発電機の差動保護

発電機差動保護

発電機の差動保護は主に、接地障害と相間障害からスタータ巻線を保護します。スタータ巻線の障害は重大な脅威であり、発電機に深刻な損傷を与える可能性があります。スタータ巻線を保護するために、差動保護システムが利用され、可能な限り短時間で障害を排除し、損傷の程度を最小限に抑えます。

メルツ・プライズ循環電流システム

この保護方式では、保護区間の両端の電流を比較します。通常運転時には、電流変換器の二次巻線における電流の大きさは等しくなります。しかし、障害が発生すると、系統に短絡電流が流れ、電流の大きさが異なるようになります。この障害時の電流の差がリレーの動作コイルを通ります。

電流が設定された閾値を超えると、リレーの接点が閉じ、サーキットブレーカーがトリップします。これにより、故障区間がシステムの他の部分から隔離されます。このような保護メカニズムはメルツ・プライズ循環電流システムと呼ばれ、接地障害や相間障害の検出と対応において非常に効果的です。

差動保護システムの接続

差動保護システムには、保護ゾーンの両側に設置される2つの同一の電流変換器が必要です。これらの電流変換器の二次端子は星形接続され、その末端端子はパイロットワイヤーで接続されます。一方、リレーのコイルはデルタ接続されます。電流変換器とリレーの中性点は共通端子に接続されます。この特定の配線配置は、電流の不均衡を正確に検出し、迅速な障害隔離を可能にします。

リレーは3つのパイロットワイヤーの等電位点間に接続され、各電流変換器が等しい負担を持つようにします。各パイロットワイヤーの中点がその等電位点を表すため、リレーはこれらのワイヤーの中点に戦略的に配置されます。

差動保護システムが最適に機能するためには、リレーのコイルを主回路に近い電流変換器に近づけることが重要です。これは、パイロットワイヤーにバランス抵抗を直列に挿入することで、等電位点を主回路遮断器に近づけることで達成できます。

差動保護システムの動作原理

ネットワークのR相で絶縁破壊が発生し、障害が引き起こされた場合、電流変換器の二次側の電流が不均衡になります。この不均衡により、リレーのコイルを通過する差動電流が生成されます。結果として、リレーが作動し、サーキットブレーカーにトリップ命令を発し、故障区間をシステムの他の部分から隔離します。

しかし、この保護システムには大きな制限があります。それは、変圧器の励磁流入電流に対して非常に敏感であることです。流入電流はリレーの誤動作を引き起こす可能性があります。この問題に対処するために、バイアス付き差動リレーが使用されます。このタイプのリレーは、コイルを通過する一定レベルの不均衡電流を許容し、不要な動作を引き起こすことなく機能します。

さらに、励磁流入電流の影響を軽減するために、抑制コイルが設計に組み込まれます。抑制コイルは、流入電流の影響を効果的に低減し、リレーが励磁流入による誤トリップに耐えられるようにします。このような構成を持つリレーは、バイアス付き差動リレーと呼ばれます。

障害シナリオとリレーの動作

例えばY相とB相の間に障害が発生した場合、これらの2相を通過する短絡電流が流れます。この障害により、電流変換器（CT）を通過する電流のバランスが乱れます。結果として、リレーの動作コイルを通過する差動電流が生成され、リレーがトリップして接点を開き、故障区間を電気系統から隔離します。

差動保護システムの問題点

差動保護システムでは、通常、接地障害電流の悪影響を軽減するために中性抵抗ワイヤーが使用されます。しかし、地中障害が中性点に近い位置で発生すると、小さな起電力によって比較的小さな短絡電流が中性点を通過します。中性接地抵抗により、この電流はさらに減少します。結果として、リレーに到達する電流は非常に小さくなり、リレーのコイルを動作させるのに十分な電流が得られないため、障害が検出されず、発電機が損傷する可能性があります。

改良された差動保護システムスキーム

上記の問題に対処するために、改良された差動保護システムスキームが開発されました。この改良スキームは、相障害と地中障害をそれぞれ保護する2つの異なる要素を組み合わせています。

相障害保護要素は、抵抗とともに星形接続されます。一方、地中障害リレーは、星形接続された相要素と中性点の間に配置されます。具体的には、2つの相障害要素とバランス抵抗が星形パターンで接続され、地中障害リレーは星形接続と中性パイロットワイヤーの間に接続されます。この構成により、システムは相障害と地中障害を正確に検出し、対応する能力が向上し、差動保護システム全体の信頼性が向上します。

星形接続回路は対称性を持ち、電流循環点から発生する平衡オーバーフロー電流が地中障害リレーを通過することはありません。そのため、このシステム内では、感度の高い地中障害リレーが安定して動作し、正常な平衡電流の変動によってトリガーされることなく地中障害を確実に検出することができます。