目指せ!電気主任技術者~解説ノート~

第一種電気主任技術者の免状保有者がまとめた電気主任技術者試験の解説ノートです。

電力系統の中性点接地の目的と方式

電力系統の中性点接地は,事故発生時における過電圧の抑制と保護装置の確実な動作のために接地されることが多い。

接地方式は,直接接地,抵抗接地,非接地に大別できるが,接地抵抗には系統特性に応じて,補償リアクトルや消弧リアクトルが併用される場合がある。

中性点接地の目的

電力系統の中性点接地の目的は,以下の 4 点が挙げられるが,系統設計の基本方針に応じて,これらの優先順位は異なってくるため,具体的な条件に基づいて,方式の選定と詳細設計を決定する必要がある。

  1. 送配電変電設備における地絡事故発生時の健全相電位上昇の抑制
  2. 地絡保護リレーの所要性能の確保
  3. 地絡事故時の故障電流の抑制と電磁誘導障害対策の確立
  4. 地絡過渡電圧電流の抑制,鉄共振・アーク間欠などの不安定現象の抑制

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中性点接地方式

中性点接地方式(neutral point connecting method)について説明する。

一線地絡時の健全相対地電圧の上昇が 1.3 倍以下になる接地方式を有効接地という。

直接接地方式

直接接地方式は,わが国の 187 [kV] 以上の系統*1に適用されているが,1 線地絡事故時の健全相電位上昇を小さく抑制することができ,絶縁設計,設備形成の合理化に優れている。

ただし,地絡事故時の故障電流が三相短絡電流と同様に非常に大きくなる場合があるため電磁誘導障害の検討が必要である。

直接接地方式は,下図に示すように三相変圧器の Y 結線の中性点を直接接地する。

図 中性点の直接接地方式

図 中性点の直接接地方式
直接接地方式の長所
  • 1 線地絡時の健全相電位上昇が小さいため,機器の絶縁レベルを低減できる。
  • 故障時の中性点電位が,ほぼ大地電位に維持されるため,段絶縁*2が採用できる。
  • 機器の絶縁レベルを低減できることにより,定格電圧の低い避雷器で保護ができる。
  • 1 線地絡電流が大きいため,故障検出が容易で,高速遮断が可能である。

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直接接地方式の短所
  • 1 線地絡電流が大きいため,通信線への電磁誘導障害が著しい。
  • 地絡故障に対する過渡安定度が低いため,高速遮断と再閉路方式の採用検討が必要である(地絡故障継続時間を極力短くする等)。
  • 1 線地絡電流が大きく自然消弧しないことから,故障点の損傷被害のおそれがあるとともに,遮断器の容量選定に注意が必要である。

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抵抗接地方式

抵抗接地方式(resistance-grounded system)は,非接地方式と直接接地方式の中間に位置付けられ,中性点を百アンペアから数百アンペアの電流が流れる抵抗器で,22 [kV] から 154 [kV] の電力系統の要所で接地し,地絡事故時の故障電流を抑制しつつ保護リレーの動作を確実にするとともに,事故時の健全相電位上昇を通常時の 1.73 倍程度以下に抑える方法である。

抵抗接地方式の長所
  • 直接接地方式と比較して 1 線地絡時の故障電流が小さく,通信線に対する誘導障害が少ない。
  • 1 線地絡時の健全相電位上昇が非接地方式と比較して小さい。
  • 小勢力地絡継電器により選択遮断できる。
接地抵抗方式の短所
  • 接地のための抵抗器が必要となる。
  • 直接接地方式と比較して健全相の電位上昇は大きくなり,機器の絶縁レベルを低減できない。
  • 接地抵抗が大きくなるほど地絡電流は小さくなるため,高感度の地絡継電器が必要となる。
  • 高周波による電磁誘導障害に対して注意が必要である。

消弧リアクトル接地方式

消弧リアクトル接地方式(resonant-grounded system)は,中性点に接続された消弧リアクトル(arc-suppression coil,インダクタンス $L$)により 1 線地絡故障点の電流 $\dot{I}_\text{e}$ を零近くまで減少させることにより,故障点アークを自然消滅させて送電を継続させる方式*3である。

