線路またはフィーダの保護

電力送電線の長さは一般的に十分長く、開放的な大気中を走行するため、電力変圧器や発電機と比べて障害が発生する可能性が高いです。そのため、送電線は変圧器や発電機よりも多くの保護スキームが必要となります。
送電線の保護には以下の特別な特徴があります。

1. 障害が発生した場合、障害点に最も近い遮断器のみがトリップされるべきです。

2. 障害点に最も近い遮断器がトリップしない場合、その次に近い遮断器がバックアップとしてトリップします。

3. 送電線の保護に関連するリレーの動作時間は、他の健全な部分の遮断器が不要にトリップすることを防ぐために、可能な限り短くすべきです。

上記の要件により、送電線の保護は変圧器の保護や電力システムの他の装置の保護とは大きく異なります。送電線保護の主な3つの方法は以下の通りです。

1. 時間段階式過電流保護。

2. 差動保護。

3. 距離保護。

時間段階式過電流保護

これは単に電力送電線の過電流保護とも呼ばれます。以下で時間段階式過電流保護の異なるスキームについて説明します。

放射状フィーダーの保護

放射状フィーダーでは、電力はソースから負荷へと一方通行します。このタイプのフィーダーは、定時リレーや逆時リレーを使用して簡単に保護できます。

定時リレーによる送電線保護

この保護スキームは非常に簡単です。ここでは、全体の送電線が異なるセクションに分割され、各セクションに定時リレーが設置されます。送電線の端に最も近いリレーは最小の時間設定を持ち、その他のリレーの時間設定は順次増加し、ソースに向かって増えていきます。
たとえば、図のポイントAにソースがあるとします。

ポイントDでは、遮断器CB-3が0.5秒の定時リレー操作時間で設置されています。次に、ポイントCでは別の遮断器CB-2が1秒の定時リレー操作時間で設置されています。ポイントBでは、ポイントAに最も近い遮断器CB-1が設置されており、このリレーの操作時間は1.5秒に設定されています。
ここで、ポイントFで障害が発生すると仮定します。この障害により、すべての電流変換器またはCTを通じて障害電流が流れます。しかし、ポイントDのリレーの操作時間が最小であるため、このリレーに関連する遮断器CB-3が最初にトリップし、障害ゾーンを送電線の他の部分から切り離します。何らかの理由でCB-3がトリップしない場合、次の高い時間設定のリレーが動作し、関連する遮断器をトリップさせます。この場合、CB-2がトリップします。CB-2もトリップしない場合、次の遮断器CB-1がトリップし、送電線の大部分を切り離します。

定時送電線保護の利点

このスキームの主な利点はシンプルさです。第二の主要な利点は、障害時にソースから障害点に最も近い遮断器のみが動作し、送電線の特定の位置を切り離すことです。

定時送電線保護の欠点

送電線のセクション数が非常に多い場合、ソースに最も近いリレーの時間設定は非常に長いものになります。そのため、ソースに近い場所での障害は、切り離されるまでに非常に長い時間を要します。これにより、システムに深刻な破壊的な影響を与える可能性があります。

逆時リレーによる過電流送電線保護

先ほど述べた定時過電流保護の欠点は、逆時リレーを使用することで容易に克服できます。逆時リレーでは、動作時間は障害電流に反比例します。

上記の図では、ポイントDのリレーの全体的な時間設定が最小であり、ポイントAに向かうリレーの時間設定は順次増加しています。
ポイントFで障害が発生した場合、明らかにポイントDの遮断器CB-3がトリップします。CB-3が開かない場合、ポイントCのリレーの全体的な時間設定が高いため、CB-2が動作します。
ソースに最も近いリレーの時間設定が最大ですが、大きな障害がソースに近い場所で発生した場合でも、リレーの動作時間が障害電流に反比例しているため、比較的短い時間でトリップします。

並列フィーダーの過電流保護

システムの安定性を維持するためには、ソースから複数のフィーダーを並列に接続して負荷に供給することが必要です。いずれかのフィーダーで障害が発生した場合、その障害のあるフィーダーのみをシステムから切り離す必要があります。これにより、並列フィーダーの保護は、放射状フィーダーの場合のように単純な非方向性の過電流保護よりも少し複雑になります。並列フィーダーの保護には、方向性リレーを使用し、リレーの時間設定を段階的に調整する必要があります。

ソースから負荷までの2つのフィーダーが並列に接続されています。両方のフィーダーはソース側に非方向性の過電流リレーを備えています。これらのリレーは逆時リレーであるべきです。また、両方のフィーダーは負荷側に方向性リレーまたは逆電力リレーを備えています。ここでの逆電力リレーは瞬時型であるべきです。つまり、フィーダー内の電力の流れが逆転したときにすぐに動作するべきです。通常の電力の流れはソースから負荷へです。
ここで、ポイントFで障害が発生したとします。障害電流をIfとします。この障害は、ソースから2つの並列パスを得ます。一つは遮断器Aのみを通じて、もう一つはCB-B、フィーダー2、CB-Q、負荷バス、そしてCB-Pを通じてです。下の図に示すように、IAとIBはそれぞれフィーダー1とフィーダー2によって共有される障害電流です。

キルヒホッフの電流法則によれば、IA + IB = Ifです。

ここで、IAはCB-Aを通じて流れ、IBはCB-Pを通じて流れます。CB-Pの流れの方向が逆転するため、即座にトリップします。しかし、CB-Qは流れの方向が逆転していないためトリップしません。CB-Pがトリップするとすぐに、障害電流IBはフィーダーを通じて流れなくなり、逆時過電流リレーがさらに動作することはなくなります。IAはCB-Pがトリップした後も引き続き流れ続けます。過電流IAにより、CB-Aがトリップします。このようにして、障害のあるフィーダーはシステムから切り離されます。

差動パイロットワイヤ保護

これは単純にフィーダーに適用された差動保護スキームです。いくつかの差動スキームが送電線の保護に適用されていますが、メルツ・プライス電圧バランスシステムとトランスレイスキームが最も広く使用されています。

メルツ・プライス電圧バランスシステム

メルツ・プライス電圧バランスシステムの動作原理は非常に単純です。この送電線保護スキームでは、送電線の両端に同一のCTが接続されています。CTの極性は同じです。これらの電流変換器の二次側と2つの瞬時リレーの動作コイルが閉ループを形成しています。このループには、両方のCT二次側と両方のリレーコイルを接続するパイロットワイヤが使用されています。

図から明らかなように、システムが正常な状態にあるときには、ループ内には電流が流れません。なぜなら、一方のCTの二次電流が他方のCTの二次電流をキャンセルするからです。
ここで、これらの2つのCT間の送電線の一部に障害が発生した場合、一方のCTの二次電流はもう一方のCTの二次電流と等しくかつ反対向きではなくなります。したがって、ループ内には循環電流が発生します。
この循環電流により、両方のリレーのコイルが関連する遮断器のトリップ回路を閉じます。したがって、障害のある送電線は両端から切り離されます。

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