蓄電池設備の新設工事で、直流分電盤にひとまず手元にあったAC用の配線用遮断器を仮設として組み込んだ、という話を聞くことがある。図面上のATもAFも足りている。電圧の数字も見た目には収まっている。だから「動くだろう」という判断は、そう非常識なものには見えない。
ところが試運転で負荷を落としてみると、様子がおかしい。ハンドルはちゃんとトリップ位置まで動いている。なのに接点のあたりから明るい光が伸び続け、しばらくして盤内の絶縁物に焦げの跡が残る。ブレーカーは「切る」という動作そのものはやってのけたはずだった。それなのに、なぜ交流の回路では起きないはずの損傷が出るのか。
答えは、ブレーカーという機器そのものの良し悪しにはない。交流と直流という、電流の性質の違いのほうにある。
「電流を止める」は同じでも、アークの消え方が違う
配線用遮断器が電流を遮断するとき、接点が開いた瞬間に電流がぴたりと止まるわけではない。接点間にはアークと呼ばれる放電が生じ、これが引き伸ばされ、冷却されて、ようやく電流がゼロになる。配線用遮断器の基本構造そのものは、日本電気技術者協会(JEEA)の解説にある通り、消弧装置(グリッド)がこのアークを引き伸ばし・分割・冷却して遮断するという仕組みで交流も直流も変わらない。
違うのは、その先だ。電気学会の用語解説は、交流回路には周期的な電流ゼロ点が存在し、ゼロ点で内部の絶縁が確保できていれば大電流を遮断できると説明する。交流は1秒間に何十回も、電流の向きが反転する瞬間に自然と電流値がゼロになる。この一瞬をブレーカーがつかまえてしまえば、あとは絶縁さえ保てば電流は戻ってこない。いわば交流には、遮断を手伝ってくれる「休符」が周期的に訪れる。
直流にはこの休符がない。同じ解説は、直流回路には電流ゼロ点が存在しないため、電路を開閉するだけでは大電流を遮断できないと述べている。電流は向きを変えずに流れ続けようとする。接点を開いてアークが立っても、そのアークを積極的に引き伸ばし、電圧を高め、電流を維持できなくなるところまで追い込まない限り、電流はいつまでも切れない。交流用の遮断器を直流回路に流用すると起きがちな「切れたはずなのに焼ける」現象は、この休符の有無を織り込んでいない構造が、直流というアークの持続しやすい相手と噛み合わなかった結果だと言える。
直流用ブレーカーの工夫——磁石でアークを追い込む
では直流用のブレーカーは、この休符のない電流をどう追い込んでいるのか。三菱電機FAが直流電磁接触器(DU-Nシリーズ)について公開している解説が、その発想をよく示している。直流回路は交流に比べて負荷電流の遮断が困難であるため、各主接点に永久磁石を設け、この磁石の力でアークを消弧機構の方向へ強制的に駆動させて遮断性能を高めているという。
これは、アークが自然に消えるのを待つのではなく、磁力という別の力を借りてアークを追い立てる発想だ。磁石が生み出す駆動力の向きは、磁束の向きとアーク(電流)の向きの組み合わせで決まる。だからこそ主回路の極性は、磁石の極性に合わせて固定しておく必要がある——同じ解説はそう続けている。直流用の開閉機器に極性表示(＋・－)が付いているのは、デザイン上の都合ではない。磁石とアークの向きを正しく噛み合わせるための、遮断性能そのものに関わる指定だ。極性を逆に接続すれば、この駆動力はかからず、アークは追い立てられないまま接点間にとどまり続けることになる。
同じ型番でもAC定格とDC定格が別々に書かれている理由
この「遮断の難しさの差」は、規格の数字にもそのまま反映されている。JIS C 8201-2-1は、定格電圧が交流1000V以下または直流1500V以下の回路遮断器について規定している。一つの規格の中に、交流の枠と直流の枠が並んで存在している格好だ。
だから、外形が同じフレームの製品でも、カタログの定格表には交流の定格電圧・遮断容量と、直流の定格電圧・遮断容量が別々の数値として並ぶ。数字が近いから同等だろう、と読み飛ばしてよい欄ではない。交流のほうが遮断しやすい以上、同じ物理的な接点・消弧装置を使っていても、直流側の許容電圧や遮断容量は交流側よりも厳しく制限されるのが通例だ。
