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10kV配電線路における一相接地障害とその対処

Rockwill
フィールド: 製造
China
単相地絡故障の特徴および検出装置
1. 単相地絡故障の特徴
  • 中央警報信号:
    警告ベルが鳴り、『[X] kV バス区間 [Y] の地絡故障』と表示された指示灯が点灯する。ペテルセンコイル(消弧コイル)を用いて中性点を接地している系統では、『ペテルセンコイル作動中』の指示灯も点灯する。
  • 絶縁監視用電圧計の表示:
    • 地絡故障相の電圧は低下する(不完全接地の場合)またはゼロになる(完全接地の場合)。
    • 他の2相の電圧は上昇する——不完全接地では通常の相電圧より高くなり、完全接地では線間電圧まで上昇する。
    • 安定した接地状態では電圧計の針は一定に保たれるが、連続的に振動する場合は、間欠的(アーク接地)な故障である。
  • ペテルセンコイル接地系統の場合:
    中性点変位電圧計が設置されている場合、不完全接地時には一定の値を示し、完全接地時には相電圧に達する。また、ペテルセンコイルの地絡警報灯も点灯する。
  • アーク接地現象:
    アーク接地により過電圧が発生し、非故障相の電圧が著しく上昇する。これにより、電圧トランスフォーマ(VT)の高圧ヒューズが溶断したり、VT自体が損傷する可能性がある。
2. 真の地絡故障と誤報の区別
  • VTの高圧ヒューズ溶断:
    VTの1相のヒューズが溶断すると、地絡故障信号が発生することがある。ただし:
    • 実際の地絡故障時:故障相の電圧は低下し、他の2相の電圧は上昇するが、線間電圧は変化しない
    • ヒューズ溶断時:1相の電圧は低下するが、他の2相は上昇せず、かつ線間電圧は低下する
  • 無負荷バスへの変圧器投入:
    通電時に遮断器が非同期で閉じると、対地静電容量の不平衡結合により中性点変位および三相電圧の非対称が生じ、誤った地絡信号が発生する。
    → これはスイッチング操作時のみ発生する。バスおよび接続機器に異常が認められない場合、当該信号は誤報である。フィーダ線または所内用変圧器への通電により、通常は信号が消滅する。
  • 系統の非対称性またはペテルセンコイルの不適切な調整:
    運転モード変更(例:構成切り替え)時に、非対称性またはペテルセンコイルの補償設定が不適切であると、誤った地絡信号が発生する。
    → 運転指令担当者との連携が必要:元の構成に戻し、ペテルセンコイルを停電させ、タップチェンジャーを調整した後、再通電してからモードを再度切り替える。
    → 無負荷バスへの通電時にフェロレゾナンスが発生することでも誤報が生じる。フィーダ線を即座に通電することで共振条件が解消され、アラームが解除される。
3. 検出装置
絶縁監視システムは、通常、三相5脚電圧トランスフォーマ、電圧リレー、信号リレーおよび監視計器から構成される。
  • 構造: 5つの磁気脚;1次巻線および2次巻線がすべて中央の3つの脚に巻かれている。
  • 配線方式: Ynynd(一次側スター結線、二次側スター結線(中性点引出あり)、三次側オープンデルタ結線)。
この配線方式の利点:
  • 1次二次巻線は線間電圧および相電圧の両方を測定できる。
  • 2次二次巻線はオープンデルタに接続され、零相電圧を検出する。
動作原理:
  • 正常時は三相電圧が平衡しており、理論的にはオープンデルタ端子間にゼロ電圧が現れる
  • 単相完全地絡故障(例:A相)が発生すると、系統に零相電圧が現れ、オープンデルタ端子間に電圧が誘起される。
  • 不完全(高インピーダンス)接地時であっても、オープンデルタ端子間に電圧が誘起される。
  • この電圧が電圧リレーの動作閾値に達すると、電圧リレーおよび信号リレーが作動し、音響および視覚警報が発せられる。
運転員はこれらの信号および電圧計の読み取り値を用いて、地絡故障の発生および故障相を特定し、指令担当者に報告する。
⚠️ 注:絶縁監視装置は、対象バス区間全体で共有される。
単相地絡故障の原因
  • 導体の切断による地上落下または横担木への接触;
