地絡(方向)継電器〜零相の変化で検出〜

受電・変電

1.電気事故は様々

このサイトではこれまでにいくつかの記事で、電気事故の発生や防止,保護について解説しています。例えば短絡と漏電の記事では電気事故における大きなふたつのモードについて解説しています。また、過電流継電器~高圧受変電保護(遮断器連携)~の記事では高圧における過電流発生時の保護について解説しています。

となると、高圧の(漏電)地絡事故について解説しないわけにはいきません。地絡(漏電)は直接人体に影響を及ぼし、また火災の原因にもなりうる非常に危険な現象であることは先に紹介の記事中でも述べています。これが高圧で発生ともなると、過電流の発生時同様にその危険性は格段に上がります。

ですので高圧での地絡に関しても、当然のことながらきっちり保護する必要があります。

この記事では高圧の地絡事故発生時の保護について解説します。

2.検出と遮断は別の機器

先にも出てきました、過電流継電器~高圧受変電保護(遮断器連携)~の記事では、過電流の検出と遮断命令を過電流継電器で実行し、遮断動作を遮断器で実行するということでした。

地絡時の保護においてもこのことは共通となります。「地絡の検出および遮断の指令出力」と「検出時の遮断実行」は別々の機器により実行されます。検出と指令出力においては「地絡継電器」また「地絡方向継電器」という機器で実行され、遮断動作は主に「高圧交流気中負荷開閉器」や「高圧交流ガス負荷開閉器」または「遮断器」という機器が実行することとなります。

地絡過電流継電器は「GR」,地絡方向継電器は「DGR」という略称でよばれることもあり、高圧交流負荷開閉器は気中のものが「PAS」,ガス封入のものが「PGS」という略称でよばれることがあります。遮断器に関してはすでに過電流継電器~高圧受変電保護(遮断器連携)~の記事でも説明していますが、電路遮断を真空中で行う「VCB」や空気中で実行する「ACB」などがあげられます。

以降では、地絡を検出し遮断の指令出力をするための機器について解説します。

3.地絡継電器

高圧の地絡を検出する機器に「地絡継電器」というものがあります。検出するのは文字どおり「地絡」です。「Grand Relay」の頭文字をとって「GR」という略称でよばれることもあります。地絡は一般的には「漏電」ともいわれ、その現象としては、想定や設計されたルート以外に電気エネルギーが漏洩するというものです。短絡と漏電にも解説がありますのでこちらもあわせて参考にしてください。

地絡継電器は地絡の検出と開閉器や遮断器への遮断指令を出力するまでの機器となり、事故系統の遮断を直接的に実行するわけではありません。指令出力までということについては過電流継電器と同様です。

1)地絡でも保護協調

地絡事故についても保護協調という考え方は重要事項となります。需要家内で地絡事故を検出した場合、電気的上位の保護継電器より早く反応すべきであり、事故系統と関係のない他の需要家を停電に巻き込む「波及事故」に至らないようにする必要があります。

そのためには、地絡継電器が如何にして地絡を検出するのかということや後述の整定値,動作特性をよく理解しておく必要があります。

2)ZCT(零相変流器)

地絡を検出するためにはZCT(零相変流器)という専用の変流器を使用する必要があります。ZCTは、負荷電流を計測するためのCT(変流器)に対して電流計測原理こそ同じではあるものの、計測範囲や使い方(設置方法)に違いがあるものとなります。

最も顕著な違いはZCTへの貫通方法にあり、単相交流では2線,三相交流では3線をまとめて貫通させるところにあります。また、低圧の回路では接地線を貫通させる場合もあります。

2線や3線をまとめて貫通させることで、機器の名称にもある「零相電流」という電流を測り取ることが可能となります。零相電流というのは電気回路上の往路と復路の電流の差になります。キルヒホッフの法則では流入電流の和と流出電流の和は等しい(電流則)ということが説明されていますが、これは電気回路上の往路と復路にも同じことが言えます。負荷を境界に往路を流入側、復路を流出側と仮定した場合に正常な回路であれば負荷がいくつ接続されていても双方の電流値の和は理論上等しくなります。そして電流の向きだけが逆になります。このことをまとめると正常な回路においては往路の電流値と復路の電流値のベクトル和は「0」となります。2線であっても3線であっても電路の往路と復路をベクトル合成した電流の差を「零相電流」といいます。

ZCTでは零相電流を逆手に取るかたちで地絡検出に利用します。具体的には以下に説明するとおりです。

もしも回路上のどこかで地絡が発生した場合、往路の電流値と復路の電流値は等しくはなりません。地絡点から電流が漏洩し、復路では返ってこないのでその分だけ差が生じるということです。

