接地変圧器保護の誤動作原因分析
中国の電力システムでは、一般的に6 kV、10 kV、および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で、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です。さらに、容量電流が比較的小さい（10 A未満）場合、一部の一時的な接地障害は自己消滅し、これにより電力供給の信頼性が向上し、停電事故が減少します。
しかし、電力産業の継続的な拡大と発展とともに、このシンプルな方法は現在の要求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、容量電流が大幅に高まり（10 Aを超える）ています。このような条件下では、接地アークは確実に消滅せず、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、アーカーグラウンド過電圧が発生し、その振幅は最大4U（Uはピーク相電圧）またはそれ以上となり、長時間持続します。これは電気設備の絶縁に深刻な脅威となり、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。
持続的なアークは周囲の空気をイオン化させ、その絶縁特性を低下させ、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、電圧変圧器や避雷器を容易に損傷させる可能性があり、さら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の完全性を深刻に危険に晒し、全体の電力システムの安全な運転を脅かします。
このような事象を防ぎ、十分な零相電流と電圧を提供して接地障害保護の信頼性を確保するためには、接地抵抗を接続できるように人工的な中性点を作成する必要があります。この需要により、接地変圧器（一般的に「接地変圧器」または「接地ユニット」と呼ばれる）が開発されました。接地変圧器は、接地抵抗を備えた人工的な中性点を作成し、通常非常に低い抵抗値（通常5オーム未満）を持っています。
また、その電磁特性により、接地変圧器は正序電流と負序電流に対して高いインピーダンスを示し、巻線を通る小さな励磁電流のみを許可します。各コアの脚には、逆方向に巻かれた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、それらは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は最小限となります。
具体的には、接地障害中に巻線は正序、負序、および零序電流を搬送します。正序と負序電流に対しては高いインピーダンスを示しますが、零序電流に対しては低インピーダンスを示します。これは、同じ位相内で2つの巻線が逆極性で直列に接続されているため、誘導起電力は大きさが等しく方向が反対であり、互いにキャンセルし合うため、零序電流に対して低インピーダンスを示します。
多くの用途において、接地変圧器は小さな接地抵抗を持つ中性点を提供するためにのみ使用され、二次負荷を供給することはありません。そのため、多くの接地変圧器は二次巻線なしで設計されています。通常のグリッド運転中、接地変圧器は基本的に無負荷状態で動作します。ただし、障害時には短時間だけ障害電流を搬送します。低抵抗接地システムでは、10 kV側で単相接地障害が発生した場合、高度に敏感な零相保護が迅速に故障フィーダーを特定し一時的に隔離します。
接地変圧器は、障害発生からフィーダーの零相保護動作までの短い間だけ活性化します。この間、零相電流は中性点接地抵抗と接地変圧器を通過し、次の式に従います：I_R = U / (R₁ + R₂)、ここでUは系統相電圧、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、接地変圧器の動作特性は以下の通りです：長期的には無負荷運転を行い、障害時には短期間の過負荷となります。
要約すると、接地変圧器は接地抵抗を接続できるように人工的な中性点を作成します。接地障害時には、正序と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低インピーダンスを示し、接地障害保護の信頼性を確保します。
現在、変電所に設置された接地変圧器は主に以下の2つの目的を果たしています：
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、ペテルセンコイル（Petersen coil）と組み合わせて、10 kV単相接地障害時の容量接地障害電流を補償し、障害点のアークを消滅させる。原理は以下の通りです：