  • 碍子上の導体の固定・結線の緩みにより、横担木や地上へ落下;
  • 強風により導体が建物に接近しすぎること;
  • 配電変圧器からの高圧引き出し線の切断;
  • 変圧器台架上の10 kV避雷器またはヒューズの絶縁劣化;
  • 変圧器高圧巻線の1相における絶縁破壊または接地;
  • 碍子の沿面放電または貫通;
  • 分岐線ヒューズの絶縁劣化;
  • 多回路電柱の上部横担木から脱落した支持線が下部導体に接触;
  • 落雷;
  • 樹木との接触;
  • 鳥による故障;
  • 異物(例:プラスチックシート、枝);
  • その他の偶発的または不明な原因。
単相地絡故障の危険性
  • 変電所設備への損傷:
    10 kV地絡故障発生後、バス用VTは電流を検出できないが、零相電圧およびオープンデルタ内の電流増加を検出する。長時間運転を続けると、VTが損傷する可能性がある。
    さらに、フェロレゾナンス過電圧(通常電圧の数倍)が発生し、絶縁破壊を引き起こし、重大な設備障害を招く可能性がある。
  • 配電設備への損傷:
    間欠的アーク接地および過電圧により絶縁が貫通し、短絡変圧器焼損、および避雷器/ヒューズの故障を引き起こす可能性があり、ひいては電気火災を招く恐れがある。
  • 地域電力網の安定性への脅威:
    深刻な地絡故障は、地域電力網の不安定化を引き起こし、連鎖的な障害を招く可能性がある。
  • 人および動物へのリスク:
    地上に落下した導体が大地を帯電させ、ステップ電圧の危険を生じさせる。事故現場付近の歩行者、送電線作業員(特に夜間パトロール時)、家畜は感電または感電死のリスクにさらされる。
  • 供給信頼性への影響:
    • 手動による故障フィーダ選択が必要となる。
    • トラブルシューティング中に、非故障フィーダが不要に停電し、影響を受けていない顧客への供給が中断される。
    • 故障箇所の特定および修復には、線路の停電が必要であり、特に作物生育期悪天候(風、雨、雪)、または山岳地帯/森林地帯および夜間には困難を極め、長期にわたり広範囲に及ぶ停電を招く。
  • 線路のエネルギー損失:
    地絡故障により大きな対地漏れ電流が生じ、直接的なエネルギー損失となる。規則では、過度な浪費を避けるため、地絡故障時の運転を通常2時間以内に制限している。
  • 電力損失の定量評価:
    平均地絡故障電流は6~10 Aの範囲である。典型的な10 kVレベルでは、24時間あたり約34,560 kWhのエネルギーが浪費される。
単相地絡故障の対応方法および手順
  • 小電流地絡自動選択装置:
    変電所に自動地絡フィーダ選択装置を設置する。これらの装置は各フィーダ出口に設置された零相電流トランスフォーマ(ZCT)と連携し、隔離前に正確に故障フィーダを特定する。
  • 単相地絡故障検出システム:
    現代の配電系統では、フィーダの始端、中間、終端信号注入器を配備する。また、故障指示器により故障箇所を正確に特定し、迅速な対応を可能にする。
  • 予防措置:
    • 定期的な線路パトロールを実施:樹木・建物との導体間距離、電柱上の鳥の巣、碍子上の導体の結線状態、碍子・横担木・支持線のボルトの緩み、支持線の切断・摩耗、導体の異常垂れ下がりなどを確認する。
    • 碍子、分岐線ヒューズ、避雷器の絶縁性能を定期的に試験し、不良品は速やかに交換する。
    • 配電変圧器の定期試験を実施し、不良品は修理または交換する。
    • 農村フィーダに分岐線ヒューズを設置し、故障範囲を限定し、停電範囲および停電時間を短縮するとともに、故障箇所の特定を迅速化する。
    • 系統全体の絶縁強度を高めるため、1ランク高い定格電圧の碍子を使用する。
  • 故障後の対応手順:
    単相地絡故障を検出した場合:
    • 変電所の運転員は、直ちに事象を記録し指令担当者および責任者に報告し、指令に従って故障箇所を特定する。
    • フィーダ遮断器を順次開く。特定の線路を開いた際に地絡信号が消失した場合、その線路が故障回路
著者へのチップと励まし

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