実際には,地絡電流を誘導性にするため過補償にし,アーク消滅後の電圧回復を緩やかにしている。

発明者 Petersen 教授(ドイツ)にちなんで,ペテルゼン・コイル(略称 PC,ペコ)と呼ばれる。

消弧リアクトル接地方式は,1918 年ごろにドイツで実用化されて,アメリカで発達した直接接地方式と 2 分する代表的な中性点接地方式であった。

日本でも 1950 年代ごろまでは当時の主幹系統である 66 ~ 154 kV 系統で消弧リアクトル方式が多用されていた。

消弧リアクトル方式は 1 線地絡に対しては非常に好都合であるが,以下のような欠点もあった。

  • 2 線地絡は同地点同時地絡,または断線モードの事故などでは直列共振回路となってしまい,広範囲な異常電圧の原因ともなる。
  • 中核変電所に設置される 1 台の消弧リアクトルで一定の地域の放射状系統の線路キャパシタンスを補償するため,大系統になるに従いチューニングが難しく,またループ系統では適用が困難である。
  • 消弧リアクトルは一般に重要変電所の変圧器中性点に接続される。この変圧器が何らかの理由で遮断されると系統は中性点非接地となってしまい,絶縁協調上非常に危険であり,避雷器の破損や多重事故への進展に発展する可能性も非常に大きい。
  • 地絡検出用の差動保護リレー,方向距離リレーが適用できない。直接接地系では地絡検出の主保護・後備保護用として万能的役割を果たしている両リレー方式が適用できないことは致命的な欠点である。

以上の理由で,日本の 66 ~ 154 kV 系では 1960 年ごろから消弧リアクトルに代わって高抵抗接地方式に切り換えが進み,今日では PC 系は過去の技術となった。

並列抵抗投入方式

さらに異常電圧を防止し,保護継電器による故障区間の選択を確実にするため,消弧リアクトルと並列に中性点抵抗を併用する並列抵抗投入方式が採用されることがある。

非接地方式

非接地方式(ungrounded system)は,地絡事故時の故障電流が小さいなどの利点があるが,保護リレーの事故点選別能力が低く,また,健全相電位上昇も大きくなりやすいことから, 30 [kV] 程度以下の電力系統に適している。

非接地方式は,微弱電流接地方式とも呼ばれる。

通常,配電用変電所において配電線保護として零相電圧検出を行うため,零相電圧検出用の計器用変圧器が設置されており,その二次あるいは三次側 Δ 結線の開放端に地絡方向リレーの適正動作と異常電圧防止を兼ねて数十 [Ω] 程度の制限抵抗が接続されるので,一次側に換算すると 5 000 ~ 10 000 [Ω] の高抵抗接地となる。

非接地方式の長所
  • 接地のための設備は不要である。
  • 低電圧・短距離の電力系統では,1 線地絡時に永久地絡でない限りアーク地絡等は持続しないため,故障は自然に除去され,そのまま送電を続けられる機会が多い。
非接地方式の短所
  • 対地静電容量を無視すると,一線地絡時の健全相対地電圧が $\sqrt{3}$ 倍に上昇し,機器の絶縁を脅かす。
  • 低電圧・短距離の送電系統では 1 線地絡電流が小さいため高感度の地絡継電器が必要である。
  • 高電圧・長距離の送電系統では,1 線地絡電流が比較的大きくなり,永久地絡となることが多い。特に,間欠アーク地絡等が発生すると,高周波電気振動を伴う異常電圧・電流が発生することがある。

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参考文献

更新履歴

  • 2022年1月7日 新規作成
  • 2022年1月20日 中性点の直接接地方式の図を追加
  • 2022年2月19日 参考文献に「平成15年度 第一種 電気主任技術者 二次試験 電力・管理 問5」を追加
  • 2022年3月17日 参考文献に「電力系統技術計算の応用」を追加
  • 2022年4月23日 参考文献に「電力技術の実用理論 第3版~発電・送変電の基礎理論からパワーエレクトロニクス応用まで~」を追加し,ペテルゼン・コイルの説明を加筆。
  • 2022年5月22日 参考文献に「平成22年度 第一種 電気主任技術者 一次試験 電力 問4」を追加
  • 2022年7月30日 目次を追加,参考文献の過去問題の題目を追記
  • 2022年8月11日 参考文献に「平成26年度 第一種 電気主任技術者 一次試験 法規 問5」,「中性点接地方式 | 音声付き電気技術解説講座 | 公益社団法人 日本電気技術者協会」を追加,段絶縁の脚注を追加
  • 2022年8月13日 クリエを参考にリライト
  • 2022年8月28日 参考文献に「令和4年度 第一種 電気主任技術者 一次試験 法規 問3」を追加
  • 2022年9月10日 参考文献に「電気事業講座 電気事業辞典」を追加
  •  

*1:187 [kV],275 [kV] 及び 500 [kV] の電力系統。

*2:段絶縁(graded insulation)とは,絶縁強度を一様に施さず,変化させる絶縁方式をいう。例えば,直接接地方式の電力系統の変圧器では,電線路端の絶縁強度を特に強くし,中性点にいくにつれて弱くすることができる。

*3:消弧リアクトル接地方式は,中性点をリアクトルで接地し,そのインダクタンスと送電線の対地静電容量を並列共振させることにより,一線地絡時の故障点アークを自然消弧させるものである。