三相電力グリッドの全導体長にわたり、相間および各相と地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地間キャパシタンスはゼロになり、他の2相の電圧は通常の相電圧の√3倍になります。この増加した電圧は絶縁設計限界内に留まりますが、その地間キャパシタンスを増加させます。単相障害時の容量接地障害電流は、通常の各相の容量電流の約3倍になります。この電流が大きくなると、間欠的なアークを維持しやすく、グリッドの誘導キャパシタンス回路で共鳴振動を励起し、最大2.5〜3倍の相電圧の過電圧を生成します。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高くなります。したがって、単相容量接地障害電流が小さい60 kV以下のシステムのみが非接地中性点で運転できます。より高い電圧のシステムでは、接地変圧器を使用して中性点をインピーダンスを通じて接続する必要があります。
変電所の主変圧器の一側（例えば10kV側）が中性点を持たないデルタまたはワイア接続されている場合、単相の容量性接地電流が大きいと、利用可能な中性点が存在しません。このような場合、接地トランスフォーマーを使用して人工的な中性点を作成し、消弧コイルに接続します。この人工的な中性点により、システムは容量性電流を補償し、接地アークを消去することができます—これが接地トランスフォーマーの基本的な役割です。
通常運転時には、接地トランスフォーマーは三相電圧がバランスしており、小さな励磁電流しか流れず、実質的に無負荷で動作します。中性点対地間の電位差はゼロ（消弧コイルによる微小な中性点移動電圧を除く）であり、コイルには電流が流れません。例えばC相で接地障害が発生した場合、非対称性から生じる零相電圧が消弧コイルを通って接地します。コイルは誘導電流を生成し、容量性接地障害電流を補償することで、アークを消去します—これは単独の消弧コイルと機能的には同一です。
近年、ある地域の110kV変電所で接地トランスフォーマー保護の誤動作が複数回発生し、電力網の安定性に深刻な影響を与えています。原因の特定、是正措置の実施、教訓の共有を行い、再発防止と他の地域への指導を行っています。
110kV変電所の10kVネットワークにおけるケーブル給電線の使用が増えるにつれ、単相の容量性接地電流が大幅に増加しています。接地障害時の過電圧の抑制のために、多くの110kV変電所では接地トランスフォーマーを設置し、低抵抗接地を実現し、零相電流のパスを確立しています。これにより、位置に基づいて選択的な零相保護によって接地障害を隔離し、アークの再燃を防ぎ、安全な電力供給を確保することができます。
2008年以降、ある地域では接地トランスフォーマーと関連する保護装置を設置して、110kV変電所の10kVシステムを低抵抗接地に改修しています。これにより、10kV給電線の接地障害を迅速に隔離し、電力網への影響を最小限に抑えることができます。しかし、最近、この地域の5つの110kV変電所で接地トランスフォーマー保護の繰り返しの誤動作が発生し、停電を引き起こし、電力網の安定性を脅かしています。そのため、原因の特定と解決策の実施が重要です。
1. 接地トランスフォーマー保護の誤動作の原因分析
10kV給電線で接地障害が発生した場合、110kV変電所の給電線の零相保護が最初に動作して障害を隔離すべきです。それが失敗した場合、接地トランスフォーマーのバックアップ零相保護が母線連結ブレーカーと主変圧器ブレーカーをトリップし、障害を制御します。したがって、10kV給電線保護とブレーカーの正確な動作は極めて重要です。5つの変電所での誤動作の統計的分析によると、給電線保護の失敗が主な原因となっています。
10kV給電線の零相保護の動作は以下の通りです：零相CTサンプリング→保護開始→ブレーカートリップ。重要な部品は零相CT、保護リレー、およびブレーカーです。分析はこれらの部分に焦点を当てます：
1.1 零相CTの誤差による誤動作
接地障害時に、故障した給電線の零相CTが故障電流を検出し、その保護をトリガーします。同時に、接地トランスフォーマーの零相CTも電流を感知します。選択性を確保するために、給電線保護設定（例えば60A、1.0秒）は接地トランスフォーマー設定（例えば75A、1.5秒で母線連結ブレーカートリップ、2.5秒で主変圧器ブレーカートリップ）よりも低い値に設定されています。しかし、CTの誤差（例えば接地トランスフォーマーCTが-10%、給電線CTが+10%）により、実際のピックアップ電流がほぼ等しくなり（67.5A vs. 66A）、時間遅延のみに依存することになります。これにより、接地トランスフォーマーのオーバーレイリスクが高まります。
1.2 間違ったケーブルシールド接地による誤動作
10kV給電線はEMI対策として両端でシールドを接地するシールドケーブルを使用します。零相CTは通常、スイッチギア出口でケーブル周りに設置されます。接地障害時に不平衡電流がCTに信号を誘導しますが、シールドが両端で接地されている場合、循環シールド電流もCTを通ることで測定が歪みます。適切な設置（例えばシールド接地線がCTを通る）がなければ、給電線保護が失敗し、接地トランスフォーマーのオーバーレイが発生します。
1.3 給電線保護の失敗による誤動作
