接地変圧器保護：110kV変電所における誤動作の原因と対策
中国の電力システムでは、一般的に6 kV、10 kV、35 kVのグリッドは中性点非接地運転モードを採用しています。グリッド内の主変圧器の配電電圧側は通常デルタ接続構成で接続され、接地抵抗を接続するための中性点が提供されません。
中性点非接地システムで単相接地障害が発生した場合、線間電圧三角形は対称なままであり、ユーザー操作への影響は最小限に抑えられます。さらに、キャパシティブ電流が比較的小さい（10 A未満）場合は、いくつかの一時的な接地障害が自己消滅し、電力供給の信頼性向上と停電事故の減少に非常に効果的です。
しかし、電力産業の継続的な拡大と発展により、この簡単な方法は現在の需要を満たすことができなくなりました。現代の都市電力グリッドでは、ケーブル回路の使用が増加し、キャパシティブ電流が大幅に大きくなっています（10 Aを超える）。このような条件下では、接地アークを確実に消去することはできず、以下の結果につながります：
単相接地アークの断続的な消滅と再燃により、振幅が4U（Uは最大位相電圧）またはそれ以上に達するアーク接地過電圧が長時間発生します。これは電気設備の絶縁体に深刻な脅威をもたらし、弱い絶縁部分での破壊を引き起こし、大きな損失につながる可能性があります。
持続的なアークは空気のイオン化を引き起こし、周囲の空気の絶縁を劣化させ、相間短絡の可能性を高めます。
フェロレゾナンス過電圧が発生し、ポテンシャルトランスフォーマー（PT）や避雷器を簡単に損傷させることがあります。重度の場合には、避雷器の爆発を引き起こすこともあります。これらの結果は、グリッド設備の絶縁に深刻な脅威を与え、電力システムの安全運転を脅かします。
上記の事故を防ぎ、接地障害保護の信頼性のある動作に十分な零相電流と電圧を提供するために、人工的な中性点を作成し、接地抵抗を接続する必要があります。このニーズに対応して、接地トランスフォーマー（一般的に「接地ユニット」と呼ばれます）が開発されました。接地トランスフォーマーは、接地抵抗とともに人工的に中性点を作成し、通常非常に低い抵抗値（通常5オーム未満）を持ちます。
また、その電磁特性により、接地トランスフォーマーは正序および負序電流に対して高いインピーダンスを示し、その巻線を通る小さな励磁電流のみを許可します。各コア肢には、反対方向に巻かれた2つの巻線セクションがあります。これらの巻線に等しい零相電流が流れるとき、同じコア肢上で低インピーダンスを示し、零相条件下での巻線の電圧降下を最小限に抑えます。
接地障害時には、正序、負序、零序電流が巻線を通過します。巻線は正序および負序電流に対して高いインピーダンスを示しますが、零序電流に対しては、同じ位相の2つの巻線が逆極性で直列に接続されます。それらの誘導起電力は大きさが等しく、方向が逆であるため、互いにキャンセルし合い、低インピーダンスを示します。
多くの用途では、接地トランスフォーマーは小さな接地抵抗を持つ中性点を提供するためだけに使用され、負荷を供給しません。そのため、多くの接地トランスフォーマーは二次巻線なしで設計されています。正常なグリッド運転時には、接地トランスフォーマーは基本的に無負荷状態で動作します。ただし、障害時には一時的に障害電流を流します。
中性点低抵抗接地システムでは、単相接地障害が発生すると、高度に敏感な零相保護が迅速に障害フィーダーを特定し、一時的に分離します。接地トランスフォーマーは、接地障害が発生してから零相保護が動作して障害を解消するまでの短時間のみアクティブになります。この間、零相電流は中性点接地抵抗と接地トランスフォーマーを通過します。
ここで、Uはシステム位相電圧、R1は中性点接地抵抗、R2は接地障害ループの追加抵抗です。
上記の分析に基づいて、接地トランスフォーマーの動作特性は、長期の無負荷運転と短期の過負荷能力です。
要約すると、接地トランスフォーマーは接地抵抗を接続するための中性点を人工的に作成します。接地障害時には、正序および負序電流に対して高いインピーダンスを示し、零序電流に対して低いインピーダンスを示し、接地障害保護の信頼性のある動作を可能にします。
現在、変電所に設置されている接地トランスフォーマーには以下の2つの目的があります：
変電所補助用の低電圧交流電力を供給する；
10 kV側に人工的な中性点を作成し、消弧コイルと組み合わせて、10 kV単相接地障害時のキャパシティブ接地障害電流を補償し、障害点でのアークを消去する。原理は以下の通りです：
三相電力グリッドの送電線全体には、相間および各相と地との間にキャパシタンスが存在します。グリッドの中性点が固接地されていない場合、単相接地障害時に障害相の相対地キャパシタンスはゼロになり、他の2相の相対地電圧は通常の位相電圧の√3倍に上昇します。この増加した電圧は安全のために設計された絶縁強度を超えることはありませんが、相対地キャパシタンスを増加させます。
