電力システムの故障種類

電力システムの故障：定義と分類

電力システムの故障とは、電流が意図された流れから逸脱する異常または欠陥を指します。故障が発生すると、主に導体間の絶縁強度が低下することで異常な動作状態が生じます。この絶縁の劣化は、電力システムの構成要素に深刻な損傷を与え、通常の電力供給を妨げ、安全上のリスクをもたらす可能性があります。

電力システムの故障は主に以下の2つの主要なタイプに分類されます：

• 開放回路故障：このタイプの故障は、電気回路に断線や不連続性がある場合に発生し、電流の正常な流れを防ぎます。これは、導体の損傷、接続不良、または電気部品の故障によって引き起こされることがあります。

• ショート回路故障：ショート回路故障では、2つ以上の導体間に意図しない低抵抗パスが生じ、大量の電流が流れます。これは、絶縁の破壊、導体間の物理的な接触、または装置の故障によって引き起こされることがあります。

これらの電力システムの故障の様々なサブタイプと表現は、以下の画像で示されています。

電力システムの故障の原因と分類

電力システムの故障は、多数の自然現象によって引き起こされることがあります。落雷、強風、地震などのイベントはすべて故障を引き起こす可能性があります。落雷は、その強烈な電気放電により絶縁を損傷させ、電流の正常な流れを妨げることができます。高速の風は、送電線を倒したり、導体が他の物体と接触するように揺らしたりすることがあります。また、地震はインフラストラクチャを移動させ、導体が切れたり電気部品が損傷したりすることもあります。

故障はまた、様々な事故によっても引き起こされることがあります。例えば、木が送電線に倒れたり、車両が支持構造物に衝突したり、飛行機が電気インフラに衝突したりすると、電力システムの中断が生じることがあります。これらの偶発的なイベントは、導体、絶縁体、または電気ネットワークの他の重要な部分を直接損傷させ、故障を引き起こす可能性があります。

1. 開放回路故障

開放回路故障は、主に1つまたは2つの導体が故障した場合に発生します。このタイプの故障は電気線路と直列に発生するため、シリーズ故障とも呼ばれます。開放回路故障は、電力供給の中断や接続された装置の潜在的な損傷につながるため、電力システムの信頼性に大きな影響を与えます。

開放回路故障はさらに以下のタイプに分類されます：

• 開放導体故障：これは、電気回路内の単一の導体が断裂または切断され、その特定のパスを通る電流の流れが中断される場合に発生します。

• 2導体開放故障：このシナリオでは、システム内の2つの導体が故障し、電気の流れにより深刻な中断が生じます。このタイプの故障は、非平衡状態を引き起こし、システムの残りの構成要素に追加のストレスを与える可能性があります。

• 3導体開放故障：最もまれかつ最も深刻な開放回路故障の形態であり、3相システムの全ての3つの導体が故障します。これにより、電力伝送が完全に停止し、電力網と接続された負荷に広範な影響を及ぼす可能性があります。

開放回路故障の異なる構成は、以下の図で示されており、これらの故障が電力システム内でどのように現れるかを視覚的に表現しています。

2. ショート回路故障

ショート回路故障は、異なるフェーズの導体が送電線、変圧器、または他の回路要素内で接触した場合に発生します。この予期せぬ接続により、電力システムの1つまたは2つのフェーズを通る大量の電流が流れます。ショート回路故障はさらに、対称型と非対称型の2つの主要なカテゴリーに分類できます。

対称型故障

対称型故障は、電力システムの全3つのフェーズを含む故障を指します。驚くべきことに、これらの故障は故障後もバランスを保ちます。対称型故障は主に発電機の端子で発生します。このような故障の発生は、故障時に導体間に形成される電弧の抵抗や接地システムの低い足元抵抗など、様々な要因によって引き起こされることがあります。

対称型故障はさらに、以下のように2つの明確なタイプに分類されます：線間線間線間故障と三相線地故障。

a. 線間線間線間故障

線間線間線間（L - L - L）故障は、そのバランスが特徴です。故障後も電力システムは対称性を保ちます。比較的まれですが、L - L - L故障は最も深刻なショート回路故障の一つです。システム内で最大の故障電流を生成し、遮断器の格付け要件の決定において重要な役割を果たします。遮断器がこれらの非常に高マグニチュードの電流を安全かつ効果的に遮断する能力は、L - L - L故障の特性によって直接決定され、電力システムの設計と保護における重要な考慮事項となります。

b. L–L–L–G (三相線地故障)

三相線地（L–L–L–G）故障は、電力システムの全3つのフェーズを含みます。この故障シナリオでは、全3つのフェーズとシステムの接地間に接続が確立されます。他のいくつかの故障タイプと比較してあまり一般的ではありませんが、L–L–L–G故障は電力システムの分析において重要な意味を持ちます。統計的には、このような故障が発生する確率は約2〜3%です。この比較的低い確率にもかかわらず、L–L–L–G故障が発生すると、大量の故障電流が生成され、電力システムに広範な中断を引き起こす可能性があります。そのため、堅牢な保護措置と慎重なシステム設計・運用が必要となります。

非対称型故障

非対称型故障は、電力システムで非対称な電流を生成する状態を指し、3つのフェーズの電流の大きさと位相が互いに大きく異なる場合を指します。このタイプの故障は通常、線地（L - G）、線間（L - L）、または二重線地（L - L - G）故障など、1つまたは2つのフェーズを含みます。これらの故障により、電力システムは非平衡となり、様々な運転上の問題や設備の潜在的な損傷につながる可能性があります。

非対称型故障は主に以下の3つの明確なタイプに分類されます：

• 単一線地（L – G）故障

• 線間故障（L – L）

• 二重線地（L – L – G）故障

すべての電力システムの故障の中で、非対称型故障は最も頻繁に発生します。

1. 単一線地（L – G）故障

単一線地故障は、導体の1つが接地または中性導体に接触したときに発生します。このタイプの故障は非常に一般的で、電力システム内で発生する全ての故障の70〜80％を占めています。その高い発生頻度により、電力システムの運転者や技術者は、システムの安定性と信頼性への潜在的な影響を緩和するための効果的な保護措置を実施する必要があります。

3. 二重線地（L - L - G）故障

二重線地故障では、2つの導体が同時に互いに接触し、接地します。この故障シナリオは、電力システムの正常な動作を妨げる複雑な電気パスを作ります。単一線地故障よりも少ないものの、二重線地故障は依然としてシステムの安定性と設備の整合性に対する重大なリスクをもたらします。統計的には、二重線地故障が発生する確率は、全電力システムの故障の約10%です。この比較的低い確率であっても無視できない確率であるため、電力システムには、このような故障による潜在的な損傷と運転上の中断を防ぐための包括的な保護と緩和策を組み込むことが重要です。