つまり零相電流が「0」ではない状態として計測されるということです。

この零相電流を測り取ることが可能な変流器を零相変流器といいます。

地絡を検出し電路を開放するためには必ずZCTが必要となります。

3)地絡電流の検出

地絡継電器で地絡事故が検出された場合、この継電器から接点動作によって電路の遮断指令が出力されます。地絡の検出自体は前述のZCTからの信号を基準値と照らし合わせることで地絡継電器が判断します。

では、どのような基準に対して地絡継電器はZCTからの信号を地絡として検出するのでしょうか。ここで「動作特性」と「整定値」という要素が必要になります。やはり過電流継電器と同様ですね。というよりも、動作特性は低圧用の遮断器にも存在するものであり、その一部では整定値と同様に「感度」設定などの機能を有します。

以降、地絡継電器における動作特性と整定について解説します。

4)動作特性

地絡継電器の動作特性についてはJIS規格にて以下のように規定されています。

表を満足する特性曲線が以下になります。細かなところでは相違があるかもしれませんが、たいていは図のような特性の曲線になります。

縦軸は「動作時間」となり横軸は「電流整定値倍数」となります。

地絡継電器のトリマで整定した電流値の何倍(何パーセント)にあたる地絡電流が生じたかにより、動作までの時間が決定づけられることを表現しています。

ポイントは、整定値倍数が「1.3」で「0.1[sec]」~「0.3[sec]」,「4」で「0.1[sec]」~「0.2[sec]」の範囲で動作すべきというところにあります。

5)零相電流値整定

地絡継電器では動作特性の横軸である電流値倍数の基準値となる零相電流値を整定する必要があります。この電流値整定で具体的にどれくらいの地絡電流で遮断指令を出力するのかが決まります。

多くの地絡継電器では0.1~0.6[A]の範囲で整定が可能となっています。整定においては、もちろん保護協調を最優先に考慮した値としてください。一般電気事業者(電力会社)が0.6[A]で整定している場合に、電気的下流に位置する需要家の地絡継電器でも0.6[A]で整定すると地絡事故の発生時にどちらの継電器も反応してしまうおそれがあり、不必要な電路の遮断動作を招きます。これでは保護協調がとれているとはいえません。

整定値に関して、原則的には0.4[A]以下とし特別な理由が無いのであれば0.1~0.2[A]であることが望ましいです。

なお、一例として整定値0.2[A]とした場合に、地絡事故の発生により実際に0.8[A]の地絡電流が生じたとします。このとき地絡継電器はどれくらいの動作時間で遮断指令を出力するのでしょうか。簡単に説明すると、まず、発生した地絡電流が整定値の何倍にあたるかを計上します。倍数を「α」とすると、α=0.8/0.2=4で、4倍が計上されます。

これを動作特性に当てはめると、地絡継電器は0.1~0.2[sec]の範囲で遮断指令を出力することになります。

6)引き外し方式と接続方法

地絡継電器の接続方法について説明します。取扱説明書では過電流継電器との併用における接続図となっていることが多く、少し複雑な見た目になっています。特に電流引き外し方式における接続図は非常にややこしいです。しかし冷静に落ち着いて回路をたどると理解できます。特に三菱電機製の地絡継電器における図では、動作時の回路形成の説明も付与されていて非常にわかりやすくなっています。

筆者が受変電における保護について考える場合ではありますが、地絡継電器と過電流継電器を併設し同一の遮断器にて事故時の保護をねらうとき、電圧引き外し方式を用いたうえでトリップ用コンデンサを使用します。

遮断器に関する特徴などの説明は  過電流継電器~高圧受変電保護(遮断器連携)~の記事にあります。これについて知りたいという場合はこの記事を参考にしてください。

①電流引き外し方式

地絡継電器の電流引き外し方式は以下の図のようになります。前述のとおり、非常に複雑な結線になります。

注意点として、地絡継電器各端子の名称はメーカーによって違いますので選定の継電器に合わせて読み替えてください。また、地絡継電器内部は接点のみを図示します。演算回路等は記載しておりませんので誤解の無いように注意してください。

②電圧引き外し方式

地絡継電器の電圧引き外し方式は以下の図のようになります。電流引き外し方式よりも幾分かはわかりやすい結線になっています。

注意点は先の電流引き外し方式と同様です。

7)もらい事故

ここまで、地絡継電器の検出動作と整定について解説してきましたが、地絡継電器には一部どうしても免れることができない不都合な点があります。その不都合な点は「もらい事故」というものです。

