接地トランスと一般的なトランスの違いは何ですか

接地変圧器とは何ですか？

接地変圧器は、「接地変圧器」と略称され、充填媒体により油浸型と乾式に分類され、相数により三相接地変圧器と単相接地変圧器に分類されます。

接地変圧器と一般的な変圧器の違い

接地変圧器の目的は、デルタ（Δ）またはスター（Y）接続で中性点が利用できないシステムにおいて、消弧コイルまたは抵抗を接続するための中性点を作成することです。このような変圧器ではジグザグ（または「Z型」）巻線接続を使用します。一般的な変圧器との主要な違いは、各相巻線が同じ磁気コアの脚に反対方向に巻かれた2つのグループに分割されていることです。この設計により、ゼロ相電流がコアの脚を通ることができます。一方、一般的な変圧器では、ゼロ相電流は漏れ経路を通過します。

したがって、Z型接地変圧器のゼロ相インピーダンスは非常に低く（約10Ω）、一般的な変圧器の場合ははるかに高くなります。技術規則によると、一般的な変圧器を使用して消弧コイルを接続する場合、コイル容量は変圧器の定格容量の20％を超えてはなりません。一方、Z型変圧器は、自身の容量の90%～100%まで消弧コイルを負担することができます。さらに、接地変圧器は二次負荷を供給し、所内変圧器としても機能することができ、投資コストを節約することができます。

接地変圧器の動作原理

接地変圧器は、接地抵抗とともに中性点を作成します。接地抵抗は通常、非常に低い抵抗値（一般には5オーム未満が要求される）を持っています。また、その電磁特性により、接地変圧器は正序および負序電流に対して高いインピーダンスを示し、巻線にわずかな励磁電流しか流れません。各コアの脚上では、2つの巻線セクションが反対方向に巻かれています。これらの巻線に等しいゼロ相電流が流れるとき、それらは低いインピーダンスを示し、最小限の電圧降下になります。

接地障害が発生した場合、巻線は正序、負序、ゼロ序電流を運びます。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、同一相内で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逆であり、互いに打ち消し合います。

多くの接地変圧器は、二次負荷を供給せず、低抵抗の中性点のみを提供するために使用されるため、二次巻線を持たないデザインになっています。正常な電力網運転時には、接地変圧器は基本的に無負荷状態で動作します。しかし、障害が発生したときは短時間だけ障害電流を運びます。低抵抗接地システムでは、単相接地障害が発生すると、高度に感度の高いゼロ序保護が迅速に故障フィーダーを特定し、一時的に切り離します。

接地変圧器は、障害発生からフィーダーのゼロ序保護が動作するまでの短い間だけ活性化します。この期間中、ゼロ序電流は中性点接地抵抗と接地変圧器を通過し、次の公式に従います：IR = U / R₁、ここでUは系統の相電圧、R₁は中性点接地抵抗です。

接地アークが確実に消火できない場合の結果

• 単相接地アークの断続的な消火と再燃により、ピーク相電圧の4倍（Uがピーク相電圧の場合）またはそれ以上の振幅を持つ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に深刻な脅威となり、弱い絶縁部での破壊を引き起こし、大きな損失につながります。

• 持続的なアークは周囲の空気をイオン化し、その絶縁性能を低下させ、相間ショートサーキット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簡単に損傷させ、避雷器の爆発を引き起こす可能性があります。これらは、電力システム全体の安全な運転に深刻な脅威となる絶縁の完全性を危険にさらします。

正序、負序、ゼロ序電流とは何か？

• 負序電流：A相はB相に対して120°遅れ、B相はC相に対して120°遅れ、C相はA相に対して120°遅れます。

• 正序電流：A相はB相に対して120°先行、B相はC相に対して120°先行、C相はA相に対して120°先行します。

• ゼロ序電流：すべての3相（A、B、C）が同相位—どの相も他の相に対して先行または遅れていません。

三相ショートサーキット障害および正常運転時には、システムには正序成分のみが含まれます。
単相接地障害時には、システムには正序、負序、ゼロ序成分が含まれます。
二相ショートサーキット障害時には、システムには正序および負序成分が含まれます。
二相接地ショートサーキット障害時には、システムには正序、負序、ゼロ序成分が含まれます。