マイクロプロセッサベースのリレーは高性能ですが、製品の品質は様々です。一般的な故障は電源、サンプリング、CPU、またはトリップ出力モジュールに関連しています。これらが未検出の場合、保護拒否が発生し、接地トランスフォーマーの誤動作につながります。
1.4 給電線ブレーカーの失敗による誤動作
老朽化、頻繁な操作、または品質の悪いブレーカー（特に農村部の古いGG-1Aタイプ）は故障率が高くなります。制御回路の故障—特にトリップコイルの焼損—は、保護がトリップを命令してもブレーカーが動作しないことを引き起こし、接地トランスフォーマーのバックアップが動作させられます。
1.5 一つか二つの給電線での高インピーダンス接地障害による誤動作
同じ相で二つの給電線が同時に高インピーダンス接地障害を発生した場合、個々の零相電流（例えば40Aと50A）は給電線ピックアップ（60A）を下回るかもしれませんが、それらの合計（90A）は接地トランスフォーマー設定（75A）を超えることがあります。また、単一の深刻な高インピーダンス障害（例えば58A）と正常な容量性電流（例えば12-15A）の合計が75Aに近づくこともあります。システムの擾乱により誤動作が引き起こされる可能性があります。
2. 誤動作防止の対策
2.1 CT誤差の対処
高品質の零相CTを使用し、起動時に5%以上の誤差があるユニットを拒否し、一次値に基づいて保護閾値を設定し、一次注入テストで設定を確認します。
2.2 ケーブルシールド接地の修正
シールド接地線をゼロシーケンスCTを通じて下方に引き、ケーブルトレイから絶縁します。CTの前で接触しないように注意してください。
露出した導体の端部を試験用に残し、他の部分は絶縁します。
シールド接地点がCTよりも下にある場合は、それをCTを通さないでください。接地点をCTウィンドウ内に配置しないようにします。
保護装置とケーブル作業員に対して適切な設置方法を教育します。
リレー、運転、およびケーブルチームによる共同受入検査を実施します。
2.3 保護拒否の防止
証明された信頼性のあるリレーを使用し、老朽化または故障したユニットを交換し、メンテナンスを強化し、過熱を防ぐための冷却/通風装置を設置します。
2.4 ブレーカ拒否の防止
信頼性があり、現代的なブレーカー（例：ばねまたはモータ駆動型密封タイプ）を使用し、古いGG-1Aキャビネットを廃止し、制御回路を維持し、高品質のトリップコイルを使用します。
2.5 高インピーダンス障害リスクの軽減
接地アラームが発生した場合、フィーダーの迅速な調査とクリアを行う。フィーダー長を短縮し、フェーズ負荷をバランスさせることで、通常の静電容量電流を最小限に抑える。
3. 結論
接地変圧器はグリッド構造と安定性を改善しますが、再発する誤操作は隠れたリスクを示しています。この論文では主な原因を分析し、接地変圧器を既に設置している地域や今後設置を計画している地域に向けた実践的な解決策を提案します。
ジグザグ（Z型）接地変圧器
35kVおよび66kV配電網では、変圧器の巻線は通常、中性点が利用可能な星形接続であり、接地変圧器は不要です。しかし、6kVおよび10kVネットワークでは、デルタ接続の変圧器には中性点がないため、消弧コイルを接続するために接地変圧器が必要となります。
接地変圧器はジグザグ（Z型）巻線接続を使用します。各相巻線は2つのコア肢に分割されます。2つの巻線からのゼロシーケンス磁束が相互にキャンセルされ、非常に低いゼロシーケンスインピーダンス（通常<10Ω）、低い空載損失、および定格容量の90%以上を活用することができます。一方、従来の変圧器はゼロシーケンスインピーダンスが高く、消弧コイル容量は変圧器定格の20%以下に制限されます。したがって、Z型変圧器は接地用途に最適です。
システムのアンバランス電圧が大きい場合、バランスの取れたZ型巻線は測定に十分です。低アンバランスシステム（例えば全ケーブルネットワーク）では、測定の必要に応じて30〜70Vのアンバランス電圧を生成するように中性点が設計されています。
接地変圧器は二次負荷にも供給できるため、所内サービス変圧器としても機能します。このような場合、一次定格は消弧コイル容量と二次負荷容量の合計になります。
接地変圧器の主な機能は接地障害補償電流を供給することです。
図1と図2は、一般的なZ型接地変圧器接続ZNyn11およびZNyn1を示しています。低ゼロシーケンスインピーダンスの原理は以下の通りです：各コア肢には異なる位相電圧に接続された2つの同一巻線があります。正序または負序電圧の場合、各肢の磁気起動力（MMF）は2つの位相MMFのベクトル和です。3つの肢のMMFはバランスがとれており、120°離れており、低抵抗、高磁束、高誘導電圧、そして高い励磁インピーダンスを形成します。
ゼロシーケンス電圧の場合、各肢の2つの巻線は等しいが逆方向のMMFを生成し、各肢の純粋なMMFはゼロになります。コアにはゼロシーケンス磁束が流れず、代わりにタンクと周囲の媒体を通じて高抵抗に遭遇します。結果として、ゼロシーケンス磁束とインピーダンスは非常に低くなります。
