接地変圧器の保護論理改善と鉄道交通電力供給システムにおけるエンジニアリング応用

1. システム構成と動作条件
鄭州軌道交通のコンベンション・アンド・エキシビションセンター主変電所と市立スタジアム主変電所では、主変圧器は星形/デルタ巻線接続で中性点非接地運転モードを採用しています。35kVバス側にはジグザグ接地変圧器が使用され、低値抵抗を介して接地され、また駅サービス負荷に供給されます。線路で単相接地短絡障害が発生した場合、接地変圧器、接地抵抗、および接地網を通じてパスが形成され、ゼロシーケンス電流が生成されます。

これにより、故障セクション内の高感度選択性ゼロシーケンス保護が確実かつ即時に動作し、対応する遮断器をトリップすることで、障害を隔離し影響を制限することができます。接地変圧器が切断された場合、システムは非接地システムになります。この状態では、単相接地障害がシステム絶縁と設備の安全性を大きく脅かします。したがって、接地変圧器保護が動作した場合、接地変圧器自体だけでなく、関連する主変圧器も連鎖的にトリップさせる必要があります。

2. 既存の保護スキームの制限
鄭州軌道交通のコンベンション・アンド・エキシビションセンター主変電所と市立スタジアム主変電所の電力供給システムでは、接地駅サービス変圧器の既存の保護は過電流保護のみを含んでいます。障害により接地変圧器がトリップして運用から外れた場合、自分自身のスイッチギアのみをトリップさせ、対応する入力電源フィーダー遮断器を連鎖的にトリップさせません。

これにより、影響を受けたバスセクションは長時間接地点なしで動作することになります。このような条件下で単相接地障害が発生した場合、過電圧が発生する可能性があるか、または保護システムがゼロシーケンス電流を検出できず、ゼロシーケンス保護が誤作動または動作しない可能性があります—これは事態を悪化させ、全体的な電力システムの安全性を損なう可能性があります。

さらに、バスタイ自動転送（バスタイ自動切り替え）操作中に、非励磁バスセクションの接地駅サービス変圧器は連鎖的にトリップしません。これにより、両バスセクションがバスタイ遮断器を介して相互に接続され、システム内で二点接地状態が生じることがあります。このような二点接地状況は、以下の二つの重大な問題を引き起こす可能性があります：(1) 接地障害時のゼロシーケンス電流の誤分類により、保護拒否または誤トリップが発生する可能性がある；(2) ゼロシーケンス電流による循環電流が発生し、設備の過熱や絶縁損傷につながる可能性がある。

現在の保護論理には大きな制限があります。従来の保護装置は接地変圧器の動作状態のみを監視し、入力電源フィーダー遮断器やバスタイ遮断器との間の連鎖論理を確立しておらず、必要なブロック/連鎖機構を欠いています。

3. 既存の保護制限の改善に関する提案

3.1 提案される改善措置

「接地駅サービス変圧器トリップ連鎖」ソフトロジックを追加

• トリガ条件：接地駅サービス変圧器の回路遮断器が開く。システムが低抵抗接地を使用している場合、接地抵抗電流の消失を追加の基準として追加することができます。

• 連鎖トリップ論理設計：入力電源フィーダー遮断器をトリップする：接地駅サービス変圧器が取り外され、バスセクション上に他の接地点がない場合、入力電源フィーダー遮断器を連鎖的にトリップして負荷を別のバスに移転させる。バスタイ遮断器をトリップする：両バスセクションがバスタイ遮断器を介して並列動作している場合、バスタイ遮断器を連鎖的にトリップして非接地バスセクションを隔離する。

• 技術的実装の推奨：ゼロシーケンス電流保護を追加する。過電流またはゼロシーケンス電流動作時には、保護装置はその場所の遮断器をトリップし、同時に対応する入力フィーダー遮断器とバスタイ遮断器への連鎖トリップコマンドを送信する。保護装置製造者はこの論理に基づいて連鎖論理図を修正し、ソフトウェアアップグレードを行うべきです。

3.2 ゼロシーケンス電圧に基づく保護アップグレード

• ゼロシーケンス過電圧ブロッキング/トリッピング機能：接地駅サービス変圧器が運用外になった際のバックアップとして、バス保護スキームにゼロシーケンス過電圧保護を追加する。ゼロシーケンス電圧が設定された閾値を超えて予定された時間遅延以上続く場合、自動的に入力フィーダーまたはバスタイ遮断器をトリップする。

• 接地変圧器の状態との連携：ゼロシーケンス電圧保護機能を接地駅サービス変圧器の動作状態信号と連携させる：接地変圧器が正常に動作している場合、ゼロシーケンス電圧保護は警報モードで動作する。接地変圧器が運用外の場合、ゼロシーケンス電圧保護はトリップモードに切り替わる。

• 実装上の注意 - 誤動作防止策：一時的な干渉による誤トリップを避けるために時間遅延を追加する。「AND」論理基準（例えば、ゼロシーケンス電圧 + 接地変圧器のオフ状態）を使用して信頼性を高める。