接地変圧器の動作特性

接地変圧器は、通常の電力網運転中に無負荷条件で動作し、障害時には短時間の過負荷を経験します。要するに、接地変圧器の機能は、接地抵抗を接続するために人工的に中性点を作成することです。接地障害時に、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すことで、接地障害保護の信頼性のある動作が確保されます。

消弧コイルシステムによる中性点接地

機器の絶縁不良、外部損傷、操作ミス、内部過電圧、またはその他の原因により、一時的な単相接地障害が発生した場合、接地障害電流は消弧コイルを通って誘導電流として流れます。この誘導電流はキャパシティブ電流と逆方向に流れ、障害点での電流を非常に小さな値またはゼロまで減らすことができます。これによりアークが消え、関連する危険が排除されます。リレープロテクションや遮断器のトリップを引き起こすことなく、障害が自動的に解消され、供給電力の信頼性が大幅に向上します。

3つの補償動作モード

補償動作モードには、不足補償、完全補償、過剰補償の3種類があります。

• 不足補償：補償後の誘導電流はキャパシティブ電流よりも小さい。

• 過剰補償：補償後の誘導電流はキャパシティブ電流よりも大きい。

• 完全補償：補償後の誘導電流はキャパシティブ電流と等しい。

消弧コイルシステムによる中性点接地における補償モード

消弧コイルを用いた中性点接地システムでは、完全補償は避ける必要があります。システムの不均衡電圧の大きさに関わらず、完全補償は直列共振を引き起こし、消弧コイルに危険な高電圧をかける可能性があります。そのため、実際には過剰補償または不足補償が採用され、最も一般的に使用されるのは過剰補償です。

過剰補償を採用する主な理由

不足補償システムでは、障害時に高過電圧が容易に発生します。たとえば、障害やその他の理由により一部の線路が切断された場合、不足補償システムは完全補償に近づく可能性があり、直列共振を引き起こし、非常に高い中性点偏移電圧と過電圧をもたらします。不足補償システムでは大きな中性点偏移が絶縁の整合性を脅かすという欠点があり、これは不足補償を使用している限り避けられません。

三相バランスが大きく崩れた不足補償システムの正常運転中に、非常に高い鉄磁共鳴過電圧が発生する可能性があります。これは、不足補償の消弧コイル（ωL > 1/(3ωC₀)）と線路キャパシタンス（3C₀）との間の鉄磁共鳴現象から生じます。過剰補償ではこのような共鳴は発生しません。

電力システムは継続的に拡大し、グリッドの対地キャパシタンスもそれに応じて増加します。過剰補償の場合、当初に設置された消弧コイルは一定期間サービスを続けることができますが、最終的には不足補償にシフトするかもしれません。しかし、システムが不足補償で始まった場合、拡張に伴いすぐに追加の補償容量が必要になります。

過剰補償の場合、障害点を通過する電流は誘導電流です。アークが消えた後、故障相電圧の回復率が遅くなるため、アーク再燃の可能性が低くなります。

過剰補償では、システム周波数の低下は一時的に補償度を増加させるだけであり、通常の運転では問題ありません。一方、不足補償と周波数低下の組み合わせは、システムが完全補償に近づき、中性点偏移電圧が増加する可能性があります。

まとめ

接地変圧器はまた、駅用変圧器としても機能し、35 kVの電圧を380 Vの低電圧に降圧してバッテリー充電、SVGファンの電源、メンテナンス照明、および一般の駅補助負荷に電力を供給します。

現代の電力網では、ケーブルが空中線を広く置き換えています。ケーブル線の単相キャパシティブ接地障害電流は空中線よりもはるかに大きいため、消弧コイルによる中性点接地では障害アークを消したり、危険な共鳴過電圧を抑制することは困難です。したがって、当所の変電所では低抵抗中性点接地方式を採用しています。この方法は堅牢に接地された中性点システムに似ており、単相接地障害保護を設置し、ブレーカーをトリップさせる必要があります。単相接地障害が発生した場合、故障フィーダーは迅速に隔離されます。