この違いは、実際の運用ルールにもそのまま表れている。三菱電機FAのFAQは、交流用遮断器を直流回路に使用すると、直流用遮断器と消弧室の構造などが異なるために短絡電流が切れない場合があり、さらに引き外し装置の仕様差によって過電流でも動作しない機種があると明記している。逆方向、つまり直流用を交流回路に使う組み合わせも推奨されていない。動作特性が変化し、負荷機器によっては電源投入時に不要動作するおそれがあるという。富士電機機器制御のFAQも、交流で調整されたブレーカを直流で使用すると動作特性が変化するとして、直流負荷には直流用の使用を推奨している。AC用とDC用は、見た目が似た同じ「配線用遮断器」という製品カテゴリの中にあっても、どちらの向きに流用しても好ましくない、別の設計思想で作られた機器だということになる。
太陽光・蓄電池設備での実務上の注意点
太陽光発電や蓄電池の直流回路は、この「直流の遮断の難しさ」がそのまま実務の注意点として立ち上がってくる場面だ。
一つは、想定される直流電圧が季節や気象条件で動くという点である。太陽光発電協会(JPEA)の設計資料は、太陽電池の直列接続数を決めるにあたって、低温時に上昇する開放電圧がパワーコンディショナの最大許容入力電圧を超えないよう考慮する必要があると説明している。太陽電池の電圧は気温が下がるほど高くなる性質を持つため、真夏の穏やかな電圧だけを見て直列枚数やブレーカーの定格電圧を決めると、真冬の朝方に想定より高い電圧がかかることになりかねない。ブレーカーの定格電圧は、常温時の動作電圧ではなく、その回路で起こり得る最大電圧を基準に選ぶ必要がある。
もう一つが、ここまで見てきた極性の問題だ。直流用のブレーカー・開閉器は、内部の消弧機構が特定の電流の向きを前提に設計されているものが多い。太陽電池アレイやバッテリーの＋－を逆に接続したまま遮断器を通してしまうと、想定していた消弧の駆動力が働かず、遮断性能そのものが設計値を下回るおそれがある。施工段階での極性確認は、感電・逆流防止という観点だけでなく、遮断器が本来の性能を発揮できるかどうかを左右する確認事項でもある。
富士電機機器制御は、太陽光発電設備や蓄電池設備など直流回路専用に設計されたブレーカを、DC250V・350V・400V・500V・600V・750V・1000Vという段階の定格電圧、32AFから3200AFまでの幅、1極から4極までの構成でラインアップしている。極数が複数用意されているのは、直流回路では＋線・－線の両方を遮断する構成が求められる場面があるためだ。既設設備の更新や新設設計では、この定格電圧・極数・極性表示の組み合わせを、AC用の感覚で「電圧とアンペアが合っていればよい」と読み飛ばさず、直流回路専用のカタログ欄で個別に確認する必要がある。
選定時の確認事項
直流回路にブレーカーを選ぶ、あるいは既設のものを更新する際に確認しておきたい点を整理する。
- AC用ではなくDC用として設計された品種であることの確認：型番・カタログの「直流専用」「DC定格」表記を確認する。AC定格しか記載のない品種を直流回路へ流用しない。
- 想定される最大直流電圧の確定：太陽光であれば低温時に上昇する開放電圧、蓄電池であれば満充電時の電圧まで見込んだ上で、ブレーカーのDC定格電圧を選ぶ。
- 極性表示の確認と正しい接続：＋・－の表示に従って接続する。極性を誤ると消弧機構の駆動力が働かず、遮断性能が発揮されないおそれがある。
- 極数の確認：直列接続された太陽電池や蓄電池の＋線・－線の両方を遮断する構成が必要かどうかを、単線結線図から判断する。
- 既設更新時のAT・AF・極性・DC定格遮断容量のすべての一致確認：AT・AFが合っていても、極性表示や直流遮断容量まで旧型と同等であることを個別にカタログで照合する。
季節による電圧変動も、極性の向きも、盤の設置環境によって条件が変わる。カタログの数値だけで判断がつかない場合は、単線結線図や現地の測定値をもとに、メーカーまたは電材の専門商社へ相談したほうが早い。
冒頭の盤のその後を考えてみる。あのとき組み込まれていたのが、AC用ではなくDC定格を持つ品種で、極性表示のとおりに接続されていたなら、同じ試運転でも接点まわりの景色はまったく違っていたはずだ。電流を止めるという同じ仕事の中に、交流には自然に訪れる休符があり、直流にはそれがない。この一点の違いを踏まえて選ぶかどうかが、盤の中でアークが素直に消えるか、居座り続けるかを分けている。
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