もらい事故というのは、ある需要家の地絡事故に電源系統を同一とする近隣の別の需要家が巻き込まれることをいいます。「もらい」という表現ですので、視点は巻き込まれた需要家です。もっと具体的にいうと、別の需要家でおきた地絡事故の地絡電流の影響で事故点とは異なる健全な需要家の地絡継電器が反応してしまい、電路を遮断して受電を止めてしまうというものになります。

なぜ、このようなことになるのでしょうか。それには地絡電流の検出方法と電路における絶縁電線やケーブルのもつ対地静電容量という特性が原因となります。

単純に零相電流を検出するのみの場合で考えます。ある需要家で地絡が発生したとき、当該需要家の地絡事故点から大地へ向かって流出した電流が別の需要家の対地静電容量の影響にてZCTをくぐってしまうという可能性が生じます。この場合、向きこそ違うものの零相としての電流をZCTが計測してしまうこととなります。そして本来開路する必要のない需要家の電源が断たれるということになるのです。

以下の図は需要家Aの地絡事故を需要家Bがもらってしまう例となります。

4.もらい事故の防止

ここまで地絡の発生時にこれを検出して電路を開放するための方法について、零相電流やその検出器であるZCTをはじめとした仕組みについて解説しました。そしてこれには地絡継電器が作用し遮断指令を出力することも説明しています。

さらに、地絡継電器における弱点も明確になりました。この弱点とはもらい事故による不必要動作です。本来ならば電源供給が断たれる必要が無いにも関わらず電路が開放してしまうなんていうことは、なんとしても防ぎたいところです。このための方法など存在するのでしょうか。

ここからはそのようなもらい事故を防止しつつ地絡事故発生時の保護をする方法について解説します。

1)地絡方向継電器

もらい事故の防止に関しまして、解決手段の結論を述べます。この項の見出しにもありますが、「地絡方向継電器」の利用がもらい事故防止のための手段となります。この継電器は地絡保護を目的としつつ、別の需要家での地絡による影響を受けないという優れた継電器になります。

ある需要家にて地絡が発生した場合において、確実な接地が施されていることを前提に地続きの近隣は電気的に接続されるも同様です。もちろん地絡発生点からの距離や地盤の状態も影響します。

地絡は大地に対しての電流発生となります。このとき接地線を介して電気的に接続された健全な需要家が地絡発生の需要家の影響を受けないようにするのは一見不可能なようにもみえます。

果たしてどのような原理により構内の地絡を監視しつつ他需要家の影響を排除しているのでしょうか。これに関して解説をしていきます。

①零相電流の向きに注目

地絡のもらい事故について防止する方法に地絡方向継電器を利用するということですが、なにをもって構内の地絡ではないと判断するのでしょうか。

今一度地絡によるもらい事故時の電流分布をみてみます。

ここでひとつ気づくことがあります。実際に地絡の発生した需要家Aともらい事故の可能性がある需要家Bの各々のZCTに生じる零相電流ではその総量による向きが明らかに逆になっています。これはもらい事故にある大きな特徴であると言えます。

図に示す瞬間において、地絡の発生源となる需要家AではZCTを通る零相電流は負荷側へと流出するのに対し、もらい事故の可能性がある需要家BではZCTを通る零相電流が電源側へと流入しています。

地絡方向継電器ではこの差をうまく利用して地絡事故が自回線によるものかそうでないかを判別しています。

②零相電流と零相電圧のベクトル

地絡が発生した場合、ある瞬間における零相電流の発生はその瞬間の電圧とあわせて見比べることで当回線に原因があるものか別回線に原因のあるものかがわかります。それを表すベクトル図が以下になります。

 

③零相電圧検出器(ZPD)

零相電流と零相電圧のベクトルがもらい事故防止のきっかけになりそうであるということですが、その零相電圧をどのようにして検出するのでしょうか。

これを目的としてつくられた機器に「零相電圧検出器」というものがあります。そのままの機器名ですね。これは「ZPD」ともよばれ、地絡事故時に生じる零相電圧というものを検出することが可能な機器です。

これは地絡時の各相の電圧を測りとるためのコンデンサ3[基]に「変換器」や「トランス箱」とよばれる地絡電圧検出用のコンデンサが1[基]に信号用変圧器を収めた箱の組み合わせによって構成されます。