単相障害時のキャパシティブ接地故障電流は、通常の各相キャパシティブ電流のおよそ3倍です。この電流が大きい場合、断続的なアークを引き起こしやすく、グリッドインダクタンスとキャパシタンスによって形成されるLC共振回路における過電圧が生じ、その大きさは位相電圧の2.5〜3倍に達します。グリッド電圧が高いほど、このような過電圧によるリスクも大きくなります。したがって、単相キャパシティブ接地故障電流が比較的小さい60 kV以下のシステムのみが接地されていない中性点で動作することができます。より高い電圧レベルでは、接地トランスフォーマを使用して中性点をインピーダンスを通じて接地する必要があります。
変電所の主トランスフォーマの10 kV側がデルタまたはスターネutral pointなしで接続され、単相キャパシティブ接地故障電流が大きい場合、接地トランスフォーマが必要となり、人工的な中性点を作成し、消弧コイルへの接続が可能になります。これにより、人工的な中性点接地システムが形成されます—これが接地トランスフォーマの主要な機能です。通常運転時には、接地トランスフォーマはバランスの取れたグリッド電圧に耐え、小さな励磁電流（無負荷状態）しか流しません。
中性点対地間の電位差はゼロ（消弧コイルからの微小な中性点移動電圧を除く）であり、消弧コイルには電流が流れません。仮にC相対地短絡が発生した場合、三相非対称性から生じる零次電圧が消弧コイルを通じて接地します。消弧コイル自体と同様に、誘導されたインダクティブ電流がキャパシティブ接地故障電流を補償し、障害点でのアークを消去します。
近年、ある地域の110 kV変電所で接地トランスフォーマ保護の誤動作が複数回発生し、グリッドの安定性に深刻な影響を与えています。これらの誤動作の根本原因を特定するために、誤動作の理由に関する分析が行われ、再発防止のための対応策が実施されました。他の地域にも参考となるようにしています。
現在、110 kV変電所の10 kVフィーダーではケーブル出線の使用が増加しており、10 kVシステムの単相キャパシティブ接地故障電流が大幅に増大しています。単相接地障害時の過電圧の大きさを抑制するため、110 kV変電所では接地トランスフォーマを設置し、低抵抗接地方式を実施し始めています。これにより、障害位置に基づいて選択的に零次電流保護が接地障害を分離し、アークの再燃と過電圧を防ぎ、グリッド設備への安全な電力供給を確保しています。
2008年から、ある地域のグリッドでは、110 kV変電所の10 kVシステムを接地トランスフォーマと関連保護装置を設置することで低抵抗接地に改造しました。これにより、10 kVフィーダーの接地障害を迅速に分離し、グリッドへの影響を最小限に抑えることが可能になりました。しかし、最近、同地域の5つの110 kV変電所で接地トランスフォーマ保護の反復誤動作が発生し、変電所の停電を引き起こし、グリッドの安定性に深刻な影響を与えています。したがって、原因の特定と是正措置の実施が地域のグリッドセキュリティを維持するために不可欠です。
1. 接地トランスフォーマ保護誤動作の原因分析
10 kVフィーダーで接地短絡障害が発生した場合、110 kV変電所の障害フィーダーの零次保護が最初に動作し、障害を分離するべきです。これが正しく動作しない場合、接地トランスフォーマの零次保護がバックアップとして動作し、母線連絡ブレーカーと主トランスフォーマの両側をトリップして障害を分離します。したがって、10 kVフィーダー保護とブレーカーの正確な動作は、グリッドの安全性にとって重要です。5つの110 kV変電所での誤動作の統計的分析によると、主な原因は10 kVフィーダーが接地障害を正しくクリアできないことです。
10 kVフィーダー零次保護の原理：
零次CTサンプリング → フィーダー保護動作 → 回路遮断器トリップ。
この原理から、零次CT、フィーダー保護リレー、および回路遮断器は、正確な動作のための重要なコンポーネントです。以下では、これらの観点から誤動作の原因を分析します：
1.1 零次CTの誤差による接地トランスフォーマ保護の誤動作。
10 kVフィーダーの接地障害時に、障害フィーダーの零次CTが障害電流を検出し、その保護が障害を分離します。同時に、接地トランスフォーマの零次CTも障害電流を感知し、保護を開始します。選択性を確保するため、10 kVフィーダーの零次保護は接地トランスフォーマ保護よりも低い電流設定と短い時間設定で設定されています。電流設定：接地トランスフォーマ—一次75 A、1.5秒で10 kV母線連絡トリップ、1.8秒で10 kV自動切替ブロック、2.0秒でトランスフォーマ低圧側トリップ、2.5秒で両側トリップ；10 kVフィーダー—一次60 A、1.0秒でブレーカートリップ。
