカ部分が手に跳ね返ったりするため、衝撃的な経験となる場合があります。リスクを最小限に抑えるため、片手で操作し、ブレーカから頭を離してください。
外部電源からの危険性
シャントトリップは、制御パネルの外部電源から電力を供給することができます。
理想的な世界では、制御パネルには、外部電源の存在を示す明確なラベルと色分けがされています。しかし、必ずしもそうであるとは限りません。したがって、技術者は、パネルが露出している場合は常に適切な予防措置を講じる必要があります。状況を確実に確認し、ロックアウト・タグアウト（LOTO）の文書作成時には機器のグループ分けを正しく識別してください。
制御回路の断線およびその他の損傷
この危険性は重要なので、繰り返し説明します。シャントトリップは本質的にフェイルセーフではありません。したがって、ユニットを定期的にテストすることが非常に重要です。より大型の回路ブレーカを使用する極めて重要な用途では、低電圧保護装置を使用することが適切な場合があります。
あいまいなトリップ
シャントトリップによる緊急停止と過電流故障を区別することは困難です。注意深い技術者だけがその違いを発見し、適切な措置を講じることができます。
シャントトリップソレノイドの過熱
シャントトリップは、発生するのは数分の1秒の断続的な事象です。シャントトリップが自己電源式の場合、この事象はごく短時間です。しかし、シャントトリップが外部電源式の場合、コイルが長時間通電し、過熱の原因となる可能性があります。例えば、オペレーターが長期休暇に入る前に不適切なシャットダウンを行った場合の影響を考えてみましょう。デバイスのデータシートに記載されているデューティサイクルの推奨事項を確認してください。
おわりに
シャントトリップおよび低電圧保護装置は、有用な回路ブレーカの付属品です。これらの装置を工場の安全システムに組み込むべきかどうかを判断するために、必ずリスク評価を行ってください。
ご意見やご提案は、下記のスペースにご記入ください。
ご健闘をお祈りします。
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著者について
Aaron Dahlen氏、LCDR USCG（退役）は、DigiKeyでアプリケーションエンジニアを務めています。彼は、技術者およびエンジニアとしての27年間の軍役を通じて構築されたユニークなエレクトロニクスおよびオートメーションのベースを持っており、これは12年間教壇に立ったことによってさらに強化されました（経験と知識の融合）。ミネソタ州立大学Mankato校でMSEEの学位を取得したDahlen氏は、ABET認定EEプログラムで教鞭をとり、EETプログラムのプログラムコーディネーターを務め、軍の電子技術者にコンポーネントレベルの修理を教えてきました。彼はミネソタ州北部の自宅に戻り、このような記事のリサーチや執筆を楽しんでいます。