3.3 制御回路の修正（ハードウェア強化）

• 接地駅サービス変圧器保護装置と入力フィーダー遮断器保護装置の間にハードワイヤード連鎖回路を追加する。接地変圧器がトリップすると、その保護装置の出力端子からのトリップ信号 → 入力フィーダー保護装置の出力端子をトリガー → 入力フィーダー遮断器をトリップする。

• バスタイ自動転送動作中、バスタイ保護装置が受電ブレーカーをトリップする信号を送信すると同時に、その連鎖出力端子→接地所用変圧器スイッチ保護装置の出力端子→接地変圧器ブレーカーをトリップする信号を送出します。

3.4 現場での改造実施
表1に示すように、オプション1とオプション2はどちらも保護装置の修正およびアップグレードを必要とします。しかし、コンベンション＆エキシビションセンター主変電所と市立スタジアム主変電所は老朽化した変電所であり、設備は保証期間を大幅に超えています。オプション1またはオプション2を実施するには、元の保護装置メーカーによるソフトウェアアップグレードが必要となり、これには多大な人的・財政的投資が伴います。そのため、運用担当者はオプション3—ハードワイヤードの連鎖回路を追加することによる現場での改造を選択しました。

接地変圧器が障害によりトリップした場合、電源供給ブレーカーを連動トリップする必要があります。点検の結果、スペア出力1、2、3はすべて使用されていませんでした。列車運行終了後、メンテナンス担当者は設備ディスパッチャーに対して作業許可（「作業許可申請」）を申請しました。ディスパッチャーは運用要件に従って負荷転送を行い、施工条件が整った時点で作業許可を承認しました。

連動トリップ回路について：WCB-822C保護装置の5#信号プラグインボード上のスペア出力2（端子517/518）—通常開接点—は、新たに追加されたハードワイヤード連動回路に直列に接続されました。この回路は次いで、WBH-818A保護装置の4#出力プラグインボード上の入力電源ブレーカ盤のスペア出力5（端子13/14）の通常開端子にルーティングされました。端子ブロックからの出力信号により、入力フィーダブレーカがトリップします。ハードワイヤリングは接地変圧器盤と入力フィーダ盤間に設置され、物理的なプレートリンクを通じてハードワイヤードブロッキング回路に統合されました。このハードプレートをオンまたはオフすることにより、ブロッキング機能が有効になるか無効になります。

他のバスセクションに対する修正点も上記と同じです。両バスセクションの改造中、セクショナライズされた入力フィーダを使用して、それぞれのサービスエリアへの電力供給が中断されないようにし、運用後の設備メンテナンスへの影響を最小限に抑えることが可能となりました。

改造完了後、保護リレーのテストを行い、連動トリップ機能を確認しました。正常であることが確認された後、システムは直接運用に投入されました。

母線自動切替動作（BATS）中の非励磁母線の接地所用変圧器の連動トリップに関して：点検の結果、スペア出力3から7までが未使用であることが分かりました。列車運行終了後、メンテナンス担当者は設備ディスパッチャーに対して作業許可を申請しました。ディスパッチャーは運用要件に応じて負荷切り替えを行い、施工条件が整った時点で承認しました。

Iセクションバスの接地所用変圧器の現場改造について：新たなハードワイヤード回路が追加されました。WBT-821C保護装置の5#信号プラグインボード上のスペア出力3（端子519/520）—通常開接点—は、新しく追加されたハードワイヤード回路に直列に接続され、次いでIセクション接地所用変圧器盤のWCB-822C保護装置の5#出力プラグインボード上のスペア出力1（端子514/515）の通常開端子にルーティングされました。端子からの出力後、接地変圧器ブレーカがトリップします。新しいハードワイヤード回路は接地変圧器盤と母線連絡盤の二次盤扉に設置され、物理的なプレートリンクを通じてハードワイヤードブロッキング回路に接続されました。ブロッキング機能はハードプレートをオンまたはオフすることで有効または無効にすることができます。

IIセクションバスの接地所用変圧器の現場改造について：新たなハードワイヤード回路が追加されました。WBT-821C保護装置の3#拡張プラグインボード上のスペア出力4（端子311/312）—通常開接点—は、新しく追加されたハードワイヤード回路に直列に接続され、次いでIIセクション接地所用変圧器盤のWCB-822C保護装置の5#出力プラグインボード上のスペア出力1（端子514/515）の通常開端子にルーティングされました。端子からの出力後、接地変圧器ブレーカがトリップします。新しいハードワイヤード回路は接地変圧器盤と母線連絡盤の二次盤扉に設置され、物理的なプレートリンクを通じてハードワイヤードブロッキング回路に接続されました。ブロッキング機能はハードプレートをオンまたはオフすることで有効または無効にすることができます。

母線自動切替起動時の非励磁母線の接地所用変圧器の連動トリップ信号の改造は、上記の単一母線改造プロセス中に該当するバスセクションで行われました。

4. 結論

非接地中性点構成を持つ電力システムにおける人工的に導入された中性点として、接地変圧器はシステムの安全性と安定稼働を確保するために重要な役割を果たしています。上記の改善により、接地変圧器がサービスから外れた場合のシステムの安全性が大幅に向上し、接地点なしでの運転による過電圧や機器損傷のリスクを効果的に回避することが可能です。実際の実施前に具体的な機器モデルとシステムパラメータに基づいて詳細な検証を行う必要があります。