しかし、CTの誤差は避けられません。接地トランスフォーマCTに-10%の誤差があり、フィーダーCTに+10%の誤差がある場合、実際の動作電流はそれぞれ67.5 Aと66 Aになります—ほぼ等しい値です。時間設定だけに頼ると、10 kVフィーダーの接地障害が接地トランスフォーマの零次過電流保護を早まったタイミングでトリップさせる可能性があります。
1.2 適切でないケーブルシールド接地による誤動作。
110 kV変電所の10 kVフィーダーでは、EMI軽減の一般的な方法として、シールド付きケーブルを使用し、両端でシールドを接地します。零次CTは、開閉機の出力端子周りに設置されたトロイダルタイプです。接地障害時に、アンバランス電流がCTに信号を誘導し、保護を動作させます。しかし、両端接地の場合、シールド内の誘導電流も零次CTを通過し、偽の信号を作り出す可能性があります。適切な対策がないと、これはフィーダー零次保護の精度を損なう可能性があり、接地トランスフォーマのバックアップトリップを引き起こします。
1.3 10 kVフィーダー保護の失敗による誤動作。
現代のマイクロプロセッサベースのリレーは性能が向上していますが、製造元の品質や放熱の問題が依然として存在します。障害統計によると、10 kVフィーダー保護の電源モジュール、サンプリングボード、CPUボード、およびトリップ出力モジュールが最も故障しやすいです。未検出の障害は保護拒否を引き起こし、接地トランスフォーマの誤動作を引き起こす可能性があります。
1.4 10 kVフィーダーのブレーカー故障による誤動作。
経年劣化、頻繁な操作、または品質上の問題により、特に制御回路において10 kVスイッチギアの故障が増加しています。開発途上地域では、古いGG-1Aスイッチギアがまだ使用されており、接地障害率が高いです。零相保護が正しく動作しても、ブレーカーの故障（例えばトリップコイルが焼損して動作しない場合）によって接地トランスフォーマーが誤動作します。
1.5 2つの10 kVフィーダーでの高インピーダンス接地障害（または深刻な単一の高インピーダンス障害）による誤動作。
2つのフィーダーで同じ位相の高インピーダンス接地障害が発生すると、個々の零相電流は60 Aのトリップ閾値を下回る可能性があります（例えば40 Aと50 A）。このため、フィーダー保護は警報にとどまります。しかし、合計電流（90 A）は接地トランスフォーマーの設定値75 Aを超えるため、早期トリップが発生します。全ケーブルの10 kVフィーダーでは、通常の容量電流は12〜15 Aに達することがあります。単一の深刻な高インピーダンス障害（例えば58 A）と通常の容量電流の合計は75 Aに近づきます。システム振動が発生しやすく、接地トランスフォーマーの誤動作を引き起こす可能性があります。
2. 接地トランスフォーマー保護の誤動作を防ぐための措置
上記の分析に基づいて、以下の措置を推奨します：
2.1 CTエラーによる誤動作を防ぐため
高品質な零相CTを使用する；設置前にCT特性を厳密にテストし、5%以上の誤差があるものは拒否する；保護の拾い上げ値を一次電流に基づいて設定する；一次注入テストで設定を確認する。
2.2 間違ったケーブルシールド接地を防ぐため
ケーブルシールド接地導体は、零相CTを通って下方に通さなければならない。ケーブルトレイから絶縁されなければならない。CTを通過する前に接地接点を持つべきではない。一次注入テストのために金属端子を露出し、残りの部分を確実に絶縁する。
シールド接地点がCTよりも下にある場合、導体はCTを通るべきではない。シールド接地導体をCTの中央を通さないようにする。
リレー保護とケーブルチームがCTとシールド接地の設置方法を完全に理解できるように技術トレーニングを強化する。
リレー、運用、およびケーブルチームによる共同検査を強化する。
2.3 フィーダー保護の故障を防ぐため
信頼性の高い保護装置を選択する；老朽化または頻繁に故障する装置を交換する；メンテナンスを強化する；空調と換気設備を設置して高温動作を防止する。
2.4 フィーダーブレーカーの故障を防ぐため
信頼性の高い成熟したスイッチギアを使用する；古いGG-1Aキャビネットを段階的に廃止し、密封型、バネ式またはモータ駆動型に切り替える；制御回路を維持する；高品質のトリップコイルを使用する。
2.5 高インピーダンス障害による誤動作を防ぐため
零相警報が発生したらすぐにフィーダーを巡回し修理する；フィーダー長を短縮する；相間負荷をバランスさせることで通常の容量電流を最小限に抑える。
3. 結論
地域網における接地トランスフォーマーと関連保護装置の設置が構造と安定性を改善する一方で、繰り返される誤動作事例は不利な影響に対処する必要性を浮き彫りにしています。本論文では、接地トランスフォーマー保護の誤動作の主な原因を分析し、対策を提案することで、既に設置しているまたは設置を計画している地域に指導を提供します。