型式によっては検出用のコンデンサが存在せず、代わりにバリスタと信号用変圧器で組まれたものもあります。

高圧6600[V]の場合のコンデンサの容量は、一般的には各相用が250[pF]で検出用が0.15[μF]となっています。

これらコンデンサにより地絡時の電圧は分圧され、検出が可能ということになります。

④動作域,不動作域

ZPDにより零相電圧が検出され、さらにZCTにて零相電流が検出されたならば、その両者の位相差をみることで地絡が自回線で発生したものか他回線で発生したものかを判別することが可能となります。零相電圧の逆ベクトルに対する電流ベクトルが、正負方向において同一である場合、これを自回線の地絡事故であると判断するということです。

各メーカーの地絡方向継電器では零相電圧の逆ベクトルを基準(0[°])とした位相範囲が定められ、この範囲に電流ベクトルが現れる場合を自回線の地絡事故と判断します。

また、ベクトルの大きさも閾(しきい)値により判別しています。一般的には「5%」という値が用いられます。これは完全地絡が発生したときの零相電圧に対する値であり、6600[V]の系統で一線が完全地絡した時の零相電圧は約3810[V]となります。

5%はこの完全一線地絡時の零相電圧である3810[V]に掛かってきますので、値としては約「190[V]」となります。これにより地絡方向継電器は零相電圧大きさ,零相電流の大きさ,零相電圧に対する零相電流向きを総合的に判定し電路を遮断するための指令を出力するか否かを決定します。

自回線の地絡事故と判断する範囲を「動作域」,それ以外を「不動作域」とよびます。

2)遮断器との結線

では、実際に地絡方向継電器と遮断器の結線についてみていきます。

先の地絡継電器と過電流継電器の結線でも複雑に見えましたが、地絡方向継電器と過電流継電器の組み合わせでは、ZPDも加わることでさらに複雑になります。

接続の例を以下に記載します。

①電流引き外し方式

地絡方向継電器の電流引き外し方式は以下の図のようになります。地絡継電器のときよりもさらに複雑な結線になります。

ここの注意点も地絡継電器のときと同様です。各端子の名称はメーカーによって違いますので選定の継電器に合わせて読み替えてください。また、継電器内部は接点のみを図示します。演算回路等は記載しておりませんので誤解の無いように注意してください。

②電圧引き外し方式

地絡方向継電器の電圧引き外し方式は以下の図のようになります。比較的わかりやすいはずの電圧引き外し方式ですがこれもやはり複雑化しています。

注意点はこれまで同様です。

3)こう長で選定

ここまで、もらい事故を防止するための考え方と結線方法について説明しましたが、地絡方向継電器が存在する以上、地絡継電器はもはや出番が無いような気がしてしまいます。

地絡保護を目的とするとき、方向までみる必要の有無はどこで決まるのでしょうか。

これは、ケーブルの長さに依存します。ただし、単純にケーブル長だけを考えれば良いというわけではありません。対地静電容量から導かれるケーブルの長さということになります。

例として、電圧6600[V],CVT100[mm3],地絡継電器の整定値を200[mA]とした場合で考えると、124[m]以上でもらい事故をはじめとする不必要動作の可能性がでてきます。

そしてケーブルが長くなればなるほど不必要動作の可能性は上がっていくということを意味します。

このことから非常に短いケーブルで敷設された限られた範囲であれば地絡継電器でも保護できるかもしれませんが、そうでない限りは地絡方向継電器を選定することが無難です。

6.難しい機器?

この記事では高圧において、地絡継電器や地絡方向継電器を使用した地絡事故時の保護について説明しました。繰り返しになりますが、地絡は直接的に人体に影響を及ぼすリスクがあり、これが高圧ともなるとその危険度は極端に跳ね上がります。

もちろん、火災による財産への被害リスクも跳ね上がります。そして他需要家への影響も発生します。

残念ながら地絡事故が発生してしまった場合、即座に系統の保護を実行したいところです。

そのためにはまず保護継電器を設置する必要があり、正しく整定したうえで運用する必要があります。さらに点検でもその結果を正しくよみ解き、より的確に更新等を実施していく必要があります。

ですが、これらを実行するにはそれに応じた知識を求められます。決して簡単な機器ではありませんので理解に苦労します。少なくとも筆者は苦労してしまいましたし、まだ完全に理解できたとも言えません。

それでも間違った選定や運用にならないようにさらなる知識習得とともに経験を積み上げていきます。

今後ともよろしくお願いします。

発電のためのエネルギー算出や送電に関する詳しい解説はもちろん、変圧器の使用における解説などを余すところなく説明しています。普段イメージしにくい部分もスッキリ理解できるでしょう!

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